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BARRA DE SECCION CONICA GUIA DE INFORME

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LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA
TRANSFERENCIA DE CALOR
TEMA:
BARRA DE SECCION CONICA
OBJETIVO:
1. Obtener el valor de la conductividad para el bronce amarillo (K) tanto en
el lado aislado como en el no aislado
2. Determinar la ecuación de la distribución de temperaturas y graficar el
perfil de temperaturas en función de la distancia para cada uno de los
casos.
3. Realizar la teoría de errores para el valor de la conductividad del bronce
y para cada valor de temperatura experimental como teórico.
TEORIA:
La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica
entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto
de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre
diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. La conducción del calor es
muy reducida en el espacio vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin
energía. El principal parámetro dependiente del material que regula la
conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad
física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una
substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias
moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La
inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la
capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.
La transferencia de energía térmica o calor entre dos cuerpos diferentes por
conducción o convección requiere el contacto directo de las moléculas de
diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no hay movimiento
macroscópico de materia mientras que en la segunda sí lo hay. Para la materia
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ELABORADO POR:
JAIME ROBERTO BUENAÑO ABARZA
ANALLISTA DE LABORATORIO
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TRANSFERENCIA DE CALOR
ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la
"materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo
representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de
energía por radiación aumenta con la cuarta potencia de la temperatura (T4),
siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas superiores a varios
miles de kelvin.
Ley de Fourier.
Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las
moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con
las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que
todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una
varilla metálica se calienta con una flama, transcurre cierto tiempo hasta que el
calor llega al otro extremo. El calor no se transmite con la misma facilidad por
todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que
son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los
"malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha resistencia al paso
de calor. La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece
que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es
proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de
temperatura en esa dirección.
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Conductividad térmica
La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora
la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad
varía en función de la temperatura a la que se encuentra la sustancia, por lo que
suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos
elementos con otros.
Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases
(a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones
libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos
materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes
térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí
que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado
un vacío elevado.
En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de
calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un
elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se
desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales
de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en
configuraciones con poca área de contacto.
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EQUIPO UTILIZADO:
Es una barra cónica de bronce amarillo, que consta de un lado aislado y un lado
no aislado en cada sección tiene 8 termocuplas de hierro constantano,
separadas por una distancia de 38.1mm entre ellas. Tiene dos termocuplas
centrales una en cada sección que mide la temperatura de entrada de agua en
el lado aislado y la otra la temperatura del elemento calefactor en el lado no
aislado, además dos termocuplas en los extremos que sirven para medir la
temperatura del agua a la salida de cada sección, este caudal de agua tiene que
ser regulado al inicio de la práctica.
Además, consta de un módulo en cual podemos poner la potencia que ingresara
al módulo de calentamiento, y tiene un selector de termocuplas para junto con
un termómetro digital medir las 20 temperaturas de la barra, como podemos
observar en las imágenes.
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PARTES DEL EQUIPO
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2
3
4
5
6
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Centro de equilibrio de masa
Barra cónica aislada
Amperímetro
Marcador de temperatura
Voltímetro 1
Intercambiador de fase zona
aislada y no aislada
Marcador para cada termocupla
8
9
10
11
12
Voltímetro 2
Termocuplas
Salida de datos zona no aislada
Soporte base de equipo
Salida datos zona aislada
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Barra cónica descubierta
PROCEDIMIENTO:
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
Se Regula el caudal de entrada de agua al mecanismo, esta tiene que ser
constante durante toda la práctica, Caudal del agua: Lado aislado (110140 cm3/min); lado no aislado (100-125 cm3/min)

Se debe registrar la temperatura del medio ambiente y se debe registrar
las temperaturas iniciales antes de encender el módulo de calentamiento:
del ambiente, agua de suministro, y de la barra, en la tabla de datos.

Se enciende el módulo de calentamiento a un voltaje de ensayo de 110
Voltios y se empieza a registrar la temperatura de cada termocupla en
intervalos de 10 minutos hasta alcanzar el estado estable.

Cuando se termina la práctica se apaga el módulo de calentamiento y se
deja abierto que siga pasando el caudal de agua para que ayude a enfriar
a la barra.
DATOS
Registre los datos
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Temperatura ambiente = °C:
Caudal lado aislado = cm3/min
Caudal lado no aislado = cm3/min
DATOS PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS:
Temperatura ambiente (°C)
Caudal del lado aislado𝑉̇𝑙𝑎 (cm3/min)
Caudal del lado no aislado𝑉̇𝑙𝑛𝑎 (cm3/min)
Densidad del agua ρ (Kg/m3)
Caudal másico del agua𝑚̇𝑤 (Kg/h)
Caudal volumétrico del agua𝑉̇ (m3/h)
Calor cedido del agua Qw (W)
Distancia L (m)
Área de conducción Ac
Conductividad térmica del bronce amarillo Kexp(W/m°K)
Diferencia de temperatura entre las termocuplas de la barra de bronce
ΔT=Tcentro-Tx
Pendiente del cono m
CALCULOS, RESULTADOS Y GRAFICOS:
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
Graficar el perfil de temperatura en función de la distancia para cada uno
de los casos lado aislado y lado no aislado.

Determinar el valor experimental de conducción térmica (K)para el bronce
amarillo y compararlo con el valor teórico

Determinar la distribución de temperaturas en la barra de sección cónica
y comparar con las temperaturas tomadas.
Preguntas
 ¿Qué diferencias encuentra en los datos tomados en el lado aislado con
respecto a los datos tomados en el lado no aislado?
 Calcule el error relativo que resulta de su valor de 𝑘 con el valor teórico
sacado de alguna tabla de una bibliografía y explique por que hay una
diferencia entre ambos resultados de haberla.
 Plantearse 2 preguntas en base a sus resultados y responderlas.
Consulta
Realice el desarrollo matemático para llegar a la ecuación de difusión de calor
en coordenadas polares
𝑞𝑔𝑒𝑛 1 𝜕𝑇
1𝜕
𝜕𝑇
1 𝜕 𝜕𝑇
𝜕 𝜕𝑇
(𝑟 ) + 2
( )+ ( )+
=
𝑟 𝜕𝑟 𝜕𝑟
𝑟 𝜕𝜙 𝜕𝜙
𝜕𝑧 𝜕𝑧
𝑘
𝛼 𝜕𝑡
a partir de un balance de energía en un volumen diferencial y explique cada
paso.
Bibliografía (de la guía)
Incropera, F. P., Bergman, T. L., Dewitt, D. P., & Lavine, A. S. (2011). Fundamentals of
heat and mass transfer (7th ed.). Jho Whiley & Sons, Inc.
Kreith, F., Manglik, R. M., & Bohn, M. S. (2011). Principles of heat and mass transfer
(7th ed.). CENGAGE Learning.
Para el modelo matemático de la distribución de temperatura:
Tomando en consideración los siguientes puntos para el cálculo de la conicidad
(referencia el esquema), tenemos:
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CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
ANEXOS
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