CONDUCCION DE CALOR

Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Laboratorio de Transferencia de Calor

Los sistemas de conducción de calor son conjuntos con determinada disposición en los cuales se garantiza una conducción unidimensional de calor, utilizados para determinar la conductividad térmica de cualquier materia solidó como metales, polímetro y/o materiales silicios.
Para este caso, se utiliza un sistema de conducción por lujo longitudinal de calor, el cual generalmente opera con probetas cilíndricas o probetas de sección cuadrada.

Práctica:
Se lleva a cabo la verificación experimental de las leyes de conducción de calor unidimensional estable y de las características de conductividad y resistencia térmica para diferentes materiales, utilizando como recurso el equipo de conducción de probetas fijas del laboratorio de transferencia, el cual se puede ver en la figura siguente:

Objetivos:

• Calcular las perdidas de calor por radiación y convección en la unidad de calentamiento y en la probeta.


• Calcular un valor experimental de conductividad térmica para la probeta con la cual se realiza la practica.


• Calcular el porcentaje de error entre el valor de conductividad obtenido de la práctica y el valor teórico consignado en las tablas de conductividad térmica para el material de la probeta.

Procedimiento:
Para la obtención experimental de la constante de conductividad térmica del material probado en el equipo se deben seguir los siguientes pasos:
1. El estudiante debe usar overol o bata en algodón.
2. Se deja un tiempo prudencial de aproximadamente 120 minutos de estabilización del equipo y se definen las variables de entrada, las cuales son calibradas desde el comienzo de la practica, estas son las siguientes:
• Voltaje.
• Amperaje.
• Flujo de agua.
3. Una vez estabilizado el equipo se realizan las lecturas de los termopares de la probeta, el de entrada y salida del agua, con una termocupla libre se realizan las mediciones de temperatura ambiente y de la superficie de tanto de la carcaza de calentamiento como del portaprobetas (en varios puntos) del equipo.
4. Los datos de prueba pueden ser consignados en la Tabla 1.

Tabla 1. Tabla de adquisición de datos.

Comentarios.

1. El informe de laboratorio debe llevar una muestra de cálculos muy bien detallada con sus respectivas conclusiones. Si es necesario realice gráficas explicativas del proceso.

2. ¿Qué recomendaciones haría usted a esta práctica?

Referencias

MORENO, Castro, Luís, Ricardo. Construcción y Verificación Térmica en Materiales Sólidos. 1991. Tesis de Pregrado.

CENGEL. Yunus, A. Transferencia de Calor. Segunda Edición
Madrid. McGraw Hill. 2003.

MILLS. Anthony, F. Transferencia de Calor. McGraw-Hill / Irwin. 1999.

INCROPERA. Frank, P. Fundamentos de Transferencia de Calor. Cuarta Edición. México. Prentice Hall. 1999.

FABRICACIÓN Y CALIBRACIÓN DE TERMOPARES

Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Laboratorio de Transferencia de Calor

FABRICACIÓN Y CALIBRACIÓN DE TERMOPARES

Como el campo de temperaturas a medir en la industria es muy amplio,
y son diferentes las condiciones, características de los cuerpos y medio
ambiente cuyas temperaturas se desean conocer, es necesario emplear
aparatos de características muy diversas, cuyo fundamento de
funcionamiento varía de unos casos a otros.
Práctica:
La práctica a realizar consiste en la fabricación de un Termopar con el
cual se realizarán mediciones de temperatura al igual que familiarizarse
con este tipo de instrumentos de medición debido a que en prácticas
posteriores se requerirá el uso de ellos.

Objetivos:

• Conocer el funcionamiento y uso adecuado de un Termopar.
• Aprender a elaborar un Termopar de uso corriente.
• Diferenciar los diversos Termopares, sus colores respectivos,
  composiciones y características.
• Calibrar un termopar con referencia a un patrón.
• Hacer mediciones de diferentes temperaturas con estos instrumentos.
• Encontrar diferencias fundamentales entre los diversos Termopares
  de uso común.

Procedimiento:
Para la construcción de un Termopar se deben seguir los siguientes
pasos:
1. El estudiante debe usar overol o bata de algodón y un tapabocas.
2. Disponer de los siguientes elementos:
· Reóstato.
· Amperímetro.
· Recipiente con mercurio y aceite.
· Cables para el ensamble del circuito.

3. Al llegar al sitio de la práctica, lo primero que hará será cortar dos
segmentos de alambre especial para termopar (en este caso se usará
el tipo K), de una longitud de 10 cm.
4. Desnude las puntas de los alambres, en una longitud de un
centímetro, límpielas cuidadosamente y empálmelas en forma de
cola de rata, como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Empalme cola de rata.

5. Conecte en serie reóstato y amperímetro; además en uno de los
bornes, unir las puntas del termopar, como se observa en la
Figura 2

Figura 2. Esquema del montaje para la fabricación de un Termopar.

6. Según sea el calibre de los alambres, se selecciona la corriente que
permita obtener la soldadura de los mismos, esto con el fin de no
desperdiciar alambre para termopar, al ser sometido a corrientes
elevadas.
7. Conecte las puntas extremas al empalme en cola de rata a un borne
del circuito, e introduzca los alambres al recipiente con aceite y
mercurio donde se cierra el circuito, produciendo un arco que
genera la soldadura de los alambres. El aceite impide la salida de
gases nocivos del mercurio.
8. La soldadura debe quedar en forma esférica. Si no es así, varié la
corriente y proceda nuevamente.
9. Con el termopar calibrado se procede a tomar la temperatura del
agua hervida y del ambiente. Después de esto, se toma el termopar
que se acaba de fabricar y se procede a tomar la temperatura del
agua hervida y del ambiente, con la ayuda del indicador de
termopares FLUKE.
10. Con las temperaturas obtenidas, complete la siguiente Tabla (Debe
tomar por lo menos tres datos para cada caso).

Tabla 1. Datos experimentales.

Preguntas.
1. ¿Que es un Termopar?
2. ¿Como funciona un Termopar y que es el efecto Seebeck?
3. ¿Cuáles son los tipos de Termopares y su código de colores?
4. ¿Se presentan diferencias entre los datos de un termopar a otro? Si
es así, explique a qué se debe esa circunstancia.
5. ¿Qué recomendaciones haría usted a esta práctica?
6. Elabore una guía que utilizaría usted para calibrar termopares.
7. Desarrolle un documento en el cual se clasifiquen y describan los
diferentes tipos de instrumentos de medición de temperatura.

Bibliografía.
CENGEL. Yunus, A. Transferencia de Calor. Segunda Edición.
Madrid. McGraw Hill. 2003.
KERN. Donald, Procesos de Transferencia de Calor. Decimocuarta
Edición. Continental. 1980.
OZISKI. Necati, Transferencia de Calor. Primera Edición. McGraw-
Hill. 1975.
PREOVRAZHENSKI. U. P. Mediciones Termotécnicas y Aparatos
para Efectuarlas. Editorial Mir. 1980.

ANALOGIA ELECTROTERMICA

Ing. Helmer Acevedo
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Laboratorio de Transferencia de Calor

ANALOGÍA ELECTROTÉRMICA
Determinación de Curvas Isotérmicas
La conducción de calor en sistemas bidimensionales, puede analizarse por métodos analíticos, gráficos, numéricos y análogos.

Práctica:
Dos perfiles de cobre o aluminio en forma de L, que forman la cuarta
parte de una chimenea, y que además representan los contornos
isotérmicos, se llevan a una diferencia constante de potencial de voltios
V (corriente continua). El cuerpo conductor en estudio está
representado por una solución conductora de la electricidad (en este
caso una solución de agua y cloruro de sodio) con una resistencia
adecuada para mantener la intensidad de corriente dentro de lo limites
seguros.
Seleccionando voltajes intermedios Vx se determinan puntos en el
perfil dado, para establecer las líneas equipotenciales, es decir, la
trayectoria sobre la cual Vx es constante. Se deberá cumplir que el
incremento de voltaje para cada línea equipotencial a determinar sea
igual. Además se usarán coordenadas (X, Y) para identificar un número
de puntos de las líneas equipotenciales sobre el papel milimetrado.
Objetivos:

• Determinar el factor de forma y la red de flujo para un perfil dado,
  en el caso de conducción bidimensional en estado estacionario
  mediante el empleo de un sistema Hibrido “analogía electrotérmica
  y método gráfico”; previamente obtenidas en forma experimental las
  líneas equipotenciales (voltaje constante) en el campo eléctrico entre
  los perfiles de la figura dada.
• Evaluar la rapidez de transferencia de calor a través de una figura
  geometría dada conociendo el factor de forma.
  

Procedimiento:
Para la práctica de analogía electrotérmica se deben seguir los
siguientes pasos:
1. El estudiante debe usar overol o bata de algodón.
2. Disponer de los siguientes elementos:
· Un rectificador de corriente.
· Un voltímetro.
· Un palpador.
· Cloruro de Sodio (sal común).
· Perfiles de Cobre o Aluminio.
· Cables y caimanes para realizar la instalación.
3. Preparar la cubeta especialmente diseñada para la práctica, en cuyo
fondo esta el papel milimetrado, sobre el cual se realizará la toma
de coordenadas.
4. Colocar los perfiles de Cobre o Aluminio (libres de oxido) y
orientarlos en forma adecuada sobre el papel milimetrado para
obtener fácilmente las coordenadas (x, y) de los puntos a medir.
5. Proceder con el llenado de la cubeta con agua, hasta determinado
nivel de los perfiles (aproximadamente hasta la mitad) y luego
disolver Cloruro de Sodio para aumentar la conductividad del agua.
6. Montar el circuito descrito en la Figura 1. Se deberá obtener la
polaridad de tal forma que simule en correctamente el flujo de
calor.
7. Una vez realizada la instalación y seleccionada la escala de voltaje,
se verifica con el palpador para realizar ajustes a los equipos. Por
ejemplo, si se toma la escala de 15 voltios, es decir, voltaje máximo
en un perfil (V=15 voltios) y voltaje mínimo en el otro perfil (V=0
voltios).
Figura 1. Conexión para la analogía electrotérmica.
8. Según la escala selecciona en el voltímetro, que será el voltaje entre
los dos perfiles establecidos, se divide este voltaje de acuerdo al
número de líneas equipotenciales que se deseen hallar, de tal forma
que el incremento de voltaje entre cada línea equipotencial sea
igual. Por ejemplo, si se trabaja en la escala de 15 voltios se puede
determinar cuatro líneas equipotenciales de 12, 9, 6, y 3 voltios.
Como se observa, los incrementos de voltaje entre cada línea
equipotencial es de 3 voltios.
NOTA:
Una vez realizadas todas las mediciones se debe drenar el agua
contenida en la cubeta, para evitar que las filtraciones sobre el
vidrio deterioren el papel milimetrado del fondo.

Cálculos.
1. Determine las líneas equipotenciales (isotermas) del perfil dado.
Con los datos (x, y) tomados en la práctica establezca el número de
incrementos de temperatura ( I ).
2. Determine igualmente las líneas de flujo de calor de dicho perfil por
ensayo y error, de modo que resulten cuadrados curvilíneos.
Determine el número de tubos de calor (N).
3. Calcule el factor de forma S, para los diferentes perfiles.
4. Calcule el Flujo de calor, para los diferentes perfiles.

Preguntas.
1. ¿Existe alguna diferencia entre los factores de forma, en conducción
en régimen estacionario, para las diferentes configuraciones o
sistemas?. Clasifique según corresponda.
2. Explique con sus palabras que es el factor de forma.
3. ¿Qué recomendaciones haría usted a esta práctica?

Bibliografía.
MILLS. Anthony, F. Transferencia de Calor. McGraw-Hill / Irwin.
1999.
KERN. Donald, Procesos de Transferencia de Calor. Decimocuarta
Edición. Continental. 1980.
OZISKI. Necati, Transferencia de Calor. Primera Edición. McGraw-
Hill. 1975.
PREOVRAZHENSKI. U. P. Mediciones Termotécnicas y Aparatos
para Efectuarlas. Editorial Mir. 1980.