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-
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PREOVRAZHENSKI. U. P. Mediciones Termotécnicas y Aparatos
para Efectuarlas. Editorial Mir. 1980.
