informe aletas .pdf

1 Copyright © 20xx by ASME

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS

Viernes, 21 de febrero del 2014

PRACTICA ALETAS Superficies extendidas

Diego Fernando Rincón Álvarez

Código: 2093089 Grupo: B1

Juan Andrés Días Riveros Código: 2063450 Grupo: D1

Cristian Barrera Fernández Código: 2093087 Grupo:B1

Juan Camilo Mora

Código: 2083741 Grupo:B1

William Fagua Lancheros

Código: 2094620 Grupo:B1

Fernando Parrado Contreras Código: 2093222 Grupo:B1

INTRODUCCION En la teórica como en la práctica es necesario

conocer que métodos son los más eficaces para

una transferencia de calor optima, esta práctica

abordara un sistema muy utilizado en la industria

como lo es la transmisión de calor por medio de

superficies extendidas( aletas) de diferentes

formas y materiales, cuando se habla de ellas,

se hace alusión a un sólido que experimenta una

transferencia de calor por conducción dentro de

los límites que la plantean, así como

transferencia de calor por convección con el

exterior, usualmente se usa una superficie

aleteada cuando el fluido convectivo que

participa es un gas , ya que los coeficientes de

convección de estos suelen ser muy bajos

respecto a los del líquido.

OBJETIVOS

General.

Reforzar los conceptos teóricos sobre las

características, parámetros, cálculos de la

transferencia de calor por medio de

superficies extendidas, mediante el uso de

los bancos y herramientas de laboratorio de

sistemas térmicos.


Específicos

Estudiar el comportamiento de las aletas

en el régimen estable y transitorio,

observando su comportamiento.

Realizar los respectivos cálculos del

coeficiente de transferencia de calor por

convección(h), conociendo la

conductividad térmica de cada material

Calcular los perfiles de temperatura, de

acuerdo a los datos obtenidos.

Analizar, por medio de una comparación,

cual es la mejor configuración para que se

presente la mayor transferencia de calor,

dependiendo de su material y

dimensionamiento.

MARCO TEÓRICO

Superficies extendidas

Cuando existen grandes diferencias entre los

coeficientes peliculares de transferencia de

calor, se obtiene una mejora importante

aumentando la superficie de contacto con el

fluido de menor coeficiente:

𝑈1 =1

1ℎ1

+𝐴1

ℎ2 ∗ 𝐴2

Cuando ℎ2<<ℎ1 podemos obtener un 𝑈1≈ℎ1 si 𝐴2>>𝐴1

Las superficies extendidas pueden existir en

muchos tipos de situaciones, pero pueden existir

en muchos tipos de situaciones pero son

normalmente utilizadas como aletas para

mejorar la transferencia de calor al incrementar

el área de convección (y/o) radiación, estas son

particularmente útiles cuando el h es pequeño o

en convección natural o en gases.

Tipos de aletas

Las formas que adoptan las aletas son muy

variadas y dependen en gran medida de la

morfología del solido al que son adicionales y de

la aplicación concreta.

Cuando una aleta se denomina que es de

aguja la superficie extendida de

representa en forma cónica o cilíndrica.

Las aletas longitudinales se representan

porque son superficies adicionales unidas

a paredes planas o cilíndricas.

Las aletas radiales van unidas a

coaxialmente a superficies cilíndricas.


Parámetros característicos de una aleta

Eficiencia La eficiencia de una aleta es la relación

entre la potencia térmica (Q-punto) que

se disipa en la misma, y la potencia que

se disiparía si toda la aleta tuviese una

temperatura, igual a la de la base.

η =𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎

𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎,𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜

𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎=velocidad de transferencia

de calor real desde la aleta.

𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎,𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜 =velocidad de

transferencia de calor ideal desde la aleta,

si estuviera toda ella a la temperatura de

la case

Efectividad:

Es la relación entre la potencia térmica (

Q-punto) que se disipa en la misma y la

potencia térmica que se disipa sin aleta,

desde el área de la base que ocupa está

en el área de la base.

𝜀𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎=

𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎

𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝑆𝑖𝑛 𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎

𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎= velocidad de

transferencia de calor desde la aleta de

área de la base Ab.

𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝑆𝑖𝑛 𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎 =velocidad de

transferencia de calor desde la superficie

de área Ab

𝜀𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎=√𝐾 ∗ 𝑃

ℎ ∗ 𝐴𝑡

- si la efectividad es igual a 1 la aleta no

afecta la transferencia de calor.

- Si es menor que 1 la aleta se comporta

como un aislante ralentizando la

velocidad de transferencia de calor.

- Si es menor que 1 la aleta acelera la

velocidad de transferencia de calor.

Longitud apropiada

Se podría decir que cuanto mas larga es

la aleta mayor es su área superficial y,

como consecuencia, mayor es la

velocidad de transferencia de calor y, por

lo tanto, para conseguir la máxima

velocidad de transferencia de calor la

aleta tendría que ser infinitamente larga.

Sin embargo, la temperatura de las

secciones transversales de la aleta

desciende exponencialmente con

respecto a la temperatura de la base a

medida que la distancia aumenta

respecto a la base. A una determinada

distancia la temperatura de la aleta será

igual a la del ambiente, no existiendo

intercambio de calor entre la aleta y el

ambiente. Es decir, a partir de una


determinada longitud de aleta un

aumento de la misma no tiene efecto

sobre la velocidad de transferencia de

calor.

𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎

𝑄(𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜)𝐴𝑙𝑒𝑡𝑎 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑎 = tanh( 𝑎𝑙)

Convección

La convección es el mecanismo transferencia de

calor a través de un fluido con movimiento

masivo de éste. En la convección existe

movimiento del fluido a nivel macroscópico

mientras que en la conducción existe

movimiento a nivel microscópico, atómico o

molecular, pero no a nivel macroscópico,

entendiendo como nivel macroscópico

movimiento de volúmenes relativamente

grandes del fluido.

La convección se clasifica en natural y forzada.

En la convección forzada se obliga al fluido a fluir

mediante medios externos, como un ventilador o

una bomba. En la convección natural el

movimiento del fluido es debido a causas

naturales, como el efecto de flotación, el cual se

manifiesta con la subida del fluido caliente y el

descenso del fluido frio.

Conducción

Es la transferencia de energia de las particulas

mas energéticas de una sustancia hacia las

adyacentes menos energéticas, como resultado

de interacciones entre las partículas. La

conducción puede tener lugar en los solidos,

liquidos o gases. En los gases y los liquidos la

conducción se debe a las colisiones y a la

difusión de las moléculas durante su movimiento

aleatorio. En los solidos se debe a la

combinación de las vibraciones de las moléculas

en una reticula y al transporte de energía por

parte de los electrones libres.


Radiación

Esta es la energía emitida por la materia en

forma de ondas electromagnéticas como

resultado de los cambios en las configuraciones

electrónicas de los átomos o moléculas, la

transferencia de calor por radiación no requiere

la interferencia de un medio interventor, de

hecho esta es la más rápida y no sufre

atenuación en un vacío. Esta es la manera en la

que la energía del sol llega a la tierra.

PROCEDIMIENTO La idea del sistema es suministrar calor a las

superficies extendidas (aletas) proveniente de

una resistencia ubicada cilíndricamente en el

interior de la superficie aleteada, esta

temperatura se mide por medio de sensores, y lo

que se busca es llevarlas hasta que las

temperaturas se estabilicen, la temperatura se

mide con ayuda de una barra, con esto se busca

determinar que superficie aleteada es la más

eficiente al momento de desechar el calor.

Experiencia Desarrollada en el Laboratorio

Se observa que las conexiones se

encuentren en off.

Se escoge la configuración que se va a

trabajar.

Las aletas se colocan en sus respectivos

puestos horizontalmente.

Se ubican las termocuplas en la punta y

en la base respectivamente.

Se gradúa el set point a la temperatura

deseada.

Se comienzan a recolectar los datos por

medio del software, hasta que se

estabilicen cada 30 segundos.


Cálculos

EXPERIENCIA DESARROLLADA EN EL

LABORATORIO

Se tomaron 3 tipos de aletas: agujas,

longitudinales y anulares, se toman los datos de

la de agujas de tres materiales diferentes

(bronce, acero y aluminio) la longitudinal solo de

acero y la anular variando el radio exterior (30,

40. 50 centímetros), con ayuda de una

resistencia eléctrica situada en el interior de

estas el cual les proporcionaba calor hasta llegar

a una temperatura constante, para determinar

qué tipo o configuración de aleta tiene mayor

transferencia de calor.

Cálculos

Estado transitorio (datos de tablas

proporcionados por los expositores del banco)

Aleta de agujas (Aluminio, bronce y acero) Aluminio

Se toman los datos de temperaturas tanto de la

base como de la punta vs el tiempo.

Bronce:

Variación Tb y Tp con respecto al tiempo.

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400

TEM

PER

AT

UR

A

TIEMPO

TEMPERATURA VS TIEMPO ALUMINIO

Tb

Tp

0

50

100

0 100 200 300 400

TEM

PER

ATU

RA

TIEMPO

TEMPERATURA VS TIEMPO BRONCE

Tp

Tb


Acero

Variación Tb, Tp con respecto al tiempo.

Aletas anulares(r=30, r=40. r=50)

r=30

Variación Tb, Tp con respecto al tiempo.

r=40

Variación Tb,Tp con respecto al tiempo.

0

50

100

150

0 100 200 300 400TEM

PER

AR

UR

A

TIEMPO

TEMPERATURA VS TIEMPO ACERO

Tb

Tp

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400

TEM

PER

ATU

RA

TIEMPO

TIEMPO VS TEMPERATURA r=30

Tb

Tp

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400

TEM

PER

ATU

RA

TIEMPO

TEMPERATURA VS TIEMPO r=40

Tb

Tp


r=50

Variación Tb, Tp respecto al tiempo.

Longitudinales, anulares aguas (tabla 3)

Longitudinales:


Anulares:


0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400

TEM

PER

ATU

RA

TIEMPO

TEMPERATURA VS TIEMPO r=50

Tb

Tp

0

50

100

0 100 200 300 400

TEM

PER

ATU

RA

TIEMPO

TEMPERATURA VS TIEMPO LONGITUDINALES

Tb

Tp

0

50

100

0 100 200 300 400

TEM

PER

ATU

RA

TIEMPO

TEMPERATURA VS TIEMPO ANULAR

Tb

Tp


Agujas:


CALCULO DE LAS ALETAS EN ESTADO

ESTABLE CON TIEMPO IGUAL A 300 s.

Calculo del coeficiente de transferencia de calor

por convección constante y uniforme (h) para

cada tipo y configuración de aleta.

Aleta de agujas, igual configuración diferente

material.

0

50

100

150

0 100 200 300 400

TEM

PER

ATU

RA

TIEMPO

TEMPERATURA VS TIEMPO AGUJAS

Tb

Tp


ALETA LONGITUDINAL


ALETAS ANULARES, MISMO MATERIAL, DIFERENTE CONDIGURACION. R=30

ALETA R=40


ALETA R=50


Después de haber calculado todos los coeficientes de convección, procedemos a realizar una tabla paramétrica y su respectiva gráfica, variando la longitud para la aleta longitudinal y las de agujas, anulares(radios) para observar la variación de la temperatura en t=300 s, a medida que aumenta el área del material longitudinalmente. Aleta agujas Aluminio


Bronce

Acero


Longitudinal


Aletas anulares R= 30

R=40


R=50


ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

ESTADO TRANSITORIO, ALETA DE AGUJAS.

Podemos observar en las gráficas

obtenidas por medio de los datos

tomados en el laboratorio tienen un orden

creciente , tanto la temperatura de la

punta, como la de la base aumentan a

medida que transcurre el tiempo, en la

aleta con el material de aluminio se puede

apreciar como la temperatura de la base

aumenta considerablemente hasta 80 ° c

en un tiempo aproximado de 130 s,

después de esto tiende a estabilizarse, la

temperatura de la punta, tiende a seguir

el mismo rumbo, pero las dos curvas van

separándose, debido a la transferencia de

calor por convección. Esto sucede

igualmente con la gráfica del acero y del

bronce. En este la temperatura de la base

prácticamente se estabiliza cuando este

alcanza los 90 ° c a unos 150 segundos.

En el bronce se observa la misma

tendencia, aunque en esta se observa un

pequeño pico antes de empezar a

estabilizarse en aprox 100°c y

prácticamente 180 s. esto se debe a la

conductividad térmica de cada material,

para el acero k= 15, aluminio k= 237 y

bronce k= 52.

ALETA ANULAR.

En el estudio de las gráficas de esta aleta, que

son del mismo material y diferente configuración

geométrica, ya que varían según su radio

exterior podemos apreciar cómo, a medida que

aumenta r_2, el conjunto de curvas ( t_b, t_p) se

van separando entre sí, ya que si aumento en

área de transferencia de calor, el calor liberado

será mayor, ya que es proporcional, hasta tal

punto en el que la perdida de calor será igual, así

ampliemos mucho más su área.

ALETA LONGITUDINAL, RESPECTO

DE LAS OTRAS.

Respecto a lo que se puede observar de estas

tres gráficas y si realizamos una comparación

mínima del delta T que estas nos proporcionan a

lo largo de las curvas, contemplamos que

independientemente de la variación en los datos

de la temperatura la que libera más calor es la

aleta de agujas.

ALETAS EN ESTADO ESTACIONARIO

AGUJAS:

En esta sección se analizaron las gráficas

obtenidas, por las tablas paramétricas

realizadas por medio del software ees. Estas se


elaboraron con un tiempo constante de 300 s y

la t_b, t_p correspondientes, calculando en h

convectivo. De acuerdo a los resultados

obtenidos se concluyó que la mejor opción para

liberar calor por medio de esta configuración,

son las aletas de aluminio, ya que el h convectivo

calculado fue el mayor, y de acuerdo a las curvas

obtenidas se puede apreciar, cómo la de este

material desciende considerablemente

comparada con las otras, a medida que se

aumenta la longitud de estas, lo nos afirma aun

mas la razón por la cual, normalmente las aletas

están hechas de aluminio.

ALETA LONGITUDINAL

Esta tiene un comportamiento similar a la de

agujas de acero según se puede apreciar en la

gráfica, aunque la de agujas es un poco más

eficiente. Igualmente se realizó el cálculo del

coeficiente de convección h.

ALETAS ANULARES.

Los cálculos se realizaron con ayuda de las

funciones de bessel encontradas en el ees, para

el cálculo del coeficiente de transferencia de

calor por convección h. así mismo se hizo su

respectiva parametrizacion, variando el radio

exterior de estas como se presenta en la fase

de cálculos, luego de concluir las gráficas se

concluyó: según su configuración la aleta que

presenta mayor desprendimiento de calor a

medida que su radio avanza es la de 50 cm,

aunque cuando el valor del radio exterior es de

30 cm las curvas presentadas tienden hacer muy

similares.

CONCLUCION GENERAL

De acuerdo a las gráficas obtenidas en todas las

fases, se pudo deducir que la aleta con mayor

intercambio de calor presentado es la de agujas

de aluminio, su grafica nos representa una

disminución de temperatura mayor referente a

las demás aletas debido a su configuración y

material.

informe aletas .pdf

Documents

Transcript of informe aletas .pdf