Guia laboratorio 5
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Laboratorio de Transferencia de Calor
Guía No. 5: Estado Transitorio
Laura Catalina Villa Silva
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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Práctica No 5. Conducción en Estado Transitorio
1. Objetivos
- Encontrar el tiempo de respuesta de diferentes sensores de
temperatura.
- Con lo anterior establecer los criterios necesarios para la
selección de sensores de temperatura.
- Analizar la respuesta de los sensores de temperatura a
diferentes temperaturas.
2. Marco Teórico Si se toma un sensor de
temperatura sumergido en un
medio con temperatura constante
mayor a la del sensor como se
ilustra en la Figura 1, el calor
transferido por el medio es
igual al calor transferido al
interior del sensor.
Considerando además que la
resistencia externa es mayor a
la resistencia interna, es
decir, la resistencia por
convección y radiación del medio
es mucho menor a la resistencia
por conducción del sensor de
temperatura, el balance de
energía para este caso es:
dt
dU
dt
dQQ ==& (1)
Así, el calor transferido [Q& ]
por el medio en estado
transitorio es igual al cambio
en la energía interna [U] del
sensor.
Qh Qr
Qk
Figura 1 Esquema de la transferencia
de calor en el sensor de temperatura.
De acuerdo con lo anterior y tomando propiedades constantes para el
material del sensor, la ecuación 1 se puede escribir como:
( )dt
dTmCTTAh m =−
_
(2)
Donde:
h es el coeficiente de transferencia de calor promedio de
convección y radiación
A es el área de contacto en la parte de sensor considerado
Tm Temperatura del medio
T es la temperatura del sensor.
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Aplicando separación de variables a la ecuación 2, se obtiene la ecuación
diferencial de primer grado:
( )TT
dT
hA
mC
dt
f −=
(3)
El término mC/hA se denomina constante de tiempo, representa el tiempo en
el cual la diferencia de temperaturas entre el medio y el elemento se
reduce al valor 1/e = 0.368 de la diferencia inicial, o sea que es el
tiempo necesario para lograr el 63.2% de la diferencia inicial de
temperatura, esto ocurre porque ningún cuerpo físico responde
inmediatamente a un cambio de temperatura en su ambiente debido a su
inercia [1].
3. Procedimiento [1]. Deposite en un beaker un baño de hielo fundente. [2]. Tome los termopares y termómetros que se han de emplear y verifique
su correcto funcionamiento.
[3]. Introduzca el termopar en el baño de hielo [4]. Registre tiempo y temperatura hasta que se alcance la temperatura del
medio.
[5]. Repita el procedimiento para los otros sensores. [6]. Vierta agua en un beaker y caliente hasta lograr el punto de
ebullición.
[7]. Repita los pasos [4] y [5]. [8]. Repita los pasos [4] y [5] para los diferentes sensores con el
proceso inverso, es decir, para el caso donde el termopar va de la
temperatura del medio a temperatura ambiente.
[9]. Tome plastilina y realice alguna forma geométrica sobre los sensores y realice el procedimiento anterior (solo en temperaturas bajas, esto
es, desde temperatura ambiente hacia temperatura de fusión y desde
temperatura de fusión hasta temperatura ambiente).
4. Resultados
- Calcule la constante de tiempo para todos los sensores utilizados
en los diferentes casos.
- Explique como es la variación de la constante de tiempo para todos
los casos.
- Analice el comportamiento del sensor en los diferentes medios.
- Analice el efecto de la plastilina en el sensor.
- Analice el comportamiento del sensor con las diferentes geometrías
de plastilina.
- De acuerdo con los resultados que obtuvo y lo observado en el
laboratorio, diga en que casos utilizaría los sensores que se
emplearon en la práctica.
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Referencias
INCROPERA, Frank P. “Fundamentos de transferencia de Calor”.
Prentice Hall. 4ª Ed. 1999.
