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• Laura Camila Peña Castillo

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AISLAMIENTO TÉRMICO AISLAMIENTO TÉRMICO I INFORME DE LABORATORIO GRUPO 601 2017 i 1

LAURA CAMILA PEÑA 2 JACOBO CUY 3 NATALIA GONZÁLEZ PRIETO 4 JULIETH MORA GIRALDO 5DANIEL TORRES GUALTEROS [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

DOCENTE: I.Q. CLAUDIO ALBERTO MORENO ARIAS Departamento de Ingeniería Química, Universidad de América- Sede Pregrado I.

INTRODUCCIÓN

A lo largo del laboratorio se hizo un análisis de los fenómenos de transferencia de calor que se pueden apreciar en un sistema con y sin resistencias térmicas, como lo es la conductividad térmica teniendo en cuenta el material y su correspondiente espesor. En este caso se usaron tres recipientes metálicos; uno recubierto de un aislante de Foami, el otro con un aislante de corcho y el último sin presencia de aislante. II.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL: Analizar el fenómeno de transferencia de calor en ausencia de un aislante y con la presencia de aislamientos, teniendo en cuenta el tipo de materiales (conductividad térmica) y el espesor. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:  Realizar el montaje de un sistema aislado y un sistema no aislado  Analizar las características de los materiales como conductores o no conductores de calor  Determinar la resistencia conductiva de los materiales  Identificar la presentación y características de los aislamientos comerciales III.

MARCO TEÓRICO

Conductividad térmica: El valor de la conductividad térmica se caracteriza por la capacidad de un cuerpo físico de transmitir energía térmica de un punto a otro, sí entre los mismos se crea una diferencia de temperatura [1]. Es por eso que se puede afirmar

1

AISLAMIENTO TÉRMICO que la conductividad térmica depende de la temperatura y se puede definir por la ley de ohm donde la resistencia térmica y tasa de transferencia de calor por conducción son:

Rcond =

L ´ ∆T ; Q= k As Rcond

Donde L es la longitud o espesor del material expuesto a la transferencia de calor, k es su coeficiente de conducción y As es el área superficial.

Resistencia térmica: Se puede definir como la capacidad de un material para oponerse a la conductividad térmica. En estado estacionario, unidimensional y sin generación de calor, siguiendo la teoría de Fourier se puede determinar la resistencia de un material a la transferencia de calor, ya que se cumple la siguiente igualdad:

q=

∆T R

Por lo tanto si conocemos q,

∆T

y los parámetros dimensionales, área y espesor, se

podrá determinar la resistencia ejercida por un material de aislamiento. Por otra parte, se tiene que

∆ T 0−1 ∆ T 1−2 = R1 R2

, de esta manera si conocemos una de las resistencias y

los gradientes de temperatura podemos hallar la otra resistencia. Por un tiempo muy corto

(t→0)

se pude plantear la siguiente aproximación:

du m∗C p∗dT ∆T = ≈ q= dt dt R

2

AISLAMIENTO TÉRMICO La resistencia térmica permite hallar la conductividad térmica del material o por lo menos para entender de manera cualitativa su efecto. En este caso, se usaron recipientes metálicos con geometría cilíndrica, para esta geometría se tiene:

r∫ ¿ r ext ¿ ¿ ln ¿ 1 Rconv = ; R =¿ 2 πLh cond

IV.

PROCEDIMIENTO   



V.

Durante el desarrollo de la práctica se calentó un beaker de 2000 ml hasta que alcanzo el punto de ebullición. Posteriormente se enrollaron dos latas con aislantes diferentes el primero con foamy y el segundo con corcho. Cuando el agua llego a su punto de ebullición se llenó una de las latas con esta y se midió la temperatura interna y externa de la lata durante 10 minutos cada 20 segundos se tomaron los datos respectivos y se completó la tabla mostrada en los datos. Al terminar de tomar las temperaturas con el foamy, realizamos el mismo procedimiento con la lata que estaba aislada con el corcho y finalmente se desarrolló el mismo procedimiento sin ningún tipo de aislante.

DATOS

Tabla 1. Longitudes y diámetros (montajes) Corcho D. Con Aislante (mm) 71 Foamy D. Con Aislante (mm) 103 Sin Recubrimiento

D. Externo (mm) 66

D. Interno (mm) 65, 524

Longitud (cm) 8,05

D. Externo (mm) 99

D. Interno (mm) 94,566

Longitud (cm) 4,50

3

AISLAMIENTO TÉRMICO D. Con Aislante (mm) ----

D. Externo (mm) 119

D. Interno (mm) 115,714

Longitud (cm) 4,50

T(°C) - Foami T. Ext T. Inte 49,9 67,5 48,5 66,8 44,8 66,2 44,5 65,5 42,9 64,8 42,1 64,1 40,7 62,8 39,7 62,1 39,6 61,9 39,5 60,6 39,3 60,4 39,3 59,8 39,1 59,4 38,6 58,2 37,2 58,0 37,1 57,6 37,0 57,2 36,5 56,4 36,2 56,0 35,8 55,6 35,5 55,2 35,5 54,6 35,4 54,1 35,1 53,4 34,7 52,9 34,7 52,8 34,6 51,9 34,4 51,8 34,1 51,3 33,9 50,8

T(°C) Sin aislante T. Ext T. Inte 58,0 62,0 55,8 61,9 53,5 61,3 52,5 60,1 52,5 59,7 52,0 58,8 51,8 58,4 51,5 57,5 51,2 57,2 50,0 56,3 49,6 55,9 48,6 54,7 47,1 54,5 46,7 54,2 46,4 53,4 44,9 53,1 44,8 52,1 42,6 51,4 42,4 51,3 42,3 50,7 42,1 50,6 41,3 50,1 41,3 49,4 41,2 49,0 41,2 48,3 41,1 48,2 40,0 47,7 40,0 47,7 39,6 47,5 39,6 46,9

Tabla 2. Temperatura interna y externa Tiempo (s) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600

VI. 

T (°C) - Corcho T. Ext T. Inte 55,0 83,4 56,7 82,8 57,4 81,7 57,3 80,7 54,7 80,3 53,6 79,7 53,6 78,1 52,2 77,9 52,1 76,4 51,9 76,7 52,4 76,9 51,1 75,6 50,8 75,2 50,7 74,4 50,6 74,3 50,4 72,4 50,3 72,2 50,3 70,8 50,2 70,6 50,1 70,5 50,1 70,4 50,0 69,6 49,2 69,3 48,8 68,8 48,5 68,6 48,2 67,8 47,6 67,7 47,6 67,4 47,6 66,6 47,6 66,1

ANALISIS Y RESULTADOS Explica la diferencia entre un sistema estacionario y uno transitorio.

La transmisión de calor por conducción es particularmente importante en los sólidos, en los que únicamente se manifiesta pura. 4

AISLAMIENTO TÉRMICO En orden a precisar las ideas se puede considerar el siguiente experimento, (figura 7.1). Una barra cilíndrica de longitud L y sección A, inicialmente a una temperatura uniforme T1, se pone en contacto por sus extremos con dos cuerpos, (fuentes térmicas), uno que se mantiene a la temperatura T1inicial de la barra, y otro a una temperatura constante T2, superior a T1.

Fig. 7.1. Transmisión de calor por conducción en sólidos

Lateralmente la barra se encuentra aislada por un material no conductor. Si se mide la temperatura en cierto número de puntos distribuidos regularmente a lo largo de la barra en una serie de tiempos t1 , t2, t3, ......, tn , y se representan gráficamente los resultados obtenidos, se obtiene, para los distintos tiempos, una serie de líneas, (figura 2), comprendidas entre una recta horizontal que coincide con el eje de abscisas correspondiente al instante inicial t0 = 0, y una recta de pendiente negativa para un tiempo suficientemente largo, tn , a partir del cual la temperatura de cada punto permanece constante. El tiempo correspondiente a esta recta, que depende de la longitud de la barra, su naturaleza y la diferencia de temperaturas entre sus extremos, divide el proceso en dos períodos netamente diferenciados: a) un primer período de régimen transitorio, en el cual la temperatura de cada punto a lo largo de la barra varía constantemente con el tiempo, siendo además, distinta de unos puntos a otros; y b) un segundo período de régimen estacionario, en el cual las temperaturas de cada punto se mantienen constantes, si bien, al igual que en el período anterior, difieren de unos puntos a otros. De la gráfica se deduce que durante el régimen transitorio el gradiente de temperatura, dT/dL, varía con el tiempo, para cada punto y en instante determinado de un punto a otro; por el contrario, una vez alcanzado el régimen estacionario el gradiente de temperatura permanece constante en relación con el tiempo para cada punto, y a lo largo de la barra, para los distintos puntos.

5

AISLAMIENTO TÉRMICO

Fig. 7.2. Distribución de temperaturas en un proceso de conducción.



Grafica la variación de la temperatura con el tiempo T vs t.

Grafica 1. Temperatura vs Tiempo para recubrimiento de corcho

T vs. t 100 Temperatura (°C)

50 0 Tiempo (s) t exter

6

t inter

AISLAMIENTO TÉRMICO Grafica 2. Temperatura vs. Tiempo para recubrimiento de Foami.

T vs. t 80 60 40 Temperatura (°C) 20 0 Tiempor (s) t exter

t inter

Grafica 3. Temperatura vs. Tiempo para recipiente sin aislante

T vs t 80 60 40 Temperatura (°C) 20 0

Tiempor (s) t exter



t inter

Calcula el calor transferido y determina la conductividad térmica de los materiales mediante los modelos matemáticos que interpretan el fenómeno.

Como se puede observar en la tabla de datos, cada montaje se realizó en un recipiente metálico diferente (diferentes radios y alturas), por lo tanto para el cálculo de la conductividad térmica y del calor transferido es necesario conocer el volumen de agua para cada recipiente por medio de la ecuación para volumen de un cilindro que se muestra a continuación: 7

AISLAMIENTO TÉRMICO ������� ��������=� rinterior 2L Recipiente recubierto de Corcho: V= (π) (0,03276 m)2 (0,0805m) V=2,714148x10 -4 m3 Este cálculo se realizó de manera análoga para el recipiente recubierto de Foami y el recipiente sin recubrimiento, obteniendo los siguientes valores: VR. Foami: 3,160621x10 -4 m V Sin recubrimiento: 4,73232x10 -4 m3 Seguido a esto se prosiguió a calcular la masa de agua correspondiente a mencionado volumen, utilizando una densidad promedio para las temperaturas de: 1000 ��/�3 y se obtuvo la masa de agua que cada recipiente contenía y esta fue de: 0,271 Kg para el recipiente aislado con corcho, de 0,316 Kg para el recipiente aislado con Foami y finalmente 0,473 Kg para el recipiente sin aislante. Como el objetivo de la práctica era el análisis del fenómeno de la transferencia de calor en ausencia de un aislante y con la presencia de aislamientos, que para este caso se daba de manera radial de adentro hacia afuera; se continuo con el cálculo del calor transmitido por unidad de tiempo del sistema, haciendo uso de la primera ley de la termodinámica:

Q=�∗��∗∆�∞ Donde m es la masa de agua contenida, Cp es el calor específico del agua: que para este caso se promedió de acuerdo a las temperaturas y brindo un dato de 4,186 K�/�� y que se trabajó constante para cada intervalo, ∆�∞ es la variación de temperatura del fluido para cada intervalo de tiempo ∆�. Este calor es el proporcionado por el agua caliente al sistema; una vez calculado el valor correspondiente al calor, este se usó en la ecuación de conducción estacionaria unidimensional para cilindros, con el fin de obtener cuantitativamente el valor para k que se define como conductividad térmica; para tal fin se realizaron los siguientes cálculos: -

Coeficiente de transferencia de calor por convección:

Q=h∗As∗∆T h= -

Q As∗∆ T

Conductividad térmica del recipiente y del aislante: 8

AISLAMIENTO TÉRMICO

Q=

K∗2 πL∗∆T rext ln ⁡( ) rint

rext ) rinte k= 2 πL∗∆T Q∗ln ⁡(

-

Resistencias térmicas:

Rconv=

1 2 πrLh

rext ) rint Rcond= 2πrLK ln ⁡(

rais ) rext Rais= 2 πrLK ln ⁡(

Una vez obtenidos los valores de las resistencias térmicas presentes en el sistema, además de los respectivos coeficientes de conductividad térmica (corcho, Foami y recipiente), y el coeficiente convectivo del agua, se procedió a calcular el calor transferido de la siguiente manera:

Q=

∆T Rcond+Rais+Rconv

Los datos obtenidos para el sistema con aislamiento de corcho fueron: h(W/m2 °C) 68,570866 tiempo 20 40 60 80

Krec (W/m °C) 0,18774703 t exter 55 56,7 57,4 57,3

Kais (W/m°C) 0,01631987 t inter 83,4 82,8 81,7 80,7 9

Rconv °C/W 0,88006391 Q (KJ) 32,27038369 29,65693712 27,61163111 26,58897811

Rreci °C/W Raisl °C/W 0,87688269 0,76899505 Qtotal (KJ) 11,2433318 10,3327803 9,62017475 9,26387198

AISLAMIENTO TÉRMICO 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600

54,7 53,6 53,6 52,2 52,1 51,9 52,4 51,1 50,8 50,7 50,6 50,4 50,3 50,3 50,2 50,1 50,1 50 49,2 48,8 48,5 48,2 47,6 47,6 47,6 47,6

80,3 79,7 78,1 77,9 76,4 76,7 76,9 75,6 75,2 74,4 74,3 72,4 72,2 70,8 70,6 70,5 70,4 69,6 69,3 68,8 68,6 67,8 67,7 67,4 66,6 66,1

29,08879656 29,65693712 27,83888733 29,20242467 27,61163111 28,17977167 27,83888733 27,83888733 27,72525922 26,92986244 26,92986244 24,99818455 24,88455643 23,29376287 23,18013476 23,18013476 23,06650665 22,27110987 22,83925043 22,72562231 22,83925043 22,27110987 22,83925043 22,49836609 21,5893412 21,02120064

10,1348343 10,3327803 9,69935314 10,1744235 9,62017475 9,81812073 9,69935314 9,69935314 9,65976394 9,38263957 9,38263957 8,70962323 8,67003403 8,11578528 8,07619608 8,07619608 8,03660689 7,75948251 7,9574285 7,9178393 7,9574285 7,75948251 7,9574285 7,83866091 7,52194733 7,32400135

Los datos obtenidos para el sistema con aislamiento de foamy fueron: h(W/m2 °C) 98,95704 tiempo 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Krec (W/m°C) 0,21968463 t exter 49,9 48,5 44,8 44,5 42,9 42,1 40,7 39,7 39,6 39,5 39,3

Kais (W/m °C) 0,19791408 t inter 67,5 66,8 66,2 65,5 64,8 64,1 62,8 62,1 61,9 60,6 60,4 10

Rconv °C/W 0,75593326 Q (KJ) 23,2824787 24,2084864 28,3093775 27,7802302 28,9708115 29,1030984 29,2353852 29,6322456 29,4999588 27,9125171 27,9125171

Rreci °C/W Raisl °C/W 0,73872278 0,70782569 Qtotal (KJ) 7,99098573 8,30880902 9,71631219 9,53469888 9,94332883 9,98873216 10,0341355 10,1703455 10,1249421 9,58010221 9,58010221

AISLAMIENTO TÉRMICO 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600

39,3 39,1 38,6 37,2 37,1 37 36,5 36,2 35,8 35,5 35,5 35,4 35,1 34,7 34,7 34,6 34,4 34,1 33,9

59,8 59,4 58,2 58 57,6 57,2 56,4 56 55,6 55,2 54,6 54,1 53,4 52,9 52,8 51,9 51,8 51,3 50,8

27,1187962 26,8542226 25,9282149 27,5156566 27,1187962 26,7219358 26,3250753 26,1927885 26,1927885 26,0605017 25,2667808 24,7376336 24,2084864 24,0761995 23,9439127 22,8856183 23,0179051 22,7533314 22,356471

9,30768224 9,21687558 8,89905229 9,44389222 9,30768224 9,17147226 9,03526227 8,98985894 8,98985894 8,94445562 8,67203565 8,49042234 8,30880902 8,2634057 8,21800237 7,85477574 7,90017907 7,80937242 7,67316243

Los datos obtenidos para el sistema sin aislamiento fueron: h(W/m2 °C) 121,094701 tiempo 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

K (W/m °C) Rconv (°C/W) 0,19895859 0,50480839 t exter t inter 58 62 55,8 61,9 53,5 61,3 52,5 60,1 52,5 59,7 52 58,8 51,8 58,4 51,5 57,5 51,2 57,2 50 56,3 49,6 55,9 48,6 54,7 47,1 54,5 46,7 54,2 46,4 53,4 44,9 53,1 44,8 52,1 42,6 51,4 11

Rcond °C/W 0,49777359 Q (KJ) Qtotal (KJ) 7,923798509 3,98969866 12,08379273 6,08429045 15,45140709 7,77991238 15,05521717 7,58042745 14,26283732 7,18145759 13,47045747 6,78248772 13,07426754 6,58300279 11,88569776 5,98454799 11,88569776 5,98454799 12,47998265 6,28377539 12,47998265 6,28377539 12,08379273 6,08429045 14,65902724 7,38094252 14,85712221 7,48068498 13,86664739 6,98197265 16,24378694 8,17888225 14,46093228 7,28120005 17,43235672 8,77733705

AISLAMIENTO TÉRMICO 380 42,4 51,3 400 42,3 50,7 420 42,1 50,6 440 41,3 50,1 460 41,3 49,4 480 41,2 49 500 41,2 48,3 520 41,1 48,2 540 40 47,7 560 40 47,7 580 39,6 47,5 600 39,6 46,9  Describa las principales características aislamiento térmico.

17,63045168 8,87707951 16,63997687 8,37836718 16,83807183 8,47810965 17,43235672 8,77733705 16,04569198 8,07913978 15,45140709 7,77991238 14,06474235 7,08171512 14,06474235 7,08171512 15,25331213 7,68016992 15,25331213 7,68016992 15,64950206 7,87965485 14,46093228 7,28120005 que debe mostrar un material de

Los materiales a utilizar son los aislantes térmicos que se caracterizan por su baja conductividad térmica. Aunque existen muchos aislantes, se pueden simplificar o englobar en tres tipos de materiales:2 

Fibrosos. Se componen de filamentos con partículas pequeñas o de baja densidad. Se colocan como relleno en aberturas o como cobertores en forma de tablas o mantas. Tienen una porosidad muy alta de alrededor del 90%. Se usan, en función de la temperatura; la fibra de vidrio para temperaturas hasta 200ºC, la lana mineral hasta 700ºC y las fibras de alúmina o sílice entre 700 y 1700ºC.



Celulares. Son materiales que se conforman en celdas cerradas o abiertas, por lo general formando tableros rígidos o flexibles, aunque también se pueden conformar in situ por proyección o riego. Sus ventajas son; su baja densidad, baja capacidad de calentamiento y resistencia a la compresión aceptable. Los más usados son el poliuretano y el poliestireno expandido.



Granulares: Son pequeñas partículas de materiales inorgánicos aglomeradas en formas prefabricadas o utilizadas sueltas, como la perlita y la vermiculita. VII.

CONCLUSIONES

Finalizada la experiencia podemos concluir que el fenómeno de transferencia de calor en ausencia de un aislante y con la presencia de aislamientos cambia, teniendo en cuenta el tipo de materiales que conformen el sistema sean aislantes o no, que para este caso fue un sistema compuesto por un recipiente metálico catalogado como conductor y dos aislantes corcho y Foami catalogados como aislantes cuyas respectivas conductividades térmicas y su espesor, afectaran la transferencia de calor; que para este caso y como se puede observar 12

AISLAMIENTO TÉRMICO anteriormente los valores de la conductividad térmica fueron de K=0,18774 W/m °C para el corcho, de K= 0,1079 W/m °C para el Foami y de K=0,1989 para el recipiente metálico y cuyas resistencias fueron de R= 0,76899 °C/W, de R= 0,7078 °C/W y de R= 0,4977 °C/W respectivamente; en base a estos podemos afirmar que el corcho al tener una conductividad térmica menor que la del Foami, tendrá una mayor resistencia térmica por lo tanto podemos decir que el corcho es un mejor aislante que el Foami, ya que conduce menos el calor en comparación a la capacidad de conducción térmica del corcho, y por otra parte comparando estos valores con la resistencia y conductividad térmica del recipiente metálico, podemos observar que este tiene la mayor conductividad térmica lo que indica que la resistencia que opone al paso del calor es baja en comparación a la resistencia de los aislantes estudiados en la práctica; este fenómeno puede observarse desde otro ángulo analizando el calor transferido en donde como se puede observar en las tablas anteriormente descritas es mayor la retención de calor en los sistema con aislamiento que en los sistemas sin aislamiento. Por otra parte, encontramos que el objetivo de realizar el montaje de un sistema aislado y un sistema no aislado es corroborar de manera experimental que en el momento de utilizar un aislante, la acción del mismo al poseer una resistencia alta evita el flujo de calor de la parte interna a la externa. Además de ello se observó la acción que tiene un aislante sobre un recipiente, al compararlo con la tasa de transferencia de calor del mismo sin aislamiento, notando resultados diferentes en los dos casos. Se identificó además la incidencia no solo de la resistencia del aislante, sino también del espesor que tiene el mismo el cual es inversamente proporcional al flujo de calor, es decir a mayor espesor menos transferencia de calor. Concluimos que la conductividad térmica de un material es una medida de la capacidad del material para conducir calor, un valor elevado de este indica que el material es buen conductor del calor y uno bajo indica que es mal conductor o material aislante. La transferencia de calor en cualquier sistema varía según el material aislante empleado. Se debe tener en cuenta la constante de conductividad (K), que es propia de cada material. En base a esto podemos concluir que las principales características que debe exhibir un material de aislamiento térmico a niveles industriales, es que al tener la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras, deben presentar una resistencia muy elevada, en lo posible no ser inflamables y finalmente deben ser resistentes al calor, es decir poder alcanzar determinadas temperaturas sin deformarse. Durante el desarrollo de la práctica analizamos las características de los materiales conductores (transmiten calor), así como los no conductores (no transmiten calor).

VIII. BIBLIOGRAFÍA 

[1]. Conductividad térmica. Cárdenas Lorenzo, Bernardo. Tesis digitales UNMSM, capítulo 1. [en línea]: http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/Tesis/Basic/cardenas_lb/cap1.pdf  Resistencia térmica, CONTRUMÁTICA [en línea] : http://www.construmatica.com/construpedia/Resistencia_T%C3%A9rmica 13

AISLAMIENTO TÉRMICO  Guías de laboratorio, Transferencia de calor I. Universidad de América.

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