transferencia de calor por radiacion
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Reporte de experimentos para la medicion de radiacion.TRANSCRIPT
Radiación
7 de octubre de 2015
1
Laboratorio practico #2 de transferencia de
calor.
Ricardo José Funes Flores, Rigoberto Arnulfo Orellana Canales, David Moisés Sigüenza
Fuentes
Transferencia de calor II
Correos electrónicos: [email protected], [email protected], [email protected].
CATEDRATICO
Ing. Mario Chávez
INSTRUCTOR
Saúl Alejandro Ramos Cortez
Abstracto: en el presente trabajo se
aborda el tema de la transferencia de calor por
radiación entre cuerpos y como esta puede variar
según diferentes parámetros de forma y además a
partir de la distancia entre los cuerpos.
1. INTRODUCCION TEÓRICA
La transferencia de calor por radiación entre
superficies depende de la orientación de unas en
relación a las otras, así como de sus propiedades
con respecto a la radiación y de las
temperaturas. Para tomar en consideración estos
parámetros de orientación se utiliza del término
conocido como factor de visión, el cual es una
cantidad puramente geométrica independiente
de las propiedades de las superficies y de la
temperatura. El factor de visión se basa en la
hipótesis de que las superficies son emisoras y
reflectoras difusas.
El factor de visión representa la fracción de
radiación que sale de la superficie 1 y choca
directamente contra la 2. En este factor no se
considera la radiación que choca contra la
superficie en análisis proveniente de ser
reflejada por otras superficies.
Fig. 1 Interacción de radiación según la orientación de las
superficies.
El intercambio de calor entre superficies
considerando el factor de visión será:
La ley de Lambert trata sobre la iluminancia de
una superficie situada a una cierta distancia de
una fuente de luz. Determina que la iluminación
producida por una fuente luminosa sobre una
superficie es directamente proporcional a la
intensidad de la fuente y al coseno del ángulo
que forma la normal a la superficie con la
dirección de los rayos de luz y es inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia a dicha
fuente, según en la siguiente ecuación:
Fig. 2 Ejemplificación de ley de Lambert
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2. OBJETIVOS
Identificar como los diferentes arreglos
geométricos hacen variar la energía
radiante intercambiada entre
superficies.
Comprobar experimentalmente la ley
de los cosenos de Lambert.
Respaldar el comportamiento teórico
de la radiación en comparación con el
comportamiento experimental que se
pueda tener.
3. METODOLOGIA Y DATOS.
Metodología
Experimento 1: iluminación de una superficie
Se utilizó el dispositivo HT13 para medir la
radiación entre placas. El carro móvil, que
sostenía las placas se situó a 200mm de la
fuente de calor. Se colocó el radiómetro a
300mm de la fuente de calor.
Fig.3 Esquema de conexión del equipo HT13 para las
mediciones de iluminancia de una superficie.
Fig. 4 Equipo HT13, en funcionamiento para determinar la
iluminancia de una superficie.
Se encendió la fuente de calor y se calibró a
20V. Se esperó a que se estabilizara la
temperatura, se tomaron mediciones de
temperatura y radiación para una apertura inicial
de 75mm. Luego, se fue reduciendo la apertura
entre las placas, cuya variación era de 10mm o
5mm. En cada reducción de apertura, se esperó
a que las lecturas de temperatura y radiación se
estabilizaran. Finalmente, se tomaron lecturas
del radiómetro.
Experimento 2: ley del coseno
De la configuración realizada para el
experimento de la iluminancia de una superficie
mostrada en la figura 5, se retiraron las placas y
se acercó el radiómetro a 200mm de la fuente de
calor. La distancia entre la fuente de calor y el
radiómetro se fue modificando 100mm. En cada
alejamiento, se esperó a que se estabilizara la
medición de radiación, y se tomaron los
respectivos datos.
Fig.5 Esquema de conexión del equipo HT13 para verificar
la ley del coseno.
Fig. 6 Equipo HT13, en funcionamiento para verificar la ley
del coseno.
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Datos
De acuerdo al procedimiento establecido en la
metodología, se obtuvieron los siguientes datos:
Experimento 1: iluminación de una superficie
Rn X
[mm]
TF
[C]
R
[W/m^2]
0 75 328 164
1 65 333 171
2 55 332 176
3 50 332 172
4 45 325 175
5 40 326 172
6 30 332 163
7 20 336 129
8 10 338 77
9 5 339 46
10 0 340 25
Tabla 1: Resultados obtenidos sin factor de corrección.
Experimento 2: ley del coseno
X
[mm]
R
[W/m^2]
200 389
300 183
400 105
500 70
700 39
900 28
Tabla 2: Resultados obtenidos.
4. CALCULOS Y RESULTADOS.
Experimento 1: iluminación de una superficie
Se aplicó un factor de corrección C a las
mediciones de radiación tomadas en este
experimento que se presentan en la tabla III, con
las siguientes ecuaciones:
(I)
(II)
X
[mm]
R
CORREGIDO
[W/m^2]
75 5.444
65 5.677
55 5.843
50 5.710
45 5.810
40 5.710
30 5.411
20 4.282
10 2.556
5 1.527
0 0.830
Tabla 3: Resultados obtenidos con factor de corrección.
Se procedió a obtener el factor de superficie.
Con la ecuación I.
(III)
Donde:
Rn: Mediciones con diferentes valores de
aberturas. “n” es el correlativo en la tabla I.
R0: Medición inicial, para abertura de 75 mm
(Correlativo 0 de la tabla I).
X
[mm]
f
[-]
75 1
65 1.042
55 1.073
50 1.048
45 1.067
40 1.048
30 0.993
20 0.786
10 0.469
5 0.280
0 0.152
Tabla 4: Abertura de placas vs factor de superficie
obtenido.
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Gráfica 1: Comportamiento de la abertura vs factor de
forma.
Experimento 2: ley del coseno
Se aplicó el factor de corrección a las
mediciones obtenidas, con la ecuación II.
X
[mm]
R
CORREGIDO
[W/m^2]
200 12.915
300 6.075
400 3.486
500 2.324
700 1.294
900 0.929
Tabla 5: Resultados obtenidos con factor de corrección.
Se procedió a graficar los datos obtenidos, en
escala logarítmica.
Gráfica 2: Ecuación exponencial de la iluminancia vs.
Distancia, con escala logarítmica.
Para poder verificar la ley del coseno es
necesario el conocimiento de la pendiente
obtenida, la ecuación mostrada en la gráfica 2,
es de tipo exponencial, por lo que se aplicó una
regresión, con lo que se obtuvo.
Gráfica 3: Ecuación exponencial de la iluminancia vs.
Distancia, con escala normal.
En la gráfica 3, puede observarse que la
pendiente de la recta es m= -1.773, un valor
muy cercano al requerido m= -2.
5. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
Para el primer experimento el objetivo era
determinar los factores de vista para diferentes
aperturas de dos placas consiguiendo con esto
que no toda la radiación emitida por la fuente de
calor llegara al radiómetro. Tal y como se tenía
esperado entre menos era la distancia entre
placas el factor de vista disminuía, aunque
existieron ciertas discrepancias que se atribuyen
a la mala posición de las placas y al efecto de
las diferentes fuentes de radiación existentes en
el experimento.
En cuanto al segundo experimento se demuestra
experimentalmente la ley del coseno la cual dice
que la radiación que incide en un cuerpo
disminuye con el cuadrado de la distancia, esto
se puede observar en todas las gráficas
generadas de Iluminación vs distancia, ya que,
para incrementos en la distancia la iluminación
tiende a llegar a un valor mínimo siempre
acercándose a cero.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 20 40 60 80
Fact
or
de
vist
a [A
dim
]
Abertura [mm]
Factor de forma vs Abertura entre placas.
y = 148850x-1,773 R² = 0,9973
0,1
1
10
100
1 10 100 1000
Log(
Rco
rreg
ido
) (W
/m^2
)
Log(X) (mm)
Iluminancia vs distancia.
y = -1,773x + 5,1727 R² = 0,9973
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1 2 3 4
Rco
rreg
ido
(W
/m^2
)
x (mm)
Iluminancia vs Distancia
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Conclusiones
El factor de vista al ser un parámetro
puramente geométrico, vario
únicamente al hacer movimientos entre
las placas y no fue afectado por
ninguna otra variable externa debido a
que el flujo de calor de la fuente se
mantuvo constante. Esto defiende lo
que la teoría menciona acerca de este
factor que influye en la trasferencia de
calor por radiación.
Se comprobó experimentalmente la
aplicabilidad y la veracidad de la ley
del coseno de Lambert, esto se
demuestra observando el
comportamiento de las gráficas de
intensidad de radiación vs distancia
para las cuales a mayor distancia el
radiómetro percibía menos radiación.
La radiación está completamente ligada
a los factores de vista y a la distancia
bajo la cual se desarrolla este
fenómeno. Por lo que es importante
determinar estas variables al momento
de realizar un determinado análisis.
6. RECOMENDACIONES Y CAUSAS DE
ERROR.
Recomendaciones.
Evitar tener contacto con el lente del
radiómetro.
Tener tiempos prudentes entre medidas
para estabilizar el flujo de calor.
Reducir los índices de luz solar que
entra en la sala.
Tomar todas las medidas con factores
de corrección para tener mejores
resultados.
Realizar las medidas en ambientes
aislados y sin fuentes de calor que
interfieran con el experimento.
Causas de error.
La separación y colocación de placas
no se hacía correctamente.
La radiación de los diferentes objetos y
alumnos en el laboratorio altero de
igual manera la lectura de las
mediciones realizadas.
Mal manejo de los instrumentos.
Equipos descalibrados.
La falta de vacío en el ambiente no
permitió tener una lectura certera sobre
la radiación que recibían los cuerpos-
7. BIBLIOGRAFIA
o Çengel, Y. A. [2004] Transferencia de calor y masa. Editorial McGraw Hill. México. Pp. 684-691
o Incropera, F.P, D.P. DeWitt [1999] Fundamentos de transferencia de calor. Editorial PRENTICE HALL.
México. Pp. 634-648
o Sistema de control de paneles solares
http://www.ceautomatica.es/old/actividades/jornadas/XXIV/documentos/incon/148.pdf Consultado:
[06/10/15]
o Como se originó la vida en el planeta.
http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/1ESO/planeta_habitado/contenidos1.htm Consultado:
[06/10/15]
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8. INVESTIGACIÓN ADICIONAL
¿Cómo influye la posición de los paneles solares con respecto a la transformación de energía solar?
Un panel solar (o módulo solar) es un dispositivo que aprovecha la energía de la radiación solar. El
término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica)
mediante energía solar térmica y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad mediante
energía solar fotovoltaica.
La radiación solar que incide sobre una placa variará con el ángulo que forme la misma con la radiación.
La captación de energía solar será máxima cuando la posición de la placa solar sea perpendicular a la
radiación.
Fig.7 Incidencia de las diferentes radiaciones sobre el panel solar
La inclinación de los rayos del sol respecto a la superficie horizontal es variable a lo largo del año
(máxima en verano y mínima en invierno) y por tanto, en aquellas instalaciones cuyos paneles estén fijos,
existirá un ángulo de inclinación que optimizará la colección de energía sobre una base anual. Es decir,
conviene buscar el ángulo de inclinación de los paneles respecto al plano horizontal que hace máxima la
potencia media anual recibida. En la mayoría de los casos este ángulo coincide con la latitud del lugar de
la instalación. Normalmente se suele tomar un ángulo mayor, aproximadamente 15º, en beneficio de una
mayor captación durante el invierno, cuando la luminosidad disminuye, a costa de una peor captación en
verano, cuando hay una mayor cantidad de luz.
Evidentemente, las pérdidas de las superficies horizontales con respecto a las que están inclinadas
aumentan progresivamente a medida que nos acercamos al norte (en el hemisferio norte) o al sur (en el
hemisferio sur). En los polos, los planos horizontales son inútiles. No obstante, es extremadamente difícil
valorar las pérdidas en los climas templados ya que la proporción de luz difusa del sol es más grande
debido a la presencia de polvo, vapor de agua y nubes. La orientación no ofrece ninguna ventaja en
cuanto a la energía recibida desde la radiación indirecta. Por el contrario, debido a que los paneles
inclinados reciben la luz de una parte del hemisferio, estos recogen menos luz difusa que los receptores
horizontales.
La potencia que generan los paneles es proporcional al flujo de energía radiante que incide sobre ellos. La
constante de proporcionalidad depende de la tecnología empleada en la construcción de las células
fotovoltaicas. Si denotamos por IL el vector de intensidad de radiación solar y por S la superficie efectiva
de la célula fotovoltaica, la proporcionalidad viene dada por la expresión:
(III)
Si suponemos que el frente de ondas de la radiación procedente del Sol es plano, podemos simplificar la
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expresión anterior, resultando la expresión:
(IV)
Fig.8 Esquema de incidencia de radiación solar sobre un panel fotovoltaico.
En la expresión (IV), α es el ángulo formado por la normal del frente de ondas de la radiación solar y la
normal a la superficie de los paneles. Cuando este ángulo sea nulo, los rayos solares incidirán
perpendicularmente a los paneles. En ese instante, la potencia eléctrica generada será máxima.
¿Qué relación tiene esto con los conceptos empleados en la práctica de laboratorio?
En el orden del factor de área, ya que primeramente la cantidad de calor radiante proveniente de la fuente
fue máxima al posicionar la fuente de calor de manera perpendicular al radiómetro. Con esto se estuvo
logrando una lectura radiométrica máxima en el dispositivo, de otra manera se tendría que realizar el
respectivo ajuste con la ecuación (IV), para determinar la cantidad de radiación que el radiómetro recibirá
de la fuente.
Así también, la cantidad de radiación recibida por el radiómetro se vio afectada por la distancia entre las
placas, modificando la cantidad de energía radiante que el lector recibía, esto en la vida real simula la
variación en la cantidad de radiación solar que los paneles debido a los diferentes fenómenos climáticos
que ocurren durante el año.
¿Cómo influyó la distancia de la tierra con respecto al sol en relación al desarrollo de la vida?
La existencia de vida en la tierra siempre ha dependido de factores físico-químicos que a su vez son el
resultado de la distancia de la tierra al sol y su tamaño, el cual determina su masa.
Nuestro planeta al no estar muy cerca no presenta altas temperaturas que harían que el sostenimiento de la
vida fuera imposible y de igual manera sucedería si la tierra estuviera más lejos, ya que, esto haría que las
temperaturas fueran muy bajas, pero al encontrarnos en la posición perfecta con respecto al sol esto hace
que la temperatura media en el planeta sea de 15°C, esto hace que podamos encontrar agua en estado
líquido. El agua es imprescindible para la vida ya que en ella se realizan la totalidad de las reacciones
químicas de nuestro metabolismo.
Por otro lado si la tierra fuera más pequeña, su masa no podría atraer por gravedad a su atmosfera
protectora y sería tan espesa y densa que no dejaría pasar la luz del sol. La atmosfera deja pasar la luz
visible con la que se realizan los procesos vitales para los vegetales y atrapa las radiaciones de alta
energía por su composición rica en un isotopo del oxígeno (el ozono). Esta al ser rica en oxígeno, facilita
el proceso vital de la respiración (común en todos los seres vivos).
Cabe mencionar que la tierra se calienta como resultado de la absorción de la energía solar y se enfría en
la noche al irradiar su energía hacia el espacio profundo como radiación infrarroja, esto es posible gracias
a la rotación de la misma, permitiendo unas zonas no estén muy frías y otras muy calientes generando de
esta manera un equilibrio térmico que permite el desarrollo pleno de los seres vivos.