This document presents an experiment on heat transfer linear conductivity and effect conducted by students at the Polytechnic University of Puerto Rico. The objectives were to determine the thermal conductivity and temperature difference in various materials, study contact resistance, and analyze resistance effects. The theory section covered heat transfer concepts like Fourier's law, thermal conductivity, and thermal contact resistance. The procedure measured temperature distributions and heat flow through uniform and composite walls to calculate conductivity. Safety and references were also provided.
Week 5 1 pe 3032 modeling of electromechanical and thermal nonlinearities
Presentacion 1 lab heat final
1. Polytechnic University of Puerto Rico
Chemical Engineering Department
Winter 2016
Ashley M. Ramirez Quiles
Stephanie P. Rivera Ares
Edgared M. Troche Muñiz
Jorge Sepulveda
November 29, 2016
CHE 3321- 22
Prof. Pablo Traverso
Heat Transfer Linear Conductivity
Effect
3. Objectives
Determine thermal conductivity and temperature
difference in stainless steel, brass, aluminum and
isolators for a steady state conduction.
Contact resistance effect in the interphase and thermal
paste
Conduct analysis and comparison of the resistance
effects
4. Theory
Conduction Heat Transfer
Energy is transferred as heat due to a temperature potential difference in a body, or
between bodies in contact with each other.
Figure 1. Representation of heat flow [1]
5. Theory
Thermal proportionality constant (𝒌):
𝑞 𝑥
𝐴
~
𝜕𝑇
𝜕𝑥
; Heat transfer rate is proportional to the temperature gradient.
𝑞 𝑥 = −𝑘𝐴
𝜕𝑇
𝜕𝑥
; Fourier’s Law
Wiedemann-Franz Law:
𝐿 =
𝑘
𝜎𝑇
, and 𝑘 = σLT
Figure 2. One-dimensional
steady state heat transfer,
temperature gradients. [2]
9. Theory
Overall Heat-Transfer Coefficient (U)
𝑈 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑎𝑙𝑙 = 𝑅 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒
−1
In a composite wall we can state that;
𝑞 =
𝑇𝐴 − 𝑇𝐵
𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3
=
∆𝑇𝑜𝑣𝑒𝑟𝑎𝑙𝑙
𝐴 ∗ 𝑅𝑡ℎ
=
∆𝑇𝑜𝑣𝑒𝑟𝑎𝑙𝑙
𝑅 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒
= UA∆𝑇𝑜𝑣𝑒𝑟𝑎𝑙𝑙
Figure 5. Composite wall. [4]
10. Theory
Reduced cross-sectional area of heat transfer between thermocouples:
From Fourier’s Law;
𝑞 𝑥 = −𝑘𝐴
Δ𝑇
Δ𝑥
Rearranging the equation;
∆𝑇 =
𝑞 𝑥∆𝑥
𝑘𝐴
; ∆𝑇 ∝
1
𝐴
Figure 6. Composite wall with reduced area. [5]
11. Theory
Thermal Contact Resistance:
From the energy balance equation;
𝑞 =
𝑇1−𝑇2𝐴
∆𝑥 𝐴
𝑘 𝐴 𝐴
=
𝑇2𝐴−𝑇2𝐵
1
ℎ 𝑐 𝐴
=
𝑇2𝐵−𝑇3
∆𝑥 𝐵
𝑘 𝐵 𝐴
ℎ 𝑐 = 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡
1
ℎ 𝑐 𝐴
= 𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒
Figure 8. Joint-roughness model for the
analysis of hc . [3]
𝑞 =
𝑇2𝐴 − 𝑇2𝐵
𝐿 𝑔
2𝑘 𝐴 𝐴 𝑐
+
𝐿 𝑔
2𝑘 𝐵 𝐴 𝑐
+ 𝑘 𝑓 𝐴 𝑣
𝑇2𝐴 − 𝑇2𝐵
𝐿 𝑔
=
𝑇2𝐴 − 𝑇2𝐵
1
ℎ 𝑐 𝐴
ℎ 𝑐 =
1
𝐿 𝑔
𝐴 𝑐
𝐴
2𝑘 𝐴 𝑘 𝐵
𝑘 𝐴+𝑘 𝐵
+
𝐴 𝑣
𝐴
𝑘 𝑓 ;
Figure 7. Illustration of the thermal contact
resistance effect, temperature profile. [5]
Figure 9. Ideal and actual
thermal contact. [2]
12. Theory
Figure 11. Effect of metallic coatings on
thermal contact surfaces. [2]
Figure 10. Contact conductance of typical surfaces. [3]
Material
Thermal
Conductivity
- k -
W/(m K)
Temp.
(oC)
Air, atmosphere
(gas)
0.024 25
Aluminum 205 25
Aluminum Brass 121 25
Beef, lean
(78.9% moisture)
0.43 - 0.48 25
Brass 109 25
GM280
(Si, thermal
paste)
1.2 -45~200
Stainless Steel 16 25
Water 0.58 25
Figure 12. Thermal conductivities of various materials. [6][7]
15. Procedure
Measure the temperature distribution for
the steady state conduction of energy
through a uniform flat wall and
demonstrate the effect of a change in the
heat flow.
Understand the use of the Fourier
Frequency equation to determine the rate
of heat flux through solid materials for
one-dimensional heat flow.
Measure the temperature distribution for
steady-state energy conduction through a
composite flat wall and determine the
global heat transfer coefficient for a heat
flow through a combination of different
materials in series.
Determine the thermal conductivity (k) of
a sample of metal.
16. Procedure
Show that the temperature gradient is
inversely proportional to the cross-
sectional area for one-dimensional heat
flow in a solid material of constant
thermal conductivity.
Demonstrate the effect of contact
resistance on thermal conduction
between adjacent materials.
Understand the application of poor
conductors (insulators) and determine
the thermal conductivity k (the
proportionality constant) of an
insulation.
Observe the conduction of the heat in
an unstable state (qualitative only with a
graphic recorder or a connected PC).
18. Calculations
Steady-State Heat Conduction:
𝑄 = 𝐶
Δ𝑇
Δ𝑥
The Fourier Rate Equation:
Q = kA
∆T
∆x
, where ∆T = (Ta − Tb)
𝐴 =
π 𝐷2
4
(m2 , cross sectional area of
bar)
The Overall Heat Transfer
Coefficient:
𝑈 =
𝑄
𝐴(𝑇1 − 𝑇8)
𝐴 =
π 𝐷2
4
(m2 ) cross sectional area
∆𝑇18 = 𝑇1 − 𝑇8 (∘C)
Temperature difference across composite wall
19. Calculations
Thermal Conductivity: (Constant of
Proportionality)
Inverse Proportionality of
Temperature Gradient to Area:
∆T =
𝑄∆x
𝑘𝐴
Effect of Contact Resistance on
Thermal Conduction:
22. References
[1] http://philschatz.com/physics-book/contents/m42228.html
[2] Dr. Balku, Ş. (2015). STEADY HEAT TRANSFER AND THERMAL RESISTANCE
NETWORKS. Retrieve from http://slideplayer.com/slide/6638492/
[3] J P Holman, S. B. (2011). HEAT TRANSFER (In SI Units). (10). (M.-H. G. Holdings,
Ed.) New York, United States.
[4] http://www.engr.iupui.edu/~mrnalim/me314lab/lab02.htm
[5] Manual Lab.
[6] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/thrcn.html
[7] http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html
Notas do Editor
Note: The minus sign is a convention that denotes the heat is transferred in the direction of lower temperature.
Thermal Conductivity of the material has units of: 𝑘= 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 ∗ °𝐶
In metals k increases with increase temperatures, while σ decreases with T.
L=Lorenz number, σ= electric conductivity
Where “𝛼” is the Thermal Diffusivity of the material. 𝛼≫the faster heat will diffuse trough material.
Will result from a k>> indicating rapid energy transfer, or from a 𝜌 𝐶 𝑝 ≪ meaning that less energy flowing through the material would be absorb and use to raise T.
𝜌 𝐶 𝑝 = Thermal Heat Capacity
SS-> Acc =0
Integrating Acc => dT/dx= constant
By separation of variables:
dT/dx=m becomes,
dT=mdx integrating
T(x)=mx+b
Where 𝑅 𝑡ℎ is the thermal resistance of the materials; Units ( ℃ 𝑊 ).
R value: Classifying the performance of insulation.
The units for Rvalue are ( 𝑚 2 ℃ 𝑊 ).
∆𝑇 𝑖𝑠 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑒𝑙𝑦 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑡𝑜 𝑡ℎ𝑒 𝐴.
Meaning that a reduction in diameter result on a greater difference in ∆𝑇…
Ejercicio A:
Objetivo - Medir la distribución de temperatura para la conducción de energía en estado estacionario a través de una pared plana uniforme y demostrar el efecto de un cambio en el flujo de calor.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 9 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 9V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T3, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador). T4 y T5 no se consideran ya que en ese lugar se colocara el espécimen al cual le estaremos observando su conductividad.
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Nuevamente, Se ajusta el voltaje del calentador a 17 voltios y utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Y por último, se ajusta el voltaje del calentador a 21 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio B:
Objetivo - Entender el uso de la Ecuación de Frecuencia de Fourier para determinar la velocidad de flujo de calor a través de materiales sólidos para el flujo constante de calor unidimensional.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 12V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador). [Aquí si se toma en cuenta la T4 y T5 por que habrá un espécimen colocado para determinar el flujo de calor a través de el.)
Se ajusta el voltaje del calentador a 17 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio C:
Objetivo - Medir la distribución de la temperatura para la conducción en estado estacionario de energía a través de una pared plana compuesta y determinar el Coeficiente de transferencia global de calor para el flujo de calor a través de una combinación de diferentes materiales en serie.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 9 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 9V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio D:
Objetivo - Determinar la conductividad térmica (k = la constante de proporcionalidad) de una muestra de metal.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 9 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 9V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio E:
Objetivo -Demostrar que el gradiente de temperatura es inversamente proporcional al área de la sección transversal para el flujo unidimensional de calor en un material sólido de conductividad térmica constante.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 9 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 9V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio F:
Objetivo Demostrar el efecto de la resistencia de contacto en la conducción térmica entre materiales adyacentes.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 12V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 17 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Se deja el voltaje del calentador a 17 voltios y se sujetan juntas, las secciones del accesorio HT11.
Finalmente, se permite que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio G:
Objetivo - Comprender la aplicación de conductores deficientes (aisladores) y determinar la conductividad térmica k (la constante de proporcionalidad) de un aislante.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 1.5 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 1.5V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 2 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Si el tiempo lo permite, se reemplaza el disco de corcho con el disco de papel y se repite el ejercicio.
Ejercicio H:
Objetivo - Observar la conducción del calor en estado inestable (cualitativo sólo con un registrador gráfico o un PC conectado).
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se conecta el HT10X o el HT10XC a la PC usando el cable USB que se proporciona.
Se inicia la PC y se ejecuta el software HT11.
Se selecciona 'Configure ...' en el menú 'Sample‘.
Se ajusta el muestreo a Automatic con un intervalo de muestra de 10 segundos y una duración fija de 600 segundos.
Se selecciona 'OK‘ y luego el icono para iniciar el muestreo.
Se ajusta el voltaje del calentador a 17 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 17V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Si el tiempo lo permite, se reduce el flujo de refrigeración dramáticamente, cerrando la valvula de control de flujo pero no deteniéndolo por completo.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Utilizando la PC con el software Armfield, se espera 600 segundos (10 minutos) y luego transcurrido dicho tiempo se ha terminado el muestreo de datos.
Ejercicio A:
Objetivo - Medir la distribución de temperatura para la conducción de energía en estado estacionario a través de una pared plana uniforme y demostrar el efecto de un cambio en el flujo de calor.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 9 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 9V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T3, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador). T4 y T5 no se consideran ya que en ese lugar se colocara el espécimen al cual le estaremos observando su conductividad.
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Nuevamente, Se ajusta el voltaje del calentador a 17 voltios y utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Y por último, se ajusta el voltaje del calentador a 21 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio B:
Objetivo - Entender el uso de la Ecuación de Frecuencia de Fourier para determinar la velocidad de flujo de calor a través de materiales sólidos para el flujo constante de calor unidimensional.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 12V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador). [Aquí si se toma en cuenta la T4 y T5 por que habrá un espécimen colocado para determinar el flujo de calor a través de el.)
Se ajusta el voltaje del calentador a 17 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio C:
Objetivo - Medir la distribución de la temperatura para la conducción en estado estacionario de energía a través de una pared plana compuesta y determinar el Coeficiente de transferencia global de calor para el flujo de calor a través de una combinación de diferentes materiales en serie.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 9 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 9V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio D:
Objetivo - Determinar la conductividad térmica (k = la constante de proporcionalidad) de una muestra de metal.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 9 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 9V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio E:
Objetivo -Demostrar que el gradiente de temperatura es inversamente proporcional al área de la sección transversal para el flujo unidimensional de calor en un material sólido de conductividad térmica constante.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 9 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 9V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio F:
Objetivo Demostrar el efecto de la resistencia de contacto en la conducción térmica entre materiales adyacentes.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 12V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 17 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Se deja el voltaje del calentador a 17 voltios y se sujetan juntas, las secciones del accesorio HT11.
Finalmente, se permite que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Ejercicio G:
Objetivo - Comprender la aplicación de conductores deficientes (aisladores) y determinar la conductividad térmica k (la constante de proporcionalidad) de un aislante.
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Desde la PC, se ajusta el selector en “REMOTE” y el software para el accesorio HT11C.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se ajusta el voltaje del calentador a 1.5 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 1.5V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Cuando las temperaturas estén estables, se registran las siguientes. T1, T2, T5, T6, T7, T8, V (voltaje de calentador) I (corriente de calentador).
Se ajusta el voltaje del calentador a 2 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice y se repite las lecturas anteriores.
Si el tiempo lo permite, se reemplaza el disco de corcho con el disco de papel y se repite el ejercicio.
Ejercicio H:
Objetivo - Observar la conducción del calor en estado inestable (cualitativo sólo con un registrador gráfico o un PC conectado).
Procedimiento:
Primero, se enciende el interruptor principal.
Luego, se enciende el agua de refrigeración y se ajusta la válvula de control de flujo para que dé aproximadamente 1.5 litros / min.
Se conecta el HT10X o el HT10XC a la PC usando el cable USB que se proporciona.
Se inicia la PC y se ejecuta el software HT11.
Se selecciona 'Configure ...' en el menú 'Sample‘.
Se ajusta el muestreo a Automatic con un intervalo de muestra de 10 segundos y una duración fija de 600 segundos.
Se selecciona 'OK‘ y luego el icono para iniciar el muestreo.
Se ajusta el voltaje del calentador a 17 voltios. Desde la PC, se utiliza el cuadro de control del calentador en la pantalla del diagrama de mímico para ajustar el porcentaje de escala completa hasta que la caja de pantalla de Voltaje diga 17V.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Se ajusta el voltaje del calentador a 12 voltios utilizando el método anterior, se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Si el tiempo lo permite, se reduce el flujo de refrigeración dramáticamente, cerrando la valvula de control de flujo pero no deteniéndolo por completo.
Se deja que el accesorio HT11 se estabilice.
Utilizando la PC con el software Armfield, se espera 600 segundos (10 minutos) y luego transcurrido dicho tiempo se ha terminado el muestreo de datos.
:
Steady-State Heat Conduction:
If a plane wall of thickness (∆x) and area (A) supports a temperature difference (∆T) then the heat transfer rate per unit time (Q) by conduction through the wall is found to be:
EQUATIONS, where C is a constant which will be investigated in a later exercise.
The Fourier Rate Equation:
According to Fouriers law of heat conduction:
If a plane wall of thickness (∆x) and area (A) supports a temperature difference (∆T) then the heat transfer rate per unit time (Q) by conduction through the wall is found to be:
Q∝A ∆T, where ∆x= (xb −xa)
∆x
If the material of the wall is homogeneous and has a thermal conductivity k (the constant of proportionality) then:
Q=−kA ∆T, where ∆T= (Ta−Tb)
∆x
It should be noted that heat flow is positive in the direction of temperature fall hence the negative sign in the equation.
For convenience the equation can be rearranged to avoid the negative sign as follows:
Q=kA ∆T, where ∆T= (Ta−Tb)
∆x
The Overall Heat Transfer Coefficient:
The heated, intermediate and cooled sections are clamped tightly together, so that the end faces are in good thermal contact, and create a composite bar with a Stainless steel section sandwiched between two Brass sections.
Thermal Conductivity:
The heated, intermediate and cooled sections are clamped tightly together, so that the end faces are in food thermal contact, and create a composite bar with a metal specimen of unknown thermal conductivity sandwiched between two brass sections.
Inverse Proportionality of Temperature Gradient to Area:
The heated and cooled sections are clamped tightly together with a section of reduced diameter in between. The end faces are in good thermal contact and create a compound bar of the same material but with a reduction in cross- sectional area in the intermediate section.
*** Equation for hot or cold section. ***
Effect of Contact Resistance on Thermal Conduction:
When two surfaces are in contact, paths of thermal conduction exist only across those points where physical contact occurs on the microscopic scale. The degree of thermal contact depends on the respective surface finishes, the alignment between the surfaces and the degree of pressure applied.
Thermal Conductivity and Application of Insulators:
Materials such as paper and cork have very low values of thermal conductivity which means that only a small amount of heat will pass through the material even though a high temperature difference may exist across its two faces. Such materials are known as insulators and are practically utilized in situations where it is required to reduce heat loss from a hot body to its surroundings.
The heated and cooled sections are clamped tightly together with the cork disk in between to create a composite bar with the insulated disk of unknown thermal conductivity sandwiched between two brass sections.
Unsteady State Conduction of Heat:
This exercise is qualitative only and intended to show the transient/time- dependent behavior of a system where temperature varies with time and position. This condition, referred to as unsteady-state, exists when the bar on the HT11 is first heated and continues until it reaches equilibrium. Similarly the condition exists if a step change is applied such as reducing the heater power or reducing the flow of cooling water.
When heat is applied to one end of the bar the elevated temperature at the heated end causes heat to flow towards the cold end. The result is a gradual rise in the temperature of the bar until the appropriate temperature gradient is established along the bar (as studied in previous exercises.) The changes in temperature cannot occur instantaneously and changes in the middle of the bar will lag behind the changes at the heated end of the bar despite being smaller in magnitude. Similarly the smaller changes at the cooled end of the bar will lag behind the changes at the center of the bar.
Water:
It is important to check there is no residual water prior to beginning the experiment. Micro-organisms will grow on stagnate water sitting on rust, sludge or algae if it is between 20 – 45 °C. The equipment must be cleaned and the water changed regularly or else the water must be disinfected and kept outside the temperature range. Bacteria grows exponentially when in contact with water and able to feed.
Electrical Safety:
This unit incorporates RCD (Residual Current Device), meaning that if through misuse or accident it becomes electrically dangerous the equipment will automatically shut off. It is important to check at least once a month the RCD is working properly.
Hot Surfaces and Liquids
This unit is capable of reaching temperatures that will cause skin burns, it is important to stay away from the parts labeled “HOT SURFACES” while the equipment is in use.