transferencia de calor por radiacion

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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 [email protected] 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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Reporte de experimentos para la medicion de radiacion.

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Page 1: Transferencia de calor por radiacion

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

[email protected]

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

Page 2: Transferencia de calor por radiacion

Radiación

7 de octubre de 2015

2

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.

Page 3: Transferencia de calor por radiacion

Radiación

7 de octubre de 2015

3

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.

Page 4: Transferencia de calor por radiacion

Radiación

7 de octubre de 2015

4

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

Page 5: Transferencia de calor por radiacion

Radiación

7 de octubre de 2015

5

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]

Page 6: Transferencia de calor por radiacion

Radiación

7 de octubre de 2015

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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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Radiación

7 de octubre de 2015

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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.