Taller n. ° 5 - Introducción a la resistencia térmica transitoria
Un modelo muy útil de transferencia de calor transitoria es el sólido semi-infinito. Esto combina los efectos de la resistencia térmica del material junto con la capacitancia térmica del material para absorber energía térmica. Las suposiciones principales son que el material es grueso (semi-infinito) y que la transferencia de calor es unidimensional. Busque en un texto de transferencia de calor para encontrar la teoría de la transferencia de calor semi-infinita. Aunque las matemáticas implican soluciones de ecuaciones diferenciales parciales, los resultados son bastante simples. Si se aplica una fuente de temperatura constante T s a la superficie del material sin ninguna resistencia de contacto, el flujo de calor resultante en la superficie es
La temperatura inicial del material es una T i uniforme y el cambio de temperatura de la superficie ocurre en el tiempo t = 0. Las propiedades del material son la conductividad térmica k , el calor específico C y la densidad ρ .
El espesor requerido es función del tiempo. La transferencia de calor por conducción es un proceso de difusión que se propaga al material a medida que aumenta el tiempo. En consecuencia, el grosor que parece ser infinitamente grueso aumenta con el tiempo. Una buena aproximación para este espesor L es
donde la difusividad térmica α = k / ρC . Es una propiedad importante para los problemas transitorios de transferencia de calor que indica qué tan rápido se transfiere el calor a un material.
Estas son las propiedades del hormigón y la alfombra que se utilizarán en este taller. Calcule los valores restantes de difusividad térmica y profundidad de penetración para la solución semiinfinita:
Otra forma de ver este problema es en términos de la resistencia térmica del material R ” . Se define como la relación entre la diferencia de temperatura y el flujo de calor.
Determine el valor teórico de la resistencia térmica para la solución semiinfinita de temperatura superficial constante,
R " =
¿Cómo varía con el tiempo?
Dibuja cómo debería variar.
Taller n. ° 5 - Resultados de resistencia térmica transitoria
El objetivo de este taller es analizar la respuesta de transferencia de calor de dos materiales con propiedades muy diferentes: el piso de concreto y la alfombra. Utilice su mano como fuente de calor y el sensor de flujo de calor para medir el flujo de calor de la superficie y la temperatura de la superficie en función del tiempo. El objetivo es ver cómo las propiedades de estos diferentes materiales afectan sus resultados.
a) Coloque el sensor en un piso de concreto, inicie la adquisición de datos y luego coloque firmemente su mano por completo sobre el sensor para unos 20 segundos.
b) Ahora coloque el sensor directamente sobre una alfombra y repita.
De sus archivos de datos guardados, trace la temperatura en función del tiempo para ambos materiales en el mismo gráfico y compare. Haga lo mismo para el flujo de calor en un segundo gráfico. Modele el material sólido como un sólido semi-infinito asumiendo que la temperatura del sensor es la temperatura de la superficie T s . Para la temperatura inicial del material de T i utilizar el sensor de temperatura antes de aplicar la mano para crear el evento térmico. Utilice el flujo de calor medido con estas temperaturas medidas para calcular la resistencia térmica aparente en cada material en función del tiempo, Rʺ = (T s - T i ) / qʺ. Trace Rʺ para el concreto y la alfombra en el mismo gráfico para el período de tiempo en el que su mano está sobre el sensor. Adjunte las tres parcelas (temperatura, flujo de calor y resistencia térmica) para entregar.
1. Según sus cálculos para la profundidad de penetración térmica L, ¿ son los materiales que probó lo suficientemente gruesos como para asumir son "semi-infinitos"? ¿Por qué?
2. ¿El gráfico de sus resultados para la resistencia térmica R "tiene una forma similar a la teoría que se muestra en la introducción al taller? 5?
3. Físicamente (aparte de las ecuaciones) ¿por qué cambia la resistencia térmica con el tiempo?
4. ¿Cómo varía el valor de la resistencia térmica entre los dos materiales? ¿Por qué? (mire los valores de conductividad térmica)
5. ¿Qué material tiene el mayor flujo de calor? ¿Por qué?
6. ¿Qué material tiene el mayor cambio de temperatura? ¿Por qué?
7. Aunque la temperatura inicial de la alfombra y el concreto son casi iguales, ¿por qué el concreto se siente más frío? que la alfombra (aislamiento)?