Vacio y Transferencia de Calor

7/26/2019 Vacio y Transferencia de Calor

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Laboratorio4DepartamentodeFsica Prof.FernandoStefani

FacultaddeCienciasExactasyNaturales

UniversidaddeBuenosAires

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Generacin

de

vaco

transferencia

de

calor

en

vaco

OBJETIVOS:

Armarunsistemadevacoconcmaras,vlvulasybombasmecnicasydifusoras

Caracterizarelsistemausandomedidoresdevaco

Estudiarlatransferenciadecaloradistintaspresiones

Determinarlacapacidadcalorficadeunmaterialapartirdecurvasdecalentamientoy

enfriamiento

CONCEPTOSNECESARIOSPARALAPRCTICA:

Bombasdevaco

Medidoresdevaco

Transferenciadecalor

Calorimetra

SISTEMASDEVACO

Numerosos y diversos experimentos o procesos industriales deben realizarse en distintos

nivelesdevaco.Elvacosegeneraextrayendotodoelgasdeunrecintomediantebombasde

distintostipos.

Lafigura1muestraelprincipiodefuncionamientodeunabombamecnica.Elrotorexcntrico

accionadopor elmotor, tienepaletasmviles que semantienen contra lasparedes de la

cmaradebombeomedianteunosresortes.Laspaletassellancontralasparedesmedianteuna

pelculadeaceitedebajapresindevaporydividenlacmaraendospartes.Elgastomado

desdelacmaradevaco(a)escomprimido(b)yexpulsadoalambiente(c).

Figura

Principiodefuncionamientodeunabombamecnicadevaco.

a) b) c)

Delacmara

de

vacoAlexterior


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Enlafigura2semuestraunesquemadelprincipiodefuncionamientodeunabombadifusora

deaceite.Enestetipodebombas,elgasesevacuadoalserempujadoporvaporesdeaceite.

Paraellosecalienteaceitedebajapresindevaporyselohacecircularmedianteunastoberas,

demodoquearrastranalgasaevacuarhaciaunasalida.Lasalidade labombadifusoraes

evacuada mediante una bomba mecnica. El aceite de difusora no debe calentarse en

presenciadeoxgenopuessedegrada.

Figura

2.Principiodefuncionamientodeunabombadifusoradevaco..

Figura

3.Esquematpicodeunsistemadevaco.Lacmaradevaco(C)seconectaalabombamecnica

(BM)directamenteyatravsdelabombadifusora(BD).Entrelacmaraylabombadifusorasepuede

colocarunatrampadevaco.Lapresindelacmarasecontrolaconmedidoresdevaco(MC,MP).El

circuitodevacosecontrolamediantevlvulas.

Vapores de

aceite

Gas

evacuado

Aceite

Tobera

Tobera

Calentador

Refrigeracin

C

MC

MP

T BD

BMVCMVE

VCD

VDM


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Enlafigura3semuestraunesquemadeunsistemadevacotpico.Enprimerlugarsehace

vacocon labombamecnica.Unavezalcanzadoelniveldevacoadecuadoparaponeren

funcionamiento la difusora, se intercambia el circuito para evacuar la cmaramediante la

difusora,yasuvezevacuarladifusoramediantelamecnica.

DEFINICIONESBSICAS

SeauntubodeseccinAporelcualfluyeunasustanciadedensidadavelocidadv.Sedefine

alcaudalQcomolacantidaddemasaporunidaddetiempoqueatraviesalaseccinA:

(1)

YelflujovolumtricoSsedefinecomoelvolumendefluidoqueatraviesaelreaAporunidad

detiempo:

(2)

Elcaudalenelestadoestacionarioresulta ElparmetroSesloquecaracterizalacapacidadolavelocidaddebombeo.Enunconductor

pasivo (cao,orificio, vlvula) el caudalesproporcional a ladiferenciadepresin entre la

entradaylasalida.Porlotanto,enestetipodedispositivo,elcaudalQsepuededenotarcomo

(3)

donde ps ype son las presiones en la salida y la entrada yL es una constante de

proporcionalidaddefinidacomoconductancia.

Otroaspectofundamentalaestudiareslaformaenlaqueevolucionalapresindentrodeun

recinto,que

est

relacionada

con

la

cantidad

neta

de

masa

que

sale

oque

ingresa

al

mismo

por

unidaddetiempo.Esteproblemaseresuelvegeneralmenteconsiderandoquesetratadeun

gasideal.Existenvariasexcepcionesdondeestaaproximacinnoesvlida,peroenloscasos

tratadosaquresultacorrectorealizarestahiptesis.Paraungasidealatemperaturaconstante,

elproductoPVesproporcionalalamasa.Luegoesvlidodefiniralcaudalcomo

(4)queenrgimenestacionarioresulta

(5)

Elcaudalnetodegasquesaledeunsistemadevacovienedadopor lasiguienteecuacin

diferencial:

(6)

DondepiyVsonlapresininternayelvolumendelsistemarespectivamente,Qdeselcaudal

degasentrantedebidoaldesgasedelasparedes,Lperdeslaconductanciadeprdidas.Siesla

velocidaddebombeoenelrecintoypexteslapresinexterna.


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Paradeterminaralgunosparmetros importantesseanalizanalgunassolucionesparticulares

de dicha ecuacin. Para lograr una presin finalPf, la velocidad debombeo en el estado

estacionarioes

(7)

donde seha consideradoquepext >> pint . Suponiendoqueeldesgase y lasprdidas son

despreciablesfrentealcaudalquesalehacialabomba,laevolucintemporaldelapresinvale

exp (8)

conpf lapresinfinalyp0lainicial.

Cuandohaysloprdidas,lapresindependedeltiempoenlaforma

exp

(9)

ycuandoslohaydesgase,lamismavale

(10)

Enelcasodeexistirtantoprdidascomodesgase,lasolucinesunacombinacindestas

dosltimasecuaciones.

TRANSFERENCIA

DE

CALOR

Latransferencia

de

calor,

es

decir

el

intercambio

de

energa

trmica,

puede

ocurrir

mediante

cuatromecanismosfundamentales:

Conduccinodifusin:eslatransferenciadecalorentreobjetosqueestnencontactofsico.

Adveccin:transferenciadecalorentredospuntosatravsdeunfluidoenmovimientodirigido

Conveccin: transferenciaentreunobjetoy suentornodebidoalmovimientodeun fluido

generadoapartirdediferenciasdetemperatura/densidad.

Radiacin:transferenciaatravsdelmovimientodepartculascargadasquegeneranondas

electromagnticas

Engeneralelprocesodetransferenciadecalorescomplejo,yaqueestosmecanismospueden

actuarsimultneamente.Enestaprcticaseplanteaelestudiodetransferenciadecaloren

condicionesdevacocontrolado,dondelosmecanismosdominantesdetransferenciadecalor

seanradiacin

oradiacin

yconveccin.

Lafigura4muestraunesquemadeldispositivoexperimental.


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Figura

4.Dispositivodecalentamientoymedicindetemperaturaenvaco.

Lamuestra(eldiscodeCu)secalientaporabsorcindeluzalserirradiadoconlalmpara.La

cantidadcalorabsorbidoporunidaddetiempoessimplementeladiferenciaentrelapotencia

absorbidayladisipada:

(11)

Lasprdidastienenenestecasodoscomponentes:radiacinyconveccin.Entonces . Sepuededespreciar la contribucinpor conduccin trmica a travsde los finossoportesde lamuestray loscablesde latermocupla.Lapotenciadisipadaporradiacinse

derivadelaleyderadiacindeStefanBoltzmann,yparauncuerpoatemperatura queseencuentraembebidoenunmedioatemperaturaambiente,puedeescribirsecomo:

(12)

dondeeselreasuperficialdelamuestra,laemisividad( 1parauncuerponegro)yla constante de Boltzmann. Si las variaciones de temperatura de la muestra son mucho

menoresque latemperaturaambiente ( ) laeq.3puedeaproximarse realizandounaexpansindeTayloryseobtiene:

4 (13)Eltrminodeconveccin,sedefineporlaleyempricadeenfriamientodeNewton:

(14)dondeesunparmetrocaractersticoquedependedelflujodelfluidocercadelasuperficiedelamuestra,delaspropiedadesdelfluidoydelageometradelamuestra.

Cmara de

vaco

Conexin

termocupla

Lmpara

DiscodeCu

Termocupla Alambressostenedores


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Lavariacindetemperaturadelamuestradebidoalcalorabsorbidoes:

(15)donde eselvolumende lamuestra,el calorespecficoy ladensidadde lamuestra.Derivando(15)respectoaltiempoyusando(11),(13)y(14)seobtiene:

0 (16)

con

4 (17)

La solucin de esta ecuacin diferencial para el calentamiento de lamuestra desde (condicininicial0 0)es:

1exp/ (18)donde

(19)

y el espesor de la muestra. En el tiempo caracterstico se identifican directamente lascontribuciones de conveccin y radiacin, y se pueden definir /8 como eltiempoderelajacindebidoalasprdidasporradiaciny /2eldebidoalasprdidasporconveccin.

La muestra alcanza una temperatura de equilibrio /. Luego, si la iluminacin esinterrumpida,seobtienelasiguienteexpresinparalatemperaturadelcuerpoenfuncindel

tiempo:

exp/ (20)

DESARROLLO

DE

LA

PRCTICA

Vacodemecnica:

1)ColocarlavlvulabypassenposicinRoughing

2)Cerrarlavlvulaplatoparaaislarlabombadifusoradelacmaradevaco

3)Encenderlabombamecnica(llavedecontrolenposicinRotaryPump)

Vacode

difusora:

1)Hacervacodemecnicahastaallegaraunapresinde102 103torr.

2)ColocarlavlvulabypassenlaposicinBacking

3)Abrirlavlvulaplatoparaconectarlabombadifusoraalacmaradevaco

4)Esperaraquesehagavacodemecnica

5)Encenderlabombadifusora(llavedecontrolenposicinR.Pump&Diff.Stak)


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Determinarexperimentalmentelaevolucintemporaldelapresinp(t)delacmaraparalos

siguientescasos:

1)Sebombeadesdeatmosfricaconlabombamecnica

2)Idem,cambiandoelvolumendelcircuito(paraestosedisponedediferentesvlvulas)

3)Sebombeatambincondifusora.

4)Apartirdeunanlisisdep(t) determinesidominanlasfugasoeldesgase,desdediferentes

presionesiniciales.

5)Coloqueunaprdidacontroladaenunadelasbridasymidap(t)paraverificarla

dependenciadep(t) encasoenquedomineunaprdida.

ADVERTENCIA:Noencenderladifusorasinhacervacodemecnicapreviamenteymantener

elvacodemecnicamientrassehacevacodedifusora,omientrasestcalienteelaceitede

lamisma.Elcontactodelaceitecalienteconeloxgenodelairelodegrada.

Apagadoyventeo:

1)Apagarlabombadifusorayesperaraqueseenfre

2)Cerrar

la

vlvula

plato

ycolocar

la

vlvula

bypass

en

posicin

Roughing

3)Apagarlabombamecnica

4)En casodequererabrir la cmaradevaco,ventear lentamenteutilizando lavlvulade

entradadeaire.

Determinacindelacapacidadcalorfica

1)Determineencondicionesdondepuedadespreciaryobtengaelvalordelacapacidadcalorficadelamuestra.

2)Unavezobtenidorealicemedicionesdeparadistintaspresionesyobtenga paracadapresincomo

4 1

PREGUNTASPARAELMINIEXAMENPREVIOALAPRCTICA:

1Describacmofuncionanlasbombasdevacomecnica,difusoraymolecular.Quniveles

devacosealcanzanconcadauna.

2Queseldesgase?Aqusedebe?Cmopuedemitigarse?

3De3ejemplosdeexperimentosdefsicaquerequieranvaco.Expliquequnivelesdevaco

serequierenyporqu.

4

De

3

ejemplos

de

procesos

industriales

que

requieran

vaco.

Explique

qu

niveles

de

vaco

serequierenyporqu.

5ExpliquelaleydeStefanBoltzmann

6Expliquelaleydeconduccindecalor

7Mencioneydescribalosmecanismosdetransferenciadecalor

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