FALLAS POR FATIGAS DEBIDAS A CARGAS VARIABLES

TRABAJO DE INVESTIGACION DEL SEGUNDO PARCIAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

ANGELES HERNNDEZ ALEJANDRO URIETA PEA RODRIGORAMOS BARRERA OSMAR

Introduccin

Cuando en un cuerpo existe una diferencia de temperatura ya sea declive, se presenta una transfera de energa desde la regin de alta temperatura hacia la regin de baja temperatura. Se dice que la energa se ha transferido por conduccin.

La energa trmica en los slidos puede transferirse por conduccin mediante 2 mecanismos por vibraciones de la red y por transporte de electrones libres. En buenos conductores elctricos se mueve un nmero bastante grande de electrones libres en la estructura reticular. As como esos electrones pueden transportar energa elctrica, tambin pueden transportar energa trmica desde una regin de alta temperatura a otra de baja temperatura y por eta razn los buenos conductores elctricos son casi siempre buenos conductores de calor, como el cobre, el aluminio y la plata y los aislantes elctricos son corrientemente buenos aislantes trmicos.

Conveccin en Ambas Caras de una Placa

Se tiene una placa plana de espesor K y conductividad k. La placa est en contacto con fluidos en sus dos caras. En este caso se conocen inicialmente las temperaturas medias de ambos fluidos, pero no las temperaturas de las caras. Fluido 1: T1 Fluido 2: T2 (temperaturas de mezcla) Las caras izquierda y derecha estarn a T 0 1 y T 0 2 Por lo tanto: q = k(T 0 1 T 0 2 ) L (1.20) El calor se expresa tambin segn la condicin de borde de conveccin: q = h1(T1 T 0 1 ) = h2(T 0 2 T2) (1.21) Despejando las tres diferencias de temperatura, y sum andolas, se obtiene: q = T1 T2 l/h1 + L/k + l/h2 (1.22) Esta ecuacin permite calcular las prdidas o ganancias de calor de un recinto a travs de sus paredes, considerando conocidas las temperaturas de los medios interno y externo. Se extiende fcilmente esta ecuacin para placas compuestas con conveccin en sus dos caras.

Placa plana

Considere una placa delgada de cobre sumergida en un bao o temperatura constante igual a (Tf). Suponga que circula una corriente elctrica o travs de la placa, provocando en esta una generacin de calor uniforme ( q) por unidad de tiempo y volumen. El coeficiente de transferencia de calor por conveccin (h) en cada lado de la placa es el mismo, dando por resultado una temperatura (Tw) (temperatura de la pared) en ambos casos Figura 3.1 Pared Plana con generacin de Calor Uniforme Fuente: Elaboracin propia, Alberto Emilio panana Girio ( Para encontrar la distribucin de temperatura en la placa, se debe conocer la Ecuacin Diferencial apropiada. ( Haciendo un balance de energa en la placa de espesor (dx) y rea Transversal (A)

CONVECCIN DEL CALOR

La conveccin es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida, tal como el aire o el agua. Cuando estos se calientan se mueven hacia fuera de la fuente de calor, transportando consigo la energa. La conveccin por encima de una superficie caliente ocurre porque, cuando se calienta el aire en contacto con la superficie, se expande, se hace menos denso, y se eleva (ver la ley de gas ideal). De igual manera, el agua caliente es menos densa que la fra y por tanto se eleva, originando corrientes de conveccin que transportan energa.

La conveccin tambin puede originar la circulacin de un lquido, como en el calentamiento de una olla de agua sobre una llama. El agua caliente se expande y se hace ms ligera. El agua ms fra, cerca de la superficie es ms densa y desciende. Con ambos movimientos se forma un patrn de circulacin, aunque no tan regular como sugiere la ilustracin adjunta.

En el aceite que se calienta en la olla de la izquierda, se ven las clulas de conveccin. El calentamiento del aceite, produce cambios en el ndice de refraccin del mismo, haciendo visible los contornos de las clulas. Se forman patrones de circulacin, y posiblemente las estructuras con forma de pared observadas, son los lmites entre los patrones de circulacin.

Se cree que la conveccin juega un papel principal en el transporte de la energa desde el centro del Sol a la superficie, y en el movimiento del magma caliente por debajo de la superficie terrestre. La superficie visible del Sol (la fotosfera) tiene un aspecto granular, con una dimensin tpica de un grnulo de 1000 kilmetros. La imagen de la derecha es de la pgina web de Fsica Solar de la NASA, y se les atribuye a G. Scharmer y al Telescopio Solar Sueco de vaco. Los grnulos son descritos como clulas de conveccin que transportan el calor desde el interior del Sol a la superficie.

En la transferencia de calor normal en la Tierra, es difcil cuantificar los efectos de la conveccin, ya que depende inherentemente de pequeas faltas de uniformidad, en un medio que por otra parte, se muestra bastante homogneo. En los modelos como el enfriamiento del cuerpo humano, la conduccin juega un papel fundamental.

FLUJOS LAMINAR YTURBULENTO

Las partculas se desplazan siguiendo trayectorias paralelas, formando as en conjunto capas o lminas de ah su nombre, el fluido se mueve sin que haya mezcla significativa de partculas de fluido vecinas. Este flujo se rige por la ley que relaciona la tensin cortante con la velocidad de deformacin angular

La viscosidad del fluido es la magnitud fsica predominante y su accin amortigua cualquier tendencia a ser turbulento.

La razn por la que un flujo puede ser laminar o turbulento tiene que ver con lo que pasa a partir de una pequea alteracin del flujo, una perturbacin de los componentes de velocidad. Dicha alteracin puede aumentar o disminuir. Cuando la perturbacin en un flujo laminar aumenta, cuando el flujo es inestable, este puede cambiar a turbulento y si dicha perturbacin disminuye el flujo continua laminar.

Existen tres parmetros fsicos que describen las condiciones de flujo, estos son:

Escala de longitud del campo de flujo. Si es bastante grande , una perturbacin del flujo podra aumentar y el flujo podra volverse turbulento.

Escala de velocidad. Si es bastante grande podra se turbulento el flujo.

Viscosidad cinemtica. Si es pequea el flujo puede ser turbulento.

Los parmetros se combinan en un parmetro llamado nmero de Reynolds Re = VL/n

V = Velocidad

L = Longitud

n = Viscosidad cinemtica

Un flujo puede ser tambin laminar y turbulento intermitentemente, esto puede ocurrir cuando Re se aproxima a un nmero de Re crtico, por ejemplo e un tubo el Re crtico es 2000, puesto que Re menores que este son todos para flujos laminares.

FLUJO LAMINAR

Se caracteriza porque el movimiento de las partculas del fluido se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas dando la impresin de que se tratara de lminas o capas ms o menos paralelas entre s, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla o intercambio transversal entre ellas.

La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar.Esta ley establece la relacin existente entre el esfuerzo cortante y la rapidez de deformacin angular. La accin de la viscosidad puede amortiguar cualquier tendencia turbulenta que pueda ocurrir en el flujo laminar. En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en flujo turbulento.

FLUJO TURBULENTOEn el flujo turbulento las partculas se mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas. El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son dbiles en relacin con las fuerzas inerciales.La turbulencia segn la definicin de Taylor y von Krmn, puede producirse por el paso del fluido sobre superficies de frontera, o por el flujo de capas de fluido, a diferentes velocidades que se mueven una encima de la otra. Tipos de turbulencia: * Turbulencia de pared: generada por efectos viscosos debida a la existencia de paredes.* Turbulencia libre: producida en la ausencia de pared y generada por el movimiento de capas de fluido a diferentes velocidades.Diferentes teoras han tratado de explicar el origen y la estructura de la turbulencia. Algunas explican que la turbulencia es debida a la formacin de vrtices en la capa lmite, como consecuencia de los disturbios que se generan por discontinuidades bruscas existentes en la pared; mientras que otras teoras atribuyen la turbulencia a la influencia del esfuerzo cortante, cuando se presenta un gradiente de velocidades con discontinuidades bruscas. Sin embargo a pesar de las mltiples investigaciones, los resultados obtenidos sobre el desarrollo de la turbulencia no son totalmente satisfactorios, ya que solo pueden estudiarse experimental y tericamente como un fenmeno estadstico. Nmero de ReynoldsEl rgimen de flujo depende de tres parmetros fsicos que describen las condiciones del flujo. El primer parmetro es una escala de longitud del campo de flujo, como el espesor de una capa lmite o el dimetro de una tubera. Si dicha escala de longitud es lo bastantemente grande, una perturbacin del flujo podra aumentar y el flujo podra volverse turbulento. El segundo parmetro es una escala de velocidad tal como un promedio espacial de la velocidad; si la velocidad es lo bastante grande el flujo podra ser turbulento. El tercer parmetro es la viscosidad cinemtica; si la viscosidad es lo bastante pequea, el flujo puede ser turbulento.Estos tres parmetros se combinan en un solo parmetro conocido como el nmero de Reynolds ( R ) , con el cual se puede predecir el rgimen de flujo, si R > 4000 el flujo ser turbulento.Cuando el flujo entra en rgimen turbulento, se puede presentar el caso de que el conducto sea liso o el caso de que el conducto sea rugoso.Tubos lisos:Se presentan tres subcapas: Subcapa viscosa: el movimiento es primariamente viscoso, aunque no es estrictamente laminar y la velocidad vara linealmente. Esta subcapa es muy difcil de observar bajo condiciones experimentales. Sin embargo su importancia es decisiva para la determinacin de las fuerzas de arrastre. Capa de transicin: el flujo es turbulento, pero la viscosidad todava ejerce su influencia. Zona de turbulencia: se aplica la teora de longitud de mezcla de Prandtl, asumiendo que el flujo turbulento en una tubera est fuertemente influenciado por el fenmeno del flujo cercano a la pared.Factor de friccin para tubos lisos: donde los efectos de viscosidad predominan y el factor de friccin depende nicamente del nmero de Reynolds.Tubos rugosos: Se presentan dos casos, segn que el tamao de la rugosidad sea o no mayor que el espesor de las subcapas viscosas y de transicin.Factor de friccin para tubos rugosos: Si el tamao de la rugosidad es mayor que el espesor de las subcapas viscosa y de transicin: la viscosidad no tendr ningn efecto apreciable sobre el factor de friccin , y este solo depender de la rugosidad relativa. Si el tamao de la rugosidad es menor que el espesor de las subcapas viscosa y de transicin: se presenta el rgimen de transicin entre el movimiento turbulento liso y turbulento rugoso, donde el factor de friccin depende del nmero de Reynolds y de la rugosidad relativa.TURBULENCIA ATMOSFRICA La turbulencia atmosfrica puede considerarse como la fluctuacin al azar sobrepuesta a los valores medios de una magnitud termodinmica medida en la atmsfera, como se puede apreciar en la primera figura.INTERCAMBIADORES DE CALOR.

Unintercambiador de calores un dispositivo diseado para transferircalorentre dos medios, que estn separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos decalefaccin,refrigeracin,acondicionamiento de aire, produccin deenergay procesamientoqumico.

Un intercambiador tpico es elradiador del motorde unautomvil, en el que el fluidocaloportador, calentado por la accin del motor, se enfra por la corriente de aire que fluye sobre l y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

CLASIFICACION.

Los intercambiadores de calor pueden clasificarse segn como sea:

Intercambiadores de contacto directo:son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla fsica completa.

Intercambiadores de contacto indirecto:1. Alternativos:ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable.

2. De superficie:son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a travs de una superficie, cilndrica o plana, sin permitir el contacto directo.

Existen dos tipos de intercambiadores decontacto indirecto los cambiadores de flujo paralelo (intercambio lquido - lquido)

los cambiadores de flujo cruzado (intercambio lquido - gas)

Clasificacin de los intercambiadores de calor de superficieLos intercambiadores de flujos paralelos, se utilizan generalmente para el intercambio trmico lquido-lquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio lquido-gas.

Intercambiadores de calor tubularesEl cambiador indirecto ms simple es el cambiador de tubos concntricos; consta de dostuberasconcntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubera interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente).

http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/intercanviadors_calor.html http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf http://www.cecatherm.com/calefaccion-radiante/radiacion-conveccion-conduccion http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/heatra.html

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