Robustecimiento y Calibración de la Máquina de Acondicionamiento de Aire Mediante Intercambio de Calor Tierra Aire

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(1)ROBUSTECIMIENTO Y CALIBRACIÓN DE LA MÁQUINA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE MEDIANTE INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA-AIRE. OMAR EDUARDO ARIAS OLAVE ANDRES CAMILO GONZALEZ AYA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2016 1.

(2) ROBUSTECIMIENTO Y CALIBRACIÓN DE LA MÁQUINA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE MEDIANTE INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA-AIRE. OMAR EDUARDO ARIAS OLAVE ANDRES CAMILO GONZALEZ AYA. MONOGRAFÍA. M SC. CAMILO ANDRÉS ARIAS HENAO Director. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2016 2.

(3) TABLA DE CONTENIDO. LISTADO DE TABLAS. 5. LISTADO DE FIGURAS. 6. LISTADO DE GRAFICAS. 8. LISTADO DE ABREVIACIONES. 9. 1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA. 10. 2. ESTADO DEL ARTE. 10. 3. JUSTIFICACIÓN. 13. 4. OBJETIVOS. 13. 4.1. OBJETIVO GENERAL. 13. 4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 13. 5. MARCO TEÓRICO. 14. 6. METODOLOGÍA. 15. 6.1. Fase de investigación y documentación. 16. 6.2. Fase de diseño. 19. 6.3. Fase de fabricación. 23. 6.4. Fase de instalación. 25. 6.5. Fase de pruebas y estudios. 30. 7. MANUAL PARA EL DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR TIERRA-AIRE 31 7.1 Objetivo general. 31. 7.2 Objetivos específicos. 31. 7.3 Procedimiento. 32. 8. CAPTURA DE DATOS. 33. 9. COMPARACIÓN CON EL MODELO TEÓRICO. 44. 10. CALIBRACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN. 47. 11. ANALISIS DEL ENTORNO SOCIAL DEL INTERCAMBIADOR. 51. 3.

(4) 12. CRONOGRAMA. 52. 13. CONCLUSIONES. 54. 14. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN. 56. 15. BIBLIOGRAFÍA. 57. 4.

(5) LISTADO DE TABLAS Página Tabla 1. Propiedades aire atmosférico.. 33. Tabla 2. Propiedades Aire atmosférico calentado.. 34. Tabla 3. Propiedades Aire atmosférico enfriado.. 35. Tabla 4. Propiedades aire en la salida (laboratorio de software).. 36. Tabla 5. Propiedades aire en la salida (tubería de 4 pulgadas).. 37. Tabla 6. Resultados de nuevas pruebas.. 39. Tabla 7. Temperatura ambiente, Temperatura a la entrada y Temperatura a la salida a diferentes horas del día.. 40. Tabla 8 Temperatura Media a la entrada y a la salida.. 42. Tabla 9. Propiedades del aire. 44. Tabla 10. Temperatura Patrón, Temperatura Datalogger 1, Temperatura Datalogger 2. 48 Tabla 11. Cronograma de actividades.. 52. Tabla 12. Costos de materiales.. 56. Tabla 13. Costos de procesos de mecanizado.. 56. 5.

(6) LISTADO DE FIGURAS. Fig. 1 Daño en la conexión entre la turbina y el tubo que va al laboratorio de motores (Bloque 4 - Primer piso).. 17. Fig. 2 Deterioro del recubrimiento aislante de la tubería que transporta el aire enfriado en el subsuelo hasta la sala de software.. 18. Fig. 3 Daño en la tubería de 2 pulgadas.. 18. Fig. 4 Desconexión tubo de cableado eléctrico.. 19. Fig. 5 Desconexión de los tubos de flujo de aire de diversos diámetros.. 19. Fig. 6 Diseño del acople.. 20. Fig. 6.1 Plano del cono del acople.. 21. Fig. 6.2 Plano de la base del acople.. 22. Fig. 6.3 Plano del acople.. 23. Fig. 7 Base y cono del acople separados.. 24. Fig. 8 Base y cono del acople soldados.. 25. Fig. 9 Entrada de la turbina.. 26. Fig. 10 Instalación del acople.. 26. Fig. 10.1 Instalación del acople y tubería.. 27. Fig. 11.1 Conexión entre tubería del laboratorio de motores y la turbina ANTES.. 27. Fig. 11.2 Conexión entre tubería del laboratorio de motores y la turbina DESPUÉS.. 28. Fig. 12 Reemplazo del aislante térmico.. 29. Fig. 12.1 Reconexión tubería de cableado eléctrico (1).. 29. Fig. 12.2 Reconexión tubería de cableado eléctrico (2).. 30. Fig. 13.1 Medición de Temperatura de ebullición. 39. Fig. 13.2 Medición de Temperatura de congelación. 39. 6.

(7) Fig. 14 Unidad de Calibración y Medición de Temperatura.. 47. Fig. 15 Diagrama de Gannt con las fechas de actividades.. 49. 7.

(8) LISTADO DE GRÁFICAS. Gráfica 1. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Atmosférico 34 Gráfica 2. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Calentado.. 35. Gráfica 3. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Atmosférico 36 Gráfica 4. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío en la salida (laboratorio de software). 37 Gráfica 5. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío en la salida (tubería de 4 pulgadas). 38 Gráfica 6. Variación de la temperatura a la entrada, salida y ambiente a diferentes horas del día. 43 Grafica 7. Temperatura Patrón vs Temperatura de los Dataloggers. 8. 51.

(9) LISTADO DE ABREVIACIONES. Re. Número de Reynolds. V. Viscosidad Cinemática. D. Diámetro. P. Presión. Pr. Número de Prandtl. K. Conductividad Térmica. h. Coeficiente de transferencia de calor. 𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝑒. Flujo másico del aire. 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒. Calor especifico del aire. 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒𝑆𝐴𝐿𝐼𝐷𝐴. Temperatura del aire a la salida del sistema. 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴 Temperatura del aire a la entrada del sistema 𝐴. Área. 𝑄̇ 𝑠𝑒𝑛𝑠. Calor sensible. 𝑞. Calor. 𝑇𝑆𝑈𝐸𝐿𝑂. Temperatura del suelo. 𝑇𝑇𝑈𝐵𝑂. Temperatura del aire dentro del tubo. 9.

(10) 1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA. En la Universidad Distrital se realizó el proyecto del intercambiador de calor tierra aire mediante tubos enterrados, cuya función es aprovechar la tierra para enfriar aire y acondicionar el laboratorio de software ubicado en el segundo piso del bloque 4. Este intercambiador a estado funcionando desde hace unos 9 años, tiempo en el cual ha trabajado de manera constante, por lo tanto, esto ha causado daños en su estructura y en los instrumentos de medición instalados.. Aunque los daños no han sido solo debido al funcionamiento constante del equipo, sino que además las condiciones ambientales y sociales han afectado el óptimo desempeño de la máquina, ya que el variado clima de Bogotá ha afectado tuberías y demás instrumentos, pero uno de los problemas que también han afectado al equipo son las condiciones sociales, la falta de cultura y sentido de pertenencia de algunos estudiantes ha generado constantes daños en todo el sistema del intercambiador, actos de vandalismo han deteriorado la condición del equipo. Todos estos daños han afectado el óptimo funcionamiento del equipo y se ha generado una incertidumbre acerca del funcionamiento del equipo, por lo tanto se quiere averiguar en qué condiciones está operando la máquina.. Debido al daño de los instrumentos y a las condiciones ambientales en las que se encuentra el equipo, se hace necesario una evaluación del comportamiento de la máquina de acondicionamiento de aire mediante intercambio de calor Tierra –Aire en función de los sensores actualmente instalados, adicionalmente robustecer el sistema para las condiciones que afronta.. 2. ESTADO DEL ARTE En el año 2006, los estudiantes Jairo Salinas y Jorge Ramírez llevaron a cabo un proyecto llamado Caracterización de propiedades termodinámicas y de transporte térmico del subsuelo [2], enfocado a la investigación de las propiedades termodinámicas y de transporte térmico del subsuelo, esto con el fin de determinar la viabilidad de un sistema de acondicionamiento geotérmico de aire por intercambio energético con el subsuelo, de este proyecto se propuso estudiar las propiedades térmicas del subsuelo de la Universidad Distrital, además de analizar el potencial energético del subsuelo de la universidad, desarrollar un dispositivo de medición de la conductividad térmica y finalmente obtener conclusiones sobre la viabilidad para el desarrollo de un sistema de acondicionamiento geotérmico. 10.

(11) En el año 2009, La tesis " Evaluación de la influencia de las variables longitud y diámetro en un sistema experimental de intercambio de calor tierra-aire de acondicionamiento de aire a una profundidad de dos metros" [2], de los estudiantes Julián Leonardo Jiménez Salamanca y Jairo Salinas Silva de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica proyecto curricular de Tecnología e Ingeniería Mecánica que fue consecutivo al anterior que son a fin de construir e instalar un sistema de acondicionamiento de aire que aproveche la potencialidad térmica del subsuelo para refrigerar o calentar un salón de clase con picos o decesos de temperatura En los que se avanzó determinando el caudal óptimo, creado una base de datos de temperaturas durante tres meses y seleccionando el sistema más óptimo. En este proyecto se diseñó construyó e instaló el intercambiador de calor de tubos enterrados tierra-aire y se hicieron los siguientes avances. El uso de mecanismos energéticos innovadores aplicados en países como España, Alemania, Islandia, Francia, entre otros. Donde se proponen fuertemente sacar provecho de los elementos bioclimáticos que están a su alcance y del uso de energías alternativas, como la instalación de intercambiadores de calor tierra aire, entre estos se destacan proyectos como el centro administrativo Mérida donde se implementara acondicionamiento de aire para todo el edificio, el proyecto de Investigación Geocool5 que consta de 6 perforaciones de 50 m para el estudio de las bombas de calor comparativas entre aire y agua, el Ambulatorio de Oliva en Valencia, España con 1440 m de tubería en formación slinky, todas enfocadas a la implementación del uso de intercambiadores enterrados en el subsuelo pero con grandes variaciones del posicionamiento de estos intercambiadores debido a las características de sus zonas. Los avances tecnológicos desarrollados a nivel local y nacional son inexistentes, este tipo de sistema de intercambiadores no se trabajan lo cual indica una gran necesidad de investigación del tema para poder llegar a disminuir el uso de energía eléctrica en un proceso de refrigeración o calefacción. No se conocen antecedentes en Colombia de la misma técnica de acondicionamiento de aire por intercambio energético con el subsuelo. En el 2009 se realizó otro proyecto con tubos intercambiadores de calor, enterrados bajo el subsuelo de la universidad, en esta ocasión fue realizado por los estudiantes Jhon Peña y Carlos Guerrero, titulado Diseño de un sistema para el control de aire de entrada a una instalación geotérmica de tubos enterrados tomando aire del medio ambiente e integrando un laboratorio de psicrometría. Este proyecto fue una continuación de la investigación llevada a cabo por el Grupo de Investigación en Energías Alternativas de la Universidad Distrital, GIEAUD. Este proyecto fue precedido por investigaciones en el área de energías alternativas llevadas a cabo en la facultad y el cual consiste en diseñar, construir e instalar un 11.

(12) sistema de acondicionamiento de aire que aprovecha la energía térmica del suelo, esto con el fin de obtener un sistema de refrigeración o calefacción, conduciendo aire desde el exterior hacia un recinto cerrado. Este proyecto integró el sistema de intercambiadores de calor y un psicrómetro, esto con el fin de incorporarlo al sistema de distribución de aire de las aulas de automatización de la universidad. El proyecto de los estudiantes Jhon Peña y Carlos Guerrero consistió en el uso de unos equipos específicos, para poder tomar aire del medio ambiente y distribuirlo, mediante un sistema de tuberías, y así llevarlo a un recinto cerrado, el cual fue el laboratorio de automatización, donde se encuentra el equipo para estudios de psicrometría; con este equipo se hicieron variaciones a la temperatura del fluido transportado por los tubos, en ese caso aire. El equipo diseñado por los estudiantes Peña y Guerrero, consta de una turbina de aire conectada al motor eléctrico, el cual absorbe aire y lo impulsa hacia un elemento distribuidor, por medio de una turbina. La función de la caja distribuidora es el de controlar el aire y, mediante válvulas, distribuir el aire a 3 tuberías de diámetro diferente. El proyecto de Diseño de un sistema para el control de aire de entrada a una instalación geotérmica de tubos enterrados tomando aire del medio ambiente e integrando un laboratorio de psicrometría dio como resultado el diseño de un sistema de control de aire de entrada de la instalación geotérmica de tubos enterrados, no solo eso sino que también lograron adaptarlo la salida del fluido (aire) a la máquina de estudio de psicrometría, para así poder verificar y estudiar las propiedades del fluido transportado por los tubos enterrados. Otro resultado que arrojó este proyecto fue que había fallas en el sistema de redes de los intercambiadores, como por ejemplo la presencia de agua en las redes de tuberías, esto debido a que habían desagües cerca a las tuberías pero debido a la calidad del terreno éste siempre absorbe agua que se encuentre en el ambiente, como por ejemplo agua de lluvia u otros factores del entorno. La solución que se planteó para este problema resultó ser bastante efectiva, y fue la de incorporar una turbina con un motor que puede funcionar de manera constante y con ello se puede suministrar aire y con esto, a medida que el aire pasa seca la red de tuberías desde adentro. También ellos implementaron elementos que regulan el fluido (válvulas de distribución), esto es fundamental para el posterior estudio de diversas propiedades del fluido como el caudal, la variación de velocidad, la temperatura, la humedad relativa, etc. Y finalmente, los estudiantes elaboraron un procedimiento de pruebas que permitan el óptimo estudio de las propiedades del fluido transportado por el sistema de tubos enterrados, haciendo uso de la máquina de estudios de psicrometría, esto siguiendo procedimientos para todo el conjunto, desde el equipo 12.

(13) de psicrometría hasta el sistema de distribución e impulsión, como poner en marcha el sistema, para evitar fallas debidas a fugas de aire, calentamiento del motor, recirculación del fluido, etc.. 3. JUSTIFICACIÓN El proyecto de la máquina de acondicionamiento de aire mediante intercambiador de calor Tierra-Aire ha venido funcionado de manera constante los últimos años, pero se ha visto una descalibración en sus instrumentos de medición, y sobre todo un deterioro en su estructura lo que pudo afectar su rendimiento, es por ello que es de gran importancia robustecer la red de tuberías y equipo de impulsión para que así la máquina pueda seguir operando de manera óptima sin verse afectada por las condiciones ambientales que la rodean. Además se desea realizar una comparación entre el estado actual del intercambiador y el modelo teórico propuesto para este proyecto, con el fin determinar posibles variaciones que estén afectando el funcionamiento del mismo. Uno de los motivos por los cuales se hace necesario la evaluación y posterior reparación del equipo, es que este sistema cumple una función que beneficia a gran parte de la comunidad universitaria de la Facultad Tecnológica, y es nuestro deber como estudiantes el poner en práctica nuestros conocimientos adquiridos en beneficio de la Universidad que nos ha formado como profesionales.. 4. OBJETIVOS. 4.1. OBJETIVO GENERAL: ● Evaluar el comportamiento térmico del sistema de acondicionamiento de aire mediante tubos enterrados instalados en la facultad tecnológica en función de modelo teórico y su comparación con datos prácticos en función de las condiciones ambientales y sociales del sistema.. 4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ● Evaluar las condiciones ambientales y sociales en las que se encuentra la máquina. ● Comprobar el estado de los instrumentos de medición que actualmente se encuentran instalados en el intercambiador de calor. ●. Obtener mediciones del funcionamiento de la máquina. 13.

(14) ● Comparar los resultados previamente obtenidos con los resultados obtenidos de modelos matemáticos. ●. Acondicionar la máquina de acuerdo a las condiciones del entorno.. ●. Desarrollar manuales de procedimiento de pruebas de funcionamiento.. 5. MARCO TEÓRICO. Un intercambiador de calor Tierra – Aire, también conocido como ICTA, es un sistema de tuberías enterradas en el subsuelo a una profundidad que varía dependiendo de la temperatura que se desea alcanzar, usualmente la tubería se encuentra enterrada a una profundidad entre 1 y 4 metros. Esta tubería se ubica en sentido horizontal, con una leve inclinación para facilitar el drenaje de agua que se filtre en el sistema. El sistema consiste en una entrada de aire atmosférico, o aire atmosférico mezclado con aire de un cuarto previamente acondicionado, un ventilador que impulsa el fluido, en este caso aire, a través del sistema de tuberías, y por último una salida a la zona que se quiere acondicionar, mejorando las condiciones de confort térmico de dicho local. Cuando el aire viaja a través del conducto se genera una diferencia térmica entre el subsuelo y el aire, este diferencial es el que se usa para el acondicionamiento, o bien puede dar soporte a un sistema de refrigeración o calentamiento previamente instalado. Un intercambiador de calor de carcasa y tubos es un depósito a presión sin combustión que consiste en dos cámaras de presión independientes (lado carcasa y lado tubos). Por las dos cámaras fluyen dos medios de tal forma que cuando existe una diferencia de temperatura entre ellos, el calor se intercambia sin que los medios se mezclen. Un intercambio de calor efectivo solo se puede producir cuando existe una diferencia de calor suficiente. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, menor será la superficie de transferencia de calor necesaria. La capacidad de transferencia de calor de un intercambiador es el resultado del logaritmo de transferencia media de temperatura, la superficie de transferencia de calor y el coeficiente de transferencia de calor. Se puede extraer calor del subsuelo a una temperatura relativamente baja, mediante una bomba de extracción. La bomba de extracción de este calor aumenta la temperatura que es usada en un sistema de calefacción, se requiere solo 0.25 a 0.3 KWh de electricidad para operar el sistema. Para refrigerar se puede invertir el sistema y el calor proveniente de la refrigeración del edificio se puede inyectar en la tierra para refrigerar con un alto grado de efectividad el espacio.. 14.

(15) El sistema de tierra une a la bomba de calor con el subsuelo y permite la extracción de calor o la introducción de frío a la tierra. Estos sistemas se pueden clasificar como abiertos o cerrados. Sistemas abiertos: Se usa agua subterránea como portador de calor y se lleva directamente a la bomba de calor. Sistemas cerrados: Intercambiadores de calor son ubicados en el subsuelo (ya sea en forma horizontal, vertical u oblicua) y un medio portador de calor circula dentro de los intercambiadores de calor, transportando calor de la tierra a la bomba y viceversa. Existen varios condicionamientos relevantes que afectan el funcionamiento y rendimiento del intercambiador de calor tierra aire. El precalentamiento de temperatura baja y refrigeración de en temperaturas altas pueden tener un desfase diario o estacional dados por la inercia térmica de la tierra, por lo que el estudio de las condiciones ambientales debe considerar un margen amplio de cambios. Los desfases se caracterizan por tener una caída exponencial con la longitud del tubo. Los sistemas suelen funcionar en bucle abierto, donde el sistema de ventilación funciona como un bucle de recarga térmica y de distribución. Optimizar el funcionamiento del sistema mediante el uso de dispositivos y materiales que utilicen apropiadamente la inercia térmica, manteniendo una buena capacidad calorífica capaz de retardar la oscilación térmica. El flujo de aire debe ser homogéneo para que el intercambio de calor entre la tierra y el material se optimo.. 6. METODOLOGÍA. La realización de este proyecto consistió en 5 fases que se explican a continuación. Fase de Investigación y Documentación: Estudiar tesis y proyectos de grado anteriores para comprender los procesos a seguir para el estudio del funcionamiento de la máquina de tubos enterrados, para así mismo tener una idea de que está fallando y cómo poder mejorar. Fase de Diseño: Con los resultados obtenidos en la fase de investigación se procederá a elaborar un diseño para reforzar la estructura de la red de tuberías, de acuerdo a las condiciones del entorno.. 15.

(16) Fase de Fabricación: Posterior a la fase de diseño, se llevará a cabo la fabricación de estructuras destinadas a reforzar, recubrir, y robustecer el sistema de tuberías de la máquina intercambiadora de calor.. Fase de Instalación: Seguido a la fabricación se procederá a instalar la estructura diseñada de tal manera que cumpla con el objetivo principal el cual es robustecer y brindar una mayor protección al sistema de tubos intercambiadores de calor.. Fase de Pruebas y Estudios: Para complementar el proyecto se realizarán estudios de las propiedades del fluido que transporta la red de tuberías de la máquina, para esto se hará uso del equipo de estudios de psicrometría junto con los instrumentos de medición provistos por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Una vez planteadas las fases se explicara en qué consiste cada etapa del proyecto.. 6.1. Fase de investigación y documentación En el estudio del intercambiador nos documentamos con la tesis Potencial de los intercambiadores de calor tierra-aire para acondicionamiento de aire en diferentes zonas climáticas [1] del ingeniero Camilo Arias con el objetivo de entender su funcionamiento y así poder reconocer posibles fallos en su comportamiento además de fallos en la calibración de sus instrumentos. En la etapa inicial del proyecto se requirió un análisis visual y varias pruebas de funcionamiento para evaluar el estado del intercambiador de calor y así determinar su deterioro por el entorno, esto con el fin de trazar un plan de mantenimiento a fin con nuestros objetivos. En la inspección visual se observó el daño que habían sufrido los componentes expuestos del intercambiador como es la tubería que conecta el laboratorio de motores con la entrada del ventilador que impulsa el aire a las tuberías bajo tierra, el recubrimiento térmico (thermolon) que recubre la tubería que lleva el aire enfriado bajo tierra al laboratorio de software del bloque 4 segundo piso, y la caseta que protege la turbina y el interruptor de encendido, esta caseta mostraba señales de vandalismo ya que la puerta al parecer había sido forzada y el techo doblado en algunas partes. Como primera observación se aprecia que la conexión entre la turbina y la tubería que cuatro pulgadas que conecta con el laboratorio de motores fue dañada 16.

(17) totalmente, se encontraba rota, por lo fue necesario reparar esa conexión ya que el aire debe ser tomado del laboratorio de motores. A continuación se presenta una imagen que muestra el estado de esta conexión.. Fig. 1 Daño en la conexión entre la turbina y el tubo que va al laboratorio de motores (Bloque 4 - Primer piso). También se observó un deterioro del recubrimiento aislante térmico (thermolon) de la base de la tubería de cuatro pulgadas que sube a la sala de software especializado, el resto del thermolon estaba en buenas condiciones.. 17.

(18) Fig. 2 Deterioro del recubrimiento aislante de la tubería que transporta el aire enfriado en el subsuelo hasta la sala de software.. Fig. 3 Daño en la tubería de 2 pulgadas.. Otro daño visible fue el de los tubos de que transportan los cables de alimentación y los tubos de flujo de aire de 4, 2 y 1 pulgada, estos estaban desconectados por lo que debieron reconectarse y asegurarse correctamente.. 18.

(19) Fig. 4 Desconexión tubo de cableado eléctrico.. Fig. 5 Desconexión de los tubos de flujo de aire de diversos diámetros.. En la prueba de funcionamiento se encendió la turbina para comprobar que la parte eléctrica y la turbina funcionaran correctamente, efectivamente así fue, el sistema eléctrico no presento fallas y funcionó de manera adecuada.. 6.2. Fase de diseño Con base en las observaciones en la fase de investigación y documentación trazamos un plan de mantenimiento para efectuar las reparaciones necesarias y realizar las correspondientes mediciones del equipo. Pero antes de esto se debió diseñar un acople para adaptar la entrada de la turbina, con un diámetro de 6.5 19.

(20) pulgadas a una tubería comercial de PVC de 4 pulgadas, esto con el fin de optimizar el flujo de aire y reducir las pérdidas en la absorción del aire desde el laboratorio de motores. El acople se diseñó para ser fabricado en acero galvanizado e incluir una base para ser atornillado a la carcasa de la turbina. En la reparación de la tubería se decidió emplear un pegamento Gerfor especial para tubería PVC, con el fin de fijar las tuberías e impedir que se despeguen más adelante. Para finalizar con las reparaciones se desea reemplazar el thermolon ya deteriorado por uno nuevo, el seleccionado es thermolon calibre diez con recubrimiento en aluminio. Así se diseñó el acople. Fig. 6 Diseño del acople.. Aquí se muestran los planos de fabricación. 20.

(21) Fig. 6.1 Plano del cono acople.. 21.

(22) Fig. 6.2 Plano de la base del acople.. 22.

(23) Fig. 6.3 Plano del acople.. 6.3. Fase de fabricación Una vez analizadas las condiciones ambientales en las que se encontraba el intercambiador, se diseñó un acople para adaptar la entrada de la turbina, la cual tiene un diámetro de 6 ½ pulgadas, a una tubería comercial de 4 pulgadas, con una base para ser atornillado a la carcasa de la turbina. El diseño del acople ya terminado quedó así: Posterior al diseño, se seleccionó el material óptimo para la elaboración del acople, el material escogido fue el acero galvanizado, ya que este material presenta propiedades óptimas para la función que va a desempeñar el acople, propiedades como la resistencia a la corrosión, la cual es muy importante porque el acople estará al aire libre, además de que se puede soldar, a bajo voltaje pero es posible soldarse, esto último es muy importante ya que se requiere soldar el cono a la base para así completar el acople, y por último el acero galvanizado es muy económico, por lo cual fue el material que más redujo los costos de fabricación. Luego de comprar los materiales, se realizó el corte del acero galvanizado para obtener la base y el cono, sobre una placa de 280x280 (mm) se dibujó el croquis 23.

(24) para el corte de la base del acople y para la fabricación del cono, el corte se realizó en un taller de oxicorte mientras que el cono fue elaborado en un taller de doblado.. Fig. 7 Base y cono del acople separados.. En el taller de soldadura de la Facultad Tecnológica se soldaron los componentes para elaborar el acople, mediante un banco de soldadura a bajo voltaje (ya que con un voltaje alto la soldadura derrite el acero galvanizado) se aplicaron varios puntos por soldadura con electrodo revestido para unir la base al cono. Como resultado se obtuvo el siguiente acople.. 24.

(25) Fig. 8 Base y cono del acople soldados.. 6.4. Fase de instalación Habiendo fabricado el acople se procedió a instalarlo en la entrada del sistema, la cual es el ventilador que impulsa el aire por las tuberías enterradas. Se removió el techo de la estructura que protege la turbina y se instaló el acople a la entrada del ventilador, también se conectaron los diversos tubos que estaban desconectados, los tubos de 4, 2 y 1 pulgada se acoplaron a sus respectivas entradas. Seguido a esto se encendió la turbina y se puso en funcionamiento el intercambiador para así eliminar residuos y agua aposada en las tuberías enterradas. Con el acople instalado se realizó la conexión entre el ventilador y la tubería enterrada que conecta el laboratorio de motores con la entrada de la turbina; esta conexión es de gran importancia ya que el aire debe ser tomado de este laboratorio ya que entre otras cosas, allí se encuentra la máquina de estudios psicrométricos con la cual se puede realizar el análisis de las propiedades del aire atmosférico que está ingresando al sistema. El resultado del acople ya instalado y la conexión entre la sala de motores y la turbina se muestra detalladamente en las siguientes imágenes.. 25.

(26) Fig. 9 Entrada de la turbina.. Fig. 10 Instalación del acople. 26.

(27) Fig. 10.1 Instalación del acople y tubería.. Fig. 11.1 Conexión entre tubería del laboratorio de motores y la turbina ANTES. 27.

(28) Fig. 11.2 Conexión entre tubería del laboratorio de motores y la turbina DESPUÉS.. Otras labores relacionadas con el mantenimiento del intercambiador fueron la conexión y reparación de tuberías rotas, estas tuberías no solo transportan el fluido sino que también protegen los cables que proveen de energía eléctrica al motor de la turbina, y el reemplazo del aislante térmico que recubre la tubería que envía el aire del subsuelo al laboratorio de software. El aislante anterior se debía reemplazar ya que presentaba un avanzado deterioro. El aislante térmico usado fue el thermolon calibre diez con recubrimiento en aluminio, el cual es óptimo porque actúa como un aislante de alta eficiencia debido a sus propiedades de efectividad del polipropileno metalizado y la cámara que hace la espuma de polietileno, llevándolo a un ambiente confortable. A continuación se detallan las labores de mantenimiento realizadas. 28.

(29) Fig. 12 Reemplazo del aislante térmico.. Fig. 12.1 Reconexión tubería de cableado eléctrico (1).. 29.

(30) Fig. 12.2 Reconexión tubería de cableado eléctrico (2).. 6.5. Fase de pruebas y estudios. Esta parte del proyecto consistió en realizar diversas pruebas y estudios acerca del funcionamiento del intercambiador, estas pruebas se enfocaron en las condiciones a la entrada y salida del sistema termodinámico. Estas pruebas debieron repetirse, ya que en un principio los resultados eran inconsistentes con el modelo teórico, ya que el aire estaba saliendo del sistema con una temperatura mayor a la temperatura con la que estaba entrando, esto quiere decir que el intercambiador no funciona, ya que estaría calentando el aire en lugar de enfriarlo. Después de consultar con el tutor asignado, se nos indicó que se repitieran las pruebas para verificar si en verdad el sistema no estaba funcionado adecuadamente o si los instrumentos de medición no estaban bien calibrados o tal vez las mediciones se estaban realizando de manera errónea. Uno de los objetivos de este proyecto de grado es la elaboración de manuales de procedimiento para pruebas de funcionamiento del intercambiador de calor, a continuación se describe el manual que se desarrolló y con el cual se realizaron las pruebas sobre el equipo.. 30.

(31) 7. MANUAL PARA EL DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR TIERRA-AIRE. 7.1 Objetivo general:. ● Entender el funcionamiento intercambiador de calor.. y. los. principios. termodinámicos. del. 7.2 Objetivos específicos. ● Aprender a utilizar y calibrar correctamente los diversos instrumentos de medición de propiedades del aire ● Identificar la temperatura y humedad relativa del fluido a la entrada y salida del sistema ●. Comprender el funcionamiento del banco de psicrometría. Previo a la realización de la práctica se sugiere repasar conceptos de psicrometría y mecánica de fluidos, y responder las siguientes preguntas:. 1.. ¿Qué es y cómo se calcula el flujo volumétrico?. 2.. ¿Qué propiedades aparecen en la carta psicométrica?. 3.. ¿Qué es la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo?. 4. Defina los siguientes conceptos, humedad relativa, humedad específica, volumen específico. 5. Consultar sobre el funcionamiento de los siguientes instrumentos de medición proporcionados para la práctica: -. Banco para pruebas de psicometría. -. Higrómetro. -. Datalogger. -. Anemómetro 31.

(32) 7.3 Procedimiento.. 1. Solicitar los siguientes instrumentos de medición al laboratorista encargado del laboratorio de motores: Anemómetro y Datalogger 2. Encender el intercambiador de calor, para esto se debe conectar el cable de alimentación a la toma de corriente que se encuentra en el laboratorio de motores, en caso de que no encienda el intercambiador, solicitar la llave del candado al encargado del laboratorio y abrir la caseta de protección del intercambiador para verificar que el fusible de alimentación de energía se encuentre activado. 3. Esperar 10 minutos con el intercambiador encendido para que el sistema fluya y elimine residuos. 4. Con el anemómetro medir la velocidad promedio con la cual el aire está siendo absorbido por la tubería en el laboratorio de motores. 5. Encender el ventilador del banco de estudios psicrométricos, regular con ayuda del anemómetro para igualar la velocidad del aire impulsado por el ventilador con la velocidad con la cual está siendo absorbido el aire por la turbina del intercambiador. 6. Con ayuda de una regla medir las dimensiones del agujero por el cual sale el aire impulsado del ventilador del banco psicrométrico. Conociendo la velocidad del aire y el área por la cual atraviesa el aire, determinar el flujo volumétrico. 7. Calibrar el Datalogger correctamente para no tener errores ni incertidumbre en la toma de datos (si es necesario trazar una curva de error) 8. Configurar el Datalogger con el software especializado para medir temperatura, humedad relativa y punto de rocío durante un tiempo adecuado. 9. Colocar éste en la salida de aire del banco psicrométrico, recopilar los datos en el software y volver a configurarlo para las siguientes mediciones. 8. Con el Datalogger nuevamente configurado repetir el mismo procedimiento de medición en la salida del banco psicrométrico, esta vez con enfriamiento del aire y posteriormente con calentamiento. 9. Repetir la medición con el Datalogger en las salidas del intercambiador, la tubería de 4 pulgadas, 2 pulgadas y en el laboratorio de software. 10. Hallar el área de las salidas del sistema, la tubería de 4 pulgadas, 2 pulgadas y las rejillas de ventilación en la sala de software. 11. Recopilar todos los datos. 32.

(33) 12. Comparar la temperatura con la que entra el aire al sistema y la temperatura con la que sale del sistema en las diferentes salidas.. Basado en este manual se realizaron las diferentes pruebas del estado del equipo, a continuación se muestran los resultados obtenidos.. 8. CAPTURA DE DATOS. ENTRADA DEL SISTEMA (Tubería de 4 pulgadas en el laboratorio de motores) La velocidad a la que está siendo succionado el aire por la turbina y a través de la tubería es de 11.2 m/s. Ya que el aire que está entrando al sistema es aire atmosférico, se le hizo un análisis psicrométrico al aire del laboratorio de motores a temperatura ambiente, además de calentarlo y enfriarlo para simular un clima diferente y así analizar las propiedades del aire en diferentes condiciones. TEMPERATURA HUMEDAD RELATIVA PUNTO DE ROCÍO. 20.2 °C 58.7 % 11.8 °C. Tabla 1. Propiedades aire atmosférico. 33.

(34) Gráfica 1. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Atmosférico. ANÁLISIS DE AIRE ATMOSFÉRICO CALENTADO. TEMPERATURA HUMEDAD RELATIVA PUNTO DE ROCÍO. 23.0 °C 51.0 % 12.3 °C. Tabla 2. Propiedades Aire atmosférico calentado.. 34.

(35) Gráfica 2. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Calentado.. ANÁLISIS DE AIRE ATMOSFÉRICO ENFRIADO TEMPERATURA HUMEDAD RELATIVA PUNTO DE ROCÍO. 21.5 °C 54.1 % 11.8 °C. Tabla 3. Propiedades Aire atmosférico enfriado.. 35.

(36) Gráfica 3. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Atmosférico. Seguido a los análisis del aire a la entrada se realizaron los análisis del aire en dos de las salidas del sistema, la tubería de 4 pulgadas y la salida en el laboratorio de software, con los siguientes resultados.. SALIDA (SALA DE SOFTWARE). TEMPERATURA HUMEDAD RELATIVA PUNTO DE ROCÍO VELOCIDAD DEL VIENTO. 23.4 °C 64.9 % 16.4 °C 4.66m/s. Tabla 4. Propiedades aire en la salida (laboratorio de software).. 36.

(37) Gráfica 4. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío en la salida (laboratorio de software).. SALIDA (TUBERIA 4 PULGADAS) TEMPERATURA HUMEDAD RELATIVA PUNTO DE ROCÍO VELOCIDAD DEL VIENTO. 21.9 °C 62.4 % 14.3 °C 10.01m/s. Tabla 5. Propiedades aire en la salida (tubería de 4 pulgadas).. 37.

(38) Gráfica 5. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío en la salida (tubería de 4 pulgadas).. Los resultados obtenidos mediante el uso de data loggers aparentan ser erróneos, ya que esto implicaría que el sistema no está enfriando el aire sino calentando, se plantearon varias opciones, una posible opción era que las medidas se estaban realizando erróneamente, otra que los dataloggers no estuvieran calibrados y por último que el sistema estuviera fallando y no enfriara el aire. Con ayuda de un termómetro digital se decidió repetir las pruebas obteniendo resultados más adecuados, por lo cual se concluyó que los dataloggers no estaban calibrados o que las mediciones fueron hechas de manera errónea. Antes se realizar las pruebas, se tuvo que comprobar que los termómetros digitales estuvieran calibrados, para esto se sumergieron en agua congelada para comprobar que el termómetro indicara una temperatura de 0 °C, efectivamente esto ocurrió. Seguido a esto, se midió la temperatura de un recipiente con agua en ebullición para identificar que el termómetro registrara la medición de temperatura de ebullición adecuada para la presión atmosférica que se presenta en Bogotá. Según el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM), la presión atmosférica sobre la ciudad de Bogotá es de 560 mm Hg, lo que equivale a 74,6605 KPa, según Dugan [4] pagina 904, mediante interpolación, la presión de saturación para una presión de 74,6605 KPa es de 91.64 °C, mientras 38.

(39) que con los termómetros digitales obtuvimos una temperatura de saturación de 91.1 °C, bastante aproximado al modelo teórico, por lo tanto concluimos que los dispositivos estaban debidamente calibrados y las mediciones obtenidas serian completamente confiables.. Fig. 13.1 Medición de Temperatura de ebullición. Fig. 13.2 Medición de Temperatura de congelación. Con plena certeza de la precisión de los dispositivos de medición, se realizó una toma de datos en un día soleado durante la máxima temperatura del día y se obtuvieron estos resultados.. TEMPERATURA AMBIENTE TEMPERATURA ENTRADA TEMPERATURA SALIDA. 24.0 °C 22.5 °C 19.5 °C. Tabla 6. Resultados de nuevas pruebas.. 39.

(40) En base a estos resultados se decidió analizar la temperatura de la entrada y salida del sistema, además de la temperatura ambiente, a lo largo de un día completo, para así analizar el comportamiento del sistema a diferentes horas del día. La toma de datos realizo desde las 6:30 a.m. hasta las 7:30 pm en un intervalo de 10 minutos, a continuación se presentan los resultados obtenidos. Hora 6:30 6:35 6:45 6:55 7:00 7:10 7:20 7:30 7:40 7:50 8:00 8:10 8:20 8:30 8:40 8:50 9:00 9:10 9:20 9:30 9:40 9:50 10:00 10:10 10:20 10:30 10:40 10:50 11 11:10 11:20 11:30 11:40 11:50. Temperatura Ambiente (°C) 12,5 12,2 12,5 12,6 13 13,3 13,4 13,7 13,9 14,4 15 15,1 15,9 15,9 16 16,6 16,6 17,2 17 17,2 17,8 18,5 18,9 20 20,2 20,5 20,3 20 20 20,3 21,5 22,4 21,3 22,2. Temperatura Entrada (°C) 19,6 19,3 19,3 19,4 19,5 19,6 19,7 19,7 19,8 19,9 20,1 20,3 21 22 22,7 23 23,2 23,1 22,5 22,1 22 22,1 22 22 22,2 22,3 22,3 22,2 22,1 22,1 22,2 22,6 22,7 22,9 40. de Temperatura Salida (°C) 19,5 19,2 19,4 19,4 19,4 19,3 19,3 19,4 19,9 19,1 19,4 19,3 19,4 19,4 19,5 19,5 19,7 19,6 19,7 19,6 19,6 19,5 19,5 19,5 19,6 19,7 19,6 19,6 19,7 19,6 19,7 19,8 19,7 19,7. de.

(41) 12 12:10 12:20 12:30 12:40 12:50 13:00 13:10 13:20 13:30 13:40 13:50 14:00 14:10 14:20 14:30 14:40 14:50 15:00 15:10 15:20 15:30 15:40 15:50 16:00 16:10 16:20 16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30 18:40. 22,2 22,3 22,3 22,5 22,8 22,9 23,1 23,4 24 22,9 22,6 22,3 22,1 21,8 21,5 21,2 20 21,7 20,6 19,1 19 18,3 19,2 19 18,5 18,3 18,6 18,7 18,6 18,5 18,4 18,4 17,8 17,5 16,9 16,5 16,5 16 15,7 15,8 15,6. 22,9 22,9 23,1 23,2 23,4 23,6 23,9 24 24,3 24,1 24,1 23,9 24 23,9 23,9 23,8 23,5 23,6 23,8 23,1 23,2 22,9 22,8 22,8 22,7 22,8 22,7 22,7 22,6 22,6 22,5 22,6 22,5 22,6 22,1 21,7 21,7 21,4 21,3 21,5 21,2. 19,7 19,7 19,6 19,7 19,8 19,8 19,7 19,7 19,6 19,8 19,8 19,8 19,9 19,9 20 20,1 20 20,1 20,2 20,3 20,3 20,3 20,2 20,1 20,2 20,2 20,2 20,2 20,2 20,3 20,3 20,2 20,3 20,2 20,2 20 20 19,9 20,1 20 20,1 41.

(42) 18:50 15,5 21 19:00 15,4 20,8 19:10 15,4 20,7 19:20 15,2 20,5 19:30 14,8 20,2 Tabla 7. Temperatura ambiente, Temperatura a la entrada y diferentes horas del día.. TEMPERATURA ENTRADA TEMPERATURA SALIDA. MEDIA. A. LA 22.1575 °C. MEDIA. A. LA 19.80375 °C. Tabla 8. Temperatura Media a la entrada y a la salida.. 42. 20 20 19,9 20 19,9 Temperatura a la salida a.

(43) Gráfica 6. Variación de la temperatura a la entrada, salida y ambiente a diferentes horas del día. 43.

(44) 9. COMPARACIÓN CON EL MODELO TEÓRICO El modelo teórico a utilizar para la comparación de los datos hallados en la práctica con los teóricos, es el explicado por Arias [3], aquí el autor explica un modelo simplificado. El autor explica los factores que se omiten en el modelo simplificado y el porqué. No se tienen en cuenta el efecto del calor latente ya que en simulaciones su valor es inferior al 10% comparado con el calor sensible, por lo cual el calor latente puede ser descartado, sin embargo el autor explica que podría tener repercusiones relevantes en climas húmedos y cálidos Se asume una temperatura del suelo constante, para así descartar diferenciales térmicos, así que se modela con el coeficiente de transferencia de calor convectivo “h”, este factor puede cambiar a velocidades muy altas o bajas por que es importante representar un flujo desarrollado. Por último la temperatura del suelo es igual a la temperatura de la superficie del tubo, las tuberías son de PVC un material con una mejor conductividad térmica que el terreno, y como su espesor es muy pequeño la resistencia térmica es despreciable, por lo tanto, se asume que: 𝑇𝑆𝑈𝐸𝐿𝑂 = 𝑇𝑇𝑈𝐵𝑂. Para los cálculos se requieren de unas propiedades del aire, en la siguiente tabla se recopilan las propiedades. VELOCIDAD 10.5m/s PROMEDIO (𝑽) 0.1016m (4in) DIÁMETRO (𝑫) VISCOCIDAD 1.516*10-5 m2/s CINEMÁTICA (𝒗) CONDUCTIVIDAD 0.02 W/m*K TERMICA DEL AIRE (K) NÚMERO DE 0.7309 PRANDTL (Pr) [5] DENSIDAD DEL 1.204 kg/m3 AIRE A 20 °C (ρ) TEMPERATURA 20 °C = 293.15 °K MEDIA DEL AIRE CALOR 1007 J/kg*K ESPECIFICO DEL AIRE [5] Tabla 9. Propiedades del aire 44.

(45) El primer paso es hallar el Número de Reynolds: 𝑅𝑒 = (𝑉 ∗ 𝐷)/𝑣 𝑅𝑒 =. (10.5 𝑚/𝑠 ∗ 0.1016𝑚) 1.516 ∗ 10−5 𝑚2 /𝑠. 𝑅𝑒 = 70369.3931 Seguido a esto Arias [3] da unas ecuaciones para determinar el coeficiente de transferencia de calor medio h para las dos condiciones que se presentan en el sistema, calefacción y refrigeración. Cuando ocurre que la temperatura del suelo es menor que la temperatura del aire se dice que el sistema está refrigerando, y se usa la ecuación: ℎ=. 𝐾 ∗ 0.0041 ∗ 𝑅𝑒 0.8 ∗ 𝑃𝑟 0.3 𝐷. Reemplazando: ℎ=. 0.02 𝑊/𝑚 ∗ 𝐾 ∗ 0.0041 ∗ 70369.39310.8 ∗ 0.73090.3 0.1016𝑚 ℎ = 5.5461. 𝑊 ∗𝐾. 𝑚2. Para la condición que se presenta a tempranas horas del día y en horas de la noche donde la temperatura del aire es menor a la temperatura del suelo se plantea la siguiente ecuación: ℎ=. 𝐾 ∗ 0.0041 ∗ 𝑅𝑒 0.8 ∗ 𝑃𝑟 0.4 𝐷. Reemplazando: ℎ=. 0.02 𝑊/𝑚 ∗ 𝐾 ∗ 0.0041 ∗ 70369.39310.8 ∗ 0.73090.4 0.1016𝑚 ℎ = 5.3749. 𝑊 ∗𝐾. 𝑚2. Determinamos el área de la sección transversal de la tubería de 4 pulgadas o 0.1016 m. 𝜋 ∗ (0.1016𝑚)2 𝐴= 4 𝐴 = 8.10732 ∗ 10−3 𝑚2 45.

(46) Con los coeficientes convectivos de transferencia de calor para refrigeración y calentamiento se puede determinar la cantidad de energía en forma de calor que es extraída o añadida durante el proceso. La temperatura del suelo a 2m de profundidad es aproximadamente 15 °C [3], así: Para refrigeración: 𝑞 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 − 𝑇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 ) 𝑞 = 5.5461. 𝑊 ∗ 8.10732 ∗ 10−3 𝑚2 ∗ (293.15 − 288.15)°𝐾 2 𝑚 ∗𝐾 𝑞 = 0.2248 𝑊. Para calentamiento: 𝑞 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 − 𝑇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 ) 𝑞 = 5.3749. 𝑊 ∗ 8.10732 ∗ 10−3 𝑚2 ∗ (293.15 − 288.15)°𝐾 𝑚2 ∗ 𝐾 𝑞 = 0.2179 𝑊. Podemos determinar el calor sensible y concluir sobre éste, para ello necesitamos la temperatura media a la entrada y salida del sistema, las cuales son: 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎. = 19.80375 °C =. 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 22.1575 °C Para determinar el calor sensible usamos la ecuación: 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 =. 𝑄̇ 𝑠𝑒𝑛𝑠 𝑚̇ 𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒. + 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎. El flujo másico lo hallamos: 𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝜌 ∗ 𝑉 ∗ 𝐴 𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 1.204. 𝑘𝑔 10.5𝑚 ∗ ∗ 8.1073 ∗ 10−3 𝑚2 𝑚3 𝑠. 𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 0.1025 𝑘𝑔/𝑠. De aquí despejamos el calor sensible, así: 46.

(47) 𝑄̇ 𝑠𝑒𝑛𝑠 = (𝑚̇ 𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 ) ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ) 𝑄̇ 𝑠𝑒𝑛𝑠 = (0.1025 𝑘𝑔/𝑠 ∗ 1007. 𝐽 ) ∗ (292.95375 − 295.3075)𝐾 𝑘𝑔 ∗ 𝐾. 𝑄̇ 𝑠𝑒𝑛𝑠 = −0.2429482 𝑊. En el proceso de refrigeración se extrae energía del aire, está perdida es de 0.2429482 W para las condiciones ambientales del intercambiador. 10. CALIBRACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN (DATALOGGERS) La falta de calibración de los dataloggers se hizo evidente al analizar los resultados de las pruebas iniciales. Por esto se decidió que se tenían que calibrar los dataloggers que se encuentran en el laboratorio. En un principio se intentó calibrar los dispositivos mediante un software de calibración de dataloggers pero las incompatibilidades en versiones de software hicieron imposible este procedimiento. Por ello se optó por crear una curva de calibración, esto consiste en medir la temperatura con los dataloggers y a la vez con un termómetro patrón, éste es la Unidad de Calibración y Medición de Temperatura. La temperatura que se midió fue un proceso de enfriamiento, simulado mediante la máquina de análisis psicrométricos.. Fig. 14 Unidad de Calibración y Medición de Temperatura.. El procedimiento que se realizo fue: 1. Configurar los dataloggers, mediante el software RHT10, para que registre un total de 100 datos cada 5 segundos. Nota: Se pueden configurar los dataloggers para que registren más datos, pero esto tomara más tiempo, y como se observa en los resultados, la diferencia entre el termómetro patrón y los dataloggers es casi lineal, por lo que no es necesario más de 100 cada 5 segundos, el equivalente a 8 minutos y 15 segundos de medición.. 47.

(48) 2. Se conectan los cables en las terminales respectivas de la unidad de calibración y se ponen los dataloggers junto con la termocupla de la unidad de calibración dentro de la máquina de análisis psicrométricos. 3. Se enciende la máquina de psicrometría. 4. Se activan los dataloggers. 5. Después de haber transcurrido 8 minutos y 30 segundos, se retiran los dataloggers, mediante el software se extraen los datos y se tabulan. A continuación se presentan los datos obtenidos. HORA 1:31:31 1:31:36 1:31:41 1:31:46 1:31:51 1:31:56 1:32:01 1:32:06 1:32:11 1:32:16 1:32:21 1:32:26 1:32:31 1:32:36 1:32:41 1:32:46 1:32:51 1:32:56 1:33:01 1:33:06 1:33:11 1:33:16 1:33:21 1:33:26 1:33:31 1:33:36 1:33:41 1:33:46 1:33:51. TEMPERATURA (PATRON) 21,9 22,1 22,2 22,2 22,3 22,2 22,2 22,1 22,1 22 22 21,9 21,9 21,9 21,9 21,9 21,9 21,8 21,8 21,8 21,8 21,8 21,7 21,7 21,7 21,7 21,6 21,6 21,6. Datalogger 11065926 (1) 25,3 25,3 25,3 25,3 25,3 25,2 25,2 25,1 25 25 24,9 24,8 24,7 24,6 24,5 24,5 24,4 24,3 24,2 24,2 24,1 24 23,9 23,8 23,8 23,7 23,7 23,6 23,5 48. Datalogger (2) 11066195 26,2 26,2 26,1 26,1 26 25,9 25,8 25,7 25,6 25,5 25,4 25,3 25,2 25,1 25 24,9 24,9 24,8 24,7 24,6 24,5 24,5 24,4 24,3 24,2 24,2 24,1 24 24.

(49) 1:33:56 1:34:01 1:34:06 1:34:11 1:34:16 1:34:21 1:34:26 1:34:31 1:34:36 1:34:41 1:34:46 1:34:51 1:34:56 1:35:01 1:35:06 1:35:11 1:35:16 1:35:21 1:35:26 1:35:31 1:35:36 1:35:41 1:35:46 1:35:51 1:35:56 1:36:01 1:36:06 1:36:11 1:36:16 1:36:21 1:36:26 1:36:31 1:36:36 1:36:41 1:36:46 1:36:51 1:36:56 1:37:01 1:37:06 1:37:11 1:37:16. 21,6 21,6 21,5 21,5 21,5 21,5 21,4 21,3 21,3 21,3 21,3 21,3 21,3 21,2 21,2 21,2 21,1 21 21 20,9 20,8 20,8 20,7 20,6 20,6 20,6 20,5 20,3 20,2 20,1 20 20 19,9 19,8 19,7 19,6 19,5 19,4 19,4 19,3 19,2. 23,5 23,4 23,4 23,3 23,3 23,2 23,2 23,1 23,1 23 22,9 22,9 22,9 22,8 22,8 22,7 22,7 22,6 22,6 22,6 22,5 22,5 22,5 22,4 22,4 22,3 22,3 22,3 22,3 22,2 22,2 22,1 22,1 22 22 22 21,9 21,9 21,8 21,8 21,8. 23,9 23,9 23,8 23,8 23,7 23,7 23,6 23,6 23,5 23,5 23,4 23,3 23,3 23,2 23,2 23,1 23,1 23 23 22,9 22,9 22,8 22,8 22,7 22,7 22,6 22,6 22,6 22,5 22,5 22,4 22,3 22,3 22,3 22,2 22,2 22,1 22,1 22 22 22 49.

(50) 1:37:21 1:37:26 1:37:31 1:37:36 1:37:41 1:37:46 1:37:51 1:37:56 1:38:01 1:38:06 1:38:11 1:38:16 1:38:21 1:38:26 1:38:31 1:38:36 1:38:41 1:38:46 1:38:51 1:38:56 1:39:01 1:39:06 1:39:11 1:38:16 1:38:21 1:38:26 1:38:31 1:38:36 1:38:41 1:38:46 promedio. 19,1 19,1 19 19 18,9 18,9 18,8 18,7 18,7 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,5 18,6 18,6 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 20,44. 21,7 21,7 21,6 21,6 21,6 21,5 21,5 21,5 21,5 21,4 21,4 21,3 21,3 21,3 21,3 21,2 21,2 21,2 21,2 21,1 21,1 21,1 21,1 21 21 21 21 21 20,9 20,9 22,747. 21,9 21,9 21,8 21,8 21,8 21,7 21,7 21,6 21,6 21,5 21,5 21,5 21,4 21,4 21,4 21,3 21,3 21,3 21,2 21,2 21,2 21,2 21,1 21,1 21,1 21 21 21 21 20,9 23,077. Tabla 10. Temperatura Patrón, Temperatura Datalogger 1, Temperatura Datalogger 2.. 50.

(51) Temperatura Patrón vs Temperatura Dataloggers 30. Temperatura (C). 25 20. 15 10 5. 1:31:31 1:31:46 1:32:01 1:32:16 1:32:31 1:32:46 1:33:01 1:33:16 1:33:31 1:33:46 1:34:01 1:34:16 1:34:31 1:34:46 1:35:01 1:35:16 1:35:31 1:35:46 1:36:01 1:36:16 1:36:31 1:36:46 1:37:01 1:37:16 1:37:31 1:37:46 1:38:01 1:38:16 1:38:31 1:38:46 1:39:01 1:38:16 1:38:31 1:38:46. 0. Hora TEMPERATURA (PATRON). Datalogger 11065926 (1). Datalogger (2) 11066195. Grafica 7. Temperatura Patrón vs Temperatura de los Dataloggers. 11. ANALISIS DEL ENTORNO SOCIAL DEL INTERCAMBIADOR Todos los análisis que se han realizado y expuesto tratan acerca del aspecto práctico y funcional del intercambiador, además de su modelo matemático y recopilación de datos de operación, ahora se presenta un análisis de las condiciones sociales que rodean al sistema. El intercambiador se encuentra en la parte de atrás del Bloque 4, donde se reúnen estudiantes y personas ajenas a la institución a consumir sustancias psicoactivas, estas personas generan una sensación de inseguridad y son las que han causado la mayor parte de los daños que presenta la máquina, parte de este proyecto es el de recuperar y realizar un mantenimiento correctivo al equipo, pero estas labores de mantenimiento serán en vano si no se toman medidas serias para que las personas que cometen actos ilícitos como el consumo y venta de estupefacientes dentro de la Facultad sean retiradas de las instalaciones, se ha pasado una petición al Consejo Curricular para que tome medidas que permitan estudiar en un ambiente sano, libre de consumo de sustancias ilegales, ya que esto permitirá que el intercambiador, y otros proyectos que se encuentran en la Facultad, puedan desempeñar su labor sin sufrir vandalismo, y así futuros estudiantes se verán beneficiados con este proyecto, podrán estudiar en un ambiente de confort térmico y más importante aún, estudiar en un ambiente sano y seguro. 51.

(52) 12. CRONOGRAMA Las duración de las diversas actividades relacionadas con el proyecto de grado abarcan desde inicios de abril hasta finales de diciembre del año 2015 y principio de enero del 2016, a continuación se presenta un listado de las actividades llevadas a cabo con su respectiva duración.. ACTIVIDAD. FECHA DE DURACIÓN INICIO (DÍAS). Estudio del entorno Análisis del estado del intercambiador Diseño del acople Cotización de los materiales Compra de materiales Fabricación del acople Reemplazo y reparación de tuberías averiadas Cambio del aislante térmico Instalación del acople Puesta en funcionamiento del intercambiador Pruebas y estudios sobre el intercambiador Análisis de los resultados Elaboración de manuales para pruebas de funcionamiento Elaboración del documento final Repetición de Pruebas y estudios. 07/04/2015 21/04/2015 12/05/2015 09/07/2015 09/07/2015 18/08/2015 14/09/2015. 7 15 4 1 4 20 4. FECHA DE TERMINAC IÓN 14/04/2015 06/05/2015 16/05/2015 10/07/2015 13/07/2015 07/09/2015 18/09/2015. 14/09/2015 22/09/2015 23/09/2015. 1 1 1. 15/09/2015 23/09/2015 24/09/2015. 13/10/2015. 40. 22/11/2015. 23/11/2015 26/11/2015. 7 10. 30/11/2015 06/12/2015. 12/12/2015 18/01/2016. 35 15. 16/01/2016 02/02/2016. Tabla 11. Cronograma de actividades.. 52.

(53) Fig. 15 Diagrama de Gannt con las fechas de actividades. 53.

(54) 13. CONCLUSIONES. . La temperatura de entrada al sistema es más alta que la temperatura ambiental en horas de la mañana y de la noche debido a que el aire se extrae directamente del laboratorio motores, que en la toma de datos este lugar estaba cerrado y con escaso flujo de aire lo que evita que este lugar se acondicione normalmente, en las horas cercanas al medio día las dos temperaturas tienden a tener un diferencial menor ya que es el punto en donde se alcanzan las máximas temperaturas, por consiguiente el laboratorio almacena más energía térmica lo que representa una estabilidad térmica mayor comparada con la ambiental.. . El intercambiador de calor tierra-aire está fundamentado en el la inercia térmica de la tierra, en esta caso a dos metros de profundidad, como se observa en la gráfica 6 la temperatura de salida del intercambiador es prácticamente constante, lo que demuestra que la maquina cumple con la con su cometido en este aspecto entregando aire a una temperatura cercana de la tierra, ya sea para refrigerar o calentar.. . Los dataloggers no están calibrados, esto representa un gran problema para la elaboración de las prácticas de funcionamiento del equipo, ya que los resultados que está arrojando no son los reales.. . El deterioro del intercambiador de calor tierra aire era evidente en el inicio del proyecto, el mantenimiento y refuerzo del mismo le permitió seguir operando correctamente para seguir brindando confort a los estudiantes en la sala de la sala de software especializado. Además de adelantar sugerencias ante el consejo curricular para preservar el entorno y el funcionamiento de la máquina para así brindar oportunidades de nuevas investigaciones a futuros estudiantes.. . La reducción de temperatura generado por el proceso de intercambio de calor es de aproximadamente 3.5 °C.. . El aire en la entrada del sistema ingreso del laboratorio de motores el que tenía una temperatura más alta que la ambiente, pero con la información obtenida de la gráfica podemos interpretar que el intercambiador de calor. 54.

(55) tierra aire está en condiciones tanto de refrigerar como de calentar el aire dependiendo clima en determinado momento. . La mayor eficiencia del intercambiador se da en horas del mismo día, desde las 11:00 a.m. hasta la 1:00 p.m. ya que es en este rango de tiempo donde la temperatura ambiente es la más alta del día, es aquí donde se alcanza la mayor reducción de temperatura, por otro lado, en las horas de la mañana y altas horas de la noche el sistema toma aire frio a aproximadamente 13 °C y lo extrae a 19.6 °C, por lo tanto, el recinto donde se lleva el aire estará acondicionado a cualquier hora del día.. . Las curvas de la gráfica 6 no son paralelas entre sí por lo que no se puede deducir una diferencia constante entre estas, esto se debe a que la termocupla de platino es más sensible a los cambios de temperatura que el sensor del datalogger, pero trazando una línea de tendencia para las dos curvas se puede apreciar que estas líneas tienden a ser paralelas así podemos aproximar una diferencia entre la medida real y la medida del datalogger que no está calibrado, con esto solo basta restar el desfase y ya se puede obtener una temperatura bastante aproximada a la real.. . La diferencia de temperatura entre el patrón y el datalogger código 11065926 es de 2.5°C aproximadamente, mientras que el desfase del segundo datalogger código 11066195, es de 3.5 °C aproximadamente.. . Disminuir el caudal del aire permite que una mayor reducción en la temperatura de salida con respecto a la temperatura de entrada, ya que durante la realización de pruebas se observó que si se disminuye el caudal al regular la válvula el aire disminuía aproximadamente 0.4 grados más que con un caudal mayor, esto se debe a que el mismo aire recorre el sistema de tuberías en un tiempo mayor, lo que le permite permanecer más tiempo bajo tierra y así poder enfriarse un poco más.. . Con respecto al entorno social que rodea al intercambiador concluimos que las autoridades encargadas de la seguridad en la Facultad deben tomar medidas más contundentes para erradicar el consumo de sustancias ilegales dentro de las instalaciones de la Facultad, ya que estas personas son las que realizan actos vandálicos que acaban deteriorando rápidamente todos los proyectos que se encuentran en la Facultad, especialmente el intercambiador, porque éste se encuentra al aire libre y en la zona donde estos personajes se suelen reunir.. 55.

(56) 14. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN. Los fondos que acarreó este proyecto fueron proporcionados por los dos integrantes de este grupo, con colaboración de nuestros familiares, el costo del proyecto en general abarca la compra de materiales, los procesos de maquinado y mecanizado. Hubo algunos procesos de manufactura que no acarrearon costo alguno ya que fueron hechos mediante prácticas libres en las instalaciones de la Facultad Tecnológica, estos procesos fueron la soldadura entre el cono y la base del acople y la perforación de los agujeros para los tornillos, procesos que fueron realizados en el taller de soldadura y en el taller de mecanizado, respectivamente. Aquí se muestran los diferentes gastos realizados para la realización del proyecto.. MATERIALES Lamina de acero galvanizado 28x28 cm Lamina de acero galvanizado 50x50cm Pegante Industrial Bóxer Seguetas Tornillos 3/16 Aislante Térmico Thermolon Papel de Lija Tubería de PVC de 4 pulgadas 2 metros Codo 90 PVC de 4 pulgadas Unión PVC de 4 pulgadas Soldadura para tuberías Termómetro digital TOTAL MATERIALES. PRECIO $5.000,00 $10.000,00 $13.000,00 $12.000,00 $2.000,00 $11.000,00 $2.000,00 $12.000,00 $9.000,00 $4.500,00 $16.000,00 $29.000,00 $125.500,00. Tabla 12. Costos de materiales. Los costos relacionados con mecanizados se muestran en la siguiente tabla PROCESOS Corte de la base del acople Doblado de la lámina para hacer el cono TOTAL MECANIZADO Tabla 13. Costos de procesos de mecanizado.. 56. PRECIO $3.000,00 $6.000,00 $9.000,00.

(57) 15. BIBLIOGRAFÍA. [1] Salinas, J. & Ramírez, J. CARACTERIZACIÓN DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE TÉRMICO DEL SUBSUELO DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA. Proyecto de Grado Tecnología Mecánica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (2006).. [2] Salinas, J. & Jiménez, J. EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS VARIABLES LONGITUD Y DIÁMETRO EN UN SISTEMA EXPERIMENTAL DE INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA-AIRE DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE A UNA PROFUNDIDAD DE DOS METROS. Proyecto de Grado Ingeniería Mecánica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (2009).. [3] Arias, C. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRAAIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS, Proyecto de Grado Ingeniería Mecánica, Universidad de Sevilla. (2015).. [4] JONES, J.B. & DUGAN R.E. INGENIERÍA TERMODINÁMICA. Ciudad de México, Ed. Prentice Hall, 1997, 1001. p. (ISBN 968-880-845-8).. [5] CENGEL, Y. & CIMBALA, J. MECÁNICA DE FLUIDOS, FUNDAMENTOS Y APLICACIONES. México. Ed. McGraw-Hill. 2006. Tabla A-9.. 57.

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