Sistema de Generaciòn de Agua Mediante Humedad del Aire

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(1)9-4-2018. SISTEMA DE GENERACIÒN DE AGUA MEDIANTE HUMEDAD DEL AIRE. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA.

(2) Sistema de generación de agua mediante humedad del aire Brayan Estiven Barinas Perdomo Cesar augusto Camargo González. Director Ing. Msc Enrique Yamid Garzón Gonzales. Trabajo de grado para optar por el título de Ingeniero en Control. Bogotá, Colombia 2018.

(3) HOJA DE ACEPTACIÓN. Sistema de generación de agua mediante humedad del aire. Observaciones. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________. _______________________________ Director del Proyecto Ing. Mcs. Enrique Yamid Garzón. _______________________________ Jurado 1. _______________________________ Jurado 2.

(4) Contenidos Resumen ................................................................................................................................. 8 Abstract ................................................................................................................................... 9 2. Introducción ................................................................................................................ 10. 3. Objetivos ..................................................................................................................... 11. 4. 3.1. Objetivo General ................................................................................................ 11. 3.2. Objetivos Específicos ......................................................................................... 11. Marco de referencia ..................................................................................................... 12 4.1. Estado del arte .................................................................................................... 12. 4.2. Marco teórico ..................................................................................................... 16. 4.2.1. Psicrometría ................................................................................................ 16. 4.2.2. Composición del aire .................................................................................. 17. 4.2.3. Vapor de agua ............................................................................................. 18. 4.2.4. Vapor de agua en el aire ............................................................................. 19. 4.2.5. Capacidad calorífica y calor específico ...................................................... 19. 4.2.6. Transferencia de calor ................................................................................. 20. 4.2.7. Temperatura: ............................................................................................... 20. 4.2.8. Diferencia entre calor y temperatura: ......................................................... 20. 4.2.9. Presion atmosférica (P) ............................................................................... 21. 4.2.10. Humedad absoluta (Ha) ........................................................................... 21. 4.2.11. Humedad específica (He) ........................................................................ 22. 4.2.12. Humedad relativa del aire (HR) .............................................................. 22. 4.2.13. Presión de saturación de vapor de agua; ................................................. 23. 4.2.14. Condensacion: ......................................................................................... 24. 4.2.15. Punto de Rocio: ....................................................................................... 25. 4.2.16. Cálculo de la temperatura de punto de rocío: .......................................... 25. 4.2.17. La energía solar ....................................................................................... 27. 4.2.18. Radiación solar ........................................................................................ 27. 4.2.19. Refrigeracion ........................................................................................... 28. 4.2.20. Refrigeración por compresión de un gas: ................................................ 28.

(5) 5. 4.2.21. Ciclo de Carnot inverso ........................................................................... 28. 4.2.22. Principales dispositivos del sistema de refrigeración .............................. 30. 4.2.23. Los refrigerantes fluorados más comunes son: ....................................... 31. 4.2.24. Regulación Automática: Teoría de Control ............................................ 32. 4.2.25. Requerimientos generales de un sistema de control................................ 32. 4.2.26. Identificación ........................................................................................... 33. Metodología de Desarrollo .......................................................................................... 38 5.1.1. Análisis social, económico y tecnológico: .................................................. 38. 5.1.2. Diseño y programación: .............................................................................. 38. 5.1.3. Implementación y funcionamiento: ............................................................ 39. 5.1.4. Delimitación................................................................................................ 39. 5.2. 6. Condensación de partículas de agua suspendidas en la atmosfera ..................... 39. 5.2.1. Generación por medio de celdas de peltier ................................................. 39. 5.2.2. modificaciones al sistema de generación por medio de celdas de peltier ... 42. 5.2.3. Condensación mediante uso del radiador ................................................... 43. 5.2.4. Modificaciones del sistema de condensación a partir de radiador .............. 47. 5.2.5. Sistema de condensación con radiador aislado ........................................... 49. 5.2.6. Rendimiento de las pruebas implementadas ............................................... 52. Instrumentación ........................................................................................................... 53 6.1. Diagrama solución del sistema ........................................................................... 53. 6.2. Sensores .............................................................................................................. 55. Sensores de Temperatura ............................................................................................ 55 Sensores Integrados de temperatura ............................................................................ 55 6.3 7. 8. 9. diseño de la estructura ........................................................................................ 72. Identificación del sistema ............................................................................................ 74 7.1. generación de señales ......................................................................................... 75. 7.2. Obtención función de transferencia.................................................................... 83. Control......................................................................................................................... 85 8.1. Obtención de las constantes del controlador ...................................................... 85. 8.2. implementación en software............................................................................... 88. Interfaz Grafica ........................................................................................................... 89 9.1. comunicación por I2C ........................................................................................ 89.

(6) 9.2 10. realización interfaz grafica ................................................................................. 90. Resultados ................................................................................................................... 92 10.1. Implementación diagrama de flujo ..................................................................... 92. 10.2. Comportamiento del control............................................................................... 93. 10.3. Autonomía del sistema y producción ................................................................. 94. 10.4. Tratamiento del agua obtenida ........................................................................... 95. 10.5. Comparación con proyectos previos .................................................................. 98. 11. Conclusiones ............................................................................................................... 99. 12. Bibliografía............................................................................................................... 100. 13. Anexos....................................................................................................................... 103 13.1. Diagrama de instrumentación........................................................................... 103. Índice de figuras Figura 1 Temperatura vs factor de calor [1] ........................................................................ 17 Figura 2 Composicion del aire [2] ........................................................................................ 17 Figura 3 vapores de agua en el aire[6] .................................................................................. 19 Figura 4 Temperatura punto de roció [10]............................................................................ 25 Figura 5 Ciclo de Carnot inverso[12] ................................................................................... 29 Figura 6 Proceso de identificación [22] ................................................................................ 34 Figura 7 Señal paso identificación [22] ................................................................................ 35 Figura 8 Señal paso cuadrada identificacion[22] ................................................................. 36 Figura 9 Señal cuadrada identificación [22] ......................................................................... 36 Figura 10 Señal seudoaleatoria [22] ..................................................................................... 37 Figura 11 vista superior sistema celdas de peltier(autores) .................................................. 40 Figura 12 vista celdas de peltier terminado (autores) .......................................................... 40 Figura 13 condensaciones en celdas de peltier (autores) ...................................................... 41 Figura 14 toma de datos experimental celdas de pletier( autores) ....................................... 42 Figura 15 grafica datos temperatura lm35 celdas de peltier (autores) .................................. 42 Figura 16 datos temperatura ambiente y humedad prueba celdas de peltier ( autores) ........ 43 Figura 17 circuito de refrigeración (autores) ........................................................................ 44 Figura 18 unidad refrigeración sistema radiador ( autores) .................................................. 44 Figura 19 sistema completo prototipo 2 (autores) ................................................................ 45 Figura 20 cantidad de agua generada sistema radiador ( autores) ........................................ 46 Figura 21 grafica temperatura ds18b20 sistema radiador (autores) .................................... 46 Figura 22 grafica humedad relativa en tiempo prueba (autores) .......................................... 47 Figura 23 válvula propuesta para control temperatura sistema radiador (autores).............. 48.

(7) Figura 24 sistema prototipo 2 con valvula ( autores) .......................................................... 48 Figura 25 sistema de aislamiento del condensador (autores) .............................................. 50 Figura 26 gas a implementar sistema radiador aislado ( autores) ........................................ 50 Figura 27 sistema de condensación trabajando ( autores) .................................................... 51 Figura 28 diagrama de solución............................................................................................ 53 Figura 29 Sensor de temperatura DS18B20 con características ........................................... 56 Figura 30 Comunicación ONE-WIRE DS18B20 ................................................................. 57 Figura 31 DHT22 y características ...................................................................................... 58 Figura 32 MQ135 y características ....................................................................................... 59 Figura 33 Relevo estado solido ............................................................................................ 60 Figura 34 Ventilador de servidor .......................................................................................... 60 Figura 35 Circuito medición rpm y control velocidad interna del ventilador ...................... 61 Figura 36 Diagrama flujo aire del ventilador ....................................................................... 63 Figura 37 célula solar ........................................................................................................... 65 Figura 38 panel solar para el proyecto.................................................................................. 66 Figura 39 Conexión controlador de carga solar.................................................................... 70 Figura 40 Regulador de carga solar LD2430S .................................................................... 71 Figura 41 diagrama variables proceso y variables controladas ........................................... 72 Figura 42 vista delantera del sistema .................................................................................... 73 Figura 43 Código prueba sensor de temperatura y conversor DA( autores) ........................ 74 Figura 44 pruebas de funcionamiento físicas temperatura y conversor DA( autores) ......... 75 Figura 45 Código de generación de señales para identificación (autores) ........................... 76 Figura 46 Señal paso generada en Codesys (autores)........................................................... 77 Figura 47 Señal paso cuadrada generada en Codesys (autores) ........................................... 77 Figura 48 Señal cuadrada generada en Codesys(autores) .................................................... 78 Figura 49 Señal pseudoaletoria generada en Codesys(autores)............................................ 78 Figura 50 Datos tomados por el actuador señal paso (autores) ............................................ 79 Figura 51 Datos tomados por el sensor señal paso (autores) ................................................ 79 Figura 52 datos tomados por el actuador señal paso cuadrada (autores).............................. 80 Figura 53 Datos tomados por el sensor señal paso cuadrada (autores) ................................ 80 Figura 54 datos tomados por el actuador señal cuadrada (autores) ...................................... 81 Figura 55 datos tomados por el sensor señal cuadrada (autores) ........................................ 81 Figura 56 datos tomados por el actuador señal seudoaleatoria (autores) ............................. 82 Figura 57 datos tomados por el sensor señal pseudoaleatoria (autores) .............................. 82 Figura 58 ident en Matlab con los datos de identificación tomados (autores) ..................... 83 Figura 59 función seleccionada para la identificación (autores) .......................................... 83 Figura 60 Función de transferencia del sistema Matlab (autores) ........................................ 84 Figura 61 función de transferencia discretizada en Matlab (autores) ................................... 85 Figura 62 diseño control proporcional (autores) .................................................................. 86 Figura 63 control proporcional integral diseñado en sisotool (autores) ............................... 87 Figura 64 código controlador implementado en Codesys (autores) ..................................... 88 Figura 65 comunicación para el sensor de humedad (autores) ............................................. 89 Figura 66 códigos lectura I2C con el microcontrolador (autores) ........................................ 90.

(8) Figura 67 interfaz parcial creada en Codesys (autores) ........................................................ 91 Figura 68 Diagrama de flujo para la programación (autores) .............................................. 92 Figura 69 Datos control de temperatura en la mañana (autores) .......................................... 93 Figura 70 Datos control de temperatura en la tarde (autores) .............................................. 93 Figura 71 Datos control de temperatura en la noche (autores) ............................................. 94 Figura 72 Autonomía del sistema con la conexión del panel solar al controlador ............... 98 Figura 73 Autonomía del sistema con la conexión del panel solar al controlador ............... 98. Índice de tablas Tabla 1Composicion aire en la atmosfera [7] ....................................................................... 18 Tabla 2Composicion del vapor de agua[3] ........................................................................... 18 Tabla 3.Datos obtenidos con celdas de peltier (autores) ...................................................... 41 Tabla 4 Datos obtenidos con sistema radiador (autores) ...................................................... 45 Tabla 5 datos obtenidos de funcionamiento prototipo final ( autores) ................................. 51 Tabla 6 resultados promedios de las pruebas a los sistemas implementados (autores) ........ 52 Tabla 7 Parámetros eléctricos de DS18B20 ......................................................................... 56 Tabla 8 de características ventilador .................................................................................... 63 Tabla 9 Rango anual de disponibilidad de energía solar por regiones ................................. 64 Tabla 10 características eléctricas del panel de 100W. ........................................................ 66 Tabla 11 características eléctricas de la batería .................................................................... 69 Tabla 12 características técnicas controlado ........................................................................ 71 Tabla 13 tiempos de prueba para producir 100 ml utilizando el control del sistema ........... 94 Tabla 14 Autonomía del sistema únicamente con batería ................................................... 95 Tabla 15 Autonomía del sistema con la conexión del panel solar al controlador ................ 95.

(9) Resumen Un informe del IFPRI (the international food policy research institute) denominado “panorama global del agua hasta el año 2025” . proyecta que para el año 2025 , la escasez de agua causara anualmente pérdidas globales de 350 millones de toneladas cubicas del potencial de producción de alimentos, esto significara que uno de los principales limitaciones de la alimentación para el futuro será la escasez de agua[1]. El desarrollo de este trabajo se dividió en diferentes fases, la primera de ellas era la de encontrar un sistema que de alguna forma permitiera obtener la mayor cantidad de agua posible del aire. Para lo cual se hicieron diferentes pruebas utilizando celdas de peltier y circuitos de refrigeración, para alimentar se utilizó energía fotovoltaica. Para la segunda de las fases se toma el sistema que género la mayor cantidad de agua. Se realiza la identificación del sistema pudiendo así llegar a obtener la función de transferencia de la planta, la siguiente fase en la cual se implementa la instrumentación con los sensores y actuadores necesarios para implementar un control óptimo de la planta, en otra fase se diseña y realizan las pruebas del control implementado el cual en este caso es un PI, logrando la producción de más de 100ml que era lo propuesto como objetivo. Por último se realizan pruebas al sistema terminado donde se comprueban tiempos de funcionamiento autónomo del sistema, comportamiento del control, también verificar aciertos y desaciertos que podrían ser la base para futuros trabajos de investigación. Palabras clave: Sistemas Fotovoltaicos, Condensación, Humedad Relativa, Punto de Roció, diseño de control, filtración.

(10) Abstract. A report by the IFPRI (the international food policy research institute) called "global picture of water until 2025". projected that by 2025, water scarcity will annually cause global losses of 350 million cubic tons of food production potential, this would mean that one of the main limitations of food for the future will be water scarcity [1] .. The development of this work was divided into different phases, the first of which was to find a system that in some way allowed to obtain as much water as possible from the air. For which different tests were made using peltier cells and refrigeration circuits, photovoltaic energy was used to feed it. For the second of the phases, the system that gen- erates the most water is taken. The identification of the system is carried out, thus being able to obtain the transfer function of the plant, the next phase in which the instrumentation is implemented with the necessary sensors and actuators to implement an optimum control of the plant, in another phase it is designed and they perform the tests of the implemented control which in this case is a PI, achieving the production of more than 100ml that was proposed as a goal.. Finally, tests are carried out on the finished system, where autonomous operating times of the system, control behavior, are checked, as well as verifying successes and failures that could be the basis for future research work.. Keywords: Photovoltaic Systems, Condensation, Relative Humidity, Spray Point, control design, filtration.

(11) 1. Introducción. El presente proyecto se vio motivado ante la necesidad de la obtención de una fuente de agua que supla, por lo menos en parte, la necesidad los crecientes grupos de población que se encuentran alejadas e incomunicadas de nuestro país y del mundo, Tal como lo manifiesta la UNESCO: “La escasez de agua es un fenómeno natural, pero también un fenómeno inducido por los seres humanos. Aun cuando hay suficiente agua dulce en el planeta para satisfacer las necesidades de una población mundial de cerca de siete mil millones de personas, su distribución es desigual tanto en el tiempo como en el espacio, y mucha de ella es desperdiciada, contaminada y manejada de manera insostenible. No existe en el mundo escasez de agua como tal, en su lugar hay un número de regiones en el mundo que sufren escasez de agua, esto debido a que el uso de este recurso ha crecido más del doble en relación con la tasa de incremento poblacional en el último siglo. Cerca de una quinta parte (1,200 millones) de la población mundial de 6 mil millones de personas, habita en áreas que enfrentan escasez de agua, y otro cuarto de la población mundial (1,600 millones) enfrenta recortes en el suministro de agua debido a que carecen de la infraestructura necesaria para tomar agua de los ríos y acuíferos (ONU, 2005). La escasez de agua representa para muchos países el desafío más acuciante para el desarrollo socioeconómico y humano en general” [16].. Es por esto que se quiere contribuir en alguna medida con esta causa y poner en práctica los conocimientos adquiridos. Es asi que observando que la escases de agua se ubica en zonas cálidas caracterizadas por su buena radiación solar, la poca vegetación y por ende sin nacederos o fuentes de agua naturales, pero que en cambio ofrece en el aire y sus vientos, “gracias a fenómenos climatológicos y físicos” una alta concentración de humedad,. Se observa que se puede aprovechar de manera eficiente los recursos que se tienen a disposición para transformar. una fuente de energía ecológica y literalmente “extraer” de estas. condiciones climatológicas inclementes el preciado liquido. todo esto manipulando el entorno mediante dispositivos de instrumentación y control electrónico..

(12) 2 2.1. Objetivos Objetivo General. Diseñar e Implementar un prototipo recolector de agua mediante la humedad del aire al cual se le implemente monitoreo y control del proceso.. 2.2. Objetivos Específicos. Encontrar un modelo aproximado del sistema mediante un método experimental con el cual se estime el comportamiento de la humedad o temperatura.. Implementar un controlador que le permita generar en el prototipo al menos 100ml de agua a partir de la humedad o temperatura del condensador.. Diseñar e implementar una interfaz gráfica de usuario para monitorear y controlar el sistema..

(13) 3 3.1. Marco de referencia Estado del arte. Realizando una consulta de diferentes fuentes de información se puede evidenciar que, Ante la situación de escasez de agua apta para el consumo humano que sufren muchas zonas del planeta, o los problemas de abastecimiento puntuales a raíz de catástrofes naturales, esta opción es una tecnología viable y cada vez más desarrollada. Sin embargo, el inconveniente al que se enfrenta es que la cantidad del agua dependa de la temperatura y humedad relativa el dispositivo aquí diseñado es para el departamento de las amazonas donde la mala calidad de aguas superficiales pone en riesgo la salud de la población que las utiliza. Para conseguir agua a partir de la humedad es necesario enfriar una corriente de aire, de modo que el agua en estado gaseoso se condense en una superficie de la que pueda ser recogida. Este proyecto se trata de la tecnología frigorífica y de psicometría (ciencia que estudia las propiedades del aire húmedo) para conseguir tal efecto[3]. Uno de los equipos utilizados para la realización de este proceso son las torres de refrigeración el principio de funcionamiento de estos equipos se basa en la evaporación, el equipo produce una nube de gotas de agua bien por pulverización, bien por caída libre que se pone en contacto por una corriente de aire. la evaporación superficial por el contacto del aire da lugar al enfriamiento del resto del agua que car en la balsa a una temperatura menor a la de pulverización. Generalmente el uso de estos equipos esta mas relacionado a los sistemas de refrigeración , tanto en el aire acondicionado como en la producción de frio, sin embargo en el ámbito industrial estos equipos se utilizan para el enfriamiento de cualquier parte del proceso que genere calor y deba ser disipado[4]. Por otra parte en el artículo[5] se desea tener un sistema de enfriamiento basado en el efecto de las celdas de peltier pero utilizando unos módulos para regular la corriente de la celda y por tanto no tener tanta perdida en cuanto a consumo energético que es lo que generalmente ocurre con estos dispositivos además de los módulos manejan las celdas utilizando pwm para obtener mayor eficiencia llegando a la conclusión de que el sistema debe trabajar a 1,1khz aproximadamente debido a que en esta región de frecuencia los resultados fueron los esperados recalcando que las celdas de peltier son una buena alternativa para la realización de proyectos debido a que son eco amigables y no necesitan químicos o algún adicional para su correcto funcionamiento[5] Se utiliza un método para compresión del vapor usando un generador atmosférico de agua es un dispositivo que extrae agua del aire ambiente húmedo. El vapor de agua en el aire se condensa por enfriando el aire por debajo de su punto de rocío, exponiendo el aire a desecantes, o presurizar el aire. A diferencia de un deshumidificador, se diseña un AWG para hacer el agua potable. Los AWG son muy útiles en ubicaciones donde el agua potable pura.

(14) es difícil o imposible de obtener, como casi siempre hay una pequeña cantidad de agua en el aire. Las dos técnicas primarias en uso son el enfriamiento y los desecantes. Generó una cantidad de agua suficiente para satisfacer las necesidades de consumo de un hogar regular. Eso aborda la necesidad de agua potable en áreas remotas y responde a la inminente escasez de agua potable en ciertas áreas debido a los efectos del calentamiento global y los desastres naturales. Puede también reemplazar o complementar los dispositivos de agua actualmente disponibles en el mercado para llegar a las zonas más remotas. Para traer reducir el costo de fabricación de este sistema[6][3] Se plantea una forma para hacer el modelado de un sistema de recuperación por condensado diferente debido a la complejidad que es modelar un sistema Las principales ventajas de este enfoque son la certeza de la corrección del modelo desde el punto de vista energético (ahorro de energía), compacidad, correspondencia directa con las ecuaciones del espacio de estados, posibilidad de traducir esquemas de bloques directamente a Simulink Para simulaciones. Un modelado preciso de todo el sistema es muy útil en el proyecto de la máquina para la elección de parámetros, la evaluación de los resultados que se pueden obtener y la construcción del control (diferentes algoritmos de control pueden ser probados en simulación antes de implementación en la máquina real). El modelo los parámetros se han identificado utilizando datos recogidos verdadero prototipo. Los resultados de la simulación muestran la eficacia del modelo realizado que puede utilizarse tanto para el análisis y de control.[7] Se trata de un equipo capaz de obtener agua del medio ambiente mediante la condensación de la humedad presente en el aire. Para condensar el agua se precisa de una superficie a una temperatura suficientemente baja como para que el agua pase de estado gaseoso a estado líquido o agua propiamente dicha. La temperatura a que debe estar dicha superficie no debe ser tampoco demasiado baja para evitar la congelación del agua condensa da lo cual supone un aporte extra de energía innecesario. Esta temperatura depende de las condiciones ambientales del momento; básicamente temperatura y humedad relativa del ambiente. El sistema descrito incluye un dispositivo electrónico denominado celda peltier formada por dos placas cerámicas planas que encierran los elementos que consiguen que ante una aplicación de tensión, una de las placas aumente su temperatura mientras que la otra la reduce respecto a la temperatura ambiente. Controlando la temperatura de la placa fría de forma que esté un poco por debajo de la temperatura de condensación (calculada en cada momento) y recogiendo el agua que se va depositando sobre la misma antes de que vuelva a evaporarse, (mediante un mecanismo de vibración o mediante el empuje de una escobilla) se consigue entonces un empleo eficiente de la energía para la obtención de agua. La vibración del condensador se realiza cada cierto tiempo y a una frecuencia regulable para optimizar la energía empleada.[8] Los recursos hídricos y energéticos y su uso sostenible siendo cada vez más importante en todo el mundo. El aumento de la demanda de agua dulce debido a las actividades agrícolas, el crecimiento demográfico, la riqueza junto con el cambio climático ejerce un estrés significativo en fuentes de agua. Un sistema urbano sostenible e integrado de la estrategia de gestión debe implicar fuentes alternativas de agua. Además, las complejidades ambientales, sociales y técnicas deben considerarse dentro de un diseño y desempeño de tecnologías de tratamiento para la gestión eficiente del agua recursos. El Proceso de Jerarquía Analítica (AHP) se emplea un problema multiobjetivo complejo para introducir una Sistema de.

(15) destilación de agua con energía solar. Una serie de criterios y los indicadores se incorporan en AHP para evitar la subjetividad en toma de decisiones y aumentar la concienciación sobre el efecto cada parámetro. [9] La mejor solución posible para cubrir el agua de alta seguridad exige aprovechar el enorme potencial del agua de mar. Todo lo que es necesario hacer es utilizar el método eficiente y Tecnología eficaz para la eliminación de sal y impurezas que generalmente se denomina desalación. Existe mucha investigación es en este sentido, pero las tecnologías más comunes que se utilizan ahora son en su mayoría de costo alto y energía intensiva. Con el fin de equilibrar la economía y la eficiencia, la tecnología prometedora hasta ahora es HDH impulsado por la energía solar la desalinización del agua que tiene el potencial de agua que consume los recursos naturales ecológicos, baratos y abundantes. Ellos usan un colector solar de placa plana, un humidificador y una unidad modo de deshumidificador se integraron junto con otros componentes como ventilador, bomba y controlador. se concluyeron los siguientes resultados: El rendimiento del sistema está muy influido por temperatura del agua de entrada y del aire además el sistema de almacenamiento de agua debe mejorarse , El área del colector solar y el caudal másico de entrada también han tenido un fuerte impacto en la productividad y parámetros están optimizados de acuerdo con las requisito.[10] La idea básica del artículo es realizar una planta independiente para producir condensación de agua utilizando energía foto voltaica; esto podría hacer posible obtener agua también en áreas lejanas (donde asume una importancia de nivel primario) también en ausencia de una conexión de red. Al igual que en plantas autónomas, no es posible adoptar sistemas termodinámicos con compresores, anteriores la viabilidad de combinar la energía fotovoltaica con dispositivos termoeléctricos basados en se ha analizado el efecto Peltier. La opción de adoptar módulos termoeléctricos está relacionada con su principio de funcionamiento estático, lo que significa alta fiabilidad, larga vida útil, buena la temperatura requerida, y la posibilidad de operar en cualquier orientación. se realiza el aparato con la adopción de varios de los prototipos descritos. Otras consideraciones llevan a la necesidad de una investigación más profunda; por ejemplo: la gotas resultantes de la condensación de la humedad debe dejar fácilmente la placa fría para la colección del agua. Todo el fenómeno es muy complejo debido a los numerosos aspectos relativos al estudio de las propiedades superficiales, tales como su humectabilidad. Además, el fenómeno de condensación depende también de la temperatura de la placa fría con respecto a la teórica; sólo para subrayar este fenómeno se ha llevado a cabo una actividad de investigación con ensayos en las diferentes condiciones de funcionamiento recogiendo el agua producida[11] Este articulo realiza varios experimentos con el efecto peltier buscando diferentes aplicaciones debe ser muy favorable para producir una cantidad neta de enfriamiento útil. Se observará que dos de los cuatro factores, y generalmente los dos más grandes, dependen del cuadrado de la corriente. Como el enfriamiento total de Peltier es proporcional al primer valor de la corriente, existe para cualquier pareja dada una corriente óptima para obtener el máximo enfriamiento útil. Lo mejor que se puede hacer en la actualidad es enfriar una poco de metal por no más de 10 grados centígrados. Esta cantidad de caída de temperatura podría ser utilizada, ya que en para un espejo de determinación de punto de rocío muy pequeño (para altas humedades) o para que los termopares de referencia sean mantenidos ligeramente por.

(16) debajo de la temperatura ambiente. La tasa útil de la eliminación de calor por amperio de corriente de unión óptima corresponde sólo a mili watts.[12] En este proyecto para lograr este propósito, es necesaria la regulación de la temperatura de las caras de la celda Peltier para alcanzar el punto de rocio, situación que implica realizar estudios de psicometría, identificación paramétrica de sistemas y estrategias de control convencionales e inteligentes, tales como el control PID , redes neuronales artificiales recurrentes y lógica fuzzy. Los resultados acerca del control de la temperatura bajo los tres tipos de estrategias mencionadas, muestra la capacidad de cada uno de los controladores para realizar la condensación y la función de regulación con el desarrollo del proyecto se llega a las conclusiones que los niveles de condensación obtenidos, son muy bajos , debido a que el sistema de la celda de peltier es un sistema de reducidas dimensiones, respecto a los controladores utilizados , cualquiera de ellos tiene la capacidad de regular la temperatura con variaciones en su desempeño tales como tiempo de asentamiento , sobre impulso y erro en estado estable teniendo como mejor control el control neuronal , hablando ahora en términos de viabilidad de la implementación debe realizarse un estudios adicionales del sistema operando con mas celdas para incrementar el área de condensación [13]. El descubrimiento de los fenómenos termoeléctricos hace dos siglos, y la búsqueda de nuevas alternativas de generación de energía, ha permitido un avance continuo en la tecnología termoeléctrica en los últimos años. Desde 1834 es conocido el efecto Peltier; no obstante, su aplicación práctica necesitó del desarrollo de los materiales semiconductores. El efecto Peltier se caracteriza por la aparición de una diferencia de temperaturas entre las dos caras de un semiconductor cuando por él circula una corriente. Por lo general dichas celdas están fabricadas con Bismuto para la cara del semiconductor tipo P y Telurio para la cara tipo N. Este trabajo está relacionado con la caracterización de una celda Peltier. Dicha caracterización consiste en describir el comportamiento de la corriente a través de la celda contra la diferencia de temperaturas (∆T) para 6 niveles de voltaje de polarización distintos. La celda es alimentada con un voltaje de corriente directa a través de sus terminales. El procedimiento de caracterización consiste en realizar un registro del comportamiento de la diferencia de temperaturas entre las caras de la celda contra del tiempo. Adicionalmente es necesario realizar un registro de la corriente y el voltaje de polarización. a voltajes mayores, como 5 y 6 voltios, el súbito decremento de temperatura en la cara fría de la celda provoca condensación de agua en su superficie, por ello se piensa que es factible emplear este tipo de elementos como una forma alternativa en aplicaciones relacionadas con la refrigeración, sobre todo aquellas que requieren de portabilidad.[14]. El objetivo general del presente proyecto es desarrollar un prototipo de bajo costo de un sistema de gobierno para diodos láser con microcontroladores STM32F4 y enfriamiento con Peltier. En primera instancia y gracias a la integración de dispositivos tales como ADC, DAC, temporizadores y la gran cantidad de librerías y facilidades del microcontrolador STM32F4, es posible optimizar costos por hardware, ahorrar tiempo y por lo tanto costos al usar el poderoso set de facilidades, funciones e instrucciones del mismo. Debido a que los campos de utilización del diodo láser requieren precisión, es necesario contar con sistemas de control seguros, exactos y que permitan el correcto y continuo funcionamiento del diodo en.

(17) cualquiera de sus aplicaciones. En la presente investigación se diseña e implementa un sistema de control realimentado de corriente y temperatura. Se diseñó y corroboró el correcto funcionamiento de las etapas analógicas, necesarias para llevar a cabo el control sobre el diodo y la temperatura del mismo. La ventaja principal que presenta el control ON/OFF es que es de bajo costo además de ser la opción más eficiente, en este caso específico. La desventaja principal es que no es un controlador preciso, puesto que no cuenta con las constantes de tiempo del sistema a controlar para sintonizar el control adecuado. El control PID presenta como ventaja primordial el hecho de que procura un error cero a la salida, es más estable y existe menos probabilidad de error.[15] Reportamos el avance del diseño de un controlador automático de temperatura mediante celdas peltier, montado en un sistema experimental que permitirá la detección de transiciones de fase con la técnica fotopiroeléctrica La detección de transiciones de fase en los materiales es muy importante para diversas aplicaciones industriales. Las técnicas foto térmicas , y en particular la fotopiroeléctrica, han demostrado ser útiles para medir las propiedades térmicas de los materiales y su dependencia con la temperatura El montaje del sistema experimental está concluido, falta elaborar detalladamente el programa en Labview, que genere un modulador de ancho de pulso y ejecute la función del error del controlador PID[16]. Se diseña un sistema para tomar humedad del aire por medio de una célula portier y maximizar la producción en agua, se disminuye la corriente haciendo identificación de la planta poniendo a trabajar el sistema. luego tomando medidas para realizar una regresión lineal y tener un modelo aproximado de la planta para poder realizar los cálculos de un controlador. que permita funcionar a la planta en los rangos deseados. Se ha diseñado un regulador el cual se ha calculado teóricamente mediante ecuaciones, que debería haber funcionado correctamente si se hubiera podido llegar a la temperatura del punto de rocío. Este regulador al final no se ha utilizado en Labview, aunque los cálculos quedan reflejados en este Proyecto para futuras consultas o mejoras del sistema.[17]. 3.2 Marco teórico 3.2.1 Psicrometría La Psicrometría trata la sustancia aire como una mezcla de dos gases que no reaccionan entre sí y se comportan casi como dos gases ideales: aire seco y vapor de agua. Es la parte de la meteorología que estudia las propiedades físicas y termodinámicas de la atmósfera; es decir, las propiedades termodinámicas de mezclas de gas con vapor. En particular, la mayoría de las aplicaciones se refieren al aire húmedo, considerado como o la mezcla de aire seco y vapor de agua como se muestra en ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia...

(18) Figura 1 Temperatura vs factor de calor [1]. 3.2.2 Composición del aire. Figura 2 Composicion del aire [2]. Se denomina aire a la mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad. El aire es esencial para la vida en el planeta, es particularmente delicado y está compuesto en proporciones ligeramente variables por sustancias tales como el nitrógeno (78%), oxígeno (21%), vapor de agua ( variable entre 0 - 7%), ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y algunos gases nobles como.

(19) el criptóno el argón, es decir, 1% de otras sustancias, ver ¡Error! No se encuentra el origen e la referencia.. [1]. Tabla 1Composicion aire en la atmosfera [7]. 3.2.3 Vapor de agua De los gases que están presentes en cantidades variables, los más abundantes son el vapor de agua [2]. Tabla 2Composicion del vapor de agua[3].

(20) 3.2.4 Vapor de agua en el aire. Figura 3 vapores de agua en el aire[6] 3.2.5 Capacidad calorífica y calor específico La capacidad calorífica (C) de cualquier sustancia se defina como la cantidad de calor (Q) que se requiere para elevar la temperatura de una sustancia en un grado Celsius [3] . Q = C ∆T. (1). La capacidad calorífica siempre será proporcional a la masa, por lo que es conveniente definir la capacidad calorífica por unidad de masa (para no depender de la masa, que se llama calor específico(C) [3] . 𝑪. C=𝒎. (2). De aquí se podrá determinar la energía calorífica Q transferida entre una sustancia de masa m y los alrededores para un cambio de temperatura [3], dando: Q = mc ∆T. (3).

(21) 3.2.6 Transferencia de calor Es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía que puede tener lugar entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. La termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como calor. La ciencia de la transferencia de calor pretende no sólo explicar cómo la energía térmica puede ser transferida, sino tambien predecir la rapidez con la que, bajo ciertas condiciones específicas, tendrá lugar esa transferencia. El hecho de que el objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la transferencia del calor, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica. [4] 3.2.7 Temperatura: La temperatura es. una. magnitud. física. de. la. materia. que. expresa. cuantitativamente las nociones comunes de calor y frío. Los objetos de baja temperatura son fríos, mientras que objetos de temperaturas más altas los consideramos tibios o calientes. La temperatura se mide cuantitativamente con termómetros. Los termómetros pueden ser calibr ados respecto a diferentes escalas de temperatura. [5] La física térmica es la disciplina que estudia la temperatura, la transferencia y transformación de la energía. La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material referido a un valor patrón definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados de la materia. Por costumbre utilizamos indistintamente el término calor o temperatura para comunicar sensaciones de calor o de frio que percibimos mediante nuestros sentidos de contacto. El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo elemento. 3.2.8 Diferencia entre calor y temperatura: • La temperatura mide el nivel término de un cuerpo, mientras el calor mide la cantidad de energía entregada o ganada por ese cuerpo. Para medir la temperatura se utilizan los termómetros, los cuales pueden mostrar el valor en dos escalas Fahrenheit y la Centígrada. •. El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya..

(22) •. Una misma cantidad de calor calentará mucho más un cuerpo pequeño que un cuerpo grande, o sea, la variación de temperatura es proporcional a la cantidad de calor.. •. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se mueven con mayor energía.. •. El calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo.. •. La temperatura es la medida de dicha energía.. •. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo.. •. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.. 3.2.9 Presión atmosférica (P) la presión atmosférica es la suma de la presión del aire seco y la presión del vapor de agua, donde la presión del vapor de agua depende del número de moléculas presentes en un determinado volumen y, por lo tanto, de la masa del vapor de agua por unidad de volumen, que varía con la temperatura. Este parámetro se mide en milímetros de mercurio (mm de Hg) o en milibares (mb).. 1mb = 0.75 mm de Hg. (4). El valor más alto de la presión (tensión) de vapor de agua se observa en las regiones tropicales cerca de la superficie del mar y es de aproximadamente 30 milibares. Los aparatos utilizados para medirla son el espectrógrafo de masas y los radioisótopos, al ser los equipos que arrojan mediciones más precisas.. 3.2.10 Humedad absoluta (Ha) Es el número de gramos de vapor de agua contenido en un metro cúbico de aire a una temperatura y presión determinadas. Se expresa en gramos de vapor de agua sobre los metros cúbicos de aire a una presión y temperatura especificadas..

(23) Ha = 216 * e / T (g/m3). (5). e = presión de vapor en Hpa T = la temperatura del aire en ºK. 3.2.11 Humedad específica (He) el concepto es similar al de humedad absoluta, es la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire húmedo se expresa en gramos de vapor de agua sobre kilogramos de aire húmedo. He = 0.622 * e / (P - 0.378 * e) (6) Aproximando: He = 0.622 * Pv / P. (7). Donde: P = es la presión atmosférica en Hpa. e = es la presión de vapor en Hpa La humedad absoluta o específica puede determinarse como la masa de vapor de agua presente en una unidad de aire seco la cual se representa como (Ha): 𝑚. 𝐻𝑎 = 𝑚𝑣 ,. 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎. 𝑎. 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜. (8). 3.2.12 Humedad relativa del aire (HR). Por definición es la razón de la presión de vapor de agua (e) presente en ese momento, con respecto a la presión de saturación de vapor de agua (es) a la misma temperatura; por lo tanto, la humedad relativa es dependiente de la temperatura. [6].

(24) % 𝑯𝑹 =. 𝒆 𝒆𝒔. × 𝟏𝟎𝟎 (9). Donde:. HR = Humedad Relativa. (e) = presión de vapor de agua. (es) = presión de saturación de vapor de agua (hPa). Si Conocemos estas dos magnitudes humedad relativa y temperatura ambiente (bulbo seco), podemos determinar la temperatura de punto de rocío. Para el cálculo de la presión de saturación de vapor de agua utilizamos las fórmulas de Magnus. Fue un químico y físico alemán; de 1861 hacia adelante dedicó mucha atención a la cuestión de la diatermancia, especialmente en el comportamiento del aire seco y húmedo, y de los efectos térmicos producidos por la condensación de la humedad sobre superficies sólidas. [7]. 3.2.13 Presión de saturación de vapor de agua; Para el intervalo de –45…+60 °C ( U < 0,6 %L). 𝟏𝟕.𝟔𝟐×𝒕. 𝒆𝒔 (𝒕) = 𝒆𝒙𝒑 (𝒍𝒏(𝟔𝟏𝟏. 𝟐) + (. 𝟐𝟒𝟑.𝟏𝟐+𝒕. )) (10). Para el intervalo de –65…+0,01 °C ( U < 1 %L). 𝟐𝟐. 𝟒𝟔 × 𝒕 𝒆𝒔 (𝒕) = 𝒆𝒙𝒑 (𝒍𝒏(𝟔𝟏𝟏. 𝟐) + ( )) (11) 𝟐𝟕𝟐. 𝟏𝟐 + 𝒕.

(25) Donde:. es = Presión de saturación de vapor de agua (Pa) t = Temperatura ambiente o de bulbo seco (°C). teniendo la presión de saturación de vapor a temperatura ambiente, d esp ej am os de l a form ul a y o btener la presión parcial de vapor de agua partir de la humedad relativa obteniendo:. 𝒆=. % 𝑯𝑹 × 𝒆𝒔 (𝒕) (12) 𝟏𝟎𝟎. Humedad vs temperatura. A presión constante (1 ATM) A una “T” dada, el aire puede contener vapor de agua hasta la saturación (condensación) Si “T” Aumenta Si “T” Disminuye. Más vapor de agua para sat Menos vapor de agua para sat. HR = e /es(100) = presión de vapor actual/presión de vapor a saturacion. Para medir la humedad relativa del aire se utilizan el higrómetro y los psicrómetros, equipos disponibles en distintos tipos.. 3.2.14 Condensacion: Al vapor de agua del aire que se condensa de forma natural en superficies frías se le llama rocío. El vapor de agua sólo se condensará en otra superficie cuando ésta sea más fría que la temperatura del vapor de agua, o cuando el equilibrio de vapor de agua en el aire, es decir, la humedad de saturación, se haya excedido. [8].

(26) 3.2.15 Punto de Rocio: La temperatura a la que se condensa (o solidifica) el vapor de agua en una muestra de gas a un valor de presión se le llama temperatura de punto de rocío (o de escarcha) y su valor depende de la presión del gas. El incremento en la presión del gas incrementa el valor de la temperatura de punto de rocío. Una muestra de gas con una temperatura de punto de rocío de 0 °C y una presión de 70 kPa, incrementa su temperatura de punto de rocío a 1,85 ºC cuando se incrementa la presión a 80 kPa. [9] El Punto de Rocío es el valor al que debe descender la temperatura del aire para que el vapor de agua existente comience a condensarse. El punto de rocío puede calcularse directamente con los datos de temperatura y humedad relativa existentes en un momento dado.. 3.2.16 Cálculo de la temperatura de punto de rocío: Como la presión de saturación de vapor de agua a diferentes valores de temperatura es una variable conocida, la temperatura de punto de rocío puede ser calculada de la humedad relativa y la temperatura.. Figura 4 Temperatura punto de roció [10]. la temperatura de punto de rocío (td) es aquella cuando a la presión de vapor prevaleciente, se logra la saturación consiguiendo como resultado condensación de vapor de agua,.

(27) Td = C1 * (𝑒1 x10-3)C2 + C3 ln (𝑒1 x 10-3) + C4 (13). C1 a C4 son constantes que varían de acuerdo al valor de la e 𝑒1 es la presión de vapor (en Pa ). Para temperaturas bajo cero: C1 = 82,44543 - C2= 0,1164067 - C3= 3,056448 - C4= 196.814270 (14). Para temperaturas sobre cero: C1= 33,38269 - C2=0,2226162 - C3= 7,156019 - C4= 246,764110 (15). Igualando términos obtenemos: 𝒆 = 𝒆𝒔 (𝒕𝒅 ) (16). Entonces para valores dados se reemplaza en la ecuación (xx) y se tiene:. 𝒆𝒔 (𝒕) = 𝒆𝒙𝒑 (𝒍𝒏(𝟔𝟏𝟏. 𝟐) + (. 𝟏𝟕.𝟔𝟐×𝒕𝒅. 𝟐𝟒𝟑.𝟏𝟐+𝒕𝒅. )) (17). De la anterior ecuación se tiene que el punto de rocio es:. 𝒕𝒅 = (. 𝟐𝟒𝟑. 𝟏𝟐 × 𝒍𝒏(𝒆) − 𝟏𝟓𝟓𝟗. 𝟕𝟐 ) (18) 𝟐𝟒. 𝟎𝟑𝟓 − 𝒍𝒏(𝒆). Aproximando y sustituyendo términos se puede obtener la siguiente formula con la cual se puede calcular el punto de rocio conociendo la temperatura de bulbo seco y la Humedad relativa:.

(28) 𝟖. 𝑯𝑹. 𝒕𝒅 = √𝟏𝟎𝟎 × [𝟏𝟏𝟐 + (𝟎. 𝟗 × 𝑻)] + (𝟎. 𝟏 × 𝑻) − 𝟏𝟏 (19) Donde:. Td = Temperatura de Punto de rocio en °C T= Temperatura en ºC HR = Humedad relativa. 3.2.17 La energía solar Energía fotovoltaica es la producida por la luz del sol. También la producida por el calor del sol llamada termosolar, estas energías se utilizan para la generación de electricidad o la producción de calor. Es Inagotable y renovable, se obtiene por medio de paneles y espejos.. Las células solares fotovoltaicas convierten la luz del sol directamente en electricidad por el llamado efecto fotoeléctrico, por el cual determinados materiales son capaces de absorber fotones (partículas lumínicas) y liberar electrones, generando una corriente eléctrica.. Por otro lado, los colectores solares térmicos usan paneles o espejos para absorber y concentrar el calor solar,. transferirlo a un fluido y conducirlo por tuberías para su. aprovechamiento en edificios e instalaciones o también para la producción de electricidad (solar termoeléctrica). [10]. 3.2.18 Radiación solar La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esa energía es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima. La energía procedente del Sol es radiación electromagnética proporcionada por las reacciones del hidrógeno en el núcleo del sol por fusión nuclear y emitida por la superficie solar. [11].

(29) 3.2.19 Refrigeracion La refrigeración es un proceso que consiste en bajar o mantener el nivel de calor de un cuerpo o un espacio. Considerando que realmente el frío no existe y que debe hablarse de mayor o menor cantidad de calor o de mayor o menor nivel térmico (nivel que se mide con la temperatura), refrigerar es un proceso termodinámico en el que se extrae calor del objeto considerado (reduciendo su nivel térmico), y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energía térmica sin problemas. [12]. 3.2.20 Refrigeración por compresión de un gas: El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor.. 3.2.21 Ciclo de Carnot inverso El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un dispositivo que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador.. Se compone de cuatro procesos.. 1-2 Compresión adiabática isoentrópica en el compresor. Proceso adiabático isoentrópico. 2-3 Condensador. disipacion de calor del condensador al medio ambiente, proceso a presión constate. 3-4 Estrangulamiento isoentálpico en la válvula termostática de. expansión. 4-1 Absorción de calor a presión constante en el evaporador (efecto. refrigerante)..

(30) Figura 5 Ciclo de Carnot inverso[12]. El refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor muy superior al de la temperatura del medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado de la disipación de calor hacia el entorno. [12]. La capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración (la rapidez del calor extraído del espacio refrigerado) con frecuencia se expresa en toneladas de refrigeración (TRF), equivalentes a 12.000 Btu/h o 12660 KJ/h. o 3.517 KW. Esto tiene su base en la capacidad que tiene un sistema de refrigeración en convertir 1 tonelada de agua liquida a 0 ºC (32 ºF) en hielo a 0ºC (32 ºF) en 24 horas.. 1TRF = 3.517 kW. o 1TRF = 12000 BTUs (20). Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes. [13].

(31) El desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor se expresa en los términos de coeficiente de operación (COP), el cual se define como:. 𝑪𝑶𝑷 =. 𝑺𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝒅𝒆𝒔𝒆𝒂𝒅𝒂 𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑹𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒅𝒂. (21). 3.2.22 Principales dispositivos del sistema de refrigeración Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante que experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Para que la transferencia de calor sea efectiva, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la región fría.. Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo. El agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes atmosféricas.. Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presión y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende de las necesidades de enfriamiento.. Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas temperaturas al disminuir la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el evaporador. [14].

(32) Selección del refrigerante adecuado. En los inicios de la refrigeración se utilizaron el dióxido de azufre, amoníaco y éter etílico, con el pasar de los años se utilizaron compuestos clorofluorocarbonados (CFC). Se designan R-11, R-12, R-22 y R-502 (mezcla del R-22 y R115). Al final de la década de los ochenta se tomaron medidas internacionales para restringir el uso de ciertos CFC, ya que se encontró que reduce la capa protectora del ozono de la atmósfera y contribuye al efecto invernadero. Así en la década de los noventa se inicia un periodo en el que se investiga nuevos refrigerantes, como los compuestos hidrofluorocarbonados (HFC). El problema radica en el hecho de la baja de eficiencia cuando simplemente se hace el cambio del refrigerante al sistema, sin modificaciones para adaptarlo. Cuando se selecciona un nuevo refrigerante generalmente es necesario rediseñar el compresor. [15]. 3.2.23 Los refrigerantes fluorados más comunes son: R407C y R410, Es el que más se usa en instalaciones de Aire Acondicionado y bombas de calor. R 134a normalmente se usa en pequeñas plantas de refrigeración a causa de entre otras cosas, que calor de evaporación de la cantidad de refrigerante en circulación es relativamente pequeño. R 404A, Es el refrigerante que se usa en plantas de congelación donde se necesitan más bajas temperaturas. Además de estos refrigerantes fluorados, hay una larga serie de otros que no se ven a menudo hoy: R23, R417,R508A, etc.. Amoniaco NH3 El amoniaco NH3 es usado normalmente en grandes plantas de refrigeración. Su punto de ebullición es de -33°C. El amoniaco tiene un olor característico incluso en pequeñas concentraciones con el aire. No arde, pero es explosivo cuando se mezcla con el aire en un porcentaje en volumen de 13-28. Es corrosivo el cobre y aleaciones de cobre no se pueden emplear en plantas de amoniaco.. El más comúnmente utilizado en la refrigeración y en los textos de termodinámica en la actualidad es el R-134a. al no ser agresivo al medio ambiente. Este gas es el que se utilizara en la construcción del proyecto.

(33) 3.2.24 Regulación Automática: Teoría de Control Es una rama de la ingeniería que se ocupa principalmente del control de un proceso en un estado determinado, la aplicación de esta teoría es de gran ayuda en el avance de la ingeniería así como en las principales áreas de la industria entre ellas la de procesos de manufactura y fabricación automotriz, producción textil, alimentos, aeroespaciales y en general cualquier operación donde se requiera controlar variables especificas ya sea temperatura,humedad,flujo,presión,etc[23]. Gracias a esto se obtiene un desempeño óptimo de los sistemas involucrados en las diferentes áreas de aplicación de esta teoría dando como resultado mejoras en la productividad y reducción de la carga de operación en acciones manuales y repetitivas como resultado de automatizar implementando la teoría de control [23]. Importancia del Control Automático Importancia del Control Automático. Los controles automáticos tienen una intervención cada vez más importante en la vida diaria, desde los simples controles que hacen funcionar un tostador automático hasta los complicados sistemas de control necesarios en vehículos espaciales, en guiado de proyectiles, sistemas de pilotajes de aviones, etc. Además el control automático se ha convertido en parte importante e integral de los procesos de manufactura e industriales modernos. Por ejemplo el control automático resulta esencial en operaciones industriales como el control de presión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo en las industrias de procesos, maquinado manejo y armado de piezas mecánicas en las industrias de fabricación, entre muchas otras. 3.2.25 Requerimientos generales de un sistema de control La estabilidad, exactitud y rapidez de respuesta son características que debe tener todo sistema de control.. Estabilidad: Necesariamente, un sistema debe ser estable, esto significa que la respuesta a una señal, ya sea el cambio del punto de referencia a una perturbación, debe alcanzar y mantener un valor útil durante un período razonable. Un sistema de control inestable producirá, por ejemplo, oscilaciones persistentes o de gran amplitud en la señal, o bien, puede hacer que la señal tome valores que corresponden a límites extremos. Una respuesta inestable es indeseada desde el punto de vista de control. Es necesario también, conocer la cantidad o grado de estabilidad que tiene un sistema, porque puede suceder que un sistema que sea estable, esté cerca de los límites de pasar de ser estable a inestable por el uso que se le de al sistema en el transcurso del tiempo, o por el recambio de algún componente al realizar cualquier tipo de mantenimiento. La inestabilidad está latente en cada sistema, por eso es importante poder medir la cantidad de estabilidad..

(34) Exactitud: Un sistema de control debe ser exacto dentro de ciertos límites especificados, esto significa que el sistema debe ser capaz de reducir cualquier error a un límite aceptable. Es conveniente hacer notar que no hay sistemas de control alguno que pueda mantener un error cero en todo tiempo, porque siempre es necesario que exista un error para que el sistema inicie la acción correctora. Aún cuando haya sistemas que matemáticamente pueden reducir a cero el error en el sistema, esto no sucede en la realidad a causa de las pequeñas imperfecciones inherentes a los componentes que forman el sistema. En muchas aplicaciones de control, no se requiere una exactitud extrema. La exactitud es muy relativa y sus límites están basados en la aplicación particular que se haga del sistema de control (Por Ej: la exactitud en la posición final de un elevador es menos estricta que la exactitud requerida para apuntar exactamente la posición de un telescopio espacial grande LST). El costo de un sistema de control aumenta al hacerse necesario un aumento de exactitud.. Rapidez de respuesta: Es la cualidad que debe tener un Sistema de control para que funcione a tiempo. Un sistema de control debe completar su respuesta a una señal de entrada en un tiempo aceptable. Aunque un sistema sea estable y tenga la exactitud requerida no tiene ningún valor si el tiempo de respuesta a una entrada, es mucho mayor que el tiempo entre las señales. El ingeniero dedicado a los sistemas de control debe diseñar su sistema de manera tal que se cumplan las tres condiciones de estabilidad, exactitud y rapidez de respuesta. Esto no siempre es sencillo ya que las condiciones tienden a ser incompatibles y debe establecerse una situación de compromiso entre ellas. 3.2.26 Identificación Efectuar una identificación de los parámetros propios de un sistema específico, requiere del diseño de un experimento que permita evaluar la respuesta del sistema a diferentes estímulos. Entonces, el primer paso para la identificación del sistema es hacer un diseño del experimento mediante el estímulo de la planta con señales de entrada de diferentes amplitudes, frecuencias y formas, teniendo en cuenta las condiciones físicas del sistema y los puntos de operación alrededor de los cuales se quiera efectuar el experimento.. Después de obtener la respuesta a cada estímulo, se procede a realizar la selección de la estructura; es decir escoger el modelo matemático más conveniente para determinar una función de transferencia que describa de la manera más aproximada el comportamiento de la planta. En aras de lograr una identificación completa las señales con las cuales se estimula el sistema deben tener variaciones en frecuencia y en amplitud, así como considerar los posibles ruidos que puedan llegar a perturbar el sistema, todo para evaluar el comportamiento de la planta ante las posibles eventualidades que se puedan presentar. Para el diseño del experimento, Se involucra la aplicación de diferentes estímulos de energía alrededor de un punto de operación determinado, esto se efectúa mediante diferentes señales como lo son: paso, cuadrada y pseudoaleatoria. Dicho punto se escoge de acuerdo a las.

(35) condiciones específicas del sistema que se quieren evaluar. En la Figura No 1 se presenta un diagrama de flujo en el cual se describe de manera gráfica la metodología general que se aplica para hacer identificación de un sistema.. Figura 6 Proceso de identificación [22] En el diseño del experimento se involucra el análisis de la curva de proceso del sistema la cual se obtiene introduciendo un paso unitario en configuración de lazo abierto. En base a esta respuesta se selecciona una estructura, es decir un modelo matemático específico que permita generar una función de transferencia..

(36) Luego de saber qué modelo se utilizará, se hace el cálculo de parámetros. Lo cual no es más que hallar las constantes que y/o funciones de la estructura seleccionada, mediante algún proceso matemático. En el caso discreto, para efectos del cálculo se suelen utilizar las ecuaciones en diferencias .Se hace la validación para determinar la exactitud de la función seleccionada evaluada con las constantes halladas. El modelamiento se hace si y solo si la respuesta de la función de transferencia obtenida satisface un mínimo de exactitud requerida al ser evaluada; si no, es necesario devolverse al primer paso y repetir el proceso. Señales aplicadas Se suelen aplicar tres señales específicas para estimular el sistema con el fin de hallar la curva de reacción, los límites de la amplitud de dichas señales dependen del punto de operación que se esté trabajando. A continuación se nombra cada una de las señales que típicamente son aplicadas en la metodología de identificación:. Paso La particularidad de esta señal es que su amplitud varía entre 0 y un valor máximo que se mantiene durante el resto del tiempo que dure energizada como se ve en la figura. Figura 7 Señal paso identificación [22] Paso modificada Este tipo de señal es generada por medio de una señal paso convencional, pero a esta se le agrega una modificación la cual hace que la señal paso en un cierto tiempo t1 su amplitud varié de al forma que en esta nueva amplitud sigue teniendo un valor constante en x, es decir es como si la señal paso tuviera dos saltos reflejados en el cambio de amplitud, como se ve en la figura 8..

(37) . Figura 8 Señal paso cuadrada identificacion[22] Cuadrada La amplitud de esta señal varía entre un máximo y un mínimo de manera simétrica con respecto a un eje que bien puede ser 0 u otro valor. Su frecuencia de oscilación es constante como se ve en la figura .Teniendo la frecuencia a la que debe oscilar esta señal, es necesario determinar su amplitud máxima y mínima. Esto se determina de una manera muy experimental, se evalúa cuál es la amplitud mínima a la cual el sistema presenta una variación visible.. Figura 9 Señal cuadrada identificación [22].

(38) Seudoaleatoria Tanto la amplitud como la frecuencia de esta señal varían entre todos los valores de un rango máximo y mínimo determinado como se ve en la figura 4. Para generar una señal de este tipo es necesario manejar valores ramdon entre 0 y 1, posteriormente estos se operan para obtener diferentes amplitudes y frecuencias que limitan según el tratamiento matemático dado a los valores ramdon. Esta señal debe tener un límite máximo en cuanto a la variación de su amplitud y su frecuencia, esto se determina gracias a la señal cuadrada y a la paso. Se halla el t y se dirá que la señal Seudoaleatoria tendrá una variación de su frecuencia entre t y 4t y la amplitud variará entre el doble y menos el doble de lo que oscila la señal cuadrada.. Figura 10 Señal seudoaleatoria [22].

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