Validación de datos experimentales mediante hotbox de la respuesta transitoria de materiales de ensamblajes de construcción

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(1)VALIDACIÓN DE DATOS EXPERIMENTALES MEDIANTE HOTBOX DE LA RESPUESTA TRANSITORIA DE MATERIALES DE ENSAMBLAJES DE CONSTRUCCIÓN. GEOVANNY ALBERTO VERGARA RAMIREZ. Proyecto de grado presentada a La Universidad de los Andes Como requisito parcial de grado Programa de Pregrado En Ingeniería Mecánica. Director. I.M. M.Sc. Rafael Beltrán.. Universidad de los Andes Ingeniería Mecánica Bogotá 2008. i.

(2) Declaro que soy el único autor de la presente tesis Autorizo a la Universidad de los Andes para que esta tesis sea prestada a otras instituciones o personas para propósitos de investigación solamente.. Firma. También autorizo a la Universidad de los Andes para que este documento sea fotocopiado en su totalidad o en parte por otras instituciones o personas con fines de investigación solamente.. Firma. ii.

(3) Carta de Presentación Bogotá, diciembre 14 de 2008. Doctor Luis Mario Mateus Sandoval Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes. Estimado doctor Mateus Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado titulado: “Validación de datos experimentales mediante hotbox de la respuesta transitoria de materiales de ensamblajes de construcción” como requisito parcial de grado del programa de Pregrado en ingeniería Mecánica Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud.. Atentamente, GEOVANNY ALBERTO VERGARA RAMIREZ. iii.

(4) AGRADECIMIENTOS. Deseo agradecer a las siguientes personas que me brindaron su apoyo para la realización de este trabajo de tesis. A Rafael Beltrán, por su guía y apoyo. A Cesar Benavides, no lo hubiera logrado sin su ayuda e interés. A Humberto, por su compañía en tantas trasnochadas. A la Princesa, por su amor y presión permanente. A mis padres, por su paciencia y fe en mí. GRACIAS!, INFINITAS GRACIAS! Y a Dios, porque solo ÉL y con ÉL he podido llegar a hasta este punto de mi carrera.. iv.

(5) TABLA DE CONTENIDO LISTA DE FIGURAS ............................................................................................ VII INTRODUCCIÓN ................................................................................................ VIII 1. OBJETIVOS .................................................................................................... IX 1.1. Objetivos Generales ................................................................................. IX. 1.2. Objetivos Específicos................................................................................ IX. 2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 1 2.1. Definición y principios básicos de la Transferencia de Calor ...................... 1. 2.2. Propiedades Térmicas de los Materiales .................................................... 1. 2.3. Conducción Térmica. .................................................................................. 5. 2.4. Definición y estructura de un Sistema de Refrigeración Básico .................. 6. 2.5. Definición y estructura de un Sistema de Control de Temperatura PID ...... 7. 2.6. En qué consiste y cuál es la aplicación de la Norma ASTM C 236 ........... 10. 3. REDISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL GUARDED HOT BOX ........................ 13 3.1. Estado General GHB ................................................................................ 13. 3.2. Cambios realizados a la Cámara Caliente (C.C.) ..................................... 16. 3.3. Cámara de Medición (C.M.) ...................................................................... 18. 3.4. Cámara Fría (C.F.) ................................................................................... 20. 3.5. Mejoras Externas ...................................................................................... 20. 4. CONTROL DE TEMPERATURA DEL GUARDED HOT BOX ......................... 22 4.1. Sistema de Control de Temperatura de la Cámara Fría (Cold Box) ......... 22. 4.2 Sistema de Control de Temperatura de la Cámara Caliente (Guard Box) y la Cámara de Medición (Metering Box)............................................................ 22 4.3. Dispositivos y Diagramas de conexión ..................................................... 23. 5. EVALUACIÓN Y RESULTADOS ..................................................................... 25 5.1. Calculo de Q. Cálculo de la energía calórica entregada por la C.M. ........ 25. 5.2. Calibración de la Hotbox. .......................................................................... 29. 5.3. Elementos caracterizados térmicamente .................................................. 30. v.

(6) 6. VALORACIONES DURANTE LA REPOTENCIACIÓN Y EXPERIMENTACIÓN DEL GUARDED HOT BOX .................................................................................... 38 6.1. Desventajas y Problemas Presentados .................................................... 38. 6.2. Mejorías, Soluciones y Ventajas Presentadas. ......................................... 38. 6.3. Trabajo Futuro .......................................................................................... 39. 7. CONCLUSIONES ............................................................................................ 40 8. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 41. vi.

(7) LISTA DE FIGURAS Figura 1. Diagrama de un sistema básico de refrigeración. ................................................................................. 7 Figura 2. Diagrama de bloques de un controlador PID ........................................................................................ 8 Figura 3. Diagrama Guarded Hot Box ............................................................................................................... 11 Figura 4 Transferencia de calor a través de una placa plana. Distribución de Temperatura ............................. 11 Figura 5 Transferencia de calor a través de una placa plana Circuito Térmico ................................................. 11 Figura 6 Esquema del arreglo de los equipos en la cámara caliente y en la cámara fría. Vista superior. ......... 15 Figura 7 Esquema del arreglo de los equipos en la cámara caliente y en la cámara fría. Vista lateral. ........... 15 Figura 8 Detalle de GHB desarrollada durante 2008 II ...................................................................................... 16 Figura 9 Dispositivo calefacción previo.............................................................................................................. 16 Figura 10 Nuevo sistema de calefacción. .......................................................................................................... 16 Figura 11 Detalle de caucho aislante anterior ................................................................................................... 17 Figura 12 Detalle de empaques actuales. ......................................................................................................... 17 Figura 13 Relleno de silicona. Mejora de sellamiento C.C.y C.F ....................................................................... 18 Figura 14 Nueva C.M. ........................................................................................................................................ 19 Figura 15 Sistema Apoyo C.M. .......................................................................................................................... 19 Figura 16 Detalle de C.C. y C.M. actuales......................................................................................................... 19 Figura 17 Vista Frontal C.F. ............................................................................................................................... 20 Figura 18 Dispositivos de control de temperatura para C.F ............................................................................... 22 Figura 19 Dispositivos de control de temperatura para C.C. (Derecha) y C.M (Izquierd ................................... 22 Figura 20 Diagrama de conexión C.M. .............................................................................................................. 23 Figura 21 Diagrama de conexión C.C................................................................................................................ 24 Figura 22 Diagrama de conexión C.F. ............................................................................................................... 24 Figura 23 Montaje para cálculo de corriente ...................................................................................................... 25 Figura 24 Valor R.M.S. de corriente que pasa por las resistencias en C.M. ...................................................... 26 Figura 25 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. Prueba 1. t=18ms ......................................... 27 Figura 26 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. Prueba 2. t=77ms .......................................... 27 Figura 27 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. Prueba 3. t=412 ms ...................................... 27 Figura 28 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. Prueba 4. t=162 ms ...................................... 27 Figura 29 Tiempo en que no pasa corriente por Resistencias C.M. t=670 ms ................................................ 28 Figura 30 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. t=340 ms ..................................................... 28 Figura 31 Tiempo en que no pasa corriente por Resistencias C.M. t=588 ms ................................................. 28 Figura 32 Tiempo en que no pasa corriente por Resistencias C.M. t=680 ms ................................................ 28 Figura 33 Placa de Drywall caracterizada durante el proyecto .......................................................................... 31 Figura 34 Montaje de la placa de Drywall en la HotBox .................................................................................... 31 Figura 35 Características de placa de Drywall caracterizada. ........................................................................... 31 Figura 40 Datos de de Temperatura para Drywall. Prueba 1 ............................................................................ 33 Figura 41 Datos de de Temperatura para Drywall. Prueba 2 ............................................................................ 34 Figura 36 Ventana caracterizada durante el proyecto ....................................................................................... 35 Figura 37 Montaje de la Ventana en GHB. Toma 1 ........................................................................................... 35 Figura 38 Montaje de la Ventana en GHB. Toma 2 ........................................................................................... 35 Figura 39 Montaje de la Ventana en GHB. Toma 3 ........................................................................................... 35 Figura 42 Datos de de Temperatura para Ventana. Prueba 1 ........................................................................... 36. vii.

(8) INTRODUCCIÓN Con el paso del tiempo las fuentes de energía no renovables se hacen más escasas, generando un constante aumento de precios y haciendo necesario optimizar el uso de las mismas. Durante el diseño de arquitectural de una vivienda en Colombia, pocas veces se realiza un análisis térmico de las estructuras. Debido a esto la mayoría de las empresas que proveen insumos para la construcción no caracterizan térmicamente sus materiales. Los materiales de ensamblajes de construcción tales como ventanas, muros, muros falsos, paneles, etc. Tienen una buena caracterización de sus propiedades mecánicas, eléctricas, físicas y químicas, pero no existe un buen detalle de sus propiedades térmicas, muy necesarias con el fin de optimizar energía, dado que una caracterización adecuada permite construcción de viviendas inteligentes que requieran del uso de reducido de calefacción o refrigeración. Actualmente en Colombia estos sistemas no tienen mucha aplicación debido a su ubicación geográfica; sin embargo, equipos como aires acondicionados son de gran utilidad en regiones de alto potencial de desarrollo comercial y turístico como lo son nuestras costas. Un método para clasificar térmicamente materiales es conocido como Guarded Hot Box. El método suministra una medición de la transferencia de calor a través de una muestra (panel de prueba) en condiciones controladas, temperatura, velocidad de aire y radiación, son establecidas por una cámara de medición (Metering Box) en un lado y una cámara climática aislada térmicamente de los alrededores (cold Box) del otro lado. Las mediciones se realizan en condiciones de estado estable. El calor transferido a través del panel de prueba es determinado midiendo el calor entregado a la cámara de medición en términos de potencia eléctrica. Para minimizar las pérdidas posibles en calor se realiza una corrección de la temperatura de los alrededores mediante el control de una cámara que rodee la cámara de medición (Guard Box), que está aislada externamente y que se mantiene a la misma temperatura. La universidad de los Andes contaba con una Guarded Hot Box, en muy mal estado y no servía como herramienta de trabajo. El objeto de este proyecto de grado fue rediseñar y reconstruir dicha Guarded Hot Box, con el fin de dejar un sistema optimo que permitiera caracterizar térmicamente diferentes materiales. Para validar los resultados de este proyecto, se caracterizaron un par de materiales usados en la construcción: Una ventana típica de un apartamento y el drywall o yeso cartón, que se usa en muchas ocasiones con la finalidad de crear diferentes ambientes en casas, apartamentos, oficinas, etc.. viii.

(9) 1. OBJETIVOS 1.1. Objetivos Generales. ·. Repotenciar la caja de trasferencia de calor (Guarded Hot Box) de la universidad de los Andes, que se encuentra en el laboratorio de Ingeniería Mecánica.. ·. Establecer el rendimiento térmico de diferentes materiales de construcción utilizados en las edificaciones en Colombia.. 1.2. Objetivos Específicos. Para el lograr un desarrollo de los dos objetivos generales, se plantearon los siguientes objetivos específicos. Para el primer objetivo general. ·. Identificar y corregir los daños presentes en la Guarded Hot Box. Se verificara el estado de cada una de las partes de la misma y se cambiaran aquellas que no tengan arreglo.. ·. Realizar las pruebas necesarias que garanticen el adecuado funcionamiento del Guarded Hot Box.. ·. Implementar el sistema de control de temperatura adecuado para obtener las condiciones demandadas por los requerimientos de la norma ASTM, C236-89.. ·. Sintonizar los diferentes controladores, PI, PID, PID Fuzzy, etc, del sistema de control de temperatura implementado en el Guarded Hot Box.. Para el segundo objetivo general. ·. Desarrollar un sistema computacional que permita el monitoreo en tiempo real del sistema.. ·. Realizar diferentes medidas con cada uno de los materiales a caracterizar.. ·. Hacer análisis estadísticos de las medidas realizadas.. ·. Comparar los resultados teóricos calculados con los resultados prácticos.. ix.

(10) 2. MARCO TEÓRICO Se puede partir que para la validación de datos experimentales mediante Hot Box existen básicamente dos tipos de “cajas calientes” o hot-box: “calibrated hot-box” y “guarded hot-box”. Ambos tipos de equipos, desarrollan métodos utilizados para determinar las propiedades de transferencia de calor en embalajes de construcción tales como paredes, techos y ventanas. La caja de transferencia de calor (Guarded Hot Box) que será el método utilizado en este estudio, desarrolla las mediciones mediante un equipo que consta de una cámara caliente y una cámara fría, entre las cuales se ubica el material a medir, buscando que el calor fluya transversalmente y de manera continua en una sola dirección. Antes de ahondar, mas en el detalle teórico de la metodología utilizada en este estudio, revisaremos conceptos básicos y generales desde la transferencia de calor hasta la norma ASTM C 236 que es el soporte experimental de los resultados obtenidos. 2.1. Definición y principios básicos de la Transferencia de Calor. La transferencia de calor puede definirse como el proceso en el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura, la cual siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, tal cual lo enunciado en la ley cero de la termodinámica y según la cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. Existen tres formas mediante las cuales se transfiere calor: por conducción, por convección o por radiación, las cuales a grandes rasgos se refieren a: ·. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido o simplemente estacionario.. ·. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes.. ·. La radiación es la transferencia de calor mediante la generación de ondas electromagnéticas.. 2.2. Propiedades Térmicas de los Materiales. Las propiedades térmicas de los materiales afectan la transferencia de energía y dependen directamente de la estructura física de la materia.. 1.

(11) A continuación se enuncian dichas propiedades. 2.2.1 Conductividad Térmica, k. Es la velocidad del flujo de calor a través de un área y grosor unitario de una superficie de material homogéneo en dirección perpendicular a ésta, inducida por una diferencia de temperatura. Su expresión matemática es:. K=. qx * L A * (T1 - T2 ). (1.1). En donde: K = conductividad térmica en vatios por metro y kelvin qx = transferencia de calor por unidad de tiempo en vatios L = espesor del panel en metros A = área de medición en metros cuadrados T1 = temperatura de la superficie caliente del panel T2 = temperatura de la superficie fría del panel 2.2.2 Conductancia Térmica, C. Es la velocidad de flujo de calor a través de un área unitaria de un cuerpo, inducido por una diferencia unitaria de temperatura entre dos superficies. La conductancia térmica y resistencia térmica son recíprocas. Su expresión matemática es:. C=. W S*K. 1. (1.2). En donde: C = conductancia en vatios por metro cuadrado y kelvin. W = potencia en vatios. S = superficie en metros cuadrados. K = diferencia de temperaturas en kelvin. 2.2.3 Resistencia Térmica, R. Se refiere a la diferencia de temperatura en equilibrio entre dos superficies de material que induce una velocidad de flujo de calor unitario a través de una unidad de área. Su expresión matemática es:. R=. S*K 1 = W C. (1.3). 1. Transmitancia y Conductancia Térmica. (2008, 27) de octubre. Wikipedia, La enciclopedia libre. Fecha de consulta: 18:16, diciembre 4, 2008 de http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Transmitancia&oldid=21272767.. 2.

(12) En donde: R = resistencia térmica en kelvin y metro cuadrado por vatios S = superficie en metros cuadrados K = diferencia de temperatura en kelvin W = potencia en vatios 2.2.4 Conductancia Superficial, (llamada a menudo coeficiente o película superficial). Es la velocidad de flujo de calor desde un área unitaria de una superficie hacia sus alrededores, inducida por una diferencia unitaria de temperatura entre la superficie y el ambiente. Su expresión matemática es:. hh =. qx A * (Th - T1 ). (1.4). En donde: hh = conductancia superficial del lado caliente en vatios por metro cuadrado y kelvin qx = transferencia de calor por unidad de tiempo en vatios A = área de medición en metros cuadrados Th = temperatura del aire del lado caliente en kelvin T1 = temperatura de la superficie caliente del panel en kelvin Para el cálculo del lado frio tenemos la siguiente fórmula matemática:. hc =. qx A * (T2 - Tc ). (1.5). En donde: hc = conductancia superficial del lado frio en vatios por metro cuadrado y kelvin qx = transferencia de calor por unidad de tiempo en vatios A = área de medición en metros cuadrados Tc = temperatura del aire del lado frio en kelvin T2 = temperatura de la superficie fria del panel en kelvin 2.2.5 Resistencia Superficial, r. superficial son recíprocos.. La resistencia superficial y la conductancia. Infiere una diferencia de temperatura entre una superficie isotérmica y sus alrededores cuando un flujo unitario de calor por unidad de área se establece. 3.

(13) entre las superficies y sus alrededores bajo condiciones de estado estable por efectos combinados de conducción, convección y radiación. Su expresión matemática es:. rh =. A * (Th - T1 ) qx. (1.6). En donde: rh = resistencia superficial del lado caliente en kelvin y metro cuadrado por vatios qx = transferencia de calor por unidad de tiempo en vatios A = área de medición en metros cuadrados Th = temperatura del aire del lado caliente en kelvin T1 = temperatura de la superficie caliente del panel en kelvin 2.2.6 Transmitancia Térmica, U (llamado coeficiente global de transferencia de calor). La transmisión de calor en unidad de tiempo a través de una unidad de área de un material y las fronteras de aire, inducido por una diferencia unitaria de temperatura entre los ambientes en cada lado. Su expresión matemática es:. U=. qx A * (Th - Tc ). (1.7). En donde: U = transmitancia térmica en vatios por metro cuadrado y kelvin qx = transferencia de calor por unidad de tiempo en vatios A = área de medición en metros cuadrados Th = temperatura del aire del lado caliente en kelvin Tc = temperatura del aire del lado frio en kelvin 2.2.7 Resistencia Térmica General, Ru: La diferencia de temperatura entre ambientes en los dos lados de un cuerpo o ensamblaje cuando una unidad de flujo de calor por unidad de área se establece a través de dicho cuerpo o ensamblaje bajo condiciones estables. Su expresión matemática es:. Ru =. A * (Th - Tc ) qx. (1.8). En donde: Ru = resistencia térmica general en metro cuadrado y kelvin por vatios 4.

(14) qx = transferencia de calor por unidad de tiempo en vatios A = área de medición en metros cuadrados Th = temperatura del aire del lado caliente en kelvin Tc = temperatura del aire del lado frio en kelvin 2.2.8 Sistemas Aislantes: indica una conductividad térmica baja. En aislantes tipo fibra, polvo y escamas, el material sólido se dispersa finamente en el espacio de aire. Estos sistemas se determinan por una conductividad térmica efectiva, que depende de la conductividad térmica y propiedades radiactivas de la superficie del material y también miden de la naturaleza y fracción volumétrica del aire o espacio vacío. 2.3. Conducción Térmica.. La conducción esta directamente asociada a la actividad atómica y molecular, ya que es considerada como el resultante de interacciones moleculares, donde la transferencia de energía se produce desde las partículas más energéticas a las menos energéticas. Las moléculas que se encuentran a una mayor temperatura y que están asociadas a energías moleculares más latas, vibran a mayor rapidez. Cuando estas moléculas chocan contra las menos energéticas, se produce la transferencia de calor; a raíz de las diferencias de temperatura. La rapidez o razón de la conducción de calor depende de la geometría del material, el espesor y de que este hecho, así como de la diferencia de temperatura a través de él. Es posible cuantificar los procesos de transferencia de calor mediante ecuaciones, que permiten calcular la cantidad de energía que se transfiere por unidad de tiempo. Para la conducción de calor, dicha ecuación se conoce como Ley de Fourier. Joseph Fourier, en su libro “Théorie Analytique de le Chaleur” formulo una completa teoría de la conducción de calor a partir de la ley empírica que lleva su nombre. La Ley de Fourier parte de que el flujo de calor q, que se presenta durante el proceso de conducción térmica es proporcional a la magnitud del gradiente de temperatura y opuesto a este signo (el signo negativo es el resultado de que la transferencia se haga en dirección a la temperatura decreciente). Este concepto lo podemos expresar de la siguiente manera:. Q=K*. dT dx. (1.9). 5.

(15) Donde K, la constante de proporcionalidad es una propiedad de transporte y es una característica del material, conocida como la conductividad térmica. La distribución de temperatura para el caso de una placa plana se puede resolver mediante sus condiciones de frontera, teniendo en cuenta que se encuentra en condiciones de estado estable, sin generación de calor y a una rata de flujo de calor constante. Para este caso tenemos la siguiente ecuación:. d dT K =0 dx dx 2.4. (1.10). Definición y estructura de un Sistema de Refrigeración Básico. Un sistema de refrigeración básico está compuesto por cuatro procesos por separado, que forman un macroproceso, en el cual un fluido determinado cambia de fase de líquido a vapor. Este sistema consta de tres equipos principales atreves de los cuales circula el fluido refrigerante: ·. Condensador: dispositivo que permite los intercambios de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas y separados por una pared solida, produciendo una sustancia liquida a presión constante al transferir calor desde la misma sustancia.. ·. Compresor: dispositivo que dentro del sistema de refrigeración aspira el fluido refrigerante a baja presión y temperatura, comprimiéndolo y descargándolo bajo condiciones de temperatura y presión que permitan su condensación.. ·. Evaporador: dispositivo en el cual se produce el efecto refrigerante, donde el fluido utilizado para tal efecto, entra a la presión y temperatura necesarias para que se efectúe el enfriamiento del medio que lo rodea.. El sistema de refrigeración básico, se puede resumir de la siguiente manera: el compresor aspira el fluido refrigerante y lo comprime hasta efectuar la condensación, momento en el cual efectúa la descarga el condensador. El fluido refrigerante entra en el condensador en estado de gas y sale en estado líquido. Este fluido cede su calor al agente condesante que bien puede ser agua o aire. En este proceso, aparece un componente adicional denominado dispositivo de expansión, el cual hace que el fluido que entra en estado líquido sufra una caído de presión y temperatura, optima para entrar al evaporador. Para finalizar este proceso, el fluido refrigerante entra en el evaporador a baja presión y temperatura, enfriando la cámara. 6.

(16) En la Figura 1 se puede observar un sistema básico de refrigeración y sus componentes anteriormente descritos: Figura 1. Diagrama de un sistema básico de refrigeración.. 2.5 PID. Definición y estructura de un Sistema de Control de Temperatura por. Un controlador automático es un dispositivo basado en sistemas informáticos, que funciona mediante el monitoreo de una señal de error, que es la diferencia entre los valores establecidos y los valores reales o medidos que el parámetro a controlar tiene. Para poder controlar la temperatura en un sistema se puede realizar mediante el algoritmo siguiente: ·. Leer la temperatura del material (Tmuestra) usando un sensor de temperatura.. ·. Se compara la temperatura de la muestra con la temperatura de ajuste (Tajuste).. ·. Basada en esta comparación, se decide que valor de voltaje (T entrada) se necesita enviar para que la temperatura de la muestra se acerque a la temperatura de ajuste.. ·. Mediante un circuito inversor, se conecta a la celda de Peltier con el objetivo de realizar una inversión de voltaje, es decir; caliente o enfríe.. Este proceso se ejecuta continuamente hasta obtener la temperatura deseada El control PID (control proporcional, mas integral, mas deriverativo, o control de tres funciones) combina el control proporcional con dos ajustes adicionales que ayudan a compensar automáticamente los cambios en el sistema. El sistema PID es el tipo de control más preciso y estable, ideal para sistemas que reaccionan rápidamente a cambios de energía y del setpoint, como es el caso del sistema de calefacción.. 7.

(17) El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional determina la reacción del error actual y el Integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques de un controlador PID. 2. Figura 2. Diagrama de bloques de un controlador PID. El adecuado funcionamiento de un controlador PID requiere: ·. Un sensor, que determine el estado del sistema. El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la cual representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema.. ·. Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador. El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de referencia, la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la señal que proporciona el sensor. El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de referencia, obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado y el valor medido. La señal de error es utilizada por cada uno de los 3 componentes del controlador PID. Las 3 señales sumadas, componen la señal de salida que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador.. ·. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada.. 2. Proporcional integral derivativo. (2008, 3) de diciembre. Wikipedia, La enciclopedia libre. Fecha de consulta: 10:30, diciembre 3, 2008 from http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Proporcional_integral_derivativo&oldid=22324548.. 8.

(18) Las tres componentes de un controlador PID se describen ampliamente a continuación 2.5.1 Componente proporcional. La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la constante proporcional con el fin de que el error en estado estacionario sea casi nulo, pero en la mayoría de los casos, estos valores solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control, siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este fenómeno se llama sobreoscilación y, por razones de seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte proporcional ni siquiera produzca sobreoscilación. Hay una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control. La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto al tiempo, es incluyendo y conFigurando las acciones integral y derivativa. 2.5.2 Componente integral. Esta tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o sumarlo por un periodo de tiempo determinado; Luego es multiplicado por una constante I (constante de integración). Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el control P + I con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario. El modo integral presenta un desfasamiento en la respuesta de 90º que sumados a los 180º de la retroalimentación (negativa) acercan al proceso a tener un retraso de 270º, luego entonces solo será necesario que el tiempo muerto contribuya con 90º de retardo para provocar la oscilación del proceso. <<< la ganancia total del lazo de control debe ser menor a 1, y así inducir una atenuación en la salida del controlador para conducir el proceso a estabilidad del mismo. >>> Se caracteriza por el tiempo de acción integral en minutos por repetición. El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset (desviación permanente de la variable con respeto al punto de referencia) de la banda proporcional.. 9.

(19) 2.5.3 Componente derivativa. La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral). El error es la desviación existente entre el punto de medida y el valor de referencia, o "Set Point". La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el error se incremente. Es importante adaptar la respuesta de control a los cambios en el sistema ya que una mayor derivativa corresponde a un cambio más rápido y el controlador puede responder acordemente. 2.6. En qué consiste y cuál es la aplicación de la Norma ASTM C 236. La norma ASTM C 236 hace referencia a la medición de las propiedades de transferencia de calor en estado estable de paneles, ensamblajes de construcción y otras estructuras verticales con rangos similares de temperatura. Adicionalmente, estipula los principales parámetros para la construcción de cajas de transferencia de calor (Guarded Hot Box). El Guarded Hot Box se utiliza para determinar tres propiedades térmicas: conductancia (C), la transmitancia térmica (U), y la resistencia térmica (R); para lo cual se requiere conocer el área, (A), el flujo de calor, (q), y la diferencia de temperaturas; todo bajo condiciones que garanticen que el flujo de calor es estable. La Figura 3 muestra un arreglo del Hot Box. Se esquematizan las tres cámaras que la componen: la cámara caliente (Guard Box), la cámara de medición (Metering Box) y la cámara fría (Cold Box) con algunas de sus partes principales; de igual manera, se esquematiza la ubicación del panel con respecto a las tres cámaras. Para determinar las propiedades C, U y R, se deben mantener condiciones tales que la diferencia de temperatura entre la cámara caliente y la cámara fría permanezcan constantes, así como la transferencia de calor entre la caja y los alrededores debe ser de casi cero. Tomando como base el modelo esquemático de la conducción unidimensional en una pared plana, vemos como las temperaturas de superficie T s, 1 y T s, 2 son los puntos fronteras de la línea que representa la variación de temperatura para un flujo de calor específico. Ver figuras 4 y 5. 10.

(20) 3. Figura 3 . Diagrama Guarded Hot Box. Figura 4 Transferencia de calor a través de una placa plana. Distribución de Temperatura. Figura 5 Transferencia de calor a través de una placa plana Circuito Térmico. Ya que el área, la longitud transversal y la conductividad térmica no varían con x, entonces las temperaturas deben permanecer constantes para obtener un flujo de calor constante deseado. Al obtener las condiciones ideales, se debe medir por un cierto tiempo el calor transferido de la caja caliente hacia la caja fría a través del panel. Para lograr el objetivo, se recurre a la cámara de medición, la cual, como ya fue mencionado, es colocada dentro de la cámara caliente y su cara abierta debe ubicarse contra la 3. Hot-Box Apparatus (s.f.), Recuperado el 03 de diciembre de 2008 de http://evitherm.athena.as/default.asp?lan=1&ID=100 4&Menu1=1004. 11.

(21) superficie del lado caliente del panel. Si el promedio de temperaturas entre las paredes de la cámara permanecen iguales, entonces el intercambio neto de calor es cero y el flujo de calor a través de un área conocida del panel (el área de la cara abierta de la cámara de medición) será el calor producido por las fuentes térmicas. La porción de panel fuera del área de la caja de medición, rodeada por el aire de la cámara caliente constituye un área de protección que minimiza el flujo de calor lateral. Puesto que uno de los principales objetivos del Guarded Hot Box es conservar una diferencia casi cero de temperatura entre las paredes de la cámara de medición, se debe instalar un sistema de monitoreo y control de temperatura adecuado. Dependiendo de la ubicación de la medición de temperatura, se pueden determinar ciertas propiedades; si se miden las temperaturas caliente y fría superficiales del panel (condiciones de frontera) se determina, por ejemplo, la conductancia térmica, C, o la resistencia térmica, R; por otra parte, al medir la temperatura del ambiente caliente y frío se establece, por ejemplo, la transmitancia térmica, U, o la resistencia térmica general Ru. Si se requiere encontrar el funcionamiento térmico completo del panel, pueden medirse todas. Algunas consideraciones importantes para el buen desempeño del Guarded Hot Box son: ·. Para evitar que exista flujo de calor de las cámaras con los alrededores, se deben recubrir internamente con un material aislante de no más 1.2 W/(m2.K).. ·. Se requiere de un equipo de calefacción constituido por arreglos de resistencias térmicas y, además, ventiladores que generen convección forzada de tal modo que la temperatura en todas las caras de la cámara de medición sea uniforme.. ·. Se requiere un equipo de refrigeración para la cámara fría con las mismas condiciones de uniformidad térmica internas.. ·. El tamaño de las cámaras es arbitrario según las necesidades de medición y el tiempo estimado para permitir que el sistema de control de temperatura esté estabilizado y los periodos en los cuales se realizará la medición también dependen del funcionamiento y estabilidad del sistema incorporado.. 12.

(22) 3. REDISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL GUARDED HOT BOX Como ya se ha dicho el alcance de este proyecto era caracterizar térmicamente dos materiales usados en construcción. Para lo cual, lo primero que se realizó fue el rediseño y reconstrucción de la Guarded Hot Box (GHB), que se encontraba en la universidad de los Andes. Se detallará el estado general en el cual se encontró la GHB y un detalle en cada una de sus cámaras y los cambios que se realizaron en las mismas. 3.1. Estado General GHB. Como base del desarrollo para la Guarded Hot Box realizada en este proyecto, se tomo una ya construida en un proyecto anterior. Se evaluó el estado en el cual se encontraba, con fin de validar si era necesario construir una desde el comienzo. La evaluación inicial no fue alentadora, la GHB estaba en un pésimo estado y no se pudo determinar la razón del mismo, aparentemente durante el trasteo del dispositivo del laboratorio anterior al nuevo laboratorio en el Edificio Mario Laserna el sistema quedo inservible. Aquí un listado general de fallas encontradas: 3.1.1 Cámara caliente (C.C.). Los principales problemas encontrados se describen a continuación. ·. Se encontró que no existía ningún sistema de calefacción instalado. Se habían removido las resistencias eléctricas y se había colocado bombillos, pero de la tampoco se logro conectarlos correctamente.. ·. Los empaques utilizados para aislar la C.C. estaban despegados y el pegante utilizado para unirlos al material aislante, Espuma de Polipropileno, dañaba la espuma, retrayéndola y dejando vacios.. ·. La termocuplas RTD instaladas, no se utilizaban a ningún lado. Los dispositivos de medición de temperatura utilizados en el proyecto anterior (LM35), no estaban en ningún lugar, se presume que se desconectaron a la fuerza y se perdieron.. ·. Estaban instalados dos controladores de temperatura por PID, solo uno de ellos funcionaba correctamente.. ·. Existía un número considerable de cables desconectados de los cuales no se pudo determinar utilidad.. 13.

(23) ·. La cámara había sido perforada en varias ocasiones, por lo cual tenía varios huecos, varios de ellos no habían sido sellados correctamente.. 3.1.2 Cámara de medición (C.M.). ·. Las resistencias internas en la cámara de medición no tenían ningún dispositivo de control. Aparentemente estas eran controladas por un micro controlador y un relé, pero estos dispositivos no se encontraron.. ·. No existían buenos soportes que permitieran darle firmeza a la C.M.. ·. La C.M. al igual que la C.C. tenía malos empaques aislantes.. 3.1.3 Cámara fría (C.F.). ·. En general esta cámara estaba en buen estado, el sistema de refrigeración funcionaba correctamente.. ·. Al igual que en la C.C., los empaques ni la espuma aislante estaban en buen estado.. 3.1.4 Exteriores. ·. No existía un sistema de sujeción eficiente, había un par de abrazaderas que eran el sistema de sellado del de la GHB.. ·. La GHB, no estaba bien sujeta a sus bases, lo cual no permitía una buena sujeción diferentes cámaras.. ·. Ninguna de la cámaras tenía las medía de los planos, solo unas malas aproximaciones de las mismas. ·. Las cámaras C.C., C.M. y C.F. estaban pandeadas y ladeadas. Unos de los problemas más grandes a solucionar.. Aún con todas estas fallas se decidió mantener la GHB construida anteriormente y se realizar las mejoras necesarias para su optimo funcionamiento. Las dimensiones aproximadas externas de las cámaras son (1m x 1m x 0.5) para la cámara fría, para la cámara caliente son (1m x 1m x 0.55m). La cámara de medición tiene dimensiones de (0.40 m x 0.40 m x 0.20 m).. 14.

(24) El material de construcción de las cámaras, madera triplex, es ligero y resistente. Los bordes externos de la estructura están remachados a perfiles de aluminio en “L” de 3cm y 4cm. La C.M. esta unida con puntillas. El material de aislamiento utilizado en el dispositivo es poliuretano en láminas de 2 pulgadas de espesor. El material seleccionado cumple con lo requerido por la norma ASTM C236 dado que la conductividad térmica del Poliuretano es 0.03W m2 °K . La C.F. tiene un sistema de refrigeración que consta de un compresor de 110V, con refrigerante Freon R-22; un evaporador y un condensador cada uno con su ventilador. La puesta en marcha del sistema de refrigeración fue realizada fuera de la universidad por un especialista, y aunque funciona correctamente existe mucho retorno de refrigerante lo cual hace que el sistema de refrigeración trabaje un poco forzado. Las ilustraciones 6 y 7 muestran en detalle el montaje realizado anteriormente para la GHB. 4. Figura 6 Esquema del arreglo de los equipos en la cámara caliente y en la cámara fría. Vista superior.. 5. Figura 7 Esquema del arreglo de los equipos en la cámara caliente y en la cámara fría. Vista lateral.. 4 5. Tomado de [4]. Pagina 13. IBID.. 15.

(25) La Figura 8 muestra un detalle de GHB que se desarrollo durante este semestre. Figura 8 Detalle de GHB desarrollada durante 2008 II. 3.2. Cambios realizados a la Cámara Caliente (C.C.). El primer problema a solucionar era el sistema de calefacción de la C.C. La figura 9 muestra el sistema de calefacción previo y la figura 10 muestra el nuevo sistema Figura 9 Dispositivo calefacción previo.. Figura 10 Nuevo sistema de calefacción.. 16.

(26) El nuevo sistema de calefacción consta de tres resistencias en paralelo, 2 en las paredes laterales y 1 en la pared más grande de la C.C. Se rehabilitaron los ventiladores que ayudan a homogeneizar la temperatura dentro de la C.C. El siguiente paso era corregir la forma de sellado y aislamiento del dispositivo, dado que los cauchos aislantes anteriores estaban despegados y el adhesivo usado para unir los mismos a la espuma de poliuretano, había retraído la misma, haciendo necesario cambiar todo el sistema de sellado. La figura 11 muestra el estado en que se encontraron los cauchos aislantes. Figura 11 Detalle de caucho aislante anterior. Figura 12 Detalle de empaques actuales.. La figura 12 muestra el estado actual de los empaques de sellamiento entre la C.C.y la C.F. Para lograr corregir la retracción de la espuma de poliuretano y tener un buen sellamiento se reforzaron cada uno de los lados de la cámara caliente con tablas de triplex. En seguida, se recubrió la espuma de poliuretano expuesta que hacía contacto con la C.F. con más triplex, y se relleno con silicona los espacios vacios entre la misma y el recubrimiento. La figura 13 muestra el relleno de silicona entre la espuma y las tablas de triplex de refuerzo. Al terminar se colocó un caucho sellante no poroso y macizo alrededor de toda la superficie que realizaría el contacto con la C.F. El caucho utilizado para sellar la C.C., es menos grueso que el utilizado en la C.F y la C.M. Este caucho funcionó. 17.

(27) correctamente, por lo que no se considero necesario comprar un caucho más grueso y costoso. Figura 13 Relleno de silicona. Mejora de sellamiento C.C.y C.F. Acto seguido, se ubicó la termocupla, que determinaría la temperatura de la C.C., cerca a la base de la C.C y uno de los soportes de la C.M. Se llenaron con silicona, los huecos que se encontraron en la espuma de poliuretano y por último se realizó un cableado estructurado dentro de la C.C. de todos los cables que unen las resistencias y ventiladores, con el controlador PID de temperatura para la C.C. que se ubicaba en la parte superior de la Hotbox. 3.3. Cámara de Medición (C.M.). Primero se realizaron refuerzos a la C.M. con puntillas y se aplico pegante para madera para eliminar posibles espacios que permitieran paso de aire caliente entre al C.C y la C.M. Se instalaron dos resistencias eléctricas que se conectaron en serie. Se ubicó la termocupla, que censa la temperatura de la C.M., en el centro de la misma, lo más cercano al material a caracterizar. Seguido a lo anterior, se realizó un cableado estructurado entre las resistencias, la termocupla y el controlador PID de temperatura para la C.M. que se ubicaba en la parte superior de la HotBox. Para soportar firmemente la C.M. se ubicaron 4 soportes de madera unidos a una lámina de madera, la cual se apoya sobre la pared más grande de la C.C. La. 18.

(28) lámina de madera distribuye la presión ejercida sobre la pared, reduciendo el daño a la espuma de poliuretano. La figura 15 presenta lo anterior. Adicional a esos soportes se colocaron 4 soportes más con la finalidad de central la C.M. En la C.C. Por último se colocaron cauchos del mismo tipo de los que si le colocaron a la C.C. solo que en este caso son más gruesos. El área de contacto libre en la cámara de medición es 0,11799 m2. La figura 14 muestra la C.M. actual. Figura 14 Nueva C.M.. Figura 15 Sistema Apoyo C.M.. En la figura 16 se aprecia la C.C y la C.M. actuales Figura 16 Detalle de C.C. y C.M. actuales. 19.

(29) 3.4. Cámara Fría (C.F.). La C.F. era la cámara que se encontraba en mejor estado, el sistema de refrigeración funcionaba correctamente y la espuma estaba poco dañada. Los principales cambios fueron ·. Instalación del termopar que indicará la temperatura interna de la C.F.. ·. Refuerzos en triplex al igual que en la C.C.. ·. Cableado estructurado para la termocupla y el ventilador.. ·. Sujeción a la base de la C.F., dado que antiguamente la C.F., no estaba unida a su base, lo cual impedía realizar un buen contacto con la C.C.. Figura 17 Vista Frontal C.F.. En la figura 17 se aprecia la C.F. actual. 3.5. Mejoras Externas. Las mejoras externas realizadas la HotBox se pueden clasificar en 4. Mejoras en formas de sujeción, adecuación de sistemas eléctricos y de protección a fallas, cajas de conexiones, mejoras estéticas. ·. Mejoras en formas de sujeción. Al recibir la HotBox el sistema de sujeción no era el apropiado para este tipo de dispositivos. Se decidió cambiar el sistema. 20.

(30) de sellado por tornillos con mariposas, apoyados sobre guías en la parte superior y en los costados. Se instalaron en total 6 tornillos, dos arriba y dos en cada costado. Aún cuando colocar y ajustar los tornillos es una labor engorrosa el resultado es un el sellamiento en inigualable. ·. Adecuación de sistemas eléctricos y de protección a fallas. Se adecuo el sistema para que solo tenga una conexión eléctrica de 110V, anteriormente se debían hacer por lo menos 6 conexiones para poner a trabajar el sistema. A esta única conexión se le colocó una protección contra cortos eléctricos. Las cámaras se interconectan entre sí por tomas eléctricas ubicadas en las cajas de conexiones.. ·. Cajas de conexiones. Se colocaron dos (2) cajas de conexiones, las cuales permiten, conectar la HotBox, con el computador y el intercambio de información entre los controladores de temperatura. Otra función de la caja de conexiones es la de reunir en un mismo lugar todos los cables de las cámaras.. ·. Mejoras estéticas. La HotBox se pinto completamente negra y se adicionaron autoadhesivos para identificar cada una de las partes de la misma .. 21.

(31) 4. CONTROL DE TEMPERATURA DEL GUARDED HOT BOX Para controlar la temperatura de las cámaras de la GHB, se adquirieron 3 controladores Maxthermo 5438 con comunicación RS-485. Las especificaciones de los mismos de adicionan al final de este documento, pero no hacen parte del mismo. 4.1. Sistema de Control de Temperatura de la Cámara Fría (Cold Box). Figura 18 Dispositivos de control de temperatura para C.F. La figura 18 muestra el controlador de temperatura la C.F., instalado en la caja de conexiones de la C.F. 4.2 Sistema de Control de Temperatura de la Cámara Caliente (Guard Box) y la Cámara de Medición (Metering Box) Figura 19 Dispositivos de control de temperatura para C.C. (Derecha) y C.M (Izquierd. Podemos observar en la figura 19 muestra el controlador temperatura de las C.C. y C.M., los dos están instalado en la caja de conexiones de la C.C. 22.

(32) 4.3. Dispositivos y Diagramas de conexión. Debido a que uno de los problemas encontrados al tomar el proyecto de la HotBox fue la falta de información de cómo conectar cada uno de los dispositivos, se propuso como objetivo secundario entregar diagramas de conexión para cada caja de la HotBox. Los números dentro de los rombos indican los pines de conexión los dispositivos. El primer plano de conexiones, figura 20, es el de la C.M. debido a que es el más complejo, aquí además de conectar el controlador de temperatura, se conecta el computador al conversor USB- RS485. Tabla que se encuentra dentro del diagrama indica la forma de conectar dicho dispositivo. Figura 20 Diagrama de conexión C.M.. El siguiente plano de conexiones, figura 21, es el de la C.C. Dos detalles importantes atener en cuenta. Los pines 13 y 14 de los controladores de temperatura están interconectados entre sí, ya por ellos viaja información desde y hacia el computador. Los ventiladores están conectados entre los pines 8 y 2 de los controladores de temperatura. Por último tenemos el diagrama de conexión de la C.F., en la figura 22. 23.

(33) Figura 21 Diagrama de conexión C.C.. Figura 22 Diagrama de conexión C.F.. .. 24.

(34) 5. EVALUACIÓN Y RESULTADOS Es necesario ambientar la forma en la cual se tomaron datos durante los experimentos antes de hablar de los resultados de los mismos. Primero es necesario hacer énfasis en el cálculo del calor entregado por la cámara de medición, luego se comentará los procedimientos de calibración de la HotBox y por último se darán a conocer los resultados obtenidos. 5.1. Calculo de Q. Cálculo de la energía calórica entregada por la C.M.. El calor entregado al sistema se determina calculando la potencia eléctrica consumida por las resistencias eléctricas. Luego se divide la potencia consumida por el tiempo en el cual circuló corriente por las resistencias. Para saber el tiempo y cantidad valor de corriente que circulaba por las resistencias se realizo el montaje que se muestra en la figura 23, en donde se puede observar la utilización de un osciloscopio y un sensor de efecto hall. Figura 23 Montaje para cálculo de corriente. El sensor de efecto Hall se basa en la tensión transversal de un conductor que está sometido a un campo magnético. Colocando un voltímetro entre dos puntos transversales de un cable se puede medir esa tensión. Para ello hay que hacer circular por el cable una intensidad fija y acercar un imán. Los electrones que pasan por el cable se verán desplazados hacia un lado. Entonces aparece una diferencia de tensión entre los dos puntos transversales del cable. Al separar el 25.

(35) imán del cable, la tensión transversal desaparece. Para poder utilizar la tensión transversal es necesario amplificarla, porque su valor es muy reducido. Dado que se observo que el tiempo de excitación a las resistencias eléctricas por los controladores de temperatura era muy pequeño, cuando el sistema estaba estable, se decidió soportar las medidas con un osciloscopio en lugar de un voltímetro, y así hacer un cálculo de potencia consumida cercano a la realidad. Primero se determinó el valor de la corriente que pasa por las resistencias. La figura 24 muestra el valor de dicha corriente. El manual del sensor de efecto hall especifica que el valor de la corriente es igual al valor del voltaje que muestra el osciloscopio, así 1V en el osciloscopio es un 1A de corriente. El valor RMS de la corriente que pasaba por las resistencias de la C.M. era 2,02A. Figura 24 Valor R.M.S. de corriente que pasa por las resistencias en C.M.. Seguido al valor de la corriente era necesario calcular el tiempo de excitación de las resistencias eléctricas cuando el sistema ya estaba estable. Se realizaron varias medidas buscando el tiempo de excitación promedio, pero se encontró que los dichos tiempos eran inconstantes. Las figuras 25 a 32 detallan que los tiempos de excitación pueden variar desde pocos milisegundos (ms) hasta casi medio segundo, para momentos en los cuales el sistema ya está estable.. 26.

(36) Las pruebas se repitieron varias veces; cada vez que se realizaba una caracterización de un material y siempre se observaba que los resultados eran similares, el tiempo de excitación de las corrientes variaba considerablemente. Esta característica en los tiempos de excitación está dada por el uso del controlador de temperatura con PID, utilizada por la HotBox, el cual busca tener una respuesta en estado estable muy cercana al valor solicitado. Figura 25 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. Prueba 1. t=18ms. Figura 27 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. Prueba 3. t=412 ms. Figura 26 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. Prueba 2. t=77ms. Figura 28 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. Prueba 4. t=162 ms. Las figuras que se observan anteriormente fueron capturadas durante la primera toma de datos con el fin de determinar las características térmicas del Drywall, con diferencias de tiempo no superior a cuarenta y cinco (45) minutos y dos y medio (2,5) días después del inicio de la prueba, cuando el sistema ya estaba estable. Las figuras 29 y 30 muestran que en momentos específicos, los controladores te temperatura excitan a la resistencias por intervalos de tiempo constante, pero dicho comportamiento no se repite siempre.. 27.

(37) Con el fin de reforzar que el tiempo de excitación es variable las figuras 31 y 32 muestran un detalle de tiempos en los cuales no se excitan las resistencias. Durante los experimentos se observo que el tiempo de no excitación se encuentra entre 50 ms y 700 ms. Figura 29 Tiempo en que no pasa corriente por Resistencias C.M. t=670 ms. Figura 30 Tiempo en que pasa corriente por Resistencias C.M. t=340 ms. Figura 31 Tiempo en que no pasa corriente por Resistencias C.M. t=588 ms. Figura 32 Tiempo en que no pasa corriente por Resistencias C.M. t=680 ms. Debido a la alta variabilidad de los datos, se decidió calcular el tiempo de excitación como el promedio del tiempo mínimo y el máximo registrados. Así el tiempo de excitación de la resistencia en un segundo es. texcitación =. tmax + tmin 412ms + 18ms = = 215ms 2 2. Este valor es muy cercano al promedio total de los datos, el cual se aproxima a 225ms, para las 21 muestras realizadas durante la caracterización del Drywall.. 28.

(38) Para la prueba de la ventana se asumió este mismo valor para el tiempo de excitación en estado estable. 5.2. Calibración de la Hotbox.. Como paso inicial al de caracterizar un material, la norma ASTM C236 establece que es necesario calibrar la HotBox, basado en las recomendaciones dadas por la norma ASTM C1199, la cual nos explica en detalle los pasos de la calibración de una prueba térmica. Se verifico los requerimientos técnicos que indica la norma C1199 y se encontró que actualmente no es posible varios de ellos, lo cual hace imposible realizar una calibración adecuada de la HotBox. A continuación se muestra algunos de ellos. ·. Se debe tener un material para la realizar calibración. El material ha de ser homogéneo y bien caracterizado, hecho de un placa de aislamiento, que tenga una conductividad térmica conocida y medida por los métodos de prueba especificados en las normas ASTM C177 o C518.. ·. Un material estándar, recomendado para la calibración de la transferencia de calor es una placa de poliestireno expandido de 12.7 milímetros de espesor, envejecida en el laboratorio por un sola cara por un mínimo de 90 días, con una densidad superior a 20 kg/m3, y una conductividad térmica nominal de 0,033 W/(m²K). Además es necesario recubrir el material de calibración. Dichos materiales de recubrimiento pueden: Vidrio flotado de 3 a 6 milímetros de grosor (las laminas de vidrio flotado de 4 milímetros de espesor, tienen una conductividad térmica nominal de 1 W/(m²K) y una emisividad superficial nominal de 0.84) o una lámina de policarbonato traslucido de 3 a 6 milímetros de grosor con una conductividad térmica nominal de 0.2 W/(m²K) y una emisividad superficial nominal de 0.9.. ·. Dado que no se disponía de materiales certificados que cumplieran con las características a aquí mencionadas, este requerimiento no era posible de cumplir. ·. Se debe conocer al detalle la cantidad de calor que entregan las cámaras caliente y de medición al material de prueba usado durante la calibración. Como ya se explico anteriormente el no conocer la cantidad exacta de la corriente que pasa por las resistencias en todo momento impide establecer con precisión el calor generado dentro de la HotBox.. ·. Se requiere un mayor número de termopares. Se establece que se debe tener un arreglo de termopares matricial, con un bajo espaciado, el cual permita establecer con mayor detalle la temperatura en las cámaras caliente y de. 29.

(39) medición, al igual que la temperatura de la lámina de material usado en la calibración. Existen otros requerimientos técnicos de menor importancia que se deben cumplir para realizar una caracterización adecuada de la HotBox, pero los primeros a tener en cuenta son los tres nombrados anteriormente. La calibración correcta de la HotBox, permite determinar el correcto funcionamiento del dispositivo y la eficiencia del mismo. Debido a que no se pudo calibrar, se decidió asumir que las pérdidas son cercanas al 7%, dado que este el valor de pérdidas de otras HotBox desarrolladas por otras universidades, como la desarrollada por la “University of Massachusetts”. La eficiencia de la HotBox es cercana al 93%. Esta eficiencia se utilizó durante los cálculos de la resistencia térmica del la placa de Drywall y la ventana típica. 5.3. Elementos caracterizados térmicamente. Con el fin de probar el correcto funcionamiento de la HotBox, se propuso caracterizar térmicamente dos elementos. Se eligieron el Drywall y una ventana típica de un apartamento dado su alto uso en la construcción. Para cada uno de los materiales se realizó la misma prueba. La cual consistía en mantener apagado el sistema por un día. Luego se colocaba el material a caracterizar, se aseguraban los tornillos, se prendía la HotBox. Se establecía los valores en los controladores de temperatura de la C.C y de la C.M a 40°C y se iniciaba la toma de datos en el computador. Y se esperaba a que el sistema se estabilizara Después se ingresaban los datos en Excel, se calculaba la potencia consumida promedio, Ppromedio = ( Vrms *Irms ) con la potencia y el tiempo de excitación promedio. Texcitación = ( 215ms ) se hallaba el calor generado en un segundo y este a su vez se multiplicaba por la eficiencia de la HotBox (93%), para obtener el calor real en un (1) segundo, Qs = Ppromedio * Texcitación * Eficiencia Hotbox . Con el Qs, el área expuesta de la C.M. y la diferencia de temperaturas se calcula la resistencia térmica del material. Primero se darán los resultados del Drywall y luego los de la ventana. 5.3.1 Drywall Se realizaron 2 experimentos con el fin de caracterizar térmicamente dicho material. Los resultados obtenidos durante dichos experimentos permiten concluir que la respuesta de la HotBox es buena y que tiene una repetitividad excelente. 30.

(40) La placa de Drywall utilizada durante el experimento se muestra en la figura 33. La figura 34 muestra el montaje de la placa de Drywall en la HotBox, se aprecia que la placa está bien sujeta y que los controladores de temperatura están operando. Figura 33 Placa de Drywall caracterizada durante el proyecto. Figura 34 Montaje de la placa de Drywall en la HotBox. En la figura 35 se muestran las características principales, dadas por el fabricante, de la placa de Drywall. La placa de caracterizada era de un (1) cm de espesor, de la figura 35 observamos que la resistencia térmica es 0,04 m 2K/W 6. Figura 35 Características de placa de Drywall caracterizada.. 6. Tomado de [4]. 31.

(41) Las figuras 41 y 42 muestran los resultados de cada una de las pruebas realizadas para caracterizar la placa de Drywall. De las figuras se puede apreciar que el sistema tarda alrededor de un par de días en estabilizarse, la temperatura de las cámaras se mantiene constante. Las temperaturas de estabilización para las pruebas fueron: Cámara Caliente. Cámara de Medición. Cámara Fría. DT entre C.M y C.F. Prueba 1. 40±0,1°C. 40±0,1°C. 23,7±0,1°C. 16,3±0,2°C. Prueba 2. 40±0,1°C. 40±0,1°C. 23,5±0,1°C. 16,5±0,2°C. Para calcular el valor aproximado de la resistencia térmica del material primero se calcula el calor emitido por las resistencias en la cámara de medición.. ( Vrms * Irms ) = 110V * 2, 02 A = 242, 4W Texcitación = ( 215ms ) Eficiencia Hotbox = 93% Ppromedio =. Qs = Ppromedio * Texcitación * Eficiencia Hotbox Qs = 242, 4W *0, 215s *93% = 48,47 J Dado que los valores de las temperaturas se tomaron cada segundo, la potencia consumida debe medirse por segundo así:. Pconsumida = Qs *1s = 48, 47W Recordemos que la resistencia térmica de un material está dada por: R =. A * DT W. m2 °K m2 °K 0,11799m2 * 16,3°K = 0,03968 » 0,04 Para la prueba 1è R = W W 48,47W Para la prueba 2è R =. 0,11799m2 * 16,5°K = 48,47W. 0,040168. m2 °K m2 °K » 0,04 W W. La resistencia térmica R, calculada durante los experimentos corresponde con el valor dado por el fabricante de la placa de Drywall.. 32.

(42) Figura 36 Datos de de Temperatura para Drywall. Prueba 1. 33.

(43) Figura 37 Datos de de Temperatura para Drywall. Prueba 2.

(44) 5.3.2 Ventana común usada en construcción La ventana utilizada durante el experimento se muestra en la figura 36. Las figuras 37,38 y 39 muestran el montaje ventana en la HotBox. Dado que la ventana no es una superficie plana como si lo era la placa de Drywall las figuras 38 y 39 muestran en detalle la capacidad de sellamiento de la HotBox, permitiendo adaptarse, sin ningún inconveniente a superficies no planas Figura 38 Ventana caracterizada durante el proyecto. Figura 40 Montaje de la Ventana en GHB. Toma 2. Figura 39 Montaje de la Ventana en GHB. Toma 1. Figura 41 Montaje de la Ventana en GHB. Toma 3. Por falta de tiempo solo se realizó un experimento para la ventana. Adicionalmente dado que el experimento se inicio un viernes en la tarde y debido a que estudiante apago el computador, los datos iníciales del experimento no se pudieron tomar. La figura 42 muestra los datos tomados el lunes siguiente, 3 días después de iniciar el experimento. En este momento ya el sistema estaba estable. La C.M. registraba una temperatura de 26,3 °C.. 35.

(45) Figura 42 Datos de de Temperatura para Ventana. Prueba 1. 36.

(46) Las temperaturas de estabilización para las pruebas fueron:. Prueba 1. Cámara Caliente. Cámara de Medición. Cámara Fría. DT entre C.M y C.F. 40±0,1°C. 40±0,1°C. 26,3±0,1°C. 13,7±0,2°C. Dado que los valores para calcular la potencia consumida no cambian, se toma el valor calculado anteriormente.. Pconsumida = Qs *1s = 48, 47W Recordemos que la resistencia térmica de un material está dada por: R =. Para la prueba 1è R =. A * DT W. 0,11799m2 * 13,7°K m2 °K m2 °K = 0,033351 » 0,03 48,47W W W. Dado que la ventana como tal no tiene patrón de comparación, la resistencia térmica R calculada, solo se tomará como ejercicio.. 37.

(47) 6. VALORACIONES DURANTE LA REPOTENCIACIÓN Y EXPERIMENTACIÓN DEL GUARDED HOT BOX 6.1. Desventajas y Problemas Presentados. Durante el desarrollo del proyecto se presentaron diversos contratiempos y dificultades, las cuales generaron una replaneación y cambios en los objetivos del proyecto. ·. Dada el pésimo estado en que se encontraba la HotBox y las fallas en construcción que presentaba, el tiempo de reconstrucción y puesta en marcha del sistema tomó más tiempo del previsto. Motivo por cual no sé pudieron hacer más experimentos.. ·. Debido a que no fue posible medir correctamente la potencia consumida por las resistencias eléctricas, los valores calculados para las resistencias térmicas de los materiales caracterizados son aproximaciones, que aún cuando son excelentes siguen siendo aproximaciones.. ·. No se realizó una calibración del dispositivo, lo cual imposibilita saber la calidad de las mediciones realizadas. La eficiencia del dispositivo fue tomada de un dispositivo similar realizado en otra universidad.. ·. El software utilizado para la captura de datos, no tiene licencia GPL, con lo cual los códigos fuente que se encontraron son pocos y limitados, impidiendo hacer grandes cambios, que hicieran una interfaz más amigable al usuario final.. ·. No se pudo trabajar durante varias semanas en el laboratorio debido a que el lugar de trabajo asignado para realizar el proyecto de grado estaba siendo ocupado por otro estudiante.. ·. El número de termopares utilizados para la toma de datos es muy inferior a lo recomendado en las normas ASTM C177 y ASTM C236, las cuales rigen el funcionamiento y caracterización de la HotBox.. ·. El sistema de refrigeración tiene un exceso de líquido refrigerante, haciendo que el compresor no trabaje de forma adecuada.. 6.2 ·. Mejorías, Soluciones y Ventajas Presentadas. El dispositivo desarrollado es un buen acercamiento a lo determinado por la norma ASTM C236, ya que se siguieron los parámetros de diseño y las precauciones expuestas en la misma.. 38.

(48) ·. El Guarded HotBox se reconstruyo por completo. Se identificaron y eliminaron errores anteriormente presentados. Se cambiaron los empaques aislantes, se mejoró la estructura y la presentación externa.. ·. Se sellaron los huecos que poseía la espuma aislante.. ·. Se mejoraron las conexiones eléctricas. Se entregan planos de las mismas y se dejo instalado un cableado estructurado en todo el dispositivo. Se instalaron protecciones eléctricas para dar mayor robustez a la HotBox.. ·. Se instalaron controladores PID de temperatura, que además de dar un control preciso de la HotBox, permiten enviar en tiempo real los datos a un computador. Dichos controladores tienen un margen de error de 0,1ºC.. ·. Se entrega un software que permite registrar en tiempo real la temperatura en cada cámara de la HotBox, eliminando así la toma de datos manual y evitando errores surgidos por la digitación de los mismos.. ·. La HotBox permite caracterizar correctamente diferentes materiales de construcción.. ·. Por medio del uso de software de control remoto se puede monitorear, desde cualquier lugar, por internet el equipo donde se instala el software que controla la HotBox, y así hacer seguimiento de los experimentos en todo momento.. 6.3. Trabajo Futuro. ·. Calibrar la HotBox, siguiendo lo expuesto en la norma C1199. Con el fin de obtener la eficiencia de la misma.. ·. Instalar un contador de energía eléctrica digital. El cual permita determinar la potencia consumida por las resistencias eléctricas. De ser posible instalar un dispositivo como el DRS-202C de Shanghai Fengyilong, dado que este dispositivo además de calcular la potencia consumida con un error de 0,1 W, puede enviar en tiempo real datos por puerto serial utilizando el protocolo MODBUS sobre RS-485, que es el usado por el demás de los dispositivos.. ·. Mejorar el software o hacer uno nuevo que sea más amigable a los usuarios finales.. ·. Colocar una red de termopares que permita obtener datos más precisos de las temperaturas en las diferentes cámaras.. ·. Mejorar el sistema de sellado, aún cuando este funciona correctamente, su uso es un poco engorroso. 39.

(49) 7. CONCLUSIONES ·. El HotBox que se entregó, opera correctamente y puede ser utilizado para caracterizar térmicamente materiales de construcción, cumpliendo así el objetivo de este proyecto de grado. · Las mejoras hechas a la HotBox, siguen lo propuesto en las normas ASTM que rigen estos dispositivos.. · Es necesario implementar las mejoras expuestas en este documento, si se quiere eliminar las aproximaciones hechas en este proyecto de grado.. · Una HotBox en un mecanismo adecuado para caracterizar térmicamente materiales de construcción.. · A pesar de los contratiempos tenidos durante la ejecución del proyecto de grado se cumplieron todos los objetivos a cabalidad.. 40.