UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO
ELECTRÓNICO QUE PERMITA MANTENER EL CONFORT
TÉRMICO EN EL HABITÁCULO DE VEHÍCULOS TANTO DE
COLORES CLAROS COMO DE COLORES OSCUROS
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
ARÉVALO COELLO DAVID ALFREDO
DIRECTOR: ING. CARLOS ROSALES
© Universidad Tecnológica Equinoccial, 2017
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1722708805
APELLIDO Y NOMBRES: Arévalo Coello David Alfredo
DIRECCIÓN: Av. Cacha y Jorge Murillo
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2025760
TELÉFONO MOVIL: 0984400516
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Desarrollo e implementación de un dispositivo
electrónico que permita mantener el confort térmico en el habitáculo de vehículos tanto de
colores claros como de colores oscuros
AUTOR O AUTORES: Arévalo Coello David Alfredo
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
4 de enero de 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Carlos Rosales
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: La industria automotriz ha evolucionado de
una forma impresionante en los últimos años, al hablar específicamente del confort térmico también se pueden evidenciar claramente estos avances, pero únicamente en vehículos de alta gama en donde se tiene sistemas de climatización automatizado, dejando a los vehículos de gama media y baja a un lado de estos avances. Esta investigación se desarrolla en la ciudad de Quito, en base a cálculos de transferencia y acumulación de calor por acción de la radiación solar con el fin de determinar la temperatura que se alcanza en el interior del habitáculo y compararla con valores medidos que alcanzan valores cercanos a los 40 ºC, para identificar llega a ser perjudicial para la salud de los ocupantes o tales temperaturas e índices de radiación solar influyen sobre los polímeros del habitáculo. Así también se desmiente la creencia de que los vehículos de color oscuro presentan una mayor temperatura que los de color claro, indicando que las láminas de acero pintadas del habitáculo influyen únicamente en un 6.88% del total acumulado de calor, de forma que su importancia es casi nula y determinando que la radiación restante del 93.12% corresponde a ganancias por vidrios.
El propósito fundamental de este trabajo de investigación es influir en el confort térmico
en vehículos de gama media y baja que no poseen sistemas de climatización automáticos, permitiendo que la temperatura sea placentera para los pasajeros, de forma que desarrolla un dispositivo electrónico que trabaja conjuntamente con el ventilador de la calefacción con el fin de permitir renovar el aire dentro del habitáculo y disminuir su temperatura entre 10 y 20 ºC en condiciones de radiación solar y temperatura del medio día, siendo estas las máximas registradas.
PALABRAS CLAVES: Transferencia de calor
Temperatura Radiación solar Confort térmico
ABSTRACT: The automotive industry has evolved in an impressive way in recent years, when talking specifically about thermal comfort can also be clearly evident these advances, but only in high range vehicles where they have automated air conditioning systems, leaving the vehicles of average and low range to one side of these advances. This research is developed in the city of Quito, based on calculations of transfer and accumulation of heat by the action of solar radiation in order to determine the temperature that is reached inside the passenger compartment and compare it with measured values that reach values close at 40 ºC, to identify it becomes harmful to the health of the occupants or such temperatures and solar radiation rates influence the polymers of the passenger compartment. This also denies the belief that dark-colored vehicles have a higher temperature than clear ones, indicating that the painted steel sheets of the passenger compartment only influence 6.88% of the total accumulated heat, so their importance is almost null and determining that the remaining radiation of 93.12% corresponds to gains per glass.
DEDICATORIA
Quiero dedicar este trabajo a mis padres, Verónica Coello y Alfredo Arévalo, quienes han sido guías fundamentales en mi vida y me han ayudado a elegir el camino que debo seguir, que siempre me han apoyado sin importar la ocasión.
A mis hermanos Oscar y Mateo, que me han sabido enseñar su forma de ver el mundo, que han sido ese apoyo en todo momento y que me han ayudado a marcar el rumbo de mis acciones. Me inspiran y me motivan para seguir adelante y trabajar por hacer algo diferente.
A mi familia, mis tíos y primos, porque todos han sabido aconsejarme y darme una perspectiva diferente sobre las cosas.
A los amigos que me han rodeado durante estos años, porque de todos ellos he aprendido mucho y han influenciado en gran medida a lo que me he llegado a convertir.
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecerles a mis padres, por siempre haber estado a mi lado durante todas las dificultades que he encontrado en estos años. Quienes siempre han sabido guiarme y darme su apoyo y amor, que me levantan cada vez que caigo.
A mis hermanos, quienes me han ayudado a entender cómo debo hacer las cosas y que todo lo que haga, siempre traerá una enseñanza para ellos y para mí. Les agradezco estar junto a mí en todo momento y quiero que sepan que son mi motivación para hacer bien las cosas y la fuerza para mostrarles que todo es posible si puedes soñarlo.
A todas esas personas que he considerado parte de mi familia en estos años, es agradezco sus consejos, sus correcciones, su paciencia, su preocupación, su cariño y el aprecio que me han brindado. Todos han dejado huella en mi vida y me han mostrado cada quien su forma de ver el mundo, sin ustedes nada de esto hubiera sido posible y no sé dónde estaría de no ser por ustedes.
A mis todos mis profesores de la universidad, porque además de transmitir sus conocimientos, han compartido su pasión por la carrera y dedicación para ser mejores cada día. Especialmente al Ing. Carlos Rosales, porque ha sabido guiarme de la mejor manera con este trabajo de tesis y mediante las materias que ha impartido, me ha brindado una perspectiva más amplia de lo que es ser un ingeniero y una mejor persona.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
1. INTRODUCCIÓN ... 3
2. METODOLOGÍA ... 10
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 12
3.1 PARÁMETROS DE LOS MATERIALES ... 12
3.1.1 DATOS PARA LOS CÁLCULOS ... 12
3.1.2 DATOS DE LOS MATERIALES DEL HABITÁCULO ... 14
3.1.3 DATOS DE LAS SUPERFICIES DEL VEHÍCULO ... 14
3.2 PARÁMETROS DE CONDICIONES AMBIENTALES ... 15
3.2.1 CONDICIONES AMBIENTALES MÁXIMAS HISTÓRICAS ... 15
3.2.2 CONDICIONES AMBIENTALES MÁXIMAS MEDIDAS ... 15
3.3 CÁLCULOS DEL FLUJO DE AIRE DENTRO DEL HABITÁCULO . 16 3.3.1 PARÁMETROS ... 17
3.3.2 CÁLCULO DE VENTILACIÓN EN EL HABITÀCULO ... 18
3.4 CÁLCULOS DE ABSORCIÓN DE CALOR EN EL HABITÁCULO .. 20
3.4.1 PARÁMETROS ... 20
3.4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION EN SUPERFICIES PLANAS ... 20
ii
3.4.4 CÁLCULO MEDIDO DE ABSORCION DE CALOR ... 24
3.4.5 CÁLCULO DE CONFORT TÉRMICO ... 24
3.4.6 ANÁLISIS DE DATOS ... 25
3.4.7 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO ... 28
3.4.8 DISPOSITIVO ELECTRÓNICO ... 28
3.4.9 PRUEBAS Y CALIBRACIONES ... 33
3.4.10 RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DEL DISPOSITIVO .... 34
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 37
4.1 CONCLUSIONES ... 37
4.2 RECOMENDACIONES ... 38
5. BIBLIOGRAFÍA ... 40
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Polímeros automotrices ... 4
Figura 2. Toldo termoformado empleado en el techo del vehículo ... 6
Figura 3. Actuación del sistema de climatización ... 8
Figura 4. Sistema de aire libre ... 9
Figura 5. Polipropileno en tapicerías ... 12
Figura 6. Vidrio del parabrisas ... 13
Figura 7. Vidrios laterales... 13
Figura 8. Vidrio posterior ... 13
Figura 9. Medidor de estrés térmico 3M ... 16
Figura 10. Anemómetro Kestrel 4000 ... 17
Figura 11. Convección por resistencia térmica ... 21
Figura 12. Reacción ante el calor solar de un cristal ordinario ... 26
Figura 13. Kia Picanto R modelo 2014 ... 31
Figura 14. Batería alterna ubicada detrás del asiento ... 31
Figura 15. Conexión provisional para el dispositivo ... 32
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Condiciones de confort ... 7
Tabla 2. Materiales y espesores de superficies del habitáculo ... 14
Tabla 3. Dimensiones de las superficies del vehículo ... 14
Tabla 4. Condiciones ambientales medidas ... 16
Tabla 5. Mediciones de flujo de aire de calefacción ... 18
Tabla 6. Coeficientes y composición de las superficies del habitáculo ... 23
Tabla 7. Condiciones históricas ... 24
Tabla 8. Factores totales de ganancia solar a través del vidrio ... 26
Tabla 9. Resultados de aplicación del dispositivo ... 35
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ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1. Factores totales de ganancia de calor a través de vidrios ... 42
Anexo 2. Circuito electrónico del dispositivo y el sistema ... 43
1
RESUMEN
La industria automotriz ha evolucionado de una forma impresionante en los últimos años, al hablar específicamente del confort térmico también se pueden evidenciar claramente estos avances, pero únicamente en vehículos de alta gama en donde se tiene sistemas de climatización automatizado, dejando a los vehículos de gama media y baja a un lado de estos avances. Esta investigación se desarrolla en la ciudad de Quito, en base a cálculos de transferencia y acumulación de calor por acción de la radiación solar con el fin de determinar la temperatura que se alcanza en el interior del habitáculo y compararla con valores medidos que alcanzan valores cercanos a los 40 ºC, para identificar llega a ser perjudicial para la salud de los ocupantes o tales temperaturas e índices de radiación solar influyen sobre los polímeros del habitáculo. Así también se desmiente la creencia de que los vehículos de color oscuro presentan una mayor temperatura que los de color claro, indicando que las láminas de acero pintadas del habitáculo influyen únicamente en un 6.88% del total acumulado de calor, de forma que su importancia es casi nula y determinando que la radiación restante del 93.12% corresponde a ganancias por vidrios.
El propósito fundamental de este trabajo de investigación es influir en el confort térmico en vehículos de gama media y baja que no poseen sistemas de climatización automáticos, permitiendo que la temperatura sea placentera para los pasajeros, de forma que desarrolla un dispositivo electrónico que trabaja conjuntamente con el ventilador de la calefacción con el fin de permitir renovar el aire dentro del habitáculo y disminuir su temperatura entre 10 y 20 ºC en condiciones de radiación solar y temperatura del medio día, siendo estas las máximas registradas.
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ABSTRACT
The automotive industry has evolved in an impressive way in recent years, when talking specifically about thermal comfort can also be clearly evident these advances, but only in high range vehicles where they have automated air conditioning systems, leaving the vehicles of average and low range to one side of these advances. This research is developed in the city of Quito, based on calculations of transfer and accumulation of heat by the action of solar radiation in order to determine the temperature that is reached inside the passenger compartment and compare it with measured values that reach values close at 40 ºC, to identify it becomes harmful to the health of the occupants or such temperatures and solar radiation rates influence the polymers of the passenger compartment. This also denies the belief that dark-colored vehicles have a higher temperature than clear ones, indicating that the painted steel sheets of the passenger compartment only influence 6.88% of the total accumulated heat, so their importance is almost null and determining that the remaining radiation of 93.12% corresponds to gains per glass.
The main purpose of this research is to influence the thermal comfort in mid and low range vehicles that do not have automatic air conditioning systems, allowing the temperature to be pleasant for passengers, so that it develops an electronic device that works in conjunction with the fan of the heating in order to allow the air inside the cabin to be renewed and to reduce its temperature between 10 and 20 ºC in conditions of solar radiation and temperature of the half day, these being the maximums recorded.
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1.
INTRODUCCIÓN
La industria automotriz ha sufrido grandes cambios en los últimos años, en aspectos de diseño, fuentes de energía y confort de los pasajeros. Si se habla únicamente del confort térmico, se establece una clara diferencia entre las características que tiene un vehículo de alta gama en donde se tiene sistemas que son capaces de mantener el habitáculo a una temperatura exacta, en comparación con un vehículo de gama media o baja, en donde no se da importancia a este aspecto de forma que se omite totalmente. Históricamente se puede observar que en condiciones ambientales donde la temperatura ambiental es elevada, dejar un vehículo estacionado por un determinado periodo de tiempo causa una gran molestia por la acumulación de calor dentro del habitáculo del vehículo, lo cual se busca disminuir en gran medida con la implementación de este dispositivo electrónico.
En estudios anteriores se encontró la Implementación de un climatizador automático ecológico para cabinas cerradas. Los sistemas de climatización de cabinas de vehículos ya vienen prediseñados por el fabricante y cuando se busca realizar una modificación para incrementar su eficiencia, es necesario buscar alguna alternativa al modelo estándar, este trabajo implementa un sistema de enfriador por evaporación de agua. Siendo este sistema una alternativa viable para mantener el confort térmico en la cabina del vehículo, con un funcionamiento y composición muy similar a los climatizadores de los camiones frigoríficos, implementando el sistema de enfriamiento en la parte superior del vehículo en donde realiza la transformación de energías y permite la reducción de la temperatura de la cabina. (Carrasco Amores, H., & Poveda Torres, R.; 2012)
El Objetivo general de este trabajo consiste en desarrollar e implementar un dispositivo electrónico que permita mantener el confort térmico en el habitáculo de vehículos tanto de colores claros como de colores oscuros. Para la concepción de los Objetivos Específicos:
Identificar los efectos para la salud que causa la exposición a las altas temperaturas acumuladas en el interior del habitáculo del vehículo.
Establecer la incidencia que tiene la temperatura elevada en el habitáculo del vehículo sobre los polímeros usados en la tapicería del vehículo y los pasajeros.
Determinar la acumulación del calor dentro del habitáculo de vehículos de colores claros y oscuros.
Diseñar y seleccionar los componentes para la construcción del dispositivo electrónico para mantener el confort térmico.
4 Este trabajo de investigación se fundamenta en la ganancia de calor por radiación solar que se tiene en el habitáculo, para lo cual es necesario establecer los materiales que lo componen, siendo estos:
POLÍMEROS: La utilización de polímeros en el vehículo se enfoca en todo lo referente a interiores y acabados del vehículo, así como componentes externos y de protección, como se observa en la figura 1, causando una disminución de peso y costos de producción. Para esta investigación se habla específicamente del polipropileno,
Figura 1. Polímeros automotrices (Ciencia de los Materiales, 2016)
Polipropileno (PP): El polipropileno es un termoplástico compuesto por cadenas lineales, que se obtienen mediante procesos de construcción en base a temperaturas y presiones elevadas. (Miller, 2012). Se puede encontrar este material en gran cantidad de componentes que forman el tablero de instrumentos, los paneles, las rejillas y conductos de circulación de aire, y muchas otras aplicaciones más.
5 Vidrio templado: Empleado en todos los vidrios del vehículo exceptuando el parabrisas. Con espesores aproximados a los 3 mm.
Vidrio laminado: Contiene 2 láminas de vidrio templado, que se encuentran adheridas fuertemente a una lámina de PVB (polivinilbutiral), siendo este material el que brinda un toque de elasticidad y permite que al fragmentarse el vidrio, se mantenga unido y con la misma forma. Es utilizado en el parabrisas del vehículo, conformando un cristal de 2.5 + 0.76 + 2.5 mm siendo (Vidrio + PVB + Vidrio)
METALES: El metal empleado en la fabricación de las chapas metálicas del vehículo, que son las planchas más superficiales y las que reciben el color del vehículo, son las que tienen contacto directo con el sol y el medio. Estas chapas son fabricadas en acero llegando a tener espesores de 0.6 a 1 mm. Siendo los aceros más empleados en la industria automotriz ANSI/AISI 1010. (Águeda Casado, Navarro, Gómez Morales, & García Jiménez, 2010) Según normas nacionales se puede encontrar algunos requisitos para los aceros empleados en la industria automotriz en el Ecuador, tomando como ejemplo la norma NTE INEN 1617: Vehículos automotores, requisitos para baldes para camionetas, en donde se habla específicamente de las paredes laterales que deben ser de acero laminado en frío de composición química no inferior a la especificada en la norma SAE 1010, que establece un contenido de Carbono entre el 0.08 y 0.13%. Estas paredes laterales no tendrán un espesor menor a 0.95 mm.
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Figura 2. Toldo termoformado empleado en el techo del vehículo (Polímeros y derivados, 2016)
TEMPERATURA DEL HABITÁCULO DEL VEHÍCULO: Como parte de este proyecto, establece la importancia de las nociones sobre absorción de calor por parte del habitáculo del vehículo proveniente del ambiente, de donde se puede destacar la transferencia de calor que se tiene: convección y radiación, indicando que el medio en el que se maneja un vehículo es fundamental para la realización de los cálculos respectivos e identificación de constantes y variables.
De esta manera, también se identifica el papel que juegan los materiales empleados en el vehículo de forma directa sobre la absorción de calor, puesto que se encuentra la absorción por parte de las chapas metálicas que conforman la estructura exterior del vehículo y así también se tiene los vidrios que conforman gran parte de la fachada del habitáculo.
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN: La convección es el tipo de transferencia que se encuentra entre un fluido en movimiento y un cuerpo sólido. Así también se la define como el intercambio de energía existente entre un sistema y el medio empleando para esto calor. (Koretsky, 2013)
Dentro de lo cual se debe tener en consideración ciertas variables que forman parte de los cálculos, como son: conductividad térmica, aspereza, densidad, viscosidad dinámica, configuración geométrica, velocidad del fluido, calor específico y tipo de flujo existente.
La convección puede ser natural o forzada, dependiendo de las condiciones en las que se encontrará al sistema. La convección natural se realiza por variación de densidades y actuación de la gravedad, en donde el fluido menos denso se desplazara hacia arriba, mientras que el más denso se quedara en el fondo. Mientras que para definir la convección forzada se describe que es el intercambio de calor cuando el fluido es obligado a fluir, gracias a la actuación de una bomba o un ventilador.
7 secado, teniendo como fuente de energía sistemas de combustión interna y radiación solar. (Incropera & DeWitt, 1999)
En este tipo de transferencia, la energía se mueve mediante ondas electromagnéticas por el espacio. El más grande ejemplo de este fenómeno es el Sol, el cual debido a la inmensa cantidad de energía que genera es capaz de enviarla hacia los planetas cercanos por medio de ondas que recorren el vacío del espacio.
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN: Es el tipo de transferencia existente entre sólidos, puesto para esta es necesario que ambos cuerpos se encuentren en contacto directo, estableciendo que la transmisión de energía se debe al movimiento de electrones y de esta misma forma se puede comprender que los mejores conductores eléctricos también lo son de calor. Un claro ejemplo de este tipo de transferencia lo es cuando se calienta el extremo de una varilla metálica, por lo que se observará que existe un incremento de la temperatura de toda la varilla, llegando a calentarse incluso el otro extremo de esta que no se encuentra directamente expuesto a la fuente de calor.
AFECTACIÓN DE LAS TEMPERATURAS ELEVADAS EN EL
HABITÁCULO HACIA LOS PASAJEROS: Según el libro Manual del Aire Acondicionado (Carrier Air Conditioning Company, 2009) se especifica que en una temperatura aproximada de 23 ºC (296.15 ºK) y 50% de humedad relativa, se tiene una sensación placentera para las personas. Según explica este mismo autor, en la tabla 1. La zona de confort puede extenderse a una temperatura seca de 25ºC (298.15ºK) conservando la humedad relativa del 50%.
Tabla 1. Condiciones de confort
Condiciones Situación percibida
Temperatura seca (ºC) Humedad relativa (%)
25 50 Zona de confort
30 40 Fuera de la zona de confort:
caluroso
20 60 Fuera de la zona de confort:
frío (Carrier Air Conditioning Company, 2009)
8
Figura 3. Actuación del sistema de climatización (Alianza Automotriz, 2009)
Este sistema se encuentra conformado por dos subsistemas: el de calefacción y el de aire acondicionado. Siendo que el sistema de calefacción será el encargado de elevar la temperatura del habitáculo o mantenerla al nivel del ambiente, empleando para esto el calor que es irradiado debido al funcionamiento del motor. Mientras que el sistema del aire acondicionado es el que mediante un compresor acoplado a la banda de accesorios del motor, genera la energía necesaria para convertir un fluido refrigerante en gas frío que será llevado al habitáculo.
Sin importar de cuál de estos sistemas se esté hablando, compartirán los mismos conductos para la circulación del aire al habitáculo, así como manejaran las mismas trampillas direccionadoras con el fin de modificar el flujo del aire y la forma en que este circulará. No se debe olvidar que el uso de los sistemas de climatización no es únicamente con el fin de mantener el confort térmico en el habitáculo, sino también presentan beneficios en cuanto a seguridad activa del vehículo, de forma que desempañan los cristales y los mantienen libres de escarcha.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CALEFACCIÓN AUTOMOTRIZ: Este sistema es empleado en el momento en el que se busca mantener la temperatura del habitáculo elevada, para lo cual el uso del calor generado por el motor es fundamental. Existen diferentes variantes en la aplicación de este sistema, según el Manual de la Técnica del Automóvil de Bosch (2005), como son: instalaciones de calefacción reguladas por agua, instalaciones de calefacción reguladas por aire y la regulación electrónica de la calefacción. Siendo el sistema de calefacción regulado por aire el que se tiene en el vehículo empleado en la investigación.
9 directamente afectada por el giro del motor, que se utiliza como fuente de impulso un electro ventilador, pudiendo brindar aproximadamente un caudal de 30 m3 para cada persona.
CANALIZACIONES DEL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN EN EL HABITÁCULO: La canalización del habitáculo se refiere a los conductos que permiten la circulación de aire dentro de este, de forma que para uso de esta investigación únicamente se toma en cuenta:
Sistema de aire libre: Este sistema de ventilación es parte del diseño del exterior del vehículo por lo cual será de forma controlada la cantidad de aire, en lo cual se encuentra conductos para el ingreso y salida de aire del habitáculo, como se indica en la figura 4. Mientras el vehículo se encuentra en movimiento este sistema funcionará de manera más efectiva, debido al mayor flujo de aire impulsado por la velocidad del auto hacia el interior de la cabina.
Figura 4. Sistema de aire libre (Slideshare, 2011)
10
2.
METODOLOGÍA
Se utilizó una investigación con enfoque cuantitativo y un proceso práctico de prueba, la cual, según explica el libro de Metodología de la investigación, “Parte de una idea, que va acotándose y, una vez delimitada, se derivan objetivos y preguntas de investigación, se revisa la literatura y se construye un marco o una perspectiva teórica. De las preguntas se establecen hipótesis y determinan variables; se desarrolla un plan para probarlas (diseño); se miden las variables en un determinado contexto; se analizan las mediciones obtenidas (con frecuencia utilizando métodos estadísticos), y se establece una serie de conclusiones respecto de la(s) hipótesis” (Hernández Sampieri, Fernández Collado, & Baptista Lucio, 2010).
De tal manera que este tipo de investigación conformó un proceso partiendo desde el título de este trabajo, continuando con la formulación de una posible solución, el procesamiento de datos con el fin de establecer las condiciones necesarias para realizar cálculos y la generación del dispositivo. Incluyendo para los cálculos especificaciones encontradas en normas NTE INEN sobre materiales empleados en la fabricación de vehículos y piezas automotrices, las cuales aplican a vehículos que se encuentran en el Ecuador.
CARACTERISTICAS DEL PROYECTO: Para la realización de este proyecto se tomaron en cuenta las condiciones ambientales de la ciudad de Quito, de forma más específica en las instalaciones de la Universidad Tecnológica Equinoccial, aplicadas en un vehículo Kia Picanto R del 2014, en el cual se realizaron las mediciones y cálculos correspondientes.
ABSORCIÓN DE CALOR: De acuerdo a los objetivos propuestos en este trabajo de investigación, el estudio de la acumulación de calor en el habitáculo juega un rol fundamental por lo que: se estableció la relación existente entre la radiación solar y los polímeros; conjuntamente se analizó la incidencia del color del vehículo en el calor total acumulado.
DATOS PARA ABSORCIÓN DE CALOR: Para la realización de los cálculos, se establecieron los horarios de mayor incidencia de radiación solar y temperatura del medio, por lo tanto se realizó un análisis de datos de la Secretaria del Ambiente del Distrito Metropolitano de Quito.
ECUACIONES PARA CÁLCULOS DE ABSORCIÓN DE CALOR: Para la realización de los cálculos se empleara la plataforma de Excel 2013, en la cual se desarrolló una base de datos que contiene todas las especificaciones necesarias para la realización de los cálculos empleando las ecuaciones de transferencia de calor por convección en superficies planas por resistencia térmica de paredes simples y compuestas.
12
3.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 PARÁMETROS DE LOS MATERIALES
3.1.1 DATOS PARA LOS CÁLCULOS
En base a los parámetros de los cálculos que serán realizados, se necesita conocer ciertos valores propios de cada material y de cada componente del habitáculo del motor del Kia Picanto R del 2016, como son:
Conductividad térmica
Espesor
Área de la superficie
3.1.1.1 Especificaciones de polímeros
Dentro del vehículo empleado para este trabajo de investigación, únicamente se tiene un polímero, el polipropileno como material de fabricación de paneles de puertas y tapicerías, así como también del tablero y conductos del sistema de calefacción, como se observa en la figura 5.
Figura 5. Polipropileno en tapicerías 3.1.1.2 Especificaciones de vidrios
Los datos y valores correspondientes al vidrio son tomados directamente del vehículo, realizando mediciones y basándose en los códigos de especificación que posee cada uno. Número de identificación con especificaciones técnicas sobre el tipo de vidrio empleado, según la figura 6, del vidrio del parabrisas.
DOT748: Fábrica de manufactura en este caso KAC Yeonki-Kun Choongnam Korea
AS1: Indica vidrio de seguridad laminado para uso en parabrisas M4.72: Numero de modelo
LAMINATED: Tipo de fabricación del vidrio empleado con un porcentaje de transparencia menor al 75%
13
Figura 6. Vidrio del parabrisas
Al ser los vidrios originales del vehículo, todos presentan la misma marca y por lo tanto cada uno de ellos tendrá códigos similares, teniendo una variación en sus especificaciones tanto en el espesor y el porcentaje de transparencia, como se observa en las figuras 7 y 8 que tienen su variación respecto a la figura 6.
Figura 7. Vidrios laterales
Figura 8. Vidrio posterior 3.1.1.3 Especificaciones de metales
14 3.1.2 DATOS DE LOS MATERIALES DEL HABITÁCULO
Se recopilan los materiales que posee el habitáculo como se expresa en la tabla 2, en donde cada uno tiene un valor de conductividad térmica que varía dependiendo del material de acuerdo a las tablas encontradas en el libro de Fundamentos de Transferencia de Calor (Incropera & DeWitt, 1999) y el espesor que ha sido medido específicamente para los cálculos en este vehículo.
Tabla 2. Materiales y espesores de superficies del habitáculo
Material Conductividad térmica
(W/m.K)
Espesor (mm)
Vidrio 1.40 Templado: 3.20
Laminado: 4.66
Chapas metálicas
Acero según norma SAE 1010 (AISI/ANSI 1010)
63.90 1.00
Alfombra poliéster Lecho moldeado
0.04 3.50
Polipropileno 0.26 3.00
Aire 26.30 Puerta: 30.00
Cajuela: 20.00 Techo: 10.00
3.1.3 DATOS DE LAS SUPERFICIES DEL VEHÍCULO
Dentro de los cálculos para la absorción de calor, se emplea el método de transferencia de calor por convección en superficies planas por resistencia térmica de paredes simples y compuestas, en el cual únicamente se toma en cuenta una superficie totalmente plana, por lo cual las dimensiones del vehículo son realizadas sin tomar en cuenta curvaturas en las superficies. Según la tabla 3, se determina el área de cada superficie.
Tabla 3. Dimensiones de las superficies del vehículo
Sección Valor
Parabrisas frontal 0.96 m2
Parabrisas posterior 0.47 m2 Ventana puerta delantera 0.25 m2 Ventana puerta trasera 0.22 m2
Puerta delantera 0.68 m2
Puerta trasera 0.56 m2
Cajuela 0.32 m2
Techo 1.45 m2
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3.2
PARÁMETROS DE CONDICIONES AMBIENTALES
3.2.1 CONDICIONES AMBIENTALES MÁXIMAS HISTÓRICAS
De acuerdo al estudio que fue realizado en la ciudad de Quito, se ha decidido que las condiciones a elegir deben ser las máximas presentadas. Para la selección de los valores necesarios de radiación solar y temperatura media se basa en el análisis de los datos recopilados en la base de datos de la Red de Monitoreo Meteorológico de la Secretaria del Ambiente del Distrito Metropolitano de Quito, durante el periodo de tiempo entre el 1 de enero de 2013 y el 18 de octubre de 2016.
Valor de radiación solar máximo: 1333.8 w/m2. Siendo el valor máximo de
radiación solar del 2013, registrado el 18 de agosto de 2013 a las 12 horas, en el sector de Cotocollao.
Temperatura máxima del medio: 28.85 °C. Siendo el valor máximo de temperatura ambiental medida, registrada el 22 de enero de 2016 a las 15 horas en el sector de Tumbaco.
Temperatura máxima del interior: 56.16 ºC. Siendo un valor determinado por método de despeje de incógnitas en la sumatoria de las ecuaciones de transferencia de calor por convección en superficies planas por resistencia térmica de paredes simples y compuestas.
De acuerdo al tratamiento de los datos históricos y los valores máximos establecidos, se determina que el horario en el que existe el mayor índice de radiación y temperatura, es en el horario comprendido entre las 11:00 y las 15:00.
3.2.2 CONDICIONES AMBIENTALES MÁXIMAS MEDIDAS
Las mediciones de temperatura interna fueron realizadas en las instalaciones de la Universidad Tecnológica Equinoccial en el periodo de las 11:00 a las 13:00 los días lunes 13 y el viernes 17 de junio del 2016.
La elección de ese rango de horas fue debido al análisis de datos del Sistema de Monitoreo Meteorológico, lo cual indica que las horas más críticas en cuanto a temperatura y radiación solar se localizan entre las 11:00 y las 15:00.
16
Figura 9. Medidor de estrés térmico 3M (Direct Industry, 2016)
Mientras que las mediciones de radiación solar y temperatura media, fueron seleccionados de la Red de Monitoreo Meteorológico de la Secretaria del Ambiente del Distrito Metropolitano de Quito, exactamente en la estación de Belisario que se encuentra ubicada en la Av. 10 de agosto y Av. República, por lo que su cercanía a las instalaciones de la universidad brinda mediciones muy cercanas a las necesarias.
Gracias a estas fuentes de medición, se ha podido realizar la tabla 4, donde se indica los valores más elevados dentro de estos periodos de tiempo.
Tabla 4. Condiciones ambientales medidas
Parámetro Unidad Valor
Temperatura del medio ºC 19.93
Valor de radiación solar W/m2 1193.23
Por lo tanto, mediante el análisis de los datos obtenidos de forma práctica, se establece que la exposición de una persona desde una temperatura ambiente de alrededor de 20ºC a una cercana a los 40ºC que se encuentra en el interior del vehículo, puede generar una sensación de sofocamiento en especial si se trata de niños o adultos mayores, puesto que el calor restringe la cantidad de oxigeno contenido en el aire dentro del vehículo. Más allá de eso no presenta problemas como hipertermia o golpe de calor, el cual se produce a raíz de la elevación de la temperatura corporal, no del medio, por encima de los 40ºC (Kasper, y otros, 2016). Debido a que la exposición a esta temperatura es momentánea y no excede los 5 minutos.
3.3
CÁLCULOS DEL FLUJO DE AIRE DENTRO DEL
HABITÁCULO
17 ventilador de la calefacción, es decir, cuanto tiempo debe pasar para que los 2.59 m3 del volumen del habitáculo sean renovados.
3.3.1 PARÁMETROS
Caudal (q): Se trata del volumen o la masa de aire que circula por un segmento determinado en un periodo de tiempo, su ecuación es:
𝑞 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 =
𝑙 𝑠 =
𝑚3 ℎ
Velocidad (v): Es la rapidez con la cual un fluido circula por un determinado espacio en un periodo de tiempo establecido. Siendo su ecuación la siguiente:
𝑣 =𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 =
𝑚 𝑠
El valor que se toma para la velocidad del aire dentro del habitáculo es la que brinda el ventilador de la calefacción permitiendo el ingreso del aire del exterior, lo cual según mediciones con un anemómetro, como el que se encuentra en la figura 10, el cual indica el valor de velocidad de viento, temperatura y humedad en este caso.
Figura 10. Anemómetro Kestrel 4000 (Kestrelmeters.com, 2016)
18
Tabla 5. Mediciones de flujo de aire de calefacción
Filtro de calefacción Ubicación Recirculación Ingreso exterior
Antiguo Salida 6.7 m/s 5.6 m/s
Asiento 2.1 m/s 1.5 m/s
Nuevo Salida 7.6 m/s 7.3 m/s
Asiento 3.1 m/s 2.7 m/s
Sección (S)
Se refiere al área o superficie por la cual se encontrara circulando el fluido y que es perpendicular a la dirección de este. Su ecuación es la siguiente:
𝑆 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 × 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜
3.3.2 CÁLCULO DE VENTILACIÓN EN EL HABITÀCULO
Este cálculo se encuentra sujeto a las condiciones que tenga el recinto, conducto o local, puesto que dependiendo del uso se establece la cantidad de oxigeno necesaria (Carrier Air Conditioning Company, 2009). En base a ecuación 1 se establecerá la necesidad de ventilación:
𝑞 = 𝑣 × 𝑆 [1]
Q: Caudal necesario, en m3/s
v: Velocidad del fluido, en m/s
S: Área de la sección perpendicular flujo del aire, en m2
El valor de la velocidad del aire será el valor de aire de ingreso exterior, puesto que este se maneja con la temperatura del medio, la cual es menor a la que se encuentra dentro del vehículo y por este motivo el valor necesario es el de 7.3 m/s que se encuentra en la tabla 5.
Se emplea esta ecuación debido a que el sistema de calefacción del vehículo posee cuatro salidas de aire en la posición de flujo directo al pasajero, lo que significa que el cálculo del caudal será medido por cada una de las salidas, presentando lo siguiente:
𝑆 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 × 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑞 = 𝑣 × 𝑆
Dos salidas frontales rectangulares de 9 cm x 5 cm
𝑆1 = 0,09 × 0,05
𝑆1 = 0,0045 𝑚2
19
𝑞1 = 0.0329 𝑚
3
𝑠
Una salida frontal rectangular de 11 cm x 6 cm
𝑆2 = 0.11 × 0.06 𝑆2 = 0.0066 𝑚2
𝑞2 = 7.3 × 0.0066
𝑞2 = 0.0482
𝑚3
𝑠
Una salida frontal triangular de 10 cm x 9 cm x 9 cm, para encontrar su área, inicialmente se necesita encontrar el semiperÍmetro denominado p que se encuentra en la ecuación 2. Para continuar con que el valor del semiperÍmetro es empleado como dato dentro del método de Herón, representado en la ecuación 3.
𝑝 =
𝑎+𝑏+𝑐2 [2]
𝑝 =0.1 + 0.09 + 0.09 2
𝑝 = 0.14 𝑚
𝑆3 = √𝑝 × (𝑝 − 𝑎) × (𝑝 − 𝑏) × (𝑝 − 𝑐) [3]
𝑆3 = √0.14 × (0.14 − 0.1) × (0.14 − 0.09) × (0.14 − 0.09) 𝑆3 = 0.0037 𝑚2
𝑞3 = 7.3 × 0.0037
𝑞3 = 0.0273 𝑚
3
𝑠
Por lo que el caudal total que brinda el sistema de calefacción del vehículo será la suma de los valores obtenidos en cada una de las salidas frontales, de forma que se tendrá la ecuación 4:
𝑞𝑇 = 𝑞1+ 𝑞2+𝑞3 [4]
𝑞𝑇 = 0.0329 + 0.0482 + 0.0273
𝑞𝑇 = 0.1083 𝑚
3
ℎ
Al momento de establecer una relación entre el flujo de aire del sistema y el volumen de aire del habitáculo que es 2.59 m3 expresado previamente en la
tabla 3, se obtiene la ecuación 5:
20
2.59 𝑚3 ÷ 0.1083 𝑚 3
ℎ 23.9053 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
Este es el valor de tiempo en el que únicamente el sistema de calefacción del vehículo se tardara en renovar completamente el aire del habitáculo. Razón por la cual no se puede confiar únicamente en que el ventilador hará todo el trabajo de desalojar la masa de aire a elevada temperatura que se aloja en el habitáculo.
3.4
CÁLCULOS DE ABSORCIÓN DE CALOR EN EL
HABITÁCULO
3.4.1 PARÁMETROS
Calor (Q): Es la energía térmica transmitida en un sistema por variación de temperatura entre cuerpos. Siendo su ecuación:
𝑄 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 Á𝑟𝑒𝑎 =
𝑊 𝑚2
Coeficiente de conductividad térmica (k): Es la medida de la resistencia al paso de energía calórica que tiene cada material y se especifica en tablas. Su representación se basa en lo siguiente:
𝑘 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 × 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑= 𝑊 𝐾. 𝑚
3.4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION EN SUPERFICIES PLANAS
21
Figura 11. Convección por resistencia térmica (Incropera & DeWitt, 1999)
Lo cual indica que el calor es transferido mediante convección por las superficies en contacto que se encuentran en una pared de forma unidimensional. Por lo tanto, se establece que la energía calórica será transferida desde el fluido caliente hacia el fluido frío, tomando en cuenta la cantidad de paredes que se tiene entre ambos. Siendo paredes simples las que constan únicamente de un material y paredes compuestas las que se conforman dos o más materiales, pero deben cumplir la condición de que se encuentren en contacto directo unos de otros.
3.4.2.1 Pared simple
A través de la ley de Fourier, se indica el flujo de energía calórica debido a la diferencia de temperaturas entre dos puntos de una misma superficie. Empleando esta ley en una superficie plana, se obtiene la ecuación 6.
𝑄 = −𝑘𝐴
𝑑𝑇𝑑𝑥
=
𝑘𝐴
𝐿
(𝑇
1− 𝑇
2)
[6]Donde:
Q: Cantidad de energía térmica expresada por el área determinada k: Coeficiente de conductividad térmica del fluido
A: Área de la superficie plana
dT: Diferencial de transferencia de calor entre superficie caliente y fría dx: Diferencial de la temperatura lineal de exposición de la superficie L: Espesor de la superficie
T1: Temperatura de superficie caliente
22 3.4.2.2 Pared compuesta
La conducción de calor entre los materiales es similar al movimiento de electrones producidos por el paso de corriente eléctrica mediante la ley de Ohm como se explica en el libro de Fundamentos de Transferencia de Calor (Incropera & DeWitt, 1999), en donde se tiene la idea de que la energía puede ser transmitida entre los distintos materiales como si se tratara de un circuito eléctrico, en donde cada material posee un índice de conductividad especifico. Estableciendo la ecuación 7:
𝑄 =
1 𝑇1−𝑇2ℎ1𝐴+ 𝐿𝑎 𝑘𝑎𝐴+ 𝐿𝑏 𝑘𝑏𝐴+ 𝐿𝑐 𝑘𝑐𝐴+ 1 ℎ4𝐴 [7] Donde:
Q: Cantidad de energía térmica expresada por el área determinada k: Coeficiente de conductividad térmica del material
h: Coeficiente de convección del aire A: Área de la superficie plana
L: Espesor del material
T1: Temperatura de superficie caliente
T2: Temperatura de superficie fría
Mediante el uso de estas ecuaciones se identifica el potencial de absorción de calor en el vehículo y relacionarlo con las condiciones máximas históricas y medidas en Quito, justificando la necesidad de la existencia de este dispositivo.
Mediante la realización de estos cálculos se determina la cantidad de energía calórica es absorbida por los materiales del habitáculo. Para lo cual se manejan dos parámetros, el histórico y medido, de forma que se pretende establecer la relación entre condiciones y la influencia del medio en esto, permitiendo diferenciar una de otra.
23 Con las consideraciones de que, no se toma en cuenta la parte frontal del habitáculo, situada entre el habitáculo y el motor, debido a que posee un aislante térmico y acústico que impide el paso de calor al habitáculo.
Tabla 6. Coeficientes y composición de las superficies del habitáculo
Superficie Tipo de pared Material Conductividad
térmica (W/m.K)
Parabrisas frontal Simple Vidrio 1.40
Parabrisas posterior Simple Ventana puerta delantera Simple Ventana puerta trasera Simple
Techo Compuesta Metal 63.90
Aire 26.30
Alfombra 0.04
Cajuela Compuesta Metal 63.90
Aire 26.30
Polipropileno 0.26
Puerta delantera Compuesta Metal 63.90
Aire 26.30
Polipropileno 0.26
Puerta trasera Compuesta Metal 63.90
Aire 26.30
Polipropileno 0.26
Al aplicar las ecuaciones de transferencia de calor establecidas en la metodología, únicamente se reemplazan los valores contenidos necesarios, como:
Tabla 2. Materiales y espesores de superficies,
Tabla 3. Dimensiones de superficies
Tabla 6. Coeficientes y composición de las superficies del habitáculo
Valores de temperatura interna, del medio y coeficiente de radiación solar de acuerdo al ciclo histórico o medido.
Debido a que la ecuación varía dependiendo del tipo de pared, se aplica una diferente para cada componente, con las consideraciones de la ecuación 8:
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝑄𝑃𝐹 + 2𝑄𝑉𝑃𝐷+ 2𝑄𝑉𝑃𝑇+ 𝑄𝑃𝑃 + 2𝑄𝑃𝐷+ 2𝑄𝑃𝑇+ 𝑄𝐶+ 𝑄𝑇 [8]
Donde:
QTOTAL : Valor total de calor acumulado
QPF: Valor de calor en el parabrisas frontal
QVPD: Valor de calor en la ventana de la puerta delantera
QVPT: Valor de calor en la ventana de la puerta trasera
QPP: Valor de calor en el parabrisas posterior
QPD: Valor de calor en la puerta delantera
QPT: Valor de calor en la puerta trasera
24 QT: Valor de calor en el techo
3.4.3 CÁLCULO HISTÓRICO DE ABSORCIÓN DE CALOR
Estos cálculos representaran las condiciones máximas registradas en el sistema meteorológico de la Secretaria del Ambiente de Quito en el periodo de 2013 hasta 2016, de forma que se establece los parámetros de la tabla 7.
Tabla 7. Condiciones históricas
Parámetro Unidad Valor
Temperatura interna ºC 56.16
Temperatura del medio ºC 28.85
Valor de radiación solar w/m2 1333.80
De forma que al reemplazarlos en las ecuaciones y realizar la sumatoria se tiene la ecuación 9:
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝑄𝑃𝐹 + 2𝑄𝑉𝑃𝐷+ 2𝑄𝑉𝑃𝑇+ 𝑄𝑃𝑃 + 2𝑄𝑃𝐷 + 2𝑄𝑃𝑇+ 𝑄𝐶+ 𝑄𝑇 [9]
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 7878.03 + 2(2946.97) + 2(2629.09) + 5632.22 + 2(364.02)
+ 2(302.95) + 173.54 + 315.20
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 𝐻𝐼𝑆𝑇Ó𝑅𝐼𝐶𝑂 = 26485.02 𝑤
𝑚2
3.4.4 CÁLCULO MEDIDO DE ABSORCION DE CALOR
Son realizados empleando los datos obtenidos por mediciones con equipos que se ven representados en la tabla 4 que indica los valores de temperatura interna, del medio externo e índices de radiación solar necesarios. De forma que se tiene la ecuación 10:
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝑄𝑃𝐹 + 2𝑄𝑉𝑃𝐷+ 2𝑄𝑉𝑃𝑇+ 𝑄𝑃𝑃 + 2𝑄𝑃𝐷 + 2𝑄𝑃𝑇+ 𝑄𝐶+ 𝑄𝑇
[10]
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 5442.33 + 2(2035.84) + 2(1816.24) + 3890.88 + 2(251.48)
+ 2(209.28) + 119.88 + 217.74
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 𝑀𝐸𝐷𝐼𝐷𝑂 = 18296.51
𝑤 𝑚2
3.4.5 CÁLCULO DE CONFORT TÉRMICO
Este cálculo se realiza con la finalidad de identificar la cantidad de energía calórica que debe ser absorbida por el habitáculo de forma que dentro de este existan en promedio 22ºC, con la consideración que la temperatura del medio externo es la máxima histórica registrada, siendo 28.85ºC con un índice de radiación solar de 1333.8 w/m2, de forma que estas son las
25 𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝑄𝑃𝐹+ 2𝑄𝑉𝑃𝐷+ 2𝑄𝑉𝑃𝑇+ 𝑄𝑃𝑃 + 2𝑄𝑃𝐷+ 2𝑄𝑃𝑇+ 𝑄𝐶+ 𝑄𝑇
[10]
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 1975.62 + 2(739.03) + 2(659.31) + 1412.43 + 2(91.29) + 2(75.97)
+ 43.52 + 79.04
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 𝐶𝑂𝑁𝐹𝑂𝑅𝑇 𝑇É𝑅𝑀𝐼𝐶𝑂 = 6685.34 𝑤
𝑚2
3.4.6 ANÁLISIS DE DATOS
3.4.6.1 Relación de los cálculos: histórico, medido y confort térmico
De acuerdo a los valores obtenidos de cantidad de calor total en el ciclo histórico y medido se tiene una diferencia de 8188.52 w/m2. Lo cual indica
que aunque las condiciones varíen, la temperatura y radiación solar en Quito, son similares a lo demostrado mediante los valores máximos, dando a conocer que las condiciones de la ciudad son críticas.
Si se relaciona los valores totales históricos y medidos con el valor de confort térmico, se puede determinar que es imposible llegar a este valor, por medio del dispositivo de esta investigación, puesto que aunque ingrese un aire del exterior que se encuentra a menor temperatura que el contenido dentro del habitáculo, sigue siendo un valor demasiado elevado, de forma que se establece la necesidad de una fuente alternativa de aire a menor temperatura con el fin de garantizar el confort interno del habitáculo.
3.4.6.2 Incidencia de la temperatura del habitáculo sobre los polímeros
26
Figura 12. Reacción ante el calor solar de un cristal ordinario (Carrier Air Conditioning Company, 2009)
Lo cual demuestra que la cantidad de energía que pasa a través del vidrio es mucho mayor a la que se absorbe, de forma que el 8% de la energía es reflejada, el 6% absorbida por el cristal y el 86% es la cantidad de energía que llega directamente al interior del vehículo, de forma que el calor pasa directamente al tablero, el cual a su vez transfiere esa energía calórica hacia los conductos del sistema de calefacción que se encuentra en la parte inferior, haciendo que estos calienten el aire que fluye en su interior, siendo un motivo adicional para las condiciones tan extremas del habitáculo.
Una de las soluciones más factibles y sencillas para disminuir este efecto, es la utilización del cobertor interior del parabrisas, de forma que disminuye la cantidad de calor que llega al tablero y por lo tanto a los conductos de la calefacción, permitiendo una optimización en la utilización del dispositivo. De forma que se muestra la importancia del uso de persianas o cobertores en los vidrios de acuerdo a la tabla 8, que se encuentra resumida del Anexo 1.
Tabla 8. Factores totales de ganancia solar a través del vidrio
Tipo de vidrio
Sin persiana o pantalla
Persianas venecianas interiores (listones horizontales o verticales
inclinados a 45º) O cortinas de tela
Persianas venecianas exteriores (listones horizontales
inclinados a 45º)
Color claro Color medio
Color oscuro
Color claro Exterior claro interior oscuro Vidrio sencillo ordinario
1.00 0.56 0.65 0.75 0.15 0.13
Vidrio
sencillo 0.94 0.56 0.65 0.74 0.14 0.12
27 Por lo tanto, se considera al vidrio automotriz un vidrio sencillo ordinario, puesto que el coeficiente de conductividad térmica es el mismo que para el vidrio templado y laminado (Águeda Casado, Navarro, Gómez Morales, & García Jiménez, 2010). Lo que la tabla 8 indica es que del 86% de la radiación solar que es transmitida a través del vidrio, un 100% es recibido por el tablero, si no existe ninguna persiana que lo proteja. Mientras que si es empleada una persiana o en este caso un protector del tablero, ese porcentaje se reduce a un 65% debido a que el protector en este caso es refractivo. Al realizar este análisis mediante los datos medidos se tiene que:
𝑄𝑃𝐹 sin 𝑝𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙𝑙𝑎 = 5442.33 𝑤
𝑚2× 65%
𝑄𝑃𝐹 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑖𝑎𝑛𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 3537.52 𝑤 𝑚2
De forma que se tiene una reducción del calor absorbido por el vidrio de 1904.82 w/m2, lo cual influye en gran manera sobre el calor total acumulado
dentro del habitáculo, debido a que el parabrisas es la mayor fuente absorción de calor dentro del vehículo.
3.4.6.3 Incidencia del color de la pintura del vehículo en la acumulación de calor total
Para la realización del análisis de influencia del color, se requiere la utilización de los valores de acumulación de calor en el ciclo medido el cual tiene como valor total:
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 𝐻𝐼𝑆𝑇Ó𝑅𝐼𝐶𝑂 = 18296.51 𝑤
𝑚2
Lo cual se descompone en paredes simples y compuestas en base a lo especificado en la tabla 6, brindando valores de:
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 𝐻𝐼𝑆𝑇Ó𝑅𝐼𝐶𝑂 𝑃.𝑆𝐼𝑀𝑃𝐿𝐸 = 17037.36 𝑤
𝑚2
𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 𝐻𝐼𝑆𝑇Ó𝑅𝐼𝐶𝑂 𝑃.𝐶𝑂𝑀𝑃𝑈𝐸𝑆𝑇𝐴 = 1259.15 𝑤
𝑚2
28 establecido que el acero es AISI/ANSI 1010, en lo que no se toma en cuenta el color.
3.4.7 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO
Para el dimensionamiento de este dispositivo y el sistema en concreto, se establece como parámetros los relacionados con el tamaño del vehículo, en específico el volumen de aire que se encuentra contenido en el habitáculo, que presenta un valor de 2.59 m3. Con lo cual se establecen las necesidades
del flujo y las variaciones que se puede brindar de acuerdo a las condiciones. Así también en el dimensionamiento se reconoce la necesidad de una batería alterna para manejar de manera correcta la corriente del ventilador y evitar quedarse sin carga después de un largo periodo de uso, por lo que se colocan dos baterías de 12 voltios en paralelo, brindando un valor de corriente de 60 amperios.
3.4.8 DISPOSITIVO ELECTRÓNICO
La finalidad de este trabajo de investigación es el desarrollo del dispositivo que permita disminuir la sensación térmica en el interior del habitáculo del vehículo, para lo cual ha sido empleado todo el fundamento científico previo, que ha permitido establecer las condiciones a las que se encuentra expuesto el vehículo, la incidencia de las dimensiones, componentes y materiales dentro de la absorción de calor.
3.4.8.1 Requerimientos
Se necesita una plataforma programable que pueda ser modificable, con un instrumento que mida la temperatura a la que se encuentra el habitáculo y muestre la misma de forma gráfica, una confirmación visual de que el sistema se encuentra activado y un motor eléctrico que genere movimiento del aire contenido dentro del habitáculo.
3.4.8.2 Componentes
El dispositivo empleado en esta investigación genera un circuito electrónico dentro del cual se manejan diversos componentes que completaran la funcionalidad de este.
29 Cargador del encendedor: Este componente electrónico de uso diario, permite brindar una alimentación correcta y estable a la plataforma Arduino, brindando una tensión de 5 voltios con una corriente de 1 amperio.
Sensor de temperatura LM35: Es un instrumento de medición de circuito integrado que brinda una señal analógica proporcional a la temperatura en grados Celsius. Trabajando en un rango de temperaturas -55ºC hasta 150ºC, con una exactitud de +/- 0,5ºC, con tres conexiones, siendo alimentación positiva, negativa y señal enviada al sistema y realizando una variación de 10mV/ ºC.
Transistor NPN: Es un componente electrónico que permite incrementar la corriente, disminuir el voltaje y así mismo permite que sea posible controlar la corriente que se encuentra entre sus terminales.
Relé: Es un componente eléctrico que permite el paso de corriente, de acuerdo a la energización de una bobina que posee internamente, lo cual causa que trabaje como un interruptor.
Ventilador: Componente del sistema de calefacción que permite el flujo de aire dentro del habitáculo, permitiendo la absorción de este del exterior con el fin de reducir la temperatura interna.
Batería alterna: Es un acumulador de energía eléctrica empleado en el vehículo, debido a que la cantidad requerida es muy elevada y no se abastece con un sistema de alimentación convencional, realizando una conexión en paralelo entre ambas baterías.
Pantalla LCD: Por sus siglas en inglés significa Liquid Crystal Display, es una salida digital empleada en instrumentos electrónicos con el fin de mostrar información de forma gráfica, en este caso sobre la medición de temperatura realizada por el dispositivo.
3.4.8.3 Construcción del dispositivo
El dispositivo electrónico que se ha desarrollado para este trabajo de investigación, cuenta con componentes que son empleados de acuerdo a los requerimientos que se tiene dentro del sistema, el circuito se representa en el plano, ver Anexo 2. Lo principal para realizar el dispositivo es la Plataforma Arduino Uno, la cual es empleada debido a su simplicidad para la programación y su interface amigable. Así también por su costo relativamente bajo de adquisición y que brinda las características de manejo de sistemas de simple manejo.
30 puerto USB, el cual brinda una tensión de trabajo de 5 voltios y una corriente de 1 amperio.
La plataforma Arduino Uno recibe la información de un sensor LM35 para su procesamiento, brindando la temperatura a la que se encuentra un espacio determinado, en este caso el habitáculo del vehículo. Al momento de establecer la medición de la temperatura, se tiene el parámetro para el encendido del ventilador de la calefacción del vehículo, pero un inconveniente es que debido a la cantidad de corriente que se maneja para su activación, brindando un valor pico de 23 amperios al momento del encendido y una corriente de trabajo de 7 amperios, el ventilador requiere la utilización de un relé automotriz que soporte un valor superior a los 30 amperios.
Cuando se coloca el sistema con la plataforma Arduino Uno y un relé de 12 voltios, se produce otro inconveniente, la corriente de salida que brinda el Arduino para la activación tiene un máximo de 5 voltios, lo cual no podrá energizar correctamente al relé para encender al ventilador. Estableciendo la necesidad de la utilización de un transistor NPN, el cual se encargará de brindar la alimentación de 12 voltios de la batería al relé, permitiendo su correcto funcionamiento. Conjuntamente con la utilización de este transistor, se coloca una resistencia de 1 kilo ohmio.
Los componentes adicionales que se tiene programados dentro de la plataforma Arduino, son un diodo led y una pantalla LCD. El diodo led brinda una señal visual de que el ventilador se encuentra encendido, puesto que se encuentra calibrado para realizar un trabajo de encendido intermitente a partir del parámetro de temperatura de encendido del sistema. La pantalla LCD es empleada como otra señal visual del dispositivo, en la cual se muestra la lectura exacta que tiene el sensor LM35 de temperatura programado en la plataforma Arduino, de forma que brinda el dato de la temperatura que se percibe dentro del habitáculo.
Al tener correctamente alimentado el relé, se tiene una corriente estable para el trabajo del ventilador, se establece que la única necesidad de este es mantener alimentación positiva y negativa, siendo la primera entregada por el relé y la segunda realizada por la conexión alterna de la segunda batería, que ha sido añadida puesto que la cantidad de energía que requiere el ventilador en su arranque es capaz de descargar al sistema eléctrico de todo el vehículo, si únicamente se encuentra una batería, entre ambas al estar conectadas en paralelo, se mantiene un voltaje de 12 voltios y una corriente combinada de alrededor de 60 amperios.
31 estableciendo una conexión alterna y totalmente independiente de la conexión original del vehículo.
3.4.8.4 Instalación del dispositivo
El vehículo empleado en los cálculos, mediciones y análisis es un Kia Picanto R del año 2014 color negro, el mismo que se indica en la figura 12. Por lo tanto se procede a realizar las conexiones eléctricas dentro del vehículo de acuerdo a lo que se indica en el circuito del Anexo 2.
Figura 13. Kia Picanto R modelo 2014
La realización de las conexiones empieza por el cableado y la colocación de la segunda batería del sistema, la cual se encuentra ubicada detrás del asiento del pasajero en el habitáculo, como se encuentra en la figura 13. Para lo cual es necesario realizar un traspaso de cables entre estas con el fin de generar una conexión en paralelo que mantenga el voltaje de 12 voltios y únicamente eleve la corriente, bridando una sumatoria de alrededor de 60 amperios.
Figura 14. Batería alterna ubicada detrás del asiento
32 dispositivo, como se puede ver en la figura 14, esta indica existe una conexión de 5 cables, en donde dos de ellos son positivo y negativo de batería, mientras que los otros dos son positivo y negativo de activación del relé y finalmente el ultimo cable es el positivo de alimentación del ventilador.
Figura 15. Conexión provisional para el dispositivo
La conexión restante es la que se refiere a la alimentación del ventilador del vehículo, la cual necesita únicamente dos cables, uno es el positivo que viene de la batería pasando por el relé y un negativo que proviene directamente de la batería alterna.
Debido a problemas con la alimentación directa del dispositivo con 12 voltios, se toma la alternativa de energizarlo mediante el encendedor, que justamente se encuentra junto a la conexión previamente realizada. Mediante la realización de una conexión alterna empatando a la estándar con energía de la batería alterna del vehículo, con el fin de que se encuentre energizado el encendedor en todo momento.
33
Figura 16. Conexión definitiva del dispositivo 3.4.9 PRUEBAS Y CALIBRACIONES
Después de realizar correctamente la instalación de acuerdo a las especificaciones se procede a establecer parámetros de funcionamiento del dispositivo en base a las condiciones que se vayan determinando. El periodo de prueba en el que se han realizado estas calibraciones va desde el 14 de noviembre de 2016 hasta el 11 de diciembre de 2016, de forma que es un plazo cercano a un mes, y que permite aplicar a la realidad lo que previamente y de acuerdo a la teoría se ha establecido.
Inicialmente las mediciones de temperatura que el dispositivo tenía programadas para realizar, se encontraban con una separación de 0,1 segundos, lo cual denota mediciones notoriamente irregulares con variación de hasta +/- 0,8 ºC entre cada una de ellas, debido a la sensibilidad del sensor ante la temperatura. De forma que al momento de realizar la activación del ventilador, genera que no se mantenga encendido de forma inmediata, lo cual produce que se de arranque a este alrededor de 5 veces antes de mantenerse encendido, esto causa que la corriente necesitada para el encendido que es de 25 amperios, sea replicada y por lo tanto descargue la batería de forma muy acelerada.
Este inconveniente se ve aminorado en gran medida si se realiza un cambio en la programación del Arduino, de forma que las mediciones de temperatura sean realizadas cada 5 segundos, permitiendo que ante un cambio de temperatura en el habitáculo, se manejen temperaturas más cercanas y que la sensibilidad del sensor sea manejada en beneficio de conservar la carga de la batería.
34 parabrisas, en el horario de 13:00 a 14:00 horas, la temperatura interna llega a valores mayores a los 43ºC, de forma que se establece la modificación de parámetros de temperaturas de encendido y apagado en el dispositivo. Según las mediciones realizadas por el dispositivo, con el vehículo estacionado, las temperaturas que rondan los 22ºC son alcanzadas únicamente en horarios de antes de las 7:00 y después de las 18:00, de forma que es otro parámetro que ayuda a determinar las temperaturas optimas que se desea aminorar con el dispositivo. En base a estos parámetros, se decide cambiar la temperatura de encendido del ventilador hasta los 34ºC, puesto que si es colocada a los 22ºC como se había establecido en la teoría, el ventilador se encontrará encendido en todo momento. Y la temperatura de apagado el sistema se establece en los 28ºC, con la finalidad de que el trabajo del ventilador no sea excesivo.
3.4.10 RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DEL DISPOSITIVO
Las mediciones que se presentan en el Anexo 3, fueron realizadas por el mismo sensor de temperatura del dispositivo, en distintas horas de forma que se tenga variabilidad en la temperatura del habitáculo, aunque se establece que las horas más críticas se encuentran en el periodo entre las 11:00 y las 15:00.
El dispositivo al ser instalado dentro del habitáculo del vehículo, indica en forma de dato la temperatura a la cual se encuentra la zona media de este. Puesto que al colocar el sensor cerca a la parte superior, únicamente se estaría midiendo la temperatura máxima que se tiene dentro del habitáculo, debido a que por la densidad del aire, el más caliente se ubica siempre en la parte superior mientras que el aire frío se mantiene en la parte inferior. Al tener claro esta consideración, se realiza el análisis sobre el funcionamiento del dispositivo.
Según los datos de la tabla 9, se establece mediciones realizadas con el sensor del dispositivo con diferentes variables, pero en condiciones de temperatura externa y radiación similares. De forma que al activar el dispositivo y colocar el cobertor si no existe ingreso de aire externo, las condiciones internas de temperatura resultan ser más elevadas que en un sistema convencional.
