Diseño y construcción de caja de transferencia de calor (guarded hot box)

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(1)IM-2006-II-29. i. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE CAJA DE TRANSFERENCIA DE CALOR (GUARDED HOT BOX). por. MARÍA FERNANDA NAVAS CÁLAD. T esis presentada a La Universidad de los Andes Como requisito parcial de grado Programa de Pregrado En Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia, 2007. ©(MARÍA FERNANDA NAVAS), 2007.

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(3) IM-2006-II-29 Declaro que soy el único autor de la presente tesis Autorizo a la Universidad de los Andes para que este tesis sea prestada a otras instituciones o personas para propósitos de investigación solamente.. Firma. T ambién 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. iii.

(4) IM-2006-II-29. iv. Página del lector La Universidad de los Andes requiere la firma de todas las personas que utilicen o fotocopien esta tesis. Favor firmar debajo dando nombre y dirección..

(5) IM-2006-II-29. v. Carta de Presentación. Bogotá, septiembre 11 de 2002. Doctor ALVARO PINILLA Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes. Estimado doctor Pinilla. Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado titulado : “ Diseño y construcción de Caja de T ransferencia de Calor (Guarded Hot Box)” como requisito parcial de grado del programa de Pregrado en ingeniería Mecánica. Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud.. Atentamente,. MARIA FERNANDA NAVAS CÁLAD.

(6) IM-2006-II-29. vi. Agradecimientos Deseo agradecer a las siguientes personas que me brindaron su apoyo para la realización de este trabajo de tesis.. A mis padres, por su apoyo y fe constante y sonante. A Rafael Beltrán, por su comprensión cuando no creí que pudiese lograrlo. A Lucy Torres, que siempre me dio la mano y me ayudó a seguir. A Iván López, gracias por la tutoría electrónica de todo este asunto. Y a ti, Perozzo, siempre a ti. Gracias..

(7) IM-2006-II-29. vii. Resumen. La Caja de T ransferencia de Calor (Guarded Hot Box) es un método de medición cuyos principios, procedimientos y aplicaciones son proveídos de la Norma AST M C 236 – 89. Dicha norma refiere la medición de las propiedades de transferencia de calor en estado estable de paneles, ensamblajes de construcción y otras estructuras verticales. En resumen, el método se utiliza para determinar la conductancia C, la transmitancia térmica U, y la resistencia térmica, R, de cualquier espécimen conociendo el área, A, el flujo de calor, q, y la diferencia de temperaturas, la velocidad de aire y radiación controladas por una cámara de medición (Metering Box) en un lado y una cámara climática aislada térmicamente de los alrededores (cold Box) del otro lado; todo debe ser establecido bajo ciertas condiciones que garanticen que el flujo de calor es 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. En este proyecto, se diseñó y construyó una caja de transferencia de calor según la metodología dada por la Norma mencionada. Como se explicó anteriormente, esta caja consta de dos cámaras climáticas aisladas térmicamente con sus alrededores mediante láminas de poliuretano de 2 pulgadas y sellamiento de silicona adhesiva. La estructura de ambas cámaras fue construida con madera T riplex de 7mm de espesor, una mediante perfiles de aluminio de 3 y 4cm de ancho y remachada para obtener mayor fijación y limpieza de las uniones. La cámara caliente tiene un volumen de (1m x 1m x 0.55m) y consta de 4 resistencias térmicas de 60watts y 38cm de largo y dos ventiladores de 12cm de diámetro-115V-400 RPM ensamblando en cada costado de la cámara caliente dos resistencias conectadas en serie y un ventilador. El juego de dos resistencias en serie está conectado en paralelo con el otro juego del costado opuesto; de esta manera, trabajaran con menor voltaje y se calentarán más lentamente. Los ventiladores están conectados entre si para funcionar con la mitad del voltaje, por lo que trabajarán a 400 RPM, generando una ventilación suave. Este sistema de calefacción tiene un sistema de control de temperatura que consta de un sistema de control ON/OFF, el cual apaga y prende las resistencias cuando la temperatura dentro de la cámara llegue a un límite superior (40ºC) y a un límite inferior (38ªC) respectivamente..

(8) IM-2006-II-29. viii. La cámara fría (Cold Box) tiene un volumen de 1m x 1m x 0.5 m) y consta de un equipo de refrigeración constituida por un compresor de 110 Voltios el cual usa Freon R-22; un evaporador con ventilador para dispersar el vapor de aire frío por toda la cámara fría; y, un condensador con ventilador. Dicho sistema consigue temperaturas desde 5ºC hasta 18ºC. La cámara usa un sistema de control de temperatura ON/OFF el cual mantiene la temperatura en un rango deseado (15ºC). Para realizar las mediciones e flujo de calor, el Guarded Hot Box consta de una cámara de medición (Metering Box). Esta cámara de medición consta de una resistencia térmica de 60watts de 30cm de longitud y de un ventilador de 4.75cm de diámetro-4V-450RPM. Aunque la cámara es pequeña requiere de ventilación que uniformice el calor transferido por la resistencia térmica. Este sistema de calefacción tiene instalado un regulador de potencia (DIGMER) para que no caliente más rápido que la cámara caliente. El sistema de control de temperatura de esta cámara es el mismo de la cámara caliente (ON/OFF) y controlado por los mismos dispositivos que apaga y prende la resistencia en los límites superior (40ªC) e inferior (38ºC). Finalmente, luego de construir el Guarded Hot Box, se realiza una experimentación con un panel de prueba de madera MDF con recubrimiento de formica. En dichas pruebas, se esperó por un rango de 1:30 - 2 horas para que el sistema se estabilizara para finalmente comenzar la medición por un rango de media hora. Se encontró que todos los equipos funcionaban perfectamente y que el sistema de control de temperatura de las tres cámaras lograba su objetivo: mantener el sistema estable. Sin embargo, el requisito de sistema estable para realizar la medición demandaba que las temperaturas de la cámara caliente y la cámara de medición fuesen iguales. Durante el proyecto, hubo un desfase de 4ºC-5ºC, por lo que no se pudo caracterizar térmicamente el espécimen de prueba. De haberlo logrado, esta caracterización se habría encontrado determinando la potencia de calor entregada al panel por la cámara de medición y por la cámara caliente a la cámara de medición y por los equipos de ventilación durante el tiempo de prueba. No obstante, las pruebas realizadas concluyeron en gráficas y análisis interesantes que son de suma utilida d para aquellos que deseen continuar con esta metodología. Este proyecto es la continuación y mejora de proyectos anteriores y el comienzo de otra etapa de diseño y experimentación. Si bien los materiales de ensamblajes de construcción tales como paneles, ventanas, muros falsos, etcétera, tienen una caracterización de propiedades mecánicas, eléctricas,.

(9) IM-2006-II-29. ix. físicas y químicas conocidas; es de suma utilidad y necesidad conocer también sus propiedades térmicas para optimizar su desempeño, costos de energía en calefacción o refrigeración. Con este proyecto, determinar dichas características térmicas está cada vez más cerca..

(10) IM-2006-II-29. x. Tabla de Contenido LIST A DE FOT OS LIST A DE FIGURAS LIST A DE SIMBOLOS INT RODUCCION OBJET IVOS Capítulo 1 Teoría Vinculada a los Principios, Procedimientos y Arreglos Generales del Guarde d Hot Box..............................................................................................................................................1 1.1 Transferencia de Calor.........................................................................................................1 1.1.1 Mecanismo Físico de Conducción y Propiedades T érmicas de la Materia..........................2 1.1.2 Conducción en Estado Estable, en una Dimensión ...........................................................5 1.2 Sistema de Refrigeración .....................................................................................................7 1.3 Sistema de Control de Temperatura ON/OFF........................................................................8 1.4 Norma AST M C 236 – 89 ; “ Standard T est Method for Steady-State T ermal Performance of Building Assemblies by Means of a Guarded Hot Box”...............................................................9 Capítulo 2 Diseño del Guarded Hot Box.......................................................................................12 Capítulo 3 Construcción del Guarded Hot Box .............................................................................14 3.1 Cámara Caliente (Hot Box)................................................................................................14 3.1.1 Equipamiento..............................................................................................................14 3.1.2 Construcción Paso a Paso.............................................................................................14 3.2 Cámara Fría (Cold Box).....................................................................................................17 3.2.1 Equipamiento..............................................................................................................17 3.2.2 Construcción Paso a Paso.............................................................................................17 3.3 Cámara de Medición (Metering Box)..................................................................................19 3.3.1 Equipamiento..............................................................................................................19 3.3.2 Construcción Paso a Paso.............................................................................................19 Capítulo 4 Control de T emperatura del Guarded Hot Box..............................................................21 4.1 Sistema de Control de Temperatura de la Cámara Fría (Cold Box)........................................21 4.2 Sistema de Control de T emperatura de la Cámara Caliente (Guard Box) y la Cámara de Medición (Metering Box)........................................................................................................21 4.2.1 Dispositivos................................................................................................................21 4.2.2 Diagrama de Flujo y Funcionamiento del Circuito ........................................................23.

(11) IM-2006-II-29. xi. Capítulo 5 Experimentación ........................................................................................................25 Capítulo 6 Valoraciones durante el Diseño, Cosntrucción y Experimentación del Guarded Hot Box .... ............................................................................................................................................... 30. 6.1 Desventajas y Problemas Presentados.................................................................................30 6.2 Mejorías, Soluciones y Ventajas Presentadas.......................................................................31 6.3 Continuación del Proyecto..............................................................................................32 CONCLUSIONE S BIBLIOGRAFIA.

(12) IM-2006-II-29. xii. Lista de Tablas T abla 1.. T itulo. Página. Mediciones de Voltaje-Corriente en los equipos. 27.

(13) IM-2006-II-29. xiii. Lista de Figuras T itulo. Página. Figura 1.1. Modos de Transferencia de Calor. 2. Figura 1.2. Transferencia Unidimensional de Calor por Conducción. 3. Figura 1.3. Transferencia de Calor a través de una pared plana.. 6. (a) Distribución de temperatura. (b) Circuito térmico equivalente Figura 1.4. El ciclo de refrigeración de cuatro procesos. 7. Figura 1.5. Acción del sistema de control de temperatura ON/OFF. 8. Figura 1.6. Arreglo esquem ático del pánel de prueba. (a) Vista Superior . (b) Vista Lateral. 10. Figura 2.1. Esquema del arreglo de los equipos en la cámara calient e y en la cámara fría (a) Vista superior. (b) Vista lateral. 13. Figura 2.2. (a) Esquema de la cám ara de medición. (b) Vista Superior del arreglo de las cámaras en el Hot Box. 13. Figura 3.1. Vista interna de la cámara caliente. El círculo señala las líneas de silicona adhesiva sellante. 15. Figura 3.2. (a) Arreglo y ubicación de resistencias térmicas y ventiladores en la cámara caliente. (b) Acercamiento el arreglo del costado derecho. 15. Figura 3.2. Sistema de fijación de las resistencias térmicas en la cámara caliente. 16. Figura 3.3. (a) y (b) Sistema de fijación de los ventiladores. 16. Figura 3.4. (a) Visualización de la ubicación del caucho. (b) Fotografía de los rodachines. 17. Figura 3.5. (a) Condensador y compresor. (b) Ventilador y evaporador. 18. Figura 3.6. Cámara fría reconstruida. 18. Figura 3.7. Estructura de la cámara de medición. 19. Figura 3.8. Cámara de medición instalada dentro de la cámara caliente. Se indican los tornillos sin cabeza, los resortes y el neopreno.. 20. Figura 4.1. Secuenci a de prueba del sistema de control de temperatura. 24. Figura 5.1. Disposición del Guarded Hot Box y el panel durante la prueba (a) Vista Lateral. (b) Vista isométrica. 25. Figura 5.3. Registro de Temperatura durante la prueba No. 1. 26. Figura 5.4. Registro de Temperatura durante la prueba No. 2. 27.

(14) IM-2006-II-29. xiv. Lista de Símbolos. qx. Calor transferido por unidad. q "x. Flujo de calor o transferencia. k. Conductividad Térmica. C. Conductancia Térmica. R. Resistencia Térmica. rh rc. W. de tiempo. de calor por unidad de área. Resistencia Superficial, lado caliente Resistencia Superficial, lado frío. W / m2. ( ) W / (m ⋅ K ) (K ⋅ m ) / W W / m ⋅K 2. 2. (K ⋅ m ) / W 2. (K ⋅ m ) / W 2. Ru. Resistencia Térmica Total. (K ⋅ m ) / W. U. Transmitancia Térmica. W / m 2 ⋅°K. hh hc. Conductancia superfi cial, lado caliente Conductancia superfi cial, lado frío. 2. (. ). (. ). (. ). W / m 2 ⋅°K W / m 2 ⋅°K. A. Área de medición. m2. L. Espesor del panel. m. ta. Temperatura ambiente. K o ºC. th, t1 o T s, 1 t2 o T s, 2 tc,. Temperatura del aire del lado caliente Temperatura de la superfici e caliente del panel Temperatura de la superfici e fría del panel Temperatura del aire del lado frío. K o ºC K o ºC K o ºC K o ºC.

(15) IM-2006-II-29. xv. INTRODUCCION Si bien los materiales de ensamblajes de construcción tales como paneles, ventanas, muros falsos, etcétera, tienen una caracterización de propiedades mecánicas, eléctricas, físicas y químicas conocidas; es de suma utilidad y necesidad conocer también sus propiedades térmicas para optimizar su desempeño. Por ejemplo, dependiendo del tipo de material, configuración y recubrimiento, varía el comportamiento térmico de dichos ensamblajes consiguiendo productos aptos a diferentes condiciones y disminuyendo costos de energía en calefacción o refrigeración. Conociendo los coeficientes de conductividad térmica, resistencia térmica y transmitividad térmica se pueden realizar simulaciones y pruebas en condiciones reales apropiadas y así establecer con mayor exactitud el funcionamiento y caracterización de estos ensamblajes. Para clasificarlos térmicamente se utiliza un método de medición conocido como Guarded Hot Box. El método provee una medición de la transferencia de calor a través de un espécimen (panel de prueba) bajo temperatura, velocidad de aire y radiación controladas establecido 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. Como se mencionó anteriormente, las mediciones se realizan en condiciones de estado estable, por ende, las cámaras deben mantener una temperatura específica invariable durante la prueba para que se pueda realizar una conducción (transferencia de calor a través de un medio estacionario) estable de pared plana en una dimensión. En este proyecto se diseñará y construirá un Guarde d Hot Box siguiendo la metodología que proporciona los principios y aplicaciones para este fin. Además, para garantizar las condiciones ideales de temperatura estable, se diseñará e instalará un sistema de control de temperatura adecuado. Finalmente, se realizaran algunas pruebas que establezcan el funcionamiento y fallas del Guarde d Hot.

(16) IM-2006-II-29. xvi. Box construido, para que, en futuros proyectos, se pueda perfeccionar el diseño y la construcción y corregir los errores encontrados..

(17) IM-2006-II-29. xvii. OBJETIVOS •. Diseñar y construir una caja de transferencia de calor (Guarded Hot Box) siguiendo los principios y aplicaciones de la metodología proporcionada por la Norma Técnica AST M C236 - 80 .. •. Diseñar un sistema de control de temperatura adecuado para obtener las condiciones demandadas por los requerimientos de la norma térmica.. •. Realizar las pruebas necesarias que garanticen el adecuado funcionamiento del Guarded Hot Box..

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(19) IM-2006-II-29. 1. Capítulo 1. Teoría Vinculada a los Principios, Procedimientos y Arreglos Generales del Guarded Hot Box. La Caja de T ransferencia de Calor (Guarde d Hot Box) es un método de medición de las propiedades de transferencia de calor en estado estable de de paneles, ensamblajes de construcción y otras estructuras verticales con rangos similares de temperatura. Las mediciones son realizadas por un aparato que consta de una cámara caliente, que contiene una cámara de medición; y una cámara fría. El espécimen a medir se ubica entre la cámara caliente y la fría para que el calor fluya transversalmente y de manera continua en una sola dirección. Antes de explicar los principios de funcionamiento, procedimientos, equipamiento y método de medición consignados en la Norma ASTM C 236 – 89 y de la cual es base de este proyecto; se deberán exponer los temas asociados a la Transferencia de Calor que se aludirán durante el proceso.. 1.1 Transferencia de Calor1. Una definición sencilla que pueda iniciar en este tema es la siguiente: “Transferencia de Calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperaturas”. Es palabras simples, cada vez que existe una diferencia de temperatura en un cuerpo o entre varios cuerpos, existe calor transferido. Hay tres maneras o modos diferentes para que el calor sea transferido (ver figura 1.1): por conducción, cuando se refiere a la transferencia de calor a través de un medio estacionario, sea sólido o líquido; En el caso de convección, la transferencia de calor ocurre entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes temperaturas; y, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en ondas electromagnéticas (incluso en ausencia de un medio), se transfiere calor por radiación. A partir de que la transferencia de calor se realiza a través de un medio estacionario y que no se tendrán en cuenta los efectos de radiación, se enfocará en el concepto de conducción y, basados en. 1. Referenciado de INCROPERA, Frank P. y DEWITT, David P. Fundamentos de Transferencia de Calor. 4 ed.. México: Prentice Hall, 1999. p. 2-4.

(20) IM-2006-II-29. 2. este modelo, se analizarán propiedades de los materiales dependiendo de la velocidad a la cual se transfiere energía. Finalmente, resultará en la condición deseada del método de medición, la conducción unidimensional de estado estable.. Figura 1.1 Modos de Transferencia de Calor2. 1.1.1 Mecanism o Físico de Conducción y Propiedades Térm icas de la Materia3. El concepto conducción es considerado como la transferencia de energía de las partículas más energéticas a las menos energéticas de una sustancia debido a las interacciones entre las mismas. Las temperaturas más altas están asociadas con las energías moleculares más altas y, cuando las moléculas cercanas chocan, ocurre transferencia de energía de las moléculas más energéticas a las menos energéticas. En este caso, esta transferencia sucede en la dirección de la temperatura decreciente. Este proceso de transferencia de calor es cuantificable en términos de ecuaciones apropiadas que sirven para calcular la cantidad de energía que se transfiere por unidad de tiempo. Para la pared plana unidimensional que se muestra en la figura 1.2, con una distribución de temperatura T (x), la ecuación es la siguiente:. 2. Tomado de INCROPERA, Frank P. y DEWITT, David P. Fundamentos de Transferencia de Calor. 4 ed.. México: Prentice Hall, 1999. p. 2. 3. Las definiciones relacionadas con las propiedades térmicas de la materia son tomados de AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Documentación: Standard Test Method for STEADY-STATE THERMAL PERFORMANCE OF BUILDING ASSEMBLIES BY MEANS OF A GUARDED HOT BOX. ASTM International, 1993. (C236 – 80)..

(21) IM-2006-II-29. 3. q "x = −kA −. dT dx. Donde:. Figura 1.2 Transferencia Unidimensional de Calor por Conducción4. q”x= Flujo de calor o transferencia de calor por unidad de área A (W/m 2). Es la velocidad con que se transfiere el calor en la dirección x por área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia y es proporcional al gradiente de temperatura dT /dx en esta dirección. (k) = Constante de proporcionalidad. k es una propiedad de transporte conocida como conductividad térmica (W / (m * K) y es característica del material de la pared. El signo menos esta dado por el hecho de que el calor se transfiere en la dirección de la temperatura decreciente. Obsérvese que en esta ecuación se define el flujo de calor, es decir, velocidad de calor transferido por unidad de área. El calor transferido por unidad de tiempo es entonces. q x = q "x ⋅ A. Antes de continuar profundizando en el concepto de conducción, es obligatorio hacer un alto en las propiedades térmicas de los materiales, ya que afectan la transferencia de energía y dependen de la estructura física de la materia, atómica y molecular que se relaciona con su estado físico, y de las cuales se hablará posteriormente5 . 4. Figura tomada de INCROPERA, Frank P. y DEWITT, David P. Fundamentos de Transferencia de Calor. 4. ed. México: Prentice Hall, 1999. p 4..

(22) IM-2006-II-29. 4. Conductividad Térmica, k: es la velocidad del flujo de calor a través de un área y grosor unitarios de una superficie de material homogéneo en dirección perpendicular a ésta, inducida por una diferencia de temperatura. La ecuación que determina esta propiedad es:. k=. qxL A(T1 − T2 ). 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. La resistencia térmica es determinada de la siguiente manera:. R=. A(T1 − T2 ) qx. 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, es decir, su producto es unitario. Para calcular esta propiedad se utiliza la siguiente ecuación:. C=. qx A(T1 − T2 ). Conductancia Superficial, h (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. Los subíndices h y c se usan para diferenciar entre lado caliente y lado frío respectivamente. Las ecuaciones usadas para determinar la conductancia superficial son:. hh =. qx A(Th − T1 ). hc =. qx A(T2 − Tc ). Resistencia Superficial, r: infiere una diferencia de temperatura entre una superficie isotérmica (temperatura constante) y sus alrededores cuando un flujo unitario de calor por unidad de área se establece entre las superficies y sus alrededores bajo condiciones de estado estable por efectos combinados de conducción, convección y radiación. La resistencia superficial y la conductancia superficial son recíprocos. De igual manera, en esta propiedad se diferencia entre lado caliente y frío de la siguiente manera:. rh =. A( Th − T1 ) qx.

(23) IM-2006-II-29. 5. rc =. A(T2 − Tc) qx. 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. Se calcula de la siguiente manera:. U=. qx A (Th − Tc ). La transmitancia puede ser calculada a partir de la conductancia térmica y superficial de la siguiente manera:. 1 ⎛ 1 ⎞ ⎛1⎞ ⎛1 = ⎜ ⎟+ ⎜ ⎟+ ⎜ U ⎜⎝ hh ⎟⎠ ⎝ C ⎠ ⎜⎝ hc. ⎞ ⎟⎟ ⎠. Resistencia Térmica General, Ru : La diferencia de temperatura entre ambientes en los dos lado 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. Esta propiedad es la suma de las resistencias de un cuerpo o de dos superficies y se determina de esta forma:. Ru =. (Th − Tc ) A = rc + R + rh qx. 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 de la naturaleza y fracción volumétrica del aire o espacio vacío. En el caso de los aislantes de espuma, como es el caso del Poliuretano usado en este proyecto, hechos con materiales plásticos o vidrio, tienen pequeños vacíos o espacios huecos formados durante su procesamiento creando una matriz rígida.. 1.1.2 Conducción en Estado Estable, en una Dimensión. De vuelta en el tema de conducción, como fue descrito anteriormente, para la conducción unidimensional en una pared plana, la temperatura es función de la coordenada x y el calor es transferido únicamente en esa dirección. La figura 1.3 esquematiza una pared plana separada por dos fluidos con temperaturas diferentes. La transferencia de calor es dada por convección del fluido.

(24) IM-2006-II-29. 6. caliente a T ∞, 1 hacia la superficie de la pared a T s, 1 , por conducción a través de la pared y nuevamente por convección de la otra superficie de la pared a T s, 2 al fluido frío a T ∞, 2. Analizando la figura 1.3, se observa que la distribución de temperatura en la pared se encuentra resolviendo la ecuación de calor con las condiciones de frontera. Para condiciones en estado estable sin fuente de calor dentro de la pared, el flujo de calor es constante, independiente de x y la temperatura varía linealmente con x.. La ecuación que determina la transferencia de calor por conducción para x = L es,. Figura 1.3 Transferencia de Calor a través de una pared plana. (a) Distribución de temperatura. (b) Circuito térmico equivalente6. q x = − kA. dT KA = (Ts,1 − Ts , 2 ) dx L. El flujo de calor es, entonces. q x" =. qx K = (Ts ,1 − Ts , 2 ) A L. Toda esta terminología, conceptos y ecuaciones estudiados se aplicarán durante el proceso de diseño, construcción y experimentación del Guarded Hot Box y constituyen la base de la Norma T écnica AST M C 236 – 89, la cual es la pieza fundamental de este proyecto.. 6. Íbid., p. 75..

(25) IM-2006-II-29. 7. 1.2 Sistema de Refrigeración Básico. 7. El sistema de refrigeración consta de 3 equipos principales: Condensador: intercambiador de calor que vuelve una sustancia líquida a presión constante al transferir calor desde la sustancia. Compresor: aumenta la presión de un fluido aplicando trabajo en estado estable. Evaporador: Transforma una sustancia en estado vapor a presión constante. El sistema de refrigeración básico consiste en cuatro procesos separado formando un ciclo en el cual un fluido de trabajo cambia de fase líquido-vapor. En la gráfica 1.4 se dibuja el modelo ideal ciclo de refrigeración de vapor-compresión. El vapor saturado a baja presión entra al compresor y donde se realiza una compresión adiabática reversible (no hay transferencia de calor), proceso 1-2; se comprime el fluido de trabajo generando una mayor presión y mayor temperatura. En el proceso 2-3 existe transferencia de calor a presión y temperatura constante (proceso isotérmico) para disminuir el volumen y el fluido de trabajo está en el condensador como líquido saturado. Continúa un proceso de estrangulación adiabática (no hay transferencia de calor), 3-4, en el cual se disminuye la presión y la temperatura y el fluido es finalmente evaporado a presión y temperatura constante, proceso 4-1, para completar el ciclo.. Figura 1.4 El ciclo de refrigeración de cuatro procesos 8. El sistema descrito anteriormente puede ser usado con dos propósitos: como un sistema de refrigeración, en el cual se desea mantener un espacio a baja temperatura relativa con la temperatura ambiente; y, también, como sistema de bombeo. 7. Tomado de: SONNTAG, Richard E,.; BORGNAKKE, Claus y VAN WYLEN, Gordon J. Fundamental of. Thermodynamics. 6 ed. Estados Unidos: John Wiley & Sons, 2003. p. 434-436 8. Ibid., p. 436..

(26) IM-2006-II-29. 8. Existe un gran número de fluidos de trabajo (refrigerantes) usados en el sistema de refrigeración. Por muchos años, los refrigerantes más usados son los hidrocarbonos halogenados, al cual pertenecen los clorofluorocarbonos o CFCs, como el R-22 que se usa como fluido de trabajo en los equipos de refrigeración en este proyecto. Existen dos consideraciones importantes al momento de escoger refrigerantes: la temperatura de refrigeración requerida y los equipos de refrigeración a usar. A medida que los refrigerantes pasan por un cambio de fase durante el proceso de transferencia de calor, la presión del refrigerante será la presión de saturación durante la entrada/salida de calor. Las bajas presiones significan volúmenes específicos pequeños, entonces equipos grandes. Para grandes presiones se requieren volúmenes grandes y a su vez, equipos pequeños.. 1.3 Sistema de Control de Temperatura ON/OFF9. Un sistema de control ON/OFF es la forma más simple de controlar temperatura. La salida desde el dispositivo es ON y OFF, sin estado intermedio. El controlador ON/OFF cambia la salida sólo cuando la temperatura sobrepasa el rango específico de temperatura. Para control de calefacción, la salida es ON (prender) cuando la temperatura esta debajo del rango y OFF (apagar) cuando esta encima del rango (véase figura 1.5).. Figura 1.5 Acción del sistema de control de temperatura ON/OFF10. 9. Tomado de OMEGA ENGINEERING, INC. Introduction to Temperature Controllers and Selection Considerations. [Base de Datos en Línea]. [Consultado 1 sep. 2006]. Disponible en <http://www.omega.com/temperature/Z/pdf/z110-114.pdf> 10. Ibid., p. Z-110..

(27) IM-2006-II-29. 9. Debido a que la temperatura cruza el rango para cambiar el estado de salida, el proceso de temperatura estará realizando un ciclo continuamente, yendo de abajo a arriba del rango y de vuelta abajo. En casos de que este ciclo ocurre rápidamente, para evitar daños, se agrega a las operaciones de control un diferencial ON/OFF o “ histéresis”. Este diferencial requiere que la temperatura exceda el rango por una cierta cantidad antes de que la salida se apague o prenda nuevamente. Este diferencial previene que la salida se apague y prenda rápidamente. Este sistema de control se usa cuando no se requiere de un sistema de control preciso o en sistema que no puedan soportar un ON/OFF frecuente. 1.4 Norma ASTM C 236 – 89 ; “Standard Test Method for Steady-State Termal Performance of Building Assemblies by Means of a Guarded Hot Box”. Los principios y aplicaciones del proyecto son proveídos de la Norma AST M C 236 – 89. Dicha norma refiere 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. El método usado para tal fin es llamado Caja de Transferencia de Calor (Guarded Hot Box) y para su aplicación se deben seguir los principios generales mencionados en la norma; los procedimientos y referencias del aparato pueden diferir. En resumen, el método se utiliza para determinar la conductancia C, la transmitancia térmica U, y la resistencia térmica, R, de cualquier espécimen con las características mencionadas anteriormente. Para esto, se requiere conocer el área, A, el flujo de calor, q, y la diferencia de temperaturas; todo debe ser establecido bajo ciertas condiciones que garanticen que el flujo de calor es estable. La figura 1.4 muestra un arreglo del Hot Box. Se esquematizan las tres cámaras de cinco lados: 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. Se observa que la cámara de medición esta dentro de la cámara caliente y que la cara abierta de ambas están ajustadas contra un lado de la superficie del pánel mientras que la cámara fría esta ajustada contra la superficie reversa, las tres caras selladas de los alrede dores por el panel a medir. El Hot Box está designado para determinar el funcionamiento térmico de paneles representativos. Para determinar las propiedades deseadas, C, U y R, se de ben mantener las condiciones de estado estable ideales de tal manera que la diferencia de temperatura entre la cámara caliente y la cámara fría permanezcan constantes. Si se retoma el modelo esquemático de la conducción unidimensional en una pared plana, 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. 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 dichas condiciones ideales, se debe medir por un cierto tiempo el calor transferido de la caja caliente hacia la caja fría a través del.

(28) IM-2006-II-29. 10. panel. T anto el área, A, como la longitud transversal, L, y las temperaturas T s, 1 y T s, 2 , pueden ser medidas directamente. Sin embargo, este no es el caso del flujo de calor, q, y es con este fin para el cual el Hot Box ha sido diseñado. Para lograr el objetivo, se recurre a la cámara de medición, que, como ya ha sido mencionado anteriormente, es colocada dentro de la cámara caliente y su cara abierta debe ubicarse contra la superficie del lado caliente del panel. Si el promedio de temperaturas entre las paredes de la cámara de medición permanece igual, entonces el intercambio neto entre esta cámara y sus alrededores 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. Se deben minimizar efectos de humedad, condensación y congelamiento dado que pueden causar variaciones en el flujo de calor.. Figura 1.6 Arreglo esquemático del pánel de prueba. (a) Vista Superior . (b) Vista Lateral11. Puesto que el fin principal del Guarded Hot Box es conservar una diferencia nula 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 11. Figura tomada de AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Documentación: Standard Test Method for THERMAL PERFORMANCE OF BUILDING ASSEMBLIES BY MEANS OF A CALIBRATED HOT BOX. ASTM International, 1993. (C976 – 82)..

(29) IM-2006-II-29. 11. (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. Para evitar que exista flujo de calor de las cámaras con los alrededores, se deben recubrir internamente con un material aislante de no más de 1.2 W/(m 2 .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. También 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. Debido a que el calor proporcionado por los equipos esta dado en términos de potencia donde q = I ⋅ V , entonces el flujo de calor a través del panel es la suma del la entrada de potencia a la. qh, el calor dentro de la cámara de medición hacia sus paredes, qb, y la potencia perdida en el flanco, qf, tal que , q = qh + qb - qf, (se pueden agregar otros términos referentes a la potencia de ventilación y enfriamiento).. cámara de medición,. Combinando la ecuación anterior a la ecuación utilizada (dependiendo de las temperaturas medidas) se pueden determinar las propiedades térmicas deseadas. Se de be tener en cuenta el estimativo de error tanto de los instrumentos individuales como errores de transducción y de calibración..

(30) IM-2006-II-29. 12. Capítulo 2 Diseño del Guarded Hot Box. Para el diseño de la caja de transferencia de calor, se consideró el diseño del proyecto anterior relacionado con este tema, en el cual ya se había construido un Guarded Hot Box que, desafortunadamente, se encontraba incompleto pues carecía de cámara de medición y se instaló un sistema de calefacción y de control de temperatura pobre en la cámara caliente; además su estructura externa era endeble. De manera recursiva, se decidió dejar las mismas medidas de tamaño del diseño anterior de la cámara fría para aprovechar los equipos ya instalados en buen estado, como el equipo de refrigeración y adaptar las otras cámaras a estas longitudes. Finalmente, se recurrió a diseñar totalmente la cámara de medición, a rediseñar el sistema de calefacción de la cámara caliente y realizar algunas mejorías de construcción y realizarle unas leves mejorías a la caja fría. Las dimensiones externas ya establecidas de la cámara fría son de (1m x 1m x 0.5 m) y las diseñadas para la cámara caliente de volumen de (1m x 1m x 0.55m). La cámara de medición tiene dimensiones de ( 0.40 m x 0.40 m x 0.20 m). Se dispuso el mismo material ligero y resistente de la estructura externa de las cámaras caliente y fría (madera triplex) pero se aumenta el grosor de la lámina de 3mm a 7mm para estabilizar la estructura. Los bordes externos de la estructura se unen mediante perfiles de aluminio en “ L” de 3cm y 4cm y remaches para dar una unión más limpia y más asegurada. La estructura de la caja medición esta fija mediante puntillas pequeñas. Para aislar las cámaras caliente y fría con el exterior, se recubre el interior con el mismo material aislante del diseño anterior que se consigue en el mercado, láminas de poliuretano de 2 pulgadas de espesor con una conductividad térmica 0.03 W / (m 2 *K), permitida por la norma AST M C 236. Para garantizar mayor aislamiento todas las uniones se sellan con silicona adhesiva sellante. Además, en los bordes de las caras que dan contra el panel, se pega caucho de neopreno con cámara de aire para que, al juntar las cámaras contra el pánel, exista un sellamiento por presión. La cámara caliente esta equipada por 4 resistencias térmicas de 60watts y 38cm de largo y dos ventiladores de 12cm de diámetro-115V-400 RPM ensamblando en cada costado de la cámara caliente dos resistencias conectadas en serie y un ventilador tal como se muestra en la figura 2.1. El juego de dos resistencias en serie está conectado en paralelo con el otro juego del costado opuesto; de esta manera, trabajaran con menor voltaje y se calentarán más lentamente. Los ventiladores están conectados entre si para funcionar con la mitad del voltaje, por lo que trabajarán a 400 RPM, generando una ventilación suave. La cámara fría esta equipada con un sistema de refrigeración que consta de un compresor de 110 Voltios, el cual usa Freon R-22; un evaporador con ventilador para dispersar el vapor de aire frío por toda la cámara fría; y, un condensador con ventilador. Este sistema de refrigeración del Guarded Hot Box fue instalado en un proyecto anterior, por lo que no se requiere de instalación. En la figura 2.1 se aprecia de igual manera la cámara fría está equipada con un sistema de refrigeración que consta de compresor, condensador, evaporador y ventilador..

(31) IM-2006-II-29. 13. La cámara de medición consta de una resistencia térmica de 60watts de 30cm de longitud y de un ventilador de 4.75cm de diámetro-4V-450RPM. Aunque la cámara es pequeña requiere de ventilación que uniformice el calor transferido por la resistencia térmica. Probablemente será necesario instalar un regulador de potencia (DIGMER) para que no caliente más rápido que la cámara caliente. La figura 2.2 se enseña el diseño esta cámara y también se enseña el ensamblaje de las tres cámaras conformando el Guarded Hot Box. Finalmente, en caso de que se requiera desplazar las cámaras caliente y fría , se debe instalar juegos de rodachines adecuados con el peso de ambas cámaras.. Figura 2.1 Esquema del arreglo de los equipos en la cámara caliente y en la cámara fría. (a) Vista superior. (b) Vista lateral. Figura 2.2 (a) Esquema de la cámara de medición. (b) Vista Superior del arreglo de las cámaras en el Hot Box.

(32) IM-2006-II-29. 14. Capítulo 3 Construcción del Guarded Hot Box. La construcción del Guarded Hot Box se realizó en las instalaciones del Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. Estas instalaciones cuentan con los equipos y herramientas necesarias para la construcción y además cuentan con el espacio adecuado y las normas de seguridad apropiadas. Se describirá paso a paso el proceso de construcción de cada una de las cámaras del Guarde d Hot Box documentando fotográficamente el proceso.. 3.1 Cámara Caliente (Guard Box) 3.1.1 Equipam iento. Como ha sido mencionado anteriormente, la cámara caliente está equipada con una estructura a base de triplex de 7.0mm de espesor, perfiles de aluminio de 3.0mm y 4.0mm de ancho, remaches, láminas de poliuretano de 2 pulgadas de espesor, 2 ventiladores de 12cm de diámetro-115V-800 RPM, 4 resistencias térmicas de 60watts de 38cm de largo y 4 rodachines de plataforma giratoria de 1 ¼” de diámetro y con una capacidad de 15 Kg. Por rueda. Las resistencias térmicas serán instaladas dentro de la cámara mediante abrazaderas y los ventiladores mediante perfiles de aluminio en “ L”. 3.1.2 Construcción Paso a Paso. El primer paso de la construcción de la cámara caliente es armar la estructura de madera, unida mediante los perfiles de aluminio. Después, se debe adherir las láminas de poliuretano en las paredes internas de la estructura con adhesivo. Finalmente, se pintó la estructura para darle mejor presentación y se sellaron los bordes de las uniones de las láminas de poliuretano con silicona adhesiva sellante especial para temperaturas altas. El resultado de este primer paso se puede ilustrar en la imagen 3.1..

(33) IM-2006-II-29. 15. Figura 3.1 Vista interna de la cámara caliente. El círculo señala las líneas de silicona adhesiva sellante. La instalación de los equipos térmicos se realizaron en el segundo paso. La figura 3.2 (a) y (b) muestran la ubicación de las resistencias térmicas y los ventiladores a lado y lado.. Figura 3.2 (a) Arreglo y ubicación de resistencias térmicas y ventiladores en la cámara calient e. (b) Acercamiento el arreglo del costado derecho. Como se mencionó anteriormente, las resistencias térmicas se instalaron mediante abrazaderas metálicas. Para que el calor no se transfiriese a éstas, las resistencias tienen en sus esquinas soportes cerámicos que, para tener mayor apriete dentro de la abrazadera, están unidas a abrazaderas de plástico tal y como lo muestra la figura 3.3 (a) y (b).

(34) IM-2006-II-29. 16. Figura 3.2 Sistema de fijación de las resistencias térmicas en la cámara caliente. Anteriormente, se explicó que los ventiladores se deben sujetar mediante perfiles de aluminio en “ L”, esto se expone en la figura 3.4. La figura 3.2 (a) presenta la ubicación de los equipos dentro de la cámara caliente. El arreglo del lado derecho es inverso al del lado izquierdo para que exista más uniformidad de calor en todos los lados de la cámara de medición; es decir, en el costado derecho se fijaron las dos resistencias con su respectivo ventilador ubicado en la parte inferior para generan convección hacia la parte superior de la caja mientras que en el costado izquierdo el arreglo se instaló de tal manera que el ventilador genera convección hacia la parte inferior de la caja formando un circuito de aire circular.. Figura 3.3 (a) y (b) Sistema de fijación de los ventiladores.

(35) IM-2006-II-29. 17. Finalmente, se instaló el caucho de neopreno con cámara de aire en el menor perímetro de los bordes externos que encaran el panel a medir y los rodachines en cada esquina de la tapa inferior externa. Estas instalaciones se visualizan en la figura 3.4 (a) y (b). Figura 3.4 (a) Visualización de la ubicación del caucho. (b) Fotografí a de los rodachines. 3.2 Cámara Fría (Cold Box) 3.2.1 Equipam iento. La cámara fría esta equipada con una estructura a base de triplex de 7.0mm de espesor, perfiles de aluminio de 3.0mm y 4.0mm de ancho, remaches, láminas de poliuretano de 2 pulgadas de espesor, un sistema de refrigeración. Dicho sistema consta de un compresor de 110 Voltios, el cual usa Freon R-22; un evaporador con ventilador para dispersar el vapor de aire frío por toda la cámara fría; y, un condensador con ventilador mostrados en la figura 3.5. Debido a que el sistema de refrigeración instalado en el Guarded Hot Box construido en un proyecto anterior se hallaba en buen estado, se decidió cambiar únicamente la estructura de triplex por uno más grueso. Para facilitar el desplazamiento de la cámara, el equipo cuenta con 4 rodachines de plataforma giratoria de 1 ¼” de diámetro y con una capacidad de 15 Kg. 3.2.2 Construcción Paso a Paso. Debido a que la cámara fría fue construida en un proyecto anterior, y, como se mencionó posteriormente, únicamente se cambió el triplex de la estructura y se adhirió el neopreno con cámara.

(36) IM-2006-II-29. 18. de aire; para conocer los procedimientos de construcción véase pie de página12 . De igual manera, la instalación de los equipos está descrito en la misma referencia. La cámara fría reconstruida se muestra en la figura 3.6.. Figura 3.5 (a) Condensador y compresor. (b) Ventilador y evaporador. Figura 3.6 Cámara fría reconstruida. 12. CORT ES, Mauricio. Diseño y Construcción de una Caja de T ransferencia de Calor (Guarded Hot Box). Bogotá, 2005, 36 p. T esis (Ingeniero Mecánico). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica. p. 23-29..

(37) IM-2006-II-29. 19. 3.3 Cámara de Medición (Metering Box). 3.3.1 Equipam iento. La cámara de medición está equipada con una estructura a base de triplex de 7.0mm de espesor, unida mediante puntillas, 1 resistencia térmica de 60watts y 30cm de longitud, ventilador de 4.75cm de diámetro y 4V-450RPM y con tornillos sin cabeza de 3/8” y 30cm de largo. La resistencia térmicas será instalada dentro de la cámara mediante resortes.. 3.3.2 Construcción Paso a Paso. El primer paso de la construcción de la cámara de medición es armar la estructura de madera, unida mediante puntillas (ver figura 3.7).. Figura 3.7 Estructura de la cámara de medición. Después de armarla, el procedimiento continúa uniendo la cámara de medición a la cámara caliente mediante tornillos sin cabeza en la parte superior e inferior de ésta última. Finalmente, se instala la resistencia térmica encajándola a presión con resortes, el ventilador se ensambla con remaches en la cara superior interna de la cámara y se pega el neopreno en los bordes que encaran el panel. Estos pasos se muestran en la figura 3.8(a) y (b)..

(38) IM-2006-II-29. 20. Figura 3.8 (a) Cámara de medición instalada dentro de la cámara calient e. Se indican los tornillos sin cabeza, los resortes y el neopreno. (b) cámara de medición construida en su totalidad.

(39) IM-2006-II-29. 21. Capítulo 4 Control de Temperatura del Guarded Hot Box. 4.1 Sistema de Control de Temperatura de la Cámara Fría (Cold Box). Para controlar la temperatura de la cámara fría, se utilizó un sistema convencional ON/OFF utilizado comúnmente en neveras. Dicho control de temperatura apaga/prende el sistema de refrigeración mediante la comparación de una temperatura de referencia con la temperatura del ambiente frío. Para más información, véase pie de página.13. 4.2 Sistema de Control de Temperatura de la Cámara Caliente (Guard Box) y la Cámara de Medición (Metering Box). El sistema de control temperatura de la cámara caliente y la cámara de medición es un sistema de control ON/OFF con una histéresis baja (2°C), explicado en el capítulo de teoría. Este sistema consta de varias partes: 4.2.1 Dispositivos Sensores LM35: son sensores de circuito-integrado de temperatura de precisión cuyo voltaje es linealmente proporcional a temperatura en grados Celsius (centígrados). Algunas de las características de Los LM35 son: • • • • • • • • •. 13. Calibrado directamente en Celsius (Centígrados) Factor de escala lineal + 10.0mVºC Rango de -55° to +150°C Bajo costo Opera desde 4 a 30 voltios Menos de 60 µA de drenaje de corriente Autocalentamiento bajo, 0.08°C en aire. No linealidad solo ±1.4°C típica Baja salida de impedancia 0.1 Ω para 1 mA. CORT ES, Mauricio. Diseño y Construcción de una Caja de T ransferencia de Calor (Guarded Hot Box). Bogotá, 2005, 36 p. T esis (Ingeniero Mecánico). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica..

(40) IM-2006-II-29. 22. El sistema cuenta con dos sensores: uno para la cámara caliente y otro para la cámara de medición. Diodo LM136-25: es un diodo de referencia de voltaje de 2.5V. Varias características de este dispositivo son: • • • •. Bajo coeficiente de temperatura Amplia corriente de operación desde 400 µA hasta 10 mA Estabilidad de temperature garantizada Rápido encendido. LM7805: es un regulador de voltaje positivo. T iene las siguientes particularidades • •. Salida de corriente de hasta 1ª Salida de voltajes de 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24V. Microcontrolador PIC18FXX2: Es un dispositivo para aplicaciones de programación Los microcontroladores PIC son, por definición, un computador en un chip; es decir, incluye todas las partes necesarias (Ej. ROM/EPROM/EEPROM/FLASH) en un circuito integrado. Son programables por computador. Como su nombre lo indica, su función principal es controlar, monitorear y revisar otros dispositivos. Algunas de sus características son: Funcionamiento alto RISC CPU: • • • • •. Compilador C y set de arquitectura/instrucción optimizado Memoria de programa linear de 23 Kbytes Memoria de datos linear de 1.5 Kbytes Instrucciones de 16-bit Prioridad para interruptores. Caracte rísticas perifé ricas • • • •. Fuente de alta corriente 25 mA/25 mA 3 Pines externos de interruptores 8-bit/16-bit/counter con 8-bit de periodo de registro Dos módulos de Captura/Comparación. Caracte rísticas análogas • •. Compatible con módulo conversor Análogo-Digital 10-bit Detección de bajo voltaje programable. Caracte rísticas espe ciales de Microcontroladores • •. Autoreprogramable bajo control de software Power-on Reset (POR), Power-up T imes (PWRT ) y Oscillator Start-up T imer (OST ).

(41) IM-2006-II-29. 23. 4.2.2 Diagram a de Flujo y Funcionam iento del Circuito. Este diagrama esquematiza el funcionamiento del circuito encargado de controlar la temperatura. El sistema va conectado a un enchufe de 120V. El LM7858 se encarga de recibir los 120V y de allí disminuir a 5V para suplir a todo el circuito. Los sensores transforman la temperatura de las cámaras de grados centígrados a voltios. Este voltaje es recibido cada segundo por el microcontrolador que se encarga de compararlo con el voltaje de referencia del LM136-25 que actuará como voltaje límite. Mientras el voltaje de los sensores sea menor al voltaje de referencia (temperatura medida por los sensores menor al límite de temperatura máximo, en este caso, 40ºC), el sistema de calefacción continuará su funcionamiento normal. Cuando el voltaje de los sensores sea igual o mayor al del voltaje del diodo (temperatura de los sensores igual o mayor al límite de temperatura máximo), el microcontrolador controla un switch magnético que apaga/prende el sistema de calefacción de cada cámara; para este caso, lo apaga. Cuando esto sucede, un bombillo se apaga indicando en qué cámara las resistencias térmicas no están recibiendo corriente. Al apagarse el sistema las cámaras comenzarán a bajar su temperatura. Cuando finalmente llegan al límite de temperatura mínimo, 38ºC, el microcontrolador permite que el switch prenda el sistema nuevamente, Mientras tanto, un display monitorea la temperatura de ambas cámaras..

(42) IM-2006-II-29. 24. Este circuito esta instalado dentro de una caja de acrílico para protegerlo del exterior. La figura 4.1muestra varias secuencias de prueba de este circuito marcando dos temperaturas: Temperatura interna (Temp. int.), que es la temperatura de la cámara de medición; y temperatura externa (Temp. Ext.), que es la temperatura de la cámara caliente. En la figura 4.1 (a), se muestra el circuito cuando la temperatura esta bajo el rango permitido (bombillos prendidos); (b), cuando la temperatura externa está sobre el rango permitido (un bombillo apagado); y, (c), cuando ambas temperaturas han excedido el límite (ambos bombillos apagados).. Figura 4.1 Secuencia de prueba del sistema de control de temperatura.

(43) IM-2006-II-29. 25. Capítulo 5 EXPERIMENTACION. La experimentación en este proyecto tiene dos funciones: comprobar que todas las partes que conforman el Guarded Hot Box están funcionando, y, realizan un par de pruebas para corroborar cuán acertadas están las mediciones registradas. La figura 5.1 muestra el arreglo de las cámaras-panel durante las pruebas. El panel escogido es de madera MDF con recubrimiento de fórmica, y, debido a que no se tenía diseñado un sistema de cierre entre las cajas pues no se conocía las dimensiones del panel, se optó por un ajuste de lazos de material sintético estirables con ganchos en los extremos.. Figura 5.1 Disposición del Guarded Hot Box y el panel durante la prueba (a) Vista Lateral. (b) Vista isométrica.

(44) IM-2006-II-29. 26. Durante la prueba se monitoreaba los cambios de temperatura de la cámara de medición, la cámara caliente y la cámara fría, para así establecer si el Guarded Hot Box estaba funcionando plenamente. De igual manera, se monitoreaba en que momento se prendían y apagaban las resistencias térmicas para conocer durante cuanto tiempo se trasmitía potencia en forma de calor que genera transferencia de calor a través del panel en el Guarded Hot Box para así, la temperatura del ambiente caliente y frío, se determine la transmitancia térmica, U. La prueba tenía una duración de 2-3 horas dependiendo del tiempo de estabilización de las temperaturas; es decir, el punto en el cual el sistema se vuelve estable. Después de estabilizarse, La toma de datos de potencia duraba media hora en los cuales se monitoreaba el tiempo en que las resistencias se pagaban y prendían. La temperatura de la cámara fría estaba ajustada para 15ºC mientras que, las de la s otras cámaras estaba ajustada entre 38ºC y 40ºC. Antes de comenzar la prueba, se tomaron los datos de las corrientes y los voltajes de los equipos. La figura 5.2 muestra el esquema del circuito de los equipos de la cámara caliente y la cámara de medición seguido por la tabla con los valores obtenidos de voltaje-corriente correspondiente.. V4a. V1a I1. I2. V1b. I4. V2a I 3 V3. V4b. V2b. V5 I5 Figura 5.2 Esquema de las conexiones de los equipos.

(45) IM-2006-II-29. 27. Corriente Malla I1. I2. Valor (A). 0.56. 0.58. Voltaje Nodo. Voltaje (V). V1a. 60.4. V2a. 60.9. V2a. 61.2. V2b. 60.3. I3. 0.61. V3. 18.3. I4. 0.16. V4. 61.1. I5. 0.031. v5. 3.9. Tabla 1. Mediciones de Voltaje-Corriente en los equipos. Los datos tomados durante las pruebas fueron los siguientes:. Figura 5.3 Registro de Temperatura durante la prueba No. 1.

(46) IM-2006-II-29. 28. En la Prueba No. 1, la medición de temperatura y monitoreo de la potencia fue de más de cuatro horas. Esto se debió a que se tuvo que detener varias veces por unos minutos la prueba para revisar los equipos y resolver algunos inconvenientes presentes. Los resultados muestran que la cámara caliente alcanzó un punto máximo de 39°C-40°C y continuó en ese estado durante más de hora y media. El mismo caso se presenta en la cámara de medición, la cual alcanzó los 34°C-35°C y permaneció en esa temperatura estable el mismo tiempo que la cámara caliente. La cámara fría se mantuvo en un promedio de 15°C.. Figura 5.4 Registro de Temperatura durante la prueba No. 2. En la Prueba No. 2, la medición de temperatura y monitoreo de la potencia fue de dos horas pues, sin tener inconvenientes, el sistema se estabilizó velozmente. Los resultados fueron similares a la prueba No. 1; la cámara caliente alcanzó un punto máximo de 39°C-40°C, la cámara de medición cual alcanzó los 34°C-35°C y permaneció en esa temperatura estable el mismo tiempo que la cámara caliente. La cámara fría se mantuvo en un promedio de 15°C. Sin embargo, debido a que el sistema requiere que tanto la temperatura de la cámara de medición y la temperatura de la cámara caliente sean iguales; no se puede obtener un dato exacto de la transmitancia térmica, U. Por lo tanto, no se logró caracterizar térmicamente el panel de prueba. Sin embargo, la solución al problema es sencilla: instalar un DIGMER en las resistencias térmicas de la.

(47) IM-2006-II-29. 29. cámara caliente. Con esto, se puede graduar la potencia que reciben los juegos de resistencia; de esta manera, de ajustan las temperaturas de ambas cámaras para estos casos en donde la Cámara Caliente supere la temperatura de la Cámara de Medición. Sin embargo, a pesar de no poder encontrar la característica térmica correspondiente, las gráficas muestran un estado estable el cual es el ideal del Guarded Hot Box. Esto significa, que, al conseguir graduar también los juegos de resistencias térmicas, se podrá llegar al ideal de flujo de calor constante a través del panel y encontrar los valores de U respectivos..

(48) IM-2006-II-29. 30. Capítulo 6 Valoraciones durante el Diseño, Construcción y Experimentación del Guarded Hot Box. 6.1 Desventajas y Problemas Presentados. Durante la realización del proyecto, se presentaron inconvenientes que retrasaron el cronograma inicialmente propuesto. •. Debido a una incapacidad médica, se detuvo el progreso del proyecto durante un mes; por ende, se requirió de un Pendiente Especial para culminar los objetivos planteados.. •. Al principio del proyecto, el sistema de control de temperatura que se usaría para el Guarded Hot Box consistía en un sistema de control PID (proporcional, integral, derivativo), el cual 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 usado en este proyecto. Sin embargo, debido a la incapacidad médica y al poco tiempo requerido para terminar el proyecto, se optó por un sistema de control ON/OFF, que, para las condiciones requeridas por la metodología, no es el sistema de control más indicado y no garantiza temperatura estable.. •. Aunque las pruebas realizadas confirmaron el buen funcionamiento de los equipos, de bido a que no se consiguió que las temperaturas de la cámara caliente y de la cámara de medición fuesen iguales, no fue posible realizar los cálculos de potencia. Por lo tanto, no se consiguió realizar una corroboración de las mediciones.. •. La prioridad en este proyecto recaía sobre la cámara caliente y la cámara de medición. Al enfocarse más en el diseño, construcción y sistema de control de temperatura de estos, la cámara fría pasó a un segundo plano. Al finalizar, faltó un detalle de construcción de esta cámara, que consistía en un pánel interno de madera que permita el flujo de aire frío de abajo hacia arriba.. •. Dado que se desconocía el tamaño del panel de prueba que se usaría para la experimentación, no se tuvo en cuenta el diseño de un cierre entre las uniones cámara caliente-panel-cámara fría que no permitiese pérdidas de calor con los alrededores. Al final, fue necesario utilizar un sistema de cierre temporal. El problema radica en que para futuras pruebas no existe un sellado permanente y este inconveniente influye altamente en la precisión de los datos obtenidos durante las pruebas..

(49) IM-2006-II-29. 31. 6.2 Mejorías, Soluciones y Ventajas Presentadas. •. El proyecto propuso un diseño completo y conveniente que funciona según la metodología de la Norma AST M C236 – 80. Todas las indicaciones, conceptos, arreglos y precauciones proporcionados por la norma fueron tomados en cuenta a la hora del diseño y la construcción.. •. El Guarde d Hot Box se construyó en su totalidad, con materiales de calidad y con uniones, sellamientos, adhesiones y aislamientos eficaces. T odo fue ensamblado bajo medidas verificando cada detalle tanto de construcción como de instalación.. •. La cámara caliente y la cámara fría poseen un aislamiento óptimo que consta de un recubrimiento interior de espuma de poliuretano de 2 pulgadas y de silicona adhesiva sellante en las uniones.. •. Todos los equipos del Guarded Hot Box funcionan perfectamente. Estos equipos y los sistemas de control de temperatura trabajan con 110V.. •. El sistema de control del Guarded Hot Box funciona perfectamente, con un margen de error de XºC. Si en un futuro se requiere cambiar el rango de temperaturas límite, solamente se debe configurar nuevamente el microcontrolador por computador.. •. El proyecto ilustra la conducción unidimensional en estado estable de una pared plana..

(50) IM-2006-II-29. 32. 6.3 Continuación del Proyecto. Este proyecto es la continuación y perfeccionamiento de proyectos pasados. Sin embargo, debido a que presentó problemas y fallas finales requiere, a su vez, de mejorías y de un estudio posterior. •. Se debe instalar un sistema de control más preciso y estable con el fin de garantizar transferencia de calor en estado estable. Se recomienda un sistema de control PID (proporcional, integral, derivativo) que responde más rápidamente a los cambios de temperatura.. •. Si se desea que la medición de la temperatura alrededor de la caja de medición sea más exacta, se recomienda instalar más sensores que c ubran las demás caras externas de la cámara de medición que no poseen sensor.. •. Para evitar pérdidas de calor y obtener datos más precisos, el Guarded Hot Box requiere de un sistema de cierre que permita máxima fijación entre las caras de las cámaras con la superficie caliente y la superficie fría del panel.. •. La temperatura dentro cámara fría varía no es uniforme debido a que no existe un sistema eficiente de movilización del aire frío. Se recomienda estudiar la norma técnica utilizada para el diseño de este sistema.. •. Para lograr obtener mediciones del Guarded Hot Box, se recomienda instalar un DIGMER en las resistencias de la cámara caliente. De esa manera, en caso de calentarse o enfriarse más que la cámara de medición, también puede graduarse la temperatura acorde a las necesidades.. •. En caso de fugas, desajustes, desencajamientos; es preciso mejorar los problemas de construcción de manera tal que las perdidas sean minimizadas lo más posible.. •. Realizar un banco de datos con diferentes tipos de ensamblajes de edificación que se pueda aprovechar como manual o guía para futuras mediciones..

(51) IM-2006-II-29. 33. CONCLUSIONES •. Se diseño una caja de transferencia de calor (Guarded Hot Box) utilizando la metodología de la norma técnica ASTM C236 – 80.. •. A partir del diseño previo, se construyó y se equipo el Guarded Hot Box siguiendo los principios y aplicaciones de la metodología proporcionada por la Norma Técnica. Toda la construcción se realizó con materiales de buena calidad, con sujeciones fuertes y con materiales adecuados para cada requerimiento de la caja. De igual manera, los equipos instalados funcionan perfectamente.. •. Se diseñó un sistema de control de temperatura para mantener el ideal de estado estable requerido. El sistema de control escogido fue un ON-OFF, con una histéresis baja que, además de monitorear la temperatura, cumple la función principal de apagar/prender las resistencias térmicas dentro del Guarded Hot Box.. •. Se armó el circuito que conformase el sistema de control de temperatura. T odo el sistema funcionó sin ningún problema con las ventajas y desventajas previstas.. •. Finalmente, el laboratorio del Departamento de Ingeniería Mecánica cuenta con un Guarded Hot Box dentro de su inventario de equipos. Sin embargo, varias mejorías y optimizaciones se deben realizan con el fin de tener un equipo que provea información precisa.. •. Todo el proceso de este proyecto fue documentado por fotografías que constatan paso a paso lo efectuado durante el tiempo de realización.. •. A pesar de los inconvenientes presentados, se cumplieron todos los objetivos propuestos en el proyecto..

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