Estudio de Transferencia de Calor
En una Ventana de Fabricación
Nacional
por
GIANCARLO ENRIQUE SANTOS REY.
Tesis presentada a La Universidad de los Andes Como requisito parcial de grado
Programa de Pregrado En Ingeniería Mecánica
Declaro que soy el único autor de la presente tesis
Autorizo a la Universidad de los Andes para que esta tesis sea prestada a otras instituciones o personas para propósitos de investigación solamente.
Firma
También autorizo a la Universidad de los Andes para que este documento sea fotocopiado en su totalidad o en parte por otras instituciones o personas con fines de investigación solamente.
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.
Carta de Presentación
Bogotá, julio 23 de 2004
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: “Estudio de transferencia de calor en una ventana de fabricación nacional” como requisito parcial de grado del programa de Pregrado en ingeniería Mecánica
Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud.
Atentamente,
Agradecimientos
Deseo agradecer a las siguientes personas que me brindaron su apoyo para la realización de este trabajo de proyecto de grado.
A mi familia quien sin su apoyo nunca hubiera sido posible recorrer este camino que me llevo a culminar mis sueños.
A mis amigos que me acompañaron durante todo el trayecto y que de una u otra forma me
impulsaron a continuar cuando sentí que las puertas se me cerraban. Aun aquellos que se encuentran lejos pero muy especialmente a mis compañeros de vivienda.
A Rafael Beltrán quien sin su paciencia y compresión no se hubiera podido terminar esta proyecto. Al equipo de colaboradores del laboratorio que siempre brindaron soluciones y una mano amiga para bordear el sin numero de dificultades y problemas que surgieron durante este trabajo.
Resumen
En el presente proyecto se ha diseñado y construido un banco de pruebas para poder determinar algunas características térmicas de diferentes especimenes, en nuestro caso este se utilizo para realizar un estudio de transferencia de calor en una nueva configuración de ventana de fabricación nacional.
Este banco de pruebas se basa en el principio de obtener y mantener una diferencia de temperaturas estable a través de un panel de prueba durante un periodo de tiempo necesario para asegurar un flujo de calor y una diferencia de temperatura estable, y por un periodo adicional adecuado para medir las características adecuadas.
El montaje consta de dos estancias o cuartos que permiten probar modelos que van desde 1mt de altura * 60 cm de ancho hasta especimenes de 20 cm de alto * 30 cm de ancho. Una de dichas cajas cuenta con calentadores eléctricos de aire y ventiladores para mantener una temperatura por encima de los 30 °C hasta los 80 °C y poder simular situaciones atmosféricas, por otra parte la segunda caja o caja fría a sido conectada a un sistema de refrigeración el cual nos permite imponerle a los prototipos temperaturas de prueba entre los 20 °C y 5 °C.
Las pruebas están diseñadas para llevarse a cabo entre una diferencia de temperatura de alrededor de unos 25 °C, por esta razón la cámara caliente se encontrara a 40 °C y la fría a 20°C o 15 10 °C para estar de acuerdo a los estándares internacionales.
Dicho montaje a sido construido para minimizar las perdidas de calor durante las pruebas, pruebas preliminares muestran que el banco se comporta de una manera estable luego de una prueba de 24 horas.
Como conclusión, dicho banco de pruebas puede ser utilizado para medir propiedades de
transferencia de calor en ventanas, muros, paneles, aislamientos y otros especimenes a ser estudiados en su desempeño térmico en instalación vertical, en este caso en particular nos permitió comparar la nueva ventana con otras configuraciones para ver la viabilidad de lanzar dicho producto al mercado.
Tabla de Contenido
Lista de símbolos ... 3
Capítulo 1 Introducción ... 4
Capítulo 2 Marco Teórico ... 7
2.1 Transmisión del calor... 7
2.1.1 Conducción ... 7
2.2 Convección ... 10
2.3 Radiación ... 11
2.4 Transferencia de calor en el prototipo... 12
2.5 Refrigeración por compresión... 14
2.5.1 Compresor... 16
2.5.2 Condensadores ... 16
2.5.3 Evaporadores... 16
2.5.4 Dispositivos de expansión... 17
Capítulo 3... 18
3.1 Montaje para la medición del coeficiente de conductancia global... 18
3.1.1 Cámara de medición ... 18
3.1.2 Cámara Climática... 19
3.1.3 Sistema de refrigeración... 20
3.1.4 Procedimiento ... 22
Sistema de adquisición de datos: ... 24
Capítulo 4 Pruebas de desempeño térmico de la ventana ... 26
Capítulo 5 Resultados ... 29
Lista de Figuras
Titulo Página
1.1 Detalle marco en PVC 4
1.2 Esquemático configuración prototipo 5
2.1 Escala de variación de conductividad térmica para diversos sólidos
8-9
2.2 Formación de la capa límite 11
2.3 Esquema de transferencia de calor en el prototipo 12 2.4 Esquema del ciclo básico de refrigeración por
compresión
14
2.5 Diagrama de presión versus entalpía 15
3.1 Caja de medición 19
3.2 Compresor 21
3.3 Condensador 21
3.4 Evaporador 22
3.5 Localización sugerida de las termocuplas 24
4.1 Montaje para las pruebas 27
5.1 Comparación del valor U por rangos 30
B.1 Localización del prototipo en la cámara de medición 53 B.2 Esquemático de ensamble de las cámaras y el prototipo 54
B.3 Montaje de cámaras ensamblado 54
B.4 Conexión de la cámara climática al cuarto del evaporador
55
Lista de Tablas
Titulo Página
2.1 Coeficiente de conductividad de diversos tipos de materiales 8
2.2 Valores típicos del coeficiente de transferencia de calor por convección 11
3.1 Datos técnicos del compresor 20
4.1 Parámetros obtenidos en las pruebas 27-28
5.1 Indicadores de desempeño térmico de la ventana 29
Lista de símbolos
Símbolo Descripción Unidades
A Area M2 ∆T Diferencia de temperatura °C L Espesor M Q Calor W λ Coeficiente de conductividad térmica W/m°C
U Transmitacia térmica global W/m2°C
C Conductancia térmica W/m2°C
H Coeficiente de convección W/m2°C
Q Flujo de calor W/m2
.r Resistencia superficial °C m2/W
R Resistencia térmica °C m2/W
Rot Resistencia térmica global °C m2/W
T1 Temperatura promedio de la superficie caliente °C T2 Temperatura promedio de la superficie fría °C
Tc Temperatura del aire a 75 mm
de la superficie caliente
°C
Tf Temperatura del aire a 75 mm
de la superficie fría
°C
Ti Temperatura interna de la pared °C
Capítulo 1
Introducción
Las ventanas pueden representar entre el 10-25% del área exterior de las paredes que constituyen una casa. Se estima que el 25% de la carga térmica típica de una casa se usa para calentar cuartos y otras habitaciones.
Las ventanas pueden mejorar su desempeño térmico si minimizan las perdidas de calor a través de las mismas, esto se logra disminuyendo su coeficiente de transmitancia global (factor U) o
aumentando su resistividad R.
En este campo los esfuerzos se han centrado en las siguientes características: • Nuevos diseños y materiales usados en los marcos.
• Vidrios con baja emisividad o con recubrimientos especiales. • Configuraciones dobles rellenas de gases de baja conductividad. • Barreras aislantes entre los vidrios.
Los marcos que antes se producían en acero y aluminio ahora se fabrican en compuestos como madera y resinas poliméricas, que llegan a comportarse de una manera muy estable a bajos costos ya que para su fabricación se usa aserrín de desecho. Los marcos de vinilo por otra parte no necesitan pintura ni mantenimiento y presentan una resistencia a la humedad muy buena.
Los recubrimientos de baja emisividad son óxidos metálicos que se depositan en el vidrio, para disminuir la transmitancia de la ventana, su función es la de minimizar el flujo de calor por radiación.
Al comienzo las configuraciones dobles se llenaban con aire o nitrógeno seco, pero esto causaba corrientes internas de aire que creaban zonas frías en la parte inferior de la ventana y calentamiento en la superior, por esta razón ahora se llenan con argón o criptón, gases que son menos conductivos y más viscosos que disminuyen las corrientes convectivas entre los vidrios, esto causa que el sistema como un todo se comporte térmicamente mejor.
A diferencia de un sistema tradicional nuestro prototipo cuenta con una cobertura de PVC, ya que se busca comparar su desempeño con una configuración hecha de vinilo que es uno de los materiales con mejores características térmicas en el mercado, por otra parte el esqueleto de la ventana se encuentra aislado con una mayor cantidad de sellos para disminuir los flujos de aire.
A continuación se muestra un esquemático de la configuración de nuestro prototipo
Figura 1.2 Esquemático configuración prototipo. Fuente: Autor.
Para poder evaluar el desempeño de dicha configuración de ventana, se diseño y construyo un banco de pruebas que permite medir las propiedades térmicas del prototipo. Dicho montaje sigue las
indicaciones y criterios presentes en la norma ASTM C976-82 “THERMAL PERFORMANCE OF BUILDING ASSEMBLIES BY MEANS OF CALIBRATED HOT BOX”.
Se busca con esta caracterización encontrar valores pertinentes de las propiedades térmicas del prototipo que permitan realizar una comparación con valores de productos similares que se encuentran en el mercado.
Capítulo 2
Marco Teórico
En este capitulo se presentan algunos conceptos básicos sobre la transferencia de calor, sus formas y una pequeña introducción a los sistemas de refrigeración.
2.1 Transmisión del calor
Una manera sencilla de definir la transferencia de calor es la siguiente:
“Transferencia de calor (o calor) es la energía en transito debido a una diferencia de temperaturas”1
Por esta razón siempre que se presenta una diferencia de temperaturas hay transferencia de calor. Hay tres tipos de transferencia de calor, cuando se presenta un gradiente de temperatura en un medio estacionario la transmisión de calor en ese medio se usa el termino de conducción. La convección se refiere a la transferencia de calor entre una superficie y un fluido en movimiento. El tercer modo de transferencia de calor se conoce como radiación, y es la emisión de energía por medio de ondas electromagnéticas entre superficies a diferentes temperaturas.
En los ambientes construidos hay generación de calor debido al uso de electrodomésticos y la presencia misma de las personas. Este calor se transmite al exterior gracias a los fenómenos de conducción y convección natural a través de los muros, techos y ventanas.
2.1.1 Conducción
La conducción ocurre cuando la superficie que da al interior del cuarto y la que da al exterior se encuentran a diferente temperatura.
Dado este escenario las moléculas de una región de temperatura más alta transmiten su energía por medio de vibraciones a la zona con una temperatura más baja. La conducción se atribuye a actividad atómica en forma de vibraciones reticuladas gracias a la translación de los electrones libres.
La cantidad de calor (Q) que atraviesa un material homogéneo y continuo por conducción es proporcional a la diferencia de temperatura (∆T) entre las dos caras, el área (A) de transmisión, al coeficiente de conductividad térmica (λ), e inversamente proporcional al espesor del espécimen (L).
Q = (A*∆T*λ)/L (2.1) El coeficiente de conductividad térmica se refiere a la cantidad de calor que un espécimen de 1 metro de espesor, con una diferencia de temperatura entre sus caras de 1°C y con un área superficial de 1 metro cuadrado puede conducir.
Tabla 2.1 Coeficiente de conductividad de diversos tipos de materiales. Tomado de Callister. William. “Materials science & engineering an introduction”2
Material W/m-°K Btu/h ft °F Acero A36 51.9 30 Hierro Gris 46 26.6 Hierro Dúctil 36 20.8 Aleación aluminio 1100 222 128 Oro 315 182 Platino 71 41 Plata 428 247 Tungsteno 155 89.9 Níkel 200 70 40.5 Inconel 625 9.8 5.7 Monel 400 21.8 12.6 Estaño 60.7 35.1 Zinc 108 62 Oxido de aluminio 39 22.5 Concreto 1.25 – 1.75 0.72 -1
Vidrio Boro silicato 1.4 0.81
Vidrio –Soda –Cal 1.7 1.0
Vidrio cerámico 3.3 1.9
Acrílico nitrilo Butadieno 0.25 0.14
Estireno butadieno (SBR) 0.25 0.14
Silicona 0.23 0.13
2
Callister William. “Materials science & engineering an introduction” John Wiley & Sons Inc. 5th ed. 2000 Págs 807-809.
Nylon 0.19 0.11 Policarbonato 0.2 0.12 Poliéster termoestable 0.17 0.1 Polietileno BD 0.33 0.19 Polietileno AD 0.48 0.28 Poliestireno 0.13 0.075 Polivinilo de cloruro 0.15-0.21 0.08 – 0.12 Madera 0.12 -0.3 Arena seca 0.25 Arena húmeda 2 Vidrio flotado 0.6 – 0.8
Es preciso anotar y tener en cuenta que la humedad es un factor influyente a la hora de determinar la conductividad térmica de espécimen, ya que el coeficiente de conductividad del aire es de 0.5 y 25 veces más importante que el del aire en reposo. Por otra parte la temperatura también influye en el comportamiento del coeficiente de conductividad térmica pero para nuestro rango de operación la variación es mínima y se puede considerar como constante.
Figura 2.1 Escala de variación de conductividad térmica para diversos sólidos.3 Tomado de Incropera, F., De Witt, D., “Fundamentos de transferencia de calor”
3
2.2 Convección
La convección es la transferencia de energía térmica que se produce entre una superficie y un fluido en movimiento cuando estos presentan una diferencia de temperatura entre ellos.
La convección se compone de dos mecanismos: una transferencia de energía asociada al movimiento molecular aleatorio (difusión) y el otro asociado al hecho que en el movimiento del fluido en cualquier instante grandes cantidades de moléculas se desplazan de forma colectiva o como agregados. En este caso la transferencia de energía se debe al movimiento aleatorio de las partículas y por el movimiento global del fluido.
Para nuestro caso estamos interesados en la interacción entre una superficie y un fluido en movimiento, en este caso la interacción crea una región en el fluido en la cual la velocidad varia de cero en la superficie a un valor finito asociado con el flujo, a esta región se le denomina capa limite hidrodinámica o de velocidad. Adicionalmente si la temperatura entre la superficie y el fluido es diferente habrá también una variación de la temperatura en el flujo exterior a esta región se le denomina capa limite térmica. Si la temperatura de la superficie Ts es mayor que la temperatura del flujo exterior T∞ se presentara la transferencia de calor por convección.
Figura 2.2 Formación de la capa límite. 4 Tomado de Incropera, F., De Witt, D., “Fundamentos de transferencia de calor”
El calor disipado por el fenómeno de convección (Q) es proporcional al área expuesta a la acción del fluido (A) y a la diferencia de temperatura (∆T) entre la superficie y el medio.
Q= h * A* ∆T [W] (2.2)
4
Donde h (W/m2) es el coeficiente de convección, el cual depende de múltiples condiciones físicas como la naturaleza del movimiento del fluido, acabado superficial, la geometría de la misma y una variedad de propiedades termodinámicas del fluido.
Tabla 2.2 Valores típicos del coeficiente de transferencia de calor por convección Fuente: Autor Tipo de convección .h (W/m2*K) Libre en gases 2-25 Libre en líquidos 50-1000 Forzada en gases 25-250 Forzada en líquidos 50-20000
Con cambio de fase (Ebullición o condensación)
2500-100000
2.3 Radiación
La tercera forma de transferencia de calor es la radiación; esta es la energía emitida por la materia que esta a una temperatura finita, este modo de transferencia no se limita a los cuerpos sólidos ya que también puede verse en líquidos y gases.
La radiación puede atribuirse a cambios en las configuraciones electrónicas en los átomos, esta transferencia ocurre por medio de ondas electromagnéticas o por fotones, y mientras los fenómenos de conducción y convección requieren la presencia de un medio material, la radiación puede ocurrir en el vació.
La cantidad de calor emitido es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta de la superficie (grados Kelvin) multiplicado por la constante de Stefan Boltzman (σ = 5.67 * 10-8
W/m2 *K4) y por una propiedad relativa a la superficie conocida como emisividad (ε)
Q = ε*σ*T4
(2.3) La emisividad (ε) es un parámetro cuyo valor se encuentra entre 0 y 1, y denota que el calor emitido por una superficie a una temperatura es menor al calor emitido por un cuerpo negro a esa misma temperatura.
Dos cuerpos con temperaturas superficiales diferentes expuestos el uno al otro, irradiaran energía entre ellos transportando calor.
Al estudiar el comportamiento térmico de los prototipos con los cuales se realizara el estudio, no se puede omitir que dichos especimenes se encuentran afectados por la radiación del sol y reciben energía del mismo pero para el desarrollo de las pruebas se descartara su influencia al momento de calcular las características de desempeño de la ventana.
2.4 Transferencia de calor en el prototipo
Como se expuso anteriormente las ventanas se encuentran expuestas a las diferentes formas de transmisión de calor (conducción, convección y radiación)
Figura 2.3 Esquema de transferencia de calor en el prototipo. Fuente: Autor.
Se estima que la transferencia de calor a través del marco es aproximadamente 120% mayor a la que experimenta el centro de la ventana, por esta razón nuestro prototipo fue construido con un marco en PVC, material que presenta un coeficiente de conducción térmica más bajo que cualquier metal convencional para la construcción de marcos.
Por otra parte gran parte de la perdida de calor se debe a sifones de aire, es decir pequeñas
aberturas en el marco de la ventana que permiten corrientes de aire que aumentan la transferencia de calor, por esta razón se incluyen sellos de diversos materiales para disminuir el efecto de esta corrientes en el desempeño térmico de la configuración.
Para cuantificar el desempeño térmico de una ventana hay que conocer ciertas propiedades: • U Transmitancia Global.
• Rot Resistencia térmica total. • C Conductancia térmica. • R resistencia térmica.
El valor U o transmitancia térmica global significa la transmisión de calor por unidad de tiempo, que atraviesa una unidad de área de prototipo y sus respectivas capas limite, gracias a una diferencia de temperatura entre los ambientes a cada lado de 1 grado.
U Transmitancia térmica global = Q/ A* (Th – Tc) [ W/m2
*K] (2.4)
La resistencia térmica total Rot es la suma de las resistencias térmicas de los materiales que constituyen la ventana y de las capas limites de superficies. El valor Rot es el inverso de U.
Rot Resistencia térmica total = A * (Th – Tc) / Q [ m2
*K/W] (2.5)
La conductancia térmica C indica la tasa temporal de flujo de calor por unidad de área inducida por un gradiente de temperatura de 1 grado entre las superficies del prototipo.
C conductancia térmica = Q/ A * (T1 – T2) [ W/m2
*K] (2.6)
La resistencia térmica define la diferencia de temperatura promedio entre dos superficies definidas del prototipo en equilibrio térmico que inducen un flujo de calor unitario por una unidad de área. Al igual que en el caso de U y Rot, R es el inverso multiplicativode C.
R Resistencia térmica = A * (T1 – T2) / Q [ m2
*K/W] (2.7)
El desempeño térmico de una ventana esta dictado en general por su valor de U y de C, ya que para valores menores de U o C, la ventana impide en mayor medida las perdidas de calor, lo que conlleva a que ventanas con coeficientes de U y C más bajos permitan ahorros energéticos, debido a gastos en requerimientos por conceptos de calefacción y refrigeración.
2.5 Refrigeración por compresión
5Un sistema de refrigeración estándar consta de compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.
Figura 2.4 Esquema del ciclo básico de refrigeración por compresión6. Tomado de Beltrán. Rafael. “Conversión térmica de energía”
En el ciclo de refrigeración el compresor recibe el refrigerante en forma de vapor a baja presión y temperatura del evaporador, lo comprime haciendo que su temperatura y presión aumenten hasta la presión de trabajo del condensador. El gas supercalentado, entra al condensador donde pierde calor hasta llegar al estado líquido. Luego este refrigerante liquido pasa a través de una válvula de
expansión donde la presión y la temperatura bajan hasta las condiciones de operación del evaporador. Por ultimo el líquido de refrigerante el cual presenta una parte de vapor entra al evaporador donde absorbe calor del ambiente refrigerado y hierve hasta que a su salida del evaporador se encuentra como vapor a baja presión.
5
Beltrán. P. Rafael “Conversión Térmica de energía” Uniandes. 199? . Págs. 272 - 301
6
Se presenta a continuación un diagrama de presión contra entalpía
Figura 2.5 Diagrama de presión versus entalpía7. Tomado de Beltrán Rafael “Conversión térmica de energía”
En la figura se puede ver como el refrigerante entra al compresor en el punto 1 en estado de gas en saturación, y es comprimido en un proceso adiabático y sin fricción en el cual se eleva su presión y temperatura hasta el estado 2 en el cual es vapor supercalentado, a continuación el gas entra al condensador en el cual pierde calor a presión constante y se licua hasta ser liquido saturado (punto 3).
Este liquido ahora pasa a través de la válvula de expansión en la cual no hay transferencia de calor ni trabajo, conservando la entalpía constante pero disminuyendo la presión y la temperatura (punto 4).
Por ultimo el refrigerante que se presenta como un líquido con algunas partes de vapor extrae calor del ambiente refrigerado y hierve en el evaporador hasta convertirse en vapor saturado (punto 1). El efecto refrigerante obtenido por este ciclo es igual a la cantidad de calor que gana el refrigerante por su paso por el evaporador.
Efecto Refr. = h1 – h4 (2.8)
2.5.1 Compresor
El compresor es el centro del sistema de compresión de vapor. Los tres tipos compresores más usados en refrigeración son de desplazamiento positivo, los rotativos y los de tipo centrifugo. 2.5.1.1 De desplazamiento positivo
Este compresor consiste de uno o varios pistones que se mueven de forma alternante sobre un cilindro, dicho cilindro cuenta con válvulas de admisión y expulsión para permitir la entrada y salida del gas.
Durante la admisión del gas el pistón se encuentra en la parte inferior del cilindro y este entra al cilindro a baja presión a través de la válvula de admisión, la cual posteriormente se cierra y el pistón procede a comprimir el gas en el cilindro, luego este gas a alta presión se evacua por medio de la válvula de escape.
Existen compresores de tipo abierto en el cual el motor se acopla al cigüeñal fuera de la carcaza del compresor, son de fácil mantenimiento y reparación además de permitir operar el compresor con motores eléctricos, motores de combustión y por medio de turbinas. El otro tipo de compresor son los herméticos o semi-herméticos, en los cuales las únicas conexiones a la carcaza son las líneas de admisión y escape y los terminales eléctricos que alimentan el motor interno, aunque dicho tipo de compresor previene la salida de refrigerante o entrada de aire al sistema, son equipos por lo general irreparables.
2.5.2 Condensadores
Los condensadores son intercambiadores de calor que extraen el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador y el trabajo realizado por el compresor, durante este proceso el gas a alta temperatura y presión que viene del compresor, se enfría hasta su estado de saturación y posteriormente pasa a su fase liquida.
El condensador disipa la energía del refrigerante efectuando un intercambio de calor con otro fluido, por lo general dicho fluido es agua o aire.
2.5.3 Evaporadores
El evaporador es un intercambiador de calor que permite eliminar el calor de un espacio para
mantener una temperatura determinada en el cuarto refrigerado. Dicho intercambio de calor se efectúa con el refrigerante líquido proveniente de la válvula de expansión, gracias a este proceso el
refrigerante hierve y realiza una transición a su estado gaseoso eliminando así el calor del cuarto refrigerado.
2.5.4 Dispositivos de expansión
La función de los dispositivos de expansión es la de disminuir rápidamente la presión del liquido proveniente del condensador hasta la presión de operación del evaporador, por otra parte también regulan el paso de refrigerante al evaporador de acuerdo a las exigencias térmicas del sistema.
Entre estos dispositivos podemos encontrar válvulas de expansión termostática, válvulas de flotador válvulas de expansión a presión constante y los tubos capilares.
Capítulo 3
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
3.1 Montaje para la medición del coeficiente de conductancia global
El montaje se diseño y construyo siguiendo la norma
ASTM C976-82 “THERMAL PERFORMANCE OF BUILDING ASSEMBLIES BY MEANS OF CALIBRATED HOT BOX”
Esta metodología se escoge sobre otras ya que su versatilidad permite que se emplee en especimenes no homogéneos (que presenten divisiones, cámaras o tabiques internos), de formas irregulares o cualquier tipo de panel que trabaje en el rango de temperaturas de operación del montaje.
Los planos del sistema construido que se presenta a continuación se encuentran en el anexo A . El sistema se encuentra compuesto por 2 ambientes diferentes.
• Cámara de medición • Cámara climática
3.1.1 Cámara de medición
El propósito de este ambiente es permitir controlar y medir la temperatura del aire sobre una de las caras del panel que será estudiado bajo condiciones de trabajo conocidas. Esta construida en madera Novaplax de calibre 12 que posee una conductancia térmica menor a 1.2 W/m2*°K ( el rango de esta madera es de 0.12 a 0.16 W/m2*°K), que fue ensamblada con epoxicos resistentes a la temperatura, sin ningún tipo de armazón metálico para disminuir los puentes térmicos; dicha caja fue
posteriormente sellada con una mezcla de epoxicos y aserrín para evitar las corrientes de aire durante las pruebas.
En su interior cuenta con una resistencia eléctrica para la generación de la carga térmica necesaria para la prueba, de las usadas en los calentadores eléctricos de agua con una potencia nominal de 400 Watts a 110 voltios. Dicha resistencia se encuentra controlada por un termostato para horno comercial con un rango de operación de 10 – 90 °C.
Para evitar el estancamiento del aire a menor temperatura en el fondo de la caja de medición, esta cuenta con un ventilador de 5 pulgadas que permite la homogenización de la temperatura durante la operación del banco; la ubicación del ventilador es tal que el aire no llegue de pleno a la superficie de la ventana para evitar gradientes de temperatura durante las pruebas.
Figura 3.1 Caja de medición. Fuente: Autor.
Adicionalmente esta cuenta con una puerta removible que permite verificar el funcionamiento de los equipos eléctricos si es necesario luego de ensamblada la misma con el prototipo.
El exterior de la cámara de medición se encuentra recubierto con Icopor (Poliestireno expandido), para aumentar el aislamiento térmico de la misma y disminuir las perdidas energéticas.
3.1.2 Cámara Climática
El propósito de este ambiente es permitir controlar y medir la temperatura del aire sobre la cara opuesta a la superficie que se encuentra en la cámara de medición. Esta construida en madera Novaplax de calibre 12 que posee una conductancia térmica menor a 1.2 W/m2*°K (el rango de esta madera es de 0.12 a 0.16 W/m2*°K), que fue ensamblada con epoxicos resistentes a la temperatura, sin ningún tipo de armazón metálico para disminuir los puentes térmicos. Dicha caja fue
posteriormente sellada con una mezcla de epoxicos y aserrín para evitar las corrientes de aire durante las pruebas.
Para evitar el estancamiento del aire a menor temperatura en el fondo de la caja de medición, esta cuenta con un ventilador de 5 pulgadas que permite la homogenización de la temperatura durante la operación del banco. La ubicación del ventilador es tal que el aire no llegue de pleno a la superficie de la ventana para evitar gradientes de temperatura durante las pruebas.
Dicha caja se encuentra alimentada por aire a baja temperatura que proviene de un sistema de refrigeración por compresión tradicional que permite trabajar con rangos de temperatura que fluctúan entre los 20°C y los 5°C.
El exterior de la cámara de medición se encuentra recubierto con Icopor (Poliestireno expandido), para aumentar el aislamiento térmico de la misma y disminuir los requerimientos de refrigeración. 3.1.3 Sistema de refrigeración
Como se pudo ver anteriormente el sistema de refrigeración esta compuesto por • Compresor
• Condensador
• Válvula de expansión • Evaporador
3.1.3.1 Compresor
El compresor con el cual opera nuestro sistema de refrigeración es del tipo hermético. Se muestra a continuación datos técnicos del mismo.
Tabla 3.1 Datos técnicos del compresor. Fuente: TECUMSEN EUROPE
Fabricante TECUMSEN EUROPE
Modelo FH4531F
Serial S/N 03L18191248
Refrigerante de servicio R22
Voltaje de operación 208 V – 220 V a 60 Hz.
Amperaje de operación 16.4 Amperios
Presión máx. De servicio 16.7 bar.
Temperatura máx. de servicio 35°C
Temperatura min. de servicio -40°C
Adicionalmente presenta las siguientes características: • 2 ventiladores internos.
• Un presostato.
• Protección interna de temperatura. • Compuerta de contención.
• Presión de entrada de 10 psi.
• Temperatura de entrada del refrigerante de -7°C. • Presión de salida de 170 psi.
• Temperatura de salida de 110 °C aprox. Figura 3.2 Compresor. Fuente: Autor.
3.1.3.2 Condensador
El condensador con el cual cuenta el sistema de refrigeración es enfriado por agua del tipo coraza y tubos verticales, en el cual el agua circula por gravedad alrededor de un entramado de tubos que contienen el refrigerante a alta presión y temperatura proveniente del compresor.
Dicha disposición del condensador ocupa menos espacio que uno horizontal, permite la limpieza de la coraza sin que el condensador deje de funcionar.
3.1.3.3 Dispositivo de expansión
El sistema cuenta con una válvula de expansión de tipo termostatico, la cual regula el flujo de
refrigerante al evaporador teniendo en cuenta la razón de evaporación en el evaporador. Dicha válvula cuenta con un bulbo cargado con refrigerante el cual se encuentra en contacto con la tubería de evacuación del evaporador para que al aumentar la temperatura de salida del vapor aumente el flujo de refrigerante y al disminuir esta restrinja la alimentación de liquido al evaporador.
3.1.3.4 Evaporador
El evaporador del sistema es del tipo de circulación forzada en el cual el aire es forzado a pasar sobre la superficie del intercambiador de calor por medio de dos ventiladores.
Figura 3.4 Evaporador. Fuente: Autor.
3.1.4 Procedimiento
El montaje permite conocer la transmitancia térmica global de la ventana de manera indirecta. El prototipo se confina entre las dos cámaras o ambientes entre las cuales se presenta un gradiente de temperatura de al menos 15°C, razón por la cual se genera un flujo de calor a través de la
La transmitancia global del panel estaría dada por la siguiente ecuación
U = Q/ A*(Th – Tc). [W/m
2*°C] (3.1)
Donde:Q = Calor [W]
A = Área del espécimen [m2]
Th = Temperatura del aire en la cámara de medición al menos a 75 mm. de la superficie del panel. Tc = Temperatura del aire en la cámara climática al menos a 75 mm. de la superficie del panel.
El área se puede determinar con un metro y las temperaturas gracias a un juego de termocuplas debidamente calibradas.
Para conocer la cantidad de calor que atraviesa la ventana se usa una pinza amperimetrica para conocer la cantidad de calor generado por la resistencia, posteriormente se realiza la estimación de las perdidas por las caras de la caja de medición con la siguiente ecuación y se corrige el calor que fluye durante la prueba.
Q= λ*Aeff*(ti
-
ta)/L
(3.2)
Aeff = Ai + 0.54* L*Σei + 0.60*L
2(3.3)
Donde:
Q
= Calor perdido. [W]λ =
Conductividad térmica efectiva de la paredti
= Temperatura interior de la paredta = Temperatura promedio del aire fuera de la caja de medición L = Espesor de la pared.
Ai =
Área superficial del interior de la caja de mediciónΣei =
Sumatoria de todas las áreas formadas donde dos muros se encuentran.Al alcanzarse el estado estable durante la prueba, es decir cuando la variación de las temperaturas en la caja de medición y la caja climática es pequeña, se asume que el flujo de calor de una cámara a otra es estable y se procede a realizar las mediciones de temperatura necesarias.
Para la toma de las temperaturas se ubican termocuplas tipo T (cobre – cobre níquel) sobre las caras de la ventana y otro par que monitoreara las temperaturas del aire en las dos cámaras a 75mm de la superficie de la ventana.
Se muestra a continuación una figura donde se muestra la localización de los sensores de temperaturas sobre la superficie de la ventana.
Figura 3.5 Localización sugerida de las termocuplas. Fuente Autor.
Se procede a conectar las termocuplas a un sistema de adquisición de datos y a un computador con un programa compatible para el monitoreo de las mismas se recomienda el uso de Labview.
Sistema de adquisición de datos:
El sistema en su totalidad consta de tres partes
Un modulo universal aislado de adquisición SCXI 1121 con las siguientes características • 4 amplificadores de instrumentación aislados.
• Frecuencia de muestreo de hasta 333kS/s (3 µs por canal en modo multiplexado) • Voltaje limite de trabajo 250 Vrms.
Un bloque de terminales SCXI 1303 con las siguientes especificaciones: • Terminales de fácil conexión de sensores.
• Sensor de temperatura incluido para realizar la compensación en termocuplas. • Atenuación de altos voltajes.
• Construcción isotérmica para asegurar la precisión de la medición con termocuplas. Una tarjeta de adquisición de datos DAQ 6024E:
• Un multiplexor que permite seleccionar los canales análogos y el modo de funcionamiento de los canales de entrada.
• Un amplificador de instrumentación de ganancia programable. • Un convertidor análogo digital de 12 bits.
• Dos convertidores digital análogo de 12 bits. • Un puerto con 8 entradas digitales.
Capítulo 4
Pruebas de desempeño térmico de la ventana
Con el fin de caracterizar el desempeño térmico de la configuración se realizan varias pruebas en las cuales se varían las condiciones a las cuales se somete la ventana.
Cada una de dichas pruebas cuenta con una duración aproximada de 7 horas. En las pruebas realizadas con el sistema de refrigeración se permitía un periodo anterior a la toma de resultados de 16 horas para que el sistema de refrigeración se comportara de una manera más estable.
Parámetros de las pruebas:
• Potencia nominal de los calentadores 455 Watts.
• Temperatura en la cámara de medición entre 43- 47 Grados Centígrados. • Tiempo de medición 7 horas.
• Muestreo de datos en intervalos de 15 a 30 minutos.
Se realizan 4 tipos de pruebas:
• Una en la cual la refrigeración de la cámara climática se realiza con cubos de hielo seco para obtener una primera aproximación al funcionamiento del montaje y desempeño del prototipo.
• Una prueba en la cual se removía la cámara climática y la refrigeración se dejaba en manos de las condiciones reinantes en el laboratorio y un ventilador de 1 pie de diámetro. • Dos pruebas en las cuales la cámara climática era alimentada con aire frío proveniente del
sistema de refrigeración por compresión para imponer condiciones más hostiles a la configuración.
• Cuatro pruebas durante las cuales el aire suministrado a la caja climática era obtenido por el ducto de alimentación con solo el ventilador de 3” del aire del laboratorio para obtener condiciones de prueba más estables.
De este grupo de pruebas se registran las temperaturas en los diversos sensores que se han instalado sobre la superficie de la ventana
Figura 4.1 Montaje para las pruebas. Fuente: Autor.
De dichas pruebas se obtienen los siguientes parámetros8.
Tabla 4.1 Parámetros obtenidos en las pruebas. Fuente: Autor. Fecha
prueba Tipo prueba T1 T2 TH TC
27/05/2004 Hielo seco 35,49 23,55 40,72 24,19 15/06/2004 Vent. Grande 33,72 20,07 40,10 20,01 16/06/2004 Sis. Refr. 33,23 12,33 36,34 12,74
18/06/2004 Vent. 3" 40,99 27,53 45,05 24,04 22/06/2004 Vent. 3" 39,73 23,38 44,35 18,60 23/06/2204 Sis. Refr. 39,60 18,41 45,18 10,90 24/06/2004 Vent. 3" 38,27 24,85 43,91 22,31 25/06/2004 Vent. 3" 40,28 27,43 45,63 24,84 Donde:
T1 = Promedio de la temperatura superficial del prototipo que da a la cámara de medición. T2 = Promedio de la temperatura superficial del prototipo que da a la cámara climática.
TH = Temperatura del aire a 75 mm. De la superficie del prototipo que da a la cámara de medición. TC = Temperatura del aire a 75 mm. De la superficie del prototipo que da a la cámara de medición.
Capítulo 5
Resultados
Con los datos obtenidos durante las pruebas de desempeño térmico, se calculan los siguientes indicadores de las propiedades de la ventana.
Las ecuaciones usadas son (2.4, 2.5, 2.6, 2.7) y
λ Conductividad térmica = Q * L / A * (Th – Tc) [W/m*K] (5.1)
Tabla 5.1 Indicadores de desempeño térmico de la ventana. Fuente: Autor. Fecha
prueba Tipo prueba Th-Tc T1-T2 U Rot C R λ
U (Btu/h*ft2*F) 27/05/2004Hielo seco 16,54 11,94 40,32 0,025 55,82 0,018 2,016 0,61 15/06/2004Vent. Grande 20,09 13,65 33,19 0,030 48,83 0,020 1,659 0,50 16/06/2004Sis. Refr. 23,61 20,71 28,24 0,035 31,90 0,031 1,412 0,43 18/06/2004Vent. 3" 21,01 13,46 31,73 0,032 49,52 0,020 1,587 0,48 22/06/2004Vent. 3" 25,75 16,35 25,89 0,039 40,78 0,025 1,294 0,39 23/06/2204Sis. Refr. 34,28 21,19 19,45 0,051 31,46 0,032 0,972 0,29 24/06/2004Vent. 3" 21,60 13,42 30,86 0,032 49,67 0,020 1,543 0,47 25/06/2004Vent. 3" 20,79 12,85 32,06 0,031 51,87 0,019 1,603 0,49 Promedio 22,96 15,45 30,22 0,034 44,98 0,023 1,511 0,46 Desviación 5,29 3,62 6,04 0,008 9,21 0,005 0,302 0,09
Se muestra a continuación una tabla con los rangos del coeficiente U para diferentes tipos de ventanas.
Tabla 5.2 Valor del coeficiente U para diversos tipos de ventana. Fuente: Autor. Tipo de ventana U (Btu / h * ft2 * F)
Ventana deteriorada 1.3
Ventana sencilla 1.0
Ventana Sen. Baja emisividad 0.6
Ventana doble 0.55 – 0.45
Ventana doble baja emisividad 0.45 – 0.37 Ventana doble con argón 0.4 – 0.33
Ventana triple 0.33 – 0.25
Se procede a realizar la comparación del valor U del prototipo de ventana estudiado con los datos recopilados de diversos fabricantes internacionales, para dicha comparación se utiliza el valor obtenido con las pruebas realizadas con los ventiladores ya que estas muestran un comportamiento más estable de la ventana durante las pruebas.
Figura 5.1 Comparación del valor U por rangos. Fuente: Autor.
Valor U
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1
2
3
4
5
6
7
B
tu
/ h
* ft2
*
F
Prototipo
Ventana sencilla
Ventana
deteriorada
Ventana Sen.
Baja emisividad
Ventana doble
Ventana doble
con argón
Ventana triple
Capítulo 6
Conclusiones
En este documento se mostraron los diferentes apartes para realizar un estudio de desempeño térmico de una ventana de fabricación nacional.
Los logros obtenidos gracias a este proyecto son:
• Se construyeron dos ambientes controlados para la realización de pruebas térmicas en diversos tipos de paneles, los cuales quedan en el laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes.
• Se reparó el sistema de refrigeración que se adecuo a los ambientes controlados para las pruebas de desempeño térmico. Dicho sistema y su sistema eléctrico se dejan en
funcionamiento para posteriores proyectos en el cuarto de máquinas hidráulicas del Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad.
• Se observa luego de las pruebas a las cuales fue sometida la ventana que aunque es un prototipo de primera generación su coeficiente de transmitancia global U se encuentra en el rango de desempeño internacional y que posteriores avances pueden hacer de esta
configuración un producto competitivo en el ámbito comercial.
Por otra parte se recomienda, como una continuación de este trabajo y sus posibles ramificaciones, cambiar el sistema de control de los calentadores eléctricos de un sistema ON/Off por un controlador proporcional con sensores que no presenten el fenómeno de histéresis tan marcado. También es posible adicionar algunas capas de poliestireno expandido adicional o añadir otro aislante térmico al recubrimiento de las cámaras para disminuir las perdidas térmicas.
Para conseguir mejores pruebas, este montaje se puede modificar para obtener un sistema de pruebas para secciones que no cumplan con las dimensiones impuestas por las cámaras ya
construidas. Para dichas modificaciones por favor referirse a la norma ASTM C 236 – 80 “Standard test method for Steady state thermal performance of building assemblies by means of a guarded hot box.”
En el aspecto de las ventanas se recomienda realizar pruebas con más prototipos para realizar una comparación y seguimiento mientras se mejora el proceso de fabricación de los marcos y el ensamble de la ventana. Desafortunadamente para este trabajo solo se pudo contar con la primera ventana construida por la empresa y por diversos inconvenientes posteriores prototipos no pudieron ser entregados a tiempo para el estudio.
Adicionalmente se pueden fabricar ventanas con relleno de gas como nitrógeno, argón o criptón que disminuyen el valor de U, o realizar alteraciones en el marco con el fin de aumentar la resistencia térmica del mismo, como rellenarlo con una resina aislante.
Anexo A
PLANOS DEL MONTAJE
• Planos de la caja de medición. • Planos de la caja climática. • Planos de ensamble del montaje.
Anexo B
Datos registrados en las pruebas
• Registro de temperaturas en los sensores
• Gráficas de comportamiento de la temperatura en el tiempo. • Memoria de cálculos de los coeficientes de desempeño.
Pruebas realizadas con hielo seco
En la cámara climática
Hora mv1 T1 mv2 T2 mv3 T3 mv4 T4 mv5 T5 mv6 T6 mv7 T7 T8 08:05 0,6 33,56 0,5 31,14 0,6 33,56 0,6 33,56 0,2 23,81 0,2 23,81 0,2 23,81 24 09:05 0,7 35,98 0,6 33,56 0,7 35,98 0,8 38,39 0,2 23,81 0,2 23,81 0,2 23,81 24,1 10:05 0,7 35,98 0,5 31,14 0,7 35,98 0,8 38,39 0,2 23,81 0,2 23,81 0,2 23,81 23,8 11:05 0,7 35,98 0,6 33,56 0,7 35,98 0,8 38,39 0,2 23,81 0,2 23,81 0,2 23,81 24 12:05 0,69 35,74 0,58 33,08 0,69 35,74 0,74 36,94 0,13 22,09 0,13 22,09 0,11 21,60 23,9 13:05 0,68 35,50 0,55 32,35 0,67 35,25 0,74 36,94 0,16 22,83 0,13 22,09 0,12 21,84 24,2 14:05 0,6 33,56 1,3 50,36 0,7 35,98 1,6 57,52 0,3 26,26 0,13 22,09 0,1 21,35 24,1 15:05 0,5 31,14 0,8 38,39 0,7 35,98 1 43,19 0,3 26,26 0,3 26,26 0,1 21,35 24,3 16:05 0,7 35,98 0,8 38,39 0,8 38,39 1 43,19 0,3 26,26 0,3 26,26 0,1 21,35 25,3 Promedio 34,82 35,77 35,87 40,72 24,33 23,78 22,53 24,19 Desviación 1,71 0,25 6,11 0,05 1,23 0,29 6,99 0,06 1,56 0,07 1,62 0,05 1,23 0,44Pruebas realizadas con ventilador
Grande Junio 15 de 2004
Hora mv1 T1 mv2 T2 mv3 T3 mv4 T4 mv5 T5 mv6 T6 mv7 T7 T8 08:05 0,04 19,87 0,02 19,37 0,02 19,37 0,11 21,60 -0,08 16,89 -0,08 16,89 -0,03 18,14 18,7 09:05 0,14 22,34 0,53 31,87 0,22 24,30 0,92 41,27 -0,08 16,89 -0,05 17,64 -0,07 17,14 18,9 10:05 0,44 29,68 0,44 29,68 0,47 30,41 0,99 42,95 -0,12 15,90 -0,04 17,89 -0,03 18,14 19 11:05 0,54 32,11 0,74 36,94 0,63 34,29 1,03 43,91 -0,07 17,14 0,04 19,87 0,02 19,37 20 12:05 0,55 32,35 0,66 35,01 0,7 35,98 0,84 39,35 0,11 21,60 0,09 21,10 0,03 19,62 20,5 13:05 0,5 31,14 0,73 36,70 0,66 35,01 1 43,19 0,1 21,35 0,07 20,61 0,06 20,36 20,8 14:05 0,56 32,59 0,5 31,14 0,65 34,77 0,7 35,98 0,12 21,84 0,07 20,61 0,06 20,36 19,3 15:05 0,55 32,35 0,77 37,67 0,73 36,70 0,84 39,35 0,13 22,09 0,07 20,61 0,05 20,12 20 16:05 0,56 32,59 0,66 35,01 0,7 35,98 0,7 35,98 0,12 21,84 0,07 20,61 0,06 20,36 20,5 Promedio 31,83 34,59 34,73 40,10 20,25 20,19 19,76 20,01 Desviación 4,86 5,69 6,09 6,87 2,68 1,60 1,20 0,79Pruebas realizadas con sistema
De refrigeración junio 16 de 2004
Hora mv1 T1 mv2 T2 mv3 T3 mv4 T4 mv5 T5 mv6 T6 mv7 T7 mv8 T8 09:15 0,58 33,08 0,45 29,92 0,56 32,59 0,52 31,62-0,41 8,63-0,41 8,63-0,34 10,39 -0,53 5,59 09:45 0,43 29,44 0,62 34,05 0,26 25,28 0,64 34,53-0,38 9,39-0,38 9,39-0,35 10,14 -0,39 9,13 10:15 0,66 35,01 0,76 37,43 0,7 35,98 0,9 40,79-0,25 12,65-0,25 12,65-0,21 13,65 -0,17 14,65 10:45 0,66 35,01 0,72 36,46 0,76 37,43 0,9 40,79-0,04 17,89-0,04 17,89-0,02 18,38 -0,02 18,38 11:15 0,67 35,25 0,69 35,74 0,69 35,74 1,04 44,15-0,06 17,39-0,06 17,39-0,02 18,38 -0,03 18,14 11:45 0,63 34,29 0,48 30,65 0,62 34,05 0,63 34,29-0,41 8,63-0,41 8,63-0,25 12,65 -0,33 10,64 14:15 0,59 33,32 0,53 31,87 0,64 34,53 0,65 34,77-0,17 14,65-0,17 14,65-0,09 16,65 -0,13 15,65 14:30 0,62 34,05 0,51 31,38 0,63 34,29 0,85 39,59-0,24 12,90-0,24 12,90-0,19 14,15 -0,2 13,90 14:45 0,51 31,38 0,54 32,11 0,46 30,17 0,73 36,70-0,27 12,15-0,27 12,15-0,17 14,65 -0,25 12,65 15:00 0,65 34,77 0,53 31,87 0,61 33,80 0,63 34,29-0,23 13,15-0,23 13,15-0,21 13,65 -0,14 15,40 15:15 0,55 32,35 0,46 30,17 0,6 33,56 0,59 33,32-0,37 9,64-0,37 9,64-0,25 12,65 -0,3 11,40 15:30 0,56 32,59 0,45 29,92 0,51 31,38 0,54 32,11 -0,5 6,35 -0,5 6,35-0,36 9,89 -0,38 9,39 15:45 0,75 37,18 0,54 32,11 0,69 35,74 0,68 35,50-0,45 7,62-0,45 7,62-0,31 11,15 -0,33 10,64 Promedio 33,67 32,59 33,43 36,34 11,62 11,62 13,76 12,74 Desviación 1,97 0,10 2,54 0,13 3,13 0,16 3,82 0,14 3,63 0,14 3,63 0,12 2,89 0,15 3,74Pruebas realizadas con ventilador
De 3 pulgadas Junio 18 de 2004
Hora T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 09:15 39,3 37,4 38,4 40,7 25,9 24,8 26,6 23,1 09:30 42,0 39,4 40,7 43,8 26,8 25,2 27,2 23,2 09:45 42,3 39,7 41,0 48,4 26,9 25,4 27,7 23,4 10:00 44,1 40,6 42,4 47,1 27,0 25,5 27,9 23,5 10:15 40,1 39,0 39,6 45,2 27,3 25,7 28,2 23,5 10:30 41,3 39,4 40,4 42,7 27,4 25,8 28,4 23,7 10:45 42,1 39,8 41,0 43,5 27,6 25,9 28,5 23,7 11:00 44,1 40,7 42,4 46,0 27,7 26,0 28,6 23,8 11:15 42,3 40,2 41,3 48,8 27,7 26,1 28,7 23,9 11:30 41,9 39,8 40,9 43,5 27,7 26,1 28,7 23,9 11:45 41,5 39,6 40,6 43,0 27,9 26,2 28,8 24,0 12:00 40,6 39,1 39,9 43,4 27,9 26,2 28,8 24,1 12:15 41,1 39,6 40,4 46,7 28,0 26,3 28,9 24,2 12:30 40,7 39,3 40,0 42,0 28,0 26,3 29,0 24,2 12:45 44,3 41,0 42,7 46,8 28,1 26,4 29,0 24,3 14:15 41,0 39,2 40,1 42,2 27,8 26,2 28,9 24,3 14:30 42,6 40,3 41,5 48,7 28,1 26,5 29,0 24,4 14:45 42,4 40,1 41,3 44,4 28,2 26,5 29,1 24,5 15:00 43,8 40,9 42,4 49,3 28,3 26,7 29,2 24,6 15:15 42,4 40,3 41,4 44,3 28,4 26,7 29,3 24,6 15:30 41,3 39,7 40,5 42,8 28,4 28,8 29,3 24,7 15:45 43,5 40,5 42,0 46,5 28,4 26,8 29,3 24,7 16:00 44,3 41,0 42,7 46,4 28,5 26,8 29,4 24,7 Promedio 42,1 39,9 41,0 45,1 27,7 26,2 28,6 24,0 Desviación 1,40 0,82 1,09 2,46 0,63 0,76 0,70 0,49Pruebas realizadas con ventilador
De 3 pulgadas Junio 22 de 2004
Hora T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 09:15 35,00 30,4 32,7 40,7 19,9 20,3 20,2 20,0 09:30 41,00 37,3 39,2 47,1 23,2 22,8 24,0 21,4 09:45 39,20 36,7 38,0 41,3 24,2 23,4 25,1 21,9 10:00 40,40 37,9 39,2 42,5 25,3 24,1 26,2 22,3 10:15 41,70 38,8 40,3 43,3 25,9 24,5 26,8 22,6 10:30 40,90 38,7 39,8 42,8 26,4 25,0 27,5 23,0 10:45 41,30 39,2 40,3 42,9 26,8 25,3 27,8 23,2 11:00 40,80 38,9 39,9 42,3 27,0 25,5 28,1 23,5 11:15 41,80 39,5 40,7 43,6 27,2 25,6 28,2 23,5 11:30 42,80 39,8 41,3 48,1 27,0 24,7 28,0 20,6 11:45 41,60 39,1 40,4 43,1 24,7 21,3 26,6 16,0 12:00 44,00 39,6 41,8 46,9 22,2 18,5 25,0 14,1 12:15 43,40 38,4 40,9 46,3 19,8 15,9 23,1 10,6 12:30 42,60 38,0 40,3 43,9 18,0 13,9 21,6 8,4 12:45 39,70 36,6 38,2 47,4 16,8 12,9 20,5 7,3 14:15 44,20 39,8 42,0 46,9 22,2 18,5 24,7 14,1 14:30 40,40 36,8 38,6 42,2 19,8 18,0 22,5 15,2 14:45 42,40 37,9 40,2 45,3 21,0 19,3 23,6 16,6 15:00 40,00 37,3 38,7 44,0 22,5 21,1 24,9 18,7 15:15 44,80 39,3 42,1 46,3 23,5 22,0 25,6 19,7 15:30 40,40 38,1 39,3 42,1 24,2 22,8 26,1 20,6 15:45 40,20 38,2 39,2 45,2 25,2 23,9 27,0 21,9 16:00 43,00 39,6 41,3 45,9 25,9 24,6 27,6 22,6 Promedio 41,37 38,1 39,7 44,4 23,4 21,5 25,2 18,6 Desviación 2,06 1,95 1,93 2,17 3,04 3,74 2,42 4,92Pruebas realizadas con sistema
De refrigeración Junio 23 de 2004
Hora T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 09:15 40,10 37,8 39,0 42,0 23,2 19,9 24,9 15,2 09:30 41,80 38,5 40,2 47,2 21,6 17,7 24,0 12,5 09:45 41,80 38,0 39,9 44,0 19,8 15,5 22,7 9,9 10:00 40,30 37,3 38,8 45,8 18,2 13,8 21,5 8,1 10:15 41,10 36,9 39,0 46,6 16,4 12,2 20,1 6,6 10:30 44,40 37,9 41,2 47,6 15,7 11,5 19,4 6,1 10:45 42,30 37,0 39,7 44,4 15,3 11,2 18,8 5,7 11:00 43,80 37,4 40,6 47,0 14,6 10,7 18,1 5,5 11:15 43,10 37,0 40,1 46,0 14,7 11,3 18,2 7,2 11:30 39,10 35,5 37,3 41,7 16,2 13,8 19,0 10,9 11:45 39,20 36,0 37,6 41,0 18,4 16,5 20,6 14,2 12:00 43,00 38,1 40,6 45,8 19,9 18,2 21,8 15,8 12:15 43,40 38,5 41,0 46,2 21,6 20,0 23,2 17,9 12:30 42,00 38,4 40,2 47,2 22,9 21,4 24,4 19,3 12:45 44,20 39,6 41,9 48,3 24,2 22,7 25,4 20,5 14:15 42,10 39,1 40,6 44,6 23,5 20,0 25,1 15,1 14:30 44,30 38,9 41,6 48,4 19,5 15,5 22,3 10,2 14:45 42,80 38,2 40,5 45,7 18,7 14,7 21,7 9,4 15:00 39,60 36,5 38,1 43,1 17,8 13,8 20,8 8,5 15:15 40,80 36,7 38,8 45,6 16,9 12,9 20,0 7,7 15:30 39,40 36,0 37,7 42,8 16,3 12,3 19,5 7,2 15:45 40,90 36,6 38,8 43,1 16,1 12,4 19,4 7,4 16:00 40,10 36,3 38,2 45,1 16,5 13,7 19,8 9,9 Promedio 41,72 37,5 39,6 45,2 18,6 15,3 21,3 10,9 Desviación 1,71 1,10 1,32 2,12 3,00 3,59 2,30 4,53Pruebas realizadas con ventilador
De 3 pulgadas Junio 24 de 2004
Hora T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 09:15 30,00 25,7 24,1 35,5 19,0 19,2 19,3 19,3 09:30 33,20 28,5 26,5 38,5 19,4 19,8 19,9 19,7 09:45 40,20 34,5 32,1 44,4 21,3 21,4 22,2 20,9 10:00 41,40 37,3 34,7 46,8 23,0 22,7 24,1 21,7 10:15 40,90 37,9 35,6 46,3 24,2 23,4 25,1 22,4 10:30 40,80 37,6 36,3 43,6 23,6 21,2 21,1 19,2 10:45 42,50 38,8 37,3 48,0 23,4 21,2 25,4 19,5 11:00 40,30 37,8 36,7 41,6 23,7 21,7 25,7 20,0 11:15 41,70 38,5 37,3 43,2 23,9 22,0 25,9 20,6 11:30 40,40 38,0 36,9 41,5 24,2 22,4 26,1 21,0 11:45 40,20 38,1 37,1 42,9 25,1 23,2 26,8 21,9 12:00 41,50 38,9 37,6 43,1 25,2 23,5 26,9 22,1 12:15 42,70 39,0 38,1 44,6 25,7 24,1 27,3 22,6 12:30 42,80 39,7 38,3 45,0 26,1 24,4 27,6 23,1 12:45 43,00 39,9 38,4 45,1 26,2 24,6 27,2 23,3 14:15 42,20 39,9 38,3 48,6 27,2 25,6 28,5 24,2 14:30 41,20 39,4 37,9 46,5 27,2 25,6 28,5 24,3 14:45 40,80 39,0 37,9 42,0 27,3 25,7 28,6 24,4 15:00 44,40 40,7 39,0 47,0 27,3 25,7 28,6 24,4 15:15 43,70 40,0 38,8 46,7 27,4 25,8 28,7 24,5 15:30 40,90 39,4 38,0 42,2 27,5 25,9 28,8 24,6 15:45 41,90 39,7 38,5 43,4 27,6 26,0 28,8 24,7 16:00 41,90 39,7 38,5 43,4 27,8 26,1 28,8 24,7 Promedio 40,81 37,7 36,3 43,9 24,9 23,5 26,1 22,3 Desviación 3,15 3,62 3,80 3,02 2,56 2,13 2,93 1,97Pruebas realizadas con ventilador
De 3 pulgadas Junio 25 de 2004
Hora T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 09:15 43,00 40,1 38,3 48,8 26,6 24,8 27,7 23,7 09:30 44,20 40,4 38,8 47,5 26,6 24,9 27,8 23,8 09:45 44,20 41,0 38,9 49,0 26,7 24,9 27,8 23,8 10:00 43,70 40,0 38,6 49,4 26,7 25,0 27,8 23,8 10:15 40,90 39,0 37,8 42,5 26,8 25,1 27,9 23,9 10:30 42,00 39,7 38,5 43,7 27,0 25,3 28,0 24,1 10:45 42,20 39,9 38,6 44,0 27,1 25,4 28,2 24,1 11:00 43,90 40,6 39,0 46,1 27,1 25,5 28,2 24,2 11:15 41,80 39,3 38,4 43,7 27,3 25,6 28,3 24,3 11:30 41,20 39,2 38,3 47,0 27,3 25,6 28,4 24,4 11:45 44,20 40,9 39,1 49,0 27,4 25,7 28,4 24,4 12:00 41,00 39,3 38,2 43,3 27,4 25,8 28,5 24,6 12:15 42,80 40,0 38,7 47,0 27,6 25,9 28,6 24,7 12:30 43,20 40,4 39,0 45,3 27,7 26,1 28,7 24,8 12:45 42,20 40,2 38,9 44,4 27,8 26,2 28,8 24,9 14:15 42,20 40,0 38,8 43,2 28,1 26,4 29,0 25,0 14:30 42,00 40,4 39,1 44,5 28,3 26,8 29,4 25,0 14:45 45,20 41,2 39,5 47,5 28,5 27,0 29,5 26,0 15:00 41,70 39,8 38,6 43,5 28,7 27,2 29,7 26,2 15:15 42,20 38,9 37,6 46,5 28,7 27,3 29,5 26,3 15:30 41,30 38,3 37,3 43,3 28,7 27,4 29,4 26,4 15:45 42,30 38,8 37,5 46,3 28,7 27,3 29,3 26,4 16:00 41,10 38,6 37,4 44,0 28,7 27,4 29,5 26,5 Promedio 42,54 39,8 38,5 45,6 27,6 26,0 28,6 24,8 Desviación 1,21 0,79 0,60 2,19 0,77 0,90 0,66 0,97Distribucion de temperaturas Hielo
Seco
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
08:
05
09:
05
10:
05
11:
05
12:
05
13:
05
14:
05
15:
05
16:
05
Hora
G
rados
C
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Distribucion de temperaturas con
ventilador grande 15/06/2004
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
08
:0
5
09
:0
5
10
:0
5
11
:0
5
12
:0
5
13
:0
5
14
:0
5
15
:0
5
16
:0
5
Hora
Grados C
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Distribucion de temperaturas
sistemas de refrigeración 16/06/2004
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
09:
15
10:
15
11:
15
14:
15
14:
45
15:
15
15:
45
Hora
Grados C
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Distribucion de temperaturas
ventilador 3" 18/06/2004
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
09:15
09:45
10:15
10:45
11:15
11:45
12:15
12:45
14:30
15:00
15:30
16:00
Hora
Grados C
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Distribucion de temperaturas ventilador 3"
22/06/2004
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
09
:15
09
:45
10
:15
10
:45
11
:15
11
:45
12
:15
12
:45
14
:30
15
:00
15
:30
16
:00
horas
Grados °C
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Distribucion de temperaturas sistema
de refrigeración 23/06/2004
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 09:15 09:30 09:45 10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 15:30 15:45 16:00 Hora Grados °C T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8Distribucion de temperaturas
ventilador de 3" 24/06/2004
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 09:15 09:30 09:45 10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 15:30 15:45 16:00 Hora grados °C T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8Distribucion de temperaturas
ventilador de 3" 25/06/2004
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 09:15 09:30 09:45 10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 15:30 15:45 16:00 Hora Grados °C T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8Memoria de cálculos de coeficientes de desempeño
Fecha
prueba Tipo prueba Th-Tc T1-T2 U (W/m2*C) C (W/m2*C) U (Btu/h*ft2*F) 27/05/2004 Hielo seco 16,54 11,94 40,32 55,82 0,61 15/06/2004 Vent. Grande 20,09 13,65 33,19 48,83 0,50 16/06/2004 Sis. Refr. 23,61 20,71 28,24 31,90 0,43 18/06/2004 Vent. 3" 21,01 13,46 31,73 49,52 0,48 22/06/2004 Vent. 3" 25,75 16,35 25,89 40,78 0,39 23/06/2204 Sis. Refr. 34,28 21,19 19,45 31,46 0,29 24/06/2004 Vent. 3" 21,60 13,42 30,86 49,67 0,47 25/06/2004 Vent. 3" 20,79 12,85 32,06 51,87 0,49 Promedio 22,96 15,45 30,22 44,98 0,46 Desviación 5,29 3,62 6,04 9,21 0,09
Anexo C
MANUAL DE ENSAMBLE Y OPERACION
El banco de pruebas consta de: • Caja de medición • Caja climática
• Sistema de refrigeración
• Ductos de conexión al sistema de refrigeración
• Puerta de reemplazo para conexión con cámara del evaporador. • 2 ventiladores de 5 pulgadas.
• Calentadores de ambiente • Termocuplas
Ensamble del banco de pruebas
Antes de ensamblar el banco de pruebas se recomienda limpiar el interior de las cámaras y verificar que los ventiladores y calentadores funcionan sin ningún problema. Recuerde que el tamaño de los prototipos a estudiar deben ser de 60 cm. de ancho por 1 metro de altura.
Proceda a fijar las termocuplas sobre la superficie que será alojada en la cámara de medición. (Se recomienda distribuirlas uniformemente sobre dicha superficie o en lugares que se consideren
significativos para la medición. Posteriormente inserte el prototipo en la cámara de medición, recubra el borde del prototipo con silicona, epoxicos, poliuretano, cinta, etc. Para impedir el flujo de aire de una cámara a otra y disminuir las perdidas de calor.
Al igual a como se realizo sobre la superficie del prototipo que da a la cámara de medición instale sobre la superficie de la cámara climática termocuplas exactamente opuestas a las de la superficie de la cámara de medición.
Figura B.2 Esquemático de ensamble de las cámaras y el prototipo. Fuente: Autor
Cierre el montaje uniendo la cámara climática a la cámara de medición y asegurando la unión con los tornillos de manera que le dan estabilidad al ensamble, recubra la unión de las dos cámaras con silicona, epoxicos, poliuretano, cinta, etc. Para impedir la entrada de aire del ambiente al montaje.
Luego de tener el prototipo debidamente confinado en las cámaras conecte la cámara climática al cuarto donde se encuentra el evaporador, para esto introduzca la lamina de madera con los ductos de la cámara climática en el espacio previsto entre las puertas del cuarto del evaporador. Proceda a recubrir con cinta, silicona, epoxicos, u otros las aberturas de las puertas de la cámara del evaporador.
Figura B.4 Conexión de la cámara climática al cuarto del evaporador. Fuente Autor.
Operación del montaje
Conecte cada una de las termocuplas a los canales de la tarjeta de adquisición, se pueden llegar a conectar hasta 16 termocuplas a dicha tarjeta, recuerde que la tierra de las termocuplas del tipo T es el alambre de Cobre – Níkel (de color plateado.)
Una vez ensamblado el montaje se procede a calentar la cámara de medición, para dicha operación conecte las resistencias a una toma de corriente de 110 voltios, (No use tomas múltiples para esta conexión ya que es muy posible que las resistencias quemen los fusibles de las tomas)
Para regular la temperatura gire los diales de los termostatos, al activarlos se oirá un clic y se encenderán los bombillos que indican que la corriente esta circulando, los diales presentan una
Para la conexión de los ventiladores, conéctelos a tomas de 110 voltios, cerciórese que se encuentran funcionando. (Cada cámara debe presentar una ligera vibración, lo cual indica que su respectivo ventilador se encuentra operando).
Operación del sistema de refrigeración.
Una vez conectado el equipo a la tarjeta de adquisición de datos y esta a un computador se procede a activar el sistema de refrigeración.
Lo primordial al activar el sistema de refrigeración es dar paso de agua al condensador, para este fin active la válvula de cortina que se encuentra sobre la caja del evaporador a la izquierda del panel eléctrico. Verifique que haya un flujo constante de agua en el evaporador para tal fin verifique que la manguera de desagüe presente una salida de agua constante y abundante.
Para dar fluido eléctrico al panel de control, primero revise que el taco principal de paso este activado, dicho taco se encuentra en el panel a la entrada a la sección de maquinas hidráulicas del laboratorio y porta una platina que dice compresor.
A continuación abra el panel de control y active los circuitos de los ventiladores (refiérase a la Figura B.5.) y del compresor.
Accione el interruptor de la parte superior derecha del panel pulsándolo hacia abajo, proceda a activar el switch del compresor que se encuentra en la parte inferior derecha del panel.
Recomendaciones.
• Verifique regularmente el flujo de agua en el desagüe, para asegurar el buen
funcionamiento del condensador. De llegar a fallar dicho flujo es posible que se queme el compresor.
• Revise los manómetros que se encuentran conectados a las tuberías del sistema de refrigeración, el manómetro de baja presión (azul) debe trabajar a unos 10 psi. Cuando el sistema lleva operando unos 15 minutos. Los manómetros de alta presión (rojos) trabajan en un rango entre 200 – 250 psi.
• Nunca toque las tuberías del sistema de refrigeración ya que pueden alcanzar los 115 °C. • Si el sistema de refrigeración lleva mucho tiempo apagado se puede abrir la puerta de la
Bibliografía
1. Incropera F. P., DeWitt D. P., “Fundamentos de transferencia de calor”, 4ta ed, Prentice Hall, 1999.
2. Raugeron, Claude. “Aislamientos acústicos y térmicos en la construcción”Editorial Técnicos Asociados S.A. Barcelona 1977
3. Perrine E. “Design and construction of a calibrated/Guarded box facility”, American Society of Heating, Refrigerating and air conditioning engineers. 1981
4. Callister, William. “Materials science & engineering an Introduction”, 5th ed, John Wiley & Sons. Inc. 2000.
