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ELABORACIÓN DE MANUALES DE LABORATORIO PARA LA VISUALIZACIÓN
DEL PONTENCIAL DE UN INTERCAMBIADOR AIRE-TIERRA EN LA FACULTAD
TECNOLÓGICA
JUAN ESTEBAN MALDONADO VALENCIA
DAVID ANTONIO CRESPO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
BOGOTÁ DC
2017
ELABORACIÓN DE MANUALES DE LABORATORIO PARA LA VISUALIZACIÓN
DEL PONTENCIAL DE UN INTERCAMBIADOR AIRE-TIERRA EN LA FACULTAD
TECNOLÓGICA
JUAN ESTEBAN MALDONADO VALENCIA
DAVID ANTONIO CRESPO
MONOGRAFÍA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
DIRECTOR:
PhD. CAMILO ANDRES ARÍAS HENAO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
BOGOTÁ DC
2017
Nota de aceptación:
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______________________________________
Firma del presidente del jurado
_____________________________________
Firma del jurado
____________________________________
Firma del jurado
BOGOTÁ DC (16/04/2018)
AGRADECIMIENTOS
Por los conocimientos y toda la guía para la elaboración de este trabajo,
agradecemos al profesor de ciencias térmicas de la universidad distrital Francisco
José de Caldas – facultad tecnológica Camilo Andrés Arias Henao, quien gracias
a su libro y saber nos fue posible realizar la idea propuesta en este proyecto.
También agradecemos a los laboratoristas del área de ciencias térmicas y del área
de eléctrica, quienes nos brindaron todo su apoyo y conocimiento cuando fue
requerido, por facilitarnos los bancos y dispositivos necesarios para el desarrollo de
nuestros laboratorios de una manera adecuada.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN 19
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 20
1.1 JUSTIFICACIÓN 21
1.2 OBJETIVOS 22
1.2.1 OBJETIVO GENERAL 22
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 22
1.3 ANTECEDENTES 23
1.3.1 EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS VARIABLES LONGITUD
Y DIÁMETRO EN UN SISTEMA EXPERIMENTAL DE INTERCAMBIO DE
CALOR TIERRA-AIRE DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE A UNA
PROFUNDIDAD DE DOS METROS 24
1.3.2 INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN REGIONES ECUATORIALES 30
1.3.3 SISTEMA DE VENTILACIÓN DE AIRE ALIMENTADO POR ENERGÍA
SOLAR 33
2 MARCO TEÓRICO 36
2.1 PROPIEDADES DE LA TUBERÍA 36
2.2 PROPIEDADES DEL AIRE 36
2.3 PROPIEDADES DEL SUELO 40
2.4 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA LOS
INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE 42
2.5 MEZCLA DE GASES IDEALES Y VAPORES 44
2.5.1 Propiedades psicrométricas. 46
2.5.1.1 Carta psicrométrica. 48
2.6 TRANSFERENCIA DE CALOR 49
2.6.1 Características del flujo y del fluido. 50
2.6.2 Transferencia de calor por convección. 52
2.6.2.1 Características de la transferencia de calor por convección. 53
2.6.2.2 Convección interna forzada. 56
2.7 ANÁLISIS TÉRMICO 57
2.7.1 Flujo constante de calor en la superficie. 59
2.7.2 Temperatura superficial constante. 60
2.8 FLUJO TURBULENTO EN TUBOS 64
2.9 COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALOR 64
2.10 POTENCIAS, VELOCIDAD DE CALOR Y RENDIMIENTOS 65
2.10.1 Rendimientos en motores eléctricos. 66
2.10.2 Rendimiento de un ventilador. 68
2.10.3 Rendimiento del intercambiador de calor tierra-aire. 70
2.10.4 Rendimiento de los paneles solares. 71
2.10.5 Rendimiento del inversor de corriente. 73
2.10.6 Rendimiento de las baterías. 73
2.10.7 Rendimiento global. 74
3 INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE (ICTA) EN LA
UNIVERSDAD DISTRITAL 74
3.1 DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES (ELEMENTOS PARA EL
FUNCIONAMIENTO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE)
75
3.1.1 Elementos pertenecientes al sistema antes de la elaboración del
presente proyecto. 75
3.1.1.1 Ubicación. 75
3.1.1.2 Tuberías de PVC (policloruro de vinilo). 78
3.1.1.3 Motores eléctricos. 78
3.1.1.4 Celdas Fotovoltaicas. 80
3.1.1.5 Regulador de carga. 80
3.1.1.6 Baterías. 81
3.1.1.7 Inversor de corriente (antes) 82
3.1.1.8 Caja de control (antes) 82
3.1.2 Mejoras realizadas a las instalaciones durante el presente proyecto. 85
3.1.2.1 Inversor de corriente (ahora). 86
3.1.2.2 Techo protector. 88
3.1.2.3 Pulsador – Interruptor doble. 90
3.1.2.4 Caja de control (ahora). 91
3.1.3 Funcionamiento de las instalaciones. 93
3.1.3.1 Tuberías enterradas. 93
3.1.3.2 Motores eléctricos. 94
3.1.3.3 Baterías. 95
3.1.3.4 Regulador de carga. 96
3.1.3.5 Celdas Fotovoltaicas. 96
3.1.3.6 Caja de control. 96
3.2 ELEMENTOS DE MEDICIÓN, SOFTWARES Y TABLAS 97
3.2.1 Datalogger Campbell Scientific CR1000. 98
3.2.2 Sensor L-107. 99
3.2.3 Sensor TP01. 100
3.2.4 Termopar Tipo K. 102
3.2.5 Termohigrómetros. 102
3.2.6 Pinzas amperimétricas. 103
3.2.7 Solarímetro. 103
3.2.8 Analizador de calidad de potencia. 104
3.2.9 Calibrador de sensores de temperatura. 106
3.2.10 Higrómetro LM-8000. 108
3.2.11 PC200W. 109
3.2.12 EES. 111
3.2.13 Carta psicrometrica. 111
4 PÁGINA WEB Y MANUALES DE PROCEDIMIENTO 113
4.1 PÁGINA WEB: ICTA (INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE)
113
4.2 LABORATORIO UNO: CÁLCULO DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL
TERRENO AL AIRE POR MEDIO DE UNA TUBERÍA PARA UN SISTEMA ICTA
114
4.3 LABORATORIO DOS: CÁLCULO DEL RENDIMIENTO GLOBAL PARA EL
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA CON LA RED ELÉCTRICA Y LA RED
FOTOVOLTAICA 116
4.4 LABORATORIO TRES: CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE SALIDA
117
4.5 LABORATORIO CUATRO: EVALUACIÓN DE LOS GASTOS E INGRESOS
DE LAS INSTALACIONES 119
5 RESULTADOS Y CONCLUSIONES 121
5.1 REGISTRO DE DATOS Y CÁLCULOS 121
5.1.1 Resultados de calibración de los termohigrometros. 121
5.1.1.1 Resultados de calibración de temperatura para los sensores de
entrada y salida. 122
5.1.1.2 Resultados de calibración para la humedad relativa. 125
5.1.2 Resultados del laboratorio número uno: para el motor de 0.18 𝑘𝑊 con
la tubería de 4 pulg. 127
5.1.3 Resultados del laboratorio número uno: para el motor de 1.5 𝑘𝑊 con la
tubería de 4 pulg. 132
5.1.4 Resultados del laboratorio número uno: para el motor de 1.5 𝑘𝑊 con la
tubería de 2 pulg. 139
5.1.5 Resultados del laboratorio número dos: para el motor de 0.18 𝑘𝑊
funcionamiento con energía solar fotovoltaica. 144
5.1.6 Resultados del laboratorio número dos: para el motor de 1.5 𝑘𝑊
funcionamiento con energía de la red eléctrica 148
5.1.7 Resultados del laboratorio número tres: para el motor de 0.18 𝑘𝑊 con
la tubería de 4 pulg. 151
5.1.8 Resultados del laboratorio número tres: para el motor de 1.5 𝑘𝑊 con la
tubería de 4 pulg. 153
5.1.9 Resultados del laboratorio número tres: para el motor de 1.5 𝑘𝑊 con la
tubería de 2 pulg. 158
5.1.10 Resultados del laboratorio número cuatro: para la tubería de 4 pulg.
161
5.2 ARTÍCULO PROPUESTO A REVISTA CIENTÍFICA 167
5.3 ANÁLISIS Y CONCLUSIONES 168
6 BIBLIOGRAFÍA 171
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Ventilador axial 26
Figura 1.2. Esquema tubería enterradas 27
Figura 1.3. Diagrama de conexión fotovoltaica 34
Figura 2.1. Expresión general para la primera ley (sistema abierto flujo estable) 43
Figura 2.2. Flujo constante de calor sobre una tubería 59
Figura 2.3. Temperatura superficial constante sobre una tubería 61
Figura 2.4. Interacciones energéticas para un volumen diferencial de fluido 62
Figura 3.1. Ubicación de las instalaciones 76
Figura 3.2. Motor eléctrico de 1.5 kW 79
Figura 3.3. Motor eléctrico de 0.18 kW 79
Figura 3.4. Regulador de carga 81
Figura 3.5. Banco de baterías 81
Figura 3.6. Contactor de potencia 83
Figura 3.7. Disyunto termomágnetico 83
Figura 3.8. Relé 84
Figura 3.9. Temporizador 84
Figura 3.10. Figura Caja de control (antes) 85
Figura 3.11. Evaluación del funcionamiento del inversor 86
Figura 3.12. Actual inversor de corriente 88
Figura 3.13. Instalaciones de la ubicación de los motores (antes) 89
Figura 3.14. Instalaciones de la ubicación de los motores (ahora) 90
Figura 3.15. Interruptor doble 91
Figura 3.16. Caja de control (ahora) 92
Figura 3.17. Ubicación de la caja control 93
Figura 3.18. Componentes eléctricos 95
Figura 3.19. Definición del sistema 97
Figura 3.20. Datalogger CR1000 98
Figura 3.21. Sensor de temperatura L-107 100
Figura 3.22. Sensor TP01 101
Figura 3.23. Termohigrómetro 102
Figura 3.24. Pinzas amperimétricas 103
Figura 3.25. Piranómetro 104
Figura 3.26. Esquema general del medidor de calidad de potencia 106
Figura 3.27. Calibrador de temperaturas 107
Figura 3.28. Termohigrómetro LM-8000 108
Figura 3.29. Calibración de los termohigrometros con ayuda del banco de
psicrometría 109
Figura 3.30. Interfaz general del PC200W 110
Figura 3.31. Carta psicrometrica para Bogotá 112
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1. Datos de diámetros y longitudes de las tuberías 27
Tabla 3.1. Propiedades del terreno de la Facultad Tecnológica 77
Tabla 3.2. Características de cada uno de los paneles solares 80
Tabla 3.3. Características del nuevo inversor 87
Tabla 5.1. Datos de calibración para el sensor uno 122
Tabla 5.2. Datos de calibración para el sensor dos 124
Tabla 5.3. Datos de humedad relativa para la calibración (%) 125
Tabla 5.4. Resultados obtenidos de las mediciones hechas con los
termohigrometros y el Datalogger (tubería de 4 pulg) 126
Tabla 5.5. Resultados obtenidos de las mediciones hechas con los
termohigrometros y el Datalogger (tubería de 2 pulg) 127
Tabla 5.6. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
127
Tabla 5.7. Propiedades del aire húmedo evaluadas a la temperatura y humedad
promedio (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg) 128
Tabla 5.8. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire 129
Tabla 5.9. Propiedades psicrometricas del aire húmedo 129
Tabla 5.10. Propiedades psicrometricas y calor (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg) 130
Tabla 5.11. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 pulg)
132
Tabla 5.12. Propiedades del aire húmedo evaluadas a la temperatura y humedad
promedio (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 pulg) 132
Tabla 5.13. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire 133
Tabla 5.14. Propiedades psicrometricas del aire húmedo 134
Tabla 5.15. Propiedades psicrometricas y calor (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 pulg)
135
Tabla 5.16. Resultados de la transferencia de calor (tubería 4 pulg) 137
Tabla 5.17. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg)
139
Tabla 5.18. Propiedades del aire húmedo evaluadas a la temperatura y humedad
promedio (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg) 139
Tabla 5.19. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire 140
Tabla 5.20. Propiedades psicrometricas del aire húmedo 140
Tabla 5.21. Propiedades psicrometricas y calor (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg) 141
Tabla 5.22. Resultados de la transferencia de calor (tubería 2 pulg) 143
Tabla 5.23. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
144
Tabla 5.24. Resultados de propiedades del acople en paralelo de los paneles
solares 145
Tabla 5.25. Valores para calcular los rendimientos para el sistema con energía solar
fotovoltaica (motor de 0.18kW) 145
Tabla 5.26. Resultados de los rendimientos para el sistema con energía solar
fotovoltaica (motor de 0.18kW) 146
Tabla 5.27. Valores para calcular los rendimientos para el sistema con energía de
la red eléctrica (motor de 1.5 kW) 148
Tabla 5.28. Resultados de los rendimientos para el sistema con energía de la red
eléctrica 149
Tabla 5.29. Resultados de los rendimientos globales 150
Tabla 5.30. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
151
Tabla 5.31. Propiedades del aire evaluadas a la temperatura de entrada (motor de
0.18 𝑘𝑊 tubería de 4 𝑝𝑢𝑙𝑔) 151
Tabla 5.32. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire evaluadas a la
temperatura de entrada (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg) 152
Tabla 5.33. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
153
Tabla 5.34. Propiedades del aire evaluadas a la temperatura de entrada (motor de
1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 𝑝𝑢𝑙𝑔) 154
Tabla 5.35. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire evaluadas a la
temperatura de entrada (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 4 pulg) 155
Tabla 5.36. Resultados de temperatura de salida (tubería 4 pulg) 156
Tabla 5.37. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg)
158
Tabla 5.38. Propiedades del aire evaluadas a la temperatura de entrada (motor de
1.5 𝑘𝑊 tubería de 2 𝑝𝑢𝑙𝑔) 158
Tabla 5.39. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire evaluadas a la
temperatura de entrada (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg) 159
Tabla 5.40. Resultados de temperatura de salida (tubería 2 pulg) 160
Tabla 5.41. Datos necesarios para el cálculo del costo de energía por hora 161
Tabla 5.42. Resultados de la trasnferencia de calor por convección 161
Tabla 5.43. Resultados de potencia de consumo para refrigeración y calefacción
162
Tabla 5.44. Costos por la potencia de consumo del sistema de refrigeración y
calefacción por parte de la tubería de 4 pulg 162
Tabla 5.45. Costos producidos por la potencia de absorción de los motores
eléctricos para la tubería de 4 pulg 163
Tabla 5.46. Costos producidos por las horas de funcionamiento de los motores
eléctricos para la tubería de 4 pulg 163
Tabla 5.47. Resultados del tiempo de recuperación para la red de energía
fotovoltaica 166
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 1.1. Número de unidades de transferencia de calor (NTU) 25
Ecuación 2.1. Densidad absoluta 37
Ecuación 2.2. Volumen específico 37
Ecuación 2.3. Viscosidad dinámica 38
Ecuación 2.4. Viscosidad cinemática 39
Ecuación 2.5. Capacidad calorífica 41
Ecuación 2.6. Difusividad térmica 41
Ecuación 2.7. Primera ley para sistemas de flujo estable (simplificación) 42
Ecuación 2.8. Entalpía por unidad de masa 42
Ecuación 2.9. Ecuación de estado para un gas ideal 45
Ecuación 2.10 Humedad relativa (∅) 46
Ecuación 2.11. Razón de humedad (ω) 47
Ecuación 2.12. Razón de humedad relacionada con la humedad relativa 47
Ecuación 2.13. Cantidad de calor que recibe o pierde el sistema de
Intercambiadores de Calor Tierra-Aire con el uso de la primera ley de la
termodinámica. 49
Ecuación 2.14. Flujo másico de aire seco 49
Ecuación 2.15. Ley de Newton del enfriamiento 52
Ecuación 2.16. Número de Prandtl 54
Ecuación 2.17. Número de Reynolds 55
2.18. Ecuación para el analisis general del ICTA 57
Ecuación 2.19. Cambio de entalpía para un gas ideal 58
Ecuación 2.20. Ecuación de conservación de la energía para flujo estacionario
dentro de un tubo 58
Ecuación 2.21 Flujo de calor 59
Ecuación 2.22. Temperatura media de salida con flujo constante de calor 60
Ecuación 2.23. Ley de Newton del enfriamiento para la transferencia de calor de un
fluido que fluye en un tubo 60
Ecuación 2.24. Temperatura media de salida con temperatura superficial constante
64
2.25. Modelo matemático para el coeficiente convectivo para un sistema de
intercambiadores de calor tierra-aire (calefacción) 65
2.26. Modelo matemático para el coeficiente convectivo para un sistema de
intercambiadores de calor tierra-aire (refrigeración) 65
Ecuación 2.27. Potencia activa 66
Ecuación 2.28. Potencia reactiva 67
Ecuación 2.29. Potencia aparente 67
Ecuación 2.30. Rendimiento de un motor eléctrico 68
Ecuación 2.31. Potencia entregada al aire o potencia del ventilador 69
Ecuación 2.32. Rendimiento del ventilador 70
2.33. Rendimiento del motoventilador 70
Ecuación 2.34. Rendimiento de refrigeración 71
Ecuación 2.35. Rendimiento de calefacción 71
Ecuación 2.36. Eficiencia del módulo solar fotovoltaico 71
Ecuación 2.37. Fill factor 72
2.38. Rendimiento global para el sistema que funciona con energía de la red
eléctrica 74
2.39. Rendimiento global para el sistema que funciona con energía solar fotovoltaica
74
LISTADO DE GRÁFICAS
Gráfica 5.1. Curva y ecuación de calibración de temperatura del sensor uno 123
Gráfica 5.2. Curva y ecuación de calibración de temperatura del sensor dos 124
Gráfica 5.3. Gráfica de calibración para la humedad relativa 126
Gráfica 5.4. Comparación de los datos de calor para la tubería de 4 pulg 137
Gráfica 5.5. Comparación de los datos de calor para la tubería de 2 pulg 143
Gráfica 5.6. Resultados de comparación de los rendimientos globales con el
funcionamiento de la red solar fotovoltaica y la red eléctrica convencional 150
Gráfica 5.7. Resultados de comparación para le temperatura de salida de la tubería
de 4 pulg 157
Gráfica 5.8. Resultados de comparación temperatura de salida para a tubería de 2
pulg 160
INTRODUCCIÓN
Los intercambiadores de calor tierra – aire (ICTA) son sistemas de
acondicionamiento pasivo, que usan la energía geotérmica de la tierra como fuente
para el intercambio de calor a generar.
Debido al método que este sistema utiliza, siendo una alternativa energética para
una necesidad humana, y contando con una instalación de estas características
dentro de la facultad tecnológica de la universidad distrital, se procede a realizar la
construcción de manuales de laboratorio, midiendo algunas variables que nos
permitan entender las características relevantes que contiene el sistema, resaltando
así su potencial y beneficio para el ser humano (tanto de forma académica como de
servicio). Estas mediciones se tienen en cuentan para la solución de otros métodos
analíticos que permite relacionar lo práctico con lo teórico.
Los laboratorios que se generaran con este sistema ayudaran a que los estudiantes
de esta facultad logren comprender y entender el funcionamiento de un sistema
novedoso y amigable con el medio ambiente, reforzando la teoría que se brinda en
el aula de clase. Los manuales se enfocan en comprender el potencial que puede
tener las instalaciones del ICTA, mediante el resultado de conceptos como:
transferencia de energía, rendimientos, análisis de temperaturas y posibles ahorros
debido al uso de energías renovables.
20
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la Facultad Tecnológica, Universidad Distrital, se encuentra funcionando un
sistema de intercambiadores de calor tierra-aire, con un montaje que permite la
impulsión del aire ambiente a los tubos, los cuales se encuentran enterrados bajo
tierra en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, de la Facultad
Tecnológica; la inyección de aire se hace a través de dos formas: conexión con
energía eléctrica, conexión con energía fotovoltaica; los elementos que se conectan
son dos motores eléctricos, que producen el movimiento de unos ventiladores y que
ocasionan la impulsión del aire llegando a la sala de software del bloque 4. La
necesidad se fundamenta en que a partir de este montaje se pueden establecer
varios laboratorios que permitan analizar algunas variables a la entrada y salida del
sistema, como temperaturas, humedades relativas, entradas de potencias en forma
de trabajo, entre otras variable;, pero aún no existe una metodología para establecer
dichas instalaciones experimentales y, además, que puedan llevar a la
demostración de la efectividad del sistema. Se pretende entonces, continuar con las
líneas de investigación que se han venido realizando desde el año 2006 a este
sistema de acondicionamiento pasivo (desde su instalación hasta sus mejoras), que
intenta apoyar nuevas alternativas de energía, amigables al medio ambiente.
Por ello, es necesaria la creación de manuales que permitan establecer una
metodología para el montaje de mínimo 4 laboratorios, que evalúen el posible
potencial presente en las instalaciones del sistema de acondicionamiento pasivo
como el ICTA (Intercambiadores de Calor Tierra-Aire); promoviendo así el uso de
energías alternativas. Que para el caso, se presentan dos tipos: Energía solar
fotovoltaica y energía geotérmica.
21
1.1 JUSTIFICACIÓN
Debido al intenso cambio climático es necesario el uso de sistemas de
acondicionamiento para el confort de las personas que trabajan o viven en un recinto
cerrado, que en verano tienen que soportar temperaturas elevadas, o en invierno
temperaturas muy bajas. Generalmente se usan sistemas de alto consumo
energético, conectados a través de la red eléctrica, y que se usan actualmente en
lugares que antes no era necesario acondicionar, como países de la zona ecuatorial
que no presentan estaciones climáticas.
El trabajo podrá incentivar el uso de sistemas de acondicionamiento pasivo, que
intentan disminuir el gasto descomunal en energía debido al confort térmico de
cualquier recinto, y que genera costos elevados; además, que podrá tenerse un
medio de comparación de una instalación que se pretenda realizar, con la que se
encuentra en la Facultad.
El presente proyecto permitirá que las personas que no tengan un claro
conocimiento, o que no sepan absolutamente nada, acerca de sistemas de
refrigeración y calefacción, por medio de intercambiadores de calor tierra-aire,
puedan observar mediante un trabajo metodológico, la evaluación por medio de
análisis termodinámicos, de transferencia de calor y temas de eficiencia, que tienen
dichos montajes o sistemas, verificando su impacto ambiental y económico; y
entendiendo de una forma menos engorrosa la evaluación que se hace a dicho
sistema.
Los resultados podrán ser revisados para ver la efectividad y promover el uso de
estos sistemas, que son, en muchos lugares, a nivel nacional, necesarios para la
comodidad de las personas; pero que a la vez será una opción amigable a nuestro
entorno. Además, que el uso de sistemas ICTA está intentando establecerse como
una tecnología efectiva para sistemas de acondicionamiento, pero es hasta hace un
22
par de décadas que empieza a considerarse como una línea de investigación que
solucione los problemas de confort, y de cuidado de nuestro entorno, y que
solamente se había considerado hasta hace pocos años de uso efectivo en zonas
sin estaciones climáticas; el trabajo que se realizara permitirá complementar la
investigación acerca de estos sistemas en zonas ecuatoriales, que debido al cambio
climático también necesitan acondicionar algún recinto.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Visualizar el potencial del Intercambiador de Calor Tierra-Aire ubicado en la
Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital mediante la generación de
manuales de laboratorio de procedimientos.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar las variables a medir definiendo las teorías relacionadas al ICTA
(Intercambiadores de Calor Tierra-Aire).
Construir por lo menos cuatro prácticas de laboratorio basadas en el marco
teórico establecido.
Determinar los instrumentos necesarios para el desarrollo de los laboratorios
en la toma de datos.
Adaptar el sistema ICTA para un óptimo desarrollo de los laboratorios a
realizar en el sistema.
Desarrollar pruebas procedimentales a los laboratorios construidos con base
en lo establecido teóricamente.
23
Visualizar las interacciones energéticas con las variables mediante la
definición de los sistemas termodinámicos a demostrar.
Adecuar el espacio donde se encuentra el sistema, que permita el cuidado
de la instalación y de las mejoras que se hagan.
Socializar los resultados más importantes del trabajo mediante la
construcción de un artículo científico.
1.3 ANTECEDENTES
En esta sección se muestran las investigaciones, proyectos y trabajos de grado que
se relacionan con el objetivo general, y los objetivos específicos, de la presente
investigación, esto para ubicar al lector desde que punto se empieza a abordar la
24
problemática, y que había antes, de la solución de la misma; también sirve para
evidenciar las mejoras que se realizaron en el presente proyecto.
1.3.1 EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS VARIABLES LONGITUD Y
DIÁMETRO EN UN SISTEMA EXPERIMENTAL DE INTERCAMBIO DE
CALOR TIERRA-AIRE DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE A UNA
PROFUNDIDAD DE DOS METROS
Se realiza una investigación en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas,
Facultad Tecnológica, realizada por un integrante del grupo de investigación
GIEAUD, quien le da el nombre de: “EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS
VARIABLES LONGITUD Y DIÁMETRO EN UN SISTEMA EXPERIMENTAL DE
INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA-AIRE DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE A
UNA PROFUNDIDAD DE DOS METROS” el autor del proyecto es: Julián Leonardo
Jiménez Salamanca aspirante al título de Ingeniero Mecánico. El trabajo se realiza
con la intención de instalar un sistema de Intercambiadores de Calor Tierra-Aire, en
una de las zonas ecuatoriales, en Colombia, Bogotá D.C. Exactamente en la
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica.
La idea, en general, consiste en la instalación de un sistema de acondicionamiento
que aproveche la capacidad térmica del subsuelo para calentar o refrigerar un salón
de clase, promoviendo un sistema que tiene un impacto ambiental positivo. Se
instalan entonces tres tuberías que son de diferentes diámetros y longitud para
evaluar la influencia que tienen sobre la transferencia de calor, y los cambios de
temperatura.
El modelo matemático importante en este trabajo es el 𝑁𝑇𝑈, que servirá para
encontrar las dimensiones de longitudes y áreas. El 𝑁𝑇𝑈 recibe el nombre de:
Number of transfer Units, que se traduce como: número de unidades de
transferencia de calor; es un parámetro adimensional que da a conocer la
efectividad de los sistemas de transferencia de calor. Para 𝑁𝑇𝑈 > 5 la temperatura
25
media de salida (𝑇𝑒) se vuelve aproximadamente igual a la temperatura de la
superficie de la tubería (𝑇𝑠). Para un 𝑁𝑇𝑈 que está alrededor de 5, esto es un
indicativo de que se llega al límite de la temperatura media de salida (límite máximo),
ya que la temperatura media de salida puede ser igual pero no mayor que la
temperatura de la superficie de la tubería, en caso de calefacción, y para la
refrigeración no deberá ser menor. El autor del trabajo selecciona un 𝑁𝑇𝑈 = 2, con
el argumento de que a partir de este valor la efectividad de operación es constante
(efectividad de transferencia de calor). Su relación es la siguiente:
Ecuación 1.1. Número de unidades de transferencia de calor (NTU)
𝑁𝑇𝑈 =ℎ𝐴𝑠
�̇�𝑐𝑝
Ahora se procede a elegir el material a utilizar, para la tubería que va estar enterrada
en el subsuelo, Julián Jiménez1 dice: que las características deberán ser; un
material que sea de fácil acceso a la población de todos los niveles, que se
encuentre con facilidad y que no tenga costos elevados, que se cumplan las
características de transferencia de calor es decir, que el material a elegir deberá
permitir una adecuada trasferencia de calor. Con esto, el material que se considera
acto será el PVC (policloruro de vinilo).
1 JÍMENEZ SALAMANCA, Julian Leonardo. Evaluación de la influencia de las variables longitud
y diámetro en un sistema experimental de intercambio de calor tierra-aire de
acondicionamiento. Trabajo de grado Ingeniero Mecánico. Bogotá D.C. Universidad Distrital
Francisco José de Caldas. Facultad Tecnológica, 2009. p
26
Lo que sigue, para efectos del cálculo, es elegir 3 dimensiones diferentes de
diámetros; que son de 25.4mm, 50.8mm, 101.6mm. Que se denominan valor
mínimo, medio y máximo.
En el tiempo que se hizo dicha construcción, se colocó en el montaje un ventilador
de tipo axial, la figura 4.1 muestra un tipo de este ventilador. Las características del
ventilador adaptado son las siguientes:
Caudal: 0,37m3/s
Velocidad angular: 1750 RPM
Intensidad: 0.6 mA
Tensión: 110 V
Diámetro: 203.2 mm
Figura 1.1. Ventilador axial
Fuente Archiexpo. Xpelair
Al final se usan los diámetros que se tomaron en cuenta y usando la Ecuación 1.1,
se encuentran los datos de longitudes de las tuberías con sus respectivos
diámetros, la tabla 1.1 muestra los resultados obtenidos.
27
Tabla 1.1. Datos de diámetros y longitudes de las tuberías
Diámetros
Nominales
Longitudes
0,127m (101.6mm) 23.877m
0.0508m (50.8mm) 11.938m
0.0254m (25.4mm) 6.843m
Fuente JÍMENEZ SALAMANCA, Julián Leonardo. Evaluación de la influencia de
las variables longitud y diámetro en un sistema experimental de intercambio de
calor tierra-aire de acondicionamiento de aire a una profundidad de dos metros.
A continuación se muestra un esquema que permite visualizar las tuberías
enterradas.
Figura 1.2. Esquema tubería enterradas
28
Fuente JÍMENEZ SALAMANCA, Julián Leonardo. Evaluación de la influencia de
las variables longitud y diámetro en un sistema experimental de intercambio de
calor tierra-aire de acondicionamiento de aire a una profundidad de dos metros.
Para conocer detalladamente la elaboración de los cálculos se deberá consultar la
referencia 1, que también aparece en la bibliografía del presente trabajo.
Conociendo las longitudes de la tubería se tiene una claridad de las dimensiones de
la excavación a realizar, y se hace con las siguientes dimensiones:
Largo: 5.5m
Ancho: 1m
Profundidad: 2m
29
Luego de la excavación se procede a realizar la instalación de los tubos de forma
horizontal y en serpentín, se introduce la tubería de denominación máxima,
colocando 5 líneas ubicando la última a 1.8m utilizando 10 codos, y se vuelve a
colocar la capa de tierra. Se determina que a los 2m se encuentra una capa de
arcilla, con rango de conductividad térmica: 𝑘 = 0.7 − 0.8 (𝑤
𝑚).
Luego se ubica la tubería de denominación media en forma de serpentín, ubicando
3 líneas y utilizando 6 codos, a una profundidad de 1.8m y se coloca la capa de
tierra. Finalmente, se ubica la tubería de diámetro mínimo, a una profundidad de
1.6m ubicando tres líneas e incorporando 6 codos. Nuevamente se coloca la capa
de tierra. A estas profundidades todavía se encuentra arcilla. En cada instalación se
usa un tubo conduit para mediciones futuras de cambios de temperatura en cada
tubería.
Se registran los datos de temperatura en dos tipos de Datalogger uno construido
por los estudiantes de la Facultad Tecnológica del programa de Tecnología
Electrónica, y un datalogger de referencia: Datalogger Campbell CR1000, este
último mucho más versátil para la obtención de los datos. Las mediciones que se
consiguen son de la temperatura ambiente y humedad relativa; junto con unos
termopares tipo k uno para bulbo seco y otro para bulbo húmedo, y con el multímetro
digital se encuentran estas variables que son propiedades psicométricas de gran
utilidad. Los registros se hacen durante 3 meses. El autor concluye luego del
comportamiento de las temperaturas, de entrada y salida, que el sistema óptimo es
aquel que funciona con la tubería de categoría media es decir la de 50.8mm de
diámetro.
30
1.3.2 INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN REGIONES ECUATORIALES
El Ingeniero Mecánico y magister en Ingeniería Mecánica de la Universidad de los
Andes Camilo Andrés Arias Henao, además, especialista en Eficiencia de la
Edificación de la Universidad de Sevilla; finaliza sus estudios de doctorado en
Ingeniería Energética de la Universidad de Sevilla, España, con el trabajo que recibe
el nombre de “INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN REGIONES ECUATORIALES”, trabajando
con el docente catedrático de Ingeniería Energética y Mecánica de Fluidos de la
Universidad de Sevilla, España, Servando Álvarez Domínguez. El trabajo consiste
en demostrar que si es posible establecer sistemas de acondicionamiento pasivo en
zonas ecuatoriales, en donde la temperatura promedio anual permanece constante,
y en donde no hay presencia de estaciones climáticas.
Establecen 5 diferentes profundidades 0m, 0.5m, 1m, 2m, 2.5m, y se procede a
encontrar las temperaturas para cada lugar a las profundidades indicadas a través
del software Trnsys, luego se aplican los modelos analíticos matemáticos
propuestos por los Ingenieros, los cuales no se profundizan en el presente texto,
pero se deja la referencia para consulta del lector, solamente se va citar un modelo
matemático propuestos por Arias y Álvarez, el cual aparece en el marco teórico. El
objetivo de los modelos es obtener temperaturas mínimas y máximas, y la amplitud
de temperatura, entre otros resultados, que permitan la comparación de los 6 climas
en zonas ecuatoriales y los dos climas en zonas de altitud elevada. Con el modelo
que se mencionó, anteriormente, concluyen que un equilibrio de temperatura
sucede a los dos metros de profundidad.
Después, los autores usan un modelo matemático, de mayor asertividad en el tema
tratado, comparando las temperaturas a diferentes profundidades, este último
modelo recibe el nombre de análisis por diferencias finitas, del cual se concluye que
31
es un método capaz de predecir mejor las variaciones de las temperaturas. Con
esto, nuevamente analizan la variación de temperatura, tiempo transcurrido del
análisis, y profundidad, y se obtienen las gráficas para cada profundidad, y, otra
vez, aparece una mayor estabilidad de la temperatura respecto al tiempo, a la
distancia de dos metros.
Después de lo anterior, los autores utilizan otro modelo, modelo termo-hidráulico,
en donde se definen algunas ecuaciones necesarias para el análisis térmico del
sistema, como la efectividad del Intercambiador de Calor Tierra-Aire y el valor del
NTU el cual se define en la Ecuación 1.1. Finalmente, sigue el tema más interesante
del libro que es el modelo de simulación en estado transitorio aplicado en Trnsys.
El modelo que se propone para usar en el software propuesto por Arias y Álvarez2
que dicen: es un modelo matemático, basado en un balance de energías y masa
para cada elemento a lo largo de la tubería. También explican, que por medio de
este análisis hay una mayor precisión ya que tiene en cuenta la transferencia de
calor por diferencia de temperatura entre el aire y el tubo y, además, el calor
transferido por condensación o evaporación del aguan contenida en el aire.
Se procede, entonces, a realizar la simulación de 31 departamentos de Colombia,
esto porque las variaciones de temperatura de un lugar a otro tienen una gran
() Trnsys es un entorno basado en gráficos flexibles utilizado para simular el comportamiento de sistemas transitorios. 2 HENAO, Camilo Andres y DOMÍNGUEZ, Servando. Intercambiadores de calor tierra-aire
para acondicionamiento de aire en regiones ecuatoriales. Trabajo de grado Doctor en Ingenería
Eléctrica. Sevilla: Universidad de Sevilla España. Departamento de Ingeniería Energética y Mecánica
de Fluidos, 2015. .307 p.
32
diferencia debido a la geografía del país. Cada departamento tiene un número de
municipios, se realizara el análisis a algunos de los municipios de cada
departamento, en total son 1115 municipios, los cuales se enlistan mediante una
tabla; y se construye un mapa vectorial para tener idea de los diferentes tipos de
temperatura en Colombia, que mediante colores da a entender los cambios de
temperatura, y se hace, esto, a lo largo de un año, mes a mes.
Luego, se obtienen los resultados de la simulación especificando la potencia de
refrigeración y la potencia de calefacción, para cada municipio de cada
departamento; cada municipio tiene los resultados a lo largo de un año, mes a mes.
Se consiguen resultados interesantes y de fácil interpretación mediante el uso de
mapas vectoriales, y gráficas de tipo columna. Finalmente, se sacan las respectivas
conclusiones elaborando, nuevamente, gráficas de tipo columna para dar a
entender el promedio de potencias de refrigeración y calefacción para cada
departamento a lo largo de un año.
Después, los autores exponen un modelo simplificado que se ajusta a la teoría de
la transferencia de calor, pero que incluye los análisis hechos a lo largo del trabajo
realizado por los autores. Arias y Álvarez3 elaboran algunas aproximaciones para el
modelo simplificado; explican que: no se tiene en cuenta el calor latente, el cual es
pequeño comparado con el calor sensible; la temperatura del suelo en el lugar de
la instalación se supone constante por medio de la extensión de la tubería; y la
3 Ibíd., 307 p.
() Cuando se agrega calor a una sustancia, su presión y temperatura son constantes, y se provoca un cambio de estado; a lo anterior se le conoce como calor latente. () Cuando se agrega calor a una sustancia y su temperatura cambia, se le conoce como calor sensible.
33
temperatura de la superficie del tubo es igual a la temperatura del terreno; lo
anterior, se tiene en cuenta para la solución de los laboratorios.
En general, lo tratado en esta sección es lo que se expone en el libro
Intercambiadores de Calor Tierra-Aire para Acondicionamiento de aire en regiones
ecuatoriales, y mucho de lo discutido, en esta parte, se ha formulado de manera
práctica en el sistema que abarca el presente proyecto.
1.3.3 SISTEMA DE VENTILACIÓN DE AIRE ALIMENTADO POR ENERGÍA
SOLAR
El autor Luis Ángel Vargas Martínez, quien escribe la monografía: “SISTEMA DE
VENTILACIÓN DE AIRE ALIMENTADO POR ENERGÍA SOLAR”. Finaliza con este
trabajo sus estudios de Ingeniería Mecánica, en la Universidad Distrital Francisco
José de Calda, Facultad Tecnológica, el trabajo fue presentado en el año 2016. El
objetivo general del proyecto es reducir el consumo de energía eléctrica que se
genera al momento de que el sistema de Intercambiadores de Calor Tierra-Aire
(ICTA) se encuentra en funcionamiento.
Vargas Martínez4 explica que el motor que funciona con energía de la red eléctrica,
es un elemento que se seleccionó sin ningún criterio por ello, Luis Angel propone la
elección de un motor que cumpla con las renovaciones de aire del recinto que se
pretende acondicionar y que, además, funcione con energía solar fotovoltaica. Este
se configura en paralelo con el motor inicial. Él toma un tiempo de uso diario del
sistema que se divide en dos partes, unas horas funciona el motor que estaba
primero y las horas restantes el motor que selecciona Luis Vargas. Para cumplir con
4 VARGAS MARTINEZ, Luis Angel. Sistema de ventilación de aire alimentado por energía solar. Trabajo de grado Ingeniero Mecánico. Bogotá D.C.: Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Facultad Tecnológica, 2016. 63 p.
34
lo anterior el autor construye una caja control que hace los cambios de
funcionamiento de cada motor.
En el trabajo escrito el autor explica cada proceso de selección e instalación de los
objetos; los principales son: paneles solares, banco de baterías, inversor de
corriente, regulador de carga, motor, ventilador y caja de control. Para elegir las
características adecuadas de cada uno de los elementos Luis Angel Vargas utiliza
diferentes relaciones matemáticas que le permiten conocer las propiedades
necesarias para el respectivo análisis de selección. Luego, se planea como queda
la conexión fotovoltaica, la figura 1.2 muestra un diagrama de la conexión.
Figura 1.3. Diagrama de conexión fotovoltaica
Fuente. VARGAS MARTINEZ, Luis Angel. Sistema de ventilación de aire
alimentado por energía solar.
35
Para predecir el comportamiento de las instalaciones fotovoltaicas Luis hace un
análisis usando el software Trnsys, obteniendo las gráficas, que muestran el
comportamiento de potencias, corrientes y voltajes de los paneles solares, baterías
e inversor de corriente. Finalmente, se procede a hacer las instalaciones de los
elementos, al mismo tiempo que se realizan las mejoras, ya que antes de la
construcción de este proyecto, el lugar presentaba un grado alto de deterioro.
36
2 MARCO TEÓRICO
En este capítulo se muestra la teoría utilizada para comprender adecuadamente los
componentes de la instalación y sus propiedades, y por medio de métodos analíticos
lograr una interpretación adecuada de los resultados de las variables que son de
mayor interés para identificar el potencial del montaje. Toda la teoría que se
especifica en este capítulo es necesaria y, además, completa para entender el
planteamiento de los laboratorios y su solución.
2.1 PROPIEDADES DE LA TUBERÍA
La tubería de trabajo tiene una sección transversal en forma de circunferencia. Las
tuberías se especifican por medio de un diámetro nominal, que no señala el
diámetro interno del tubo; en los cálculos que se deben hacer, en la ejecución de
los manuales, es necesario tener presente el diámetro interno es por ello que se
debe medir, sin tomar en cuenta el llamado diámetro nominal.
Otra especificación que se hace en las tuberías es la cédula de la tubería, que indica
el espesor de pared, en muchos ejercicios de hidrodinámica es un dato que se tiene
presente, pero para el trabajo que se va a realizar no se necesita. El material de la
tubería es de PVC.
2.2 PROPIEDADES DEL AIRE
37
Los fluidos se dividen en dos tipos líquidos y gases, el primero se considera una
sustancia incompresible, el segundo es una sustancia que se puede comprimir. Los
líquidos se adecuan a la forma de algún recipiente que los contenga, pero oponen
resistencia al cambio de volumen; los gases se adecuan en forma al recipiente que
los contenga y no oponen ninguna resistencia al cambio de volumen.
En el presente trabajo la sustancia a analizar es un gas (aire atmosférico) y es
importante tener presente algunas propiedades de los gases que se especifican a
continuación:
Densidad. Mencionada en algunos textos como densidad específica y
absoluta; su definición es masa por unida de volumen. La densidad es
un valor que se va utilizar para encontrar la diferencia de presiones entre
la línea de tubería, y para hallar el número de Reynolds.
Ecuación 2.1. Densidad absoluta
𝜌 =𝑚
𝑉
Volumen específico. El volumen específico es el reciproco de la
densidad absoluta, volumen por unidad de masa. Es un dato útil para
relacionar algunas propiedades psicrometricas.
Ecuación 2.2. Volumen específico
𝑣 =𝑉
𝑚=
1
𝜌
38
Viscosidad dinámica. Entre las moléculas de los fluidos existen fuerzas
moleculares, llamadas fuerzas de cohesión; en el movimiento unas
moléculas se desplazan con respecto a las otras y esto produce una
fricción. El coeficiente de fricción interna se conoce como viscosidad (𝜇).
Ecuación 2.3. Viscosidad dinámica
𝜏 = 𝜇𝑑𝑉
𝑑𝑦
Donde:
𝜏: Esfuerzo unitario cortante
𝜇: Viscosidad dinámica
𝑑𝑉: Cambio diferencial de velocidad
𝑑𝑦: cambio diferencial de altura (separación entre una placa móvil y placa
fija, es una variable de la demostración para obtener la viscosidad
dinámica)
La forma de la ecuación 3.3 tiene complicaciones, las cuales se evitan
conociendo datos que son independientes; para el caso del aire
atmosférico es posible conocer su viscosidad dinámica sabiendo los
valores de presión, temperatura y humedad relativa; en el capítulo 3 se
menciona el software EES (Enginneering Equation Solver) que se utiliza
para dicho caso.
Es importante conocer su definición porque es uno de los valores que
intervienen en el momento de la realización de la transferencia de calor,
Para mayor detalle se aconseja revisar el texto: Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, de Claudio Mataix; páginas 20-24. Se aclara a detalle la ecuación 3.3. Es infortunado que se represente 𝑉 para el volumen y para la velocidad, solo en esta parte del texto se hablara del volumen, en las siguientes páginas si se mencionara varias veces la velocidad; los autores esperan que las personas que revisen el presente texto no tenga alguna confusión con esto.
39
además que permite conocer el valor de la viscosidad cinemática que se
explica a continuación.
Viscosidad cinemática. En la teoría de la hidrodinámica además de
intervenir las fuerzas viscosas, también lo hacen las fuerzas de inercia,
las cuales dependen de la densidad, en el caso de los fluidos. La
viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad dinámica y la
densidad absoluta. La viscosidad cinemática se utiliza para relacionarla
con el número de Reynolds.
Ecuación 2.4. Viscosidad cinemática
𝜗 =𝜇
𝜌
Igual que la viscosidad dinámica, la viscosidad cinemática también depende
de la presión y la temperatura. Cuando se obtenga el dato de viscosidad
dinámica, se divide por la densidad, para obtener la viscosidad cinemática.
Como se observa, ambas viscosidades no solamente dependen de las
variables que aparecen en las ecuaciones, sino de otras propiedades; esto
se verifica con el uso del solucionador de ecuaciones EES.
Calor específico a presión constante (𝑐𝑝). Es la energía requerida para
elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una
sustancia, mientras que la presión se mantiene constante.
40
Calor específico a volumen constante (𝑐𝑣). Es la energía requerida para
elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una
sustancia, mientras que el volumen se mantiene constante.
Los calores específicos son una representación de la capacidad que tiene
un material o una sustancia de almacenar energía. Los calores específicos
se usan para poder resolver una de las variables de importancia (el calor
transferido al aire o “retirado” del mismo). Esta propiedad aparece en una de
las formas de la primera ley de la termodinámica.
2.3 PROPIEDADES DEL SUELO
En los antecedentes, se observó, y en el capítulo 3 se verá, que hace una
descripción del sistema, que el terreno es el que entrega energía al aire que pasa
por las tuberías o el que recibe energía del aire en forma de calor; por ello, es
importante conocer las propiedades térmicas del suelo, y se explican a continuación:
Conductividad térmica. La conductividad térmica es una medida, de un
material o de una sustancia, que indica la capacidad para conducir calor. Un
valor elevado de conductividad térmica indica que la sustancia o materia es
un buen conductor de calor, un valor bajo de conductividad térmica indica
que la sustancia o material es un mal conductor de calor, o un aislante. Su
descripción matemática se identifica por medio de la ley de Fourier de
conducción de calor. Depende, principalmente, del área seccional
perpendicular a la transferencia de calor, y la diferencia de temperatura que
hay a través del espesor, que cubre la dirección de la transferencia de calor,
bien sea de una sustancia o material. La conductividad térmica del suelo se
obtiene con el uso del instrumento: Datalogger CR1000. El otro valor de
conductividad térmica es el del aire el cual se obtiene con el EES y se utiliza
para encontrar el coeficiente convectivo de transferencia de calor.
41
Capacidad calorífica. Representa la capacidad de almacenamiento de calor
de un material o sustancia. Igual que los calores específicos; mientras que la
capacidad calorífica es expresada por unidad de volumen, el calor específico
se expresa por unidad de masa. Su relación es el producto del calor
específico a presión constante por la densidad absoluta. El dato se obtiene
utilizando el Datalogger CR1000, es un elemento que se expone en el
capítulo 3. Es importante conocer la definición de esta propiedad, ya que es
un dato que permite la interpretación de las características del terreno que
propician una adecuada transferencia de calor.
Ecuación 2.5. Capacidad calorífica
𝐶 = 𝜌𝑐𝑝
Difusividad térmica. La difusividad térmica representa que tan rápido se
difunde el calor por una sustancia o material, y es la relación entre la
conductividad térmica y la capacidad calorífica. La velocidad con que se
difunde el calor es una propiedad del terreno que permite caracterizar la
efectividad de transferencia de calor. Nuevamente es un dato que se mide
con el Datalogger.
Ecuación 2.6. Difusividad térmica
𝛼 =𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜
𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜=
𝑘
𝜌𝑐𝑝
42
2.4 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA LOS
INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE
En general es de mayor frecuencia encontrar sistemas termodinámicos abiertos, el
sistema que se analiza es de esta categoría. Así que se expone la primera ley para
sistemas abiertos:
Ecuación 2.7. Primera ley para sistemas de flujo estable (simplificación)
�̇� − 𝑊 ̇ = �̇� (ℎ𝑒 +𝑉𝑒
2
2+ 𝑔𝑧𝑒) − �̇� (ℎ𝑖 +
𝑉𝑖2
2+ 𝑔𝑧𝑖)
Donde:
�̇�: es la velocidad de transferencia de calor
𝑊 ̇ : es la velocidad con que se realiza trabajo
𝑉𝑖, 𝑉𝑒: son las velocidades de entrada y salida respectivamente
𝑧𝑖, 𝑧𝑒: son las posiciones respecto a un plano de referencia, de las entradas y
salidas respectivamente.
𝑔: gravedad
ℎ𝑖 , ℎ𝑒: entalpía por unidad de masa, de entrada y salida respectivamente.
Una ecuación importante, que se presenta en los cálculos, es la que define una
propiedad conocida como entalpía y se observa en la ecuación 2.8, es una relación
que aparece en la primera ley de la termodinámica.
Ecuación 2.8. Entalpía por unidad de masa
ℎ = 𝑢 + 𝑝𝑣
43
Donde:
ℎ: entalpía por unidad de masa
𝑢: energía interna
𝑝: presión
𝑣: volumen específico
La ecuación 2.7 es la que se va usar para el análisis de nuestro sistema, es la forma
general, ya que dependiendo de la interpretación que se dé al análisis, algunas
propiedades o variables pueden ser canceladas, o de valor nulo. La expresión indica
la conservación de la energía, que explica en que se convierte cierto tipo de energía.
El balance se evidencia en la figura 1, donde una cantidad de energía de salida se
resta con una cantidad de energía de entrada.
Figura 2.1. Expresión general para la primera ley (sistema abierto flujo estable)
44
= _
Fuente J.B Jones, R.E Dugan. Ingeniería Termodinámica
2.5 MEZCLA DE GASES IDEALES Y VAPORES
El fluido que se estudia como sistema es una mezcla gas-vapor, y una de las
mezclas de mayor importancia en ingeniería, que es el aire atmosférico.
Cuando se habla de este tipo de mezclas las temperaturas son relativamente bajas
y la presión parcial del vapor de agua es en esencia baja, entonces, el vapor, se
puede analizar como un gas ideal, y se cumple lo siguiente:
Se cumple la ecuación de estado; la ecuación para los gases, es una relación
que se usara para encontrar el volumen específico del aire seco, valor
necesario para encontrar el calor transferido al aire, o retirado del mismo.
Aunque se puede encontrar de forma rápida y sencilla con el EES.
() Se llama vapor a un gas a temperatura más baja que su temperatura crítica. () El aire seco es una de las sustancias puras que forma parte del aire atmosférico.
Cantidad neta de
energía añadida al
sistema como calor
y cualquier forma de
trabajo.
Energía
almacenada
de materia
que sale del
sistema
Energía
almacenada
de materia
que entra al
sistema
45
Ecuación 2.9. Ecuación de estado para un gas ideal
𝑝𝑣 = 𝑅𝑇
Donde:
𝑝: presión parcial de la sustancia
𝑣: volumen específico de la sustancia
𝑅: constante de la sustancia
𝑇: temperatura de la sustancia
La entalpia será función de la temperatura.
El vapor se comporta como si existiera a su presión parcial y temperatura de
la mezcla.
Para el análisis de la mezcla, ya mencionada, se usa el modelo de Dalton que dicta:
“la presión de una mezcla de gases ideales es igual a la suma de las presiones de
sus componentes, si cada uno existe solo a la temperatura y volumen de la mezcla”5.
5 Dugan, J. J. y JONES J.B. La primera ley de la termodinámica. En: Ingeniería termodinámica.
1 ed. Traducido al español en Méxco: Prentice-Hall. 1997. p. 492.
46
2.5.1 Propiedades psicrométricas.
En el estudio de la mezcla aire seco-vapor o mezcla de aire atmosférico, se resaltan
propiedades que distinguen la composición del aire atmosférico. Se enlistan a
continuación dichas propiedades:
Humedad relativa: “se define como la razón de la presión parcial del vapor
en la mezcla a la presión de saturación del vapor a la temperatura de la
mezcla”6. La humedad relativa es un valor de suma importancia, ya que, junto
con la presión y la temperatura, se obtienen los valores de: densidad,
viscosidad, calor específico, etcétera. Aunque la ecuación muestra la relación
matemática, este dato se consigue por medio de un instrumento de medición,
conocido como termohigrómetro.
Ecuación 2.10 Humedad relativa (∅)
∅ =𝑝𝑣
𝑝𝑔
Razón de humedad: “se define como la razón de la masa del vapor en aire
atmosférico a la masa de aire seco”7. va ser un valor que se use en el cálculo
6 Ibíd., p. 511.
7 Ibíd., p. 512.
47
de la cantidad de calor transferida (del terreno al aire, o del aire al terreno
dependido el caso).
Ecuación 2.11. Razón de humedad (𝜔)
𝜔 =𝑚𝑣
𝑚𝑎
La ecuación 2.11 es una relación que nos permite visualizar la definición de
la razón de humedad pero para el análisis que se propone se usa la ecuación
2.12.
Ecuación 2.12. Razón de humedad relacionada con la humedad relativa
𝜔 =𝑣𝑎𝑠
𝑣𝑔∅
Temperatura de bulbo seco. Es la temperatura de la mezcla, es decir la
temperatura del aire atmosférico.
Temperatura del punto de rocío. Este tipo de temperatura en la mezcla aire-
vapor se define como la temperatura de saturación a la presión parcial del
vapor presente en el aire atmosférico.
Temperatura de saturación adiabática. Es la temperatura que resulta de
evaporar adiabáticamente agua en el aire atmosférico hasta que se satura.
() Saturación adiabática: es un proceso por el cual se evapora agua hasta que el aire atmosférico se satura, la evaporación ocurre sin pérdida o ganancia de calor.
48
Temperatura de bulbo húmedo. Es la medida de temperatura, de una mezcla
aire seco-vapor, con un termómetro que en su parte inferior tiene una gasa
humedad, la lectura es la temperatura de bulbo húmedo.
Es de gran importancia tener clara las anteriores propiedades, ya que son valores
que aparecen en la carta psicrometrica, cuya gráfica deberá obtenerse para el lugar
en donde se está haciendo el análisis. A continuación, se hace la explicación de la
misma.
2.5.1.1 Carta psicrométrica.
“Es una gráfica de las propiedades de las mezclas de aire y vapor de agua a una
presión total fija de la mezcla. La carta está basada por lo general en una presión
de una atmósfera; sin embargo, existen cartas para otras presiones barométricas”8.
La carta permite visualizar de forma rápida las variables presentes en el cálculo de
la cantidad de calor transferido del aire al terreno o viceversa para finalmente,
resolver las relaciones mostradas anteriormente y organizar una ecuación que
permitirá obtener el calor transferido por medio de la primera ley termodinámica.
Como se mencionó anteriormente la ecuación 2.7 es una ecuación general, pero
debe realizarse las simplificaciones correspondientes para el análisis que se
propone en el presente trabajo, la ecuación que nos permite conocer la cantidad
calor por unidad de kg de aire seco es como se muestra a continuación:
8 Dugan, J. J. y JONES J.B. La primera ley de la termodinámica. En: Ingeniería termodinámica. 1 ed. Traducido al español en Méxco: Prentice-Hall. 1997. p. 492.
49
Ecuación 2.13. Cantidad de calor que recibe o pierde el sistema de Intercambiadores de Calor Tierra-Aire con el uso de la primera ley de la
termodinámica.
𝑞 = 𝑐𝑝𝑎𝑠(𝑇𝑚2 − 𝑇𝑚1) + 𝜔2ℎ𝑔2 − 𝜔1ℎ𝑔1
Las especificaciones de cómo llegar a la ecuación 2.13 se muestra en laboratorio
número uno, el cual aparece en el apéndice. Como se obtiene una cantidad de calor
por unidad de masa, este valor debe modificarse para obtener una velocidad de
transferencia de calor; para ello se debe multiplicar por el flujo de masa de aire seco
la ecuación para obtener el flujo de masa de aire seco es como se muestra a
continuación:
Ecuación 2.14. Flujo másico de aire seco
�̇�𝑎𝑠 = �̇�𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙/(1 + 𝜔)
2.6 TRANSFERENCIA DE CALOR
La cantidad de calor necesaria para cumplir con el principio de conservación de
energía, que es básicamente lo que dicta la primera ley de la termodinámica, es
propio de un análisis termodinámico, pero la transferencia de calor analiza la
velocidad con que ocurre dicha trasferencia (transferencia de energía térmica) y
como se presenta este tipo de energía (calor) cuando hay una diferencia de
temperaturas. El calor se puede transferir en tres modos diferente: conducción,
convección y radiación; ocurriendo desde el medio que posee temperatura más alta
hacia uno de temperatura más baja.
() Forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro, como el resultado de una diferencia de temperatura.
50
2.6.1 Características del flujo y del fluido.
En la transferencia de calor por convección es importante el comportamiento de los
fluidos en movimiento y su interacción con algún sólido; Así que es necesario
clasificarlos con base en algunas características y hacer distinción en sus
propiedades relevantes; y también en la forma como se transportan, o se desplazan
de un lugar a otro. En la sección 2.2 se estudiaron algunas propiedades del aire,
clasificando este como un fluido gaseoso; en esta parte, del presente escrito, se
explican las características en general de los fluidos. Es importante tener una buena
claridad de cada una de ellas para hacer un correcto análisis de trasferencia de
calor.
Flujo viscoso y no viscoso. Un flujo viscoso
es aquel en donde es importante la fuerza de fricción entre las capas
existentes en la circulación. Los flujos en donde es despreciable la
anterior característica se denominan flujos no viscosos.
Flujo externo e interno. El flujo no confinado sobre una superficie se
conoce como flujo externo, el que circula por algún ducto limitado
completamente por superficies sólidas es un flujo interno.
Flujo compresible e incompresible. Un flujo es incompresible si la
densidad permanece aproximadamente constante en la extensión del
flujo; el caso contrario se presenta cuando un cambio de presión provoca
un cambio significativo de densidad. Como se evidenció en la parte 2.2
el valor de densidad del aire es dependiente de la presión es decir, el aire
es un flujo compresible.
51
Flujo laminar y turbulento. Un fluido ordenado por capas suaves es
conocido como flujo laminar; el flujo de un fluido altamente caótico se
distingue como flujo turbulento.
Flujo natural y forzado. El flujo forzado consiste en obligar a circular el
fluido sobre una superficie o por un ducto, a través de medios externos
como por ejemplo una bomba o ventilador. En los flujos naturales
cualquier movimiento del fluido se debe a medios naturales un ejemplo,
de flujo natural, es el flujo provocado por un cambio de temperatura en
los gases presentes en el ambiente donde los más cálidos suben y los
de temperatura inferior, bajan. En el sistema que se analiza su fluido es
forzado por un motoventilador.
Flujo estacionario (estable) y flujo no estacionario. El flujo estacionario
se caracteriza por las propiedades del fluido que en un punto específico
no van a cambiar con el tiempo, en transferencia de calor se denomina
flujo estacionario, pero en análisis termodinámicos se denomina flujo
estable. El flujo no estacionario es aquel en donde sus propiedades
varían a través del tiempo, también se indica como flujo no estable.
Flujo transitorio. Son los flujos en desarrollo
Flujo unidimensional, bidimensional y tridimensional. El campo de flujo
se caracteriza por sus velocidades, y se específica que un flujo es
unidimensional, bidimensional y tridimensional si la velocidad varía en
una, dos o tres direcciones de coordenadas espaciales. Para el caso, de
forma aproximada, se realiza un análisis de flujo unidimensional.
52
2.6.2 Transferencia de calor por convección.
“Es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o
gas adyacente que está en movimiento y comprende los efectos combinados de la
conducción y el movimiento de fluidos”9. A medida que la velocidad del fluido
aumenta también lo hace la transferencia de calor. La convección se divide en dos
partes:
Convección forzada. El fluido es forzado a moverse mediante medios
externos. Son dos: convección forzada externa y convección forzada interna.
El sistema funciona por medio de la convección forzada interna, su medio
externo, es un ventilador centrifugo.
Convección natural. Causado por fuerzas de empuje debido a una diferencia
de densidad en el fluido gracias a la acción de un cambio de temperatura.
La ecuación que describe ambos fenómenos es la siguiente:
Ecuación 2.15. Ley de Newton del enfriamiento
�̇�𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ𝐴𝑠(𝑇𝑠 − 𝑇∞)
Donde:
�̇�𝑐𝑜𝑛𝑣: rapidez de transferencia de calor por convección
9 Çengel, Y. A. y Afshin J, G. Mecanismos de transferencia de calor. En: Transferencia de calor y
masa. 4 ed. México DF: McGraw-Hill. (2011). p. 25.
53
ℎ: coeficiente de transferencia de calor por convección
𝐴𝑠: área superficial a través de la cual sucede la transferencia de calor
𝑇𝑠: temperatura de la superficie
𝑇∞: temperatura del fluido suficientemente alejado de la superficie
2.6.2.1 Características de la transferencia de calor por convección.
La convección tiene algunas características que se quieren mostrar a continuación.
Aquí se exhiben las relaciones matemáticas básicas que intervienen en el momento
de resolver un problema en donde aparezca algún tipo de transferencia de calor por
convección, así como algunas características definidas. Las ecuaciones que aquí
se mencionan, se deben tener en cuenta en el momento de realizar los cálculos
para encontrar las variables objetivos, en especial, el calor transferido al aire, o
“retirado” del aire.
Capa límite de velocidad. Cuando el fluido fluye sobre una superficie
la velocidad varía, notablemente, desde la superficie hasta una
distancia relativamente pequeña de ella, esta distancia, desde la
superficie hasta el límite de la notable variación de velocidad, se
conoce como capa límite; causada por las fuerzas cortantes viscosas.
El calculo de variables como, el caudal, y la caida de presión que se
usan para relacionar la potencia que entregan los ventiladores al aire;
se realizan con una velocida promedio; es complicado obtener la
velocidad punto a punto a través de la sección transversal, por medio
() El coeficiente de transferencia de calor por convección se define como: la razón de la transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido por unidad de área superficial por unidad de diferencia en la temperatura.
54
de algún instrumento, así que se tomara una velocidad media. Para
hacer la distinición, es importante conocer la definición que se
menciona en este parrafo. Más adenlante se habla acerca de la
velocidad promedio.
Capa límite térmica. Cuando el flujo fluye sobre una superficie, que
se encuentra a una temperatura 𝑇𝑠; el fluido, que alejado
suficientemente de la superficie tendra una temperatura 𝑇∞, va
intercambiar calor con dicha superficie; la temperatura del fluido
tendra una variación significativa desde la superficie hasta un punto
que se establece con una diferencia de temperatura y que está debajo
de 𝑇∞ y por encima de 𝑇𝑠; esta distancia sera el espesor o capa límite
térmica.
Número de Prandtl. Es un parametro adimensional que describe el
espesor relativo de las capas límites de velocidad y térmica, es un
valor que se obtiene por medio del EES, es importante conocer su
definición, ya que se usa en diferentes cálculos a través de la solucion
de los laboratorios; la relación es la siguiente:
Ecuación 2.16. Número de Prandtl
𝑃𝑟 =𝐷𝑖𝑓𝑢𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐷𝑖𝑓𝑢𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 =
𝓋
𝛼=
𝜇𝑐𝑝
𝑘
Donde:
𝜇: viscocidad dinámica
𝑐𝑝: calor específico a presión constante
55
𝑘: conductividad térmica
Número de Reynolds. El tipo de flujo laminar o turbolento, depende de
un buen número de variables, como: la aspereza de la superficie de
contacto con el fluido, de la geometría de la superfice, de la temperatura
de la superficie, de la velocidad de flujo, y de las características del fluido.
“Osborn Reynolds descubrió que el régimen de flujo depende
principalmente de la razon de las fuerzas de inercia a las fuerzas viscosas
en el fluido”10. La razon se conoce como número de Reynolds y es un
valor adimensional. Es un valor reelevante en la ejecución de los
laboratorios, ya que en el momento de concer la cantidad de calor,
transferida o retirada, este valor interviene, y las variables que lo
relacionan son las que ocasionan una buena o mala transferencia de
calor. La ecuación se describe así:
Ecuación 2.17. Número de Reynolds
𝑅𝑒 =𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎
𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑎𝑠=
𝑉𝐷
𝜗=
𝜌𝑉𝑝𝑟𝑜𝑚𝐷
𝜇
Donde:
𝜌: densidad del fluido
𝑉𝑝𝑟𝑜𝑚: velocidad promedio del fluido
𝐷: diámetro de la tubería, también se menciona como longitud característica
10 ÇENGEL, Yunus A. y GHAJAR, Afshin J. Transferencia de calor y masa Fundamentos de la convección. En: Transferencia de calor y masa. 4 ed. México DF: McGraw-Hill. (2011). p. 385.
56
𝜇: viscocidad dinámica
El número de Reynolds indica si un flujo es laminar o turbulento y se establecen
algunos valores: para 𝑅𝑒 ≤ 2300 el flujo será laminar, pero para 𝑅𝑒 > 10000 el flujo
se establece como turbulento, en los valores intermedios la indicación es que el flujo
está en transición. Pero se ha demostrado que para 𝑅𝑒 > 4000 el flujo en muchos
casos se vuelve turbulento. Para los resultados finales es conveniente, en el
presente trabajo, usar el limite con 𝑅𝑒 > 10000 para un flujo turbulento.
2.6.2.2 Convección interna forzada.
El caso de este trabajo es una operación de calentamiento y enfriamiento de aire,
así que el flujo es un gas a través de una tubería o ducto. El fluido es forzado a
desplazarse a través de la tubería por medio de un motoventilador, y se hace con la
intención de provocar una transferencia de calor. En esta sección se describen las
características de la convección interna forzada, así como los métodos analíticos
para la solución de problemas.
Velocidad promedio. La velocidad de un fluido dentro de un tubo cambia
desde cero, en la superficie, hasta un máximo en el centro del tubo;
cuando el área de la sección permanece constante es conveniente
trabajar con una velocidad promedio, que será constante.
Temperatura promedio. Cuando el fluido se calienta o se enfría conforme
fluye por un tubo, su temperatura a través de la sección transversal
cambía desde 𝑇𝑠, la temperatura de la superficie del tubo, hasta un
máximo o mínimo, dependiendo si gana o pierde energía en forma de
calor, en el centro del tubo. Es por lo anterior, que es conveniente trabajar
con una temperatura promedio la cual permacera constante.
57
2.7 ANÁLISIS TÉRMICO
El sistema quedará definido de forma que no se tenga en cuenta el trabajo, que el
flujo másico sea constante, que la energía potencial sea la misma a la entrada y
salida, que la energía cinetica sea igual a la entrada y salida, con lo anterior la
ecuación de conservación de energía que describe el sistema será la siguiente:
2.18. Ecuación para el analisis general del ICTA
�̇� = �̇�(ℎ𝑒 − ℎ𝑖) = �̇�(∆ℎ)
Donde:
�̇�: es la velocidad de transferencia de calor
�̇�: flujo másico
∆ℎ: cambio de entalpía
Se observa que, con lo descrito en el parrafo anterior y la precendente ecuación, el
análisis es un caso particular de la ecuación 2.7. También, se debe tener en cuenta
que la ecuación 2.18 no es completa, como su nombre su indica es una ecuación
general, ya que hace falta realizar el análisis psicrometrico, en donde el flujo másico
es la suma de dos tipos de sustancia (vapor de agua y aire seco), como son dos
tipos de sustancias las entalpías también serán sumadas, (suma de entalpías de
entrada del vapor de agua y del aire seco; y suma de entalpías de salida del vapor
de agua y aire seco) y después se obtiene su diferencia, esto se observa en la
ecuación 2.13. La profundización anterior se aclara de forma detallada en el
laboratorio número uno. La entalpía para los gases ideales tiene otra relación que
facilita su cálculo, esto para gases ideales, el vapor de agua y el aire seco, por sus
58
características en el sistema, son gases ideales; la ecuación 2.19 muestra la
aproximación.
Ecuación 2.19. Cambio de entalpía para un gas ideal
∆ℎ = 𝑐𝑝(∆𝑇)
Donde:
∆ℎ: cambio de entalpía
𝑐𝑝: calor específico a presión constante
∆𝑇: cambio de temperatura
De la ecuación 2.18 y 2.19 se obtiene la siguiente relación:
Ecuación 2.20. Ecuación de conservación de la energía para flujo estacionario dentro de un tubo
�̇� = �̇�𝑐𝑝(𝑇𝑒 − 𝑇𝑖)
Donde:
�̇�: es la velocidad de transferencia de calor
�̇�: flujo másico
𝑐𝑝: calor específico a presión constante
𝑇𝑒: temperatura media de salida (exit)
𝑇𝑖: temperatura media de entrada (in)
59
2.7.1 Flujo constante de calor en la superficie.
El flujo de calor se define como la rapidez de transferencia de calor sobre el área
de transferencia de calor:
Ecuación 2.21 Flujo de calor
�̇�𝑠 =�̇�
𝐴𝑠
Donde:
�̇�𝑠: flujo superficial de calor constante
𝐴𝑠: área superficial (perimetro multiplicado por la longitud)
�̇�: rapidez de transferencia de calor
Como se ha explicado desde el principio, en el sistema a estudiar, el calor cambia
con el tiempo es decir nos es un valor constante, pero es uno de los dos casos
presentes en la transferencia de calor, y se considera importante conocer sus
diferencias. el otro caso se expone más adelante que es el de temperatura
superficial constante. La figura 3.2 muestra una ilustración de un flujo de calor
constante.
Figura 2.2. Flujo constante de calor sobre una tubería
Fuente ÇENGEL, Yunus A. y GHAJAR, Afshin J. Transferencia de calor y
masa
60
Ahora relacionando las ecuaciones 2.20 y 2.21 se obtiene la ecuación de la
temperatura de salida que es un valor determinante en la trasnferecia de calor; la
ecuación 2.22 muestra dicha relación.
Ecuación 2.22. Temperatura media de salida con flujo constante de calor
𝑇𝑒 = 𝑇𝑖 +�̇�𝑠𝐴𝑠
�̇�𝑐𝑝
La ecuación 2.22 es uno de los casos de transferencia de calor en tuberías, la
temperatura de salida es el dato más reelevante, ya que es de interés en diferentes
aplicaciones, y es un valor que nos dice que tan efectiva habrá sido la transferencia
de calor.
2.7.2 Temperatura superficial constante.
En esta sección se va profundizar más, ya que es el caso que se maneja en el
análisis que se está abordando, que es el de temperatura superficial constante.
Basandose en la ley de Newton del enfriamiento, la razón de transferencia de calor
desde o hacia un fluido que fluye dentro de una tubería se puede expresar como
aparece en la ecuación 2.23.
Ecuación 2.23. Ley de Newton del enfriamiento para la transferencia de calor de un fluido que fluye en un tubo
�̇� = ℎ𝐴𝑠∆𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 = ℎ𝐴𝑠(𝑇𝑠 − 𝑇𝑚)
Donde:
ℎ: coeficiente de transferencia de calor por convección
61
𝐴𝑠: área superficial de la tubería (𝜋𝐷𝐿)
𝑇𝑠: temperatura superficial de la tubería constante
𝑇𝑚: temperatura media del fluido (𝑇𝑚 =𝑇𝑒+𝑇𝑖
2 )
En la figura 2.3 se muestra una ilustración que describe las trasnferencia de calor
con una temperatura superficial constante.
Figura 2.3. Temperatura superficial constante sobre una tubería
Fuente ÇENGEL, Yunus A. y GHAJAR, Afshin J. Transferencia de calor y
masa
Se observa que la temperatura media del fluido es un promedio entre la temperatura
media de entrada y la temperatura media de salida; lo anterior, es una aproximación
aceptable pero no precisa hay una definición más específica que se discute en el
libro de transferencia de calor y masa, en el capitulo 8. Para el cumplimiento de los
objetivos del presente trabajo es apropiado usar la aproximación que se menciono
anteriormente.
El objetivo nuevamente es establecer una función para obtener la temperatura
media de salida del fluido. Con una sección transversal constante, la superficie
62
interior del tubo también permanece constante, y, además, que la temperatura
media del fluido aumenta o disminuye en la dirección del flujo. Con lo anterior, se
hace entonces un balance de energía sobre un volumen diferencial del fluido.
Figura 2.4. Interacciones energéticas para un volumen diferencial de fluido
Fuente ÇENGEL, Yunus A. y GHAJAR, Afshin J. Transferencia de calor y
masa
Para obtener la ecuación de la temperatura media se realiza el siguiente análisis:
Inicialmente se igualan las ecuaciones 2.20 y 2.23, basandose en la
descripción hecha en la figura 3.4, quedando como se muestra a
continuación:
�̇�𝑐𝑝𝑑𝑇𝑚 = ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇𝑚)𝑑𝐴𝑠
Que significa que el aumento en la energía del fluido, representado por el
incremento en su temperatura media 𝑑𝑇𝑚, es igual al calor transferido por
convección desde el tubo hacia el aire.
El área superficial 𝑑𝐴𝑠 = 𝑝𝑑𝑥 donde 𝑝 es el perímetro como la tubería es
circular, será el perímetro de un círculo, el diferencial 𝑑𝑥 indica una porción
de la tubería; y, 𝑑𝑇𝑚 = −𝑑(𝑇𝑠 − 𝑇𝑚) esta igualdad se cumple obteniendo el
promedio de diferencias de temperaturas; en donde se suman las diferencias
63
de temperaturas de la superficie y de entrada, y la diferencia de la
temperatura de superficie y de salida. Se debe tener presente que 𝑇𝑠 es
constante es decir, su derivada será cero. El signo negativo indica que por
cada incremento en la temperatura media hay un decremento en la diferencia
entre la temperatura superficial y la temperatura media. Con lo anterior se
tiene entonces:
−𝑑(𝑇𝑠 − 𝑇𝑚)
𝑇𝑠 − 𝑇𝑚=
ℎ𝑝𝑑𝑥
�̇�𝑐𝑝
Realizando la integración en ambos lados de la igualdad; integrado desde
𝑥 = 0 con 𝑇𝑚 = 𝑇𝑖 hasta 𝑥 = 𝐿 con 𝑇𝑚 = 𝑇𝑒.
− ∫−𝑑𝑇𝑚
𝑇𝑠 − 𝑇𝑚
𝑇𝑒
𝑇𝑖
= ∫ℎ𝑝𝑑𝑥
�̇�𝑐𝑝
𝐿
0
Y haciendo una sustitución simple: 𝑢 = 𝑇𝑠 − 𝑇𝑚 entonces, 𝑑𝑢 = −𝑑𝑇𝑚
− ∫𝑑𝑢
𝑢
𝑇𝑒
𝑇𝑖
=ℎ𝑝
�̇�𝑐𝑝∫ 𝑑𝑥
𝐿
0
ln(𝑇𝑠 − 𝑇𝑚) 𝑇𝑖
𝑇𝑒 = −ℎ𝑝
�̇�𝑐𝑝 𝑥 0
𝐿
ln(𝑇𝑠 − 𝑇𝑒) − ln(𝑇𝑠 − 𝑇𝑖) = −ℎ𝑝𝐿
�̇�𝑐𝑝
ln𝑇𝑠 − 𝑇𝑒
𝑇𝑠 − 𝑇𝑖= −
ℎ𝐴𝑠
�̇�𝑐𝑝
𝑇𝑠 − 𝑇𝑒
𝑇𝑠 − 𝑇𝑖= 𝑒
−ℎ𝐴𝑠�̇�𝑐𝑝
Finalmente se obtiene la relación matemática con la cual podemos encontrar
la temperatura de salida:
64
Ecuación 2.24. Temperatura media de salida con temperatura superficial constante
𝑇𝑒 = 𝑇𝑠 − (𝑇𝑠 − 𝑇𝑖) × 𝑒−
ℎ𝐴𝑠�̇�𝑐𝑝
La ecuación 2.24 es una fórmula de gran utilidad, y que se va usar en el laboratorio
número tres, en donde la variable objetivo es la temperatura de salida, sabiendo
que la temperatura superficial de la tubería es constante. Se puede evidenciar que,
para el caso, la variable dependiente será la temperatura de salida (exit, como
subíndice e), ya que esta puede ser menor o mayor que la temperatura superficial
𝑇𝑠, lo que hace cambiar el análisis de la función, las conclusiones respectivas se
abordan en la obtención de los resultados y cálculos, que es un tema del capítulo 5.
2.8 FLUJO TURBULENTO EN TUBOS
Un flujo turbulento se presenta cuando el número de Reynolds es: 𝑅𝑒 > 10000 pero
se aclara que no hay valor preciso que específica el límite para el número de
Reynolds en un flujo turbulento, de hecho en ciertas condiciones puede presentarse
flujo turbulento con 𝑅𝑒 > 4000. El flujo turbulento es el tipo más usual en la práctica,
ya que a mayores valores del número de Reynolds son mayores los resultados de
transferencia de calor. Las propiedades presentes en el número de Reynolds, deben
evaluarse con el promedio de la temperatura del fluido, entre la temperatura media
de salidad y de entrada. Esto para obtener los resultados de la transferencia de
calor, pero para el caso de la temperatura de salida, las propiedades se evaluan con
la temperatura de entrada.
2.9 COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
En la transferencia de calor la evaluación del coeficiente convectivo depende de
variables como el número de Reynolds, número de Prandtl y el factor de fricción,
65
esto en general para los líquidos. La transferencia de calor que se presenta en el
sistema que aquí se expone es diferente, y no se pueden aplicar los análisis que
propone la teoría general de transferencia de calor por convección. Para el caso el
coeficiente de transferencia de calor es una propuesta hecha por los autores del
trabajo Intercambiadores de calor tierra-aire para acondicionamiento de aire en
regiones ecuatoriales, en donde se muestra una relación para encontrar el
coeficiente convectivo de transferencia de calor. El análisis del trabajo se encuentra
en los antecedentes del presente trabajo.
2.25. Modelo matemático para el coeficiente convectivo para un sistema de intercambiadores de calor tierra-aire (calefacción)
𝑠𝑖 𝑇𝑠 ≥ 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠:
ℎ =𝑘
𝐷× 0.0041 × 𝑅𝑒0.8 × 𝑃𝑟0.4
2.26. Modelo matemático para el coeficiente convectivo para un sistema de intercambiadores de calor tierra-aire (refrigeración)
𝑠𝑖 𝑇𝑠 < 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠:
ℎ =𝑘
𝐷× 0.0041 × 𝑅𝑒0.8 × 𝑃𝑟0.3
2.10 POTENCIAS, VELOCIDAD DE CALOR Y RENDIMIENTOS
Para los intercambiadores de calor tierra-aire, es de gran valor calcular el dato de
su rendimiento global y los rendimientos locativos. En el capitulo 3 se verán los
elementos constituyentes de la instalación, en esta sección se mostrara la teoría
para evaluar los rendimientos de los componentes más representativos. En general
el rendimiento y la eficiencia se entiende como la razón de lo que da el elemento o
() El rendimiento es una definición matemática. Es una relación entre la energía producida, por la energía absorbida.
66
máquina sobre lo que se invierte para general algún resultado, en especial de
potencia.
2.10.1 Rendimientos en motores eléctricos.
Para motores eléctricos, se calcula la potencia eléctrica de consumo (potencia
eléctrica absorbida por el motor). Otra potencia de importancia es la potencia en el
eje, que es la potencia mecánica que entrega el motor luego de recibir la potencia
eléctrica, existe una relación para hacer el cálculo de dicha potencia pero no se va
realizar, más bien, se va obtener la potencia que recibe el aire, o el de salida del
ventilador, encontrando un rendimiento en conjunto denominado rendimiento del
motoventilador. Para motores eléctricos se debe hacer distinción en tres tipos de
potencias:
Potencia activa: “este tipo de potencia es el que se transforma en calor en la
resistencia. Se puede decir que es la única potencia que realmente se
consume en el circuito”11. La ecuación 2.27 muestra la relación:
Ecuación 2.27. Potencia activa
𝑃 = 𝐼𝑉𝑐𝑜𝑠𝜑
Donde:
𝑃: potencia activa
𝐼: intensidad, corriente
11 ALCALDE, Pablo. Circuitos en Serie R-L-C en C.A. En: Electrotecnia. 4 ed. Madrid: Thomson
Editores Spain. 2004. p. 126.
67
𝑉: tensión, voltaje
𝑐𝑜𝑠𝜑: factor de potencia
Potencia reactiva: “es la potencia con que se carga y descarga
constantemente la bobina. Realmente es una potencia que no se
consume”12. La ecuación 2.28 muestra la relación:
Ecuación 2.28. Potencia reactiva
𝑄𝐿 = 𝐼𝑉𝑠𝑒𝑛𝜑
Potencia aparente: “es la potencia total que transportan los conductores que
alimentan el circuito.”13 La potencia aparente también será la suma vectorial
de la potencia activa y reactiva.
Ecuación 2.29. Potencia aparente
𝑆 = 𝐼𝑉
La potencia activa es la potencia que se mencionó, anteriormente, como potencia
de absorción. Y es la que se utiliza para el cálculo del rendimiento.
() El factor de potencia es un valor que indica la relación entre la potencia activa y la aparente. 12 Ibíd., p. 126.
13 Ibíd., p. 126.
68
La potencia mecánica o potencia útil (𝑃𝑈) es la potencia que entrega el motor, luego
de recibir la potencia activa. Los motores eléctricos generalmente tienen tablas de
características, pero los datos proporcionados son para el trabajo del motor a plena
carga, es decir trabajando en su punto máximo, es por ello que se debe medir la
potencia activa; como se había mencionado anteriormente no es necesario realizar
la medición de la potencia mecánica, ya que se va calcular el rendimiento del
motoventilador.
Como ninguno de los dos motores se encuentra trabajando a plena carga, es
necesario realizar las mediciones correspondientes, en las próximas páginas se
mostrara porque no es necesario hacer alguna medición para obtener la potencia
útil o mecánica. Finalmente, el rendimiento para un motor eléctrico se resuelve con
la siguiente relación:
Ecuación 2.30. Rendimiento de un motor eléctrico
𝜂𝑚𝑜𝑡 =𝑃𝑈
𝑃𝑎𝑏𝑠
Recordando que (𝑃𝑎𝑏𝑠) es la potencia absorbida por el motor, que es la misma
potencia activa (𝑃).
2.10.2 Rendimiento de un ventilador.
Para los ventiladores se sigue la misma idea con respecto a la relación del
rendimiento, para este caso ingresa una potencia mecánica, la potencia útil (𝑃𝑈), o
potencia de salida del motor eléctrico; y su potencia de salida se evidencia como
una tasa de energía entregada al aire. La potencia que el ventilador entrega y el
rendimiento del ventilador se muestran a continuación.
69
Ecuación 2.31. Potencia entregada al aire o potencia del ventilador
𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑄∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Donde:
𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒: potencia del ventilador entregada al aire
𝑄: caudal
∆𝑃: caída de presión total, desde la salida del ventilador hasta la salida del aire en
la sala de software en la Facultad Tecnológica.
La diferencia de presiones del punto de entrada al punto de salida se define
matemáticamente como:
∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙: es la caída de presión en la línea:
∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∆𝑃𝐷 + ∆𝑃𝐸
∆𝑃𝐷 es la diferencia de presión dinámica y se expresa como:
∆𝑃𝐷 =𝜌2𝒱2
2
2−
𝜌1𝒱12
2
∆𝑃𝐸 es la diferencia de presión estática y se expresa como:
∆𝑃𝐸 = 𝜌2𝑔ℎ2 − 𝜌1𝑔ℎ1
Para el valor de la presión estática se usó un manómetro de columna de
líquido, el dato fue tomado por Luis Angel Vargas y se discute en el trabajo:
“Sistema de ventilación de aire alimentado por energía solar” el dato
registrado fue de 49 𝑚𝑚𝑐𝑎 que son aproximadamente 480.5 𝑃𝑎; la presión se
mide desde la salida del ventilador hasta la salida del aire en la sala de
70
software. Este será el valor que se use para la solución de la diferencia de
presión total.
Ecuación 2.32. Rendimiento del ventilador
𝜂𝑣𝑒𝑛 =𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑃𝑈
Como al final se va obtener una eficiencia global, independiente, para el
funcionamiento de los dos sistemas, aquel motor que funciona con la red eléctrica,
y el otro que funciona por medio de la red fotovoltaica; este valor de eficiencia global
se obtiene multiplicando todos los valores de eficiencia; como se muestra en las
ecuaciones 2.38 y 2.39 se puede ver que el valor 𝑃𝑈 se va cancelar. El rendimiento
del motoventilador será como se muestra en la ecuación 2.33.
2.33. Rendimiento del motoventilador
𝜂𝑚𝑣 = 𝜂𝑚𝑜𝑡 × 𝜂𝑣𝑒𝑛 =𝑃𝑈
𝑃𝑎𝑏𝑠×
𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑃𝑈=
𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑃𝑎𝑏𝑠
Como se observa en la ecuación 2.33 no es necesario obtener la potencia útil
además, que no sería una buena práctica, realizar tal medición, ya que implicaría el
desmonte del ventilador que se encuentra acoplado con el motor.
2.10.3 Rendimiento del intercambiador de calor tierra-aire.
Para el rendimiento del intercambiador de calor se debe tener en cuenta que hay
dos estados del sistema por una lado se presenta la calefacción y por el otro la
refrigeración. La refrigeración se presenta, cuando el calor es retirado del sistema,
es decir el sistema tiene un calor negativo; la calefacción se presenta, cuando el
71
calor entra al sistema, es decir es un calor positivo. De lo anterior, se puede decir
que hay dos rendimientos, y se establecen las siguientes relaciones:
Ecuación 2.34. Rendimiento de refrigeración
𝜂𝑟𝑒𝑓 =�̇�𝑟𝑒𝑓
𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒
Ecuación 2.35. Rendimiento de calefacción
𝜂𝑐𝑎𝑙 =�̇�𝑐𝑎𝑙
𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒
2.10.4 Rendimiento de los paneles solares.
El rendimiento de los paneles solares, aunque lleva un análisis similar a los casos
anteriores, tiene una fórmula algo diferente en donde intervienen las características
del arreglo de paneles solares. Como tal, su demostración no se específica en el
presente artículo, pero se muestra su relación:
Ecuación 2.36. Eficiencia del módulo solar fotovoltaico
𝜂𝑒𝑚 = (𝐹𝐹 × 𝐼𝑆𝐶 × 𝑉𝑂𝐶
𝐴𝑚 × 𝐼𝑝)
Donde:
𝜂𝑒𝑚: eficiencia eléctrica del módulo
𝐹𝐹: fill factor, factor de forma
72
𝐼𝑆𝐶: intensidad por corto circuito
𝑉𝑂𝐶: tensión a circuito abierto
𝐼𝑝: intensidad solar incidente
A continuación se explican los valores anteriores:
Fill factor. Según Tiwari14 el factor de llenado da una idea de la potencia
máxima de salida entregada por la célula solar para una corriente de corto
circuito y un voltaje a circuito abierto dado.
Ecuación 2.37. Fill factor
𝐹𝐹 =𝐼𝑚𝑎𝑥 × 𝑉𝑚𝑎𝑥
𝑉𝑂𝐶 × 𝐼𝑆𝐶
Intensidad por corto circuito (𝐼𝑆𝐶). Será la corriente máxima que producirá el
panel en una situación de anomalía de funcionamiento del panel cuando
exista un corto circuito.
Voltaje a circuito abierto (𝑉𝑂𝐶). Será la tensión de salida de un panel cuando
no haya ninguna carga.
Intensidad solar incidente (𝐼𝑝). Es la intensidad solar que llega al arreglo de
células fotovoltaicas; en general, es un conjunto de radiaciones
electromagnéticas emitidas por el sol.
Corriente máxima y voltaje máximo. La corriente máxima y el voltaje máximo,
aparecen como un producto, como se observa en la ecuación 2.44, este
producto da a entender un valor de potencia máximo (𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 × 𝑉𝑚𝑎𝑥), y
es el valor de máxima potencia que puede proporcionar la celda solar.
14 TIWARI, G. N. y TIWARY, Arvind S. Solar cell materials, photovoltaic modules and arrays.
En: Handbook of solar energy Indian: Springer Nature, 2016. p. 139.
73
2.10.5 Rendimiento del inversor de corriente.
En la sección 3.1.2 del capítulo 3, se explica las adecuaciones que se hicieron en el
presente proyecto, se puede ver que una de aquellas adecuaciones es la ubicación
de tablas que contienen datos técnicos de los elementos presentes en el sistema,
el inversor tiene un valor de rendimiento, proporcionado por el fabricante, medirlo
es bastante complejo, así que se usa el valor que aparece en la tabla 3.3.
2.10.6 Rendimiento de las baterías.
El rendimiento de las baterías es, también, un dato complejo de conseguir por ello,
se consultó el trabajo de grado: Análisis Técnico de los Diferentes Tipos de Baterías
Comercialmente Disponibles para su Integración en el Proyecto de una Microrred
Aislada realizada por el estudiante de la Universidad Distrital: César Andrés
Gonzales, en donde expone un análisis de los diferentes tipos de acumuladores de
energía, comercialmente disponibles entre ellos, el de tipo plomo-acido, esta
categoría de las baterías es la que se encuentra presente en el sistema ICTA. Como
explica Gonzales15, por medio de una gráfica, que las baterías de plomo-acido, se
encuentra con un valor mínimo alrededor de 60% y un valor máximo de 90% con un
promedio de 75%. Para resolver los laboratorios se va usar este valor promedio. El
autor también explica que las baterías plomo-acido tienen la tasa de descarga más
alta. En el capítulo dos, que habla acerca de lo antecedentes, se explica que hay un
tiempo de funcionamiento máximo del banco de baterías al día, para ello deben
15 SANTACRUZ, Cristian Andrés. Análisis técnico de los diferentes tipos de baterías
comercialmente disponibles para su integración en el proyecto de una microrred aislada. Trabajo de
grado Ingeniero Eléctrico. Bogotá D.C. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Facultad de
Ingeniería, 2015. 87 p.
74
conocerse algunas propiedades de las baterías, entre ellas la tasa de descarga, y
el tiempo que tardan en llegar a un punto óptimo de carga.
2.10.7 Rendimiento global.
Finalmente se debe obtener el rendimiento global, para obtener el rendimiento
global se recuerda que son dos los sistemas que se encuentran funcionando en las
instalaciones, el primero, en donde el motor funciona por medio de la red de energía
eléctrica, y, el segundo, el motor que genera su marcha gracias a una red de energía
solar fotovoltaica. Con lo anterior, es claro que ambos sistemas no tienen,
exactamente, los mismo elementos en común es por ello, que el rendimiento global
se debe distinguir entre uno y otro sistema, las ecuaciones 2.45 y 2.46 muestran
cómo deben obtenerse los rendimientos globales para cada uno de los casos.
2.38. Rendimiento global para el sistema que funciona con energía de la red eléctrica
𝜂𝑔𝑙𝑜𝑏 = (𝜂𝑐𝑎𝑙 ; 𝜂𝑟𝑒𝑓)(𝜂𝑚𝑜𝑡𝑣)
Fuente. Autores
2.39. Rendimiento global para el sistema que funciona con energía solar fotovoltaica
𝜂𝐹𝑔𝑙𝑜𝑏 = (𝜂𝑐𝑎𝑙 ; 𝜂𝑟𝑒𝑓)(𝜂𝑚𝑜𝑡)(𝜂𝑒𝑚)(𝜂𝑏𝑎𝑡)(𝜂𝑖𝑛𝑣)
Fuente. Autores
3 INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE (ICTA) EN LA
UNIVERSDAD DISTRITAL
75
3.1 DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES (ELEMENTOS PARA EL
FUNCIONAMIENTO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-
AIRE)
En esta sección del capítulo número 3 se quiere dar conocer los elementos que
pertenecían antes de la elaboración del presente proyecto, los elementos que
pertenecen en la ejecución del proyecto que se expone en este trabajo, y el
funcionamiento de las instalaciones.
3.1.1 Elementos pertenecientes al sistema antes de la elaboración del presente
proyecto.
Revisando el capítulo uno donde se indican los objetivos del proyecto, se ve que la
generalidad de la solución del problema es la construcción de manuales de
laboratorio de procedimiento, y una adecuación para la elaboración de los mismos,
pero en el momento de hacer las revisiones, las instalaciones presentaban averías,
y fue necesario realizar algunas mejoras que se especifican en la sección 3.1.2. En
esta sección se abordan los elementos que se encontraban presentes antes de la
elaboración del actual proyecto.
3.1.1.1 Ubicación.
El sistema se encuentra ubicado en la Facultad Tecnológica de la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas, en la ciudad de Bogotá, Colombia. Su
construcción empieza en el año 2006, y hasta la fecha se han hecho diferentes
mejoras; en los próximos párrafos se específica como se encontraba el sistema
antes de realizar el presente proyecto. La figura 3.1 muestra un mapa del lugar
donde se encuentra la instalación.
76
Figura 3.1. Ubicación de las instalaciones
Fuente. Internet. Google Maps
Propiedades del terreno: con el sensor TP01 es posible obtener las
propiedades principales del terreno, consiguiendo la conductividad térmica,
la difusividad térmica y la capacidad calorífica. Se sabe que dependiendo de
los estados de las sustancias algunas propiedades son constantes; por
ejemplo, las propiedades de los sólidos, pero el suelo no es considerado
propiamente como un sólido, sino que es la suma de muchas partículas
individuales y agregados, más precisamente la composición de minerales,
agua, aire y en ocasiones hielo.
Para el terreno la densidad es un valor aproximadamente constante, esto
dependiendo del tipo de suelo, y la profundidad de evaluación. A los dos
metros se puede decir que las propiedades mencionadas en el anterior
párrafo no deberían sufrir gran variación en el tiempo, por lo que la
temperatura es aproximadamente constante, que es un valor del cual
dependen las propiedades ya mencionadas.
77
No es un fin administrar las propiedades térmicas del terreno, pero se
hicieron las medidas y estos fueron los resultados:
Tabla 3.1. Propiedades del terreno de la Facultad Tecnológica
Propiedad Valor
Conductividad térmica 1.2203 𝑊/𝑚𝐾
Capacidad calorífica 2.2938 × 10−6 𝐽/(𝐾𝑚3)
Difusividad térmica 0.5320 𝑚2/𝑠
Fuente. Autores por medio del Datalogger CR1000
Utilizando el Datalogger y el sensor TP01 se obtuvieron los datos de la tabla
3.1, las propiedades podrían cambiar, dependiendo del clima que se
presente a lo largo del año, si se toman los datos en los tiempos del periodo
de lluvia, la conductividad térmica podrá ser mayor, de lo que puede ser
cuando los tiempos son soleados.
Clima de la zona: dicha ubicación está clasificada como una zona ecuatorial
debido a su localización geográfica. Por su parte, Bogotá se caracteriza por
tener un clima moderadamente frío, con cerca de 14ºC de temperatura
promedio; Aun así por ser un clima tropical, el frío se acentúa en jornadas de
lluvia o de poco sol. Por otro lado, en los días muy soleados la sensación
térmica puede incrementarse hasta los 23ºC o más. En cuanto a su
humedad, Bogotá está cercana al 80 %, sin embargo el ambiente no se
encuentra tan húmedo debido a las grandes corrientes de aire que pasan por
la ciudad.
78
3.1.1.2 Tuberías de PVC (policloruro de vinilo).
Son tres las líneas de tuberías que se diferencian por su diámetro y longitud. El
material, perteneciente a la familia de los polímeros, PVC que es de fácil acceso y
con una buena resistencia a las adversidades ambientales, es el que se ha utilizado
para el funcionamiento de las instalaciones. Sus medidas nominales ya se
mencionaron en la tabla 1.1. Las tuberías se encuentran acoplados a una tobera de
distribución de aire que a su vez se conecta a un ventilador centrífugo. En el
momento la tubería de 4 pulgadas, y la de 2 pulgadas se encuentran funcionando
con un motor de 1.5 𝑘𝑊 de potencia nominal. Además a la tubería de 4 pulgadas se
le incorporo otro motor de 0,180 𝑘𝑊 de potencia nominal. En la sección 3.1.3 se
describe el funcionamiento.
3.1.1.3 Motores eléctricos.
Los motores eléctricos del sistema, son motores monofásicos (fase+neutro) de
corriente alterna que están diseñados con arranque mediante condensador, que
sirve para incrementar el par de arranque debido a que los motores deberán romper
la inercia, para luego llegar a su funcionamiento de forma estable; el motor necesita,
entonces, de un mayor torque lo que hace que la corriente incremente, al momento
del arranque.
Uno de los motores, se encuentra conectado a la red eléctrica con una potencia de
1.5 𝑘𝑊 y el otro se acopla a un inversor de corriente, recibiendo energía producida
por unos paneles solares, con una potencia de 0.18 𝑘𝑊. Las potencias que se
indican en las líneas anteriores, son para un trabajo máximo de los motores, para el
funcionamiento actual de las máquinas eléctricas no se necesita un trabajo al
máximo por parte de ellas, así que su potencia útil es diferente a la nominal. A
() Los polímeros son producto de la unión de cientos de miles de moléculas denominadas monómeros que forma enormes cadenas de forma diversa.
79
continuación se muestran las imágenes que describen cada uno de los motores
eléctricos.
Figura 3.2. Motor eléctrico de 1.5 kW
Fuente. Autores
Figura 3.3. Motor eléctrico de 0.18 kW
Fuente. Autores
80
3.1.1.4 Celdas Fotovoltaicas.
Los paneles solares son elementos que mediante la base teórica del efecto
fotoeléctrico, son capaces de convertir energía solar en energía eléctrica. Son dos
los paneles instalados, cada uno con las características indicadas en la tabla 3.2.
Su composición es de tipo mono cristalino, hay otros tipos de materiales y esto hace
que su rendimiento varié. Las celdas alimentan un par de baterías, por medio de un
regulador de carga, estas llevan la energía eléctrica a un inversor, y del inversor
pasa a uno de los motores eléctricos, al motor de 0.18 𝑘𝑊 de potencia nominal.
Tabla 3.2. Características de cada uno de los paneles solares
Potencia máxima 150 W
Tolerancia de potencia máxima 0 – 3 %
Voltaje de circuito abierto 21.6 V
Corriente de corto circuito 9.59 A
Voltaje de potencia máximo 18 V
Corriente de potencia máximo 8.34 A
Especificaciones de potencia a STC: 1000W/m2 AM 1.5 CELULA DE 25°C
Peso 12 kg
Dimensiones 1480 * 680 * 35 mm
Sistema de voltaje máximo 1000 V
Corriente nominal de sobrecarga 15
Tecnología de celda Mono – si
Tipo de módulo A
Fuente. Autores
3.1.1.5 Regulador de carga.
Es un elemento que sirve para regular la carga desde las celdas hacia las baterías,
manteniendo una tensión y una intensidad mínima de paso, que es suficiente para
81
cargar las baterías. La figura 3.4 muestra el regulador que se utiliza en las
instalaciones.
Figura 3.4. Regulador de carga
Fuente Autores
3.1.1.6 Baterías.
Las baterías compuestas de plomo-acido, son las encargadas de almacenar la
energía recibida por las celdas fotovoltaicas, por medio del regulador de carga, para
luego distribuir la energía eléctrica, primero, al inversor de corriente y después al
motor eléctrico de 0,180 𝑘𝑊. Las baterías forman un conjunto conectadas en
paralelo.
Figura 3.5. Banco de baterías
82
Fuente Autores
3.1.1.7 Inversor de corriente (antes)
El inversor, que se encontraba ubicado en las instalaciones, cumplía la función de
elevar el voltaje de entrada, que para el caso es de 12 𝑉, y convertirlo en 110 𝑉 que
es el voltaje de operación del motor eléctrico. Era un inversor de 1000 𝑊 de potencia
nominal; el inversor se dañó posiblemente por una inadecuada conexión. Así que
se compró un nuevo inversor de menor potencia, pero capaz de cumplir con la
demandad exigida por el motor eléctrico de 0.18 𝑘𝑊.
3.1.1.8 Caja de control (antes)
La caja de control es donde se encuentran las protecciones y dispositivos que hacen
posible el funcionamiento adecuado de los motores eléctricos. La caja se
encontraba ubicada en un lugar un poco incómodo de visualizar, los elementos que
estaban presentes en dicha caja de control son los siguientes:
Contactores de potencia. Los motores eléctricos comienzan su arranque en
el momento que los contactores se activan, su activación depende de la
acción de un temporizador. Cuentan con la capacidad de cortar elevadas
83
corrientes de un motor. La figura 3.6 muestra el tipo de contactor usado en la
caja de control.
Figura 3.6. Contactor de potencia
Fuente CHINT material eléctrico. Catálogo de productos
Disyuntor termomágnetico. Protege el circuito eléctrico de intensidades
elevadas, con indicador de color para saber si está activo o inactivo. El que
se encuentra ubicado en la caja de control, solamente protege el circuito del
motor que funciona con la red de energía fotovoltaica.
Figura 3.7. Disyunto termomágnetico
Fuente CHINT material eléctrico. Catálogo de productos
Relé. El relé tiene la función de abrir o cerrar el circuito, cuando se energiza
o no la bobina del mismo, también es un elemento de protección.
84
Figura 3.8. Relé
Fuente Autores
Temporizador. El temporizador es un elemento que sirve para conectar y
desconectar el circuito eléctrico en un tiempo determinado.
Figura 3.9. Temporizador
Fuente Autores
Borneras. Las borneras permiten el paso de corriente de un elemento a otro,
algunas de las borneras se encontraban quemadas así que se cambiaron.
85
La caja de control como se veía antes de la elaboración del presente proyecto se
muestra en la figura 3.10.
Figura 3.10. Figura Caja de control (antes)
Fuente Autores
Como se observa en la imagen hay unos cables de tonalidad oscura, eso significa
que se sulfataron, por lo tanto el circuito no funcionaba y se tuvieron que hacer los
arreglos necesarios para el uso adecuado de la caja de control.
3.1.2 Mejoras realizadas a las instalaciones durante el presente proyecto.
Cuando se comenzaron las labores para la ejecución del proyecto, se encontraron
daños, por ejemplo, el inversor de corriente que estaba instalado no funcionaba, se
verifica su falla en los laboratorios de Electrónica de la Facultad Tecnológica, y se
intenta buscar una posible solución, pero no se encuentra existo en ello.
86
El procedimiento que se hace es verificar continuidad desde la entrada y salida, se
observa que no hay continuidad, luego se destapa el dispositivo y se observa que
hay un fusible que presenta derretimiento, en su parte conductora. Al cambiarse el
fusible, y poner en operación el inversor, se presentan señales de corto. Se hace la
revisión completa del circuito interno del dispositivo, ubicando los posibles daños.
Finalmente, se observa el daño, pero el componente afectado tiene dificultades al
momento de comprarse, ya que no es muy común en el mercado, así que se decide
comprar un nuevo dispositivo. El inversor es un elemento importante para el
funcionamiento completo de las instalaciones.
Figura 3.11. Evaluación del funcionamiento del inversor
Fuente Autores
3.1.2.1 Inversor de corriente (ahora).
El nuevo inversor funciona adecuadamente. Sus principales características son las
siguientes:
87
Tabla 3.3. Características del nuevo inversor
Potencia máxima de salida 410W
Potencia pico 820W
Carga máxima de corriente 42 A
Eficiencia optima 85%
Frecuencia de salida 60 Hz ± 3Hz
Rango de voltaje de salida 110V – 125V AC
Rango de voltaje de entrada 10V – 15V DC
Puerto USB UNO, 2A 5V DC
Protección de sobrecarga SI
Dimensiones 65”L * 4”W * 2.2”H
Peso APROXIMADAMENTE 2 LBS
Cables UNO ROJO – UNO NEGRO
Fuente Autores
En el proceso de la adquisición del nuevo inversor se obtuvo diferente información
para comprar un dispositivo económico pero que cumpliera con las especificaciones
exigidas por el sistema, y, debido a ello, fue posible evaluar las posibles fallas del
inversor anterior, se piensa que el inversor se vio afectado por la conexión directa a
las baterías. La figura 3.12 muestra el inversor que se ha comprado para el
funcionamiento del motor eléctrico de 0.18 𝑘𝑊
88
Figura 3.12. Actual inversor de corriente
Fuente. Autores
3.1.2.2 Techo protector.
En el momento de adecuar las instalaciones, de forma que fuese sencillo la
ejecución de los manuales, se vio que la revisión de los motores no era sencilla así
que se decide cambiar el techo, y ubicar uno que funcione para ver los motores de
una manera mucho más accesible y cómoda.
89
Figura 3.13. Instalaciones de la ubicación de los motores (antes)
Fuente VARGAS, Luis Angel. Sistema de ventilación de aire alimentado por
energía solar
Como se puede observar el único acceso es por una parte lateral y los motores son
visibles desde la parte superior, pero la parte superior esta sellada. El techo se
cambia por láminas de pino, un tipo de madera que tolera en cierta medida la
húmeda, y que sirve para realizar una puerta que de visibilidad a los motores; la
figura 3.14 muestra el techo actual.
90
Figura 3.14. Instalaciones de la ubicación de los motores (ahora)
Fuente. Autores
El techo de madera tiene un recubrimiento en barniz que permite alargar la vida útil,
además, se protege con un tapete que sirve de protección y evita la filtración de
agua. En la figura se muestra la zona por donde se puede abrir el techo para que
los motores, la tobera y parte de la tubería queden visibles para el practicante.
3.1.2.3 Pulsador – Interruptor doble.
El pulsador es el elemento que abre el circuito general; cuando se da el botón de
encendido (ON), todo el sistema eléctrico empezara a funcionar. El interruptor debe
estar conectado a la red eléctrica, lo que causa que primero trabaje el motor de
1.5 𝑘𝑊. Dependiendo del tiempo de funcionamiento, que se programe en el
temporizador, se activara el motor de 0.18 𝑘𝑊.
91
El interruptor se pone como protección manual para el sistema eléctrico, y para que
el proceso de ejecución de los manuales sea más didáctico. El pulsador se muestra
en la figura 3.15.
Figura 3.15. Interruptor doble
Fuente Autores
3.1.2.4 Caja de control (ahora).
Se construye una caja en donde se pueda ubicar el sistema de control automático
de los motores eléctricos, la caja es de un tipo de madera (láminas de pino), el
material, como ya se dijo, tiene cierta tolerancia a la humedad, igual que el techo,
también, se le aplica barniz para alargar la vida útil de los materiales y se protege
con un tapete. Se dejan todos los elementos que se mencionaron en la sección
3.1.1.8, agregando solamente el interruptor y cambiando algunos cables que se
encontraban sulfatados. La figura 3.16 muestra cómo se encuentra la caja
actualmente.
92
Figura 3.16. Caja de control (ahora)
Fuente Autores
El lector podría hacer la comparación de la figura 3.10 con la figura 3.16, y si es
posible asistir al lugar para verificar la comodidad en el momento de hacer el
proceso. La figura 3.17 muestra la ubicación de la caja y la protección realizada para
evitar las filtraciones de agua.
93
Figura 3.17. Ubicación de la caja control
Fuente. Autores
3.1.3 Funcionamiento de las instalaciones.
En esta parte del capítulo 3 se expone el funcionamiento de las instalaciones, esto
para comprender mejor el porqué de la elaboración de los manuales de laboratorio,
y la ejecución de los mismos.
3.1.3.1 Tuberías enterradas.
Como se ha dicho en repetidas ocasiones, las tuberías se encuentran bajo tierra, la
tubería de mayor diámetro, se encuentra a dos metros, la de diámetro medio a una
profundidad de 1.8 metros y la de diámetro pequeño a 1.6 metros. La pared de la
tubería intercambia calor con el terreno que se encuentra a una temperatura
aproximadamente constante. Cuando el aire entra por las tuberías el intercambio de
calor sucede con la pared de tubería interna y el aire; la aproximación que se hace
es que la temperatura del terreno es la misma temperatura que tiene la pared interna
de la tubería.
94
En el proceso, de intercambio de calor, puede ocurrir una refrigeración del aire, o
que el aire se caliente, la deducción de uno o del otro proceso, se conoce por medio
de la temperatura de entrada y la temperatura del suelo si la temperatura de entrada
es mayor que la temperatura del suelo, ocurrirá la refrigeración, pero si la
temperatura de entrada es menor que la del suelo, ocurrirá un calentamiento del
aire.
El enfriamiento o calentamiento del aire también, se evidencia con la temperatura
de salida si la temperatura de salida es mayor a la entrada el aire se ha calentado,
pero si es menor la temperatura de salida que la de entrada entonces ha ocurrido
un enfriamiento, la temperatura de salida es un valor de gran relevancia, ya que es
un indicador de confort térmico en el recinto que se quiere acondicionar por medio
del sistema de tuberías enterradas.
Cada una de las tuberías cuenta con una válvula que permite la apertura o cierre de
la tubería; como las tres tuberías se encuentran acopladas a una tobera, en donde
también se acopla el motor de un 1.5 𝑘𝑊 y el ventilador. Cuando se quieren realizar
mediciones con cierta tubería deberá cerrarse la válvula de las otras dos tuberías.
3.1.3.2 Motores eléctricos.
Son dos motores eléctricos los que se encuentran en las instalaciones, un motor de
1.5 𝑘𝑊 que recibe energía de la red eléctrica pública. El otro motor es de una
potencia nominal de 0.18 𝑘𝑊, este motor recibe energía del par de baterías, pero
como la corriente de las baterías es continua y además su tensión es muy baja para
generarle algún movimiento al motor, se debe usar, entonces, un elemento que
convierte la corriente directa en alterna, y que eleve la tensión, dicho dispositivo es
el inversor de corriente el cual aparece en la figura 3.12. La figura 3.18 muestra los
elementos con sus nombres y a que motor pertenecen para que haya una mejor
ubicación con respecto a lo que se trata en este texto.
95
Una vez los contactores quedan energizados los motores entraran en operación, la
carga de cada uno de los motores, es un ventilador centrifugo, que se utiliza para
inyectar el aire exterior a las tuberías enterradas.
Figura 3.18. Componentes eléctricos
Fuente. Autores
3.1.3.3 Baterías.
Las baterías sirven como acumuladores de energía, las baterías son del tipo plomo-
acido, y son las ideales para el tipo de configuración que se presenta en las
instalaciones del ICTA. Son dos baterías que se acoplan en paralelo lo que permite
que el voltaje de entrada sea igual al de salida, el tipo de baterías que se usan son
de 12 𝑉 cada una, con una capacidad de 150 𝐴ℎ.
96
3.1.3.4 Regulador de carga.
El regulador de carga es un elemento que controla los picos elevados de corriente
y voltaje proporcionados por el acople de paneles solares; el elemento regula el
voltaje a 12.4 𝑉 suficientes para cargar las baterías. También, tiene una conexión
de 5 𝑉 que se usa para conectar un cable USB y poder brindar energía a una batería
de teléfono. El dispositivo se ubica conectándolo al panel solar, y a la salida del
dispositivo se conectan las baterías.
3.1.3.5 Celdas Fotovoltaicas.
Las celdas son las encargadas en convertir la radiación solar en energía eléctrica,
la teoría no se aborda en este texto, pero se encuentra de forma completa en el
texto: Handbook of Solar Energy, el cuál aparece en las referencias. Las
instalaciones cuentan con dos celdas acopladas en paralelo, las características se
pueden ver en la tabla 3.2; estas características se tienen en cuenta en el momento
de realizar los cálculos de eficiencia de cada uno de los elementos, los detalles se
observan en el laboratorio número dos.
3.1.3.6 Caja de control.
Los elementos que se han mencionado en las anteriores secciones se interconectan
aquí, los motores eléctricos se conectan a su propio contactor, los paneles solares
y las baterías se conectan al regulador de carga; una vez que los motores reciban
la energía eléctrica por medio de los contactores, serán capaces de inyectar el aire
ambiente a través de las tuberías. En la caja control se ubica un temporizador que
controla los tiempos de funcionamiento de cada motor, se ha planeado que el motor
de 1.5 𝑘𝑊 funcione durante 12 horas y que el motor de 0.18 𝑘𝑊 funciona durante
dos horas, esto a lo largo de un día. Los elementos de la caja control se pueden
visualizar en la figura 3.18.
97
3.2 ELEMENTOS DE MEDICIÓN, SOFTWARES Y TABLAS
En el capítulo 2 se han mostrado las bases teóricas y las relaciones matemáticas
que se necesitan usar y comprender, para realizar el correspondiente análisis al
Intercambiador de Calor Tierra-Aire (ICTA); en el capítulo 1 se exponen los procesos
que ha tenido el montaje, de mejoras y nuevos análisis o propuestas realizadas por
diferentes investigadores, esto se discute en los antecedentes. En este capítulo se
pretende indicar cómo se obtienen algunas variables a través de diferentes
elementos de medición. La figura 3.19 muestra el sistema a estudiar y los elementos
pertenecientes al sistema, presentados de forma esquemática, el sistema que se va
medir tiene su entrada a la salida de los motoventiladores, y su salida se encuentra
después del paso por medio de las tuberías enterradas.
Figura 3.19. Definición del sistema
Fuente. Autores
98
3.2.1 Datalogger Campbell Scientific CR1000.
El CR1000 proporciona datos de medición con alta precisión en un ambiente
robusto. El Datalogger incluye CPU (Central Processing Unit) que permite procesar
datos y analizar rutinas. Los software PC200, PC400 o LoggerNet proveen
programas generados y editados, recuperación de datos y tiempo real de monitoreo.
Los programas son incondicionales para la medición y toma de datos; se usa en
este trabajo el software PC200W.
El instrumento permite tomar datos y hacer registros de ellos, a precisión, datos que
además varían en el tiempo es por ello, que con su reloj incorporado da a conocer
la fecha y hora con exactitud de la toma del valor.
A continuación, se muestra una imagen general del elemento, donde se observan
sus entradas y salidas, junto con las indicaciones de cada una. Estas se especifican
a detalle en el manual: Descripción General del Sistema de Medición el manual se
encuentra en la página de Campbell Scientific. La figura 3.20 muestra un esquema
del Datalogger CR1000 que se usó para las mediciones de temperatura del terreno,
temperatura ambiente, y algunas propiedades térmicas del terreno.
Figura 3.20. Datalogger CR1000
99
Fuente Campbell Scientific. CR1000 Descripción general del sistema de medición
y control
3.2.2 Sensor L-107.
El sensor L-107 es una sonda de temperatura que permite obtener datos a través
del datalogger Campbell Scientific, su funcionamiento se produce por un termistor.
() El termistor es un sensor de temperatura por resistencia, funciona por la variación de la resistividad que presenta un semiconductor debido a la temperatura.
100
Es un sensor robusto y preciso que mide temperatura del aire, del suelo y del agua,
con un rango de −35℃ a 50℃. Es posible usarlo en una amplia gama de
aplicaciones; para el trabajo se usa el sensor midiendo la temperatura ambiente del
lugar donde se ubican los intercambiadores de calor, su conexión y la programación
del Datalogger se indican en la página web creada por los autores, en el capítulo 4
se deja el link de la página. A continuación se muestra una imagen del sensor L-
107.
Figura 3.21. Sensor de temperatura L-107
Fuente Campbell Scientific. 107 sensor temperatura (termistor)
3.2.3 Sensor TP01.
El sensor TP01 es un sensor para el monitoreo a largo plazo de conductividad
térmica del suelo, capacidad calorífica y difusividad térmica. El registro de datos es
rápido y de fácil interpretación. El TP01 está diseñado para estar adecuado un largo
periodo de tiempo en el suelo sin sufrir daños. Su rango de datos de conductividad
térmica se encuentra de 0.3 𝑤/𝑚𝐾 a 4 𝑤/𝑚𝐾 los cuales son suficiente para mostrar
101
cualquier tipo de suelo inorgánico. Las principales aplicaciones son encontrar en el
suelo físico, propiedades térmicas del suelo. Un típico TP01 está incorporado en un
sistema meteorológico en donde también el viento, la humedad, el flujo de calor y la
radiación son medidos.
Lo descrito anteriormente, son las observaciones generales del sensor para mayor
detalle se deja la ubicación del manual en la página web que se ha construido. A
continuación se muestra una imagen donde se observa el bulbo de la sonda.
Figura 3.22. Sensor TP01
Fuente Hukseflux thermal sensors. TP01 manual del usuario
() El suelo inorgánico se conoce como fragmentos minerales de diferentes diámetros como las gravas, limo, piedras, arcilla, arena.
102
3.2.4 Termopar Tipo K.
El termopar tipo k, es un sensor que sirve para medir temperatura, por medio de dos
metales diferentes su rango de temperatura está determinado por el diámetro del
alambre de dichos metales. El termopar tipo k se usa para registrar la temperatura
del terreno. Es un dato importante, ya que se hace la aproximación de que la
temperatura superficial del tubo es igual a la del terreno; los detalles se especifican
en el desarrollo de los manuales de laboratorio.
3.2.5 Termohigrómetros.
Los termohigrómetros son sensores que proporcionan datos de temperatura y
humedad relativa en el punto evaluado, un primer punto de ubicación es después
de los ventiladores y antes de que la tubería empiece su recorrido bajo tierra; el otro
punto es a la salida de la tubería, luego de haber pasado bajo tierra.
Figura 3.23. Termohigrómetro
Fuente Autores
103
3.2.6 Pinzas amperimétricas.
Las pinzas amperimétricas son una herramienta que muestra los datos de corriente
y voltaje, estos son los valores para evaluar las potencias que absorben los motores
eléctricos, además las pinzas permiten la medición de continuidad, resistencia y
frecuencia. El voltaje pico de medida es de 1000 V AC y 750 V DC; la corriente pico
es hasta de 1000 A. las pinzas tienen una abertura de 2.24 pulgadas (0.057 m). La
característica principal de las pinzas es que se pude medir corriente sobre uno de
los cables conductores sin necesidad de abrir el circuito. La pinza que se utiliza es
la que aparece en la figura 3.24.
Figura 3.24. Pinzas amperimétricas
Fuente Buscador Google. CEDE
3.2.7 Solarímetro.
El solarímetro o piranómetro es un instrumento que se utiliza para medir la radiación
solar sobre una superficie plana. El espectro de la radiación solar va desde 300 𝑛𝑚
104
hasta 2800𝑛𝑚, el sensor deberá cubrir este intervalo del espectro con alto grado de
sensibilidad. El solarímetro es el que aparece en la figura 3.25.
Figura 3.25. Piranómetro
Fuente Buscador Google. TRANSCAT
3.2.8 Analizador de calidad de potencia.
Es un instrumento de medición para parámetros eléctricos y redes de distribución;
permite que el usuario obtenga datos de forma instantánea, registrando las
características de la red de una sola fase como por ejemplo: corriente, voltaje,
potencia, armónicos de la corriente, etcétera. Se recuerda que son las
características del instrumento que se usa, hay analizadores de calidad de
potencias capaces de medir redes de más de una fase.
Características:
() La red de una sola fase es la que se conoce como red eléctrica monofásica (120V).
105
Medidas hasta 660VRMS o VDC
Medidas hasta 6500AAC o 1400ADC
Calcula y muestra la potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente,
factor de potencia, y el desplazamiento del factor de potencia en una sola
fase.
Muestra distorsión armónica total para voltaje y corriente (THD-F y THD-R)
Calcula y muestra la rotación de fase en RPM
Muestra el valor de una resistencia hasta 2000
Realiza pruebas de continuidad y diodos
Los anteriores puntos muestran las características más relevantes; la figura 3.26
enseña un esquema general del dispositivo.
() Los voltajes en funcionamiento de una red alterna se expresan de forma común por su valor efectivo o RMS (Root Mean Square-Raiz Media Cuadrática). () Cuando la onda de corriente o tensión, que debería tener un comportamiento ideal sinusoidal, y se observa que está contaminada o distorsionada, entonces se dice que hay una distorsión armónica.
106
Figura 3.26. Esquema general del medidor de calidad de potencia
Fuente AEMC INSTRUMENTS. Manual del usuario
3.2.9 Calibrador de sensores de temperatura.
Para hacer la toma de mediciones en las instalaciones de los Intercambiadores de
Calor Tierra-Aire es necesario asegurarse que los dispositivos se encuentran
calibrados es decir, que los valores que se evidencian en ellos sean los correctos,
para ello se toman unos dispositivos, que se usan como patrón, para comparar el
desfase que tienen los termohigrometros y observar si están o no calibrados. Como
los termohigrometros registran dos datos, temperatura y humedad relativa, deben
ser dos los objetos patrón para hacer la comparación por cada valor que muestra el
termohigrómetro.
El calibrador de sensores de temperatura es un dispositivo que se utiliza para ajustar
el dato de temperatura por medio de una sonda, que tiene un bulbo de platino, esta
característica permite que los datos se mantengan estables en un largo periodo de
107
tiempo; el dispositivo se encuentra en la Universidad Distrital Francisco José de
Caldas, Facultad Tecnológica, en el laboratorio de Ciencias Térmicas. La figura 3.27
muestra el dispositivo que se usa para hacer la calibración de temperatura, su marca
es P.A. Hilton. La forma como se realiza el procedimiento de calibración se muestra
en la página web que se ha creado para comprender adecuadamente los
laboratorios, las gráficas de calibración aparecen en el capítulo 5.
Figura 3.27. Calibrador de temperaturas
Fuente. Autores
108
3.2.10 Higrómetro LM-8000.
El higrómetro LM-8000 es un instrumento que se utiliza para hacer mediciones de
diferentes tipos: velocidad del viento, luminosidad, temperatura y humedad relativa.
Para el caso, se usa el instrumento para registrar valores de humedad relativa y
compararlos con los tomados por los termohigrometros, la figura 3.28 muestra el
instrumento LM-8000.
Figura 3.28. Termohigrómetro LM-8000
Fuente. Autores
Para hacer el registro de datos, y poder variar las propiedades del aire atmosférico,
se utiliza el banco de psicrometría ubicado en el laboratorio de Ciencias Térmicas,
el banco permite hacer variaciones de velocidad del viento, temperatura y humedad
relativa, ideal para hacer las calibraciones; los detalles se muestran en la página
109
web, ya antes mencionada. La gráfica que compara los datos registrados por los
termohigrómetros y por el dispositivo LM-8000 se muestran en el capítulo 5. La
figura 3.29 muestra los termohigrometros ubicados en el banco de psicrometría.
Figura 3.29. Calibración de los termohigrometros con ayuda del banco de psicrometría
Fuente. Autores
3.2.11 PC200W.
El software PC200W permite la comunicación directa entre el Datalogger y la
computadora, ayuda a generar el envío de los programas al Datalogger, necesarios
110
para la toma de mediciones las cuales muestra en tiempo real además, permite la
recolección y agrupación de datos. Al momento de hacer las operaciones, en el
programa, siempre hay una guía paso a paso, que es fácil de interpretar.
Figura 3.30. Interfaz general del PC200W
Fuente. Autores
La figura 3.30 muestra una interfaz general del programa. Un dato importante es
que no es necesario que el usuario conozca algo de programación pues el software
almacena los programas para el funcionamiento de los sensores, las indicaciones
al respecto se muestran en la página web y su uso se evidencia en los manuales de
laboratorio, que son el objetivo general del trabajo. Los manuales se ubican en el
apéndice. El programa puede descargarse de la página oficial de Campbell
Scientific.
111
3.2.12 EES.
El EES (Engineering Equation Solver), es una solucionador de ecuaciones de
ingeniería, es un software muy útil para la solución de los manuales de laboratorio.
En general es una herramienta capaz de resolver cientos de ecuaciones algebraicas
no lineales que no son sencillas de resolver de forma analítica, también es posible
resolver ecuaciones diferenciales por este medio. Una ventaja importante para el
usuario es que el programa da señales de inconsistencia por medio de las unidades,
en forma explícita, el software analiza las unidades de cada magnitud para obtener
un resultado correcto. El programa permite analizar propiedades termodinámicas,
es una gran ventaja para la elaboración del presente trabajo; además, permite
obtener la carta psicrométrica con diferentes presiones, y obtener las propiedades
en algún punto de la carta por medio del solucionador de ecuaciones. El software
también se va usar para encontrar otras propiedades del aire como la viscosidad, la
densidad, el número de prandtl, entre otras.
3.2.13 Carta psicrometrica.
La carta psicrometra es una gráfica que permite observar propiedades de la mezcla
de gas y vapor (aire seco y vapor de agua), los valores que se ven en la carta
dependen de una forma general de la presión atmosférica, la cual cambia con la
ubicación, exactamente con la altura sobre el nivel del mar. Bogotá se encuentra a
2640 metros sobre el nivel del mar, haciendo que su presión atmosférica sea de
74.61 𝑘𝑃𝑎; y la carta psicrometrica de los textos de estudio de Termodinámica
muestran datos con la presión de 1 𝑎𝑡𝑚 o 101.325 𝑘𝑃𝑎. El programa EES permitirá
obtener las propiedades psicrometricas para la presión de Bogotá; la figura 3.31
muestra la carta psicrometrica para Bogotá.
112
Figura 3.31. Carta psicrometrica para Bogotá
Fuente Autores por medio del software EES
113
4 PÁGINA WEB Y MANUALES DE PROCEDIMIENTO
En el siguiente capítulo se va a mostrar, de forma general, el contenido principal de
los manuales o guías de laboratorio que se construyeron, recordando que es el
objetivo general del presente proyecto. Además, se ha elaborado una página web
para brindar algunas generalidades al laboratorista o practicante, allí también se
encuentran ubicados los laboratorios.
Se han elaborado cuatro laboratorios que tienen algo en común y es mostrar el
potencial que poseen las instalaciones en general, es por ello que se hacen unos
manuales en donde se incluya en el cálculo cada componente los cuales han sido
agregados con el paso del tiempo, desde el inicio de la construcción de los
intercambiadores de calor (año 2006), teniendo finalmente los elementos que
aparecen en el capítulo 3. Además, se ha hecho la construcción de una página web
donde, de forma didáctica, se pueden observar las generalidades de todo el
conjunto de las instalaciones, los elementos de medición, los programas y cartas
que se usan para la ejecución de cada uno de los laboratorios. Se muestran,
también, las especificaciones de cada uno de los laboratorios.
4.1 PÁGINA WEB: ICTA (INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE)
Para poder resolver los laboratorios se ha realizado una guía, general, en donde se
explican las instalaciones en general, algunos instrumentos que se usan en la
medición para la ejecución de las prácticas, estos elementos se especifican allí,
debido a su ligera complejidad con su uso. Por ejemplo un dispositivo explicado es
el Datalogger, es un elemento delicado e importante para el registro de datos, así
que se debe revisar la forma de usarlo para no averiarlo. Esta guía aparece como
una página web, de forma didáctica se pueden visualizar los diferentes
componentes de las instalaciones y las especificaciones para cada laboratorio.
114
Los programas que se usan también se explican en la página, esto para que el
proceso de recolección de datos sea más rápido para el practicante, es decir, que
no sea necesario para el usuario buscar textos o videos tutoriales en donde se
explique cómo deben manejarse los programas; la guía que se elabora explica cómo
se deben usar los software con el enfoque hacia la solución de los laboratorios. En
la sección 3.2 se han explicado los elementos de medición, los programas y las
tablas que se usan, en él se mencionan el PC200W y el EES, que son los dos
programas que se usan para la obtención de datos y cálculos de diferentes valores;
como no es sencilla su interpretación se explican en la página.
La página web también explica algunos detalles de los laboratorios, cómo obtener
algunas variables por medio de los programas, o si se deben buscar tablas o
gráficos, para poder resolver cada laboratorio. Las especificaciones de cada
laboratorio incluyen una tabla con las variables, cuál es su definición y como se
puede obtener; muestra la forma de usar los elementos de medición, se encuentra
un archivo con el laboratorio propuesto, y se encuentra un ejemplo solución. Se
accede a la página con el siguiente link
https://sites.google.com/correo.udistrital.edu.co/icta/
4.2 LABORATORIO UNO: CÁLCULO DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL
TERRENO AL AIRE POR MEDIO DE UNA TUBERÍA PARA UN SISTEMA
ICTA
El laboratorio uno consiste en obtener el valor de la transferencia de calor, en el
marco teórico se habla acerca de su significado, ya que en el área de Ciencias
Térmicas, como en otras áreas en la ingeniería, es de suma importancia conocer a
detalle los valores que se quieren calcular y los resultados que se obtienen.
115
El laboratorio uno es de gran relevancia, ya que el sistema consiste en la
transferencia de calor del terreno al aire, bien sea, en una dirección positiva o
negativa, por ello es importante conocer la magnitud de dicho valor y su signo. La
estructura del primer laboratorio es la siguiente:
Introducción: se explica de forma general el laboratorio.
Metodología: se exponen los lineamientos a seguir a lo largo de la ejecución
de laboratorio.
Definición del sistema: se muestra como queda definido el sistema a estudiar,
mostrando algunas restricciones y aproximaciones, para lograr resolver el
laboratorio.
Métodos a utilizar: para obtener la transferencia de calor, hay dos formas de
hacerlo, por medio de la teoría de transferencia de calor convectivo y por
medio del uso de la primera ley de la termodinámica, ambos son alterados,
el primero usa un proceso que es propuesto por el docente tutor del proyecto,
Camilo Andrés Arías, y el otro usa la primera ley para una mezcla de gases.
Ambos procesos se explican en el laboratorio y su teoría se profundiza en el
marco teórico del presente trabajo.
Objetivos: se trazan unos objetivos para evaluar de forma adecuada las
conclusiones, y para que se identifique cual de la información obtenida es de
mayor relevancia.
Variable principal a encontrar: se menciona cual es la variable de mayor
interés.
Instrumentos a utilizar: el texto muestra que elementos se deben usar para
poder encontrar la variable principal.
Procedimiento para el registro de datos: se enlista, brevemente, unos pasos
para obtener algunos datos que se obtienen mediante medición y registro.
116
Cálculo de las demás variables: en esta sección aparece como obtener los
demás valores que no se obtienen por medio de medición, sino que es
necesario el uso de tablas, software y ecuaciones o formulas.
4.3 LABORATORIO DOS: CÁLCULO DEL RENDIMIENTO GLOBAL PARA EL
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA CON LA RED ELÉCTRICA Y LA RED
FOTOVOLTAICA
La idea general del laboratorio número dos, es poder conocer por medio de los
rendimientos locales, el rendimiento que tiene el sistema en conjunto, es por ello
que se analizan los componentes de mayor peso energético, pertenecientes a las
instalaciones, y que contribuyen en un gasto o en un ahorro de energía. Los
rendimientos se obtienen mediante la evaluación “de lo que da y recibe” cada
elemento significativo, siendo en forma eléctrica de trabajo o en forma de calor.
En el laboratorio dos, se hace la distinción entre el sistema que funciona con energía
de la red eléctrica, y aquel que funciona con energía solar fotovoltaica para
finalmente obtener por separado una eficiencia global y hacer la respectiva
comparación. El segundo laboratorio muestra la siguiente estructura:
Introducción: se explica de forma general el laboratorio.
Metodología: se exponen los lineamientos a seguir a lo largo de la ejecución
del laboratorio.
Explicación de las instalaciones: De forma muy general, se explica cuál es el
funcionamiento del montaje en conjunto, la idea es que para la persona que
deba realizar los laboratorios entienda mediante la observación y la
evaluación del sistema el funcionamiento global de las instalaciones.
Método a utilizar: En teoría, el laboratorio número dos no tiene un método
teórico o alguna ley científica la cual seguir, sino es un trabajo de enfoque
práctico, unos valores ya deben conocerse del laboratorio uno, en el cual si
117
se usan métodos analítico teóricos. Así que para la solución final, el trabajo
en su desarrollo se basa en la observación y evaluación mediante relaciones
simples.
Objetivos: se trazan unos objetivos para evaluar de forma adecuada las
conclusiones, y para que se identifique cual de la información obtenida es de
mayor relevancia.
Variable principal a encontrar: se menciona cual es la variable de mayor
interés, para el caso es el rendimiento global, de cada forma de
funcionamiento, bien sea por medio de la red eléctrica o por medio de la
energía solar fotovoltaica.
Instrumentos a utilizar: el texto muestra que elementos se deben usar para
poder encontrar la variable principal.
Procedimiento para el registro de datos: se enlista, brevemente, unos pasos
para obtener algunos datos que se obtienen mediante medición y registro.
Se hace por separado para el sistema con funcionamiento de red eléctrica y
para el que funciona con energía solar fotovoltaica. Además que para la red
fotovoltaica aparecen otros elementos, que no tiene la red eléctrica.
Cálculo de las demás variables: en esta sección aparece como obtener los
demás valores que no se consiguen por medio de medición, sino que es
necesario el uso de tablas, software y ecuaciones o formulas.
4.4 LABORATORIO TRES: CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE SALIDA
En el laboratorio número tres se intenta conocer la temperatura de salida de dos
formas, a través de un método analítico y por medio de un método experimental,
con la intención de conocer ambos resultados y hacer la comparación, observar que
tan lejos está uno del otro, los autores esperan que los resultados no sean
exactamente parecidos debido a que los elementos de medición no son muy
118
precisos, y la forma analítica que se utiliza tiene ciertas aproximaciones, pero en el
presente texto y en el propio laboratorio se realizaran las conclusiones respectivas.
Luego de obtener la temperatura de salida se obtiene el valor de la temperatura
ambiente para observar la diferencia de temperatura y conocer cómo será
acondicionado el espacio, que para el caso es la sala de software. El laboratorio
tres contiene la siguiente estructura:
Introducción: se explica de forma general el laboratorio.
Metodología: se exponen los lineamientos a seguir a lo largo de la ejecución
del laboratorio.
Definición del sistema: Se define, brevemente, el sistema a estudiar y se
aclaran las aproximaciones que se realizan, para ejecutar adecuadamente el
laboratorio.
Métodos a utilizar: En el laboratorio se explican los dos métodos que se
utilizan, ya aclarado, siendo uno analítico y otro experimental.
Objetivos: se trazan unos objetivos para evaluar de forma adecuada las
conclusiones, y para que se identifique cual de la información obtenida es de
mayor relevancia.
Variable principal a encontrar: se menciona cual es la variable de mayor
interés, en este caso es la temperatura de salida de dos de las tres tuberías,
se utilizan dos porque una de las líneas se encuentra desconectada.
Instrumentos a utilizar: el texto muestra que elementos se deben usar para
poder encontrar la variable principal.
Procedimiento para el registro de datos: se enlista, brevemente, unos pasos
para obtener algunos datos que se obtienen mediante medición y registro.
mostrando paso a paso como llegar a la forma analítica; la forma
experimental consiste en la ubicación de los termohigrómetros y del sensor
de temperatura ambiente.
119
Cálculo de las demás variables: en esta sección se muestra como obtener
los demás valores que no se obtienen por medio de medición, sino que es
necesario el uso de tablas, software y ecuaciones o formulas.
4.5 LABORATORIO CUATRO: EVALUACIÓN DE LOS GASTOS E INGRESOS
DE LAS INSTALACIONES
El laboratorio cuatro es de gran importancia, ya que nos va mostrar las posibilidades
de ahorro del sistema, específicamente para la zona de Bogotá, porque como se
observa en el libro “Intercambiadores de Calor Tierra-Aire para Acondicionamiento
de Aire en Regiones Ecuatoriales” que las diferentes zonas del país generan
diferentes potencias de calefacción y refrigeración; y la idea del laboratorio número
cuatro es evaluar qué valor en dinero tienen las potencias que intervienen en el
sistema: potencia de absorción de los motores, potencias de refrigeración y
calefacción, entre otros valores, que permiten la evaluación de costos y ganancias.
Al final se pretende evaluar la posibilidad de ahorro. El texto tiene el siguiente
contenido:
Introducción: se explica de forma general el laboratorio.
Metodología: se exponen los lineamientos a seguir a lo largo de la ejecución
del laboratorio.
Método a utilizar: El único método que se utiliza es experimental.
Objetivos: se trazan unos objetivos para evaluar de forma adecuada las
conclusiones, y para que se identifique cual de la información obtenida es de
mayor relevancia.
Variable principal a encontrar: se menciona cual es la variable de mayor
interés, para el caso serán los gastos e ingresos, pero más importante, si
existe, es el tiempo de recuperación de las inversiones hechas al sistema.
Procedimiento para el registro de datos: se enlista, brevemente, unos pasos
para obtener algunos datos, la mayoría ya deben estar registrados si el
usuario ha realizado los laboratorios precedentes, si ya están dichos datos,
120
en esta sección se explican que datos se necesitan y como usarlos.
Igualmente los pasos que se muestran se hacen pensando en que los datos
necesarios no han sido tomados. Los datos que se deben buscar serán los
costos de los materiales y elementos que se deben comprar.
Cálculo de las demás variables: en esta sección se muestra como obtener
los demás valores que no se obtienen por medio de medición, sino que es
necesario el uso de ecuaciones o formulas.
Estos son los cuatro textos, junto con la página web (ICTA), que forman parte de la
solución del proyecto todos los textos van enfocados en evidenciar el posible
potencial que tiene el sistema, y se puede observar que se analiza, en términos de
transferencia de energía, eficiencias, acondicionamiento y costos. Los autores
consideran que son los puntos generales y que abarcan las posibilidades más
importantes para encontrar el potencial que tiene las instalaciones. Se espera que
el docente, tutor o guía y estudiante o practicante sigan y resuelvan de forma
analítica los pasos que se exponen en cada uno de los laboratorios.
121
5 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
5.1 REGISTRO DE DATOS Y CÁLCULOS
En este capítulo se muestran los resultados obtenidos, basados en los manuales de
laboratorio, se registran las propiedades de cada toma, y al final aparecen los
resultados finales; en el capítulo 4 se ha explicado en que consiste cada laboratorio,
y cuál es la variable principal, pero para llegar a obtener dicho valor es necesario el
cálculo de otras propiedades del aire atmosférico y de los elementos pertenecientes
a la instalación.
Para hacer diferentes comparaciones se han realizado cuatro tomas en cuatro
jornadas diferentes de un día siendo estas: en la mañana, tarde, al medio día y en
la noche; se eligen estas zonas horarias para poder obtener variaciones de
temperatura y humedad relativa. Antes del registro de datos es necesario tener
calibrados los sensores de temperatura y humedad relativa. Una vez se tenga lo
anterior listo se procede a realizar el registro de datos.
5.1.1 Resultados de calibración de los termohigrometros.
En esta sección se muestran los resultados que se obtuvieron de calibrar ambos
sensores de temperatura y humedad relativa (termohigrómetros); se recuerda que
para dicha instalación se deben usar dos instrumentos patrones, y el banco de
psicrometría que permite hacer las variaciones de la velocidad del aire, temperatura
y humedad, lo cual permite obtener diferentes datos para la calibración.
122
5.1.1.1 Resultados de calibración de temperatura para los sensores de entrada y
salida.
Para poder hacer la calibración de temperatura se utiliza el calibrador de
temperatura que se encuentra en el laboratorio de Ciencias Térmicas, Facultad
Tecnológica, se han registrado 10 datos para cada termohigrómetro y para el
instrumento patrón a continuación se muestran los resultados de los dos sensores,
los sensores se encuentran señalados, el sensor uno, será la entrada, el sensor dos
será la salida.
Resultados sensor 1: En la tabla 5.1 se observan los datos registrados del
instrumento patrón y del sensor 1; en la gráfica 5.1 muestra la curva de
calibración y su respectiva ecuación.
Tabla 5.1. Datos de calibración para el sensor uno
T sensor 1 T platino
12.8 12.3
16.3 15.3
17.6 16.6
17.8 16.9
19.3 18.6
19.4 18.7
19.6 19
20 19.3
20.2 19.5
20.3 19.6
Fuente. Autores
123
Gráfica 5.1. Curva y ecuación de calibración de temperatura del sensor uno
Fuente. Autores
Resultados sensor 2: En la tabla 5.2 se observan los datos registrados del
instrumento patrón y del sensor 1; en la gráfica 5.2 muestra la curva de
calibración y su respectiva ecuación.
124
Tabla 5.2. Datos de calibración para el sensor dos
T sensor 2 T platino
13.4 12.3
16.4 15.3
17.7 16.6
18 16.9
19.3 18.6
19.4 18.7
19.6 19
20.1 19.3
20.2 19.5
20.3 19.6
Fuente. Autores
Gráfica 5.2. Curva y ecuación de calibración de temperatura del sensor dos
Fuente. Autores
125
Es recomendable usar la ecuación para tener mayor exactitud, la variable 𝑦 indica
el valor calibrado o el valor cercano al que se conseguiría si se usara el termopar
de platino; y la variable 𝑥 es el valor que se mide con cada termohigrómetro, lo
anterior es general para la ecuación de la gráfica 5.1 y 5.2.
5.1.1.2 Resultados de calibración para la humedad relativa.
El elemento que se usa como patrón para la calibración de los datos de humedad
relativa es el termohigrómetro LM-8000, se obtienen los datos de este elemento y
de cada termohigrómetro en 10 instantes diferentes, se obtiene la gráfica de cada
uno y se procede a realizar su comparación. A continuación se muestra la tabla 5.3
donde aparecen los datos de humedad relativa, en porcentaje, de los dos
termohigrometros y del higrómetro LM-8000.
Tabla 5.3. Datos de humedad relativa para la calibración (%)
sensor 1 sensor 2 higrómetro
29 27 38.2
39 35 43
51 50 52.3
58 53 56.2
59 57 54.2
60 62 64.3
60 60 66.1
60 58 55.6
64 62 60.2
74 72 72
Fuente. Autores
La gráfica 5.3 muestra el comportamiento de los datos de ambos sensores y del
higrómetro LM-8000, las gráficas de los sensores uno y dos deben seguir el
comportamiento del higrómetro, y eso es lo que se puede visualizar en la gráfica
que aparece a continuación:
126
Gráfica 5.3. Gráfica de calibración para la humedad relativa
Fuente. Autores
Si se observa en la gráfica el comportamiento del sensor uno y el sensor dos, tiende
a ser similar al higrómetro, pero hay unas variaciones, los autores suponen que las
variaciones se presentan porque los sensores son lentos al momento de registrar
los datos, así que se considera que lo más conveniente es darles un tiempo de
estabilización al momento de realizar las mediciones en las instalaciones de los
Intercambiadores de Calor Tierra-Aire, y se estipula que se un tiempo alrededor de
los 10 minutos. A continuación se muestran los resultados obtenidos de las
mediciones hechas con los termohigrometros, y el Datalogger CR1000
Tabla 5.4. Resultados obtenidos de las mediciones hechas con los termohigrometros y el Datalogger (tubería de 4 pulg)
127
Fecha Hora Tubería Pulg.
Motor kw
Sensor 1 (t) ℃
Sensor 1 (rh)
Sensor 2 (t) ℃
Sensor 2 (rh)
Sensor 107 ℃
Sensor tipo k
℃
23/03/2018 20:19 4” 0.18 17.6 61% 18.2 73% 15.45 19.81
23/03/2018 20:00 4” 1.5 20.2 62% 18.2 75% 15.58 19.93
24/03/2018 16:08 4” 0.18 17.26 71% 17.9 91% 16.62 19.29
24/03/2018 15:58 4” 1.5 23.5 59% 17.9 93% 17.01 19.30
20/03/2018 13:00 4” 0.18 20.3 63% 19.1 79% 19.42 19.21
20/03/2018 12:49 4” 1.5 25.5 59% 19.4 78% 19.33 19.30
23/03/2018 8:07 4” 0.18 17.4 59% 18 77% 17.43 19.32
23/03/2018 8:01 4” 1.5 20 59% 18.1 78% 17.17 19.38
Fuente. Autores
Tabla 5.5. Resultados obtenidos de las mediciones hechas con los termohigrometros y el Datalogger (tubería de 2 pulg)
Fecha Hora Tubería Pulg.
Motor kw
Sensor 1 (t) ℃
Sensor 1 (rh)
Sensor 2 (t) ℃
Sensor 2 (rh)
Sensor 107 ℃
Sensor tipo k
℃
23/03/2018 20:26 2” 1.5 20.7 65% 17.9 75% 15.54 19.05
23/03/2018 16:12 2” 1.5 21.8 60% 18 70% 16.39 19.27
24/03/2018 13:19 2” 1.5 23.8 60% 17.6 76% 19.13 19.18
24/03/2018 8:21 2” 1.5 20.1 56% 17.8 64% 17.91 19.09
Fuente. Autores
5.1.2 Resultados del laboratorio número uno: para el motor de 0.18 𝑘𝑊 con la
tubería de 4 pulg.
Tabla 5.6. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
128
Tubería de 4 pulgadas
Longitud de tubería 𝐿 𝑚 23.877
Diámetro interno 𝐷 𝑚 0.10872
Área seccional 𝐴 𝑚2 0.00928
Área superficial 𝐴𝑠 𝑚2 8.1553
Velocidad (motor de 0.18 𝑘𝑊) 𝑉 𝑚/𝑠 2.1
Temperatura del suelo 𝑇𝑠 ℃ 19
Fuente. Autores
A continuación se muestran los datos tabulados del laboratorio número uno
para el método de transferencia de calor por convección:
Tabla 5.7. Propiedades del aire húmedo evaluadas a la temperatura y humedad
promedio (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
Temperatura
Promedio ℃
17.9
17.58
19.7
17.7
Humedad
promedio %
67
82.5
71
68
Viscosidad
dinámica
𝜇 𝑘𝑔/𝑚𝑠
0.00001813
0.0000181
0.00001821
0.00001812
Número de
Prantld 𝑃𝑟
0.7428
0.7457
0.7449
0.7429
Densidad
𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.9012
0.9013
0.8949
0.9018
Conductividad
térmica 𝑘
𝑊/𝑚𝐾
0.02503
0.02501
0.02517
0.02501
Fuente. Autores
129
Tabla 5.8. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire
(motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
Viscosidad
cinemática
𝜗 𝑚2/𝑠
0.00002012
0.00002008
0.00002035
0.00002009
Número de
Reynolds 𝑅𝑒
11348.85
11368.93
11220.01
11362.68
Coeficiente
convectivo
ℎ 𝑊/𝑚2𝐾
1.4698
1.4730
1.5100
1.4700
Velocidad de
transferencia
de calor �̇� 𝑊
13.18
17.06
-8.62
15.59
Fuente. Autores
A continuación se muestran los resultados para el motor de 0.18 𝑘𝑊 del
laboratorio número uno con el uso de la primera ley de la termodinámica
Tabla 5.9. Propiedades psicrometricas del aire húmedo
130
(motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
(1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2)
Presión de la mezcla 𝑃𝑚 𝑘𝑃𝑎 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61
Temperatura de la mezcla 𝑇𝑚 ℃ 17.6 18.2 17.26 17.9 20.3 19.1 17.4 18
Humedad relativa ∅ 0.61 0.73 0.71 0.91 0.63 0.79 0.59 0.77
Presión de saturación del vapor a la
temperatura de la mezcla 𝑃𝑔 𝑘𝑃𝑎
2.033
2.110
1.990
2.072
2.388
2.224
2.008
2.084
Volumen específico de saturación a la
temperatura de la mezcla 𝑣𝑔 𝑚3/𝑘𝑔
67.18
64.83
68.52
66.01
56.90
61.31
67.97
65.62
Constante de gas para el aire seco
𝑅 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾 0.287 0.287 0.287
0.287
0.287 0.287 0.287 0.287
Calor específico del aire seco a presión
constante 𝑐𝑝 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
Entalpía específica del vapor de agua
ℎ𝑔 𝑘𝐽/𝑘𝑔
2532.8
2533.9
2532.2
2533.4
2537.7
2535.6
2532.5
2533.6
Fuente. Autores
Tabla 5.10. Propiedades psicrometricas y calor (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
131
Noche Tarde Medio día Mañana
(1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2)
Presión
parcial de
vapor de
agua 𝑃𝑣 𝑘𝑃𝑎
1.24
1.54
1.41
1.89
1.50
1.76
1.18
1.61
Presión
parcial de
aire seco
𝑃𝑎𝑠 𝑘𝑃𝑎
74.37
74.07
74.19
73.72
74.11
73.85
74.43
74.00
Volumen
específico
𝑣𝑎𝑠 𝑚3/𝑘𝑔
1.12
1.13
1.12
1.13
1.14
1.14
1.12
1.13
Razón de
humedad 𝜔 0.01018 0.01271 0.01164 0.01562 0.01258 0.01463 0.00972 0.01325
Calor por
unidad de
masa 𝑞 𝑘𝐽/𝑘𝑔
7.0115
10.7412
3.9636
9.5449
Flujo másico
de aire seco
𝑘𝑔/𝑠
0.0174
0.0174
0.0171
0.0173
Velocidad de
transferencia
de calor
�̇� 𝑊
121.94
186.56
67.60
165.43
Fuente. Autores
132
5.1.3 Resultados del laboratorio número uno: para el motor de 1.5 𝑘𝑊 con la
tubería de 4 pulg.
Tabla 5.11. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 pulg)
Tubería de 4 pulgadas
Longitud de tubería 𝐿 𝑚 23.877
Diámetro interno 𝐷 𝑚 0.10872
Área seccional 𝐴 𝑚2 0.00928
Área superficial 𝐴𝑠 𝑚2 8.1553
Velocidad (motor de 1.5 𝑘𝑊) 𝑉 𝑚/𝑠 7.8
Temperatura del suelo 𝑇𝑠 ℃ 19
Fuente. Autores
A continuación se muestran los datos tabulados del laboratorio número uno
para el método de transferencia de calor por convección:
Tabla 5.12. Propiedades del aire húmedo evaluadas a la temperatura y humedad
promedio (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 pulg)
133
Noche Tarde Medio día Mañana
Temperatura
Promedio ℃
19.2
20.7
22.45
19.05
Humedad
promedio %
68.5
76
68.5
68.5
Viscosidad
dinámica
𝜇 𝑘𝑔/𝑚𝑠
0.00001818
0.00001825
0.00001833
0.00001817
Número de
Prantld 𝑃𝑟
0.744
0.7468
0.7464
0.7438
Densidad
𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.8967
0.8912
0.8859
0.8977
Conductividad
térmica 𝑘
𝑊/𝑚𝐾
0.02513
0.02526
0.02539
0.02511
Fuente. Autores
Tabla 5.13. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire
(motor 1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
134
Viscosidad
cinemática
𝜗 𝑚2/𝑠
0.00002027
0.00002048
0.00002069
0.00002024
Número de
Reynolds 𝑅𝑒
41827.06
41411.06
40985.13
41896.75
Coeficiente
convectivo
ℎ 𝑊/𝑚2𝐾
4.3182
4.3108
4.2966
4.3201
Velocidad de
transferencia
de
Calor �̇� 𝑊
-7.04
-59.77
-120.89
-1.76
Fuente. Autores
A continuación se muestran los resultados para el motor de 1.5 𝑘𝑊usando la
primera ley de la termodinámica
Tabla 5.14. Propiedades psicrometricas del aire húmedo
(motor 1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
135
(1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2)
Presión de la mezcla
𝑃𝑚 𝑘𝑃𝑎
75.61 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61
Temperatura de la
mezcla 𝑇𝑚 ℃
20.2 18.2 23.5 17.9 25.5 19.4 20 18.1
Humedad relativa ∅ 0.62 0.75 0.59 0.93 0.59 0.78 0.59 0.78
Presión de saturación
del vapor a la
temperatura de la
mezcla 𝑃𝑔 𝑘𝑃𝑎
2.372
2.109
2.918
2.072
3.274
2.262
2.338
2.097
Volumen específico
de saturación a la
temperatura de la
mezcla 𝑣𝑔 𝑚3/𝑘𝑔
57.19
64.83
47.53
66.01
42.12
60.13
57.78
65.22
Constante de gas
para el aire seco
𝑅 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾
0.287
0.287
0.287
0.287
0.287
0.287
0.287
0.287
Calor específico del
aire seco a presión
constante 𝑐𝑝 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
Entalpía específica
del vapor de agua
ℎ𝑔 𝑘𝐽/𝑘𝑔
2537.5
2533.9
2543.5
2533.4
2547.2
2535.1
2537.2
2533.7
Fuente. Autores
Tabla 5.15. Propiedades psicrometricas y calor (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
136
(1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2)
Presión
parcial de
vapor de
agua 𝑃𝑣 𝑘𝑃𝑎
1.47
1.58
1.72
1.93
1.93
1.76
1.38
1.64
Presión
parcial de
aire seco
𝑃𝑎𝑠 𝑘𝑃𝑎
74.14
74.02
73.89
73.68
73.68
73.84
74.23
73.97
Volumen
específico
𝑣𝑎𝑠 𝑚3/𝑘𝑔
1.14
1.13
1.15
1.13
1.16
1.14
1.13
1.13
Razón de
humedad 𝜔 0.01231 0.01307 0.01430 0.01597 0.01629 0.01474 0.01157 0.01351
Calor por
unidad de
masa 𝑞 𝑘𝐽/
𝑘𝑔
-0.1468
-1.5717
-10.268
2.9552
Flujo másico
de aire seco
𝑘𝑔/𝑠
0.0641
0.0636
0.0631
0.0643
Velocidad de
transferencia
de Calor
�̇� 𝑊
121.94
-99.99
-648.13
189.89
Fuente. Autores.
A continuación se muestran los resultados de comparación, que se
consiguieron por medio de las dos teorías expuestas para resolver el
137
laboratorio número uno. Los resultados aparecen tabulados en la tabla 5.16
que aparece a continuación:
Tabla 5.16. Resultados de la transferencia de calor (tubería 4 pulg)
Velocidad de calor
(transferencia de calor
por convección) �̇� 𝑊
Velocidad de calor (uso
de la primera ley
termodinámica) �̇� 𝑊
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊
noche -7.04 -9.42
Resultados motor
0.18 𝑘𝑊 noche 13.18 121.94
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊
tarde -59.77 -99.99
Resultados motor
0.18 𝑘𝑊 tarde 17.06 186.56
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊
medio día -120.89 -648-13
Resultados motor
0.18 𝑘𝑊 medio día -8.62 67.6
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊
mañana -1.76 189.9
Resultados motor
0.18 𝑘𝑊 mañana 15.59 165.43
Fuente. Autores
A continuación se muestra una gráfica de tipo columnas que permite observar
la comparación de los registros.
Gráfica 5.4. Comparación de los datos de calor para la tubería de 4 pulg
138
Fuente. Autores
Las columnas de color azul representan los resultados de calor obtenidos con la Ley
de Newton del Enfriamiento; las columnas naranjas representan los resultados de
calor que se consiguieron por medio del uso de la Primera Ley de la Termodinámica.
En el momento que se elaboran los cálculos se observa que uno de los métodos
tiene mayor sensibilidad respecto a las mediciones realizadas, el método es aquel
en que se utiliza la primera ley de la termodinámica; esto es porque el valor de la
humedad relativa es importante para encontrar las propiedades psicrometricas, pero
como los termohigrometros no arrojan valores precisos, y, además su respuesta de
medición es lenta, esto afecta considerablemente los resultados. Por ello se nota
una gran variación entre ambos resultados, sabiendo que ambos resultados, de los
dos métodos, deberían ser cercanamente iguales. Para continuar con los cálculos
se van a usar los datos obtenidos con la ley de enfriamiento de Newton.
-7,04
13,18
-59,77
17,06
-120,89
-8,62 -1,76
15,59
-9,42
121,94
-99,99
186,56
-648,13
67,6
189,9165,43
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
Resultados (motor1.5kW)(noche)
Resultados (motor0.18kW)(noche)
Resultados (motor1.5kW)(tarde)
Resultados (motor0.18kW)(tarde)
Resultados (motor1.5kW)(medio día)
Resultados (motor0.18kW)(medio
día)
Resultados (motor1.5kW)(mañana)
Resultados (motor0.18kW)(noche)
TRA
NSF
EREN
CIA
DE
CA
LOR
(𝑄
)W
COMPARACIÓN DE LOS DATOS DE CALOR PARA LA TUBERÍA DE 4 PULG
Transferencia de calor (uso de la ley de enfriamiento de newton)
Transferencia de calor (uso de la primera ley termodinámica)
139
5.1.4 Resultados del laboratorio número uno: para el motor de 1.5 𝑘𝑊 con la
tubería de 2 pulg.
Tabla 5.17. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg)
Tubería de 2 pulgadas
Longitud de tubería 𝐿 𝑚 11.938
Diámetro interno 𝐷 𝑚 0.0557
Área seccional 𝐴 𝑚2 0.002437
Área superficial 𝐴𝑠 𝑚2 2.0889
Velocidad (motor de 1.5 𝑘𝑊) 𝑉 𝑚/𝑠 7.8
Temperatura del suelo 𝑇𝑠 ℃ 19
Fuente. Autores
A continuación se muestran los datos tabulados del laboratorio número uno para el
método de transferencia de calor por convección:
Tabla 5.18. Propiedades del aire húmedo evaluadas a la temperatura y humedad
promedio (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
Temperatura
Promedio ℃
19.3
19.9
20.7
18.95
140
Humedad promedio %
70
66
68
60
Viscosidad dinámica
𝜇 𝑘𝑔/𝑚𝑠
0.00001819
0.00001822
0.00001825
0.00001818
Número de Prantld 𝑃𝑟
0.7444
0.7439
0.7449
0.742
Densidad 𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.8963
0.8946
0.8918
0.8981
Conductividad térmica 𝑘
𝑊/𝑚𝐾
0.02514
0.02518
0.02525
0.02511
Fuente. Autores
Tabla 5.19. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire
(motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
Viscosidad cinemática
𝜗 𝑚2/𝑠
0.00002029
0.00002037
0.00002046
0.00002024
Número de Reynolds 𝑅𝑒
21407.72
21331.94
21230.22
21462.52
Coeficiente convectivo
ℎ 𝑊/𝑚2𝐾
4.94
4.93
4.92
4.93
Calor �̇� 𝑊
-3,09
-9.26
-17.49
0.52
Fuente. Autores
A continuación se muestran los resultados del laboratorio número uno para
el motor de 1.5 𝑘𝑊, tubería de dos pulgadas con el uso de la primera ley de
la termodinámica.
Tabla 5.20. Propiedades psicrometricas del aire húmedo
141
(motor1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
(1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2)
Presión de la mezcla 𝑃𝑚 𝑘𝑃𝑎 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61 75.61
Temperatura de la mezcla 𝑇𝑚 ℃ 20.7 17.9 21.8 18 23.8 17.6 20.1 17.8
Humedad relativa ∅ 0.65 0.75 0.6 0.7 0.6 0.76 0.56 0.64
Presión de saturación del vapor
a la temperatura de la mezcla
𝑃𝑔 𝑘𝑃𝑎
2.45
2.07 2.64 2.08 2.97 2.03 2.36 2.06
Volumen específico de
saturación a la temperatura de la
mezcla 𝑣𝑔 𝑚3/𝑘𝑔
55.73 66.01 52.51 65.62 46.65 67.18 57.49 66.39
Constante de gas para el aire
seco 𝑅 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾 0.287 0.287 0.287 0.287 0.287 0.287 0.287 0.287
Calor específico del aire seco a
presión constante 𝑐𝑝 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾 1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
Entalpía específica del vapor de
agua ℎ𝑔 𝑘𝐽/𝑘𝑔 2538.47 2533.38
2540.48
2533.56
2544.12
2532.83
2537.38
2533.19
Fuente. Autores
Tabla 5.21. Propiedades psicrometricas y calor (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg)
142
Noche Tarde Medio día Mañana
(1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2)
Presión parcial de vapor de
agua 𝑃𝑣 𝑘𝑃𝑎
1.59
1.55
1.58
1.46
1.78
1.55
1.32
1.32
Presión parcial de aire seco
𝑃𝑎𝑠 𝑘𝑃𝑎
74.01
74.06
74.03
74.15
73.83
74.06
74.29
74.29
Volumen específico
𝑣𝑎𝑠 𝑚3/𝑘𝑔
1.1394
1.1279
1.1435
1.1269
1.1543
1.1267
1.1329
1.1239
Razón de humedad 𝜔 0.01329 0.01281 0.01307 0.01202 0.01485 0.01275 0.01104 0.01083
Calor por unidad de
masa 𝑞 𝑘𝐽/𝑘𝑔
-4.095
-6.57
-11.75 -2.88
Flujo másico de aire seco
𝑘𝑔/𝑠
0.01681
0.01678
0.01670
0.01688
Velocidad de transferencia
de calor �̇� 𝑊
-68.85
-110.34
-196.24
-48.65
Fuente. Autores
A continuación se muestran los resultados de comparación, que se
consiguieron por medio de las dos teorías expuestas para resolver el
laboratorio número uno. Los resultados aparecen tabulados en la tabla 5.22
que aparece a continuación:
143
Tabla 5.22. Resultados de la transferencia de calor (tubería 2 pulg)
Velocidad de calor
(transferencia de calor por
convección) �̇� 𝑊
Velocidad de calor (uso de la
primera ley termodinámica)
�̇� 𝑊
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 noche -3.09 -68.85
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 tarde -9.26 -110.34
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 medio día -17.49 -196.24
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 mañana 0.52 -48.65
Fuente. Autores
A continuación se muestra una gráfica de tipo columnas que permite observar
la comparación de los registros.
Gráfica 5.5. Comparación de los datos de calor para la tubería de 2 pulg
144
Fuente. Autores
Se observa en la gráfica 5.5 que los datos de comparación no son muy similares,
como se dijo anteriormente, esto es debido a la sensibilidad de las mediciones por
parte de una de las teorías, en específico la Primera ley de la Termodinámica.
5.1.5 Resultados del laboratorio número dos: para el motor de 0.18 𝑘𝑊
funcionamiento con energía solar fotovoltaica.
A continuación se muestran los valores que se obtuvieron en la ejecución del
laboratorio número dos:
Tabla 5.23. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
-3,09 -9,26 -17,49
0,52
-68,85
-110,34
-196,24
-48,65
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
Resultados (motor1.5kW)(noche)
Resultados (motor1.5kW)(tarde)
Resultados (motor1.5kW)(medio día)
Resultados (motor1.5kW)(mañana)
TRA
NSF
EREN
CIA
DE
CA
LOR
(𝑄
)W
COMPARACIÓN DE LOS DATOS DE CALOR PARA LA TUBERÍA DE 2 PULG
Transferencia de calor (uso de la ley de enfriamiento de newton)
Transferencia de calor (uso de la primera ley termodinámica)
145
Tubería de 4 pulgadas
Longitud de tubería 𝐿 𝑚 23.877
Diámetro interno 𝐷 𝑚 0.10872
Área seccional 𝐴 𝑚2 0.00928
Velocidad (motor de 0.18 𝑘𝑊) 𝑉 𝑚/𝑠 2.1
Fuente. Autores
Tabla 5.24. Resultados de propiedades del acople en paralelo de los paneles solares
Resultados del acople de los paneles
solares en paralelo
Potencia máxima 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝑊 300.24
Voltaje de circuito abierto 𝑉𝑜𝑐 𝑉 21.6
Corriente de corto circuito 𝐼𝑠𝑐 𝐴 19.12
Voltaje de potencia máxima 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑉 18
Corriente de potencia máxima 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝐴 16.68
Área del modulo 𝐴𝑚 𝑚2 2.0128
Fuente. Autores
Tabla 5.25. Valores para calcular los rendimientos para el sistema con energía solar fotovoltaica (motor de 0.18kW)
146
Noche Tarde Medio día Mañana
Resultados de la
intensidad solar
incidente 𝑊/𝑚2
40
835
1123
980
Resultado
intensidad del
motor 𝐼 𝐴
0.8
0.8
0.8
0.8
Resultado
tensión del motor
𝑉 𝑉
117.1
117.1
117.1
117.1
Resultados del
factor de
potencia del
motor 𝜑
0.648
0.648
0.648
0.648
Resultados de
densidad entrada
𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.9025
0.9031
0.8934
0.9033
Resultados de
densidad salida
𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.8998
0.8998
0.8964
0.9002
Resultados de
calor �̇� 𝑊
13.18 17.06 -8.62 15.59
Fuente. Autores
Tabla 5.26. Resultados de los rendimientos para el sistema con energía solar fotovoltaica (motor de 0.18kW)
147
Noche Tarde Medio día Mañana
FILL FACTOR 𝐹𝐹
0.73
0.73
0.73
0.73
Rendimiento de los paneles solares
-----
0.18
0.13
0.15
Rendimiento de las baterías
0.75
0.75
0.75
0.75
Rendimiento del inversor
0.85
0.85
0.85
0.85
Potencia absorbida por el motor 𝑊
60.70
60.70
60.70
60.70
Diferencia de presión dinámica 𝑃𝑎
-0.006
-0.007
0.006
-0.007
Diferencia de presión estática 𝑃𝑎
480.53
480.53
480.53
480.53
Diferencia de presión total 𝑃𝑎 480.52 480.52 480.53 480.52
Potencia entregada al aire 𝑊
9.37
9.37
9.37
9.37
Rendimiento del motoventilador 0.15 0.15 0.15 0.15
Rendimiento de refrigeración o calefacción
1.41
1.82
0.92
1.66
Rendimiento global
0.138
0.032
0.012
0.023
Fuente. Autores
El rendimiento del panel solar en la noche no es calculado debido a que no hay
medición de la intensidad de radiación solar sobre la superficie del panel solar.
148
5.1.6 Resultados del laboratorio número dos: para el motor de 1.5 𝑘𝑊
funcionamiento con energía de la red eléctrica
A continuación se muestran los valores que se obtuvieron en la ejecución del
laboratorio número dos:
Tabla 5.27. Valores para calcular los rendimientos para el sistema con energía de la red eléctrica (motor de 1.5 kW)
Noche Tarde Medio día Mañana
Resultado intensidad del motor 𝐼 𝐴
20.8
20.8
20.8
20.8
Resultado tensión del motor 𝑉 𝑉
117.6
117.6
117.6
117.6
Resultados del factor de potencia del motor 𝜑
0.27
0.27
0.27
0.27
Resultados de densidad entrada 𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.8938
0.8832
0.8767
0.8947
Resultados de densidad salida 𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.8997
0.8996
0.895
0.8998
Resultados de calor �̇� 𝑊 -7.04 -59.77 -120.89 -1.76
Fuente. Autores
149
Tabla 5.28. Resultados de los rendimientos para el sistema con energía de la red eléctrica
Noche Tarde Medio día Mañana
Potencia absorbida por el motor 𝑊
660.44
660.44
660.44
660.44
Diferencia de presión dinámica 𝑃𝑎
0.18
0.50
0.57
0.16
Diferencia de presión estática 𝑃𝑎
480.53
480.53
480.53
480.53
Diferencia de presión total 𝑃𝑎 480.71 480.02 480.09 480.68
Potencia entregada al aire 𝑊
34.81
34.83
34.84
34.81
Rendimiento del motoventilador 0.053 0.053 0.053 0.053
Rendimiento de refrigeración o calefacción
0.20
1.72
3.47
0.05
Rendimiento global
0.01
0.09
0.18
0.003
Fuente. Autores
A continuación se muestran los resultados de los rendimientos globales del
funcionamiento con la red de energía solar fotovoltacia, y el funcionamiento con la
red eléctrica convencional.
150
Tabla 5.29. Resultados de los rendimientos globales
Rendimientos globales
para el funcionamiento
con la red de energía
fotovoltaica
Rendimientos globales
para el funcionamiento
con la red de energía
eléctrica convecional
Noche 0.138 0.01
Tarde 0.032 0.09
Medio día 0.01 0.18
Mañana 0.02 0.002
Fuente. Autores
Gráfica 5.6. Resultados de comparación de los rendimientos globales con el funcionamiento de la red solar fotovoltaica y la red eléctrica convencional
Fuente. Autores
0,13846
0,032
0,012020,02491
0,01066
0,09049
0,18304
0,00267
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
noche tarde medio día mañana
Ren
dim
ien
to g
lob
al (
glo
b.)
COMPARACIÓN DE RENDIMIENTOS GLOBALES PARA LAS DOS FORMAS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS
INSTALACIONES
Rendimientos globales para el funcionamiento con la red de energía fotovoltaica
Rendimientos globales para el funcionamiento con la red de energía eléctrica
151
En los resultados se observa que el rendimiento de la red fotovoltaica en las horas
de la noche es elevado, y esto es porque como el horario es de noche, el panel solar
está dando más de lo que recibe, en teoría es porque acumula la energía en las
baterías, y no hay una dependencia del rendimiento del panel solar. Otra
observación es que a la hora de calcular el rendimiento global, los rendimientos del
sistema tienen la mayor influencia en el resultado final, ya que varían a lo largo de
una jornada de operación.
5.1.7 Resultados del laboratorio número tres: para el motor de 0.18 𝑘𝑊 con la
tubería de 4 pulg.
Tabla 5.30. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
Tubería de 4 pulgadas
Longitud de tubería 𝐿 𝑚 23.877
Diámetro interno 𝐷 𝑚 0.10872
Área seccional 𝐴 𝑚2 0.00928
Área superficial 𝐴𝑠 𝑚2 8.1553
Velocidad (motor de 0.18 𝑘𝑊) 𝑉 𝑚/𝑠 2.1
Temperatura del suelo 𝑇𝑠 ℃ 19
Fuente. Autores
Tabla 5.31. Propiedades del aire evaluadas a la temperatura de entrada (motor de
0.18 𝑘𝑊 tubería de 4 𝑝𝑢𝑙𝑔)
152
Noche Tarde Medio día Mañana
Temperatura
de entrada ℃
17.6
17.26
20.3
17.4
Humedad de entrada %
0.61
0.71
0.63
0.59
Viscosidad dinámica
𝜇 𝑘𝑔/𝑚𝑠
0.00001811
0.00001847
0.00001824
0.00001811
Número de Prantld 𝑃𝑟
0.7415
0.7463
0.7435
0.741
Densidad 𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.9025
0.8767
0.8934
0.9033
Conductividad térmica 𝑘
𝑊/𝑚𝐾
0.025
0.02562
0.02521
0.02498
Calor específico del aire
húmedo a presión
constante 𝑐𝑝 𝐽/𝑘𝑔𝐾
1023 1035 1028 1023
Fuente. Autores
Tabla 5.32. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire evaluadas a la
temperatura de entrada (motor 0.18 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
153
Viscosidad
cinemática
𝜗 𝑚2/𝑠
0.00002007
0.00002004
0.00002042
0.00002005
Número de
Reynolds 𝑅𝑒
11377.78
11391.63
1182.78
11387.86
Coeficiente
convectivo
ℎ 𝑊/𝑚2𝐾
1.4699
1.4716
1.5075
1.5141
Flujo másico
�̇� 𝑘𝑔/𝑠
0.01759
0.01760
0.01742
0.01761
Temperatura
de salida 𝑇 ℃
18.3 18.1 19.7 18.2
Fuente. Autores
5.1.8 Resultados del laboratorio número tres: para el motor de 1.5 𝑘𝑊 con la
tubería de 4 pulg.
Tabla 5.33. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
Tubería de 4 pulgadas
Longitud de tubería 𝐿 𝑚 23.877
Diámetro interno 𝐷 𝑚 0.10872
Área seccional 𝐴 𝑚2 0.00928
Área superficial 𝐴𝑠 𝑚2 8.1553
Velocidad (motor de 1.5 𝑘𝑊) 𝑉 𝑚/𝑠 7.8
Temperatura del suelo 𝑇𝑠 ℃ 19
Fuente. Autores
154
Tabla 5.34. Propiedades del aire evaluadas a la temperatura de entrada (motor de
1.5 𝑘𝑊 tubería de 4 𝑝𝑢𝑙𝑔)
Noche Tarde Medio día Mañana
Temperatura
de entrada ℃
20.2
23.5
25.5
20
Humedad de entrada %
0.62
0.59
0.59
0.59
Viscosidad dinámica
𝜇 𝑘𝑔/𝑚𝑠
0.00001823
0.00001838
0.00001847
0.00001823
Número de Prantld 𝑃𝑟
0.7432
0.7447
0.7463
0.7424
Densidad 𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.8938
0.8832
0.8767
0.8947
Conductividad térmica 𝑘
𝑊/𝑚𝐾
0.02521
0.02546
0.02562
0.02519
Calor específico del aire
húmedo a presión
constante 𝑐𝑝 𝐽/𝑘𝑔𝐾
1027 1031 1035 1026
Fuente. Autores
155
Tabla 5.35. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire evaluadas a la
temperatura de entrada (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 4 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
Viscosidad cinemática
𝜗 𝑚2/𝑠
0.00002039
0.00002081
0.00002107
0.00002038
Número de Reynolds 𝑅𝑒
41577.44
40749.06
40252.06
41619.30
Coeficiente convectivo
ℎ 𝑊/𝑚2𝐾
4.3099
4.2857
4.2732
4.3085
Flujo másico �̇� 𝑘𝑔/𝑠
0.06472
0.06395
0.06348
0.06479
Temperatura de salida
𝑇 ℃
19.7 21.6 22.8 19.6
Fuente. Autores
A continuación se muestran los resultados de temperatura de salida, en una
columna aparecen los datos proporcionados por el termohigrómetro y en otra
aparecen los valores obtenidos con el método analítico. Se muestra,
después una gráfica de columnas donde se visualiza la comparación de
ambos resultados.
156
Tabla 5.36. Resultados de temperatura de salida (tubería 4 pulg)
Temperatura de salida
Valor calculado 𝑇𝑒 ℃
Temperatura de salida
Valor medido 𝑇𝑒 ℃
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 noche 19.7 18.2
Resultados motor
0.18 𝑘𝑊 noche 18.3 18.2
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 tarde 21.6 17.9
Resultados motor
0.18 𝑘𝑊 tarde 18.1 17.9
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 medio día 22.8 19.4
Resultados motor
0.18 𝑘𝑊 medio día 19.7 19.1
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 mañana 19.6 18.1
Resultados motor
0.18 𝑘𝑊 mañana 18.2 18
Fuente. Autores
157
Gráfica 5.7. Resultados de comparación para le temperatura de salida de la tubería de 4 pulg
Fuente. Autores
Los resultados de temperatura son más equilibrados, en comparación con los
resultados de los calores. Las columnas de color naranja muestran los datos
recogidos por el termohigrómetro, las columnas azules son los resultados que se
consiguieron luego de usar el método analítico.
19,718,3
21,6
18,1
22,8
19,7 19,618,218,2 18,2 17,9 17,9
19,4 19,118,1 18
0
5
10
15
20
25
Resultados(motor
1.5kW)(noche)
Resultados(motor
0.18kW)(noche)
Resultados(motor
1.5kW)(tarde)
Resultados(motor
0.18kW)(tarde)
Resultados(motor
1.5kW)(mediodía)
Resultados(motor
0.18kW)(mediodía)
Resultados(motor
1.5kW)(mañana)
Resultados(motor
0.18kW)(noche)
Tem
per
atu
ra d
e sa
lida
(Ts)
C
Comparación de los datos de temperatura de salida tubería de 4 pulg
Temperatura de salida (valor calculado) Temperatura de salida (valor medido)
158
5.1.9 Resultados del laboratorio número tres: para el motor de 1.5 𝑘𝑊 con la
tubería de 2 pulg.
Tabla 5.37. Datos de la tubería y velocidad del flujo (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg)
Tubería de 2 pulgadas
Longitud de tubería 𝐿 𝑚 11.938
Diámetro interno 𝐷 𝑚 0.0557
Área seccional 𝐴 𝑚2 0.002437
Área superficial 𝐴𝑠 𝑚2 2.0889
Velocidad (motor de 1.5 𝑘𝑊) 𝑉 𝑚/𝑠 7.8
Temperatura del suelo 𝑇𝑠 ℃ 19
Fuente. Autores
Tabla 5.38. Propiedades del aire evaluadas a la temperatura de entrada (motor de
1.5 𝑘𝑊 tubería de 2 𝑝𝑢𝑙𝑔)
Noche Tarde Medio día Mañana
Temperatura
de entrada ℃
20.7
21.8
23.8
20.1
Humedad de entrada %
0.65
0.62
0.6
0.56
Viscosidad dinámica
𝜇 𝑘𝑔/𝑚𝑠
0.00001825
0.00001831
0.0000184
0.00001823
Número de Prantld 𝑃𝑟
0.7442
0.7442
0.7452
0.7417
Densidad 𝜌 𝑘𝑔/𝑚3
0.892
0.8886
0.8822
0.8946
Conductividad térmica 𝑘
𝑊/𝑚𝐾
0.02525
0.02533
0.02549
0.02519
159
Calor específico del aire
húmedo a presión
constante 𝑐𝑝 𝐽/𝑘𝑔𝐾
1029 1030 1032 1025
Fuente. Autores
Tabla 5.39. Datos calculados con ayuda de las propiedades del aire evaluadas a la
temperatura de entrada (motor 1.5 𝑘𝑊 tubería 2 pulg)
Noche Tarde Medio día Mañana
Viscosidad cinemática
𝜗 𝑚2/𝑠
0.00002046
0.00002061
0.00002086
0.00002038
Número de Reynolds 𝑅𝑒
20418.25
20273.77
20029.29
20500.23
Coeficiente convectivo
ℎ 𝑊/𝑚2𝐾
4.7721
4.7601
4.7458
4.7713
Flujo másico �̇� 𝑘𝑔/𝑠
0.01630
0.01624
0.01612
0.01635
Temperatura de salida
𝑇 ℃
19.9 20.5 21.6 19.6
Fuente. Autores
A continuación se muestran los resultados de temperatura de salida, en una
columna aparecen los datos proporcionados por el termohigrómetro y en otra
aparecen los valores obtenidos con el método analítico. Después, se muestra
una gráfica tipo columna, que permite visualizar mejor las comparaciones
entre ambos resultados.
160
Tabla 5.40. Resultados de temperatura de salida (tubería 2 pulg)
Temperatura de salida con el
termohigrómetro 𝑇𝑒 ℃
Temperatura de salida
método analítico 𝑇𝑒 ℃
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 noche 17.9 19.9
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 tarde 18 20.5
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊
Medio día
17.6 21.6
Resultados motor
1.5 𝑘𝑊 mañana 17.8 19.6
Fuente. Autores
Gráfica 5.8. Resultados de comparación temperatura de salida para a tubería de 2 pulg
161
Fuente. Autores
Para la tubería de 2 pulgadas también se consiguen datos equilibrados, la variación
entre el método calculado y el experimental no son tan notorias.
5.1.10 Resultados del laboratorio número cuatro: para la tubería de 4 pulg.
Tabla 5.41. Datos necesarios para el cálculo del costo de energía por hora
Tubería de 4 pulgadas
Costo por unidad de energía eléctrica
𝐶𝑈𝑑𝑒𝐸 $/𝑘𝑊ℎ
351.7054
COP de calefacción 1.85
COP de refrigeración 2.9
Potencia del motor de( 1.5 𝑘𝑊) 𝑘𝑊 0.660
Potencia del motor de( 0.18 𝑘𝑊) 𝑘𝑊 0.0607
Fuente. Autores
Tabla 5.42. Resultados de la trasnferencia de calor por convección
19,9 20,5 21,619,6
17,9 18 17,6 17,8
0
5
10
15
20
25
Resultados (motor1.5kW)(noche)
Resultados (motor1.5kW)(tarde)
Resultados (motor1.5kW)(medio día)
Resultados (motor1.5kW)(mañana)
Tem
per
atu
ra d
e sa
lida
(Ts)
C
Comparación de los datos de temperatura de salida tubería de 2 pulg
Temperatura de salida (valor calculado) Temperatura de salida (valor medido)
162
Velocidad de calor (transferencia de
calor por convección) �̇� 𝑊
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 noche -7.04
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 noche 13.18
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 tarde -59.77
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 tarde 17.06
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 medio día -120.89
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 medio día -8.62
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 mañana -1.76
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 mañana 15.59
Fuente. Autores
Tabla 5.43. Resultados de potencia de consumo para refrigeración y calefacción
Potencia de consumo 𝑃𝑐 𝑘𝑊
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 noche 0.00243
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 noche 0.00712
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 tarde 0.02061
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 tarde 0.00922
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 medio día 0.04168
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 medio día 0.00297
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 mañana 0.00061
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 mañana 0.00843
Fuente. Autores
Tabla 5.44. Costos por la potencia de consumo del sistema de refrigeración y calefacción por parte de la tubería de 4 pulg
Costo por la potencia de consumo $/ℎ
163
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 noche 0.8538
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 noche 2.5057
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 tarde 7.2488
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 tarde 3.2433
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 medio día 14.6612
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 medio día 1.0454
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 mañana 0.2134
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 mañana 2.9638
Fuente. Autores
Tabla 5.45. Costos producidos por la potencia de absorción de los motores eléctricos para la tubería de 4 pulg
Costo por la potencia de absorción de
los motores $/ℎ
Resultados motor 1.5 𝑘𝑊 noche 232.2809
Resultados motor 0.18 𝑘𝑊 noche 21.3501
Fuente. Autores
Se va suponer que la operación de las instalaciones es de 14 horas diarias donde
12 horas es el funcionamiento del sistema con red eléctrica convencional y 2 horas
de funcionamiento con el sistema de red de energía solar fotovoltaica, esto en un
día de operación. El costo por las horas de funcionamiento es el siguiente:
Tabla 5.46. Costos producidos por las horas de funcionamiento de los motores eléctricos para la tubería de 4 pulg
Costo por las horas de funcionamiento
$
164
Horas del funcionamiento del sistema
14 h
3251.9323
12 horas de funcionamiento para el
motor 1.5 𝑘𝑊
2787.3705
2 horas para el funcionamiento del
motor 0.18 𝑘𝑊
42.7003
Fuente. Autores
Se puede observar en la anterior tabla, que por el funcionamiento del motor que
trabaja con la red solar fotovoltaica se puede producir un ahorro de 470.5618 $, el
motor cumple con las renovaciones de aire sin necesidad de consumir una potencia
elevada como lo hace el motor de 1.5 kW.
Tiempo de recuperación: a continuación se muestran los pasos para plantear el
posible tiempo de recuperación de la inversión realizada por el montaje del sistema
que entrega energía por medio de conexión eléctrica fotovoltaica.
Costos iniciales:
Módulos fotovoltaicos: 2 módulos cada uno de un valor de 659,000 pesos para un
total de 1’318,000$
Motoventilador: 1 motoventilador de 873,132$
Banco de baterías: cada batería está avaluada en 459,000$, el banco de baterías
está compuesto por dos baterías, lo que da un total de 918,000$
Inversor de corriente: un inversor de corriente de 249,000$
Regulador de carga: un regulador de carga de 65,000$
La suma de la inversión da un total de: 3’423,000$
Se consigue un recibo público de la luz de la Facultad tecnológica y se puede ver
que la tarifa es de: 351.7054$/kWh
165
Con dos horas de trabajo al día, la potencia diaria será de 121.409Wh/día, la
potencia del motor eléctrico es de 60.705W.
Se va suponer que el sistema no va operar durante 60 días al año por temas de
mantenimiento o los días festivos, en los cuales no hay clase.
Potencia el primer año:
121.409𝑊ℎ/𝑑í𝑎 × (365 − 60) = 37028𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜 = 37.028𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜
Se supone también que los paneles se degradan una tasa de 0.30% por año, lo que
significa que no van a producir la misma potencia año tras a año.
Potencia segundo año:
37.028𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜 × ((100 − 0.30)/100) = 36.9169𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜
Potencia tercer año:
37.028𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜 × (100 − 0.30
100)
2
= 36.8062𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜
Se supondrá que la tasa de aumento de la tarifa será de un 7%/año es decir que al
segundo año el valor de la tarifa será:
351.7054$/𝑘𝑊ℎ × (1 + 0.7) = 376.325$/𝑘𝑊ℎ
Los anteriores párrafos y soluciones matemáticas, describen adecuadamente la
solución para un posible momento de recuperación.
Beneficio del primer año:
37.028𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜 × 351.7054$/𝑘𝑊ℎ = 13022.948$
Beneficio del segundo año:
36.8062𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜 × 376.325$/𝑘𝑊ℎ = 13892.750$
Se verá entonces que cuando ha transcurrido dos años habrá un acumulado de:
166
13022.948$ + 13892.750$ = 26915.698$
A continuación se muestran los resultados durante 30 años:
Tabla 5.47. Resultados del tiempo de recuperación para la red de energía fotovoltaica
año Produccion anual kWh/año Tarifa $/kWh ahorro anual $ ahorro acomulado $
1 37.0 351.7 13022.9 13022.9
2 36.9 376.3 13892.8 26915.7
3 36.8 400.9 14757.2 41672.9
4 36.7 425.6 15616.4 57289.3
5 36.6 450.2 16470.2 73759.5
6 36.5 474.8 17318.8 91078.4
7 36.4 499.4 18162.2 109240.6
8 36.3 524.0 19000.4 128240.9
9 36.1 548.7 19833.3 148074.2
10 36.0 573.3 20661.1 168735.3
11 35.9 597.9 21483.7 190219.1
12 35.8 622.5 22301.3 212520.3
13 35.7 647.1 23113.7 235634.0
14 35.6 671.8 23921.0 259555.0
15 35.5 696.4 24723.3 284278.3
16 35.4 721.0 25520.6 309798.9
17 35.3 745.6 26312.8 336111.7
18 35.2 770.2 27100.1 363211.9
167
19 35.1 794.9 27882.4 391094.3
20 35.0 819.5 28659.8 419754.1
21 34.9 844.1 29432.3 449186.4
22 34.8 868.7 30199.8 479386.2
23 34.7 889.8 30840.6 510226.8
24 34.6 914.4 31598.9 541825.7
25 34.5 939.1 32352.2 574177.9
26 34.3 963.7 33100.8 607278.7
27 34.2 988.3 33844.6 641123.4
28 34.1 1012.9 34583.7 675707.0
29 34.0 1037.5 35318.0 711025.0
30 33.9 1062.2 36047.6 747072.6
Fuente. Autores
Se observa que en 30 años no será posible recuperar el total de la inversión, se
calculan 30 años debido a que es un límite máximo de vida útil para el tipo de
tecnología que se utiliza en los paneles solares.
5.2 ARTÍCULO PROPUESTO A REVISTA CIENTÍFICA
El artículo que se elaboró evidencia los resultados más relevantes del proyecto
como era la intención de su realización inicial, en él se muestra los resultados ya
descritos en este documento y se expone, a los posibles lectores una actividad
realizada con estudiantes de la Facultad Tecnológica de carreras afines al proyecto,
una serie de preguntas a modo de cuestionario que muestre la afinidad que tuvieron
dichos alumnos a los laboratorios desarrollados y conceptos descritos en este
trabajo. En los anexos se podrá encontrar el documento completo del artículo
enfatizando lo descrito anteriormente.
168
5.3 ANÁLISIS Y CONCLUSIONES
Se logró desarrollar de manera satisfactoria las teorías presentes en este
documento, llevando a cabo la metodología propuesta en cada uno,
consiguiendo resultados que permiten generan buenas discusiones de
análisis.
Se comprende que algunos cálculos no fueron tan acertados, aunque las
teorías y procedimientos estén correctos, debido a la precisión de los
instrumentos de medición utilizados y por la causa de factores como pérdidas
o cambios de estado, que en futuros proyectos podrían corregirse. los
cambios de estado se presentan en la entrada del sistema donde los motores
calentaban el aire, modificando la temperatura de éste, siendo mayor a la de
ambiente; por otro lado la tubería de 4 pulgadas tiene una parte cerca a la
superficie antes de lo que se describe como salida del sistema, lo que genera
ruido para el análisis.
Se observa que en la ejecución del laboratorio número uno la variación de
los resultados del calor, comparando ambos métodos, es considerablemente
alta, y la razón de esta diferencia es porque un método es más sensible a los
datos medidos que el otro. Este método es el de la primera ley de la
termodinámica, aplicado a mezcla de gases y vapores. Se observó que una
ligera variación en la humedad relativa, afecta de forma considerable el dato
del calor, y como el sensor de humedad relativa no es un elemento preciso,
y, además su registro es lento, provocando que se midan datos que son
ligeramente diferentes a los reales pero que impactan de forma considerable
en el resultado final.
Para el cálculo del laboratorio número dos que trata acerca de la solución de
los rendimientos locativos más significativos, con la intención de conocer un
169
rendimiento global, se observa que uno de los elementos no es muy eficiente
como se espera que debe ser; este elemento es el motor eléctrico de 1.5 kW,
en los cálculos se puede ver que su rendimiento es bajo, y esto se confirma
también con la medición del factor de potencia, el cual es bajo. Se considera
que el elemento es poco eficiente debido a la antigüedad del mismo. Para
conseguir un alto rendimiento para el sistema que funciona con energía de la
red eléctrica se debe garantizar un alto valor en la transferencia de calor lo
que eleva el rendimiento de refrigeración o calefacción, pero esto depende
del motoventilador que genera la potencia de entrada, y como ya se digo es
un motor en un estado bastante regular.
Para el laboratorio número tres que evalúa las temperaturas de salida, se
observa que los datos que se comparan, entre el valor medido y el calculado,
no son tan alejados; otra observación es que en algunas mediciones la
temperatura de salida sobrepasa el límite de la temperatura del terreno por
ejemplo, si el caso es de refrigeración la temperatura es un poco menor que
la del terreno o igual pero no superior, esto sucede, nuevamente, por la poco
precisión de los instrumentos de medición, pero en cambio el método
analítico coincide con el criterio que se expone de refrigeración y calefacción.
Se logró mejorar considerablemente el sistema, poniendo en funcionamiento
las tres tuberías presentes, separando y mejorando la caja de control, con
mejores conexiones y la instalación de nuevos dispositivos; a su vez
incrementando bastante la protección de los elementos eléctricos en caso de
cambios bruscos o saltos de corriente.
De manera general el sistema también tuvo mejoras, en su estructura, pues
se acondiciono una mejor entrada para el acceso al sistema y sus
170
componentes, cambiando el techo por uno con mayor vida útil, y generando
una buena visualización de los motores eléctricos.
Se logró generar una motivación considerable en los estudiantes participes
de las prácticas de laboratorio establecidas para este proyecto, mostrando la
importancia y potencial que tienen los sistemas con energías alternativas en
las necesidades cotidianas del ser humano. A su vez, se confirmó que los
estudiantes aceptan que este tiempo de prácticas o actividades con
instalaciones como estas, mejoran y refuerzan los conocimientos ya vistos
en clases.
Se logró llamar el interés de los funcionarios de la facultad, hacia el
cercamiento de la zona comprendida por el sistema ICTA, el molino eólico y
la torre de alturas del área de civiles, pues los entes comprenden que la zona
debe ser resguardada por cuidado de las estructuras y por el bienestar de los
estudiantes que busquen hacer mal uso de estas propiedades.
171
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173