EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA TÉRMICA DINÁMICA DE … Jacinto Daniel... · cada una de las etapas...
105
Cuer rnavaca, Mo Centro N EVA orelos, Méxic Nacional De TES ALUACIÓ DI J Ing. Mecá como Maestr co. de Invest partamento SIS DE MA ÓN DE L INÁMICA pr Jacinto Dan ánico por el requisito pa ría en Cienc Dire Dr. José J tigación y o de Ingenie AESTRÍA E LA RESP A DE VID esentada po niel Frías H Instituto Tec ara la obtenc cias en Inge ector de tes Jassón Flore y Desarro ería Mecánic EN CIENCIA PUESTA DRIADO or Hernández cnológico de ción del grad eniería Mec sis: es Prieto 22 de ollo Tecn ca AS A TÉRMI OS z e Orizaba do de: cánica e Junio de 2 nológico ICA 2012
Transcript of EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA TÉRMICA DINÁMICA DE … Jacinto Daniel... · cada una de las etapas...
Cuer
rnavaca, Mo
Centro N
EVA
orelos, Méxic
Nacional
De
TES
ALUACIÓ
DI
JIng. Mecá
como
Maestr
co.
de Invest
partamento
SIS DE MA
ÓN DE L
INÁMICA
pr
Jacinto Danánico por el
requisito pa
ría en Cienc
DireDr. José J
tigación y
o de Ingenie
AESTRÍA E
LA RESP
A DE VID
esentada po
niel Frías HInstituto Tec
ara la obtenc
cias en Inge
ector de tesJassón Flore
y Desarro
ería Mecánic
EN CIENCIA
PUESTA
DRIADO
or
Hernándezcnológico de
ción del grad
eniería Mec
sis: es Prieto
22 de
ollo Tecn
ca
AS
A TÉRMI
OS
z e Orizaba
do de:
cánica
e Junio de 2
nológico
ICA
2012
Cuer
rnavaca, Mo
Centro N
EVA
orelos, Méxic
Nacional
De
TES
ALUACIÓ
DI
JIng. Mecá
como
Maestr
Dra. GabrDr. Jesú
D
co.
de Invest
partamento
SIS DE MA
ÓN DE L
INÁMICA
pr
Jacinto Danánico por el
requisito pa
ría en Cienc
DireDr. José J
iela del Socoús Perfecto XDra. Yvonne
tigación y
o de Ingenie
AESTRÍA E
LA RESP
A DE VID
esentada po
niel Frías HInstituto Tec
ara la obtenc
cias en Inge
ector de tesJassón Flore
Jurado: orro ÁlvarezXamán VillaChávez Ch
y Desarro
ería Mecánic
EN CIENCIA
PUESTA
DRIADO
or
Hernándezcnológico de
ción del grad
eniería Mec
sis: es Prieto
z García – Paseñor – Secena – Vocal
22 de
ollo Tecn
ca
AS
A TÉRMI
OS
z e Orizaba
do de:
cánica
Presidente cretario l
e Junio de 2
nológico
ICA
2012
Dedicatorias
Ante todo a Dios por darme el regalo de la vida, unos padres ejemplares, una familia y
amigos que me ha apoyado en los momentos que más lo he necesitado.
A mi mamá Martha Hernández (EPD) que con tanto cariño y esfuerzo me ayudó a superar
cada una de las etapas de mi vida en las que estuvo presente, a mi papá Jacinto Frías que de
la mano de mi mamá me inculcaron los buenos valores, el respeto por la vida y con su vida
son un ejemplo para mi de servicio y perseverancia.
A mis hermanos Karina, P. Benedicto, Ignacio, Abraham y Martha que a lo largo de las
diferentes etapas de mi vida han estado presentes y son partícipes de mis éxitos y mis alegrías,
y apoyo cuando lo he necesitado y es por eso que sé que siempre voy a contar con ustedes y
ustedes conmigo.
A mi nueva familia: mi esposa Juanita Enríquez, a mis hijos Daniela y Benedicto, y a mi
cuñada Mimi. Que siempre me han apoyado y juntos hemos vencido las adversidades que día
a día se presentan.
A mis amigos y a todos aquellos que me han apoyado y aconsejado para no rendirme ante las
dificultades.
Agradecimientos
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el apoyo económico que me otorgó para la
realización de mis estudios de maestría.
Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico por permitirme realizar mis
estudios y brindarme lo suficiente para que concluyera satisfactoriamente.
A mi asesor el Dr. Jassón, que con sus comentarios y consejos, me ha apoyado a lograr un
objetivo más en mi vida, que es la maestría.
A los miembros del jurado revisor: Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García, Dra. Yvonne
Chávez Chena y el Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor que con su tiempo, interés y
comentarios, han enriquecido este trabajo de tesis.
A todos mis profesores por ser partícipes en mi formación profesional, por sus consejos, por
su tiempo y paciencia.
A mi esposa, amiga y compañera Juanita, que compartió de cerca cada momento de la
maestría y ha sido pilar en mi vida.
A mis compañeros y amigos de generación: Juanita, Cintli, Azucena, Ivett, Ingrid, Leo,
Morayta y Nico, por las buenas experiencias que nos unieron como generación y las
experiencias no tan buenas que logramos superar.
A los amigos que conocí en CENIDET: Karla, Melo, Lucio, Alejandro, Pedro Gastelum, Pedro
Cruz y Nadia, que me brindaron su amistad y me apoyaron cuando lo necesite.
A mis amigos y compañeros de la línea de investigación Karla y Melo, que compartieron su
experiencia, paciencia y amistad durante este trabajo de tesis y son partícipes de mi éxito en
la maestría.
Y a todos los que de alguna u otra manera colaboraron con éste trabajo….. Muchas gracias!
Contenido
i
Contenido
Página
Lista de figuras iv
Lista de tablas vi
Nomenclatura viii
Glosario x
Abstract xi
Capítulo 1. Introducción 1
1.1 Motivación. 2
1.2 Antecedentes. 3
1.2.1 Componentes opacos de envolventes. 4
1.2.2 Componentes vidriados evaluados en condiciones de ambiente
controlado.
8
1.2.3 Componentes vidriados evaluados en condiciones al exterior. 11
1.2.4 Metodologías y normativas relacionadas a la evaluación térmica de
componentes de envolventes de edificaciones.
13
1.2.5 Conclusiones de la revisión bibliográfica. 18
1.3 Objetivo y alcances. 19
1.3.1 Objetivo general. 19
1.3.2 Objetivos específicos. 19
Contenido
ii
1.3.3 Alcances. 20
1.4 Redacción de tesis. 20
Capítulo 2. Modelos para la caracterización térmica de vidriados
22
2.1 Materiales a caracterizar. 23
2.2 Modelo físico. 25
2.3 Modelos de evaluación de ganancias o pérdidas de calor en vidriados. 27
2.3.1 Estado permanente (Ecuación en función del CGCS y del U). 28
2.3.2 Estado dinámico (Ecuación en función del y del ). 36
2.4 Modelos experimentales para la caracterización de vidriados. 40
2.4.1 Estado permanente. 40
2.4.2 Estado dinámico. 42
Capítulo 3. Equipo experimental 46
3.1 Adecuación del banco de pruebas. 47
3.2 Equipo experimental. 49
3.3 Instrumentación. 53
3.4 Calibración del calorímetro. 58
Capítulo 4. Resultados experimentales 60
4.1 Figuras de mérito en estado permanente. 62
4.2 Figuras de mérito en condiciones dinámicas. 63
Contenido
iii
4.3 Condiciones ambiente para la evaluación del flujo de calor. 64
4.4 Estudio comparativo de la evaluación de la ganancia de calor. 64
Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones para trabajos futuros 69
5.1 Conclusiones. 70
5.2 Recomendaciones para trabajos futuros. 70
Bibliografía 71
Apéndice A: Calibración del medidor de flujo. 78
Apéndice B: Metodología para evaluar el y el . 80
Lista de figuras y tablas
iv
Lista de figuras
Figura Descripción Página
2.1 Configuración del vidrio doble. 22
2.2 Carta psicométrica para caracterizar el clima. 23
2.3 Balance de energía en la componente vidriada. 25
2.4 Flujos de calor involucrados en la componente. 28
2.5 Representación esquemática de y f . 33
2.6 Flujo de calor a través del sistema componente calorímetro. 35
2.7 Metodología sobre la evaluación experimental del flujo de calor en
estado permanente.
40
2.8 Diagrama del modelo experimental. 42
2.9 Condiciones ambiente para la evaluación del flujo de calor en
Cuernavaca, Morelos, México.
44
3.1 Remodelación del sistema de acondicionamiento del fluido de trabajo 47
3.2 Diagrama eléctrico del calorímetro. 48
3.3 Remodelación de la plataforma para el seguimiento solar. 50
3.4 Esquema general del equipo experimental. 52
3.5 Vista explotada del calorímetro y sus componentes. 55
3.6 Condiciones ambiente durante la calibración del calorímetro 58
3.7 Evaluación de los flujos de calor en el calorímetro. 59
Lista de figuras y tablas
v
4.1 Condiciones ambiente de la prueba de caracterización en condiciones
dinámicas.
65
4.2 Parámetros medidos para la prueba de caracterización en condiciones
dinámicas.
66
4.3 Tiempo de retraso para el vidrio templado de 6mm. 67
4.4 Tiempo de retraso para el vidrio doble. 68
4.5 Comparativo de la evaluación del flujo de calor del vidrio templado. 71
4.6 Comparativo de la evaluación del flujo de calor del vidrio doble. 72
Lista de tablas
Tabla Descripción Página
3.1 Componentes de medición del calorímetro solar. 56
3.2 Instrumentos de medición del calorímetro solar. 57
4.1 Comportamiento de los parámetros de prueba. 62
4.2 Figuras de mérito en estado permanente de las muestras evaluadas. 63
4.3 Figuras de mérito en estado dinámico de las muestras evaluadas. 69
Nomenclatura
vi
Nomenclatura
Símbolo Descripción Unidad
Área de la componente
Coeficiente de ganancia de calor solar
Calor específico del fluido de trabajo ⁄
Constante de tiempo
Espesor
Tensión electrica
Factor de amortiguamiento
Radiación solar global ⁄
Coeficiente de ganancia solar
Coeficiente de transferencia de calor ⁄
Conductividad térmica ⁄
Flujo másico del fluido de trabajo ⁄
Flujo de calor
Densidad de flujo de calor ⁄
Resistencia térmica ⁄
Tiempo
Temperatura
Coeficiente global de transferencia de calor , o
transmitancia térmica
⁄
Nomenclatura
vii
Letras griegas Descripción Unidad
Absortancia
Emisividad
Reflectancia
Transmitancia
Subíndices Descripción
a Aire ambiente exterior
c Componente de la envolvente
Calorímetro
Exterior
Lo que entra al volumen de control
Envolvente del calorímetro
Lo que se genera en el volumen de control
Interior
Aire ambiente interior
Neto total
Removido o útil
Solar
Lo que sale del volumen de control
Nomenclatura
viii
Solar al exterior del calorímetro
Solar al interior del calorímetro
Ventilador
1 Entrada al calorímetro
2 Salida del calorímetro
Resumen
ix
Resumen
En este trabajo se presenta la caracterización térmica dinámica de dos muestras
vidriadas empleando la técnica de calorimetría solar. También, se presenta un
estudio comparativo sobre el flujo de calor a través de cada una de las muestras,
empleando modelos de transferencia de calor en estado permanente y dinámico. Los
parámetros obtenidos en la caracterización térmica fueron el Coeficiente de
Ganancia de Calor Solar , el Coeficiente Global de Transferencia de Calor , el
tiempo de retraso y el factor de amortiguamiento . Los parámetros y en
condiciones de estado cuasi-permanente, mientras que los parámetros y en
condiciones dinámicas de temperatura ambiente y radiación solar.
Las muestras utilizadas fueron un vidrio templado de y un vidriado doble con
película de control solar, ambas de de superficie. La caracterización se llevó a
cabo empleando un calorímetro solar en condiciones de ambiente exterior, con la
componente inclinada 90° y orientada al sur geográfico durante el mes de Febrero de
2012, realizando pruebas por triplicado para cada muestra. La caracterización se
realizó considerando el flujo de calor removido por el calorímetro mediante una placa
absorbedora, los flujos de calor de la envolvente del calorímetro y el flujo de calor a
través de la muestra. Con los parámetros obtenidos en la caracterización se
evaluaron los flujos de calor en condiciones de estado permanente y dinámicas
utilizando los días representativos de cada mes de un año, con el cual se puede
Resumen
x
justificar el empleo de parámetros dinámicos en el cálculo de flujo de calor a través
de vidriados.
Los parámetros de estado permanente y para el vidrio templado fueron de
y ⁄ respectivamente, los parámetros dinámicos y para el mismo
vidrio templado de fueron de y respectivamente. Para el caso
del doble vidriado, los parámetros y fueron de y ⁄ y el y de
y respectivamente.
En el estudio se encontró que la energía calculada que pasa a través de los vidriados
puede sobrestimarse al emplear figuras de mérito obtenidas en condiciones de
estado permanente, esto se observó en las diferencias porcentuales encontradas en
el estudio comparativo del cálculo del flujo de calor entre el estado permanente y
dinámico. En el caso del vidrio templado, la diferencia porcentual fue de 2% y en el
vidrio doble, la diferencia porcentual fue de 25%. Por lo cual, se puede justificar el
empleo de parámetros dinámicos en el cálculo de flujo de calor a través de vidriados.
Abstract
x
Abstract
In this work is presented the thermal characterization of two glassing samples
employed the solar calorimetry technique , moreover, it is presented a comparative
study about heat flux through each one of glasses employed heat transfer models in
steady state and dynamic state. Solar Heat Gain Coefficient SHGC , Global
Coefficient of Heat Transfer U , Time Lag and Decrement Factor were the
parameters obtained. The SHGC and U parameters were obtained under quasi
steady state conditions, and parameters were obtained under dynamic
conditions of ambient temperature and solar radiation.
The samples used were a tempered glass with 6 mm of thickness and a double
glazing with a solar control film, both with of area. The characterization carried
out employing a solar calorimetry under exterior ambient conditions, the glass
component tilted 90° and oriented to geographic south in February 2012, three tests
were performed for each sample. The characterization was performed considering the
removed heat flow by the calorimeter through absorber plate, the heat flow through
calorimeter housing and the heat flow through the specimen. With the obtained
parameters in the characterization were evaluated heat fluxes in quasi permanent
and dynamic conditions, employing the representative days of each month of a year,
whereby to justify the employment of dynamic parameters in the estimate of heat flow
through glassing.
Abstract
xi
and parameters for tempered glass were and ⁄ respectively, ,
and parameters for the same tempered glass were and
respectively. For the case of double glazing and parameters were and
⁄ respectively, and parameters were y
respectively.
In this study was found that the energy passes through the glassings can
underestimated to employ dynamic parameters, since the percent differences found
in the heat flow calculation between steady state and dynamic state for the tempered
glass was 2% and 25% for double glazing. Whereby can to justify the employment of
dynamic parameters to estimate heat flow through glassings.
1
Capítulo 1
Introducción
En este capítulo se resalta la importancia de realizar caracterización térmica en
vidriados, se mencionan los antecedentes de la caracterización térmica dinámica de
vidriados y se plantean los objetivos y los alcances de este trabajo de tesis.
.
Capítulo I
2
1.1 Motivación
Las envolventes de edificaciones son la interfaz entre un micro clima (al interior de la
edificación) y el medio ambiente que la rodea, desde el punto de vista térmico las
funciones principales de las envolventes son: a) reducir la amplitud de las
oscilaciones de la temperatura inT , humedad relativa inHR y velocidad de viento inw ,
respecto al comportamiento de los mismos parámetros en el ambiente ( aT , aHR y
aw ), y b) reducir la diferencia del valor medio de los mismos parámetros respecto a
los especificados por las condiciones de confort térmico.
En años recientes, la sustentabilidad energética en el diseño de edificaciones ha
inducido a una tendencia arquitectónica que considera cada vez más los flujos de
calor a través de las envolventes de las edificaciones, esto ha generado diversas
propuestas de metodologías para caracterizarlas, donde los parámetros que más se
han venido utilizando son el coeficiente global de transferencia de calor U , el
coeficiente de ganancia de calor solar CGCS , el coeficiente de sombreado entre
otros. El disponer del valor de estos parámetros es necesario para la inter
comparación de materiales; no obstante, también son utilizados para la
determinación del comportamiento energético de los edificios y para el diseño de
edificaciones energéticamente eficientes y sustentables.
El coeficiente global de transferencia de calor, U denota el factor de
proporcionalidad entre la energía que se transfiere por convección y radiación, y el
Capítulo I
3
potencial térmico, el coeficiente de ganancia de calor solar, CGCS es el factor de
proporcionalidad de ganancia de calor solar respecto a la radiación solar global
incidente en la superficie de la envolvente. Sin embargo, estos parámetros no
consideran la fluctuación de las condiciones ambientales ni la masa térmica mCp , de
las habitaciones. Otros parámetros como el tiempo de retraso y el factor de
amortiguamiento f (Asan y Sancaktar, 1998; Koray, 2000; Recep et al. 2007;
Kontoleon y Bikas, 2007; Kaşkas et al. 2009; Kontoleon y Eumorfopoulou, 2010;
Tham y Muneer, 2011, Soon-Ching et al. 2011) se han propuesto para evaluar las
cargas térmicas bajo condiciones dinámicas de temperatura y radiación solar, estos
parámetros son los más comúnmente utilizados en simuladores de desempeño
térmico de edificaciones. El denota la diferencia en tiempo de la temperatura
máxima al exterior y la temperatura máxima al interior de la edificación, el f denota
la proporción entre la diferencia máxima de temperatura al interior y la diferencia
máxima de temperatura al exterior. Sin embargo, estudios comparativos que
cuantifiquen la diferencia de las ganancias de calor evaluado considerando
condiciones de estado permanente contra las evaluadas en condiciones dinámicas
son escasos, y aun más escasos para elementos vidriados.
Capítulo I
4
1.2 Antecedentes
En este apartado se presenta la revisión bibliográfica acerca de la evaluación térmica
dinámica de envolventes de edificaciones, la revisión está dividida en cinco
secciones. En la Sección 1.2.1 se reportan estudios que tratan sobre la evaluación
térmica de componentes opacos. En la Sección 1.2.2 se presentan estudios sobre la
evaluación térmica de componentes vidriados bajo condiciones de ambiente
controlado. En la Sección 1.2.3 se reportan estudios sobre componentes vidriados
evaluados en condiciones al exterior. En la Sección 1.2.4 se describen metodologías
y procedimientos relacionados con la medición de las variables meteorológicas,
medición de temperatura y el flujo de calor. En la Sección 1.2.5 se presentan las
conclusiones de esta revisión bibliográfica.
1.2.1 Componentes opacos de envolventes
En esta sección se presentan estudios sobre la evaluación de diferentes tipos de
componentes opacos, tanto térmicamente masivos como térmicamente aislantes. En
las edificaciones, los techos y las paredes son claro ejemplo de este tipo de
componentes.
Ulgen (2002) analizó el comportamiento térmico de 10 distintos tipos de paredes. El
autor calculó de forma teórica el valor del tiempo de retraso ( ) y el factor de
amortiguamiento ( f ) de cada una de las 10 paredes en función de la temperatura
Capítulo I
5
sol-aire, los resultados los comparó con los obtenidos de forma experimental. Para
obtener los parámetros característicos de forma experimental, el autor empleó una
cámara de ambiente controlado tipo hot box con muestras de . Las diferencias
que se encontraron entre los valores teóricos y los experimentales fueron menores al
. Se observa que el autor sólo empleó muestras opacas y con masa térmica
considerable, con tiempo de retraso no menores a nueve horas.
Asan (2006) evaluó con técnicas numéricas el tiempo de retraso y el factor de
amortiguamiento de diferentes componentes de edificaciones, en su mayoría
componentes opacos, en su estudio incluye un bloque de vidrio de diferentes
espesores. El autor define al tiempo de retraso como la diferencia máxima de
temperaturas entre la superficie exterior y la superficie interior de la componente, el
factor de amortiguamiento lo define como la relación entre la diferencia máxima de
temperatura en la superficie exterior y la diferencia máxima de temperatura en la
superficie interior de la componente. Para ambos casos de tiempo de retraso y factor
de amortiguamiento, el autor considera el comportamiento de la temperatura como
una onda sinusoidal. Los resultados para un bloque de vidrio de fueron un
tiempo de retraso de y el factor de amortiguamiento de . Los
parámetros de prueba fueron los siguientes, temperatura interior fija en , la
temperatura máxima fue de y la temperatura mínima fue de
Capítulo I
6
Ordenes et al. (2009) evaluaron teórica y experimentalmente la conductividad
térmica y el calor específico de una envolvente de concreto con de arena,
de agregados secundarios y una relación de agua-cemento de . En la
parte experimental, los autores utilizaron una muestra con dimensiones de
, con condiciones al exterior en un periodo de seis días a inicios de
invierno en Florianólolis. Los parámetros que se midieron fueron la temperatura
superficial y el flujo de calor a través de la muestra. La evaluación teórica consistió
en la solución de un modelo matemático bidimensional de transferencia de calor y
masa, en estado transitorio y con diferentes condiciones de fronteras, por medio de
un código numérico basado en la técnica de diferencias finitas. La conductividad
térmica y el calor específico obtenidos teóricamente se compararon con los
resultados experimentales, la diferencia fue menor en los días que hubo mayor
radiación solar. En el estudio se observa que la diferencia promedio fue de para
la conductividad térmica y en el caso del calor específico.
Kașka y Yumrutas (2009) evaluaron experimentalmente el flujo de calor que pasa a
través de 8 diferentes paredes y dos diferentes techos planos. Para evaluar las
paredes y los techos los autores construyeron dos cuartos de prueba instrumentados
para medir temperatura tanto al interior como al exterior de los cuartos, tomando
datos cada minuto por un periodo de prueba de . Los cuartos de prueba se
construyeron y evaluaron bajo condiciones al exterior de la zona de Gaziantep,
Turkia donde predomina un clima templado. La evaluación del flujo de calor se
Capítulo I
7
desarrolló tomando en cuenta el parámetro TETD (Temperatura Total Equivalente
Diferencial) que es función del tiempo de retraso, factor de amortiguamiento y de la
temperatura sol-aire. A su vez, se observó que el tiempo de retraso y el factor de
amortiguamiento dependen de las temperaturas máximas y mínimas de la superficie
interior y exterior de la componente, que la temperatura sol-aire depende
principalmente de la radiación solar y que la temperatura ambiente al exterior
depende de la celda de prueba.
Krüger y Adriazola (2010) evaluaron térmica y dinámicamente cinco envolventes
diferentes con base de madera y madera comprimida, y compararon su desempeño
térmico con respecto a una celda de referencia construida de ladrillo cerámico
revocado por ambos lados. Los parámetros evaluados fueron el flujo de calor y el
factor de decremento a través de paneles en celdas de prueba pequeñas de
dimensiones de . Las celdas de prueba se pintaron de color blanco y se
estudiaron bajo condiciones climáticas al exterior de verano e invierno para la zona
de Curitiba, Brasil. En el estudio se consideró un albedo de caracterizado
en verano bajo condiciones de cielo despejado. El flujo de calor se midió con un
flujómetro hecho con dos placas de cobre y constantan. La temperatura ambiente y
la temperatura al interior de la celda se midieron y registraron con sistemas
comerciales de adquisición de datos. Los autores reportan factores de decremento
menores a una hora para diferentes tipos de muestras opacas y sin fijar la
temperatura al interior de la celda.
Capítulo I
8
Cabeza et al. (2010) evaluaron experimentalmente la transmitancia térmica del
poliuretano, poliestireno y lana mineral como aislante térmico en edificaciones. El
experimento consistió en la construcción de cuatro celdas de prueba de
sin ventanas. Con características de sistemas de construcción del
Mediterráneo, en Lleida, España. La celda de referencia es que carece de
aislamiento, el resto de las construcciones tienen uno de los materiales aislantes que
fueron objeto de estudio. El experimento se llevó a cabo en los meses de verano e
invierno, considerando condiciones de estado permanente por las características
climáticas del lugar, y los datos seleccionados para el análisis de resultados
corresponden a días característicos de los meses de invierno y verano. La
transmitancia térmica calculada experimentalmente se comparó con la transmitancia
térmica teórica obtenida con un modelo unidimensional y en estado permanente
basado en el concepto de resistencia térmica. Las diferencias que se reportaron
fueron de siendo el poliestireno el mejor aislante de los tres analizados.
De la revisión bibliográfica presentada en esta sección se observó que los
parámetros evaluados en las componentes opacas con poca masa térmica son la
conductividad térmica, la transmitancia térmica, el tiempo de retraso y el factor de
amortiguamiento.
Capítulo I
9
1.2.2 Componentes vidriados evaluados en condiciones de ambiente
controlado
En esta sección se presentan los estudios de componentes vidriados que se
realizaron bajo condiciones de ambiente controlado utilizando diferentes técnicas de
evaluación.
Álvarez et al. (2000) presentaron una metodología para evaluar el coeficiente de
sombreado y la eficiencia térmica instantánea de cuatro vidrios comerciales.
Para evaluar los vidrios, los autores utilizaron una celda calorimétrica y una lámpara
de prueba para simular la radiación solar. La celda calorimétrica consistía en una
cavidad de con paredes de acrílico transparente de de
espesor y forradas con fibra de vidrio, en el interior tiene un intercambiador de calor
tipo placa de cobre. Los vidrios evaluados fueron un vidrio claro de , vidrio claro
de , Filtrasol de y un Reflecta de El vidrio claro de se utilizó
como referencia para determinar el de los otros vidrios, el obtenido para el
vidrio claro de , el vidrio Filtrasol y el vidrio Reflecta fue de y de
respectivamente. Se observa que la metodología descrita por los autores para el
cálculo del coeficiente de sombreado y de la eficiencia térmica bajo condiciones de
ambiente controlado podría aplicarse en condiciones al exterior.
Capítulo I
10
Fang et al. (2006) realizaron un estudio experimental sobre el comportamiento
térmico de un vidrio doble de con cámara de aire de con dimensiones de
y otro vidrio doble de con cámara de aire de y
dimensiones de . La evaluación experimental la realizaron en
condiciones de ambiente controlado utilizando una hot box con guarda y los
parámetros de estudio fueron el coeficiente global de transferencia de calor y los
coeficientes de transferencia de calor en las superficies de los vidrios. El coeficiente
para el vidrio doble con cámara de aire de fue de y para
el de cámara de aire de fue de . Los resultados obtenidos
se compararon con los obtenidos por un código numérico y se observaron diferencias
porcentuales menores que entre los resultados experimentales y los calculados.
Fung y Yang (2008) evaluaron la ganancia de calor a través de una fotocelda
transparente utilizando un modelo matemático que considera las ganancias de calor
debidas por convección, por temperatura media radiante y por aportación solar. El
modelo matemático lo validaron con resultados experimentales. Para la
experimentación los autores emplearon una celda calorimétrica de madera y aislada
térmicamente con dimensiones de de largo por de ancho y de fondo
y un simulador solar. La componente que se evaluó fue una fotocelda transparente
considerando condiciones de estado permanente y radiación constante de
. La diferencia de temperatura en las superficies de la fotocelda entre los datos
experimentales y los obtenidos por el modelo matemático fue menor que , la
Capítulo I
11
ganancia de calor neta obtenida de forma experimental fue de y la
calculada fue de por lo que la diferencia porcentual fue de Se
comenta que la ganancia de calor debida por la aportación solar es el principal
componente en el cálculo de la ganancia de calor neto.
De la revisión bibliográfica de esta sección, se observa que los parámetros
evaluados en condiciones de ambiente controlado son el coeficiente global de
transferencia de calor y el coeficiente de sombreado. Los equipos comúnmente
empleados son las celdas calorimétricas y las cámaras de ambiente controlado tipo
hot box. Las diferencias porcentuales que se reportan entre los parámetros obtenidos
de forma experimental y los calculados son menores al .
1.2.3 Componentes vidriados evaluados en condiciones al exterior
En esta sección se presentan trabajos sobre componentes vidriadas evaluadas en
condiciones al exterior.
Jiménez et al. (2008) evaluaron experimentalmente el desempeño térmico de un
sistema vidriado compuesto de un vidrio doble de con un espacio de aire entre
ellos y los procedimientos para obtener los factores y utilizando una celda de
prueba tipo PASLINK. El estudio se realizó bajo condiciones al exterior para un clima
soleado propio de Almería, España. Debido a que las condiciones ambientales
Capítulo I
12
influyen en los resultados de las pruebas, los autores comentaron que no fue fácil la
aplicación de un análisis con aproximación lineal. En este estudio se demostró que
los modelos de tipo no lineal, tienen un mejor desempeño para estimar los valores de
y , lo cual se debe a que la longitud de onda de la radiación solar es
considerada como un efecto no lineal.
Lollini et al. (2010) evaluaron experimentalmente bajo condiciones al exterior el
factor y de un sistema vidriado dinámico comercial (Vetro Ventilato) y de otros
sistemas vidriados de referencia con celdas de prueba paslink con condiciones al
exterior para los meses de verano e invierno. Los valores de y fueron
introducidos al software EnergyPlus, considerando condiciones de verano e invierno,
con el objetivo de modelar las cargas térmicas, simulando oficinas y restaurantes que
utilizan el sistema de Vetro Ventilato. Durante el invierno, el valor de tuvo una
variación de a , mientras que para el verano la variación fue de a
. El factor varió de a en verano, y de a en
invierno. Las simulaciones de las cargas térmicas para restaurantes y oficinas
demostraron que la eficiencia térmica de los sistemas vidriados dinámicos, tienen
diferencias porcentuales de hasta respecto a los vidrios de referencia en el
empleo de cargas térmicas. La prueba realizada es una muestran de la tendencia a
analizar componentes en régimen dinámico, puesto que las envolventes tienen
comportamientos dinámicos.
Capítulo I
13
Castillo (2010) presentó una metodología para evaluar el desempeño térmico de
componentes de envolvente de edificaciones con reducida masa térmica. La
metodología consiste en cuatro procedimientos de pruebas donde obtiene el
coeficiente global de transferencia de calor de la envolvente del calorímetro evU , la
constante de tiempo Ct , el parámetro CGCS a incidencia solar normal junto con el
cU y el CGCS como función del ángulo de incidencia solar . La componente
evaluada fue un vidrio de claro de , la Ct del sistema fue de siete minutos, el
cU fue de , el nCGCS fue de , la relación que
presentan para calcular CGCS es:
2 30.0001 3.3705 cos 4.0997 cos 1.7291 cos nCGCS CGCS .
De acuerdo a la metodología empleada por el autor, bajo condiciones de cielo
despejado se puede evaluar la componente en un par de días realizando solamente
cuatro de seis pruebas necesarias.
De la revisión bibliográfica que se documenta en esta sección se observa que los
componentes vidriados evaluados en condiciones ambiente han sido poco
reportados. Los equipos para evaluar vidriados en condiciones al exterior son las
Celdas Paslink y los calorímetros solares. Los parámetros comúnmente empleados
son el y el factor mientras que parámetros dinámicos tales como tiempo de
Capítulo I
14
retraso y factor de amortiguamiento f han sido casi nulamente reportados
para el caso de vidriados.
1.2.4 Metodologías y normativas relacionadas a la evaluación térmica de
componentes de envolventes de edificaciones
En esta sección se presentan algunas metodologías y procedimientos relacionados
con la medición de algunos parámetros necesarios para la evaluación térmica de
componentes de edificaciones.
La norma ISO 9847 (1992) presenta una metodología experimental para calibrar
piranómetros en campo mediante la comparación con un piranómetro de referencia.
En el documento se presentan dos metodologías que son: 1) método al medio
ambiente utilizando la energía solar y 2) el método al interior utilizando un simulador
de radiación solar como fuente. La norma indica que el piranómetro de referencia
debe ser de tipo clase uno y mostrar una alta estabilidad. La metodología para
realizar la prueba de calibración del piranómetro en exteriores señala que se debe
realizar al medio día solar, el piranómetro de referencia y el piranómetro a calibrar
deben de ser colocados sobre una tabla de referencia y orientados. También, la
norma indica que la prueba debe realizarse con cielo claro y que las mediciones de
voltaje en ambos instrumentos deben realizarse cada , durante dos ó
tres días. Posteriormente, se desarrolla el análisis de los resultados para corregir el
valor de la constante del piranómetro a calibrar.
Capítulo I
15
La norma ASTM E220-02 (2002) muestra un método estándar de prueba para
calibración de termopares por comparación. Este método describe los principios de
medición, el sistema y el procedimiento para calibrar los termopares por comparación
con un termómetro patrón. Las calibraciones se realizan sobre el intervalo de
temperaturas de los diferentes tipos individuales de termopares dentro de un
intervalo total de aproximadamente . Este
método es generalmente aplicable a los termopares que no cuentan con una
asignación de letra, y no se aplica a los termopares usados. Lo anterior, debido a que
los termopares usados presentan efectos potenciales de no homogeneidad del
material, la cual no puede ser identificada o cuantificada por técnicas estándares de
calibración. Los termopares con termoelementos de gran diámetro y los termopares
forrados pueden requerir cuidado especial para controlar pérdidas térmicas por
conducción. En esta norma se presenta un esquema completo para implementar un
sistema de calibración por comparación de forma automatizada con compensación
de a cero grados, así como los procedimientos, requerimientos y
especificaciones experimentales.
Ballestrin et al. (2006) presentaron un procedimiento para calibrar sensores de flujo
de calor, basándose en un balance de energía y utilizando un sensor comercial tipo
Gardon instalado en un calorímetro. El procedimiento consiste en calentar una placa
de grafito ( ) aplicándole gradualmente energía eléctrica y midiendo
su temperatura hasta que alcance el equilibrio. Cuando la temperatura de la placa se
Capítulo I
16
estabiliza, el sensor de flujo de calor se coloca a no más de de la placa para
minimizar la convección. El sensor se mantiene a esa distancia durante ,
para obtener el valor fijo de la potencia absorbida y la radiación solar equivalente en
la parte frontal del sensor. El sensor se retira aproximadamente
mientras que la temperatura del aislamiento regresa a su valor original y así no
afectar la medición. Este ciclo se repite a diferentes temperaturas de la placa y se
registra el voltaje generado por el transductor. El flujo de calor entre el aislante y el
calorímetro se calculó considerando conducción en coordenadas cilíndricas y en
estado permanente, la temperatura del aislante _in sT se consideró constante durante
la prueba. A la información generada, le aplicaron un ajuste lineal para la calibración
de los sensores, la incertidumbre de la constante de calibración que lograron fue
menor del y la repetitividad fue de . En el desarrollo de la prueba se observó
que en cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida
del circuito de acondicionamiento del fluido de trabajo, la incertidumbre es menor; y
que a mayor flujo volumétrico, la incertidumbre aumenta.
Macías (2008) presentó una metodología experimental para la calibración de
termopares por comparación con un termómetro de resistencia de platino (PTR)
basado en la norma ASTM E-220-02, (2002). En este trabajo se presenta la
metodología de calibración, el diseño y la construcción de un equipo experimental
para la calibración de termopares. El sistema experimental está conformado por un
medio de comparación (pozo seco), un medio de temperatura de referencia (baño de
Capítulo I
17
hielo), una caja isotérmica (caja de zona), un nanomultímetro y un termómetro de
resistencia de platino (PTR). En este trabajo, el autor presenta la caracterización del
sistema experimental, el procedimiento de calibración de termopares para el
laboratorio de térmica de CENIDET y la aplicación del procedimiento de calibración
de termopares por comparación con termómetro de resistencia de platino a 10
termopares tipo T y se obtuvo el polinomio de corrección de fuerza electromotriz en
función de la temperatura correspondiente. Finalmente, se calculó la incertidumbre
total de la medición en la calibración de cada termopar, que fue en promedio
.
La norma NFRC 201 (2010) establece los requerimientos y procedimientos de
calibración e instrumentación requerida para el cálculo del de sistemas
vidriados instalados en un calorímetro solar. Los instrumentos utilizados en las
mediciones son calorímetros, piranómetros, sensores de temperatura y medidores de
caudal. Antes de realizar mediciones es necesario calibrar el sistema y para tal
efecto se requiere determinar las pérdidas de calor por los costados del sistema de
prueba, por los flancos, así como conocer la incertidumbre de los instrumentos de
medición. Las consideraciones generales que se mencionan en ésta norma son: la
carga térmica del aparato, patrones de circulación de aire, el calor específico de la
cámara de prueba del equipo, las propiedades térmicas de los materiales usados en
la construcción de las cámaras de prueba, la geometría de la muestra, las
propiedades térmicas de la muestra, las condiciones ambientales, la transmitancia y
absortancia solar de la muestra. Los requerimientos y procedimientos de medición
Capítulo I
18
utilizando calorimetría al exterior que se describen en ésta norma, permiten realizar
mediciones para obtener las figuras de mérito en estado permanente.
De la revisión bibliográfica que se documenta en esta sección se observan métodos
para medir correctamente y para estimar la incertidumbre la temperatura y radiación
solar, que son los parámetros de mayor en la aportación de incertidumbre, en la
caracterización y evaluación térmica de vidriados empleando la técnica de
calorimetría solar.
1.2.5 Conclusiones de la revisión bibliográfica
De la revisión bibliográfica, se observa que los estudios en condiciones dinámicas
de temperatura y radiación solar son escasos, y mayormente para componentes
térmicamente masivas y los parámetros comúnmente evaluados en estos estudios
son la conductividad térmica, la transmitancia térmica, el tiempo de retraso y el factor
de amortiguamiento.
Con lo que respecta a los estudios de componentes vidriados se observa que los
parámetros evaluados con frecuencia en condiciones de ambiente controlado son el
coeficiente global de transferencia de calor y el coeficiente de sombreado. Los
equipos comúnmente empleados para la evaluación de los vidriados son las celdas
calorimétricas y las cámaras de ambiente controlado tipo hot box. Las diferencias
Capítulo I
19
porcentuales que se reportan entre los parámetros obtenidos de forma experimental
y los calculados son menores que .
Los componentes vidriados evaluados en condiciones ambiente han sido poco
reportados. Los equipos para evaluar vidriados en condiciones al exterior son las
Celdas Paslink y los calorímetros solares. Los parámetros comúnmente empleados
son el CGCS y el factor U mientras que parámetros dinámicos tales como tiempo de
retraso y factor de amortiguamiento f han sido poco reportados para el caso de
vidriados, ya que sólo un trabajo teórico reporta parámetros dinámicos para vidrios
monolíticos de diferentes espesores.
De lo anterior, se concluye que no hay estudios experimentales donde se determinen
figuras de mérito para condiciones en estado dinámico para componentes vidriados.
El tiempo de retraso y el factor de amortiguamiento son parámetros que han sido
poco utilizados para el cálculo de las cargas térmicas a través de los vidriados.
1.3 Objetivo y alcances
En este apartado, se presenta el objetivo general de esta tesis, así como los
objetivos específicos a cubrir y los alcances de la misma.
Capítulo I
20
1.3.1 Objetivo general.
Realizar un estudio comparativo de la transferencia de calor en vidriados
utilizando las figuras de mérito en estado permanente y dinámicas a lo largo de
cada día representativo de cada mes de un año para un clima moderado de
acuerdo a la clasificación del clima propuesta por la ASHRAE, 2005.
1.3.2 Objetivos específicos
- Caracterizar térmicamente vidriados de edificaciones considerando
condiciones en estado permanente y dinámicas, mediante el uso de
calorimetría solar.
- Evaluar la diferencia entre las cargas térmicas obtenidas en condiciones de
estado permanente y de manera dinámica, considerando los días
representativos de cada mes, para condiciones ambiente en la ciudad de
Cuernavaca, Morelos.
1.3.3 Alcances.
- Caracterizar un vidrio templado de (VT_6) y un vidriado doble
compuestos por un vidrio templado de con película de control solar y un
vidrio claro de con una cámara de aire de de de espesor (VD_6-
12-6), considerando datos meteorológicos de la ciudad de Cuernavaca,
Morelos México.
Capítulo I
21
- Evaluar la diferencia entre las cargas térmicas, obtenidas en condiciones de
estado permanente y dinámico (“ y ” para el caso de estado
permanente; y “tiempo de retraso y factor de amortiguamiento” para el caso de
estado dinámico), de los vidriados caracterizados, empleando los días
representativos de cada mes. .
1.4 Redacción de tesis
En el Capítulo 2 se presentan los fundamentos teóricos y las características
de las componentes a evaluar así como el modelo físico, el modelo
matemático y el modelo experimental para la evaluación térmica dinámica de
envolventes en función de las condiciones ambientales. En el Capítulo 3 se
presenta el diseño de los experimentos para realizar el estudio comparativo, el
equipo experimental, la adecuación del banco de pruebas, la instrumentación
y la puesta en funcionamiento. En el Capítulo 4, considerando los vidriados en
cuestión, se presentan las figuras de mérito para condiciones de estado
permanente, las figuras de mérito de para condiciones dinámicas y el
comparativo de la evaluación de las cargas térmicas considerando estado
permanente y estado transitorio. En el Capítulo 5 se presentan las
conclusiones de este trabajo y las recomendaciones para trabajos futuros.
Capítulo 2
Modelos para la caracterización térmica
dinámica de vidriados.
En este capítulo se presentan los materiales a caracterizar, el modelo físico del
fenómeno de estudio, los modelos para la evaluación de las ganancias o pérdidas de
calor en los vidriados tanto en condiciones dinámicas y en función del y del ,
como en condiciones dinámicas en función del y del . Así como también se
presentan los modelos experimentales para la caracterización de vidriados en
condiciones de estado permanente y en condiciones dinámicas.
Capítulo II
23
2.1 Modelo físico
En la Figura 2.1 se representa una componente traslúcida de una habitación
expuesta a condiciones ambientales de radiación solar G y temperatura del aire
ambiente aT .
Figura 2.1 Balance de energía en la componente vidriada.
Cuando la radiación solar incide sobre una componente vidriada una fracción de la
radiación solar es reflejada G , otra fracción de la radiación solar es absorbida por la
componente lo que causa un incremento en su temperatura, provocando que se
transfiera calor por convección y radiación, de la componente al interior de la
𝒒𝒊
Capítulo II
24
habitación iq y hacia el medio ambiente eq , la parte de la radiación que no es
reflejada ni absorbida, atraviesa el vidrio y es transmitida directamente al espacio
interior . También, existe un flujo de calor debido al potencial térmico entre el aire
interior y exterior de la edificación aq .
Por lo que, la energía que transfiere el vidriado al interior, como resultado de la
interacción con el medio ambiente y a la exposición a la radiación, provoca que la
temperatura al interior de la habitación incremente, provocando que existan
ganancias de calor.
2.2 Modelos de evaluación de ganancias o pérdidas de calor en
vidriados
En este apartado se presentan los modelos de evaluación de la transferencia de
calor a través de los vidriados en condiciones de estado permanente y en
condiciones dinámicas (transitorias), empleando un modelo matemático en función
del coeficiente de ganancia de calor solar y del coeficiente global de transferencia de
calor para la evaluación en estado permanente y otro modelo matemático en función
del tiempo de retraso y del factor de amortiguamiento para la evaluación en
condiciones dinámicas.
Capítulo II
25
2.2.1 Estado permanente (ecuación en función del y )
En la Figura 2.1, se muestra que la energía neta que pasa a través de un elemento
traslúcido y que entra al interior de la edificación está dada por el flujo de calor
debido a la contribución solar sq y por la contribución aq debida a la diferencia de
temperaturas del aire en cada lado de la componente. Por lo que se tiene que el flujo
de calor neto se puede representar con la siguiente ecuación:
net s a
q qq (2.1)
donde sq es la suma de la radiación solar directa transmitida G , más una parte de
la radiación solar directa absorbida G . La radiación solar absorbida se transfiere
por convección y radiación hacia el exterior eq y hacia el interior de la edificación iq ,
tal como se indica en la siguiente ecuación:
s i
q G q (2.2)
el flujo de calor aq denota la energía transferida por unidad de área debido a la
diferencia de temperatura del aire en cada lado de la componente, y puede ser
representada mediante la ley de enfriamiento de Newton, donde la constante de
proporcionalidad es el coeficiente global de transferencia de calor cU .
a c a in
U T Tq (2.3)
Capítulo II
26
sustituyendo los valores de sq y aq de las ecuaciones (2.2) y (2.3) respectivamente
en la Ecuación 2.1, se tiene la siguiente expresión.
net si c a in
q U Tq G T (2.4)
En la Figura 2.2 se representa a la componente y a los flujos de calor que entran,
que salen y que se generan en el volumen de control uno , donde está
delimitado por las fronteras que encierran a la componente.
Figura 2.2 Flujos de calor involucrados en la componente donde .
Capítulo II
27
Realizando un balance de energía en estado permanente en el 1VC se tiene que:
ent sale gen
q q q 0 (2.5)
donde:
ent a
q q (2.6)
sal e i a
q q q q
(2.7)
gen
q G (2.8)
sustituyendo las ecuaciones (2.6), (2.7) y (2.8) en la Ecuación 2.5, se tiene:
e i
G q q (2.9)
que para un material traslucido y considerando que i
i e
h
h h es una fracción de la
energía solar absorbida y que ésta sale del 1VC para dirigirse al interior de la
habitación, mientras que e
i e
h
h h es el resto de la fracción de la energía solar
absorbida que dirige hacia afuera de la habitación, entonces G puede ser
expresado como función de la fracción de energía solar absorbida en el 1VC de la
siguiente manera:
ii
i eh h
qh
G (2.10)
Capítulo II
28
sustituyendo iq de la Ecuación 2.10 en la Ecuación 2.4, se tiene:
inet c a in
i e
hG U T T
h hq (2.11)
el término i
i e
h
h h
es definido como el coeficiente de ganancia de calor solar
CGCS (ASHRAE Handbook, 2005) y considerando que la componente tiene un área
de sección semitransparente cA por lo que el netq puede quedar expresado como:
net c c ac in
GA CGCS TAU TQ (2.12)
En la ecuación anterior, el flujo de calor neto que pasa a través de la componente, se
expresa en función del CGCS y del cU como parámetros térmicos característicos de
la componente de la envolvente, las cuales son parámetros propios del medio
ambiente de cada lugar, por lo que se tiene el netQ es función de la ,G inT y aT .
2.2.2 Estado transitorio
Existen diferentes métodos de evaluación térmica dinámica de componentes de
edificaciones, entre los cuales resaltan el Método de función de transferencia ( ) y
el Método de valores de temperatura diferencial total equivalente y tiempo promedio
( ). Los modelos de función de transferencia son utilizados en los campos
científicos para evaluar respuestas dinámicas, el objetivo de las funciones de
transferencia es relacionar dos o más series temporales elaborando modelos
Capítulo II
29
causales de predicción. Se considera la forma de relacionar una serie temporal,
denominada salida en función de una o más series temporales que se denominan
entradas.
Para este caso de estudio, se emplea el método de ( ) que es uno de los
primeros métodos desarrollados para evaluar dinámicamente la ganancia de calor
por efecto de la radiación y del almacenamiento térmico en paredes opacas y en
techos planos, el método está documentado en ASHRAE Handbook Fundamentals,
2001 y es similar al método de función de transferencia, donde se estima la carga
horaria y además el promedio de temperaturas en el tiempo. La expresión para el
cálculo del flujo de calor es:
( )din c cQ U A TDTE (2.13)
donde el cU denota el coeficiente global de transferencia de calor, cA el área de la
componente y TDTE a la temperatura diferencial total equivalente. La TDTE se
presenta por la acción simultánea de la conducción, radiación y convección, por lo
que depende de las propiedades de la componente como el tiempo de retraso y
factor de amortiguamiento además de la temperatura sol aire . La expresión
matemática para el cálculo de la TDTE es:
_ _( )sa p in sa sa pTDTE T T f T t T (2.14)
Capítulo II
30
sustituyendo la Ecuación 2.14 en la Ecuación 2.13, el flujo de calor dinámico, queda
expresado de la siguiente forma:
_ _( )din c c sa p in sa sa pQ U A T T f T t T (2.15)
donde, _sa pT denota a la temperatura sol-aire promedio a lo largo de la prueba, inT a
la temperatura al interior, f el factor de amortiguamiento y ( )saT t a la temperatura
sol-aire en el instante ( )t .
La temperatura sol-aire establece un valor equivalente de temperatura del aire
exterior que representa el mismo efecto térmico que la radiación incidente, y dicho
valor se añade a la temperatura real del aire. En otras palabras, la temperatura sol-
aire es la temperatura equivalente del aire exterior que daría la misma cantidad de
calor transmitido que los efectos combinados de la radiación solar y la temperatura
real del aire. La temperatura sol-aire se puede calcular mediante la siguiente
ecuación encontrada en trabajos reportados por Ulgen (2002), Yumrutaş et al. (2007)
y Kaşkas et al. (2009):
sa a
e e
G RT T
h h
(2.16)
donde, aT es la temperatura ambiente, es la absortividad de la componente, G es
la radiación solar global incidente en la componente (directa, difusa e infrarroja), eh es
Capítulo II
31
el coeficiente convectivo exterior y la relación: 4cose
R
h
, y está en función de
que denota la inclinación de la componente (Ulgen, 2002).
Como se comentó anteriormente, el método de se ha aplicado a componentes
opacos y por ser los vidriados componentes traslúcidos, se considera la fracción de
la radiación solar que se transmite directamente al interior de la habitación en la
Ecuación 2.15, quedando de la siguiente manera:
_ _( )din c c sa p in sa sa p cQ U A T T f T t T GA (2.17)
De acuerdo a la Figura 2.5 y considerando un comportamiento sinusoidal de la
temperatura exterior, el tiempo de retraso se define como el tiempo necesario para
que una onda de calor se propague a través de la componente de edificación de la
superficie exterior a la superficie interior y el factor de amortiguamiento se define
como la razón de decremento en la amplitud de la de temperatura durante un
proceso transitorio de la penetración de una onda de calor a través de un
componente de edificación (Kontoleon, 2008).
Capítulo II
32
Figura 2.3 Representación esquemática de y f .
El tiempo de retraso y el factor de amortiguamiento dependen de las diferencias
máximas de temperatura en las superficies interior y exterior de la componente y se
expresan de la siguiente manera:
,max ,max( ) ( )se siT t T t (2.18)
el factor de amortiguamiento se define como:
,max ,min
,max ,min
se se
si si
T Tf
T T
(2.19)
donde, seT denota la temperatura en la superficie exterior y siT la temperatura en la
superficie interior de la componente vidriada.
Capítulo II
33
2.3 Modelos experimentales para caracterización de vidriados
En este apartado se presentan los modelos experimentales para la caracterización
térmica de los vidriados en condiciones de estado permanente obteniendo el y
el como figuras de mérito y en condiciones dinámicas obteniendo el y el .
2.3.1 Estado permanente
En la Figura 2.6 se indica el balance de energía con el cual se evalúan los flujos de
calor que pasan al interior de un calorímetro en el volumen de control dos 2VC , el
cual no considera a la componente (Castillo, 2010).
Figura 2.4 Flujo de calor a través del sistema componente calorímetro.
Capítulo II
34
Realizando un balance de energía en estado permanente en el 2VC , se tiene:
ent sal gen
Q Q Q 0 (2.20)
donde los flujos de calor involucrados, están definidos de la siguiente manera:
ent si a ev cQ Q Q Q GA (2.21)
sal remQ Q (2.22)
gen bomQ Q (2.23)
la energía que se le adiciona al sistema por efecto de la caída de presión del fluido
de trabajo es bomQ y se expresa como:
1 2( )*bomQ P P v (2.24)
donde, 1 2P P denotan la caída de presión para la entrada y la salida del calorímetro
medida en mm columna de Hg y calculada en Pascales.
El valor de evQ es el resultado de la suma de los flujos de calor que pasan a través
de los pilotes que sostienen la placa absorbedora, a través de las paredes del
calorímetro y a través del panel de montura.
ev pared panel piloteQ Q Q Q (2.25)
Capítulo II
35
donde los flujos de calor a través de las paredes, el panel y el pilote están definidos
de la siguiente manera:
* *pared
pared foam pared
foam
dTQ k A
dx (2.26)
* *panel
panel foam panel
foam
dTQ k A
dx (2.27)
4 * *pilote
pilote nylacero pilote
pilote
dTQ k A
dx
(2.28)
sustituyendo las ecuaciones 2.21, 2.22 y 2.23 en la Ecuación 2.20 se tiene:
0si a ev c rem bomQ Q Q GA Q Q (2.29)
y sustituyendo el valor de siQ y de aQ de las ecuaciones 2.10 y 2.3 respectivamente
en la Ecuación 2.29 se tiene:
( )ic c c a in rem ev bom
i e
hGA U A T T Q Q Q
h h
(2.30)
considerando que remQ puede ser obtenido de manera experimental con la siguiente
expresión:
1 2( )rem pQ mC T T (2.31)
Capítulo II
36
ahora, sustituyendo remQ en la Ecuación 2.29 se tiene:
1 2( ) ( )ic c c a in p ev c bom
i e
hGA U A T T mC T T Q GA Q
h h
(2.32)
al considerar que i
i e
h
h h
es el CGCS , entonces la ecuación anterior puede
quedar expresada de la siguiente forma:
1 2( ) ( ) ( )c c c a in p ev bomGA CGCS U A T T mC T T Q Q (2.33)
igualando la Ecuación 2.33 con la Ecuación 2.12 el netQ puede expresarse de la
siguiente manera:
1 2( ) ( ) ( )net c c c a in p ev bomQ GA CGCS U A T T mC T T Q Q (2.34)
utilizando la igualdad del primer y segundo término de la Ecuación 2.34 y dividiendo
entre cGA se tiene:
( )net a inc
c
Q T TCGCS U
GA G
(2.35)
donde el valor del lado derecho de la Ecuación 2.35 se obtiene de forma
experimental para diferentes valores de a inT T
G
, entonces la ecuación puede ser
expresada con la ecuación de una línea recta, donde la ordenada al origen es el
Capítulo II
37
CGCS , la pendiente está representada por el valor de cU y la variable independiente
por a inT T
G
tal como se muestra en la Ecuación 2.34.
La obtención del CGCS y el cU en función del calor neto que deja pasar la
componente como función del remQ y del evQ , se logra mediante cuatro pruebas
donde se consideran diferentes condiciones ambiente de aT y G . En la Figura 2.7 se
muestra un diagrama de flujo para evaluar el CGCS y el cU en el cual se consideran
como datos de entrada el pC del fluido de trabajo (que en para este estudio es agua),
el área de la componente cA , el área de la envolvente del calorímetro evA , el área del
panel de montura panelA y el área de los pilotes piloteA , que soportan la placa, así como
las mediciones de los potenciales térmicos entre la entrada y la salida del calorímetro
1 2( )T T , en el pilote pilotedT , en el panel de montura paneldT y en las paredes del
calorímetro pareddT . Posteriormente, se calcula remQ , el genQ como la suma de la
energía proporcionada por la bomba hidráulica, mientras que evQ se obtiene de la
suma de los flujos de calor que pasa por los 4 pilotes, las paredes del calorímetro y el
panel. Una vez calculados los flujos de calor, se procede a: 1) evaluar el netQ
G
in aT T
G
en el intervalo de trabajo de a (Castillo, 2010), 2) graficar las
Capítulo II
38
cuatro pares ordenados y 3) a realizar un ajuste de tipo lineal para así obtener los
parámetros CGCS y cU .
Figura 2.5 Metodología de caracterización térmica en estado permanente.
Capítulo II
39
El tiempo de prueba está determinado por la constante de tiempo que se define
como la fracción de estado permanente en el cual los parámetros de medición no
varían considerablemente. La medición de cada uno de los parámetros se realiza a
cada segundo y se guardan en un archivo de salida para luego ser promediados
cada minuto.
2.3.2 Estado transitorio
En esta sección se presenta la metodología que se utilizará para la obtención del
tiempo de retraso, y del factor de amortiguamiento, f en función de las
temperaturas en las superficies de la componente, expuesta a temperatura al interior
constante y a condiciones de temperatura ambiente y radiación solar, durante un
periodo considerable, en el que se pueda observar el desfasamiento y el
amortiguamiento en las gráficas de las temperaturas en la superficie interior y
exterior del vidriado, como se observa en la Figura 2.3.
En la Figura 2.8 se muestra un diagrama de bloques para realizar la caracterización
térmica dinámica de los vidriados en función de las temperaturas en las superficies
del vidrio.
Capítulo II
40
Figura 2.6 Metodología de caracterización térmica en estado transitorio.
A continuación se describe la metodología para obtener y :
Paso 1. Colocar la muestra en el panel de un calorímetro a una inclinación de y
en dirección al sur.
Paso 2. Tomar lectura de las temperaturas en las superficies de las muestras.
Paso 3. Registrar cada 30 segundos y durante la prueba, las temperatura en la
superficie interior del la componente y la diferencia de temperatura entre las
superficies al menos cada segundo.
Capítulo II
41
Paso 4. Mantener la temperatura al interior constante en el intervalo de (de a
) durante el desarrollo de la prueba.
Paso 5. Al concluir la prueba, identificar la y la para calcular el
Paso 6. Identificar la diferencia máxima de temperaturas y
para calcular el .
2.4 Comparativo del y del
En esta sección se presenta el modelo comparativo de la evaluación de los flujos de
calor en estado permanente como función del y del , y en condiciones
dinámicas como función del y del a lo largo de un año. La evaluación se realiza
utilizando los datos de temperatura ambiente y radiación solar datos promediados del
año 2006 al 2011 proporcionados por la estación meteorológica del Laboratorio de
Tecnología Solar del CENIDET correspondientes a los días característicos de cada
mes.
En la Figura 2.9 se muestra en la carta psicrométrica las variables climáticas
promedio (temperatura y humedad relativa) de los doce días típicos de cada mes de
un año, promediados desde el año 2006 al presente año. Los puntos de color rojo
indican el tipo de clima correspondiente al mes promediado. De acuerdo a ASHRAE,
2005, se encontró que durante los últimos 5-6 años la mayor parte del año
corresponde aun clima moderado, que los meses de Agosto y Septiembre presentan
Capítulo II
42
una combinación de clima templado húmedo con moderado, y que los meses más
fríos son en invierno (Diciembre, Enero y Febrero).
Figura 2.7 Condiciones ambiente de los días representativos de cada mes para la
evaluación del flujo de calor en Cuernavaca, Morelos, México.
El cálculo del flujo de calor en condiciones dinámicas (Ecuación 2.15) está en función
del área de la componente a evaluar cA , del coeficiente global de transferencia de
calor de la componente cU (que se puede obtener de cálculos experimentales o bien
tomados de la literatura), de la temperatura del aire al interior de la habitación y de la
Capítulo II
43
temperatura sol-aire (ésta última a su vez es función de las variables
meteorológicas y , del coeficiente convectivo exterior eh , la absortancia solar y
de la inclinación de la componente ).
La saT se calculó en intervalos de empleando las variables climatológicas
de los días característicos de cada mes del año 2006 al 2011 proporcionados por la
estación meteorológica del Laboratorio de Tecnología Solar del CENIDET, el eh se fija
a condiciones específicas al igual que la de la componente.
Para el cálculo y comparación de los flujos de calor se empleó una hoja de cálculo,
en la cual se considera el día Juliano correspondiente al día característico del mes, la
orientación y la inclinación de la componente. La diferencia porcentual entre el
y de la siguiente manera:
% 100perm din
perm
Q Qdif x
Q
(2.36)
Capítulo II
44
2.5 Materiales a caracterizar
Los vidriados considerados para el presente estudio son componentes de
envolventes comúnmente empleados en edificaciones, estos son: un vidrio templado
de y un vidrio doble de con película de baja emisividad en la superficie 3
del vidriado como se muestra en la Figura 2.8 y cuya separación entre cada vidrio es
de . Cada una de las muestras tienen una área de .
Figura 2.8. Configuración del vidrio doble.
El clima donde se desarrollaron las pruebas de caracterización corresponde al de la
ciudad de Cuernavaca, Morelos. De acuerdo a registros meteorológicos de los
últimos seis años proporcionados por la estación meteorológica de la plataforma
solar del Laboratorio de Tecnología Solar del CENIDET, la ciudad de Cuernavaca
tiene una temperatura media anual de y temperaturas altas entre los y
durante los meses de Abril y Mayo.
Capítulo II
45
En la Figura 2.2 se muestra la carta psicrométrica con las condiciones climatológicas
promedio (temperatura y humedad relativa) que se presentaron durante el periodo de
caracterización (Febrero 2012). Los números dentro de los círculos corresponden a
los días de prueba. De acuerdo a la carta psicrométrica publicada por ASHRAE,
2005, se encontró que se trabajó en un clima moderado.
Figura 2.9 Carta psicrométrica para caracterizar el clima.
Capítulo 3
Equipo experimental
En este capítulo se presenta la adecuación del banco de pruebas y del equipo
experimental que se utiliza para evaluar vidriados en condiciones al exterior.
Además, se presenta la instrumentación y funcionamiento del calorímetro solar para
obtener los parámetros térmicosCGCS ,U , y f .
Capítulo III
47
3.1 Equipo experimental antecedente
Un trabajo previó a la caracterización de componentes vidriadas fue el de Castillo,
2010, como se mencionó en la revisión bibliográfica, apartado 1.2.3. En el cual se
evaluaron muestras vidriadas de 3 mm y en condiciones de estado permanente. Por
lo que para realizar caracterizaciones de muestras de mayor tamaño y en
condiciones transitorias, fue necesario realizar adecuaciones que se describen en el
siguiente apartado.
3.2 Adecuación del banco de pruebas
Al equipo experimental reportado por Castillo, 2010, se le realizaron adecuaciones
en el sistema de acondicionamiento del fluido de trabajo, en el sistema eléctrico, en
la plataforma de seguimiento solar y en la instrumentación (específicamente en la
caja de zona y al medidor de flujo) con la finalidad de cumplir los requerimientos para
desarrollar los experimentos.
En el sistema de acondicionamiento del fluido de trabajo se remplazaron las
mangueras por tubería rígida de cobre de ½”, se sustituyó la bomba centrífuga por
una bomba sumergible con capacidad de ¼ de HP, la cubierta aislante del chiller se
sustituyó por otra forrada con cinta para ducto y así evitar su deterioro prematuro, la
sección de manguera que va de la salida del medidor de flujo a la entrada del
calorímetro se forró con un aislante térmico, Armaflex® de ½” de espesor y con
Capítulo III
48
manguera metálica pintada de color blanco. En la Figura 3.2 se puede muestra el
estado anterior y el estado actual del sistema de acondicionamiento del fluido de
trabajo.
Antes Ahora
Figura 3.1 Remodelación del sistema de acondicionamiento del fluido de trabajo.
El circuito eléctrico del banco de pruebas se reorganizó de tal manera que no existan
cables expuestos que puedan causar algún accidente en el funcionamiento del
equipo. En la Figura 3.2 se presenta el diagrama eléctrico del calorímetro, éste
Capítulo III
49
funciona alimentado por una conexión bifásica a que llega al centro de carga
donde las fases están protegidas por una pastilla termo magnética de cada una.
La unidad condensadora opera a una tensión eléctrica de y se alimenta del
centro de carga, de ahí mismo se derivan dos circuitos (uno por fase) acondicionados
con un supresor de ruido, cada uno de los circuitos alimenta un regulador de voltaje
donde están conectados la bomba sumergible y el control de la unidad
condensadora; el otro circuito alimenta al baño térmico.
Figura 3.2 Diagrama eléctrico del calorímetro.
Capítulo III
50
Debido a que el calorímetro es grande y pesado con respecto a la plataforma inicial,
para reforzar la plataforma se coló sobre ella una losa de concreto de de
espesor y al centro de la plataforma un castillo cuadrado de por lado y
de alto; para soportar el peso y mantener el equilibrio del calorímetro y de la
plataforma, el perímetro de la plataforma se reforzó con tres puntos de apoyo
distribuidos uniformemente. Con respecto a la estructura de soporte del calorímetro,
la distancia del centro de equilibrio al extremo del calorímetro se acortó con la
finalidad de reducir el par torsional y evitar una fractura de la estructura, se añadió
giro en el plano horizontal y así lograr un seguimiento solar mayor, se pintó de color
blanco mate con el objeto de obtener una reflexión difusa, evitando reflexiones
directas y la absortancia de energía solar en la plataforma, ya que el calorímetro está
en contacto directo con ella y las mediciones se verían afectadas por la transferencia
de calor de la plataforma al calorímetro. En la Figura 3.3 se muestra las
modificaciones hechas a la plataforma de seguimiento solar respecto a la anterior.
Capítulo III
51
Anterior
Actual
Figura 3.3 Remodelación de la plataforma para seguimiento solar.
Con respecto a las adecuaciones hechas en la instrumentación del equipo
experimental, cabe mencionar que a la caja de zona se le agregaron canales de
conexión para satisfacer las necesidades del experimento y también se manufacturó
el cable de conexión de la caja de zona al adquisidor de datos TBX-68NI. El medidor
de flujo fue necesario remplazarlo por un medidor de flujo con respuesta en
frecuencia y caracterizarlo debido a que el transductor anterior se dañó. En el
apartado 3.3 se describirá a detalle el funcionamiento de la caja de zona y del
medidor de flujo.
Capítulo III
52
3.3 Equipo experimental
El calorímetro solar (Macias, 2012) consta de un encapsulado o carcaza, una placa
absorbedora y de una base rotatoria para su montura; el calorímetro basa su
funcionamiento en una celda calorimétrica pseudoadiabática, donde es posible
evaluar el flujo de calor a través de la muestra, el flujo de calor a través de la carcasa
o encapsulado del calorímetro y el flujo de calor retirado a través de una placa plana
absorbedora mediante un liquido refrigerante. El calorímetro solar permite la
evaluación térmica de componentes, tanto en condiciones de estado permanente
como en condiciones dinámicas.
El encapsulado o carcasa del calorímetro al exterior es de aluminio forrado al interior
de aislante térmico Foamular® de de espesor ( ), el marco del panel
de montura también es de Foamular® forrado con papel aluminio. La placa
absorbedora del calorímetro está hecha de 10 tubos de cobre de ¾” de diámetro
nominal en forma de serpentín montado sobre una lámina de cobre de
, la placa se soporta en cuatro pilotes de un material aislante y
resistente (Nylacero®) de diámetro de ( ), que mantiene a la placa
en el centro del calorímetro. El panel de montura es de Foamular® de de
espesor ( ) forrado con papel aluminio, con marco de aluminio y dos
soportes planos de aluminio donde se colocan las muestras.
Capítulo III
53
En la Figura 3.4 se presenta el equipo experimental y los sistemas periféricos que
auxilian durante los experimentos, como son: el sistema de acondicionamiento del
fluido de trabajo, la estación meteorológica (modelo Maws Lizard 110), la caja
isotérmica de conexiones (Macias. 2008) y un sistema adquisidor y procesador de
datos (modelo PXI-1050-NI).
Figura 3.4 Esquema general del equipo experimental.
Capítulo III
54
El sistema de acondicionamiento del fluido de trabajo se compone de un sistema de
enfriamiento de agua (chiller), y una bomba sumergible colocada dentro de un baño
térmico. El sistema provee al calorímetro un flujo de agua a una temperatura de
y un gasto de ⁄ , el agua entra a la placa a una
temperatura 1T , circula a través de la placa absorbedora y sale a una temperatura
mayor 2T que retorna nuevamente al sistema de enfriamiento para ser tratada y
nuevamente circular por la placa absorbedora en condiciones de flujo y temperatura
específicos.
La estación meteorológica es marca Vaisala® modelo Maws 110 y con ella se
obtuvieron las mediciones de temperatura ambiente aT , radiación global en el plano
horizontal _G PH , radiación global en el plano del calorímetro _G PC y radiación
directa _ .R Dir
La caja de zona es una caja de conexiones isotérmica que proporciona una
temperatura de referencia en las mediciones utilizando un termopar de resistencia de
platino (PT) la cual fue diseñada y construida por Macias, 2008.
El sistema adquisidor de datos de National Instruments® modelo PXI 1050 con el
software LabView® se empleó para el registro de las variables físicas involucradas
en la experimentación.
Capítulo III
55
3.4 Instrumentación
La instrumentación se divide en tres secciones que son: 1) Calorímetro, 2) Caja de
zona y 3) Estación meteorológica.
El calorímetro tiene la capacidad de medir la diferencia de temperaturas en cada una
de las cinco paredes ya que tiene una termopila de 30 puntas distribuidas
uniformemente a lo largo y ancho en cada una de las paredes, esta configuración
permite calcular el calor que pasa a través de cada pared mediante la Ecuación 2.26.
El panel de montura tiene una termopila de 14 puntas distribuida uniformemente en
el panel que permite medir la diferencia de temperatura en el panel y poder calcular
el flujo de calor que está pasando a través de él aplicando la Ecuación 2.27.
En los pilotes que soportan la placa absorbedora y a su vez están en contacto con el
exterior, tienen una termopila de 10 puntas que permite conocer de manera
diferencial la temperatura en el pilote y poder calcular el flujo de calor que pasa a
través de ellos, con la Ecuación 2.28, adicionalmente el panel sujeta una termopila
de 8 puntas que se colocan en las superficies del vidrio con un capuchón para evitar
la ganancia radiativa en la medición de la diferencia de temperaturas entre las
superficies del vidrio, lo anterior para calcular el tiempo de retraso y el factor de
amortiguamiento del vidriado mediante las ecuaciones 2.18 y 2.19 respectivamente.
Capítulo III
56
Entre la entrada y la salida del fluido de trabajo otra termopila de 15 puntas que
permite medir la diferencia de temperaturas 1 2( )T T , con la cual multiplicada por la
capacidad calorífica del agua y por el flujo másico que circula a través del calorímetro
se calcula el calor removido por el calorímetro de acuerdo con la Ecuación 2.31.
En la Figura 3.5 se muestra una vista explotada del calorímetro y la ubicación de las
paredes y componentes, en los cuales fueron colocados los termopares y las
termopilas.
Figura 3.5 Vista explotada del calorímetro y sus componentes.
En la Tabla 3.1 se describe la ubicación de los termopares y de las termopilas en el
calorímetro solar, en la primera columna se indica el tipo de elemento de medición,
Capítulo III
57
en la segunda columna se indica la ubicación de la termopila o termopar y en la
última columna se muestran las características del elemento de medición.
Tabla 3.1 Componentes de medición del calorímetro solar.
Elemento Ubicación Características
Termopila 1 Pared 1 30puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopila 2 Pared 2 30 puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopila 3 Pared 3 30 puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopila 4 Pared 4 30 puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopila 5 Pared 5 30 puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopila 6 Pilote 10 puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopila 7 Panel de montura 14 puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopila 8 Componente 8 puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopila 9 Entrada y salida 14 puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopila 10 Interior y exterior 8 puntas de termopar tipo T calibre 36
Termopar 1 Placa absorbedora Termopar tipo T calibre 24
Termopar 2 Superficie de la
componente Termopar tipo T calibre 24
Termopar 3 En la entrada Termopar tipo T calibre 24
Termopar 4 En la salida Termopar tipo T calibre 24
Capítulo III
58
Adicionalmente en la Tabla 3.2 se muestran los instrumentos de medición que se
emplean en el equipo experimental para la caracterización de vidriados y la
incertidumbre con la que realizan la medición. En la primera columna se indica el
instrumento de medición, en la segunda columna se indica la variable medida con el
instrumento correspondiente y en la tercera columna se indica la incertidumbre del
instrumento de medición.
Tabla 3.2 Instrumentos de medición del calorímetro solar.
Instrumento Variable medida Incertidumbre
Termopilas Diferencia de temperatura
Termopar Tipo T Temperatura
Piranómetro _G PC
Piranómetro _G PH
Sensor de temperatura HMP45D
aT
Sensor de flujo ⁄
La caja de zona tiene elevada masa térmica lo que permite reducir la incertidumbre
de la temperatura de referencia utilizando un termopar de
resistencia de platino, tiene la capacidad para 20 conexiones comunicadas mediante
un cable de red con terminales DB-37 macho y hembra a la caja de zona y el sistema
adquisidor de datos TBX-68-NI.
Capítulo III
59
3.5 Calibración del calorímetro
Las pruebas se desarrollaron en condiciones de cielo despejado al exterior. En la
Figura 3.6 se muestran las condiciones de temperatura ambiente aT , radiación solar
incidente en el plano horizontal _G PH y radiación solar incidente en el plano del
calorímetro _G PC que se desarrolló la prueba.
El tiempo de la prueba fue de 18 horas, durante el cual, la aT osciló en el intervalo de
, la radiación solar máxima se presentó entre las 11 y las 13 horas.
Figura 3.6 Condiciones ambiente durante la calibración del calorímetro.
Capítulo III
60
La calibración del calorímetro se desarrolló empleando un panel de calibración del
mismo material que las paredes del calorímetro, Foamular® de ( )
de espesor y pintado de color negro mate con propiedades ópticas conocidas. El
panel de calibración tiene una termopila de 20 puntas distribuidas uniformemente en
las superficies interior y exterior del panel, con la finalidad de obtener una mejor
aproximación en los cálculos del flujo de calor.
Los resultados de los flujos de calor evaluados para la calibración del calorímetro se
muestran en la Figura 3.7, donde la gráfica en color verde es el calor removido por el
calorímetro y se calcula por la Ecuación 2.31. La gráfica en color rojo es la suma de
los flujos que entran al calorímetro y se calcula con la siguiente ecuación:
_sum pared pilote p cal bomQ Q Q Q Q (3.1)
donde es el flujo de calor que pasa a través de las paredes 1, 2, 3, 4 y 5 del
calorímetro, es el flujo de calor que pasa por los 4 pilotes que sostienen a la
placa absorbedora, el es el flujo de calor que pasa a través del panel de
calibración y el es el calor suministrado por la bomba hidráulica debido a las
caídas de presión por fricción del fluido de trabajo.
Capítulo III
61
Figura 3.7 Evaluación de los flujos de calor en el calorímetro.
Como se observa en la figura anterior, el calor removido por el sistema y la suma de
los flujos de calor a través del calorímetro tienen un comportamiento simétrico, con
diferencias máximas de y diferencias promedio de1 W. Estas diferencias indican
que se cumple el balance de energía y por consecuencia la incertidumbre que se
considera en la calorimetría es de .
Capítulo 4
Resultados experimentales
En este capítulo se presentan los resultados de la caracterización térmica de los
componentes vidriados en condiciones de estado permanente y en condiciones
dinámicas. Además se reporta el estudio comparativo de la transferencia de calor en
vidriados utilizando las figuras de mérito en estado permanente y dinámicas a lo
largo de cada día representativo de cada mes de un año para la ciudad de
Cuernavaca.
Capítulo IV
63
4.1 Caracterización térmica en estado permanente
De acuerdo a la metodología descrita en la Sección 2.4.1 y desarrollada en el
Apéndice A para la obtención del y del , se realizaron tres pruebas de
caracterizaron los días 15, 16 y 18 de febrero de 2012 para cada uno de los
vidriados, bajo condiciones al exterior de cielo despejado, donde la diferencia de
temperatura en la entrada y la salida del calorímetro 1 2T T , las variables
meteorológicas aT y _G PC no variaron de forma considerable.
En la Tabla 4.1 la primera columna indica los valores máximos, mínimos y la
diferencia entre ellos, la segunda columna corresponde a los valores de la radiación
global en el panel del calorímetro _G PC , la tercera columna corresponde a los
valores de la temperatura ambiente aT , la cuarta columna, a los valores de la
temperatura interior iT , y la última columna a la diferencia de temperatura en la
entrada y la salida del calorímetro 1 2T T . La radiación solar un 3%, la temperatura
ambiente varío el 1.3% y la temperatura interior varió un 2.5% y durante las pruebas
de caracterización la temperatura interior se mantuvo dentro del intervalo de confort
térmico (ASHRAE, 2005).
Tabla 4.1 Comportamiento de los parámetros de prueba.
aT
inT
1 2T T
Max
Min
Diferencia
Capítulo IV
64
Es de interés mencionar que durante el desarrollo del resto de las pruebas de
caracterización se mantuvieron los parámetros de prueba en magnitudes y
proporciones similares a las mostradas en la Tabla 4.1, cuidando tener condiciones
de estado permanente.
En esta sección, se realizó un estudio para la obtención de los parámetros y ,
de cinco vidrios templados y cinco vidriados dobles con características similares a
los vidrios de prueba, con el Software Window Research Versión 6.2, en el cual se
fijaron las condiciones ambiente que se presentaron durante el periodo de prueba.
Los resultados de este estudio, y los resultados de la caracterización de los vidriados
se muestran en la Tabla 4.2, en donde la primera columna indica los parámetros
calculados, la segunda columna corresponde a los parámetros calculados con
valores experimentales para el vidrio templado de ( _ 6VT ), la tercera columna
corresponde a los parámetros calculados de los cinco vidrios templados con el
software Window V6.2, en la cuarta columna se muestra la diferencia de los
resultados teóricos y experimentales para el , la quinta columna corresponde a
los parámetros calculados con valores experimentales para el vidrio doble
_ 6 12 6VD , la sexta corresponde a los parámetros calculados de los cinco
vidriados dobles con el software Window V6.2 y última columna muestra la diferencia
entre los resultados teóricos y experimentales del .
Capítulo IV
65
De acuerdo con el estudio realizado en esta sección, los valores experimentales del
CGCS y del U obtenidos experimentalmente son coincidentes con los que se
obtienen con el Software Window, esto es considerando la incertidumbre de los
resultado experimentales y a la reportada por el Software Window.
4.2 Caracterización en condiciones dinámicas
Siguiendo la metodología planteada en la Sección 2.4.2 para obtener el tiempo de
retraso y el factor de amortiguamiento, se realizaron tres pruebas de caracterización
para cada vidriado los días 15, 16 y 18 de febrero de 2012 en condiciones al exterior
de temperatura ambiente aT y radiación solar incidente en el plano del calorímetro
_G PC la duración de las pruebas fue de 8 horas a partir de las 10:30 horas, tiempo
suficiente para que fueran perceptibles el tiempo de retraso y el factor de
amortiguamiento. En la gráfica de la Figura 4.1 se observa que a partir de las 10:30
horas el calorímetro empieza a recibir radiación solar, es por eso que las pruebas se
realizaron a partir de esa hora.
Tabla 4.2 Figuras de mérito en estado permanente de las muestras evaluadas.
Dif. Dif.
⁄
Capítulo IV
66
En la Figura 4.1 se muestran las condiciones ambiente en las que se desarrolló una
de las tres pruebas de caracterización en condiciones dinámicas de los vidriados. En
la gráfica se observa que la radiación solar máxima fue de ⁄ y que la
temperatura ambiente varió en el intervalo de y .
Figura 4.1 Condiciones ambiente de la prueba de caracterización en condiciones dinámicas.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
G (
W/m
2 )
T (°
C)
Ta RG_PC
Capítulo IV
67
En la Figura 4.2 a, b, c y d, se muestra el comportamiento de las variables medidas
con el calorímetro solar durante una de las tres pruebas de caracterización térmica
dinámica del vidrio templado en condiciones al exterior. En la Figura 4.2a se aprecia
que la temperatura al interior permaneció en el intervalo de , y que la
temperatura en las superficies de la muestra, presentan un comportamiento
semejante entre ellas, en la Figura 4.2b se muestra el comportamiento de las
mediciones con las termopilas diferenciales entre la temperatura interior y
temperatura exterior, así como la diferencia de temperaturas entre las superficies
interior y exterior del vidriado; se observa que las diferencias de temperaturas no
fueron mayores a los . En la Figura 4.2c se observa que la pérdida de calor por el
panel de montura presenta un comportamiento similar al del calor removido por el
calorímetro, y en la Figura 4.2d se observa que la ganancia de calor por las paredes
1, 2, 3, 4 y 5 del calorímetro presentan un comportamiento similar, siendo mayor la
ganancia de calor por las paredes que por el respaldo; además, se observa que la
pérdida de calor por el pilote se incrementa durante las horas de sol, pero aun así, su
impacto en el balance de energía es mínimo.
Capítulo IV
68
Figura 4.2a Figura 4.2b
Figura 4.2c Figura 4.2d
Figura 4.2 Parámetros medidos para la prueba de caracterización en condiciones
dinámicas.
20
24
28
32
36
40Te
mp
era
tura
°C
T_si T_se T_in
2
3
4
5
6
7
8
9
Tem
pe
ratu
ra °
C
Ta-Tin T_si-T_se
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
Q_r
em
(W
)
Q_p
ane
l (W
)
Q_p,mon Q_rem
-0.35
-0.3
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0
2
4
6
8
10
12
14
Q_p
ilote
(W
)
Q_p
are
d (
W)
Q_1234 Q_5 Q_pilote
Capítulo IV
69
Figura 4.3 Tiempo de retraso para el vidrio templado de 6mm.
A pesar de la poca masividad de la muestra, un acercamiento en la gráfica de la
Figura 4.3 entre las 11 y las 15 horas, permitió analizar el comportamiento de las
temperaturas en la superficie interior y exterior de las muestras y definirlo en 4
minutos, como se puede apreciar en el acercamiento de la Figura 4.3.
Capítulo IV
70
Figura 4.4 Tiempo de retraso para el vidriado doble.
La gráfica de la Figura 4.4 corresponde a una de las tres pruebas de caracterización
en condiciones dinámicas para el vidriado doble que se describió en la sección 2.5.
Para observar con claridad el tiempo de retraso en el vidrio, se realizó un
acercamiento a la gráfica de las temperaturas en las superficies entre las 13 horas a
las 17 horas y se observa un tiempo de retraso de ocho minutos.
Capítulo IV
71
En la Tabla 4.3 se presentan los resultados del tiempo de retraso y factor de
amortiguamiento , para el vidrio templado y para el vidrio doble, además, se
muestran el y el obtenidos al realizar una interpolación lineal a los valores
calculados por simulación para un vidrio de 1mm y otro de 10 mm reportados por
Asan (2006).
Tabla 4.3 Figuras de mérito en estado dinámico de las muestras evaluadas.
Vidrio
Templado Vidrio Doble
Asan (2006) (Vidrio de 6 mm)
De acuerdo con los valores experimentales de que se reportan en este trabajo para
el caso del vidrio templado, es de 4 minutos y para el vidrio doble, 12 minutos. El
valor de del vidriado doble se asemeja en un al valor obtenido por
interpolación lineal entre un vidrio de 1mm y otro de 10 mm reportado en un trabajo
de simulación por Asan (2006).
Los valores experimentales de reportados en el presente estudio, para el caso del
vidrio templado es cercano a la unidad, lo que se traduce en que el amortiguamiento
en la temperatura al interior es pequeño o escaso. En el caso del vidrio doble el valor
de difiere en un al reportado numéricamente por Asan (2006) para el bloque de
Capítulo IV
72
vidrio de 6mm, y difiere en un al reportado experimentalmente por Ulgen (2001)
para una pared de ladrillo.
4.3 Estudio comparativo de la evaluación de la ganancia de calor
En esta sección se presenta un estudio comparativo de la transferencia de calor de
cada unos de los vidriados analizados utilizando las figuras de mérito en estado
permanente y dinámicas a lo largo de cada día representativo de cada uno de los
meses de un año.
Figura 4.5 Comparativo de la evaluación del flujo de calor del vidrio templado.
0.0000
0.1000
0.2000
0.3000
0.4000
0.5000
0.6000
0.7000
0.8000
0.9000
1.0000
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
Dif
ere
nci
a %
Flu
jo d
e c
alo
r (M
J)
Q_permanente Q_dinámico Diferencia
Capítulo IV
73
En la Figura 4.5 se muestra el estudio comparativo del flujo de calor a través del
vidrio templado colocado en posición vertical y orientado al sur, a lo largo del día
representativo de cada mes de un año. Se puede observar que hubo menos
transferencia de calor en los meses de verano que en los meses de invierno debido
que en verano, la incidencia de la radiación solar en una superficie vertical orientada
al sur es menor que en invierno. La diferencia promedio entre las evaluaciones bajo
condiciones de estado permanente y en condiciones dinámicas fue de a
lo largo del año. La diferencia mayor se presentó en los meses de Noviembre y
Diciembre siendo de y la diferencia mínima fue de en el mes de Febrero.
Figura 4.6 Comparativo de la evaluación del flujo de calor del vidrio doble.
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
90.00%
100.00%
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
Dif
ere
nci
a %
Flu
jo d
e c
alo
r (M
J)
Q_permanente Q_dinámico Diferencia
Capítulo IV
74
En la Figura 4.6 se muestra el estudio comparativo del flujo de calor a través del
vidriado doble colocado en posición vertical y orientado al sur, a lo largo del día
representativo de cada mes de un año. Al igual que para el vidrio templado, se
observa que se estimó menor transferencia de calor en los meses de verano que en
los meses de invierno, y la diferencia promedio entre las evaluaciones bajo
condiciones de estado permanente y en condiciones dinámicas fue de ,
mayor que para el caso del vidrio templado.
En ambos casos, para el vidrio templado y para el vidrio doble, se observa que el
flujo de calor en condiciones de estado permanente fue mayor que el calculado para
condiciones dinámicas, debido a que en estado permanente se considera que no
existe acumulamiento de calor en la muestra, por lo que todo el calor en la muestra
pasa al interior; y en estado transitorio, una parte del acumulamiento del calor en la
muestra se va al interior y otra parte se va al exterior. En el caso del vidrio templado
la acumulación es mínima, puesto que las diferencias entre los cálculos de flujo de
calor son mínimas alrededor del y en caso del vidriado doble, la diferencia
promedio durante un año es de , 10 veces mayor que la calculada para el
vidrio templado. La diferencia porcentual entre los cálculos de flujo de calor en
condiciones de estado permanente y transitorio, en caso del vidrio templado puede
atribuirse a la capacidad de acumulamiento de energía, y para el caso del vidrio
doble, a la mayor capacidad de acumulamiento de energía y a la cámara de aire que
reduce la conductancia al interior.
Capítulo 5
Conclusiones y recomendaciones para
trabajos futuros
En este capítulo se presentan las conclusiones de este trabajo de tesis y las
recomendaciones para trabajos futuros acerca de la caracterización térmica dinámica
de vidriados empleando calorimetría solar y sobre la comparación de los flujos de
calor obtenidos con parámetros de estado permanente contra los obtenidos con
parámetros dinámicos.
Capítulo V
76
5.1 Conclusiones
Se caracterizó una muestra de vidrio templado de de espesor y un
vidriado doble con película de control solar, los valores de CGCS y U de cada
muestra se compararon con los calculados en WINDOW 6.2 y se encuentran
dentro de los valores de incertidumbre calculados.
Los flujos de calor obtenidos en función de los parámetros de y tienen
mayor influencia en el cálculo, sobre los flujos de calor calculados para el
estado permanente.
De acuerdo a los resultados obtenidos, la técnica de calorimetría solar que se
empleó para este estudio, resultó con una incertidumbre de .
Las diferencias en los cálculos de flujo de calor entre modelos de estado
permanente y dinámico se incrementan hasta en un 30% a medida que la
capacidad de almacenamiento aumenta.
En el estudio se encontró que la energía que pasa a través de los vidriados
puede subestimarse al emplear figuras de mérito obtenidas en condiciones
dinámicas ya que las diferencias porcentuales encontradas en el cálculo del
flujo de calor entre el estado permanente y dinámico para el vidrio templado
fue de y para el vidrio doble fue de . Por lo cual, se puede justificar
el empleo de parámetros dinámicos en el cálculo de flujo de calor a través de
Capítulo V
77
vidriados. Las diferencias porcentuales dependen del día del año en que se
evalúen los flujos de calor, de la orientación y de la inclinación de la
componente a evaluar.
5.2 Recomendaciones para trabajos futuros
Realizar un estudio paramétrico sobre las diferencias en los cálculos de flujo
de calor empleando modelos de estado permanente y dinámicos a diferentes
ángulos de inclinación y a diferentes orientaciones.
Realizar evaluación de flujos de calor de vidrios con marcos de soporte y de
componentes de envolventes opacos.
Analizar diferentes configuraciones de vidriados como vidriados triples,
vidriados con diferentes gases de relleno, vidriados con diferentes películas y
en diferentes posiciones.
Estudiar el comportamiento de los vidriados para diferentes tipos de climas.
Referencias bibliográficas
78
Referencias bibliográficas
1. Alvarez G. Palacios M. J. y Flores J.J. “ A test method to evaluate the thermal
perfomance of window glazings”, Applied Thermal Engineering, vol. 20, págs.
803-812, 2000.
2. Asan H. “Numerical computation of time lags and decrement factors for different
building materials”, Building and Environment, vol. 41, págs. 615-620, 2006.
3. Asan H. y Sancaktar Y. S. “Effects of Wall’s thermophysical properties on time
lag and decrement factor”, Energy and Buildings, vol. 28, págs. 159-166, 1998.
4. ASHRAE 2001, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-
Conditioning Engineers, Inc., Fundamentals Handbook, 2001.
5. ASHRAE 2005, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-
Conditioning Engineers, Inc., Fundamentals Handbook, 2005.
6. Aste N, Angelotti A. y Buzzetti M. “The influence of the external walls thermal
inertia on the energy performance of well insulated buildings”, Journal Energy
and Buildings, vol. 41, págs. 1181-1187, 2009.
7. ASTM E220-02 “Standard Test Method for Calibration of Thermocouples By
Comparison Techniques”, 2002.
8. Ballestrín J, Estrada CA, Rodríguez-Alonso M, Pérez-Rábago C, Langley LW,
Barnes A. “Heat flux sensors: Calorimeters or radiometers?”, Solar Energy, vol.
80, págs. 1314-1320, 2006.
Referencias bibliográficas
79
9. Cabeza L.F, Castell A, Medrano M, Martorell, Pérez G, Fernández I,
“Experimental study on the performance of insulation materials in Mediterranean
construction” Energy and Buildings, vol. 42, págs. 630-636, 2010
10. Castillo R., “Evaluación térmica de componentes de envolventes de
edificaciones con reducida masa térmica expuestos a diferentes condiciones
ambientales y a diferentes ángulos de incidencia solar” Tesis de doctoral,
CENIDET-SEP, Cuernavaca Morelos, febrero de 2010.
11. Fang Yueping, Eames Philip C., Norton Brian, Hyde Trevor J. “ Experimental
validation of a numerical model for heat transfer in vacuum glazing”, Solar
Energy, vol. 80, págs. 564-577, 2006.
12. Fung Tady Y. Y. y Yang H. “Study on thermal performance of semi-transparent
building-integrated photovoltaic glazings”, Energy and Buildings, vol. 40, págs.
341-350, 2008.
13. ISO 9847 “Calibration of field pyranometers by comparison to a reference
pyronometer”, 1992
14. Jiménez M.J, Porcar B, Heras M.R, “Estimation of building component UA and
gA from outdoor tests in warm and moderate weather conditions”, Solar Energy,
vol. 82, págs. 573-587, 2008.
15. Kaska Önder y Yumrutas Recep, “Experimental investigation for total equivalent
temperature difference (TETD) values of building walls and flat roofs”, Energy
Conversion and Management, vol. 50, págs. 2818-2825, 2009.
16. Kaska Önder, Yumrutas Recep y Arpa Orhan, “ Theoretical and experimental
investigation of total equivalent temperature difference (TETD) values for
Referencias bibliográficas
80
building walls and flat roofs in Turkey”, Applied Energy, vol. 86, págs. 737-747,
2009.
17. Kontoleon KJ, Bikas DK. “The effect of south wall´s outdoor absorption
coefficient on time lag, decrement factor and temperature variations”, Energy
and Buildings, vol. 39, págs. 1011-1018, 2007.
18. Kontoleon KJ,Eumorfopoulou EA. “The influence of wall orientation and exterior
surface solar absorptivity on time lag and decrement factor in the Greek region”,
Renewable Energy, vol. 33, págs. 1652-1664, 2010
19. Krüger EL, Adriazola M. “Thermal analysis of wood-based test cells”,
Construction and Building Materials, vol. 24, págs. 999-1007, 2010.
20. Lollini R, Danza L, Meroni I. “Energy efficiency of a dynamic glazing system”,
Solar Energy, vol. 84, págs. 526-537, 2010.
21. Macias E.V, “Implementación de experimentos para calibración de termopares
mediante comparación con PTR”, Tesis de Maestría en Ciencias de la
Ingeniería Mecánica, CENIDET-SEP, Cuernavaca Morelos, septiembre de
2008.
22. Macias E.V, “Evaluación térmica transitoria de componentes de edificaciones
mediante pruebas al exterior, variando los coeficientes convectivos”, Tesis de
Doctorado en Ciencias de la Ingeniería Mecánica, CENIDET-SEP, Cuernavaca
Morelos, por publicar.
23. NFRC 201 “Interim Standard Test Method for Measuring the Solar Heat Gain
Coefficient of Fenestration System Using Calorimetry Hot Box Methods”, 2010.
Referencias bibliográficas
81
24. Ng Soon-Ching, Low Kaw-Sai y Tioh Ngee- Heng, “ Newspaper sandwiched
aerated lightweight concrete wall panels- Thermal inertia, transient thermal
behavior and surface temperature prediction”, Energy and Buildings, vol. 43,
págs. 1636-1645, 2011.
25. Ordenes M, Lamberts R, Güths S. “Estimation of thermophysical propierties
using natural signal analysis with heat and moisture transfer model”, Energy and
Building, vol. 41, págs. 1360-1367, 2009.
26. Tham Y. y Munner T. “Sol-air temperature and daylight illuminance profiles for
the UKCP09 data sets”, Building and Environment, vol. 46, págs. 1243-1250,
2011.
27. Ulgen Koray, “ Experimental and theoretical investigation investigation of effects
of wall’s thermophysical properties on time lag and decrement factor”, Energy
and Buldings, vol. 34, págs. 273-278, 2002.
28. Yumrutas Recep, Kaska Önder y Yildirim Erdal, “ Estimation of total equivalent
temperature difference values for multilayer walls and flat roofs by using periodic
solution”, Bulding and Environment, vol. 42, págs.1878-1885, 2007.
Apéndice A
Metodología para evaluar el y el
Apéndice A
82
La metodología descrita en la sección 2.4.1 indica que para obtener el y el
de los vidriados, se debe variar de manera paramétrica la temperatura interior del
calorímetro, manteniendo constantes la temperatura ambiente y la radiación solar. El
cambio de la temperatura interior del calorímetro se realiza durante periodos de
tiempo iguales.
Los resultados de las evaluaciones del y de se muestran en la
Tabla B.1, donde en la primera columna se muestran las mediciones de la
temperatura del fluido de trabajo en la entrada al calorímetro, en la segunda columna
se muestran las mediciones de la temperatura del fluido de trabajo en la salida del
calorímetro, en la tercera columna se muestra la medición diferencial de la
temperatura entre la temperatura del aire ambiente y la temperatura al interior del
calorímetro, en la cuarta columna las mediciones del flujo másico del fluido de trabajo
que entra al calorímetro con una incertidumbre de medición de ±0.0002kg/s. En la
quinta columna se muestra la medición de la radiación solar global con una
incertidumbre de medición del ±1% de la medición. En la sexta columna se muestra
el cociente de la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura en el
interior del calorímetro, dividido entre la cantidad de radiación solar global y en la
séptima columna se muestra la evaluación del para cada condición de
temperatura al interior del calorímetro, con una incertidumbre de ±0.03.
Apéndice A
83
Tabla B.1 Resultados de la evaluación del ⁄ ⁄ para el VC_6
⁄
⁄
⁄ ⁄
⁄
12:10:59 p.m.
-0.920948 3.13762 0.015715 284.7 0.01102 -0.23192
12:40:50 p.m.
-1.056989
1.827571
0.015539
361.3
0.00505 -0.20974
13:10:42 p.m.
-0.91832
2.469562
0.01568
252.1
0.00979 -0.26116
13:40:51 p.m.
-0.88216
3.495416
0.015588
155.1
0.02253 -0.40778
En la Figura 4.3 se presenta graficados el valor de ⁄ ⁄ . En la
figura se muestra que conforme se incrementa la diferencia de temperaturas entre el
interior del calorímetro y el medio ambiente, manteniendo constante la radiación
solar, se incrementa ligeramente la razón de . Este ligero incremento se
debe a que el flujo de calor que se transfiere por la componente y la envolvente del
calorímetro aumentan de manera ligera conforme la temperatura en el interior del
calorímetro disminuye con respecto a la temperatura ambiente. De los datos
obtenidos en el Tabla 4.3, se realizó una regresión lineal, en donde se obtuvo una
función que aproxima los datos de forma lineal
Apéndice A
84
La ecuación del ⁄ como función del ⁄ se puede expresar de la
siguiente manera:
0.84 5.83a innet
c
T TQ
GA G
(A.1)
Figura 1 Comportamiento térmico del ⁄ ⁄ de la componente VT_6
Apéndice B
Caracterización del medidor de flujo
Apéndice B
86
En esta sección se presenta la calibración del medidor de flujo utilizando la Guía
técnica sobre trazabilidad e incertidumbre en la calibración de medidores de flujo de
líquidos empleando como referencia un patrón volumétrico.
Para la calibración se realizaron cinco pruebas a diferente frecuencia del flujómetro y
utilizando la misma referencia volumétrica, una medida volumétrica de 60 litros de
capacidad. En cada prueba se calculó el flujo y se graficaron los cinco pares
ordenados (flujo vs frecuencia), posteriormente a los pares ordenados se les realizó
un ajuste lineal y de esta forma se obtuvo su factor de ajuste del medidor de flujo.
Para el desarrollo de la prueba, se empleó:
Medidor de flujo
Osciloscopio
Adquiridor de datos
Circuito hidráulico
Medida volumétrica de 60 litros de capacidad
Resultados de la calibración del medidor de flujo
Las pruebas de calibración del medidor de flujo se llevaron a cabo en el mes de
junio, el flujómetro se calibró con agua a 24 °C y se utilizó como circuito hidráulico el
sistema de acondicionamiento del fluido de trabajo del calorímetro.
Apéndice B
87
En la Tabla B.1 se presentan las condiciones de operación en las que se
desarrollaron las pruebas de calibración, en la primera columna se muestra la
temperatura del agua, en la segunda columna se observa el tiempo, en segundos,
que duró cada prueba, en la tercera columna se muestra la frecuencia promedio del
flujómetro, en la cuarta columna se muestra el flujo promedio, en la quinta columna el
gradiente máximo en la frecuencia y en la última columna se muestra el gradiente
máximo en el flujo en el transcurso de cada prueba. En la tabla se observa que el
gradiente mayor se presentó a menor flujo y éste es del 10%.
Tabla B.1 Condiciones de operación en la calibración del medidor de flujo
Temperatura del agua (°C)
Tiempo (s)
Frecuencia promedio
(Hz)
Flujo promedio
(LPM)
Gradiente máximo en frecuencia (°C)
Gradiente máxima de flujo (LPM)
24.1 1528 72.919 2.334 8.613 0.276
24.1 1188 94.887 3.037 3.289 0.105
24.0 1047 107.899 3.438 2.413 0.077
24.1 914 122.898 3.934 5.027 0.161
24.0 807 138.663 4.461 6.328 0.203
En la Figura B.1se ilustra la gráfica que se obtuvo al graficar los pares ordenados
(flujo vs frecuencia) de cada una de las cinco pruebas realizadas para la calibración
del medidor de flujo. La expresión 0.032 0.001y x es el resultado de la regresión
lineal aplicada a la serie de datos, la barra de error es del 1% , por lo que se observa
que el medidor de flujo tiene un comportamiento lineal y muy cercano al origen.
Apéndice B
88
Figura B.1 Gráfica del flujo vs frecuencia
y = 0.032x + 0.001
2
3
4
5
70 90 110 130
Flu
jo (
LPM
)
Frecuencia (Hz)
Fujo vs Frecuencia
Lineal (Fujo vsFrecuencia)
