LA GUÍA DEFINITIVA PARA EL ROBUSTECIMIENTO (HARDENING DE ...
ROBUSTECIMIENTO Y CALIBRACIÓN DE LA MÁQUINA DE...
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1 ROBUSTECIMIENTO Y CALIBRACIÓN DE LA MÁQUINA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE MEDIANTE INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA-AIRE OMAR EDUARDO ARIAS OLAVE ANDRES CAMILO GONZALEZ AYA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2016
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ROBUSTECIMIENTO Y CALIBRACIÓN DE LA MÁQUINA DE
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE MEDIANTE INTERCAMBIO DE CALOR
TIERRA-AIRE
OMAR EDUARDO ARIAS OLAVE
ANDRES CAMILO GONZALEZ AYA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
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ROBUSTECIMIENTO Y CALIBRACIÓN DE LA MÁQUINA DE
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE MEDIANTE INTERCAMBIO DE CALOR
TIERRA-AIRE
OMAR EDUARDO ARIAS OLAVE
ANDRES CAMILO GONZALEZ AYA
MONOGRAFÍA
M SC. CAMILO ANDRÉS ARIAS HENAO
Director
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
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TABLA DE CONTENIDO
LISTADO DE TABLAS 5
LISTADO DE FIGURAS 6
LISTADO DE GRAFICAS 8
LISTADO DE ABREVIACIONES 9
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 10
2. ESTADO DEL ARTE 10
3. JUSTIFICACIÓN 13
4. OBJETIVOS 13
4.1. OBJETIVO GENERAL 13
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 13
5. MARCO TEÓRICO 14
6. METODOLOGÍA 15
6.1. Fase de investigación y documentación 16
6.2. Fase de diseño 19
6.3. Fase de fabricación 23
6.4. Fase de instalación 25
6.5. Fase de pruebas y estudios 30
7. MANUAL PARA EL DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE FUNCIONAMIENTO
DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR TIERRA-AIRE 31
7.1 Objetivo general 31
7.2 Objetivos específicos 31
7.3 Procedimiento 32
8. CAPTURA DE DATOS 33
9. COMPARACIÓN CON EL MODELO TEÓRICO 44
10. CALIBRACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN 47
11. ANALISIS DEL ENTORNO SOCIAL DEL INTERCAMBIADOR 51
4
12. CRONOGRAMA 52
13. CONCLUSIONES 54
14. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN 56
15. BIBLIOGRAFÍA 57
5
LISTADO DE TABLAS
Página
Tabla 1. Propiedades aire atmosférico. 33
Tabla 2. Propiedades Aire atmosférico calentado. 34
Tabla 3. Propiedades Aire atmosférico enfriado. 35
Tabla 4. Propiedades aire en la salida (laboratorio de software). 36
Tabla 5. Propiedades aire en la salida (tubería de 4 pulgadas). 37
Tabla 6. Resultados de nuevas pruebas. 39
Tabla 7. Temperatura ambiente, Temperatura a la entrada y
Temperatura a la salida a diferentes horas del día. 40
Tabla 8 Temperatura Media a la entrada y a la salida. 42
Tabla 9. Propiedades del aire 44
Tabla 10. Temperatura Patrón, Temperatura Datalogger 1, Temperatura
Datalogger 2. 48
Tabla 11. Cronograma de actividades. 52
Tabla 12. Costos de materiales. 56
Tabla 13. Costos de procesos de mecanizado. 56
6
LISTADO DE FIGURAS
Fig. 1 Daño en la conexión entre la turbina y el tubo que va al laboratorio de
motores (Bloque 4 - Primer piso). 17
Fig. 2 Deterioro del recubrimiento aislante de la tubería que transporta el aire
enfriado en el subsuelo hasta la sala de software. 18
Fig. 3 Daño en la tubería de 2 pulgadas. 18
Fig. 4 Desconexión tubo de cableado eléctrico. 19
Fig. 5 Desconexión de los tubos de flujo de aire de diversos diámetros. 19
Fig. 6 Diseño del acople. 20
Fig. 6.1 Plano del cono del acople. 21
Fig. 6.2 Plano de la base del acople. 22
Fig. 6.3 Plano del acople. 23
Fig. 7 Base y cono del acople separados. 24
Fig. 8 Base y cono del acople soldados. 25
Fig. 9 Entrada de la turbina. 26
Fig. 10 Instalación del acople. 26
Fig. 10.1 Instalación del acople y tubería. 27
Fig. 11.1 Conexión entre tubería del laboratorio de motores y la turbina
ANTES. 27
Fig. 11.2 Conexión entre tubería del laboratorio de motores y la turbina
DESPUÉS. 28
Fig. 12 Reemplazo del aislante térmico. 29
Fig. 12.1 Reconexión tubería de cableado eléctrico (1). 29
Fig. 12.2 Reconexión tubería de cableado eléctrico (2). 30
Fig. 13.1 Medición de Temperatura de ebullición 39
Fig. 13.2 Medición de Temperatura de congelación 39
7
Fig. 14 Unidad de Calibración y Medición de Temperatura. 47
Fig. 15 Diagrama de Gannt con las fechas de actividades. 49
8
LISTADO DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Atmosférico 34
Gráfica 2. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Calentado. 35
Gráfica 3. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Atmosférico 36
Gráfica 4. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío en la salida
(laboratorio de software). 37
Gráfica 5. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío en la salida (tubería
de 4 pulgadas). 38
Gráfica 6. Variación de la temperatura a la entrada, salida y ambiente a diferentes
horas del día. 43
Grafica 7. Temperatura Patrón vs Temperatura de los Dataloggers 51
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LISTADO DE ABREVIACIONES
Re Número de Reynolds
V Viscosidad Cinemática
D Diámetro
P Presión
Pr Número de Prandtl
K Conductividad Térmica
h Coeficiente de transferencia de calor
�̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 Flujo másico del aire
𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 Calor especifico del aire
𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒𝑆𝐴𝐿𝐼𝐷𝐴 Temperatura del aire a la salida del sistema
𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴 Temperatura del aire a la entrada del sistema
𝐴 Área
�̇�𝑠𝑒𝑛𝑠 Calor sensible
𝑞 Calor
𝑇𝑆𝑈𝐸𝐿𝑂 Temperatura del suelo
𝑇𝑇𝑈𝐵𝑂 Temperatura del aire dentro del tubo
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1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
En la Universidad Distrital se realizó el proyecto del intercambiador de calor tierra
aire mediante tubos enterrados, cuya función es aprovechar la tierra para enfriar
aire y acondicionar el laboratorio de software ubicado en el segundo piso del bloque
4. Este intercambiador a estado funcionando desde hace unos 9 años, tiempo en el
cual ha trabajado de manera constante, por lo tanto, esto ha causado daños en su
estructura y en los instrumentos de medición instalados.
Aunque los daños no han sido solo debido al funcionamiento constante del equipo,
sino que además las condiciones ambientales y sociales han afectado el óptimo
desempeño de la máquina, ya que el variado clima de Bogotá ha afectado tuberías
y demás instrumentos, pero uno de los problemas que también han afectado al
equipo son las condiciones sociales, la falta de cultura y sentido de pertenencia de
algunos estudiantes ha generado constantes daños en todo el sistema del
intercambiador, actos de vandalismo han deteriorado la condición del equipo. Todos
estos daños han afectado el óptimo funcionamiento del equipo y se ha generado
una incertidumbre acerca del funcionamiento del equipo, por lo tanto se quiere
averiguar en qué condiciones está operando la máquina.
Debido al daño de los instrumentos y a las condiciones ambientales en las que se
encuentra el equipo, se hace necesario una evaluación del comportamiento de la
máquina de acondicionamiento de aire mediante intercambio de calor Tierra –Aire
en función de los sensores actualmente instalados, adicionalmente robustecer el
sistema para las condiciones que afronta.
2. ESTADO DEL ARTE
En el año 2006, los estudiantes Jairo Salinas y Jorge Ramírez llevaron a cabo un
proyecto llamado Caracterización de propiedades termodinámicas y de transporte
térmico del subsuelo [2], enfocado a la investigación de las propiedades
termodinámicas y de transporte térmico del subsuelo, esto con el fin de determinar
la viabilidad de un sistema de acondicionamiento geotérmico de aire por intercambio
energético con el subsuelo, de este proyecto se propuso estudiar las propiedades
térmicas del subsuelo de la Universidad Distrital, además de analizar el potencial
energético del subsuelo de la universidad, desarrollar un dispositivo de medición de
la conductividad térmica y finalmente obtener conclusiones sobre la viabilidad para
el desarrollo de un sistema de acondicionamiento geotérmico.
11
En el año 2009, La tesis " Evaluación de la influencia de las variables longitud y
diámetro en un sistema experimental de intercambio de calor tierra-aire de
acondicionamiento de aire a una profundidad de dos metros" [2], de los estudiantes
Julián Leonardo Jiménez Salamanca y Jairo Salinas Silva de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica proyecto curricular de Tecnología
e Ingeniería Mecánica que fue consecutivo al anterior que son a fin de construir e
instalar un sistema de acondicionamiento de aire que aproveche la potencialidad
térmica del subsuelo para refrigerar o calentar un salón de clase con picos o
decesos de temperatura En los que se avanzó determinando el caudal óptimo,
creado una base de datos de temperaturas durante tres meses y seleccionando el
sistema más óptimo.
En este proyecto se diseñó construyó e instaló el intercambiador de calor de tubos
enterrados tierra-aire y se hicieron los siguientes avances.
El uso de mecanismos energéticos innovadores aplicados en países como España,
Alemania, Islandia, Francia, entre otros. Donde se proponen fuertemente sacar
provecho de los elementos bioclimáticos que están a su alcance y del uso de
energías alternativas, como la instalación de intercambiadores de calor tierra aire,
entre estos se destacan proyectos como el centro administrativo Mérida donde se
implementara acondicionamiento de aire para todo el edificio, el proyecto de
Investigación Geocool5 que consta de 6 perforaciones de 50 m para el estudio de
las bombas de calor comparativas entre aire y agua, el Ambulatorio de Oliva en
Valencia, España con 1440 m de tubería en formación slinky, todas enfocadas a la
implementación del uso de intercambiadores enterrados en el subsuelo pero con
grandes variaciones del posicionamiento de estos intercambiadores debido a las
características de sus zonas.
Los avances tecnológicos desarrollados a nivel local y nacional son inexistentes,
este tipo de sistema de intercambiadores no se trabajan lo cual indica una gran
necesidad de investigación del tema para poder llegar a disminuir el uso de energía
eléctrica en un proceso de refrigeración o calefacción. No se conocen antecedentes
en Colombia de la misma técnica de acondicionamiento de aire por intercambio
energético con el subsuelo.
En el 2009 se realizó otro proyecto con tubos intercambiadores de calor, enterrados
bajo el subsuelo de la universidad, en esta ocasión fue realizado por los estudiantes
Jhon Peña y Carlos Guerrero, titulado Diseño de un sistema para el control de aire
de entrada a una instalación geotérmica de tubos enterrados tomando aire del
medio ambiente e integrando un laboratorio de psicrometría. Este proyecto fue una
continuación de la investigación llevada a cabo por el Grupo de Investigación en
Energías Alternativas de la Universidad Distrital, GIEAUD.
Este proyecto fue precedido por investigaciones en el área de energías alternativas
llevadas a cabo en la facultad y el cual consiste en diseñar, construir e instalar un
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sistema de acondicionamiento de aire que aprovecha la energía térmica del suelo,
esto con el fin de obtener un sistema de refrigeración o calefacción, conduciendo
aire desde el exterior hacia un recinto cerrado.
Este proyecto integró el sistema de intercambiadores de calor y un psicrómetro, esto
con el fin de incorporarlo al sistema de distribución de aire de las aulas de
automatización de la universidad.
El proyecto de los estudiantes Jhon Peña y Carlos Guerrero consistió en el uso de
unos equipos específicos, para poder tomar aire del medio ambiente y distribuirlo,
mediante un sistema de tuberías, y así llevarlo a un recinto cerrado, el cual fue el
laboratorio de automatización, donde se encuentra el equipo para estudios de
psicrometría; con este equipo se hicieron variaciones a la temperatura del fluido
transportado por los tubos, en ese caso aire.
El equipo diseñado por los estudiantes Peña y Guerrero, consta de una turbina de
aire conectada al motor eléctrico, el cual absorbe aire y lo impulsa hacia un elemento
distribuidor, por medio de una turbina. La función de la caja distribuidora es el de
controlar el aire y, mediante válvulas, distribuir el aire a 3 tuberías de diámetro
diferente.
El proyecto de Diseño de un sistema para el control de aire de entrada a una
instalación geotérmica de tubos enterrados tomando aire del medio ambiente e
integrando un laboratorio de psicrometría dio como resultado el diseño de un
sistema de control de aire de entrada de la instalación geotérmica de tubos
enterrados, no solo eso sino que también lograron adaptarlo la salida del fluido (aire)
a la máquina de estudio de psicrometría, para así poder verificar y estudiar las
propiedades del fluido transportado por los tubos enterrados.
Otro resultado que arrojó este proyecto fue que había fallas en el sistema de redes
de los intercambiadores, como por ejemplo la presencia de agua en las redes de
tuberías, esto debido a que habían desagües cerca a las tuberías pero debido a la
calidad del terreno éste siempre absorbe agua que se encuentre en el ambiente,
como por ejemplo agua de lluvia u otros factores del entorno. La solución que se
planteó para este problema resultó ser bastante efectiva, y fue la de incorporar una
turbina con un motor que puede funcionar de manera constante y con ello se puede
suministrar aire y con esto, a medida que el aire pasa seca la red de tuberías desde
adentro.
También ellos implementaron elementos que regulan el fluido (válvulas de
distribución), esto es fundamental para el posterior estudio de diversas propiedades
del fluido como el caudal, la variación de velocidad, la temperatura, la humedad
relativa, etc. Y finalmente, los estudiantes elaboraron un procedimiento de pruebas
que permitan el óptimo estudio de las propiedades del fluido transportado por el
sistema de tubos enterrados, haciendo uso de la máquina de estudios de
psicrometría, esto siguiendo procedimientos para todo el conjunto, desde el equipo
13
de psicrometría hasta el sistema de distribución e impulsión, como poner en marcha
el sistema, para evitar fallas debidas a fugas de aire, calentamiento del motor,
recirculación del fluido, etc.
3. JUSTIFICACIÓN
El proyecto de la máquina de acondicionamiento de aire mediante intercambiador
de calor Tierra-Aire ha venido funcionado de manera constante los últimos años,
pero se ha visto una descalibración en sus instrumentos de medición, y sobre todo
un deterioro en su estructura lo que pudo afectar su rendimiento, es por ello que es
de gran importancia robustecer la red de tuberías y equipo de impulsión para que
así la máquina pueda seguir operando de manera óptima sin verse afectada por las
condiciones ambientales que la rodean.
Además se desea realizar una comparación entre el estado actual del
intercambiador y el modelo teórico propuesto para este proyecto, con el fin
determinar posibles variaciones que estén afectando el funcionamiento del mismo.
Uno de los motivos por los cuales se hace necesario la evaluación y posterior
reparación del equipo, es que este sistema cumple una función que beneficia a gran
parte de la comunidad universitaria de la Facultad Tecnológica, y es nuestro deber
como estudiantes el poner en práctica nuestros conocimientos adquiridos en
beneficio de la Universidad que nos ha formado como profesionales.
4. OBJETIVOS
4.1. OBJETIVO GENERAL:
● Evaluar el comportamiento térmico del sistema de acondicionamiento de aire
mediante tubos enterrados instalados en la facultad tecnológica en función de
modelo teórico y su comparación con datos prácticos en función de las condiciones
ambientales y sociales del sistema.
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
● Evaluar las condiciones ambientales y sociales en las que se encuentra la
máquina.
● Comprobar el estado de los instrumentos de medición que actualmente se
encuentran instalados en el intercambiador de calor.
● Obtener mediciones del funcionamiento de la máquina.
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● Comparar los resultados previamente obtenidos con los resultados obtenidos
de modelos matemáticos.
● Acondicionar la máquina de acuerdo a las condiciones del entorno.
● Desarrollar manuales de procedimiento de pruebas de funcionamiento.
5. MARCO TEÓRICO
Un intercambiador de calor Tierra – Aire, también conocido como ICTA, es un
sistema de tuberías enterradas en el subsuelo a una profundidad que varía
dependiendo de la temperatura que se desea alcanzar, usualmente la tubería se
encuentra enterrada a una profundidad entre 1 y 4 metros. Esta tubería se ubica en
sentido horizontal, con una leve inclinación para facilitar el drenaje de agua que se
filtre en el sistema. El sistema consiste en una entrada de aire atmosférico, o aire
atmosférico mezclado con aire de un cuarto previamente acondicionado, un
ventilador que impulsa el fluido, en este caso aire, a través del sistema de tuberías,
y por último una salida a la zona que se quiere acondicionar, mejorando las
condiciones de confort térmico de dicho local. Cuando el aire viaja a través del
conducto se genera una diferencia térmica entre el subsuelo y el aire, este
diferencial es el que se usa para el acondicionamiento, o bien puede dar soporte a
un sistema de refrigeración o calentamiento previamente instalado.
Un intercambiador de calor de carcasa y tubos es un depósito a presión sin
combustión que consiste en dos cámaras de presión independientes (lado carcasa
y lado tubos). Por las dos cámaras fluyen dos medios de tal forma que cuando existe
una diferencia de temperatura entre ellos, el calor se intercambia sin que los medios
se mezclen. Un intercambio de calor efectivo solo se puede producir cuando existe
una diferencia de calor suficiente. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura,
menor será la superficie de transferencia de calor necesaria. La capacidad de
transferencia de calor de un intercambiador es el resultado del logaritmo de
transferencia media de temperatura, la superficie de transferencia de calor y el
coeficiente de transferencia de calor.
Se puede extraer calor del subsuelo a una temperatura relativamente baja, mediante
una bomba de extracción. La bomba de extracción de este calor aumenta la
temperatura que es usada en un sistema de calefacción, se requiere solo 0.25 a
0.3 KWh de electricidad para operar el sistema. Para refrigerar se puede invertir el
sistema y el calor proveniente de la refrigeración del edificio se puede inyectar en la
tierra para refrigerar con un alto grado de efectividad el espacio.
15
El sistema de tierra une a la bomba de calor con el subsuelo y permite la extracción
de calor o la introducción de frío a la tierra. Estos sistemas se pueden clasificar
como abiertos o cerrados.
Sistemas abiertos: Se usa agua subterránea como portador de calor y se lleva
directamente a la bomba de calor.
Sistemas cerrados: Intercambiadores de calor son ubicados en el subsuelo (ya sea
en forma horizontal, vertical u oblicua) y un medio portador de calor circula dentro
de los intercambiadores de calor, transportando calor de la tierra a la bomba y
viceversa.
Existen varios condicionamientos relevantes que afectan el funcionamiento y
rendimiento del intercambiador de calor tierra aire.
El precalentamiento de temperatura baja y refrigeración de en temperaturas altas
pueden tener un desfase diario o estacional dados por la inercia térmica de la tierra,
por lo que el estudio de las condiciones ambientales debe considerar un margen
amplio de cambios.
Los desfases se caracterizan por tener una caída exponencial con la longitud del
tubo. Los sistemas suelen funcionar en bucle abierto, donde el sistema de
ventilación funciona como un bucle de recarga térmica y de distribución.
Optimizar el funcionamiento del sistema mediante el uso de dispositivos y materiales
que utilicen apropiadamente la inercia térmica, manteniendo una buena capacidad
calorífica capaz de retardar la oscilación térmica. El flujo de aire debe ser
homogéneo para que el intercambio de calor entre la tierra y el material se optimo.
6. METODOLOGÍA
La realización de este proyecto consistió en 5 fases que se explican a continuación
- Fase de Investigación y Documentación: Estudiar tesis y proyectos de grado
anteriores para comprender los procesos a seguir para el estudio del funcionamiento
de la máquina de tubos enterrados, para así mismo tener una idea de que está
fallando y cómo poder mejorar.
- Fase de Diseño: Con los resultados obtenidos en la fase de investigación se
procederá a elaborar un diseño para reforzar la estructura de la red de tuberías, de
acuerdo a las condiciones del entorno.
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- Fase de Fabricación: Posterior a la fase de diseño, se llevará a cabo la
fabricación de estructuras destinadas a reforzar, recubrir, y robustecer el sistema de
tuberías de la máquina intercambiadora de calor.
- Fase de Instalación: Seguido a la fabricación se procederá a instalar la
estructura diseñada de tal manera que cumpla con el objetivo principal el cual es
robustecer y brindar una mayor protección al sistema de tubos intercambiadores de
calor.
- Fase de Pruebas y Estudios: Para complementar el proyecto se realizarán
estudios de las propiedades del fluido que transporta la red de tuberías de la
máquina, para esto se hará uso del equipo de estudios de psicrometría junto con
los instrumentos de medición provistos por la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas. Una vez planteadas las fases se explicara en qué consiste cada etapa
del proyecto.
6.1. Fase de investigación y documentación
En el estudio del intercambiador nos documentamos con la tesis Potencial de los
intercambiadores de calor tierra-aire para acondicionamiento de aire en diferentes
zonas climáticas [1] del ingeniero Camilo Arias con el objetivo de entender su
funcionamiento y así poder reconocer posibles fallos en su comportamiento además
de fallos en la calibración de sus instrumentos.
En la etapa inicial del proyecto se requirió un análisis visual y varias pruebas de
funcionamiento para evaluar el estado del intercambiador de calor y así determinar
su deterioro por el entorno, esto con el fin de trazar un plan de mantenimiento a fin
con nuestros objetivos.
En la inspección visual se observó el daño que habían sufrido los componentes
expuestos del intercambiador como es la tubería que conecta el laboratorio de
motores con la entrada del ventilador que impulsa el aire a las tuberías bajo tierra,
el recubrimiento térmico (thermolon) que recubre la tubería que lleva el aire enfriado
bajo tierra al laboratorio de software del bloque 4 segundo piso, y la caseta que
protege la turbina y el interruptor de encendido, esta caseta mostraba señales de
vandalismo ya que la puerta al parecer había sido forzada y el techo doblado en
algunas partes.
Como primera observación se aprecia que la conexión entre la turbina y la tubería
que cuatro pulgadas que conecta con el laboratorio de motores fue dañada
17
totalmente, se encontraba rota, por lo fue necesario reparar esa conexión ya que el
aire debe ser tomado del laboratorio de motores. A continuación se presenta una
imagen que muestra el estado de esta conexión.
Fig. 1 Daño en la conexión entre la turbina y el tubo que va al laboratorio de motores (Bloque
4 - Primer piso)
También se observó un deterioro del recubrimiento aislante térmico (thermolon) de
la base de la tubería de cuatro pulgadas que sube a la sala de software
especializado, el resto del thermolon estaba en buenas condiciones.
18
Fig. 2 Deterioro del recubrimiento aislante de la tubería que transporta el aire enfriado en el
subsuelo hasta la sala de software.
Fig. 3 Daño en la tubería de 2 pulgadas.
Otro daño visible fue el de los tubos de que transportan los cables de alimentación
y los tubos de flujo de aire de 4, 2 y 1 pulgada, estos estaban desconectados por lo
que debieron reconectarse y asegurarse correctamente.
19
Fig. 4 Desconexión tubo de cableado eléctrico.
Fig. 5 Desconexión de los tubos de flujo de aire de diversos diámetros.
En la prueba de funcionamiento se encendió la turbina para comprobar que la parte
eléctrica y la turbina funcionaran correctamente, efectivamente así fue, el sistema
eléctrico no presento fallas y funcionó de manera adecuada.
6.2. Fase de diseño
Con base en las observaciones en la fase de investigación y documentación
trazamos un plan de mantenimiento para efectuar las reparaciones necesarias y
realizar las correspondientes mediciones del equipo. Pero antes de esto se debió
diseñar un acople para adaptar la entrada de la turbina, con un diámetro de 6.5
20
pulgadas a una tubería comercial de PVC de 4 pulgadas, esto con el fin de optimizar
el flujo de aire y reducir las pérdidas en la absorción del aire desde el laboratorio de
motores. El acople se diseñó para ser fabricado en acero galvanizado e incluir una
base para ser atornillado a la carcasa de la turbina.
En la reparación de la tubería se decidió emplear un pegamento Gerfor especial
para tubería PVC, con el fin de fijar las tuberías e impedir que se despeguen más
adelante. Para finalizar con las reparaciones se desea reemplazar el thermolon ya
deteriorado por uno nuevo, el seleccionado es thermolon calibre diez con
recubrimiento en aluminio.
Así se diseñó el acople
Fig. 6 Diseño del acople.
Aquí se muestran los planos de fabricación
21
Fig. 6.1 Plano del cono acople.
22
Fig. 6.2 Plano de la base del acople.
23
Fig. 6.3 Plano del acople.
6.3. Fase de fabricación
Una vez analizadas las condiciones ambientales en las que se encontraba el
intercambiador, se diseñó un acople para adaptar la entrada de la turbina, la cual
tiene un diámetro de 6 ½ pulgadas, a una tubería comercial de 4 pulgadas, con una
base para ser atornillado a la carcasa de la turbina. El diseño del acople ya
terminado quedó así:
Posterior al diseño, se seleccionó el material óptimo para la elaboración del acople,
el material escogido fue el acero galvanizado, ya que este material presenta
propiedades óptimas para la función que va a desempeñar el acople, propiedades
como la resistencia a la corrosión, la cual es muy importante porque el acople estará
al aire libre, además de que se puede soldar, a bajo voltaje pero es posible soldarse,
esto último es muy importante ya que se requiere soldar el cono a la base para así
completar el acople, y por último el acero galvanizado es muy económico, por lo
cual fue el material que más redujo los costos de fabricación.
Luego de comprar los materiales, se realizó el corte del acero galvanizado para
obtener la base y el cono, sobre una placa de 280x280 (mm) se dibujó el croquis
24
para el corte de la base del acople y para la fabricación del cono, el corte se realizó
en un taller de oxicorte mientras que el cono fue elaborado en un taller de doblado.
Fig. 7 Base y cono del acople separados.
En el taller de soldadura de la Facultad Tecnológica se soldaron los componentes
para elaborar el acople, mediante un banco de soldadura a bajo voltaje (ya que con
un voltaje alto la soldadura derrite el acero galvanizado) se aplicaron varios puntos
por soldadura con electrodo revestido para unir la base al cono. Como resultado se
obtuvo el siguiente acople.
25
Fig. 8 Base y cono del acople soldados.
6.4. Fase de instalación
Habiendo fabricado el acople se procedió a instalarlo en la entrada del sistema, la
cual es el ventilador que impulsa el aire por las tuberías enterradas. Se removió el
techo de la estructura que protege la turbina y se instaló el acople a la entrada del
ventilador, también se conectaron los diversos tubos que estaban desconectados,
los tubos de 4, 2 y 1 pulgada se acoplaron a sus respectivas entradas. Seguido a
esto se encendió la turbina y se puso en funcionamiento el intercambiador para así
eliminar residuos y agua aposada en las tuberías enterradas.
Con el acople instalado se realizó la conexión entre el ventilador y la tubería
enterrada que conecta el laboratorio de motores con la entrada de la turbina; esta
conexión es de gran importancia ya que el aire debe ser tomado de este laboratorio
ya que entre otras cosas, allí se encuentra la máquina de estudios psicrométricos
con la cual se puede realizar el análisis de las propiedades del aire atmosférico que
está ingresando al sistema.
El resultado del acople ya instalado y la conexión entre la sala de motores y la
turbina se muestra detalladamente en las siguientes imágenes.
26
Fig. 9 Entrada de la turbina.
Fig. 10 Instalación del acople.
27
Fig. 10.1 Instalación del acople y tubería.
Fig. 11.1 Conexión entre tubería del laboratorio de motores y la turbina ANTES.
28
Fig. 11.2 Conexión entre tubería del laboratorio de motores y la turbina DESPUÉS.
Otras labores relacionadas con el mantenimiento del intercambiador fueron la
conexión y reparación de tuberías rotas, estas tuberías no solo transportan el fluido
sino que también protegen los cables que proveen de energía eléctrica al motor de
la turbina, y el reemplazo del aislante térmico que recubre la tubería que envía el
aire del subsuelo al laboratorio de software. El aislante anterior se debía reemplazar
ya que presentaba un avanzado deterioro. El aislante térmico usado fue el
thermolon calibre diez con recubrimiento en aluminio, el cual es óptimo porque actúa
como un aislante de alta eficiencia debido a sus propiedades de efectividad del
polipropileno metalizado y la cámara que hace la espuma de polietileno, llevándolo
a un ambiente confortable.
A continuación se detallan las labores de mantenimiento realizadas
29
Fig. 12 Reemplazo del aislante térmico.
Fig. 12.1 Reconexión tubería de cableado eléctrico (1).
30
Fig. 12.2 Reconexión tubería de cableado eléctrico (2).
6.5. Fase de pruebas y estudios
Esta parte del proyecto consistió en realizar diversas pruebas y estudios acerca del
funcionamiento del intercambiador, estas pruebas se enfocaron en las condiciones
a la entrada y salida del sistema termodinámico. Estas pruebas debieron repetirse,
ya que en un principio los resultados eran inconsistentes con el modelo teórico, ya
que el aire estaba saliendo del sistema con una temperatura mayor a la temperatura
con la que estaba entrando, esto quiere decir que el intercambiador no funciona, ya
que estaría calentando el aire en lugar de enfriarlo. Después de consultar con el
tutor asignado, se nos indicó que se repitieran las pruebas para verificar si en verdad
el sistema no estaba funcionado adecuadamente o si los instrumentos de medición
no estaban bien calibrados o tal vez las mediciones se estaban realizando de
manera errónea.
Uno de los objetivos de este proyecto de grado es la elaboración de manuales de
procedimiento para pruebas de funcionamiento del intercambiador de calor, a
continuación se describe el manual que se desarrolló y con el cual se realizaron las
pruebas sobre el equipo.
31
7. MANUAL PARA EL DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE FUNCIONAMIENTO
DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR TIERRA-AIRE
7.1 Objetivo general:
● Entender el funcionamiento y los principios termodinámicos del
intercambiador de calor.
7.2 Objetivos específicos
● Aprender a utilizar y calibrar correctamente los diversos instrumentos de
medición de propiedades del aire
● Identificar la temperatura y humedad relativa del fluido a la entrada y salida
del sistema
● Comprender el funcionamiento del banco de psicrometría
Previo a la realización de la práctica se sugiere repasar conceptos de psicrometría
y mecánica de fluidos, y responder las siguientes preguntas:
1. ¿Qué es y cómo se calcula el flujo volumétrico?
2. ¿Qué propiedades aparecen en la carta psicométrica?
3. ¿Qué es la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo?
4. Defina los siguientes conceptos, humedad relativa, humedad específica,
volumen específico.
5. Consultar sobre el funcionamiento de los siguientes instrumentos de medición
proporcionados para la práctica:
- Banco para pruebas de psicometría
- Higrómetro
- Datalogger
- Anemómetro
32
7.3 Procedimiento.
1. Solicitar los siguientes instrumentos de medición al laboratorista encargado del
laboratorio de motores: Anemómetro y Datalogger
2. Encender el intercambiador de calor, para esto se debe conectar el cable de
alimentación a la toma de corriente que se encuentra en el laboratorio de motores,
en caso de que no encienda el intercambiador, solicitar la llave del candado al
encargado del laboratorio y abrir la caseta de protección del intercambiador para
verificar que el fusible de alimentación de energía se encuentre activado.
3. Esperar 10 minutos con el intercambiador encendido para que el sistema fluya
y elimine residuos.
4. Con el anemómetro medir la velocidad promedio con la cual el aire está siendo
absorbido por la tubería en el laboratorio de motores.
5. Encender el ventilador del banco de estudios psicrométricos, regular con ayuda
del anemómetro para igualar la velocidad del aire impulsado por el ventilador con la
velocidad con la cual está siendo absorbido el aire por la turbina del intercambiador.
6. Con ayuda de una regla medir las dimensiones del agujero por el cual sale el
aire impulsado del ventilador del banco psicrométrico. Conociendo la velocidad del
aire y el área por la cual atraviesa el aire, determinar el flujo volumétrico.
7. Calibrar el Datalogger correctamente para no tener errores ni incertidumbre en
la toma de datos (si es necesario trazar una curva de error)
8. Configurar el Datalogger con el software especializado para medir temperatura,
humedad relativa y punto de rocío durante un tiempo adecuado.
9. Colocar éste en la salida de aire del banco psicrométrico, recopilar los datos en
el software y volver a configurarlo para las siguientes mediciones.
8. Con el Datalogger nuevamente configurado repetir el mismo procedimiento de
medición en la salida del banco psicrométrico, esta vez con enfriamiento del aire y
posteriormente con calentamiento.
9. Repetir la medición con el Datalogger en las salidas del intercambiador, la
tubería de 4 pulgadas, 2 pulgadas y en el laboratorio de software.
10. Hallar el área de las salidas del sistema, la tubería de 4 pulgadas, 2 pulgadas y
las rejillas de ventilación en la sala de software.
11. Recopilar todos los datos.
33
12. Comparar la temperatura con la que entra el aire al sistema y la temperatura
con la que sale del sistema en las diferentes salidas.
Basado en este manual se realizaron las diferentes pruebas del estado del equipo,
a continuación se muestran los resultados obtenidos.
8. CAPTURA DE DATOS
ENTRADA DEL SISTEMA (Tubería de 4 pulgadas en el laboratorio de motores)
La velocidad a la que está siendo succionado el aire por la turbina y a través de la
tubería es de 11.2 m/s.
Ya que el aire que está entrando al sistema es aire atmosférico, se le hizo un análisis
psicrométrico al aire del laboratorio de motores a temperatura ambiente, además de
calentarlo y enfriarlo para simular un clima diferente y así analizar las propiedades
del aire en diferentes condiciones.
TEMPERATURA 20.2 °C
HUMEDAD RELATIVA 58.7 %
PUNTO DE ROCÍO 11.8 °C Tabla 1. Propiedades aire atmosférico
34
Gráfica 1. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Atmosférico
ANÁLISIS DE AIRE ATMOSFÉRICO CALENTADO
TEMPERATURA 23.0 °C
HUMEDAD RELATIVA 51.0 %
PUNTO DE ROCÍO 12.3 °C Tabla 2. Propiedades Aire atmosférico calentado.
35
Gráfica 2. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Calentado.
ANÁLISIS DE AIRE ATMOSFÉRICO ENFRIADO
TEMPERATURA 21.5 °C
HUMEDAD RELATIVA 54.1 %
PUNTO DE ROCÍO 11.8 °C Tabla 3. Propiedades Aire atmosférico enfriado.
36
Gráfica 3. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío Aire Atmosférico
Seguido a los análisis del aire a la entrada se realizaron los análisis del aire en dos
de las salidas del sistema, la tubería de 4 pulgadas y la salida en el laboratorio de
software, con los siguientes resultados.
SALIDA (SALA DE SOFTWARE)
TEMPERATURA 23.4 °C
HUMEDAD RELATIVA 64.9 %
PUNTO DE ROCÍO 16.4 °C
VELOCIDAD DEL VIENTO 4.66m/s Tabla 4. Propiedades aire en la salida (laboratorio de software).
37
Gráfica 4. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío en la salida (laboratorio de
software).
SALIDA (TUBERIA 4 PULGADAS)
TEMPERATURA 21.9 °C
HUMEDAD RELATIVA 62.4 %
PUNTO DE ROCÍO 14.3 °C
VELOCIDAD DEL VIENTO 10.01m/s Tabla 5. Propiedades aire en la salida (tubería de 4 pulgadas).
38
Gráfica 5. Temperatura, Humedad Relativa y Punto de Rocío en la salida (tubería de 4
pulgadas).
Los resultados obtenidos mediante el uso de data loggers aparentan ser erróneos,
ya que esto implicaría que el sistema no está enfriando el aire sino calentando, se
plantearon varias opciones, una posible opción era que las medidas se estaban
realizando erróneamente, otra que los dataloggers no estuvieran calibrados y por
último que el sistema estuviera fallando y no enfriara el aire.
Con ayuda de un termómetro digital se decidió repetir las pruebas obteniendo
resultados más adecuados, por lo cual se concluyó que los dataloggers no estaban
calibrados o que las mediciones fueron hechas de manera errónea.
Antes se realizar las pruebas, se tuvo que comprobar que los termómetros digitales
estuvieran calibrados, para esto se sumergieron en agua congelada para comprobar
que el termómetro indicara una temperatura de 0 °C, efectivamente esto ocurrió.
Seguido a esto, se midió la temperatura de un recipiente con agua en ebullición para
identificar que el termómetro registrara la medición de temperatura de ebullición
adecuada para la presión atmosférica que se presenta en Bogotá.
Según el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia
(IDEAM), la presión atmosférica sobre la ciudad de Bogotá es de 560 mm Hg, lo
que equivale a 74,6605 KPa, según Dugan [4] pagina 904, mediante interpolación,
la presión de saturación para una presión de 74,6605 KPa es de 91.64 °C, mientras
39
que con los termómetros digitales obtuvimos una temperatura de saturación de 91.1
°C, bastante aproximado al modelo teórico, por lo tanto concluimos que los
dispositivos estaban debidamente calibrados y las mediciones obtenidas serian
completamente confiables.
Fig. 13.1 Medición de Temperatura de ebullición
Fig. 13.2 Medición de Temperatura de congelación
Con plena certeza de la precisión de los dispositivos de medición, se realizó una
toma de datos en un día soleado durante la máxima temperatura del día y se
obtuvieron estos resultados.
TEMPERATURA AMBIENTE 24.0 °C
TEMPERATURA ENTRADA 22.5 °C
TEMPERATURA SALIDA 19.5 °C Tabla 6. Resultados de nuevas pruebas.
40
En base a estos resultados se decidió analizar la temperatura de la entrada y salida del
sistema, además de la temperatura ambiente, a lo largo de un día completo, para así
analizar el comportamiento del sistema a diferentes horas del día.
La toma de datos realizo desde las 6:30 a.m. hasta las 7:30 pm en un intervalo de 10
minutos, a continuación se presentan los resultados obtenidos.
Hora Temperatura Ambiente (°C)
Temperatura de Entrada (°C)
Temperatura de Salida (°C)
6:30 12,5 19,6 19,5
6:35 12,2 19,3 19,2
6:45 12,5 19,3 19,4
6:55 12,6 19,4 19,4
7:00 13 19,5 19,4
7:10 13,3 19,6 19,3
7:20 13,4 19,7 19,3
7:30 13,7 19,7 19,4
7:40 13,9 19,8 19,9
7:50 14,4 19,9 19,1
8:00 15 20,1 19,4
8:10 15,1 20,3 19,3
8:20 15,9 21 19,4
8:30 15,9 22 19,4
8:40 16 22,7 19,5
8:50 16,6 23 19,5
9:00 16,6 23,2 19,7
9:10 17,2 23,1 19,6
9:20 17 22,5 19,7
9:30 17,2 22,1 19,6
9:40 17,8 22 19,6
9:50 18,5 22,1 19,5
10:00 18,9 22 19,5
10:10 20 22 19,5
10:20 20,2 22,2 19,6
10:30 20,5 22,3 19,7
10:40 20,3 22,3 19,6
10:50 20 22,2 19,6
11 20 22,1 19,7
11:10 20,3 22,1 19,6
11:20 21,5 22,2 19,7
11:30 22,4 22,6 19,8
11:40 21,3 22,7 19,7
11:50 22,2 22,9 19,7
41
12 22,2 22,9 19,7
12:10 22,3 22,9 19,7
12:20 22,3 23,1 19,6
12:30 22,5 23,2 19,7
12:40 22,8 23,4 19,8
12:50 22,9 23,6 19,8
13:00 23,1 23,9 19,7
13:10 23,4 24 19,7
13:20 24 24,3 19,6
13:30 22,9 24,1 19,8
13:40 22,6 24,1 19,8
13:50 22,3 23,9 19,8
14:00 22,1 24 19,9
14:10 21,8 23,9 19,9
14:20 21,5 23,9 20
14:30 21,2 23,8 20,1
14:40 20 23,5 20
14:50 21,7 23,6 20,1
15:00 20,6 23,8 20,2
15:10 19,1 23,1 20,3
15:20 19 23,2 20,3
15:30 18,3 22,9 20,3
15:40 19,2 22,8 20,2
15:50 19 22,8 20,1
16:00 18,5 22,7 20,2
16:10 18,3 22,8 20,2
16:20 18,6 22,7 20,2
16:30 18,7 22,7 20,2
16:40 18,6 22,6 20,2
16:50 18,5 22,6 20,3
17:00 18,4 22,5 20,3
17:10 18,4 22,6 20,2
17:20 17,8 22,5 20,3
17:30 17,5 22,6 20,2
17:40 16,9 22,1 20,2
17:50 16,5 21,7 20
18:00 16,5 21,7 20
18:10 16 21,4 19,9
18:20 15,7 21,3 20,1
18:30 15,8 21,5 20
18:40 15,6 21,2 20,1
42
18:50 15,5 21 20
19:00 15,4 20,8 20
19:10 15,4 20,7 19,9
19:20 15,2 20,5 20
19:30 14,8 20,2 19,9
Tabla 7. Temperatura ambiente, Temperatura a la entrada y Temperatura a la salida a
diferentes horas del día.
TEMPERATURA MEDIA A LA ENTRADA
22.1575 °C
TEMPERATURA MEDIA A LA SALIDA
19.80375 °C
Tabla 8. Temperatura Media a la entrada y a la salida.
43
Gráfica 6. Variación de la temperatura a la entrada, salida y ambiente a diferentes horas del
día.
44
9. COMPARACIÓN CON EL MODELO TEÓRICO
El modelo teórico a utilizar para la comparación de los datos hallados en la práctica
con los teóricos, es el explicado por Arias [3], aquí el autor explica un modelo
simplificado. El autor explica los factores que se omiten en el modelo simplificado y
el porqué.
No se tienen en cuenta el efecto del calor latente ya que en simulaciones su valor
es inferior al 10% comparado con el calor sensible, por lo cual el calor latente puede
ser descartado, sin embargo el autor explica que podría tener repercusiones
relevantes en climas húmedos y cálidos
Se asume una temperatura del suelo constante, para así descartar diferenciales
térmicos, así que se modela con el coeficiente de transferencia de calor convectivo
“h”, este factor puede cambiar a velocidades muy altas o bajas por que es
importante representar un flujo desarrollado.
Por último la temperatura del suelo es igual a la temperatura de la superficie del
tubo, las tuberías son de PVC un material con una mejor conductividad térmica que
el terreno, y como su espesor es muy pequeño la resistencia térmica es
despreciable, por lo tanto, se asume que:
𝑇𝑆𝑈𝐸𝐿𝑂 = 𝑇𝑇𝑈𝐵𝑂
Para los cálculos se requieren de unas propiedades del aire, en la siguiente tabla
se recopilan las propiedades.
VELOCIDAD
PROMEDIO (𝑽)
10.5m/s
DIÁMETRO (𝑫) 0.1016m (4in)
VISCOCIDAD
CINEMÁTICA (𝒗)
1.516*10-5 m2/s
CONDUCTIVIDAD TERMICA DEL AIRE (K)
0.02 W/m*K
NÚMERO DE PRANDTL (Pr) [5]
0.7309
DENSIDAD DEL AIRE A 20 °C (ρ)
1.204 kg/m3
TEMPERATURA MEDIA DEL AIRE
20 °C = 293.15 °K
CALOR ESPECIFICO DEL AIRE [5]
1007 J/kg*K
Tabla 9. Propiedades del aire
45
El primer paso es hallar el Número de Reynolds:
𝑅𝑒 = (𝑉 ∗ 𝐷)/𝑣
𝑅𝑒 =(10.5 𝑚/𝑠 ∗ 0.1016𝑚)
1.516 ∗ 10−5 𝑚2/𝑠
𝑅𝑒 = 70369.3931
Seguido a esto Arias [3] da unas ecuaciones para determinar el coeficiente de
transferencia de calor medio h para las dos condiciones que se presentan en el
sistema, calefacción y refrigeración.
Cuando ocurre que la temperatura del suelo es menor que la temperatura del aire
se dice que el sistema está refrigerando, y se usa la ecuación:
ℎ = 𝐾
𝐷∗ 0.0041 ∗ 𝑅𝑒0.8 ∗ 𝑃𝑟0.3
Reemplazando:
ℎ =0.02 𝑊/𝑚 ∗ 𝐾
0.1016𝑚∗ 0.0041 ∗ 70369.39310.8 ∗ 0.73090.3
ℎ = 5.5461𝑊
𝑚2 ∗ 𝐾
Para la condición que se presenta a tempranas horas del día y en horas de la noche
donde la temperatura del aire es menor a la temperatura del suelo se plantea la
siguiente ecuación:
ℎ = 𝐾
𝐷∗ 0.0041 ∗ 𝑅𝑒0.8 ∗ 𝑃𝑟0.4
Reemplazando:
ℎ =0.02 𝑊/𝑚 ∗ 𝐾
0.1016𝑚∗ 0.0041 ∗ 70369.39310.8 ∗ 0.73090.4
ℎ = 5.3749 𝑊
𝑚2 ∗ 𝐾
Determinamos el área de la sección transversal de la tubería de 4 pulgadas o 0.1016
m.
𝐴 = 𝜋 ∗ (0.1016𝑚)2
4
𝐴 = 8.10732 ∗ 10−3 𝑚2
46
Con los coeficientes convectivos de transferencia de calor para refrigeración y
calentamiento se puede determinar la cantidad de energía en forma de calor que es
extraída o añadida durante el proceso. La temperatura del suelo a 2m de
profundidad es aproximadamente 15 °C [3], así:
Para refrigeración:
𝑞 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 − 𝑇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜)
𝑞 = 5.5461𝑊
𝑚2 ∗ 𝐾∗ 8.10732 ∗ 10−3𝑚2 ∗ (293.15 − 288.15)°𝐾
𝑞 = 0.2248 𝑊
Para calentamiento:
𝑞 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 − 𝑇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜)
𝑞 = 5.3749𝑊
𝑚2 ∗ 𝐾∗ 8.10732 ∗ 10−3𝑚2 ∗ (293.15 − 288.15)°𝐾
𝑞 = 0.2179 𝑊
Podemos determinar el calor sensible y concluir sobre éste, para ello necesitamos
la temperatura media a la entrada y salida del sistema, las cuales son:
𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 19.80375 °C =
𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 22.1575 °C
Para determinar el calor sensible usamos la ecuación:
𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 =�̇�𝑠𝑒𝑛𝑠
�̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒
+ 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
El flujo másico lo hallamos:
�̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝜌 ∗ 𝑉 ∗ 𝐴
�̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 = 1.204𝑘𝑔
𝑚3∗
10.5𝑚
𝑠∗ 8.1073 ∗ 10−3 𝑚2
�̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 = 0.1025 𝑘𝑔/𝑠
De aquí despejamos el calor sensible, así:
47
�̇�𝑠𝑒𝑛𝑠 = (�̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒
) ∗ (𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎)
�̇�𝑠𝑒𝑛𝑠 = (0.1025 𝑘𝑔/𝑠 ∗ 1007𝐽
𝑘𝑔 ∗ 𝐾) ∗ (292.95375 − 295.3075)𝐾
�̇�𝑠𝑒𝑛𝑠 = −0.2429482 𝑊
En el proceso de refrigeración se extrae energía del aire, está perdida es de
0.2429482 W para las condiciones ambientales del intercambiador.
10. CALIBRACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN (DATALOGGERS)
La falta de calibración de los dataloggers se hizo evidente al analizar los resultados
de las pruebas iniciales. Por esto se decidió que se tenían que calibrar los
dataloggers que se encuentran en el laboratorio. En un principio se intentó calibrar
los dispositivos mediante un software de calibración de dataloggers pero las
incompatibilidades en versiones de software hicieron imposible este procedimiento.
Por ello se optó por crear una curva de calibración, esto consiste en medir la
temperatura con los dataloggers y a la vez con un termómetro patrón, éste es la
Unidad de Calibración y Medición de Temperatura. La temperatura que se midió fue
un proceso de enfriamiento, simulado mediante la máquina de análisis
psicrométricos.
Fig. 14 Unidad de Calibración y Medición de Temperatura.
El procedimiento que se realizo fue:
1. Configurar los dataloggers, mediante el software RHT10, para que registre un
total de 100 datos cada 5 segundos.
Nota: Se pueden configurar los dataloggers para que registren más datos, pero esto
tomara más tiempo, y como se observa en los resultados, la diferencia entre el
termómetro patrón y los dataloggers es casi lineal, por lo que no es necesario más
de 100 cada 5 segundos, el equivalente a 8 minutos y 15 segundos de medición.
48
2. Se conectan los cables en las terminales respectivas de la unidad de calibración
y se ponen los dataloggers junto con la termocupla de la unidad de calibración
dentro de la máquina de análisis psicrométricos.
3. Se enciende la máquina de psicrometría.
4. Se activan los dataloggers.
5. Después de haber transcurrido 8 minutos y 30 segundos, se retiran los
dataloggers, mediante el software se extraen los datos y se tabulan.
A continuación se presentan los datos obtenidos.
HORA TEMPERATURA (PATRON)
Datalogger 11065926 (1)
Datalogger (2) 11066195
1:31:31 21,9 25,3 26,2
1:31:36 22,1 25,3 26,2
1:31:41 22,2 25,3 26,1
1:31:46 22,2 25,3 26,1
1:31:51 22,3 25,3 26
1:31:56 22,2 25,2 25,9
1:32:01 22,2 25,2 25,8
1:32:06 22,1 25,1 25,7
1:32:11 22,1 25 25,6
1:32:16 22 25 25,5
1:32:21 22 24,9 25,4
1:32:26 21,9 24,8 25,3
1:32:31 21,9 24,7 25,2
1:32:36 21,9 24,6 25,1
1:32:41 21,9 24,5 25
1:32:46 21,9 24,5 24,9
1:32:51 21,9 24,4 24,9
1:32:56 21,8 24,3 24,8
1:33:01 21,8 24,2 24,7
1:33:06 21,8 24,2 24,6
1:33:11 21,8 24,1 24,5
1:33:16 21,8 24 24,5
1:33:21 21,7 23,9 24,4
1:33:26 21,7 23,8 24,3
1:33:31 21,7 23,8 24,2
1:33:36 21,7 23,7 24,2
1:33:41 21,6 23,7 24,1
1:33:46 21,6 23,6 24
1:33:51 21,6 23,5 24
49
1:33:56 21,6 23,5 23,9
1:34:01 21,6 23,4 23,9
1:34:06 21,5 23,4 23,8
1:34:11 21,5 23,3 23,8
1:34:16 21,5 23,3 23,7
1:34:21 21,5 23,2 23,7
1:34:26 21,4 23,2 23,6
1:34:31 21,3 23,1 23,6
1:34:36 21,3 23,1 23,5
1:34:41 21,3 23 23,5
1:34:46 21,3 22,9 23,4
1:34:51 21,3 22,9 23,3
1:34:56 21,3 22,9 23,3
1:35:01 21,2 22,8 23,2
1:35:06 21,2 22,8 23,2
1:35:11 21,2 22,7 23,1
1:35:16 21,1 22,7 23,1
1:35:21 21 22,6 23
1:35:26 21 22,6 23
1:35:31 20,9 22,6 22,9
1:35:36 20,8 22,5 22,9
1:35:41 20,8 22,5 22,8
1:35:46 20,7 22,5 22,8
1:35:51 20,6 22,4 22,7
1:35:56 20,6 22,4 22,7
1:36:01 20,6 22,3 22,6
1:36:06 20,5 22,3 22,6
1:36:11 20,3 22,3 22,6
1:36:16 20,2 22,3 22,5
1:36:21 20,1 22,2 22,5
1:36:26 20 22,2 22,4
1:36:31 20 22,1 22,3
1:36:36 19,9 22,1 22,3
1:36:41 19,8 22 22,3
1:36:46 19,7 22 22,2
1:36:51 19,6 22 22,2
1:36:56 19,5 21,9 22,1
1:37:01 19,4 21,9 22,1
1:37:06 19,4 21,8 22
1:37:11 19,3 21,8 22
1:37:16 19,2 21,8 22
50
1:37:21 19,1 21,7 21,9
1:37:26 19,1 21,7 21,9
1:37:31 19 21,6 21,8
1:37:36 19 21,6 21,8
1:37:41 18,9 21,6 21,8
1:37:46 18,9 21,5 21,7
1:37:51 18,8 21,5 21,7
1:37:56 18,7 21,5 21,6
1:38:01 18,7 21,5 21,6
1:38:06 18,6 21,4 21,5
1:38:11 18,6 21,4 21,5
1:38:16 18,6 21,3 21,5
1:38:21 18,6 21,3 21,4
1:38:26 18,6 21,3 21,4
1:38:31 18,6 21,3 21,4
1:38:36 18,6 21,2 21,3
1:38:41 18,6 21,2 21,3
1:38:46 18,5 21,2 21,3
1:38:51 18,6 21,2 21,2
1:38:56 18,6 21,1 21,2
1:39:01 18,7 21,1 21,2
1:39:06 18,7 21,1 21,2
1:39:11 18,7 21,1 21,1
1:38:16 18,7 21 21,1
1:38:21 18,7 21 21,1
1:38:26 18,7 21 21
1:38:31 18,7 21 21
1:38:36 18,7 21 21
1:38:41 18,7 20,9 21
1:38:46 18,7 20,9 20,9
promedio 20,44 22,747 23,077
Tabla 10. Temperatura Patrón, Temperatura Datalogger 1, Temperatura Datalogger 2.
51
Grafica 7. Temperatura Patrón vs Temperatura de los Dataloggers
11. ANALISIS DEL ENTORNO SOCIAL DEL INTERCAMBIADOR
Todos los análisis que se han realizado y expuesto tratan acerca del aspecto
práctico y funcional del intercambiador, además de su modelo matemático y
recopilación de datos de operación, ahora se presenta un análisis de las condiciones
sociales que rodean al sistema.
El intercambiador se encuentra en la parte de atrás del Bloque 4, donde se reúnen
estudiantes y personas ajenas a la institución a consumir sustancias psicoactivas,
estas personas generan una sensación de inseguridad y son las que han causado
la mayor parte de los daños que presenta la máquina, parte de este proyecto es el
de recuperar y realizar un mantenimiento correctivo al equipo, pero estas labores
de mantenimiento serán en vano si no se toman medidas serias para que las
personas que cometen actos ilícitos como el consumo y venta de estupefacientes
dentro de la Facultad sean retiradas de las instalaciones, se ha pasado una petición
al Consejo Curricular para que tome medidas que permitan estudiar en un ambiente
sano, libre de consumo de sustancias ilegales, ya que esto permitirá que el
intercambiador, y otros proyectos que se encuentran en la Facultad, puedan
desempeñar su labor sin sufrir vandalismo, y así futuros estudiantes se verán
beneficiados con este proyecto, podrán estudiar en un ambiente de confort térmico
y más importante aún, estudiar en un ambiente sano y seguro.
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Te
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era
tura
(C
)
Hora
Temperatura Patrón vs Temperatura Dataloggers
TEMPERATURA (PATRON) Datalogger 11065926 (1) Datalogger (2) 11066195
52
12. CRONOGRAMA
Las duración de las diversas actividades relacionadas con el proyecto de grado
abarcan desde inicios de abril hasta finales de diciembre del año 2015 y principio
de enero del 2016, a continuación se presenta un listado de las actividades llevadas
a cabo con su respectiva duración.
ACTIVIDAD FECHA DE INICIO
DURACIÓN (DÍAS)
FECHA DE TERMINACIÓN
Estudio del entorno 07/04/2015 7 14/04/2015
Análisis del estado del intercambiador 21/04/2015 15 06/05/2015
Diseño del acople 12/05/2015 4 16/05/2015
Cotización de los materiales 09/07/2015 1 10/07/2015
Compra de materiales 09/07/2015 4 13/07/2015
Fabricación del acople 18/08/2015 20 07/09/2015
Reemplazo y reparación de tuberías averiadas
14/09/2015 4 18/09/2015
Cambio del aislante térmico 14/09/2015 1 15/09/2015
Instalación del acople 22/09/2015 1 23/09/2015
Puesta en funcionamiento del intercambiador
23/09/2015 1 24/09/2015
Pruebas y estudios sobre el intercambiador
13/10/2015 40 22/11/2015
Análisis de los resultados 23/11/2015 7 30/11/2015
Elaboración de manuales para pruebas de funcionamiento
26/11/2015 10 06/12/2015
Elaboración del documento final 12/12/2015 35 16/01/2016
Repetición de Pruebas y estudios 18/01/2016 15 02/02/2016 Tabla 11. Cronograma de actividades.
53
Fig. 15 Diagrama de Gannt con las fechas de actividades.
54
13. CONCLUSIONES
La temperatura de entrada al sistema es más alta que la temperatura
ambiental en horas de la mañana y de la noche debido a que el aire se extrae
directamente del laboratorio motores, que en la toma de datos este lugar
estaba cerrado y con escaso flujo de aire lo que evita que este lugar se
acondicione normalmente, en las horas cercanas al medio día las dos
temperaturas tienden a tener un diferencial menor ya que es el punto en
donde se alcanzan las máximas temperaturas, por consiguiente el laboratorio
almacena más energía térmica lo que representa una estabilidad térmica
mayor comparada con la ambiental.
El intercambiador de calor tierra-aire está fundamentado en el la inercia
térmica de la tierra, en esta caso a dos metros de profundidad, como se
observa en la gráfica 6 la temperatura de salida del intercambiador es
prácticamente constante, lo que demuestra que la maquina cumple con la
con su cometido en este aspecto entregando aire a una temperatura cercana
de la tierra, ya sea para refrigerar o calentar.
Los dataloggers no están calibrados, esto representa un gran problema para
la elaboración de las prácticas de funcionamiento del equipo, ya que los
resultados que está arrojando no son los reales.
El deterioro del intercambiador de calor tierra aire era evidente en el inicio del
proyecto, el mantenimiento y refuerzo del mismo le permitió seguir operando
correctamente para seguir brindando confort a los estudiantes en la sala de
la sala de software especializado. Además de adelantar sugerencias ante el
consejo curricular para preservar el entorno y el funcionamiento de la
máquina para así brindar oportunidades de nuevas investigaciones a futuros
estudiantes.
La reducción de temperatura generado por el proceso de intercambio de calor
es de aproximadamente 3.5 °C.
El aire en la entrada del sistema ingreso del laboratorio de motores el que
tenía una temperatura más alta que la ambiente, pero con la información
obtenida de la gráfica podemos interpretar que el intercambiador de calor
55
tierra aire está en condiciones tanto de refrigerar como de calentar el aire
dependiendo clima en determinado momento.
La mayor eficiencia del intercambiador se da en horas del mismo día, desde
las 11:00 a.m. hasta la 1:00 p.m. ya que es en este rango de tiempo donde
la temperatura ambiente es la más alta del día, es aquí donde se alcanza la
mayor reducción de temperatura, por otro lado, en las horas de la mañana y
altas horas de la noche el sistema toma aire frio a aproximadamente 13 °C y
lo extrae a 19.6 °C, por lo tanto, el recinto donde se lleva el aire estará
acondicionado a cualquier hora del día.
Las curvas de la gráfica 6 no son paralelas entre sí por lo que no se puede
deducir una diferencia constante entre estas, esto se debe a que la
termocupla de platino es más sensible a los cambios de temperatura que el
sensor del datalogger, pero trazando una línea de tendencia para las dos
curvas se puede apreciar que estas líneas tienden a ser paralelas así
podemos aproximar una diferencia entre la medida real y la medida del
datalogger que no está calibrado, con esto solo basta restar el desfase y ya
se puede obtener una temperatura bastante aproximada a la real.
La diferencia de temperatura entre el patrón y el datalogger código 11065926
es de 2.5°C aproximadamente, mientras que el desfase del segundo
datalogger código 11066195, es de 3.5 °C aproximadamente.
Disminuir el caudal del aire permite que una mayor reducción en la
temperatura de salida con respecto a la temperatura de entrada, ya que
durante la realización de pruebas se observó que si se disminuye el caudal
al regular la válvula el aire disminuía aproximadamente 0.4 grados más que
con un caudal mayor, esto se debe a que el mismo aire recorre el sistema de
tuberías en un tiempo mayor, lo que le permite permanecer más tiempo bajo
tierra y así poder enfriarse un poco más.
Con respecto al entorno social que rodea al intercambiador concluimos que
las autoridades encargadas de la seguridad en la Facultad deben tomar
medidas más contundentes para erradicar el consumo de sustancias ilegales
dentro de las instalaciones de la Facultad, ya que estas personas son las que
realizan actos vandálicos que acaban deteriorando rápidamente todos los
proyectos que se encuentran en la Facultad, especialmente el
intercambiador, porque éste se encuentra al aire libre y en la zona donde
estos personajes se suelen reunir.
56
14. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN
Los fondos que acarreó este proyecto fueron proporcionados por los dos integrantes
de este grupo, con colaboración de nuestros familiares, el costo del proyecto en
general abarca la compra de materiales, los procesos de maquinado y mecanizado.
Hubo algunos procesos de manufactura que no acarrearon costo alguno ya que
fueron hechos mediante prácticas libres en las instalaciones de la Facultad
Tecnológica, estos procesos fueron la soldadura entre el cono y la base del acople
y la perforación de los agujeros para los tornillos, procesos que fueron realizados
en el taller de soldadura y en el taller de mecanizado, respectivamente. Aquí se
muestran los diferentes gastos realizados para la realización del proyecto.
MATERIALES PRECIO
Lamina de acero galvanizado 28x28 cm
$5.000,00
Lamina de acero galvanizado 50x50cm
$10.000,00
Pegante Industrial Bóxer $13.000,00
Seguetas $12.000,00
Tornillos 3/16 $2.000,00
Aislante Térmico Thermolon $11.000,00
Papel de Lija $2.000,00
Tubería de PVC de 4 pulgadas 2 metros
$12.000,00
Codo 90 PVC de 4 pulgadas $9.000,00
Unión PVC de 4 pulgadas $4.500,00
Soldadura para tuberías $16.000,00
Termómetro digital $29.000,00
TOTAL MATERIALES $125.500,00 Tabla 12. Costos de materiales
Los costos relacionados con mecanizados se muestran en la siguiente tabla
PROCESOS PRECIO
Corte de la base del acople $3.000,00
Doblado de la lámina para hacer el cono $6.000,00
TOTAL MECANIZADO $9.000,00 Tabla 13. Costos de procesos de mecanizado.
57
15. BIBLIOGRAFÍA
[1] Salinas, J. & Ramírez, J. CARACTERIZACIÓN DE PROPIEDADES
TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE TÉRMICO DEL SUBSUELO DE LA
FACULTAD TECNOLÓGICA. Proyecto de Grado Tecnología Mecánica,
Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (2006).
[2] Salinas, J. & Jiménez, J. EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS
VARIABLES LONGITUD Y DIÁMETRO EN UN SISTEMA EXPERIMENTAL DE
INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA-AIRE DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE A
UNA PROFUNDIDAD DE DOS METROS. Proyecto de Grado Ingeniería Mecánica,
Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (2009).
[3] Arias, C. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-
AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS
CLIMÁTICAS, Proyecto de Grado Ingeniería Mecánica, Universidad de Sevilla.
(2015).
[4] JONES, J.B. & DUGAN R.E. INGENIERÍA TERMODINÁMICA. Ciudad de
México, Ed. Prentice Hall, 1997, 1001. p. (ISBN 968-880-845-8).
[5] CENGEL, Y. & CIMBALA, J. MECÁNICA DE FLUIDOS, FUNDAMENTOS Y
APLICACIONES. México. Ed. McGraw-Hill. 2006. Tabla A-9.
