Degree's dissertation

UNIVERSIDAD DE VIGO Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales

Departamento de Ingeniería Mecánica, Máquinas y Motores Térmicos y Fluidos

PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO Y EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UN BANCO DE ENSAYOS PARA DISPOSITIVOS AEROTÉRMICOS

Alumno Roberto Palau Lage

Directores José Fernández Seara Rubén Diz Montero Vigo, Abril 2012

OBJETIVOS Y RESUMEN

El presente proyecto se centra en buscar una forma de analizar el comportamiento de toda clase de dispositivos aerotérmicos, considerándose como tales, aquellos dispositivos que intercambie calor mediante aire. Se considera que la mejor manera de lograrlo es mediante la construcción de un banco de ensayos que permita su análisis.

Deben, por tanto, satisfacer los siguientes objetivos.



Diseñar y construir un banco de ensayos que permita reproducir las diferentes condiciones de funcionamiento a las que un dispositivo aerotérmico pueda enfrentarse, registrando su comportamiento.



Verificar el correcto funcionamiento del banco de ensayo, analizando las lecturas obtenidas durante el proceso de ensayo.

El proyecto se ha dividido en los siguientes capítulos.



Capítulo 1. Introducción a los sistemas de aire, detallando los principales tipos y su capacidad para el aprovechamiento aerotérmico, y explicación de su principio de funcionamiento mediante una introducción a la psicrometría.



Capítulo 2. Presentación del concepto de energía aerotérmica, detallando sus principales ventajas y aplicaciones.



Capítulo 3. Diseño y construcción del banco de ensayos que servirá para analizar dispositivos aerotérmicos, reproduciendo sus condiciones de funcionamiento.



Capítulo 4. Realización de ensayos y análisis de los resultados obtenidos en los mismos, de modo que pueda verificarse el correcto funcionamiento y fiabilidad del banco de trabajos.



Capítulo 5. Conclusiones obtenidas y posibilidades de trabajos futuros.

Índice

ÍNDICE

CAPÍTULO I. SISTEMAS DE AIRE

1

1.1 Introducción

3

1.2 Procesos del aire

4

1.2.1 Humidificación

4

1.2.2 Deshumidificación

11

1.2.3 Calentamiento

13

1.2.4 Enfriamiento

13

1.3 Principales sistemas

17

1.3.1 Bombas de calor

17

1.3.2 Fan Coils

19

1.3.3 Recuperadores de calor

21

1.3.4 Sistemas de ventilación

22

1.4 Psicrometría

24

1.4.1 Propiedades termodinámicas del aire

25

1.4.1.1 Principales propiedades del aire seco

25

1.4.1.2 Principales propiedades del vapor de agua

26

1.4.1.3 Principales propiedades del aire húmedo

26

1.4.1.4 Aire saturado. Presión de saturación y temperatura de rocío

27

1.4.1.5 Índices de humedad

29

1.4.1.6 Volumen, calor y entalpía húmedos

30

1.4.1.7 Temperatura de saturación adiabática y termómetro húmedo

31

1.4.2 Aparatos psicrométricos

39

1.4.3 Diagramas psicrométricos

44

I

Índice

1.4.4 Procesos psicrométricos

49

1.5 Procesos de cálculo

60

CAPÍTULO II. ENERGÍA AEROTÉRMICA

67

2.1 Introducción

69

2.2 Concepto de energía aerotérmica

70

2.3 Ventajas de la energía aerotérmica

72

2.4 Aplicaciones de la energía aerotérmica

73

CAPÍTULO III. DISEÑO DE LA INSTALACIÓN

81

3.1 Introducción

83

3.2 Construcción del banco de ensayos

84

3.2.1 Componentes de control

85

3.2.1.1 Ventilador

86

3.2.1.2 Variador de frecuencia

97

3.2.1.3 Sistema de calentamiento

101

3.2.1.4 Sistema de control de la humedad

107

3.2.2 Elementos de medida

109

3.2.2.1Caudalímetro

109

3.2.2.2 Sensor de temperatura

113

3.2.2.3 Sensor de humedad

119

3.2.3 Zona de ensayo

123

3.2.4 Adquisición de datos

125

3.3 Equipo de prueba

129

II

Índice

CAPÍTULO IV. REALIZACIÓN DE ENSAYOS

133

4.1 Introducción

135

4.2 Ensayos de potencia

136

4.2.1 Ensayos de temperatura

137

4.2.2 Ensayos de caudal

143

4.3 Validación de la medida de humedades

141

4.4 Control de la temperatura

146

4.5 Ensayos de caudal

152

4.6 Verificación de condensados

168

CAPÍTULO V. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

183

5.1 Conclusiones

185

5.2 Trabajos futuros

187

ANEXOS

189

BIBLIOGRAFÍA

207

III

Ă?ndice

IV

CAPÍTULO I

SISTEMAS DE AIRE

CAPĂ?TULO I Sistemas de aire

2

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.1 INTRODUCCIÓN

Este capítulo tiene como objetivo servir, a modo de presentación, de los sistemas de intercambio de calor que funcionan mediante aire. Estos sistemas son dispositivos diseñados para transferir calor entre dos medios que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, entre otros, y se caracterizan por usar el aire como medio de intercambio de calor.

Con objeto de llevar a cabo un acercamiento a estos sistemas se presentarán algunos de los más característicos que forman parte de esta tecnología, indicando sus principales características y mecanismos de funcionamiento.

Posteriormente se enunciarán las propiedades fundamentales del aire que influyen en este tipo de procesos, los procedimientos experimentales que se llevan a cabo para mantener dichas propiedades dentro de unos parámetros controlados y los correspondientes sistemas de medida de las mismas. También se realizará una introducción a los procesos de cálculo que se emplearán.

Finalmente se hará mención a la normativa a la que deben adherirse los procesos experimentales que se llevarán a cabo.

No obstante, en primer lugar es conveniente exponer las propiedades principales sobre las que es imperativo ejercer un control adecuado para un sistema de aire. Éstas son el caudal de aire, temperatura y humedad relativa. Los valores adecuados de las propiedades del aire son fundamentales para lograr que el ensayo se desarrolle en las condiciones deseadas, y lograrlo no es sencillo. 4 son los procesos básicos que deben tener lugar a lo largo del circuito para lograr que el aire se comporte de la manera esperada a la entrada de la zona de ensayo, mencionados a continuación.

3

CAPÍTULO I Sistemas de aire



Humedecer el aire.



Deshumedecer el aire.



Calentar el aire.



Enfriar el aire.

4

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.2 PROCESOS DEL AIRE

A continuación se dispone a detallar en que consisten los procesos básicos anteriormente mencionados y los procedimiento mediante los que se llevan a cabo sobre el aire que entra en la zona de ensayo, ejerciendo sobre el mismo el control deseado.

1.2.1 Humidificación

Humedad significa, etimológicamente hablando, contenido de agua. Humedad del aire es, consecuentemente, la cantidad de agua contenida en el mismo.

La cantidad de agua que una masa de aire puede contener no es constante, sino variable en función de la temperatura y presión del aire. Para un lugar determinado y a las mismas condiciones atmosféricas, cada 10º C de aumento de temperatura del aire ambiente aproximadamente se duplica la capacidad del mismo para contener vapor de agua. Así pues, hay dos maneras principales de expresar la medida de la humedad del aire.



Humedad absoluta o contenido de vapor de agua en el aire. Normalmente se expresa en gramos de agua por kilogramo de aire seco y no varía con el calentamiento o enfriamiento del aire.



Humedad relativa o contenido porcentual de vapor de agua en el aire con respecto al máximo que es capaz de asimilar, a una determinada temperatura. La humedad relativa disminuye al calentar el aire y aumenta al enfriarlo.

La humidificación del aire se da de forma natural en las zonas cercanas al mar, a ríos y a lagos y de forma más efectiva en cascadas y saltos de agua. Las formas más

5

CAPÍTULO I Sistemas de aire

primitivas de incrementar la humedad del entorno estaban basadas en la imitación de la naturaleza, instalando estanques, fuentes, canales con saltos de agua, etc.

Los primeros humectadores fueron sencillamente bandejas o cuencos, en los que se ponía agua que al evaporarse evitaba niveles de humedad muy bajos.

Para aumentar el rendimiento de estos primeros humectadores se incluyeron aletas fabricadas con materiales porosos que con su base en contacto con el agua de la bandeja, se humedecían por completo por capilaridad. De esta manera aumentaba la superficie de transmisión de la humedad en el aire. Posteriormente se incrementó la capacidad de humectación usando un ventilador para impulsar el aire a través de un material absorbente humedecido, tal como una correa, un fieltro, o un filtro.

Finalmente, el desarrollo de la regulación automática permitió sistemas de funcionamiento autónomo que obtienen y mantienen un valor prefijado de humedad relativa.

Actualmente se lleva a cabo el proceso de humedecer el aire mediante humectadores que pueden clasificarse según su principio de funcionamiento en los tipos siguientes.



Humectadores de evaporación.



Humectadores de atomización.



Humectadores de vapor.



Humectadores de evaporación

El agua en fase líquida toma la energía necesaria para vaporizarse del propio aire que se humidifica (y enfría) por lo que se denomina humidificación adiabática o a energía constante (aunque no es un proceso realmente adiabático). Este es el proceso de humidificación que ocurre de forma natural sobre la superficie de los mares, ríos y lagos. En los humectadores de evaporación modernos se hace pasar el agua y el aire en

6

CAPÍTULO I Sistemas de aire

flujos cruzados por un panel de gran superficie interior donde el contacto aire-agua es de larga duración y el proceso de evaporación es máximo.

Figura 1.1. Humectador de evaporación

Algunas de las ventajas de los humectadores de evaporación.



Son sencillos y económicos.



Su coste de operación es bajo: requieren muy poca energía.



En condiciones normales no generan aerosoles. El aire pasa a través del material absorbente humedecido y modifica su humedad relativa sin arrastre de agua en fase líquida. Es importante mencionar que aun cuando el funcionamiento teórico de estos sistemas no genera aerosoles, existe el riesgo de que a lo largo de su vida útil se modifique el ajuste del sellado del material absorbente, o el goteo que humedece el material, etc, y se creen condiciones tales que si se generen aerosoles.

7

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Algunas de las desventajas de los humectadores de evaporación. 

No permiten un control preciso de la humedad.



Los materiales absorbentes pueden favorecer la formación de hongos, algas y bacterias, nocivas para la salud.



La bandeja de agua, si no es convenientemente tratada, puede crear entornos muy adecuados para el desarrollo de bacterias en general y concretamente de Legionela.



Humectadores de atomización

También son sistemas de humectación adiabática, pero la solución mecánica utilizada es diferente de la anterior. En éstos se pulveriza el agua en partículas tan pequeñas como sea posible, es decir, se generan aerosoles mediante boquillas alimentadas con agua a presión (lavador de aire), discos giratorios a gran velocidad con una corona dentada perimetral contra la que chocan las gotas de agua desplazadas por la fuerza centrífuga (atomizador centrífugo), o las partículas de agua se desprenden por la vibración a muy alta frecuencia de un cristal piezoeléctrico (humectadores de ultrasonidos). Es decir, el principio de operación de los humectadores de atomización es la generación de aerosoles y su emisión a la atmósfera a acondicionar.

Figura 1.2. Humectador de atomización

8

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Algunas de las ventajas de los humectadores de atomización.



Son sencillos y económicos.



Su coste de operación es bajo: requieren poca energía.



La cantidad de aerosoles generada no depende de la humedad relativa del aire ni de la velocidad de impulsión del mismo. De esta manera es posible controlar la cantidad de aerosol generada y conseguir un control preciso de la humedad relativa del aire.

Algunas de las desventajas de los humectadores de atomización.



Generan aerosoles que son incorporados a la corriente de aire o emitidos a las zonas ocupadas. Dichos aerosoles favorecen la dispersión de los contaminantes existentes en el agua (minerales, contaminación biológica, etc.) y al ser emitidos pueden ser inhalados por la población expuesta. Debido al tamaño de las partículas de agua atomizadas, al ser inhaladas son susceptibles de penetrar hasta los alvéolos pulmonares.



La bandeja de agua, si no es convenientemente tratada, puede crear entornos muy adecuados para el desarrollo de bacterias en general y concretamente de Legionella.



Humectadores de vapor

En este método, la energía necesaria para vaporizar el agua líquida se cede directamente a ella, de forma que se produce vapor que será posteriormente emitido al

9

CAPÍTULO I Sistemas de aire

aire. El humectador dispone de un depósito de agua y mediante resistencias calefactoras o electrodos, calienta el agua generando vapor.

Figura 1.3. Humectador de evaporación

Algunas de las ventajas de los humectadores de vapor.



Al calentar el agua hasta convertirla en vapor destruyen la carga bacteriana.



Permiten un control preciso de la humedad.

Algunas de las desventajas de los humectadores de vapor.



Su coste de operación es alto: requieren mayor energía que el resto de humectadores.



Los humectadores de vapor no representan riesgo frente a Legionela. Todos estos humectadores (de evaporación, de atomización, y de vapor) disponen de una bandeja o depósito donde se acumula el agua. Los de menor tamaño no disponen de instalación automática de aporte de agua, es decir, no están conectados a ninguna red de suministro de agua, sino que sus depósitos o bandejas son rellenados manualmente por los usuarios.

10

CAPÍTULO I Sistemas de aire



El tiempo de residencia puede ser largo (dependiendo del volumen de agua, cantidad de vapor de agua generado, etc) y la temperatura del agua suele estabilizarse al valor de temperatura del ambiente acondicionado, creándose entornos susceptibles de favorecer el crecimiento bacteriano.

Se recomienda que los sistemas domésticos empleen agua con bajo contenido mineral (desmineralizada). Esta medida reduce el riesgo de desarrollo de microorganismos y evita la emisión a la atmósfera de minerales existentes en el agua potable. De igual manera, la utilización de agua con bajo contenido mineral en instalaciones de pequeño tamaño reduce la necesidad de limpiezas del sistema y el riesgo de averías.

1.2.2 Deshumidificación

La deshumidificación es el proceso de retirar el vapor de agua contenido en el aire, es decir, su humedad. Existen diferentes procesos para remover la humedad del aire¸ expuestos a continuación.



Por enfriamiento, hasta alcanzar una temperatura por debajo del punto de rocío.



Por el incremento de la presión total, lo cual causa la condensación.



Poner en contacto un desecante con el aire, con lo cual, la humedad del aire migra hacia el desecante, impulsado por la diferencia en las presiones de vapor.

11

CAPÍTULO I Sistemas de aire



Deshumidificación por enfriamiento

Consiste en hacer bajar la temperatura del aire por debajo de la temperatura de rocío, lo que hace que el agua del aire condense. Este proceso se lleva a cabo típicamente en deshumidificadores de placas, que funcionan haciendo pasar el aire a través de placas frías que condensan el agua que contiene, y posteriormente la vierten en platos o depósitos. A continuación el aire pasa por una zona que eleva su temperatura hasta devolverla al valor del ambiente, lo que reduce aún más su humedad relativa.



Deshumidificación por incremento de la presión

De manera análoga al proceso de deshumidificación por enfriamiento, aumentando la presión del aire también se reduce su capacidad para contener agua. Es por eso que comprimiendo el aire se puede obligar al agua que contiene a condensar.



Deshumidificación por desecantes

Un desecante es una sustancia química que tiene una gran afinidad por la humedad, es decir, es capaz de extraer o liberar vapor de agua del aire, en cantidades relativamente grandes con relación a su peso y volumen. El proceso físico que permite la retención o liberación de la humedad es la diferencia en la presión de vapor entre la superficie del desecante y el aire ambiente. Los desecantes pueden ser clasificados como adsorbentes, las cuales absorben la humedad sin experimentar cambios químicos o físicos, o absorbentes las cuales absorben la humedad acompañado por cambios físicos o químicos. Los desecantes pueden ser sólidos o líquidos. Muchos absorbentes son líquidos y muchos adsorbentes son sólidos. Poniendo estas sustancias en contacto con el aire se logra el proceso de deshumidificación.

12

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.2.3 Calentamiento

El principal sistema de calentamiento del aire con que contará el presente proyecto es mediante resistencias en forma de U aleteadas para calentar el aire. Son frecuentes en conductos de ventilación o gases donde el elemento a calentar es el aire. Con una densidad de carga de máximo 3,6 /

, pueden aplicarse resistencias de este tipo

para calentar el aire hasta una temperatura máxima de 200 ºC con una velocidad de aire mínima de 2 m/s sobre la zona calefactora.

En la tabla 1.1 sirve como orientación de las temperaturas de trabajo máximas en función de la velocidad de aire a través de las resistencias. Permite calcular que potencia deberá llevar la resistencia para calentar una zona concreta, a una temperatura concreta.

Figura 1.5. Tabla de temperaturas de trabajo máximas de las resistencias

1.2.4 Enfriamiento

Para la aplicación que se está tratando, el sistema óptimo para enfriar el aire son las baterías de refrigeración con aletas.

La batería de refrigeración es un intercambiador tipo tubos con aletas (flujo cruzado), que permite la transferencia de calor entre el aire (aletas) y un fluido (tubos).

13

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Figura 1.6. Esquema batería de refrigeración

En una tubería, el refrigerante pasa por el interior de un haz de tubos aleteados situados en el interior de una corriente de aire. Si el refrigerante está por encima de la temperatura de rocío del aire, no se produce condensación, el proceso que se produce es solo de enfriamiento sensible y el aire permanece con un contenido de humedad absoluta constante. En cambio, si el refrigerante está por debajo del punto de rocío del aire, se produce la deshumectación, caso más común en el acondicionamiento de aire.

El camino del enfriamiento desde el punto 1 al 2 no se puede predecir fácilmente, ya que los intercambios de calor sensible y latente que se producen implican una condensación del agua. No tiene mucha importancia en la climatización el camino que sigue el aire desde el punto 1 hacia el 2, puesto que sólo es necesario considerar las condiciones finales, a menos que lo que se desea sea diseñar el propio haz de tubos.

Aunque no se va a detallar más el análisis, se puede ver el proceso teórico y real que sufre el aire en una batería de refrigeración cuando se enfría en las figuras 1.7 y 1.8.

14

CAPร TULO I Sistemas de aire

Figura 1.7.Grรกfica del estado del aire durante la deshumectaciรณn

Figura 1.8. Grรกfica del estado del aire durante la deshumectaciรณn

15

CAPÍTULO I Sistemas de aire

En el caso de una batería de refrigeración real, el aire no sale al punto de saturación, sino que, según el diseño de la batería, saldrá aproximadamente con una HR entre el 90% y el 95% Hay diversas posibilidades a la hora de elegir un refrigerante. Una posibilidad típica es el agua, aunque no permite refrigerar a temperaturas tan bajas como salmueras, por ejemplo, cuya temperatura puede descender por debajo de los 0 ℃

16

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.3 PRINCIPALES SISTEMAS

Se ofrece a continuación un repaso por algunos de los sistemas de aire más característicos, de modo que se ayude a formar una idea del funcionamiento de los mismos.

1.3.1 Bombas de calor

Las bombas de calor, concretamente las bombas de calor de tipo aerotérmico, se prevén como el principal objeto de estudio del banco de trabajo. Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro, según se requiera enfriar un foco frío o calentar un foco caliente. Para lograrlo es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica, según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualan, por lo que todo intercambio energético en sentido contrario requerirá de un aporte energético externo.

Una bomba de calor emplea un fluido refrigerante con un bajo punto de ebullición. Éste requiere energía (denominada calor latente) para evaporarse, y extrae dicha energía de su alrededor en forma de calor. El proceso a seguir es el siguiente: el fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, que eleva su presión aumentando así su energía interna. Éste, al pasar por un intercambiador de calor llamado condensador, cede calor al foco caliente puesto que está aún más caliente, de modo que cambia su estado a líquido. Después se le hace pasar por una válvula de expansión, donde recupera la presión inicial, enfriándose bruscamente por tanto. Luego pasa por otro intercambiador de calor, el evaporador, donde absorbe calor del foco frío, puesto que está más frío que dicho foco. El fluido, que se ha evaporado al recibir energía regresa al compresor, cerrándose el ciclo.

17

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Figura 1.9. Esquema de una bomba de calor y diagrama de temperatura frente a entropía, que muestra los estados por los que pasa el aire al atravesar el circuito de una bomba de calor

La bomba de calor puede tener como objetivo principal enfriar el foco frío o calentar el foco caliente, pudiendo variar entre una función y otra, lo que la convierte en un dispositivo versátil y de gran funcionalidad.

La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente. Cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el rendimiento de la máquina.

Las bombas térmicas tienen un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance) mayor que la unidad. Aunque esto puede parecer imposible, se debe a que en realidad se está moviendo calor usando energía, en lugar de producir calor como en el caso de las resistencias eléctricas. Una parte muy importante de este calor se toma de la entalpía del aire atmosférico. En toda bomba de calor se verifica que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más la potencia consumida por el compresor, que se transmite al fluido.

(Ec. 1.1)

18

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Dado que el efecto útil de una bomba de calor depende de su uso, hay dos expresiones distintas del COP. Si la máquina se está usando para refrigerar un ambiente determinado, el efecto útil generado por la misma es el calor extraído del foco frío, y la expresión de su COP es la de la ecuación 1.2.

(Ec. 1.2)

Si la bomba de calor está usándose para calentar una zona, el efecto útil es el calor introducido.

(Ec. 1.3)

Una bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y seis, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos.

1.3.2 Fan coils

Un fan coil es un equipo de climatización constituido por un intercambiador de calor, un ventilador y un filtro. Pueden trabajar bien refrescando o bien calentando el ambiente, según se alimente de agua refrigerada procedente de un dispositivo enfriador o con agua caliente procedente de una bomba de calor o una caldera común. Para refrescar o calentar el agua, el fan coil requiere de una unidad exterior.

La unidad exterior o unidad evaporadora, con central térmica es donde se calienta o enfría el agua. Por lo general se sitúa en la cubierta del edificio. El agua enfriada o calentada corre por las tuberías hasta las unidades individuales.

19

CAPÍTULO I Sistemas de aire

El mecanismo de funcionamiento es el siguiente: la unidad fan coil recibe agua caliente o fría desde la unidad exterior. Un ventilador impulsa el aire y lo hace atravesar los tubos por los que pasa el agua caliente o fría produciéndose aquí el cambio de temperatura. Tras pasar por el filtro, el aire calentado o refrigerado sale al exterior climatizando el ambiente.

Se trata de un sistema de acondicionamiento y climatización de tipo mixto de reducido tamaño, que resulta ventajoso en edificios donde es preciso economizar el máximo de espacio. Suple a los sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos.

Figura 1.10. Unidad Fan Coil

Estas instalaciones de calefacción y climatización tienen como misión mantener la temperatura, humedad y calidad del aire dentro de los límites que se prescriban para cada caso concreto. Están diseñadas para proporcionar un mayor bienestar a los ocupantes de los edificios e intentarán mantener, tanto en verano como en invierno, temperaturas que pueden oscilar entre los 20 y 25 °C y niveles próximos al 50% de humedad relativa.

20

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.3.3 Recuperadores de calor

Se puede definir un recuperador de calor como un equipo utilizado para calentar un fluido que está más frío de lo deseado, transfiriendo este calor a otro fluido. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos. Se encuentran 2 tipos principales.



Recuperadores industriales

Con estos recuperadores de calor se consigue absorber una parte importante de la energía calorífica de los gases de escape de cualquier proceso productivo y transmitirla a otro fluido, normalmente el aire de combustión del mismo proceso, con lo que se consiguen ahorros de consumo de combustible de hasta el 60% y una reducción drástica de las emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero.



Recuperadores domésticos

Este recuperador de calor se emplea para optimizar las condiciones ambientales de locales y otros espacios habitables. Funciona mediante la combinación de dos ventiladores centrífugos de bajo nivel sonoro, donde uno de ellos realiza la extracción del aire viciado del interior del local hacia la calle, y el otro impulsa aire fresco del exterior hacia el interior del local. Los dos circuitos se cruzan sin mezclarse en un intercambiador de placas, donde el calor del aire saliente se transfiere al aire fresco del exterior y lo calienta. De esta forma se consigue recuperar un alto porcentaje de la energía utilizada para calentar o enfriar el aire del interior del local, y reutilizarla. Sin la utilización del recuperador, esta energía se perdería totalmente.

21

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Figura 1.11. Recuperador doméstico

1.3.4 Sistemas de ventilación

La ventilación es también un importante ejemplo de sistema de intercambio de calor mediante aire. En primer lugar, se denomina ventilación al acto de mover o dirigir el movimiento del aire para un determinado propósito. Para ello se emplea como herramienta el ventilador.

Un ventilador es una máquina de fluido concebida para producir una corriente de aire mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones.

Entre sus aplicaciones, destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado para proporcionar oxígeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores, principalmente en lugares cerrados; así como la de disminuir la resistencia de transmisión de calor por convección. En los ventiladores, el aumento de presión es generalmente tan insignificante comparado con la presión absoluta del gas, que la densidad de éste puede considerarse inalterada durante el proceso de la operación; de

22

CAPÍTULO I Sistemas de aire

este modo, el gas se considera incompresible, como si fuera un líquido. Los ventiladores pueden utilizarse para asistir a otros intercambiadores de calor, como disipadores o radiadores, con la finalidad de aumentar la transferencia de calor entre un sólido y el aire o entre los fluidos que interactúan, mediante convección. Una clara aplicación de esto se ve reflejada en evaporadores y condensadores en sistemas de refrigeración en que el ventilador ayuda a transferir el calor latente entre el refrigerante y el aire, y viceversa.

23

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.4 PSICROMETRÍA

En general, la psicrometría estudia las propiedades termodinámicas de mezclas de gas con vapor. En particular, la mayoría de las aplicaciones se refieren al aire húmedo, considerado como la mezcla de aire seco y vapor de agua. La psicrometría resulta entonces útil en multitud de procesos, como el diseño y análisis de sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos, diseño de equipos de refrigeración, estudio del secado de alimentos, estudios de aire acondicionado y climatización, torres de enfriamiento, y en todos los procesos industriales que exijan un fuerte control del contenido de vapor de agua en el aire.

Se procede a ver cómo el estudio termodinámico de un sistema complejo como es el aire, puede realizarse de forma más o menos sencilla. El hombre ha sido capaz de definir importantes conceptos termodinámicos que, por una parte, permiten un desarrollo teórico sencillo y que, por otra, coinciden con las variables que pueden medirse en la práctica. El hombre ha sido capaz también de diseñar y construir aparatos muy sencillos, accesibles a cualquier persona, para la determinación de las propiedades básicas del aire húmedo. También se han diseñado diagramas apropiados que facilitan enormemente los cálculos y que, además, permiten tener una imagen “visual” del estado termodinámico del aire y su evolución en los procesos que sufre. En este tema comenzaremos por estudiar las principales propiedades termodinámicas del aire, haciendo especial hincapié en el concepto de humedad. Luego se indicarán los principales aparatos utilizados para medir la humedad. A continuación se estudiará la forma de utilizar diagramas que faciliten los cálculos. Finalmente se analizarán diversos procesos psicrométricos.

24

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.4.1 Propiedades termodinámicas del aire

Como es bien sabido, el aire es una mezcla de varios gases (entre los que destacan el nitrógeno y el oxígeno) a la que se denomina aire seco, más una cierta cantidad de agua en forma de vapor.

Generalmente, el rango de presiones y temperaturas de interés para diversas aplicaciones es tan limitado que puede considerarse que tanto el aire seco como el vapor de agua se comportan como gases ideales. Además, se considera que el aire seco se comporta como si fuera un componente puro, por lo que las propiedades del aire húmedo pueden estudiarse en base al conocimiento de las propiedades de mezclas de gases ideales, regidas principalmente por la conocida ley de Dalton. Como se verá a continuación, esta aproximación facilita enormemente el cálculo analítico (mediante ecuaciones) de las propiedades del aire (que suele denominarse aire húmedo para diferenciarlo del aire seco).

1.4.1.1 Principales propiedades del aire seco



Masa molecular: Ma = 28’964 ∙ 10

⁄



Densidad y volumen específico: =

≈

. ∙

⁄ ∙

.

o Pa = presión parcial del aire seco. o R = 8’315 ⁄

⁄



Calor específico:

≈ 1 /



Entalpía específica: (tomando como referencia 0 ºC)

= 0’0821

ℎ ≈ 1 ( – 0 º ) /

= 1’986

º .

.

25

⁄

.

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.4.1.2 Principales propiedades del vapor de agua

= 18’015 ∙ 10



Masa molecular:



Densidad y volumen específico:

⁄

.

≈

=

∙

⁄ ∙

⁄

para

T < 66 ºC. o Pv = presión parcial del vapor de agua. ≈ 1’88 /(



Calor específico:



Entalpía específica: ℎ ≈

º ) entre – 71 º 124 º .

(0 º ) + 1’88 ( – 0 º ) /

como referencia agua líquida a 0 º , y siendo

(Tomando

(0 º ) = 2501’4 /

).

1.4.1.3 Principales propiedades del aire húmedo

El aire húmedo es una mezcla binaria que, a presiones inferiores a 3 atm, puede aproximarse al comportamiento de una mezcla de gases ideales, cumpliendo la ley de Dalton.

Se llama

,

,

a las masas y número de moles de aire seco y de vapor

de agua.

=

⁄

+



Masa molecular:



Densidad y volumen específico: o Con =

+

, donde

+ = y

/ ≈

. ∙

⁄ ∙

/

.

son las presiones parciales del aire

seco y el vapor de agua (como si ocuparan todo el volumen).

26

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Figura 1.12. Aire húmedo como mezcla de aire seco y vapor de agua





=

Calor específico: ℎú

∙

+

ℎú

⁄

+

/ ∙

.

Entalpía específica: ∆ℎ = ∆ℎ ∙

∙

+ ∆ℎ ∙

⁄

+

/

.

Las expresiones anteriores muestran una dependencia de las propiedades del aire húmedo con la cantidad de vapor que contenga. Por ello, es necesario introducir índices o parámetros que permitan cuantificar la humedad del aire.

1.4.1.4 Aire saturado. Presión de saturación y temperatura de rocío

El vapor de agua presente en el aire suele tener una presión parcial pequeña. El aire estará saturado de vapor de agua cuando, a una temperatura dada, dicha presión parcial sea igual a su presión de saturación,

a dicha temperatura. De la misma forma, el aire

estará saturado cuando, a una presión parcial 27

cualquiera, su temperatura sea igual a

CAPÍTULO I Sistemas de aire

su temperatura de saturación a dicha presión. A dicha temperatura se le denomina temperatura o punto de rocío,

ya que indica la temperatura a la que comenzará a

condensarse el vapor de agua. Es decir, el concepto de temperatura de rocío es totalmente equivalente al de temperatura de saturación a presión constante (isobárica).

Figura 1.13. Gráfica de presión de saturación frente a temperatura

La diferencia entre la temperatura del aire y su

dependerá de la humedad

existente en el aire. A una temperatura dada, la temperatura de rocío será más pequeña cuanto menos húmedo esté el aire. Cuando el aire está cerca de la saturación la T y la serán prácticamente iguales. Por ello, la temperatura de rocío también puede utilizarse como índice de humedad.

En la atmósfera, el enfriamiento isobárico necesario para alcanzar la

se suele

producir bien por la mezcla del aire con otro aire más frío, o bien por el enfriamiento nocturno. Durante la noche, cuando el cielo está despejado o poco nuboso, la temperatura del suelo disminuye sensiblemente, debido a la pérdida de calor por radiación. Si no existe viento a nivel del suelo, este enfriamiento sólo se propaga a las capas atmosféricas más cercanas al suelo. Si la temperatura alcanza la temperatura de

28

CAPÍTULO I Sistemas de aire

rocío, se produce entonces la condensación del vapor de agua sobre el suelo y la vegetación.

En general, si la

> 0 ºC se podrían producir gotas de agua, es decir, rocío, nieblas

o lluvias, mientras que si la

< 0 ºC se podrían formar cristales de hielo, dando lugar a

nevadas o a la escarcha.

1.4.1.5 Índices de humedad

Se llama índices de humedad a las distintas formas de expresar la cantidad de vapor de agua contenida en el aire húmedo. Algunos de ellos se enuncian a continuación.

=

/



Humedad absoluta:



Razón de mezcla o humedad:



Humedad específica:

=



Fracción molar:

=

/

⁄

= ⁄

/

+

ℎú

ℎú

.

/ /

ℎú

/

.

ℎú

.

.

Dichos índices están relacionados entre sí de forma directa.

El principal inconveniente de estos índices es que no indican si el vapor está a punto de condensar o no, es decir, si el vapor está próximo a la saturación, lo cual es de suma importancia en la mayoría de los casos prácticos. Por ello se define un índice, que es el más utilizado, llamado humedad relativa.

Humedad relativa. Es el cociente entre la presión parcial del vapor y su presión de saturación a la misma temperatura, expresado en (%).

29

CAPÍTULO I Sistemas de aire

HR = 100 /

=

Así, cuando el aire está saturado

(Ec. 1.4)

=

y

, la humedad será del 100%.

Conforme se procede al alejamiento del 100% el aire estará más seco. Como

aumenta

con la temperatura la humedad relativa disminuirá en la misma proporción. Es decir, el aire tendrá menor humedad relativa cuando esté más caliente, aunque contenga la misma cantidad de vapor (la misma razón de mezcla, por ejemplo), y cuanto más alta sea la temperatura más difícilmente se producirá la saturación.

1.4.1.6 Volumen, calor y entalpía húmedos

Cuando se conoce el grado de humedad, las propiedades termodinámicas del aire húmedo suelen expresarse en función de la razón de mezcla X, y se definen en relación a cada kg de aire seco.



Volumen húmedo

∗

= (1 + ) ∙ (

=

∙ ∙

∙

(1 + ) =

ℎú

/

1+

∙

(Ec. 1.5)

)

La expresión del volumen húmedo de la ecuación 1.5, para el caso particular en que P = 1 atm = 1’013 10 Pa, se reduce a la ecuación 1.6.

∗

=

0′00283 T ∙ (1 + 1′608X)

30

(Ec. 1.6)

CAPÍTULO I Sistemas de aire



Calor específico húmedo ∗



=

(1 + ) =

+

∙

/ ∙

)+

∙

(Ec. 1.7)

Entalpía húmeda

∆ℎ∗ = ∆ℎ (1 + ) = ∆ℎ +

∙ ∆ℎ =

(Ec. 1.8) (donde se suele tomar

∗(

−

= 273’15

= 0 º

( ) /

y entonces Lv = 2501'4

kJ/kg.)

1.4.1.7 Temperaturas de saturación adiabática y termómetro húmedo

Temperatura de saturación adiabática, Th, es la temperatura teórica de equilibrio que tendrá el aire no saturado después de sufrir un proceso adiabático e isobárico (isoentálpico), que lo lleva a la saturación mediante evaporación de agua líquida a dicha temperatura.

Figura 1.14. Proceso de saturación del aire

31

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Esta definición parece difícil de entender en la práctica, ya que es necesario que el agua líquida se reponga precisamente a la temperatura de saturación adiabática, cuyo valor en principio se desconoce. En realidad, debe entenderse que se trata de una definición operacional, de forma que la temperatura de saturación adiabática puede encontrarse mediante las operaciones expuestas a continuación.



Agregar agua a cualquier temperatura hasta que el aire se sature adiabáticamente.



Medir la temperatura del aire saturado.



Cambiar la temperatura del agua líquida de forma que coincida con la medida en el paso anterior.



Repetir los dos primeros pasos hasta que la temperatura del aire saturado se iguale a la del agua que está siendo agregada. Cuando ambas coincidan se habrá encontrado la temperatura de saturación adiabática.

Durante el proceso de saturación adiabática la presión parcial del vapor aumenta, como consecuencia del aumento del contenido de vapor, y la temperatura del aire disminuye, ya que el calor necesario para la evaporación es tomado del propio aire húmedo. Lógicamente, para que se produzca el proceso

debe ser menor que la

temperatura inicial.

La temperatura de saturación adiabática dependerá de la humedad que contenga el aire y, por tanto, constituye otro índice de humedad. En efecto, para una temperatura dada T, cuanto mayor sea la humedad del aire menos agua se evaporará, se requerirá menos cantidad de calor para evaporarla y por tanto, la inicialmente saturado

será mayor. Si el aire está

coincidirá exactamente con T.

Para establecer la relación analítica entre los correspondientes balances de masa y energía.

32

y los índices de humedad, se aplicarán

CAPÍTULO I Sistemas de aire



Balance de masa. La cantidad de agua a incorporar será igual al aumento de vapor de agua en el aire.

=

Donde



−

(Ec. 1.9)

es la masa de vapor de agua saturado y

la masa de agua líquida.

Balance de energía. Ya que el proceso es adiabático y los cambios de energía cinética y potencial son despreciables, la variación de entalpía que sufre el aire debe ser igual a la del agua líquida que se está evaporando. (El proceso es isoentálpico para el conjunto aire + agua líquida, pero esto no quiere decir que la entalpía del aire permanezca constante).

[∆ℎ∗ (

Donde ∆ℎ ( ) = permanece constantemente a

) − ∆ℎ∗ ( )] =

∆ℎ (

)

(Ec. 1.10)

es la entalpía del agua líquida que se aporta (que )

Cuando ambos balances se consideran simultáneamente, puede demostrarse que el calor sensible cedido por el aire durante su enfriamiento es igual al calor latente necesario para evaporar el agua, como explica le ecuación 1.11.

∗(

−

)=(

− )

( )

(Ec. 1.11)

Para un cálculo aproximado se puede aproximar la expresión anterior a la de la ecuación 1.12.

33

CAPÍTULO I Sistemas de aire

∗(

−

)≈

( −

)

(Ec. 1.12)

Sustituyendo en la ecuación anterior se obtiene que la expresión 1.13.

≈

−

−

≈

( )

)

(Ec. 1.13)

− )

(Ec. 1.14)

( −

O bien la ecuación 1.14.

(

)

(

Figura 1.15. Gráfica de humedad frente a temperatura

Como puede apreciarse en la figura 1.15, para una

dada, la

más seco esté el aire, es decir cuanto mayor diferencia haya entre 34

es menor cuanto y . Además, con

CAPÍTULO I Sistemas de aire

esta aproximación, la curva se convierte en una recta de pendiente negativa, tal y como se muestra anteriormente.

Por otra parte, también se cumple la ecuación 1.15.

(∆ℎ∗ − ∆ℎ∗ ) = (

− )∆ℎ ( )

(Ec. 1.15)

En la ecuación 1.15 el último término es mucho más pequeño que los anteriores, se puede aproximar a la expresión 1.16.

∆ℎ∗ ≈ ∆ℎ∗

(Ec. 1.16)

Por tanto, se puede suponer que el proceso de saturación adiabática es aproximadamente isoentálpico para el aire húmedo (exactamente isoentálpico para el conjunto de aire húmedo y agua aportada). La recta mostrada anteriormente representará aproximadamente a los procesos isoentálpicos que sufra el aire húmedo. El error cometido al suponer que la entalpía permanece constante es inferior al 5% para temperaturas del aire inferiores a 150 ºC (De Andrés y Aroca, 1990).

Como ya se ha indicado, la principal utilidad del concepto de temperatura de saturación adiabática es su dependencia con la humedad del aire y, por tanto, su posible uso como índice de humedad. Para poder calcular dicho índice sería necesario medir experimentalmente la temperatura Th , sin embargo, como ya se ha indicado, su medida directa requeriría un proceso altamente ideal e iterativo (repetitivo), lo que no resulta útil en la práctica. En realidad, el concepto de temperatura de saturación adiabática (o temperatura termodinámica del termómetro húmedo) fue introducido para poder explicar el fenómeno del termómetro húmedo. Como se ve a continuación, en el caso del aire húmedo,

puede obtenerse experimentalmente de una forma sencilla, ya que

coincide prácticamente con la temperatura que mide un termómetro húmedo situado en una corriente de aire no saturado, denominada temperatura de termómetro húmedo.

35

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Temperatura de termómetro húmedo es la temperatura que alcanza un termómetro cubierto con un paño húmedo que se expone a una corriente de aire sin saturar que fluye a velocidades cercanas a 5 m/s (también puede hacerse que sea el termómetro el que se mueva).

Figura 1.16. Termómetro sometido a una corriente de aire

Cuando el paño se expone al aire, parte del agua se evapora, consumiendo inicialmente calor latente del paño y produciendo un descenso de la temperatura del termómetro. A partir de dicho momento fluye calor desde el aire hacia el paño, permitiendo la evaporación de más agua. El proceso sigue hasta que se alcanza el equilibrio entre ambos flujos de calor (similarmente a como ocurre en el proceso de saturación adiabática).

Hay que tener en cuenta varios aspectos fundamentales, que distinguen esta nueva magnitud de la anterior. 

En este caso se trata de una magnitud estacionaria de no-equilibrio, ya que depende de las velocidades con las que se transfieren el calor y la materia.

36

CAPÍTULO I Sistemas de aire



En este caso la cantidad de líquido es tan pequeña, en comparación con la masa de aire, que las variaciones que se producen en las propiedades de éste último son despreciables, y el efecto del proceso se manifiesta solamente en el líquido.



La temperatura de termómetro húmedo depende de los ritmos de transferencias de calor y masa entre el paño húmedo y el aire. Puesto que dichas transferencias dependen, a su vez, de la geometría del termómetro, de la velocidad del aire, de la temperatura del agua suministrada, y de otros factores, la temperatura de termómetro húmedo no puede considerarse como una propiedad de la mezcla.

La temperatura de termómetro húmedo depende de la humedad que contenga el aire, por tanto también puede utilizarse como índice de humedad y estará relacionado con los índices que ya han sido definidos. Además, como ya ha sido indicado, en el caso del aire húmedo, coincide prácticamente con la temperatura de saturación adiabática, por ello se ha denominado

a ambas. Para demostrar esta relación se partirá del balance de

energía en el termómetro húmedo.



Balance de energía. El calor sensible que el aire transmite por convección al termómetro húmedo debe ser igual al que requiere el agua para evaporarse.

Dicho proceso se representa en la ecuación 1.17.

ℎ( −

)=

(

Siendo ℎ el coeficiente de convección,

− )

(Ec. 1.17)

el coeficiente de transferencia de masa, y

el calor latente de vaporización a la temperatura

37

.

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Despejando en la ecuación 1.17 se obtiene la 1.18.

−

≈

(

ℎ

)(

− )

(Ec. 1.18)

Si se compara con la ecuación para la temperatura de saturación adiabática se obtiene la expresión 1.19.

−

(

≈

) ∗

(

− )

(Ec. 1.19)

Se deduce que la temperatura de saturación adiabática será aproximadamente igual a la del termómetro húmedo siempre que se cumpla la expresión 1.20.

∗

≈

≈1

(Ec. 1.20)

La expresión 1.20 es conocida como relación de Lewis y solo se cumple para el aire húmedo a humedades moderadas, ya que para este caso el valor de h/kg, conocida como relación psicrométrica, es del orden de 0.95 /

º .

Para otras mezclas de aire + vapor, como la que se produce en tanques de almacenamiento de aceite o en mezclas de alcohol y aire, no se produce esta coincidencia y la temperatura de saturación adiabática será distinta de la temperatura de termómetro húmedo.

Algunos procesos naturales están relacionados con el concepto de temperatura de termómetro húmedo. Así la disminución de la temperatura en la piel de personas y

38

CAPÍTULO I Sistemas de aire

animales o en los órganos tiernos de los vegetales en corriente de aire, es debida a la evaporación del líquido procedente de la transpiración producida por los mismos.

También es conocido que si el aire está muy húmedo la evaporación de sudor se ve disminuida y aumenta la sensación de bochorno. Así para una misma temperatura el calor resulta menos sofocante cuanto más seco esté el aire, ya que es posible evaporar mayor cantidad de sudor y la piel alcanzará una temperatura

más baja. Por ejemplo,

la sensación de bochorno para una humedad del 30% empieza a sentirse a los 32 ºC, mientras que para una humedad del 60% comienza a sentirse a los 25 ºC, siendo la aproximadamente igual a 20 ºC en ambos casos.

1.4.2 Aparatos psicrométricos

Una vez introducidos los conceptos teóricos necesarios, resulta conveniente estudiar cómo pueden ser medidos en la práctica. Una de las facetas más importantes de la psicrometría es, precisamente, la medida directa o indirecta de los índices de humedad.

El conocer el valor de la humedad en el aire es importante en una amplia gama de aspectos prácticos. Por ejemplo, los seres humanos, los animales y las plantas son sensibles a la humedad, afectando tanto a su salud como a su confort. También se debe mantener la humedad correcta para evitar daños a los objetos sensibles como pinturas, grabaciones, etc. Por ello, es necesario que en el diseño de los sistemas de calefacción y acondicionamiento de aire se tenga en cuenta, no sólo la temperatura, sino también la humedad del aire (climatización).

Se hace necesario, por tanto, disponer de instrumentos de medida de la humedad que permitan una lectura cómoda y que proporcionen una exactitud suficiente. En la tabla 1.5 se pueden ver los distintos aparatos utilizados para medir la humedad, clasificados según el método de medida utilizado.

39

CAPÍTULO I Sistemas de aire

APARATO

MÉTODO

Psicrómetro y aspiropsicrómetro

Termodinámico

Higrómetro de cabello u otros

Higroscópico

materiales Higrómetro de punto de rocío

Condensación

Higrómetro de absorción química

Gravimetría

Higrómetro eléctrico

Variación de propiedades eléctricas

Figura 1.17. Clasificación de aparatos psicrométricos

Se estudiarán aquí las características generales de cada uno de ellos.



Psicrómetro y aspiropsicrómetro

Constan básicamente de dos termómetros, uno normal (seco) y otro con su bulbo permanentemente humedecido gracias a un paño o gasa mojados que lo recubre. El paño o gasa, en forma de mecha, recibe el agua de un pequeño depósito en el que está sumergido el otro extremo del mismo. Este depósito presenta sólo un orificio para dejar paso a la mecha evitando la evaporación.

Resulta conveniente que el termómetro esté ventilado, evitándose además los efectos de la radiación. Por ello, se suele utilizar un psicrómetro en forma de honda de manera que ambos termómetros giran mediante un movimiento manual.

Más perfecto es el aspiropsicrómetro de Assmann, en el que el movimiento del aire se logra mediante un ventilador. Los dos termómetros son ventilados por la corriente de aire aspirada por un pequeño ventilador. Para rechazar la radiación se rodea a los termómetros con tubos niquelados.

40

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Como ya se ha indicado, la diferencia entre la temperatura del aire (o temperatura seca) y

dependerá de la humedad del aire, permitiendo así medir ésta. En la mayoría

de los casos, junto al psicrómetro se suministra una tabla con doble entrada ( y

-

)

que proporciona directamente la humedad relativa del aire. En caso de no disponer de tabla hay que recurrir a los cálculos necesarios (utilizando las ecuaciones anteriores) o bien a un diagrama psicrométrico.

Figura 1.18. Psicrómetro y aeropsicrómetro



Higrómetros de cabello

Se basan en que los cabellos se expanden y contraen según sea la humedad relativa.

Más concretamente, Saussure, su inventor, encontró que la variación de longitud del cabello es función lineal de la humedad relativa. Así, un cabello humano puede llegar a variar su longitud en un 2.5% cuando se produce una variación del 100% en la humedad

41

CAPÍTULO I Sistemas de aire

relativa. En todo caso, habrá que tener en cuenta que el aumento de temperatura también influye en el aumento de longitud.

A pesar del nombre genérico de higrómetros de cabello, actualmente se utilizan fibras sintéticas, cintas de madera, membranas diversas, etc. Los aparatos se construyen de forma que permitan medir exactamente la longitud del elemento utilizado, debiendo ser calibrado a diferentes humedades.

Este tipo de higrómetro es muy adecuado para conseguir un higrógrafo, es decir, para el montaje de un sistema que permita registrar en papel las variaciones de humedad que se vayan produciendo.

Figura 1.19. Higrógrafo



Higrómetro de punto de rocío

Consta de una placa metálica que es enfriada mediante evaporación de éter u otra sustancia volátil. Cuando se observan las primeras gotitas de líquido en su superficie, la temperatura del éter será la

del aire que está siendo usado para la evaporación. La

mayor dificultad reside en determinar el momento en que comienza la condensación, por ello actualmente se utiliza algún dispositivo electrónico (célula fotoeléctrica, por ejemplo) que detecte la aparición del rocío.

42

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Midiendo la temperatura en el exterior, y utilizando la ecuación o la gráfica de la presión de saturación, se obtiene la humedad relativa del aire.

Figura 1.20. Higrómetro de punto de rocío



Higrómetro químico

Consta de una serie de tubos que contienen alguna sustancia higroscópica, y por los que se hace circular un volumen conocido de aire hasta que éste queda prácticamente seco. La diferencia de masa de los tubos antes y después de haber hecho circular el aire, se deberá a la masa de vapor que se ha depositado. De esta forma se mide directamente la humedad absoluta.

43

CAPÍTULO I Sistemas de aire



Higrómetros eléctricos

Basados en que algunas sustancias (óxido de aluminio, algunos polímeros, etc.) varían su resistencia eléctrica superficial o su capacidad eléctrica en función de la humedad relativa del aire que les rodea. Permiten una medida cómoda y rápida, además de poder ser adaptados para volcar datos en un ordenador.

Los higrómetros electrónicos están definidos en el apartado 5.5 de la norma UNE 100010 (1989), donde se indica que el error para humedades del 20% al 95% es del 2% al 3%, siendo de 0’3 ºC en la medida de temperaturas (seca, húmeda y de rocío).

Figura 1.21. Higrómetro eléctrico

1.4.3 Diagramas psicrométricos

Las diferentes propiedades del aire húmedo están relacionadas entre sí, de forma que a partir de dos cualesquiera de las definidas anteriormente ( , ,

,

,

,

∗

ó ∆ℎ∗ ) es

posible obtener el resto. Sin embargo, el uso de las diversas ecuaciones o aproximaciones puede complicar excesivamente el cálculo de las propiedades. Por ello, se ha impuesto en la práctica la utilización de diagramas, que no son más que las

44

CAPÍTULO I Sistemas de aire

representaciones gráficas de las ecuaciones anteriores, y que se denominan diagramas psicrométricos. En estos diagramas, cada estado del aire vendrá representado por un punto, y cada proceso psicrométrico por una línea. Se consigue así una estimación rápida y precisa de la información necesaria en el estudio y diseño de equipos o procesos relacionados con la psicrometría. Además permiten realizar cálculos en cualquier momento y situación.

El principal inconveniente de los diagramas psicrométricos es que solamente pueden ser utilizados para la presión indicada (con un margen aproximado de un 10% arriba o abajo), es decir, es necesario construir un diagrama para cada presión total P. Otro inconveniente es la gran cantidad de líneas que vienen representadas, lo cual puede llevar al usuario inexperto a cometer errores fácilmente. Es necesario, por tanto, aprender a utilizar correctamente los mencionados diagramas. También hay que tener en cuenta que no están representadas las curvas para todos los valores posibles, por lo que en muchos casos será necesario interpolar. Finalmente, otro inconveniente es que encontramos, al menos, tres diagramas distintos según las principales coordenadas (ejes) que se eligen. Resulta necesario, por tanto, aprender a utilizar cualquiera de ellos.

Se muestran aquí los diagramas Carrier, Mollier y ASHRAE para la presión atmosférica (101.3 kPa).



Diagrama Carrier



Representa la T (ºC) en el eje de abscisas (eje x) y la razón de mezcla o humedad (X, en kg de agua/kg de aire seco) en el eje de ordenadas (eje y, a la derecha).



La curva de saturación (HR = 100%) asciende hacia la derecha y representa el final del diagrama. En esta curva se localizan las temperaturas de termómetro húmedo y las temperaturas de rocío.



Las curvas de humedad relativa constante son similares a la de saturación, avanzando hacia abajo (tumbándose más) según disminuye la humedad del aire.

45

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Figura 1.22. Diagrama de Carrier: Humedad frente a temperatura



El volumen húmedo y las líneas de

constante o isoentálpicas se representan

por oblicuas de distinta inclinación. En realidad las líneas de

constante son

hipérbolas con una pequeña curvatura, por lo que parecen rectas. 

En el caso de la entalpía se obtiene únicamente el valor de la entalpía húmeda en la saturación, siendo entonces necesario incluir otras curvas que dan la desviación correspondiente.



El calor húmedo no está representado, pero puede obtenerse fácilmente a partir de la ecuación psicrométrica para la entalpía húmeda.

46

CAPÍTULO I Sistemas de aire



Diagrama Mollier



Es el más antiguo de los diagramas psicrométricos, ya que fue propuesto por R. Mollier en 1932. Actualmente se utiliza, sobre todo, en Alemania y Francia.



Representa la entalpía húmeda en el eje de ordenadas (a la izquierda) frente a la humedad X en abscisas. Las líneas de humedad constante son verticales, mientras las isoentálpicas son rectas con pendiente negativa, paralelas entre sí.

Figura 1.23. Diagrama de Mollier: entalpía frente a humedad 

Las isotermas son líneas rectas que arrancan del eje de ordenadas. La isoterma correspondiente a 0 ºC es horizontal, mientras que el resto de isotermas son líneas rectas con mayor pendiente a las temperaturas más altas.



Las curvas de humedad relativa constante parten de abscisas próximas al origen y van creciendo y separándose en abanico. La curva más cercana al eje horizontal es la de saturación.

47

CAPÍTULO I Sistemas de aire



Las líneas de volumen específico constante son rectas que parten del eje vertical, tienen pendiente negativa, aunque con menor inclinación que las isoentálpicas, y finalizan en la curva de saturación.



Diagrama ASHRAE



Es el diagrama propuesto por la American Society of Heating, Refrigerating and Airconditioning Engineers (ASHRAE) y su empleo se está generalizando tanto en América como en Europa.



Es muy similar al tipo Carrier, siendo la principal diferencia el que aquí se representa directamente la entalpía húmeda, en lugar de la entalpía de saturación. Además se elimina la aproximación de considerar exactamente iguales a las líneas isoentálpicas (líneas continuas) y las de temperatura de termómetro húmedo (líneas discontinuas).

Figura 1.24. Diagrama ASHRAE: entalpía húmeda frente a temperatura

48

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.4.4 Procesos psicrométricos

Para concluir, se van a estudiar algunas aplicaciones prácticas derivadas del conocimiento adquirido sobre el estudio de la humedad del aire. Tanto aplicaciones industriales como las relacionadas con fenómenos atmosféricos. El estudio de estos procesos es fundamental para poder abordar los temas referidos a secado, acondicionamiento de aire o climatización.

Los procesos psicrométricos fundamentales consisten en transferencias de energía en forma de calor y transferencias de masa en forma de agua. El signo de dichas transferencias dará lugar a una multitud de posibilidades, tal y como se muestra en la figura 1.25.

PROCESO Calentamiento

∆

∗

>0

∆

PROCESO

0

Humidificación con

∆

∗

∆

>0

>0

<0

>0

>0

<0

<0

<0

calentamiento Enfriamiento

<0

0

Humidificación con enfriamiento

Humidificación

0

>0

Deshumectación con

adiabática Deshumectación

calentamiento 0

<0

Deshumectación con

adiabática

enfriamiento

Figura 1.25. Variación de entalpía y humedad en distintos procesos psicrométricos

Cuando hay variación de humedad, un calentamiento o enfriamiento no significa necesariamente un aumento o disminución de la temperatura.

Otros procesos interesantes son los de mezcla de masas de aire con distintas propiedades. En la sección 4.4 se estudiará el caso particular de mezcla adiabática.

49

CAPÍTULO I Sistemas de aire



Calentamiento o enfriamiento

Son procesos en los que se modifica la temperatura del aire sin que se produzca evaporación o condensación (calentamiento o enfriamiento sensible). En este caso se mantiene constante la cantidad de vapor presente en el aire, representada por la razón de mezcla, X. En el diagrama Carrier este proceso vendrá representado por una línea recta horizontal. En el diagrama de Mollier será una línea recta vertical.

El calentamiento va acompañado de una disminución de la humedad relativa, aumentando, por tanto, la capacidad del aire para secar los materiales con los que entre en contacto. El enfriamiento produce, por el contrario, un aumento de la humedad relativa, pero sin llegar a la saturación (ya que entonces X dejaría de ser constante).

La cantidad de energía necesaria para el calentamiento o desprendida en el enfriamiento vendrá dada por la ecuación 1.21.

=

(∆ℎ∗ − ∆ℎ∗ ) =

∗

∆

(Ec. 1.21)

Un ejemplo de estos procesos es el que ocurre en un intercambiador de calor en el que una corriente de aire se calienta o se enfría intercambiando calor con un segundo fluido, como agua caliente o vapor de agua en el calentamiento, o una salmuera (disolución salina incongelable) o un líquido frigorígeno en el enfriamiento. Siempre habrá que tener en cuenta que, en el caso del enfriamiento, la superficie en contacto con el aire debe tener una temperatura superior a la de rocío, para evitar la condensación del agua y por tanto, la deshumectación del aire.

Otro ejemplo es la disminución, claramente apreciable, de la humedad relativa del aire en los locales con calefacción, provocando la desecación de mucosas, irritaciones en la faringe, etc.

50

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Figura 1.26. Diagrama de Carrier: Humedad frente a temperatura



Humidificación

En los procesos de humidificación se produce un aumento de la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Dicho aumento de la humedad estará provocado por la extracción del agua presente en alguna sustancia (secado) o por que se añada agua expresamente (por ejemplo, para acondicionar el aire en un clima seco, o para conseguir una humedad relativa elevada en cámaras de conservación de frutas y hortalizas).

En todo caso, se producirá también una variación en la temperatura del aire, que dependerá de si se ha añadido o no calor durante el proceso.

51

CAPÍTULO I Sistemas de aire

o Humidificación adiabática

Aumento de la humedad y la humedad relativa a la vez que disminuye la temperatura sin que exista aportación de energía. El proceso es el mismo que el explicado en la saturación adiabática, sin que tenga que alcanzarse necesariamente dicha saturación. En el diagrama psicrométrico, la evolución del aire sigue las líneas isoentálpicas que, en primera aproximación (diagrama Carrier) coincidirán con las de termómetro húmedo, es decir, que

permanece prácticamente constante durante el

proceso.

En la práctica, muchos de los equipos industriales para la evaporación o acondicionamiento de aire y para el secado de sólidos (frutas, cereales, etc.) están diseñados de forma que algunos de los procesos resulten adiabáticos.

Figura 1.27. Diagrama de Carrier: Humedad frente a temperatura

52

CAPÍTULO I Sistemas de aire

La humidificación puede conseguirse pulverizando agua líquida en el aire o bien haciendo que el aire pase a través de un tejido que se mantiene constantemente mojado con agua. Este proceso se suele denominar “enfriamiento evaporativo” y constituye el fundamento físico de los “lavadores de aire”. Se supone que se evapora todo el agua inyectada y que el calor necesario para ello lo extrae del aire inicial, disminuyendo su temperatura. La entalpía del aire aumentará un poco, debido a este aporte de agua, pero en la práctica puede considerarse que tanto la entalpía como la temperatura de termómetro húmedo permanecen constantes durante el proceso.

El enfriamiento evaporativo se utiliza también en los humidificadores de paneles, que mantienen una gran superficie constantemente húmeda sobre la que incide una corriente de aire. Este tipo de paneles resulta muy apropiada para algunas aplicaciones agrícolas como son los invernaderos, las naves de cultivo de champiñones y setas, y también en algunas instalaciones ganaderas (gallineros en régimen de explotación intensiva, o alojamientos de conejos en regiones donde se alcanzan altas temperaturas).

o Humidificación con calentamiento o enfriamiento

Aumento de la humedad con intercambio de calor. La temperatura puede aumentar, disminuir o permanecer constante. La humedad relativa puede aumentar o disminuir. La evolución del aire en el diagrama psicrométrico no sigue ninguna línea determinada, pero el proceso puede descomponerse, por ejemplo, en un calentamiento sensible seguido de una humidificación adiabática.

Este proceso es el que sufre el aire acondicionado en verano una vez que entra en un local, donde absorbe calor y humedad al mismo tiempo. También ocurre cuando en invierno el aire exterior frío debe ser calentado y humidificado antes de ser introducido en un local climatizado.

53

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Figura 1.28. Diagrama de Carrier: Humedad frente a temperatura



Deshumectación

En los procesos de deshumectación la humedad del aire disminuye, siendo los más habituales los mencionados a continuación.

o Deshumectación química

Disminución de la humedad del aire mediante el uso de adsorbentes (carbones activados, gel, sílice, ...) o absorbentes (cloruros, bromuros, ..). En el proceso se libera calor y la temperatura del aire aumenta. En el diagrama psicrométrico, el proceso no sigue ninguna línea determinada.

54

CAPÍTULO I Sistemas de aire

o Deshumectación por enfriamiento

Disminución de la humedad del aire como consecuencia de una disminución de la temperatura por debajo de su correspondiente temperatura de rocío.

Como ya se sabe, la saturación del aire se produce cuando su humedad relativa alcanza el 100% y el aire alcanza su temperatura de rocío. A partir de dicho momento cualquier enfriamiento producirá la condensación del vapor de agua existente, disminuyendo, por tanto la humedad presente en el aire, que seguirá evolucionando según la curva de saturación del diagrama psicrométrico.

En los problemas relacionados con procesos de condensación es importante obtener la temperatura final, así como la cantidad de vapor condensado.

Figura 1.29. Diagrama de Carrier: Humedad frente a temperatura

55

CAPÍTULO I Sistemas de aire

En la atmósfera, las condensaciones se producen por enfriamiento directo del aire, bien cuando asciende adiabáticamente, cuando deja de recibir el calor del Sol, o cuando se mezcla con aire muy húmedo o muy frío. Cuando el aire asciende la temperatura disminuye a un ritmo aproximado de 10 ºC por cada km de elevación. Cuando se alcanza la temperatura de rocío el vapor de agua presente en el aire tenderá a condensarse. Sin embargo, las gotas de agua no se producen enseguida. Ello es debido a que la capilaridad hace que la presión sea mayor en las superficies esféricas, como las gotas, que en las superficies planas (sobrepresión por curvatura, dada por la ecuación de Laplace). Por tanto, las gotas pequeñas que puedan producirse se evaporarán enseguida a menos que existan núcleos de condensación o que el aire esté sobresaturado. Una vez que comienza la condensación se forman brumas, que constituyen la fase inicial de la formación de nieblas o nubes.

Por otra parte, cuando el aire se enfría sin ascender, y una vez que se alcance la temperatura de rocío, y suponiendo condiciones suficientemente estables (ausencia de viento, por ejemplo), comenzará a producirse condensación sobre algunas superficies en contacto con el aire que son malos conductores del calor o que exhalan humedad (rocas, vidrios, vegetación, ...). La cantidad de rocío depende de la naturaleza de los objetos y de las condiciones meteorológicas (viento, etc.). Si la temperatura de rocío es inferior a 0 ºC se producirá escarcha (por ejemplo en los evaporadores de las cámaras frigoríficas). Por otra parte, si el aire no está en contacto con tales superficies, la formación de gotas requiere, de nuevo, núcleos de condensación, produciéndose entonces las nieblas.



Mezcla adiabática

En algunos casos prácticos se produce la mezcla de aires con diferentes propiedades psicrométricas, sin que se realice ningún aporte externo de calor (adiabáticamente).

Ejemplo típico es el que se produce cuando el aire de retorno en un sistema de aire acondicionado se mezcla con una parte de aire procedente del exterior.

56

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Para calcular las propiedades del aire mezclado, conociendo las de sus componentes, es necesario recurrir a los balances de masa y energía.

Llamando 1 y 2 a los componentes y 3 a la mezcla, en caso estacionario los balances de aire seco y vapor de agua serán los representados por las ecuaciones 1.22 y 1.23.

+

=

(Ec. 1.22)

+

=

(Ec. 1.23)

Teniendo en cuenta la definición de la razón de mezcla y sustituyendo las ecuaciones 1.22 y 1.23 se obtiene la expresión 1.24.

+

=

(

+

)

(Ec. 1.24)

De la ecuación 1.24 se puede despejar la expresión 1.25.

=

+ +

(

)

(Ec. 1.25)

La ecuación 1.25 no es en realidad más que un reparto proporcional a la cantidad de aire inicial de cada componente. El balance de energía se muestra en la expresión 1.26.

∆ℎ∗ +

∆ℎ∗ =

De la expresión 1.26 puede obtenerse la 1.27.

57

∆ℎ∗

(Ec. 1.26)

CAPÍTULO I Sistemas de aire

∆ℎ∗ =

∆ℎ∗ + +

∆ℎ∗

(Ec. 1.27)

La entalpía de la mezcla también se obtiene mediante un reparto proporcional a la cantidad de aire seco de cada componente de la mezcla.

Para determinar las propiedades del aire mezclado puede utilizarse también el diagrama psicrométrico, como sigue.

1) Se localizan los puntos que representan las dos masas de aire iniciales.

2) Se unen dichos puntos mediante una línea recta.

3) Dicha línea recta se divide en proporción inversa a las cantidades de aire iniciales. Así, si las dos cantidades son iguales, la mezcla de aire vendrá dada por la mitad de la línea. Si son distintas, el punto que representa al aire mezclado estará más cerca de la mayor cantidad de aire inicial.

Figura 1.30. Diagrama de Carrier: Humedad frente a temperatura

58

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Si las dos corrientes de aire que se mezclan están inicialmente saturadas, el punto de mezcla se encontrará fuera del diagrama psicrométrico, es decir, más allá de la línea de saturación. Para encontrar el punto que representa al nuevo aire saturado, se traza una paralela a las líneas isoentálpicas (

constante) desde el punto de mezcla hasta la curva

de saturación.

59

CAPÍTULO I Sistemas de aire

1.5 PROCEDIMIENTOS DE CÁLCULO

El objeto de este apartado es explicar el tratamiento aplicado según la normativa vigente a las medidas de los sensores para obtener resultados analizables.

Se exponen a continuación los sensores que proporcionan medidas relevantes para el análisis de datos.



Sensores de temperatura del aire. Situados en la entrada y salida del volumen de estudio, proporcionan la temperatura del aire de entrante y saliente. Se encuentran en grupos de 5 tanto en la entrada como en la salida, por lo que se obtienen respectivamente 5 medidas de temperatura que difieren ligeramente debido tanto a que el aire más caliente tiende a situarse en la parte superior de la tubería (aunque este efecto es poco significativo en un conducto estrecho como el usado en este caso) como a la propia imprecisión de los aparatos de medida.



Sensores de temperatura del agua. Se encuentran situados en entrada y salida del serpentín de refrigeración y permiten conocer la temperatura del agua de refrigeración.



Sensor de temperatura ambiente. Es un sensor de temperatura situado en el exterior del volumen de estudio, que proporciona la temperatura del aire del laboratorio en el que se encuentra el circuito.



Caudalímetro. Proporciona la medida del caudal de aire que atraviesa el circuito.



Sensores de humedad. Registran la humedad relativa del aire. Se encuentran situados en la entrada y salida del volumen de estudio, junto a los sensores de temperatura del aire.

60

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Los valores que proporcionan los sensores mencionados son los que se emplearán en el estudio de las propiedades del aire. A continuación se detalla como se tratarán estos datos para llevar a cabo el estudio.

El cálculo de las propiedades del aire se llevará a cabo con arreglo a la guía de psicrometría de la ASHRAE, que a su vez basa sus procedimientos en las fórmulas desarrolladas por Hyland y Wexler en 1983, y discutidas por Olivieri en 1996.

El objeto del primer estudio es determinar la potencia intercambiada por el aire con el agua de refrigeración en condiciones estacionarias. La potencia que absorbe el agua se calcula de acuerdo a la expresión 1.28.

= ̇

· (ℎ

−ℎ

)

(Ec. 1.28)

Siendo

̇



: caudal másico del agua de refrigeración, en

⁄ .



ℎ

: entalpía del agua a la entrada del circuito de refrigeración, en



ℎ

: entalpía del agua a la salida del circuito de refrigeración, en

⁄ ⁄

. .

El agua es proporcionada mediante una máquina de refrigeración existente en el laboratorio. Esta máquina proporciona la medida del caudal, por lo que no es necesario instalar un caudalímetro para medir este valor. Los valores de la entalpía del agua se obtienen de la tabla de propiedades termodinámicas del agua desarrollada a partir de la formulación de Hyland y Wexler para temperaturas de entre -60 ºC y 160 ºC. Los valores de esta tabla se basan en la escala de temperatura termodinámica. El valor cero de entalpía se asigna al punto triple, a 0,01 ºC.

61

CAPÍTULO I Sistemas de aire

La potencia cedida por el aire que atraviesa el circuito se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación 1.29.

= ̇

· (ℎ

ú

−ℎ

ú

)

(Ec. 1.29)

Siendo

̇

 

: caudal másico de aire, en

ℎ

ú

⁄ 

ℎ

⁄ .

: entalpía del aire en la entrada del volumen de control en

: entalpía del aire en la salida del volumen de control en

. ú

⁄

.

La medida del caudal másico de aire que atraviesa el circuito se obtiene multiplicando el caudal de aire, en

⁄ por la densidad del aire.

̇

= ̇

·

(Ec. 1.30)

El caudal de aire lo proporciona por caudalímetro, mencionado anteriormente, y la densidad del aire obedece a la ecuación 1.31.

=

Siendo

1+

(Ec. 1.31)

el volumen específico del aire para dichas condiciones. Dicho valor

responde a la siguiente expresión 1.32.

62

CAPÍTULO I Sistemas de aire

=

ú

(Ec. 1.32)

Siendo



: masa de aire seco.



: volumen de la mezcla de aire y vapor de agua.

Para hallar el valor del volumen específico sin embargo se emplea la expresión en unidades específicas.

= 0,287 · ( + 273,15) · (1 + 1.608)/

(Ec. 1.33)

Siendo



: temperatura de bulbo seco.



: presión absoluta.

Para conocer las entalpías del aire, se ha de tener en cuenta que no se trata de aire puro, si no que posee una cierta humedad que hay que tener en cuenta. Se calcula su entalpía por tanto de la manera mostrada en la ecuación 1.34, tanto para la entrada como para la salida del volumen de control.

ℎ

ú

=ℎ

+

·ℎ

63

(Ec. 1.34)

CAPÍTULO I Sistemas de aire

Siendo



ℎ

: entalpía del aire sin tener en cuenta la humedad que contiene en

⁄ 

ℎ

: entalpía del vapor de agua en condiciones de saturación, en el

⁄

punto previo a la condensación, en 

: proporción de vapor de agua contenido en el aire, con relación al aire seco, ⁄

en

El aire seco obedece a la ley de funcionamiento de los gases ideales, y su entalpía se encuentra registrada también en tablas termodinámicas, por lo que es conocida acudiendo a ellas conociendo su temperatura (conocida gracias a los sensores de temperatura) y su presión, que puede aproximarse a la presión atmosférica sin mayor error.

La entalpía del agua en forma de vapor saturado que contiene el agua, al igual que la entalpía del agua líquida, se halla registrada en la ya mencionada tabla de propiedades termodinámicas del agua. La fracción de humedad contenida en el aire, por su parte se calcula mediante el proceso siguiente.

En primer lugar hace falta conocer la presión de saturación del vapor de agua sobre el agua líquida en las condiciones de funcionamiento. Este valor puede calcularse mediante la siguiente fórmula experimental 1.35.

ln

=

+

+

+

+

Donde

64

+

ln

(Ec. 1.35)

CAPÍTULO I Sistemas de aire



= −5,8002 · 10



= 1,391



= −4,864 · 10



= 4,176 · 10



= −1,445



= 6,546



T: temperatura absoluta

Una vez conocido el valor de la presión de saturación del vapor, se obtiene la fracción de vapor de agua mediante la expresión 1.36.

= 0.62198 ·

(Ec. 1.36) −

Una vez conocido este último valor, pueden resolverse las potencias cedidas por el aire y absorbidas por el agua, y compararlas adecuadamente.

65

CAPĂ?TULO I Sistemas de aire

66

CAPÍTULO II

ENERGÍA AEROTÉRMICA

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

68

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

2.1 INTRODUCCIÓN

Como objetivo del proyecto que supone el diseñar un banco de trabajos para ensayar dispositivos aerotérmicos, es importante realizar un acercamiento al concepto de energía aerotérmica; en qué consiste, cómo se aprovecha, sus ventajas y sus principales utilidades, a continuación.

La energía aerotérmica es una de las fuentes de energía renovable actualmente en alza. Se comienza este primer capítulo con el objeto de llevar a cabo un acercamiento a la idea de la energía aerotérmica, exponiendo su principio de funcionamiento y sus ventajas; su eficiencia y limpieza.

Después se presentan distintos sistemas de aprovechamiento existentes actualmente, así como las principales aplicaciones en las que se ha empleado energía aerotérmica hasta el momento.

69

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

2.2 CONCEPTO DE ENERGÍA AEROTÉRMICA

El concepto de energía aerotérmica nace de la idea del aprovechamiento de la energía térmica latente en el ambiente. Empleando los principios que rigen el funcionamiento del ciclo termodinámico inverso característico de las bombas de calor, es posible aprovechar la energía térmica ambiental o aerotérmica para satisfacer la demanda de calefacción, agua caliente sanitaria, etc…

A través de la aerotérmia los equipos utilizan la energía existente en el aire para proporcionar un máximo rendimiento minimizando el consumo energético eléctrico o de origen fósil. Un reducido aporte energético exterior permite mover una cantidad elevada de calor latente ambiental hacia un recinto (o en su defecto desde un recinto hacia el ambiente). Este sistema permite un aprovechamiento energético mucho más eficiente que la alternativa de realizar directamente un aporte energético para calentar directamente el recinto, como hacen muchos de los sistemas tradicionales. Es posible obtener del ambiente hasta 3 veces más energía de la que se aportada inicialmente, lo que ha hecho que la energía aerotérmica haya sido recientemente reconocida como renovable.

Figura 1.1. Origen de la energía en sistemas aerotérmicos

70

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

Como se ha dicho, el principio de funcionamiento de un dispositivo aerotérmico es el que rige a las bombas de calor: consiste en hacer que un fluido siga un ciclo termodinámico inverso. Se obliga a un fluido a calentarse por encima de la temperatura de un foco caliente, de modo que ceda calor a dicho foco. Después el fluido se enfriará hasta una temperatura inferior a la de un foco frío, de manera que absorberá calor de dicho foco. De esta manera se conseguirá retirar calor de un foco frío para verterlo en un foco caliente. Según se establezca el recinto de acondicionamiento por el dispositivo como foco caliente o como foco frío se logrará que éste se caliente o se enfríe, a discreción del usuario. Este funcionamiento se detallará más adelante ya dispositivos aerotérmicos serán objeto de análisis en posteriores capítulos y objeto de ensayo una vez el proyecto esté concluido y el banco de ensayos terminado.

El 23 abril de 2009, el Parlamento Europeo aprobó la Directiva 2009/28 CE para promover la utilización de la Energía Procedente de Fuentes Renovables, texto en el que por primera vez se incluye dentro de la categoría de energía renovable a la energía aerotérmica. Esta Directiva abre una nueva oportunidad para que en la UE se fomente el uso de sistemas aerotérmicos.

71

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

2.3 VENTAJAS DE LA ENERGÍA AEROTÉRMICA

A continuación se abordan las principales ventajas de la energía aerotérmica.



Fuente de energía renovable

El hecho de que la energía aerotérmica haya sido reconocida por el parlamento europeo como energía renovable supone que además del recibimiento de las pertinentes ayudas económicas por parte de las administraciones autonómicas, sea un ejemplo de limpieza, pues se trata de un sistema que no libera humos ni gases de ningún tipo, y evita por completo problemas de polvo y malos olores. El reconocimiento de la energía aerotérmica como tal se debe a su alto rendimiento; permite producir grandes cantidades de energía térmica o generar gran capacidad de refrigeración a partir de un reducido aporte energético exterior.



Cantidad de recursos

Virtualmente inagotable, ya que siempre que el aire se encuentre a una temperatura superior al cero absoluto, contiene energía térmica que en teoría es posible aprovechar.

Es por ello que incluso en el invierno más riguroso es posible obtener energía útil del ambiente.



Independencia energética exterior

El hecho de que el aprovechamiento de la energía aerotérmica, a diferencia de otras energías renovables, no esté asociado a factores climáticos implica que sea accesible en 72

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

todo momento. El considerable ahorro energético que supone respecto otros procedimientos utilizados en procesos de climatización, producción de agua caliente sanitaria y demás, ya sea de energía eléctrica o petróleo, está directamente asociado a una menor necesidad de importar recursos del exterior.



Eficiencia

Se trata de un sistema de gran ahorro tanto económico como energético debido a su alta eficiencia. Con algunas de sus aplicaciones, teniendo en cuenta que se puede llegar a obtener 4 kW por cada kW produce una eficiencia del 400%.



Ausencia de ruidos exteriores

Muchos de estos sistemas están pensados para trabajar en viviendas particulares y son perfectamente capaces de funcionar en modo silencioso.



Versatilidad

Una importante característica de los sistemas de aprovechamiento de la energía aerotérmica es su versatilidad, pues son capaces de emplearla en diversas funciones al mismo tiempo, desde proporcionar calefacción a una vivienda hasta calentar el agua.



Reducido impacto visual

Otros sistemas como pueden ser las placas solares requieren gran cantidad de superficie exterior para su instalación. Una bomba de calor aerotérmica puede funcionar en el interior de un garaje, etc, ocupando muy poco espacio.

73

CAPÍTULO II Energía aerotérmica



Facilidad de instalación

Una

instalación

de

placas

solares

normalmente

presenta

dificultades

arquitectónicas y complicaciones de instalación. Una bomba de calor aerotérmica, por ejemplo, puede ser tan sencilla de instalar como un termo eléctrico de Agua Caliente Sanitaria (ACS).



Reducidos costes de instalación y mantenimiento

La sencillez de montaje se traduce de por si en menores costos en concepto de instalación. Las placas solares, por ejemplo, requieren de un mantenimiento anual caro, pérdidas por sobreproducción, pérdidas del agua glicolada, por aumento de la presión, etc. El mantenimiento de la bomba de un sistema aerotérmico, sin embargo, es muy económico.



No tiene exceso de producción

Un sistema aerotérmico no derrocha energía puesto que obtiene la que necesita emplear directamente del ambiente. Por ello es que no malgasta energía en su funcionamiento.



Rendimiento energético estable

El sistema aerotérmico presenta un rendimiento elevado todos los días del año puesto que no depende de factores ambientales como la incidencia directa del sol , manteniéndose alto también en días nublados y por la noche.

74

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

2.4 APLICACIONES DE LA ENERGÍA AEROTÉRMICA

La energía aerotérmica es una manera eficiente de obtener energía limpia, y algunos de sus principales usos en la sociedad actual son los siguientes.



Agua caliente sanitaria

Los sistemas de preparación de Agua Caliente Sanitaria están muy extendidos en la sociedad. En la actualidad se considera el agua caliente como un requisito de confort imprescindible en la vida del usuario. Los sistemas de preparación y distribución de agua caliente evolucionaron de la mano de la ingeniería hidráulica y energética hasta el punto de poder convertirse en un bien común al alcance de la mayoría de la población.

El desarrollo de la industria electrónica permitió la evolución de técnicas de regulación automática capaces de garantizar una distribución de agua adecuada a las necesidades de confort de cada usuario. La evolución de los distintos sistemas de aislamiento, intercambiadores, etc., ha permitido la fabricación de sistemas con mayor rendimiento.

Las fuentes alternativas de energía, por ejemplo la energía solar, son cada vez más utilizadas, permitiendo la obtención de un agua caliente de calidad con menor impacto en el medio ambiente y un considerable ahorro energético.

Los sistemas de Agua Caliente Sanitaria son aquellos que distribuyen agua de consumo sometida a algún tratamiento de calentamiento y por ello, además de cumplir las especificaciones del Real Decreto 865/2003 deben cumplir los requisitos del Real Decreto 140/2003, de 7 de febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano.

Los elementos que constituyen un sistema de ACS son los siguientes. 

Acometida de Agua Fría de Consumo Humano (AFCH).



Generador de calor. Es el elemento o grupo de elementos destinados a elevar la temperatura del agua fría. Existen multitud de posibilidades para elevar la temperatura del agua. En algunas instalaciones, típicamente las de menor

75

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

tamaño, se utilizan calderas o calentadores que actúan calentando directamente el AFCH. En las instalaciones de mayor tamaño se usan intercambiadores de calor, diferenciándose el circuito de ACS del circuito de agua de caldera. 

Red de suministro. Conjunto de tuberías que transportan el agua atemperada hasta elementos terminales.



Acumulador. Depósito o depósitos que almacenan el agua caliente, incrementando la inercia térmica del sistema y permitiendo la utilización de generadores de calor de potencia inferior a la demanda máxima puntual del sistema.



Elementos terminales. Grifos, duchas que permiten el uso y disfrute del ACS.



Circuito de retorno. Red de tuberías que transportan el agua de vuelta desde los puntos más alejados de la red de suministro hasta el acumulador. Su objeto es mantener un nivel aceptable de temperatura del agua caliente en toda la red de suministro, aún cuando los elementos terminales no demanden consumo durante largos periodos de tiempo.

En el esquema adjunto se observa una distribución de depósitos acumuladores (1) calentados por un intercambiador de placas (2) con una red de tuberías que permite trabajar tanto en serie como en paralelo. En la configuración actual el sistema trabaja en serie, el calentamiento se realiza en el primer deposito a través de un circuito de recirculación (3) la alimentación de agua fría (4) se hace previa mezcla con el agua de retorno de servicio (5) y con el agua calentada procedente del intercambiador de placas (6). El agua de mezcla resultante alimenta al primer depósito y desde éste se envía a servicio (7) pasando previamente por el resto de los depósitos de acumulación (1).

Figura 2.2. Esquema de una instalación de agua caliente sanitaria

76

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

La energía aerotérmica es una manera óptima de lograr el calentamiento del agua.

Estableciendo una bomba de calor aerotérmica como generador de calor en el esquema anterior se logra satisfacer todos los requerimientos de la instalación de manera limpia y eficiente.



Calefacción por radiadores de baja temperatura

Los radiadores de baja temperatura son similares a los radiadores convencionales aunque con diferente forma de trabajo y con la ventaja de que pueden trabajar a baja temperatura (45 y 50 ºC) obteniendo grandes rendimientos y logrando el mismo efecto calórico que los convencionales. Tienen la ventaja además de que se pueden adaptar a los sistemas preexistentes de canalización de agua, facilitando su instalación. Se trata del nuevo estándar de calefacción sostenible que garantiza un ahorro considerable de energía en comparación con un radiador tradicional. Suponen además un considerable avance ecológico, puesto que por vivienda, reducen la emisión de

expulsada al

medioambiente en gran medida, contribuyendo a cumplir el protocolo de Kyoto mucho más rápido.

A la facilidad de instalación se une su sencillo mantenimiento y su capacidad de regulación a través de válvulas termostáticas que garantizan el control individual de la temperatura en cada una de las estancias.

Estos radiadores vienen fabricados en una amplia gama de materiales como el aluminio, acero o hierro fundido, aportan una temperatura homogénea y constante en cada estancia lo que se traduce en un agradable confort térmico

77

CAPÍTULO II Energía aerotérmica



Calefacción y refrigeración por suelo radiante

Tradicionalmente se denomina suelo radiante al sistema de calefacción eléctrica, a través de agua caliente o calefacción por hilos de fibra de carbono que permite el intercambio térmico a través de la superficie del suelo. El sistema permite de la misma manera llevar a cabo procesos de refrigeración, haciendo pasar agua fría a través de las tuberías en lugar de agua caliente. En los sistemas por agua el calor se produce en la caldera y se lleva mediante tuberías a redes de tuberías empotradas bajo el pavimento de los locales, mientras que en este sistema, el intercambio térmico tiene lugar mediante filamentos ultra finos de fibra de carbono instalados bajo el suelo.

Figura 2.3. Suelo radiante

En realidad, el emisor podría ser por cualquier otro de los paramentos de los locales a climatizar (paredes o techo), pero como el aire caliente asciende, lo más lógico es emplear el suelo.

Este sistema tiene la ventaja de que la emisión tiene lugar por radiación, por lo que se puede tener en los locales habitados una temperatura seca del aire menor que con otros sistemas de calefacción, lo que supone menores pérdidas de calor por los muros, 78

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

techos o suelos en contacto con el exterior. En España, con las temperaturas mínimas exteriores normales, el ahorro de este sistema puede estimarse entre un 15% y un 20%, sin disminuir las prestaciones en cuanto a comodidad térmica (sensación térmica).

Las tuberías de agua (generalmente de material plástico) o cables eléctricos se distribuyen sobre el forjado, interponiendo un aislante térmico para evitar que el calor se disipe hacia la planta inferior. Sobre las tuberías se pone una capa de mortero de cemento y arena y luego el solado, que se recomienda sea de un material poco aislante del calor (piedra, baldosa cerámica o hidráulica) y no de madera o moqueta. Algunos sistemas eléctricos modernos son de aplicación directa y no necesitan la capa de mortero de cemento y arena. Si el edificio está bien aislado no es necesario cubrir toda la superficie del suelo.

Los elementos que componen este diseño se explican a continuación.



Tubo de plástico ó multicapa. Es un tubo de polietileno de alta densidad, reticulado por radiación de electrones. Las técnicas puestas en servicio para la fabricación aseguran una gran regularidad dimensional (diámetro y espesor de las paredes).



Placas de aislamiento.



Aislamiento periférico. Es necesario separar mecánica y fónicamente la placa base del suelo radiante de los tabiques. Esto se consigue mediante el aislamiento periférico, constituido por unas tiras rígidas de Poliestireno Expandido.



Grapas de fijación. Para sujetar el tubo a las placas de aislamiento, se utilizan unas grapas autoperforantes que, clavadas sobre los tacos-guía en las zonas curvas del tubo, impiden que este se desplace de su posición.



Conjuntos de distribución. Los diferentes circuitos formados por los tubos de polietileno reticulado van unidos a un colector de ida y otro de retorno. Por las

79

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

mejores características en cuanto a resistencia mecánica y térmica, la tubería multicapa es la mejor opción para la realización de estos circuitos.

Para conseguir calentar una vivienda mediante sistemas convencionales hay que aumentar la temperatura del agua circulante a unos 80º C, pero con suelo radiante podría necesitarse un calentamiento de solo unos 30º C para conseguir la misma temperatura ambiental de aproximadamente 22º C. Esta temperatura variará en función del acabado final que se instale sobre el forjado, ya que no todos los materiales poseen las misma conductividad térmica.

Los sistemas aerotérmicos se han mostrado idóneos para alimentar este tipo de sistemas y deben considerarse una primera opción a la hora de su diseño.



Calentamiento de piscinas durante todo el año

Las instalaciones de climatización de piscinas tienen como objetivo calentar y mantener la temperatura del agua dentro de los límites adecuados para el baño y mantener el aire del local dentro de unos parámetros adecuados de humedad y temperatura, consiguiendo así prolongar el período de uso de la piscina más allá de los meses de verano. Las energías renovables se muestran como la opción más recurrida actualmente, siendo las bombas de calor el sistema más empleado hoy en día, por lo que la energía aerotérmica se presenta como una opción competitiva para lograr dicho objetivo.

80

CAPÍTULO III

DISEÑO DE LA INSTALACIÓN

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

82

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

3.1 INTRODUCCIÓN

Diseño y construcción de un banco de ensayos que permita el análisis de dispositivos aertérmicos son objetivos principales en el presente proyecto. La instalación debe permitir establecer unas condiciones de funcionamiento determinadas y controlables para los equipos a ensayar en el mismo; de modo que la misión del banco de ensayos es doble.



Medir las propiedades de llegada del aire a la bomba.



Ejercer un control adecuado sobre dichas propiedades.

A continuación detalla el proceso de diseño y construcción del banco, y se explican las decisiones tomadas al respecto.

83

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

3.2 CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE ENSAYOS

En primer lugar se plantea la siguiente pregunta: ¿qué se requiere para construir un banco de trabajo? Un equipo de dichas características debe permitir realizar las pruebas deseadas sobre el dispositivo a ensayar, verificando su correcto funcionamiento. Se concibe por tanto el proyecto alrededor de la siguiente idea: construir una zona de ensayos para dispositivos aerotérmicos, poniendo a prueba el mismo y registrando su comportamiento. Como ya se ha indicado, los dispositivos aerotérmicos extraen energía del ambiente para su aprovechamiento, por lo que una zona de ensayos debería permitir simular condiciones ambientales variables, de acuerdo al tipo de ensayo al que se desee someter al circuito. Para registrar el comportamiento del dispositivo surge la necesidad de establecer una serie de sensores que lo permitan.

Partiendo de lo expuesto anteriormente, se puede realizar el siguiente resumen: se desea construir un espacio que permita al usuario generar las condiciones ambientales que decida y que sea capaz de detectar y registrar el comportamiento del dispositivo a ensayar. Se parte de la siguiente premisa: las condiciones ambientales de un determinado espacio pueden ser controladas siempre y cuando pueda controlarse la temperatura del aire y su humedad, así como el flujo del mismo. ¿Cómo puede acondicionarse un espacio para controlar tales propiedades? La respuesta es la siguiente: haciendo que dicho espacio forme parte de un circuito que bombee el aire en las condiciones deseadas. En un esbozo inicial, se requerirán los elementos siguientes.



Sistema de bombeo del aire.



Sistema de calentamiento del aire.



Sistema de control de humedad del aire.

84

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Esquema inicial.

φs Ts

φe Te

Q aire

Zona de ensayo

Control de humedad Ventilador

Calentamiento

Figura 3.1. Esquema del circuito del banco de ensayos

Como ya se ha mencionado, harían falta sistemas de control de la humedad y sensores que permitan registrar el comportamiento de un dispositivo aerotérmico. La construcción del circuito ha ido requiriendo de una serie de elementos para lograr los objetivos que han sido programados inicialmente. Dichos componentes han sido divididos en dos grupos principales: los elementos de medida y los elementos de control. A continuación se procede a seleccionar y describir los elementos de ambos grupos y la función que cada uno desempeña en el banco.

3.2.1

Componentes de control

Se consideran elementos de control aquellos que permiten al usuario interactuar con las condiciones de la zona de ensayo en las que se encuentra equipo aerotérmico. Se entienden como tales los elementos enunciados a continuación.

85

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

3.2.1.1

Ventilador

Para hacer funcionar un circuito de las características anteriores, lo primero que se necesita es un elemento que proporcione el caudal de aire requerido por el circuito.

Partiendo de los requerimientos de base, se considera que el ventilador a emplear debe ser capaz de funcionar bajo unas condiciones de diseño en las que pueda proporcionar una potencia de 10 kW, y con un salto térmico ∆ = 5℃. Esto supone el siguiente requerimiento de caudal másico de aire.

(Ec 3.1)

Aproximadamente 2

⁄ de aire. Ante este resultado, y estudiando las ofertas del

mercado, se opta por instalar una caja de ventilación a transmisión de simple oído, aparato de la marca S&P, de la serie CVST. Estas son Cajas de ventilación para trasegar aire a 400ºC/2h, fabricadas en chapa de acero galvanizado, aislamiento termoacústico de melamina, ventilador centrífugo de simple aspiración con rodete de álabes hacia adelante equilibrado dinámicamente, montado sobre silent-blocks y junta flexible a la descarga, accionado a transmisión con motor trifásico.

Estos equipos pueden equipar motores de 0,25 a 22 kW. Montados sobre voluta, hasta 2,2 kW. El resto, sobre bancada. Para esta aplicación emplean un modelo de motor trifásico IP55.

Estos equipos proporcionan suministro estándar con transmisión motor a la izquierda visto desde la boca de impulsión. Pueden presentar posición a la derecha, bajo demanda. El suministro es estándar con descarga horizontal. (versiones CVST-H). La descarga también puede ser vertical bajo pedido (versiones CVST-V). Estos modelos tienen paneles de doble pared, tipo sandwich, y aislamiento termoacústico (M0) de fibra de vidrio de 25 mm de espesor, bajo demanda.

86

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.2. Características del ventilador

87

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.3. Características del ventilador

A la hora de elegir un modelo de ventilador de entre los diversos disponibles es preciso analizar las curvas de funcionamiento. Dichas curvas vienen dadas en función del caudal. Es por tanto preciso determinar el caudal de funcionamiento que el ventilador debe soportar. Para conocerlo es necesario establecer la velocidad del caudal y la superficie perpendicular a dicha velocidad que debe atravesar. Es por tanto necesario determinar que tuberías debe haber en el circuito.

Para que los procesos de control y medida que tienen lugar en las diferentes etapas del circuito tengan lugar de manera eficiente, es precioso que el aire pase de unas a otras 88

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

conservando sus propiedades; minimizando pérdidas de cualquier tipo. Los conductos que el aire debe atravesar entre etapas, por tanto, deben ser elegidos cuidadosamente. A continuación se procede a elegir las tuberías que unirán las partes del banco de ensayos.

 Elección de tuberías

El diámetro de la tubería debe ser elegido de manera adecuada. El parámetro a controlar es la velocidad del aire en el interior del conducto. El criterio de diseño es que la velocidad debe rondar los 30 m/s, siendo ésta una velocidad adecuada que prevendrá problemas de desgaste excesivo en las paredes del conducto, así como pérdidas de carga demasiado altas.

Para establecer el diámetro del conducto, se recurre a la ecuación 3.2: continuidad del caudal.

̇ =

·

(Ec 3.2)

Siendo



̇ : caudal de aire.



: área de la boca del conducto.



: velocidad del aire en el interior del conducto.

Para averiguar el diámetro del tubo es preciso despejar el área de la boca del conducto, por lo que se procederá del modo siguiente.

89

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

(Ec 3.3)

Siendo ̇

̇ =

(Ec 3.4)

Por tanto =

̇

(Ec 3.5)

·

Se necesita por tanto el valor de la densidad del aire para estas condiciones. Como se sabe, el aire puede considerarse un gas ideal, por lo que su densidad puede despejarse de la ecuación de los gases ideales, que aparece reflejada como la expresión 3.4.

(Ec 3.6)

Siendo



: presión del gas.



: volumen del gas.



: número de moles de gas.



: constante de los gases ideales.



: temperatura del gas.

90

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Puede averiguarse la densidad poniendo dicha ecuación en función de la masa del gas.

·

=

·

Se asume como hipótesis =

⇒

=

· ·

= 101325

(Ec 3.7)

=

y

. Se toma como

la temperatura media anual de Vigo, que es de 13,63º. La masa molecular del aire es de 28,96 /

y

= 8,314 /

=

.

101325 · 28,96 · 10 = 1,23 8,31 · (273 + 13,63)

/

(Ec 3.8)

Con el valor de la ecuación 3.6 puede volverse a la expresión 3.3 y resolver el valor del diámetro.

=

⇒

=

2 = 0,054 = 1,23 · 30

· 4

̇ ·

→

(Ec 3.3)

⇒

=

4 · 0,054

= 0,26

= 26,27

Una vez resuelto el diámetro, el valor comercial más próximo del que se dispone es de 25

. Un diámetro menor supone una velocidad mayor que la supuesta en primera

instancia. No obstante la diferencia es suficientemente pequeña como para que el margen tomado al establecer la velocidad máxima del aire lo soporte sin problema.

91

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Una vez calculado el diámetro de la tubería queda definido el caudal de aire máximo que puede circular por el circuito. El valor del mismo se resuelve en la expresión 3.9.

=

·

=

̇

=

2 = 1,64 1,23

⁄ = 5847,53

⁄ℎ

(Ec 3.9)

Pueden observarse las tuberías en la figura 3.4.

Figura 3.4. Tuberías del circuito del banco de ensayos

Con este valor definido, se retoma el proceso de selección del ventilador.

Se procedía a elegir un ventilador de la serie CVST de la marca S&P. Se considera que para las necesidades del proyecto, el modelo óptimo es el CVST – 15/8, que presenta la curva característica de la figura 3.5.

92

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.5. Curva característica del ventilador

93

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Dicha curva proporciona un rendimiento adecuado para el caudal de diseño. Se puede barrer la curva desplazándose a través de ella variando el caudal mediante el variador de frecuencia, ajustando de este modo el valor de la presión y el rendimiento a puntos aceptables. Las revoluciones del motor se controlan desde una señal del ordenador. De este modo se puede adaptar la curva al punto de trabajo que se desee.

La figura 3.6 muestra el ventilador.

Figura 3.6. Caja del ventilador

94

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Este modelo de ventilador es accionado mediante un motor trifásico cerrado w2, con las características mecánicas expuestas a continuación.

Figura 3.7. Características del ventilador

95

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

La figura 3.8 muestra el motor de accionamiento.

Figura 3.8. Motor de accionamiento

En la siguiente imagen, se puede observar el ventilador integrado en el circuito del banco de ensayos.

96

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.9. Ventilador en el banco de ensayos

3.2.1.2

Variador de frecuencia

Una vez seleccionado el ventilador, el siguiente paso es acondicionarlo a las necesidades del circuito. En los objetivos iniciales se establece que el flujo de aire en la zona de ensayo debe estar bajo control del usuario, por tanto hace falta algún dispositivo que permita el control manual del caudal del ventilador. Se opta por instalar un variador de frecuencia. Sus características se exponen a continuación.

Se instala el modelo atv312hu22n4 de Schneider electrics, que puede verse en la figura 3.10.

97

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

El variador de frecuencia acepta alimentación tanto con tensión monofásica, de 200 a 240 V como trifásica, en intervalos de 200 a 240 V, 380 a 500 V y 525 a 600 V; y siempre con frecuencias entre 50 y 60 Hz. Hay que asegurarse de que las conexiones con el motor son correctas y se corresponden con la tensión de funcionamiento, así como que la tensión de red es compatible con el funcionamiento del dispositivo.

Figura 3.10. Variador de frecuencia

Estas son para una temperatura ambiente máxima de 50 °C y una frecuencia de conmutación de 4 kHz en funcionamiento continuo. La frecuencia de conmutación puede ajustarse de 2 a 16 kHz. Por encima de 4 kHz, el variador reducirá la frecuencia de conmutación en el caso de que la temperatura aumente excesivamente. El aumento de la temperatura se controla mediante un sensor instalado en el módulo de alimentación. Sin embargo, la corriente nominal del variador debe disminuir si el funcionamiento por encima de 4 kHz va a ser continuado.

Se muestran sus especificaciones técnicas en la figura 3.11.

98

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

IEC/EN 61800-5-1, IEC/EN 61800-3 (entornos 1 y 2, categorías C1 a C3) e, UL, CSA, C-Tick, NOM, GOST

Figura 3.11. Características del ventilador de frecuencia

99

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

En las figuras 3.12 y 3.13 puede verse el variador de frecuencia integrado en el circuito del banco de ensayos.

Figura 3.12. Posición del variador de frecuencia

Figura 3.12. Posición del variador de frecuencia

100

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

3.2.1.3

Sistema de calentamiento

El proceso de ensayo debe consistir principalmente en calentar el ambiente hasta la temperatura requerida en cada caso para analizar como un dispositivo aerotérmico lleva a cabo el proceso de enfriamiento. Es necesario por tanto un sistema de calentamiento que permita este proceso. De acuerdo a dicho requerimiento, se concibe el sistema como en una serie de resistencias eléctricas de alta potencia situadas en un punto del interior del circuito, de modo que el aire al pasar a través de ellas a cierta velocidad se caliente.

Se requiere también un potenciómetro que permita ajustar la potencia recibida por las mismas, y por tanto su temperatura. De esta manera, cuando para algún ensayo se requiera aumentar la temperatura del aire, se encenderán las resistencias y se ajusta su temperatura a través del potenciómetro, calentándose éstas y cediendo energía térmica al aire, calentándose éste a su vez. 

Resistencias

Figura 3.14. Resistencias eléctricas

101

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Se encuentran suspendidas en una estructura metálica. Su alimentación tiene lugar a través de la red eléctrica y es gestionada por el potenciómetro.

Se trata de 6 resistencias de 1,33 kW cada una que pueden encenderse individualmente. Una de las resistencias es de tipo regulable, de modo que permite ajustar la potencia que cede en cada momento desde un valor de 0 hasta un valor máximo de 1,33 kW. Esto permite ajustar con precisión la energía aportada al aire en cada momento a cualquier valor entre 0 y 1,33 · 6 ≈ 8

, encendiendo tantas

resistencias de 1,33 kW como sean necesarias, y ajustando a continuación la resistencia regulable.

Figura 3.15. Situación de las resistencias

Puede observarse en la figura 3.15 el punto del circuito en el que se sitúan las resistencias eléctricas de alta potencia. Se encuentran aisladas térmicamente, de modo que el proceso de transmisión de calor al aire tenga lugar de manera eficiente.

102

CAPÍTULO III Diseño de la instalación



Potenciómetro

El potenciómetro forma parte del sistema de control de temperatura. El potenciómetro es el modelo A2000 de E.B.C. un instrumento de medida que se usa para el análisis de sistemas de corriente alterna, particularmente donde los instrumentos analógicos convencionales no sirven, especialmente donde las distorsiones armónicas son importantes, además de corriente, voltaje y potencia. El potenciómetro es capaz de realizar simultáneamente las medidas más importantes en sistemas de medio y alto voltaje, eliminando el uso combinado de instrumentos de medida. Los valores importantes pueden ser registrados durante largos periodos de tiempo, y el proceso de grabación puede ser activada para una duración determinada por un evento. En este caso puede conocerse la historia previa, funcionando también como detector de fallos significativamente mejor que los dispositivos convencionales.

El potenciómetro registra la potencia de las resistencias. Es el nexo que permite al sistema de resistencias eléctricas comunicarse con la adquisición de datos. Es un aparato programable que se ajusta para que envíe una señal entre 4 y 20 mA al sistema de adquisición de datos, para que pueda medir tanto la potencia activa de las resistencias como su potencia reactiva, factor de potencia, voltaje e intensidad de corriente

en cada una de las fases de la línea trifásica.

Figura 3.16. Potenciómetro

103

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.17. Posición del potenciómetro

Figura 3.18. Potenciómetro

104

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Las resistencias se conectan al potenciómetro, y éste a su vez a una serie de interruptores térmicos a través de los cuales se accionan las resistencias. En la siguiente figura se muestran los interruptores. 

Interruptores

Cada interruptor acciona una resistencia. Cada pareja de resistencias corresponden a una fase de la línea eléctrica.

Una de las resistencias se encuentra conectada al interruptor térmico a través de una resistencia regulable, (esquina superior derecha) lo que permite al usuario controlar la potencia eléctrica que produce, en vez de ser un

simple interruptor encendido/apagado.

Figura 3.19. Interruptores térmicos

Los interruptores permiten variar entre posiciones de encendido y apagado las resistencias eléctricas que calientan el aire. Cuantas más se enciendan, mayor potencia se produce y más energía recibe el aire. La resistencia variable permite un ajuste continuo entre cualquier valor entre 0 y su potencia máxima, lo que hace que el usuario pueda ajustar la potencia al valor exacto que necesite en cada ensayo.

A continuación se muestran sus especificaciones técnicas.

105

de

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.20. Características de los interruptores

106

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

3.2.1.4

Sistema de control de la humedad

A la hora de mantener la humedad del circuito bajo control es necesario disponer de algún dispositivo que permita al usuario aumentarla o reducirla. Con este objetivo se instalan los elementos descritos a continuación.



Batería de refrigeración

Su misión consistirá en reducir la cantidad de vapor de agua en el caudal de aire. El funcionamiento del dispositivo consiste en enfriar el aire hasta una temperatura inferior a su punto de rocío. De esta manera se produce en el aire un proceso de condensación del vapor de agua que contiene, y una vez en forma de líquido puede ser retirada del circuito. Controlando el valor de la temperatura de la batería, puede hacerse que la condensación se produzca de una manera más o menos acusada.

La batería consiste en un conducto espiral a través del cual se hace pasar agua a baja temperatura, de forma que cuando el aire pase a través de ella se produzca la condensación. Se mostrará a continuación el proceso de refrigeración, cuando se sitúa el dispositivo en el interior de la zona de ensayo. Un conducto de las mismas características servirá como parte de un equipo de prueba para realizar futuros ensayos.

Figura 3.21. Proceso de deshumidificación 107

CAPÍTULO III Diseño de la instalación



Generador de vapor

Cuando el nivel de humedad relativa desciende por debajo de lo deseable y se requiere aumentarlo se empleará un generador de vapor. Dicho elemento genera vapor de agua a partir del líquido obtenido de la red y calentándolo hasta el punto de evaporación. A continuación se introduce el vapor en el circuito mediante la tubería de conexión.

El modelo elegido es un modelo HSW33 de la marca Inbeca.

Figura 3.22. Generador de vapor

108

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

3.2.2

Elementos de medida

Los elementos anteriormente descritos serán los encargados de cumplir el primer objetivo del banco de ensayos: crear unas condiciones ambientales controlables por el usuario. A continuación debe abordarse el segundo objetivo principal: establecer un mecanismo que permita medir y registrar el comportamiento de los dispositivos que se pretenda ensayar en el banco. A continuación se elegirán y describirán los elementos de medida del circuito. Se entienden como tales los siguientes.

3.2.2.1

Caudalímetro

El caudal de aire que atraviesa el circuito es una de las variables de mayor importancia tanto a la hora de controlar las condiciones ambientales de la zona de ensayo como para estudiar el comportamiento de los dispositivos a ensayar. Para conocerlo se colocará un transmisor diferencial de presión que permitirá conocer la presión absoluta en la tubería que conecta el ventilador con la zona de ensayos; lo que permitirá conocer el valor del caudal de aire. El elemento instalado será el transmisor de presión CP100 de la marca KIMO. Su principio de funcionamiento consiste en poseer un elemento sensible de tipo piezorresistivo.

El efecto piezorresistivo describe cambios en la resistencia eléctrica de un material, tras aplicar estrés mecánico (tracción o compresión) que los deforma. Dicho cambio es debido a la variación de la distancia interatómica (en el caso de los metales) y a la variación de la concentración de portadores (en el caso de los semiconductores).

El manual de uso del sensor permite traducir la presión en caudal, de acuerdo a la expresión 3.10.

=

·

109

−

(Ec 3.10)

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Siendo



: velocidad del fluido que atraviesa el sensor.



: coeficiente de cálculo de velocidad. En este caso su valor es 1.



−

=

: presión dinámica.

Conocida la velocidad del fluido, el caudal corresponde a la ecuación siguiente.

=

·

(Ec 3.11) 4

Siendo



: caudal de aire.



: diámetro del conducto.

Transmisor presión diferencial que transmite una señal proporcional de 4-20 mA o 0-10 V. Equipo escalable por micro interruptores o programa LCC100 suministrado como opcional.

Disponible en dos modalidades de trabajo, por lazo de corriente (2 hilos, lazo pasivo) o alimentación independiente a 24 V ac/dc (lazo activo). (Precisión 1,5% de la lectura 3 unidades según modelos).

Figura 3.23. Caudalímetro

110

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Las especificaciones técnicas se muestran a continuación.

Figura 3.24. Características técnicas

111

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.25. Esquema del caudalímetro

El sensor se conecta a la tubería para recibir la señal de presión y devolver la medida de caudal. El sistema de adquisición de datos se encarga de realizar la transformación de la presión en caudal.

Figura 3.26. Punto de medida de la presión 112

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.27. Caudalímetro y punto de medida

Las figuras 3.26 y 3.27 muestran el punto del circuito en el cual se lleva a cabo la medición de la presión, así como la posición del caudalímetro, en el banco de ensayos.

3.2.2.2

Sensor de temperatura

En el proceso de control del sistema es imprescindible conocer la temperatura del aire. Con este objeto se instalarán sensores de temperatura resistivos, concretamente del tipo pt100, a la entrada y a la salida de la zona de ensayos. De esta forma se sabrá el valor de la temperatura del aire cuando éste llega al dispositivo aerotérmico que se esté analizando, y el valor de la misma después de la interacción con el aparato. En la figura 3.28 se esquematiza la posición de los sensores.

113

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Sensor de temperatura

Sensor de temperatura

Zona de ensayos

Figura 3.28. Posición de los sensores de temperatura

El principio de funcionamiento de estos sensores se fundamente en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Su símbolo es el siguiente, en el que se indica una variación lineal con coeficiente de temperatura positivo.

Figura 3.29. Símbolo de sensor de temperatura

Al calentarse un metal habrá una mayor agitación térmica, dispersándose más los electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitación, y mayor resistencia.

114

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

La resistencia del elemento responde a la ecuación 3.12.

(Ec 3.12)

Donde



R0: resistencia a la temperatura de referencia T0.



ΔT: desviación de temperatura respecto a T0 (ΔT = T − T0).



α: coeficiente de temperatura del conductor especificado a 0 °C, interesa que sea de gran valor y constante con la temperatura.

Los materiales empleados para la construcción de sensores RTD suelen ser conductores tales como el cobre, el níquel o el platino. Las propiedades de algunos de éstos se muestran en la tabla de la figura 3.30.

Parámetro

Platino (Pt)

Cobre (Cu)

Níquel (Ni)

Molibdeno (Mo)

Resistividad (μΩcm)

10.6

1.67

6.84

5.7

α(Ω / Ω / K)

0.0039

0.0043

0.0068

0.0038

R0(Ω)

25, 50, 100, 200

10

50, 100, 120

100, 200, 500

margen (°C)

-200 a +850

-200 a +260

-80 a +230

-200 a +200

Figura 3.30. Propiedades de conductores eléctricos

De todos ellos es el platino el que ofrece mejores prestaciones.

115

CAPÍTULO III Diseño de la instalación



alta resistividad. Para un mismo valor óhmico, la masa del sensor será menor, por lo que la respuesta será más rápida.



margen de temperatura mayor.



alta linealidad.



sin embargo, su sensibilidad (α) es menor.

Como ya se había mencionado, el modelo a emplear en el banco de ensayos es el de sensor pt100. Estos sensores se disponen al final del conducto de entrada al sistema de estudio, y al principio del conducto de salida del mismo, de acuerdo con la normativa EN 308: 1997.

La disposición de 4 de los sensores se muestra a continuación.

d

0,42d

Figura 3.31. Disposición de sensores térmicos

Los sensores de temperatura se disponen a intervalos de 90 alrededor del contorno del tubo, y a una profundidad tal que: (1 − 0,42) ∙ /2 = 0,29 como se indica en la figura 3.31.

116

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Se introduce un quinto sensor separado 45 de la posición de otro sensor, y con una profundidad de , es decir, hasta el centro del conducto.

Figura 3.32. Disposición de sensores térmicos

El hecho de poner 5 sensores, tanto a la entrada y a la salida garantiza fiabilidad de medidas, pues permite hacer una media de la temperatura en distintos puntos del conducto y dar una idea más precisa. Las figuras 3.33 y 3.34 muestran los sensores dispuestos en el conducto.

Figura 3.33. Colocación de los sensores de temperatura en el conducto

117

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.34. Colocación de los sensores de temperatura en el conducto

En la figura 3.35 se muestra la colocación de los sensores de temperatura con respecto a la zona de ensayos. Como puede apreciarse, se encuentran colocados al final de la tubería de entrada y al principio de la tubería de salida de la zona de ensayos.

Figura 3.35. Colocación de los sensores de temperatura

118

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

3.2.2.3

Sensor de humedad

Los sensores de humedad registran la humedad relativa del aire. Esto es, como ya ha sido mencionado, la proporción de agua que contiene el aire en proporción al total de agua que es capaz de asimilar. Una humedad relativa del 0% quiere decir que el aire no contiene agua, y una humedad relativa del 100% quiere decir que el aire contiene la máxima cantidad de agua que es capaz de asimilar; o lo que es lo mismo, que está saturado de agua. Si en estas circunstancias se tratase de incrementar la humedad del ambiente, el agua comenzaría a condensar, puesto que el aire no sería capaz de asimilarla.

Existen diversos tipos de sensores de humedad, clasificados de acuerdo a sus respectivos principios de funcionamiento. A continuación se enuncian los más usuales.



Mecánicos. Aprovechan los cambios de dimensiones que sufren cierto tipo de materiales en presencia de la humedad. Como por ejemplo: fibras orgánicas o sintéticas, el cabello humano, etc.



Basados en sales higroscópicas. Deducen el valor de la humedad en el ambiente a partir de una molécula cristalina que tiene mucha afinidad con la absorción de agua.



Por conductividad. La presencia de agua en un ambiente permite que a través de unas rejillas de oro circule una corriente. Ya que el agua es buena conductora de corriente, según la medida de corriente se deduce el valor de la humedad.



Capacitivos. Se basan sencillamente en el cambio de la capacidad que sufre un condensador en presencia de humedad.



Infrarrojos. Estos disponen de 2 fuentes infrarrojas que absorben parte de la radiación que contiene el vapor de agua, y en función de la misma estiman la humedad.

119

CAPÍTULO III Diseño de la instalación



Resistivos. Aplican un principio de conductividad de la tierra. Es decir, cuanta más cantidad de agua hay en la muestra, más alta es la conductividad de la tierra.

Para conocer la humedad relativa y su variación en el proceso que esté teniendo lugar en el banco de ensayos se situarán sensores antes y después del proceso, en las tuberías de entrada y salida, junto a los sensores de temperatura, como se puede apreciar en la figura 3.36.

Figura 3.36. Posición de los sensores de humedad

Se sitúan a la altura de uno de los sensores de temperatura y a una profundidad de /2 desde el contorno de la tubería, es decir, en el centro del conducto, como muestra la figura 3.37.

120

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

d

Figura 3.37. Disposición del sensor de humedad

Los sensores a emplear son los hih – 4000 series, de la marca honeywell. Son sensores de demostrada fiabilidad, de tipo capacitivo, de acuerdo a su principio de funcionamiento. El sensor es un láser recortado, hecho de un polímero termoestable, con un chip de señal integrado. La constitución del elemento sensible multicapa proporciona un buen comportamiento ante adversidades como humedad, polvo, sequedad, aceites o ambientes químicos.

A continuación se muestran sus características de funcionamiento principales.

121

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.38. Características de los sensores de humedad

Figura 3.39. Características de los sensores de humedad

122

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

3.2.3

Zona de ensayo

Una vez diseñados los sistemas de control y medida de la zona de ensayos, queda la construcción de la propia zona de trabajo en la que tendrán lugar los experimentos. La zona de ensayos consiste en una estructura dentro de la que se situará el dispositivo aerotérmico a ensayar. Debe poseer las medidas adecuadas para contenerlo, y contar con aislamiento térmico que impida que la temperatura exterior perturbe los ensayos.

Se decide construir una caja de 2 m de largo, 80 cm de ancho y 60 cm de alto, con lana de roca. La lana de roca, perteneciente a la familia de las lanas minerales, es un material fabricado a partir de la roca volcánica. Se utiliza principalmente como aislamiento térmico y como protección pasiva contra el fuego en la edificación, debido a su estructura fibrosa multidireccional, que le permite albergar aire relativamente inmóvil en su interior. La estructura de la lana de roca contiene aire seco y estable en su interior, por lo que actúa como obstáculo a las transferencias de calor, aislando tanto de temperaturas bajas como altas. Las figuras siguientes muestran el receptáculo.

Figura 3.40. Zona de ensayos abierta 123

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.41. Zona de ensayos cerrada

Figura 3.42. Zona de ensayos en el circuito

124

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

La figura 3.40 muestra la zona de ensayo abierta. Pueden apreciarse los sensores de temperatura y humedad en las tuberías, justo antes de la entrada y la salida de la misma.

En la figura 3.41 se aprecia la caja cerrada, con el aspecto que debe presentar en condiciones de funcionamiento y en la figura 3.42 puede apreciarse implementada en el circuito que compone el banco de ensayos.

3.2.4

Adquisición de datos

El proceso de medida que se lleva a cabo en la zona de ensayo mediante los sensores anteriormente expuestos requiere que los datos obtenidos, para poder ser registrados y tratados, sean traducidos a un ordenador. La tarjeta de adquisición de datos es el elemento encargado de leer en las magnitudes correspondientes a los valores medidos por los diferentes sensores del sistema de medida y adquisición de datos para transmitirlos posteriormente al PC donde se realiza su visualización y tratamiento.

La tarjeta de adquisición de datos que se muestra en la imagen es el modelo DAQPad 6016 de National Instruments y se conecta a un PC vía puerto USB, para el registro de las señales de los elementos de medida.

En la tabla se encuentran las características más importantes de la misma.

Figura 3.43. Tarjeta de adquisición de datos

125

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Tarjeta de adquisición de datos DAQPad 6016 de National Instruments Entradas analógicas

16

Salidas analógicas

2

Entradas/Salidas Digitales

32

BUS

USB

Resolución

16bits

Rango de entrada

± 0,05 a ±10 V

Rango de salida

±10 V

Contadores

2

Figura 3.44. Características de la tarjeta de adquisición de datos

En cuanto al montaje de los distintos elementos de medida a esta tarjeta cabe destacar que la lectura de la tarjeta es en unidades de voltaje, en concreto en un rango de 0,05 a 10 V, sin embargo, la señal de salida de la mayoría de estos elementos es de 4-20 mA. Por esta razón se montaron unas resistencias de 249 Ω en paralelo en la entrada de la tarjeta de adquisición de datos que realizan el cambio de unidades.

En la siguiente figura puede observarse la misma implementada en el sistema de adquisición de datos.

126

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.45. Tarjeta de adquisición de datos implementada en el circuito

Software asociado al sistema de adquisición de datos

Es el programa utilizado para visualizar y gestionar las medidas transmitidas mediante la tarjeta de adquisición de datos y que serán guardadas en un archivo que permita su posterior tratamiento.

Se ha empleado el lenguaje de programación gráfica LAB VIEW, desarrollado por Nacional Instruments. Al tratarse de la misma compañía que la tarjeta de adquisición de datos presenta una total compatibilidad con ella.

El programa desarrollado, denominado Bomba calor, está constituido por varias pestañas, en las que se presentan esquemas de las distintas partes de la instalación experimental.

Se muestra el interfaz gráfico empleado para mostrar los valores en las diferentes zonas del circuito en el pc en la siguiente figura.

127

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

Figura 3.46. Interfaz gráfico de LAB VIEW

Con esto concluye la construcción del banco de ensayos. A continuación se muestra una imagen del mismo con todos sus componentes y en condiciones de funcionamiento

Figura 3.47. Imagen del banco de ensayos completo

128

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

3.3 EQUIPO DE PRUEBA

Una vez se concluye la construcción del banco de ensayos debe de ponerse a prueba el funcionamiento del mismo. Es por eso que se decide construir un equipo que permita analizar la exactitud de las medidas registradas.

Se opta por fabricar un mecanismo capaz de llevar a cabo un proceso de enfriamiento e introducirlo en la cámara de ensayos de modo que simule un dispositivo de enfriamiento aerotérmico. Durante dicho procedimiento de simulación se registrarán los procesos de intercambio energético, variación de humedad y demás, lo que permitirá verificar si se han logrado los objetivos iniciales de producir unas condiciones determinadas de funcionamiento a través del banco de ensayos, y si las medidas obtenidas son fiables.

El equipo de prueba consistirá en un conducto en espiral dispuesto en un lugar del circuito de tal modo que obligue al aire a atravesarlo. A través de este conducto, y cuando sea necesario, se hará pasar agua fría, de modo que el aire caliente reduzca su temperatura al entrar en contacto con él.

Figura 3.48. Esquema del equipo de prueba

129

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

El conducto es un serpentín, de modo que el aire pasa a través de las espiras, favoreciendo una superficie de intercambio máxima aire-tubería.

El agua cae por el tubo más próximo a la pared hasta la parte de abajo, y a continuación asciende por el conducto en espiral y sale por el otro extremo.

Figura 3.49. Conducto de refrigeración

Se disponen en entrada y salida del conducto grifos que permitan abrir y cerrar el paso de agua, así como instalar sensores de temperatura específicos para el caudal del agua en paralelo al flujo de agua.

Aquí se observa el grifo del conducto de entrada. El elemento gris redondeado en la parte trasera del grifo es el sensor de temperatura. Atraviesa la tubería de modo que el extremo de medida Se encuentre en paralelo con el flujo de agua que entra por la manguera. El cable envía la señal del sensor al sistema de

adquisición de datos.

Figura 3.50. Grifo de entrada al conducto de refrigeración

130

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

En esta imagen se aprecia el grifo de salida del sistema de refrigeración. El agua entra en el grifo por la parte de abajo y atraviesa en paralelo el extremo de medida del sensor, esta vez en la parte superior del grifo, y sale por la manguera, volviendo al sistema de enfriamiento cerrando el circuito.

Figura 3.51. Grifo de salida del conducto de refrigeración

131

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

132

CAPITULO IV

REALIZACIÓN DE ENSAYOS

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

134

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

4.1 INTRODUCCIÓN

El control y la medida sobre las propiedades del entorno de ensayo de los dispositivos aerotérmicos son el objetivo principal del proyecto. Una vez finalizados los procesos de diseño y construcción debe procederse a verificar que el banco de trabajo cumple con los objetivos para los que fue diseñado. Para eso, se realizarán una serie de ensayos que pongan a prueba los sistemas de medición y regulación del circuito, de modo que si los resultados son satisfactorios, se den por logrados los objetivos.

A continuación se procede a detallar los distintos ensayos que se han llevado a cabo con el fin verificar que el control sobre propiedades tan importantes como la temperatura del aire que circula a través del circuito o su caudal están al alcance del usuario, puesto que serán la llave sobre el control de las propiedades del entorno de la zona de ensayo. También se debe ratificar que los sistemas de medida de las propiedades del aire funcionan de manera fiable y adecuada.

135

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

4.2 ENSAYOS DE POTENCIA

El objetivo de los próximos ensayos es comprobar la energía intercambiada entre aire y agua de refrigeración. Los ensayos consistirán en encender el banco y calentar el flujo del aire mediante el sistema de calentamiento, para después realizar un proceso de refrigeración a través del equipo de prueba, que simulará el funcionamiento de un dispositivo aerotérmico. La idea es realizar una serie de ensayos fijando una serie de parámetros, como pueden ser la temperatura del agua de refrigeración, el caudal de aire y la temperatura del mismo, y variando otros de modo que puedan observarse los intercambios de energía. Cada ensayo debe consistir en poner en funcionamiento el sistema, y tras un periodo transitorio de variación de temperaturas y una vez alcanzado el estado estacionario, observar los flujos energéticos. Como estos ensayos tienen lugar en condiciones de aislamiento térmico, en teoría, la potencia cedida por el flujo de aire cuando se enfría debe de ser igual a la potencia absorbida por el agua de refrigeración.

Si esta premisa se cumpliese, demostraría el correcto funcionamiento de los sensores del banco de ensayos. La siguiente figura esquematiza el proceso.

Figura 4.1. Ensayos de potencia

A continuación se detallarán los ensayos de potencia que se han llevado a cabo.

136

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

4.2.1

Ensayos de temperatura

En primer lugar se llevan a cabo una serie de ensayos en los que se toma la temperatura del aire de entrada a la zona de ensayo como variable. El procedimiento se detalla a continuación.

Esta serie de ensayos tiene lugar con el ventilador en funcionamiento en circuito ⁄ℎ y su

cerrado. Se fija el caudal del agua del circuito de refrigeración en 350

temperatura en 5° . A continuación se establece el caudal de aire en el ventilador en el 50%, mediante el variador de frecuencia. Éste valor se sitúa en torno a los 1200

⁄ℎ .

La temperatura del aire que circula por el circuito se ajusta mediante el sistema de resistencias eléctricas regulables, que calientan el aire hasta alcanzar la temperatura requerida. Los resultados más significativos del ensayo se muestran en la figura 4.2, y que serán la temperatura de entrada del aire en el volumen de control, la temperatura de salida del mismo, la potencia cedida por el aire y la potencia absorbida por el agua de refrigeración, obtenidos mediante el procedimiento de cálculo ya explicado.

(° )

(° )

(

)

(

)

(

−

)/

25

24.29

0.188

0.457

-58.93%

30

28.94

0.262

0.546

-52.07%

35

33.65

0.353

0.619

-43.02%

40

38.55

0.467

0.631

-26%

45

42.87

0.535

0.771

-30.59%

50

47.53

0.598

0.835

-28.39%

Figura 4.2. Resultado de ensayo con temperatura del aire de entrada como variable

Estos resultados resultan poco aceptables; puesto que el ensayo tiene lugar en condiciones de aislamiento térmico (las paredes de la cámara de ensayo son de la lana de roca) es de esperar que la potencia cedida por el aire y la absorbida por el agua sean

137

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

próximas. Se observa sin embargo que hay unas diferencias entre ambas potencias inaceptablemente altas, llegando a ser próximas al 59% en el caso más desfavorable.

Una posible fuente de pérdida de energía térmica sería la condensación del vapor de agua del aire al contacto con la tubería de refrigeración, que al estar más fría podría provocar éste fenómeno. Sin embargo, es de esperar que en estas condiciones el caudal de condensado sea tan pequeño que no suponga pérdidas significativas.

Partiendo de esta base, cabe valorar la posibilidad de que haya algún error en las medidas. A continuación se repasa el proceso de cálculo mediante el cual se llega a los anteriores valores.

En primer lugar, la potencia absorbida por el agua se haya de manera inmediata, pues el valor de la temperatura de entrada y salida de la misma en el circuito son valores sometidos a medición, así como su caudal. Estos valores son suficientes para establecer la diferencia de entalpías entre entrada y salida, por lo que no parece probable que haya errores en dicho cálculo.

Por su parte, para establecer la diferencia de entalpías en el aire se calculan por separado las entalpías del aire seco y del agua contenida en el aire.

(

⁄

)

(

⁄

ú

)

(

⁄

)

(

⁄

)

(

⁄

ú

)

(

⁄

298.44

2546.48

322.58

297.74

2545.22

322.09

303.49

2555.55

328.52

302.42

2553.62

327.81

308.59

2564.67

333.92

307.16

2562.11

332.93

313.83

2574

335.21

312.1

2570.92

333.89

318.58

2582.41

344.63

316.45

2578.63

343.05

323.60

2591.24

348.74

321.14

2586.92

346.94

Figura 4.3. Entalpías del aire

138

)

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

La potencia cedida por el aire se establece a través de la diferencia de entalpías y el caudal de aire húmedo. La entalpía del aire húmedo se obtienen sumando a la entalpía del aire seco la entalpía del vapor saturado multiplicado por la fracción de agua contenida en el aire húmedo, la cual es función de la humedad relativa del aire.

ℎ

ú

=ℎ

+

·ℎ

(Ec. 4.1)

Siendo

= 0,62198 ·

· −

·

(Ec. 4.2)

Siendo



: fracción de agua contenida en el aire seco.



: presión de saturación del vapor saturado.



: humedad relativa del aire.

La entalpía del aire seco, al igual que la del agua de refrigeración, puede obtenerse fácilmente, pues su temperatura es parámetro bajo medición y su presión es la atmosférica. Dichos valores son suficientes para calcular la entalpía. La entalpía del agua que se encuentra en el aire en forma de vapor es un parámetro más comprometido, puesto que no solo es función de la temperatura, también lo es de la humedad del aire.

Se observa que la entalpía del vapor saturado influye de forma muy significativa en el valor de la entalpía del aire húmedo debido a lo elevado de la misma. Por tanto una variación porcentualmente pequeña de la entalpía del vapor saturado supone una variación significativa en la potencia intercambiada.

139

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

El área de ensayos se encuentra aislada térmicamente, por lo que es de esperar que las pérdidas energéticas al ambiente sean reducidas. Parece lógico esperar que las pérdidas por condensación sean también pequeñas. Por tanto los ensayos deberían proporcionar potencias similares en agua y aire, siendo en principio poco relevante la temperatura del aire. Como ya se ha mencionado, la posibilidad de que exista un error en la medida de la humedad resulta considerable.

Se decide realizar un ensayo para comprobar la precisión de los sensores de humedad. El objetivo es generar unas condiciones tales que la humedad esperada sea la misma en la zona de entrada y de salida, y comprobar si los valores registrados de humedad coinciden con lo esperado. Por tanto, se llevará a cabo el proceso de validación de humedades.

140

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

4.3 VALIDACIÓN DE LA MEDIDA DE HUMEDADES

Se decide llevar a cabo un ensayo sin condensación y en condiciones de estabilidad térmica entre la entrada y la salida de la zona de ensayo, y sin refrigeración. Deben lograrse condiciones estacionarias de funcionamiento, en las cuales la temperatura debe ser la misma a la entrada y a la salida. Si esto se logra, lógicamente las entalpías en la entrada y la salida deben ser las mismas, así como las humedades absolutas. El hecho de que las temperaturas en la entrada y la salida sean iguales hace que las humedades relativas registradas deban ser también iguales.

Se lleva a cabo para ello un ensayo en el que se ajustan las propiedades del aire a los valores indicados a continuación.

= 2438.05(100%)

 

= 38 °

Al fijarse en las humedades obtenidas se observa que no son iguales cuando forzosamente deberían serlo.



%

= 28.441



%

= 29.158

La relación entre ambas humedades es 29,158/28,441 = 1.0253. Se detecta por tanto un error de un 2,53% en la medida de la humedad. Esta variación es pequeña en lo que respecta al valor total de la humedad y se encuentra dentro del rango de error de los sensores de humedad. Se decide pues analizar los valores de potencia de los ensayos asumiendo que existe en la medida de la humedad un desvío de un 2,53% entre ambos

141

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

sensores, y comprobar si las medidas son más razonables al corregir dicho desvío. En principio se desconoce si el desvío se produce en el sensor de entrada a la zona de ensayo, en el de salida o es el resultado de un pequeño desvío en cada uno de los dos.

Como no existe manera de comprobar cual de los anteriores es el caso que realmente tiene lugar, se decide recalcular los resultados del ensayo aumentando el valor de humedad registrado por el sensor de entrada un 1,3% y reduciendo el valor obtenido por el de salida en la misma proporción. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 4.3.

(° )

(° )

(

)

(

)

(

−

)/

25

24.29

0.431

0.457

-5.65%

30

28.94

0.506

0.546

-7.31%

35

33.64

0.594

0.619

-4.15%

40

38.55

0.669

0.631

5.95%

45

42.87

0.771

0.771

-0.032%

50

47.53

0.821

0.835

-1.61%

Figura 4.4. Tabla de potencias con humedad corregida

Estos resultados son válidos y razonables. Los resultados de potencia obtenidos muestran que las potencias registradas en ambos casos son próximas, siendo en el peor de los casos la diferencia de potencias de un 7,31%, y siendo la diferencia media de 2,66%. Es por tanto razonable suponer un desvío en los sensores como el estimado. Los posteriores ensayos se analizarán desde la perspectiva del desvío supuesto en los sensores de humedad del último ensayo.

A continuación se muestra gráficamente la variación de la potencia cedida por el aire con respecto a la temperatura del mismo aire.

142

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Potencia aire 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

10

20

30

40

50

60

º

Figura 4.5. Potencia del aire frente a temperatura del aire

Una vez concluido el análisis de humedades, se procede a continuar con el análisis de ensayos de potencia.

4.2.2 Ensayos de caudal

Los siguientes ensayos toman el caudal del agua de alimentación del circuito de refrigeración como variable.

Esta serie de ensayos tiene lugar con el ventilador en funcionamiento en circuito cerrado. Se fija la temperatura del agua de refrigeración en 5° y la temperatura del aire de entrada a la zona de ensayos en 40℃. A continuación se establece el caudal de aire en el ventilador en el 50%, mediante el variador de frecuencia. Este valor se sitúa en torno a los 1200

⁄ℎ. El caudal de agua de refrigeración es ajustable mediante el

equipo de alimentación existente en el laboratorio. Se llevan a cabo 5 ensayos, en los que se ajusta el valor del caudal de agua a los siguientes valores: 200 350

⁄ℎ, 500

⁄ℎ, 650

⁄ℎ y 800 143

⁄ℎ ,

⁄ℎ. En estos resultados el valor de la

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

humedad relativa registrada ha sido corregida en función de lo explicado en el apartado anterior, para mantener la congruencia de los resultados, mostrados en la figura 4.6.

(

/

)

(

)

(

−

)/

200

0.67

0.632

6.05%

350

0.669

0.631

5.95%

500

0.66

0.657

0.47%

650

0.792

0.729

8.59%

800

0.782

0.752

4.01%

Figura 4.6. Intercambio de potencias entre aire y agua

Se observa que se obtienen unos resultados más que razonables, siendo la diferencia de potencias máxima de un 8,5%, y la media de 5,01%. Se concluye que la potencia queda registrada de manera adecuada en estas condiciones. Se muestra en la figura 4.6 la variación de la potencia absorbida por el aire frente a caudal de agua de refrigeración.

Potencia aire 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

200

400

600

800

1000

Figura 4.7. Potencia del aire frente a caudal del agua de refrigeración

144

⁄ℎ

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Se muestra también la potencia absorbida por el agua de refrigeración frente al caudal del propio agua.

Potencia agua 0,76 0,74 0,72 0,7 0,68 0,66 0,64

⁄ℎ

0,62 0

200

400

600

800

1000

Figura 4.8. Potencia del agua frente a caudal del agua

Se observa naturalmente que conforme aumenta el caudal de agua de refrigeración, aumenta también la cantidad de energía disipada por unidad de tiempo.

145

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

4.4 CONTROL DE LA TEMPERATURA

Diversos ensayos han tenido como variable de control la temperatura del aire de entrada a la zona de ensayo, y a la luz de los resultados, queda demostrado que la temperatura es un parámetro totalmente controlable por el usuario. Repasando los ensayos realizados, una serie de ellos han sido realizados fijando la temperatura de entrada, para observar los intercambios de potencia. La serie de ensayos se realiza para temperaturas del aire desde 25 ºC hasta 50 ºC, con saltos de 5 ºC entre ellos. Las temperaturas medias registradas a la entrada se muestran en la tabla 4.9.

= 25º

24.99 º

= 30º

30.005 º

= 35º

35.07 º

= 40º

40.27 º

= 45º

44.99 º

= 50º

49.97 º

Figura 4.9. Temperaturas medias registradas

Como se puede observar, los resultados demuestran que la temperatura ha sido ajustada con total precisión.

Las medidas de temperatura se obtienen mediante 5 sensores distribuidos alrededor del conducto de aire en una configuración que ya ha sido explicada anteriormente.

Después se realiza la media de dichas temperaturas, y ese es el valor medio que se obtiene. A continuación se estudian las discrepancias entre los 5 sensores. Se denomina discrepancia a la diferencia entre el valor de la temperatura obtenido por aquel de los 5 sensores que proporcione el valor máximo, y el sensor que registre el valor mínimo, tanto en la entrada como en la salida de la zona de ensayo.

146

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

∆

Ensayo

(º )

∆

(º )

= 25º

0.16

0.61

= 30º

0.19

0.64

= 35º

0.27

0.64

= 40º

0.41

0.46

= 45º

0.44

0.73

= 50º

0.53

0.81

Figura 4.10. Discrepancia de medidas entre sensores de temperatura

Los valores obtenidos presentan una tendencia ascendente, pero con un máximo de 0,52 ºC en el caso de la discrepancia a la entrada, y 0,8 ºC en el caso de la discrepancia a la salida. Estos valores son reducidos y aceptables, y se representan en las figuras 4.11 y 4.12 frente al valor de temperatura que se pretende conseguir.

Discrepancia Temperaturas entrada

º 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

º

0 0

10

20

30

40

50

Figura 4.11. Discrepancia entre temperaturas de entrada

147

60

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Discrepancia T sal

º 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

10

20

30

40

50

60

º

Figura 4.12. Discrepancia entre temperaturas frente de salida

Queda por tanto demostrado que la temperatura media final obtenida durante los ensayos está bajo el control del usuario. A continuación se muestran algunos registros obtenidos durante el transcurso del ensayo, con objeto de mostrar como la temperatura se mantiene bajo control en todo momento sin sufrir variaciones bruscas, siendo controlable no sólo el valor medio final. Las siguientes figuras muestran la temperatura del aire a lo largo del tiempo que dura el ensayo.

148

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Temperatura de entrada

º 40,8 40,7 40,6 40,5 40,4 40,3 40,2 40,1 40 39,9 39,8 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Figura 4.13. Temperatura del aire frente al tiempo

Estos datos se registran en un ensayo donde la temperatura se ajusta a 40 ºC. Se observa que en la discrepancia entre temperaturas nunca supera los 0,5 ºC, y la máxima diferencia con el valor de consigna es 0,7 ºC, durante los más de 20 minutos de ensayo.

Temperatura de entrada

º 25,2 25,15 25,1 25,05 25 24,95 24,9 24,85 24,8 0

100

200

300

400

500

Figura 4.14. Temperatura del aire frente al tiempo

149

600

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Los resultados de la figura 4.13 se obtienen de un ensayo en el que se ajusta la temperatura de entrada a 25 ºC. La discrepancia entre sensores es todavía menor, nunca superando los 0,2 ºC, y siendo la diferencia máxima con el valor de consigna en una única medida de 0,15 ºC. Queda por tanto validado la fiabilidad del sistema de medida y control de temperatura. A continuación se muestran algunas de las capturas de pantalla del sistema de adquisición de datos, en los que se aprecia como la temperatura varía desde un estado transitorio hasta su valor estacionario, en la temperatura de entrada.

Figura 4.15. Temperatura de entrada registrada por la adquisición de datos

La figura 4.15 muestra una captura de los valores registrados en los sensores de temperatura de salida.

150

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Figura 4.16. Temperatura de salida registrada por la adquisición de datos

151

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

4.5 ENSAYOS DE CAUDAL

De manera análoga, el control sobre el caudal debe ser preciso, por lo que han de analizarse los ensayos en los que el caudal es fijado por el usuario. Dichos ensayos ajustan el caudal proporcionado por el ventilador al 25%, 50%, 75% y 100% del máximo capaz de proporcionar por el aparato, mediante el variador de frecuencia.

En primer lugar es necesario conocer el valor del caudal que proporciona el ventilador cuando se encuentra funcionando bajo la consigna del 100%. Las condiciones de funcionamiento en que tienen lugar esta serie de ensayos de caudal son las siguientes.



=0 =



El caudal de aire máximo que proporciona el ventilador en dichas condiciones es de aproximadamente 2700 675

/ℎ, 1350

/ℎ, por lo que los valores esperados de caudal son de

/ℎ, 2025

/ℎ, y 2700

/ℎ. La figura 4.17 muestra los valores

obtenidos.

Esperado (

Ensayo

/ )

Obtenido (

= 25%

675

663.81

= 50%

1350

1319.42

= 75%

2025

2018

= 100%

2700

2739.57

Figura 4.17. Valores del caudal de aire obtenidos

152

/ )

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Se observa que como en el caso del control sobre la temperatura, los resultados son precisos y aceptables.

A continuación se estudia la influencia de la temperatura del aire sobre el caudal del mismo. Es de esperar que la temperatura del aire, que influye sobre su densidad, presión y volumen, de lugar a variaciones sobre el caudal de aire. Para analizar este fenómeno se recurre a la serie de ensayos que se estudiaron para analizar el control de temperatura, puesto que son una serie de ensayos en los que se dejan todos los parámetros fijos y se varía la temperatura. En dichos ensayos, el caudal de aire se ajusta al 50%, Siendo esperable un valor máximo del caudal de 2400 esperar que el caudal obtenido sea de 1200

/ℎ, por lo tanto es de

/ℎ. Los resultados obtenidos se muestran

en la figura 4.18.

Temperatura (º )

Caudal (

25

1203.46

30

1179.68

35

1166.29

40

1177.76

45

1143.23

50

1139.35

/ )

Figura 4.18. Valores del caudal de aire obtenidos

Se observa que el caudal que proporciona el ventilador presenta una tendencia descendente conforme aumenta la temperatura del aire que bombea.

153

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Q aire

⁄ℎ 1210 1200 1190 1180 1170 1160 1150 1140 1130 0

10

20

30

40

50

60

º

Figura 4.19. Caudal de aire frente a temperatura del aire

Queda por tanto demostrado que el sistema permite ajustar el caudal al valor deseado, puesto que cuenta con un variador de frecuencia y un caudalímetro. Se procede a continuación a analizar la fiabilidad del caudalímetro.

Para verificar que el caudal obtenido es correcto se lleva a cabo un ensayo en el que éste se mide de dos maneras independientes. Como ya se ha mencionado, el caudal es registrado convencionalmente mediante un caudalímetro de aspas KIMO CP100. En el siguiente ensayo se llevan a cabo una serie de medidas adicionales del caudal a través un caudalímetro de hilo caliente. Este elemento permite tomar medidas de la velocidad del aire en puntos concretos del conducto. Estas velocidades pueden traducirse en medidas de caudal. Una vez obtenidas estas, pueden compararse ambos resultados para tener una idea de la precisión de la medida.

154

CAPÍTULO IV Realización de ensayos



Realización del ensayo

Como se sabe, el perfil de velocidades que presenta el aire en un conducto cilíndrico tiende a proporcionar valores mayores en la parte central del conducto y valores menores en las proximidades del borde.

Figura 4.20. Perfil de velocidades en un conducto

La idea del ensayo, como ya se ha mencionado, es emplear el caudalímetro de hilo caliente para tomar medidas de la velocidad del aire en la entrada a la cámara de ensayo, a diferentes alturas de la tubería entrada. Con estos valores se compondrá el perfil de velocidades del conducto, empleándose éste para calcular el caudal que lo atraviesa.

Los ensayos que se realizan para obtener estos valores se llevan a cabo perforando la superficie del conducto, e introduciendo el caudalímetro de hilo caliente extensible hasta la profundidad en la que se pretenda conocer la velocidad del aire. El diámetro del conducto es de 25 cm, por lo que para tomar una adecuada muestra de valores se llevan a cabo medidas a las profundidades de 4 cm, 8 cm, 12 cm, 16 cm, 20 cm y 24 cm, tomadas éstas desde el punto perforado a través del cual se introduce el caudalímetro.

155

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

4 cm 8 cm 12 cm 16 cm 20 cm 24 cm

Figura 4.21. Puntos de medición de caudal en el conducto

El dispositivo de hilo caliente registra el valor medio del caudal de aire que atraviesa el conducto durante un determinado intervalo de tiempo, en

⁄ℎ . Durante el

ensayo se hará que el dispositivo tome medidas ininterrumpidamente durante intervalos de tiempo no inferiores a 5 minutos, proporcionando al concluir el valor medio de dichas medidas. Los resultados que se muestran a continuación son los obtenidos para las alturas indicadas, y para distintos valores de caudal.

Profundidad (cm)

Q=25%

Q=50%

Q=75%

4

464,8 (

/ℎ)

1031,1 (

/ℎ)

1860 (

8

475,4 (

/ℎ)

1105,9 (

/ℎ)

1988,5 (

12

517,1 (

/ℎ)

1180,0 (

/ℎ)

16

526,4 (

/ℎ)

1141,7 (

20

527,1 (

/ℎ)

24

482,5 (

/ℎ)

/ℎ)

Q=100% 2378,4 (

/ℎ)

/ℎ)

2711,6 (

/ℎ)

2049,3 (

/ℎ)

2853,3 (

/ℎ)

/ℎ)

2047,4 (

/ℎ)

2725,2 (

/ℎ)

1085,1 (

/ℎ)

1962,1 (

/ℎ)

2715,6 (

/ℎ)

982,6 (

/ℎ)

1756,9 (

/ℎ)

2368,1 (

/ℎ)

Figura 4.22. Valores de caudal en cada punto de medición

156

CAPÍTULO IV Realización de ensayos



Análisis de los resultados

Para conocer el valor del caudal total que atraviesa el conducto con exactitud en cada caso puede llevarse a cabo la integral de la velocidad a través de la superficie transversal del conducto que atraviesa, como muestra la expresión 4.2.

=

(Ec. 4.3)

·

Siendo



: caudal de aire que atraviesa el conducto.



: radio del conducto.



: velocidad normal a la sección transversal del conducto.



: área transversal del conducto.

Para poder llevar a cabo esta integral se necesita conocer la expresión que defina la velocidad perpendicular a la sección de la tubería. Los resultados del ensayo permiten conocer fácilmente el valor de la velocidad en los puntos de medida, puesto que en el caso de caudal homogéneo (como es el caso del ensayo, en el que se mide éste en un punto concreto) el caudal responde al indicado en la ecuación 4.4.

=

·

=

=

(Ec. 4.4)

Y por tanto

157

·

(Ec. 4.5)

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

De la anterior expresión se obtienen los valores de las velocidades en cada punto de medida.

Ensayo =

%

=

%

=

%

=

%

Profundidad (cm) 4

0.95

⁄ℎ

2.1

⁄ℎ

3.79

⁄ℎ

4.85

⁄ℎ

8

0.97

⁄ℎ

2.25

⁄ℎ

4.05

⁄ℎ

5.52

⁄ℎ

12

1.08

⁄ℎ

2.4

⁄ℎ

4.18

⁄ℎ

5.81

⁄ℎ

16

1.07

⁄ℎ

2.32

⁄ℎ

4.17

⁄ℎ

5.55

⁄ℎ

20

1.07

⁄ℎ

2.21

⁄ℎ

4

5.53

⁄ℎ

24

0.98

⁄ℎ

2

4.82

⁄ℎ

⁄ℎ

⁄ℎ

3.58

⁄ℎ

Figura 4.23. Velocidades registradas del aire en cada punto

Los valores de la velocidad obtenidos se encuentran en

⁄ℎ

. Estas unidades

son poco ortodoxas, pero son las más útiles a la hora de llevar a cabo los cálculos venideros, ya que con estos valores pueden establecerse curvas polinómicas de segundo grado para la velocidad en función de la profundidad, que permitan integrarla a través de la sección del conducto directamente. Si se pasasen estas velocidades a

⁄ serían

necesarias nuevas transformaciones para poder llevar a cabo el proceso de integración.

Es por tanto una cuestión de economía de esfuerzo el que permanezcan de este modo.

Las curvas obtenidas se muestran en la figura 4.24.

158

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

⁄ℎ 7 6 5 4 3 2 1 0 0

5

10

15

20

25

30

Figura 4.24. Curvas de velocidad del aire

Siendo las ecuaciones de las curvas las siguientes.

= −0.0091

+ 0.253 + 4.021

(Ec. 4.6)

= −0.0051

+ 0.135 + 3.317

(Ec. 4.7)

= −0.0032

+ 0.0847 + 1.807

(Ec. 4.8)

= −0.0011

+ 0.0351 + 0.804

(Ec. 4.9)

Estas expresiones son ecuaciones cuadráticas en función de la distancia al borde superior del conducto. Definiendo un diferencial de superficie en función de ese parámetro se podrá realizar la integral de la velocidad a través de dicha superficie.

159

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

v

x

R x

r

dx

Figura 4.25. Diferencial de superficie del conducto

Este tipo de diferenciales de superficies circunferenciales se suelen definir fácilmente en función de la distancia al centro r, de acuerdo a la expresión 4.10.

=2

·

(Ec. 4.10)

Sin embargo, en este caso hay que tener en cuenta en primer lugar que la velocidad no se encuentra definida en función de la distancia al centro r, si no que lo está en función de la distancia al borde del conducto x. Es por esto que el diferencial de superficie debe expresarse de acuerdo a la ecuación 4.11.

160

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

=

− ⇒

=

−

⇒

=2 ( − )·

(Ec. 4.11)

Por tanto, el caudal se calcula de la manera indicada en la ecuación 4.12.

=

2 ( − )· ( )·

(Ec. 4.12)

Esta expresión es adecuada para integrar la velocidad cuando el caudal varía en función de la distancia al centro del conducto, y por tanto presenta el mismo valor en puntos equidistantes del centro. Esto es lo que se supone que debe ocurrir en el caso que se está estudiando, donde el caudal atraviesa un conducto cilíndrico. No obstante, y como muestran los resultados, no siempre el máximo valor de la velocidad se encuentra en el centro y el perfil de velocidades no es simétrico, y pueden encontrarse perfiles más próximos a los de la figura 4.26.

v

x

Figura 4.26. Perfil de velocidades en un conducto.

La expresión 4.12 integra la velocidad en la primera mitad del conducto; el semicírculo que va desde el extremo del conducto ( = 0) hasta el centro ( = ), y

161

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

después la multiplica por dos. Con los perfiles obtenidos en el ensayo por tanto el resultado será más exacto considerando la superficie dividida en dos mitades e integrando la velocidad en cada una de ellas independientemente.



Primera mitad

v

x x

Figura 4.27. Integral de caudal en la primera mitad del conducto

En este caso el diferencial de superficie queda definido del modo que reflejado en la expresión 4.13.

162

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

= ( − )·

(Ec. 4.13)

Se calculará el caudal como se muestra en la expresión 4.14.

= 

(Ec. 4.14)

( − )· ( )·

Segunda mitad

v

x x

x R r

Figura 4.28. Integral de caudal en la segunda mitad del conducto

163

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

En este caso, el diferencial de superficie se define tal como se muestra en la ecuación 4.15.

=

+ ⇒

=

−

= ( − )·

⇒

(Ec. 4.15)

Por tanto

=

( − )· ( )·

De modo que el caudal total será la suma de

=

+

=

La velocidad

( − )· ( )·

+

(Ec. 4.16)

y

( − )· ( )·

(Ec. 4.17)

( ) es una expresión polinómica de segundo grado definida

anteriormente, por lo que presenta la forma de la ecuación 4.18.

( )=

+

+

(Ec. 4.18)

Por tanto, los caudales se calculan desarrollando las anteriores integrales, de acuerdo a la expresión siguiente.

164

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

( − )·(

= =

[ (

+

+ )− (

=

[ (

+

+ )−(

=

(−

+(

− )

= (−

4

+(

− )

3

+ )·

+

+ )] ·

+ +

+(

+(

=

+

)] ·

− ) + − )

=

)·

=

=

+

2

(Ec. 4.19)

= /2 = 25/2 = 12,5

Con x variando entre 0 y , siendo

( − )·(

= =

[ (

=

[(

=

(

= (

4

+ +( − +( −

) )

3

+ )] ·

+

+( − +( −

+ )] ·

+

)− (

+

+ )·

+

+ )− (

+

) − )

.

2

)·

−

(Ec. 4.20)

Con x variando entre

y 2 , siendo

= /2 = 25/2 = 12,5

165

y 2 = 25

.

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Recapitulando

= (−

= (

+(

− )

+( −

)

4

4

3

+(

− )

+( −

)

3

2

2

+

−

;

;

[0, 12,5]

(Ec. 4.21)

[12,5 25]

(Ec. 4.22)

Se obtienen de acuerdo a estas expresiones los siguientes valores del caudal.



%

= 479.96



%

= 1038.42



%

= 1865.7



%

= 2476.39

⁄ℎ ⁄ℎ ⁄ℎ ⁄ℎ

Los resultados obtenidos por el sistema de adquisición de datos son los siguientes.

⁄ℎ



%

= 557.02



%

= 1199.09

⁄ℎ



%

= 1792.87

⁄ℎ



%

= 2412.18

⁄ℎ

166

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Con estos datos puede componerse la tabla de la figura 4.28.

Ensayo

Q medido (

⁄ )

Q ensayado (

⁄ )

Desviación

= 25%

557.02

479.96

-13.84 %

= 50%

1199.09

1038.42

-13.4 %

= 75%

1792.86

1865.7

4.06 %

= 100%

2412.18

2476.39

2.66 %

Figura 4.29. Comparación de caudales teóricos y medidos

Se observa que comparando los valores del caudal medido en condiciones normales de funcionamiento y el del caudal obtenido en el ensayo de validación se aproximan conforme aumentan. Presentan una cierta entre los valores bajos de caudal y los altos; para los casos en que se programa un caudal del 25% y el 50% la desviación entre mediciones ronda el 13%, y sin embargo desciende hasta el 4% para el caso en que se programa un valor del 75% y al 2,7% para el caso de máximo caudal. Los resultados son congruentes, dado que cuanto menor sea el valor del caudal mayores serán las fluctuaciones del mismo a través del conducto y más difícil será calcular su valor, y con todo no es una desviación exagerada. El desvío medio teniendo en cuenta la totalidad de las medidas es de un -5.13% Se concluye por tanto que el sistema es capaz de medir y controlar el caudal de manera satisfactoria.

167

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

4.6 VERIFICACIÓN DE CONDENSADOS

Se llevan a cabo una serie de ensayos que permitan estudiar el proceso de condensación durante el funcionamiento del banco de pruebas. Es misión del banco controlar la temperatura del entorno de funcionamiento del dispositivo aerotérmico.

Para ello se dispone del sistema de calentamiento y el sistema de refrigeración, que calibran la temperatura del aire de entrada a la zona de ensayos. Durante el proceso de enfriamiento es posible que la baja temperatura del conducto que atraviesa el agua de refrigeración haga que parte de la humedad del aire que se está refrigerando se condense.

Se diseña el siguiente ensayo con objeto de cuantificar el nivel de condensados en diferentes condiciones de funcionamiento.



Realización del ensayo

El sistema de refrigeración consiste en una serie de conductos a través de los que se bombea agua fría; siendo el bombeo y la temperatura del agua controlados a través de un circuito accionado mediante un dispositivo disponible en el laboratorio, y haciéndose pasar el agua a través de un conducto espiral que se encuentra en el camino del aire.

168

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Pueden observarse las mangueras de alimentación que llegan a la parte superior del conducto espiral, en la entrada y la salida del mismo, cerrando el circuito de refrigeración. Estas mangueras conectan con grifos que permiten regular el caudal de entrada en el serpentín.

El aire de entrada a la zona de ensayo se hace pasar a través del serpentín, enfriándose por efecto del agua. Cuando la temperatura del agua es suficientemente baja, se produce la condensación de parte de la humedad que contiene el aire que se está enfriando. Es por tanto necesario diseñar un mecanismo de recogida si se desea cuantificar la cantidad de agua que se condensa durante el proceso.

Figura 4.30. Sistema de refrigeración

La cantidad de condensado que se produce es en principio relevante, puesto que contiene energía térmica que hay que cuantificar para mayor exactitud de los balances de potencias. Los caudales se establecen del siguiente modo que se muestra en la figura 4.31.

169

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Figura 4.31. Caudales de condensado y aire

De acuerdo al principio de continuidad, se obtiene la expresión 4.23.

=

+

(Ec. 4.23)

Se ha de fabricar un mecanismo que permita recoger y cuantificar la cantidad de condensado que se produce durante el proceso de refrigeración. El serpentín que actúa como conducto para el refrigerante se encuentra suspendido en un punto del circuito en el que el aire pasa a través de él. La humedad del aire se irá condensando sobre la superficie del conducto que forma el serpentín formando gotas cada vez mayores que caerán cuando el tamaño de éstas sea suficientemente grande.

170

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Figura 4.32. Condensación en el serpentín de refrigeración

Figura 4.33. Condensación en el serpentín de refrigeración

171

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Se opta por instalar una bandeja bajo el mismo, capaz de recoger el condensado. La bandeja ha de disponer de un conducto que lleve el condensado hasta un recipiente para poder proceder a su medición.

Con materiales disponibles en el laboratorio se construye la bandeja que se muestra en la figura 4.34.

Figura 4.34. Bandeja de condensados

La bandeja se atraviesa con una herramientas de perforación circular del laboratorio, dando lugar a un hueco del diámetro de la manguera que servirá para conducir el condensado a un recipiente. La manguera se fija a la bandeja mediante silicona, y se asegura mediante cinta adhesiva y una abrazadera metálica.

172

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Figura 4.35. Bandeja de condensados con manguera de conducción

La bandeja se dispone bajo el serpentín, mediante un soporte que fuerce al aire a pasar a través del mismo.

173

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Se observa que el soporte de la bandeja está sujeto a la estructura del armazón que sujeta el serpentín. Los ensayos iniciales demostraron que en condiciones de caudal de aire elevado tanto el soporte como la bandeja eran arrastrados y derribados, por lo que el ensayo quedaba invalidado.

Durante el ensayo la cámara que contiene al serpentín se encuentra cerrada, por lo que el soporte cubre la totalidad del espacio bajo el conducto espiral. El aire se ve forzado a pasar a través del serpentín, favoreciendo el proceso de refrigeración.

La manguera conecta la bandeja con un recipiente de modo que conforme la humedad del aire va condensando, cae a través del hueco de la bandeja hacia el susodicho. La manguera es el único elemento que atraviesa la pared de la cámara de ensayo.

Figura 4.36. Sistema de recogida de condensados implementado

La manguera atraviesa la cámara de ensayos conectando la bandeja con un recipiente dispuesto para recoger y medir los condensados.

174

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Figura 4.37. Recipiente de recogida de condensados

El ensayo consiste en poner a funcionar el ventilador, forzando al aire a pasar a través del serpentín con la refrigeración funcionando, como se ha indicado anteriormente. Una vez concluido el ensayo, se pone el recipiente de condensados sobre una báscula de precisión y se pone ésta a cero. A continuación se retira el recipiente, por lo que la báscula ofrecerá una medida negativa que será el peso de condensado y recipiente. A continuación se pesa el recipiente vacío, obteniéndose de éste modo la cantidad de condensado.

Se llevan a cabo dos ensayos, ajustando en ellos el caudal al 20% en el variador de frecuencia, y la temperatura del agua de refrigeración a 5 ºC. En el primero de los ensayos se ajusta el caudal de agua de refrigeración a 200 1000

/ y en el segundo a

/ . La duración de los ensayos es de 2 horas para cada uno. En la tabla de la

figura 4.37 se muestran los resultados obtenidos para los parámetros más relevantes durante la realización de los mismos. Dichos parámetros han de verificar si el banco de

175

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

ensayos permite conocer la cantidad de condensado que se produce durante el funcionamiento del mismo.

(%)

Ensayo

(%)

(

⁄ )

º

= 200

/

0.00842

0.0084

546.82

5.51

= 1000

/

0.00878

0.00871

539.92

4.49

Figura 4.38. Parámetros relevantes obtenidos en los ensayos de condensación

Siendo



: ratio de humedad a la entrada.



: ratio de humedad a la entrada.



: caudal de aire.



: temperatura del condensado.

La cantidad de condensado obtenida en cada uno de los ensayos es la siguiente.



= 200



= 1000

/ : 175 ml de condensado. / : 195 ml de condensado.

176

CAPÍTULO IV Realización de ensayos



Análisis de los resultados

Los resultados obtenidos permiten calcular la cantidad teórica de condensado que se debería obtener. Los parámetros principales de trabajo se muestran en la figura siguiente.

Figura 4.39. Esquema de parámetros significativos para cálculo de condensados

Se conocen los ratios de humedad a la entrada y a la salida de la zona de refrigeración puesto que han sido calculados a partir de las humedades registradas por los sensores a la entrada y a la salida de la zona de refrigeración, mediante procedimientos anteriormente expuestos. Los ratios de humedad expresan la cantidad de vapor de agua contenido en el flujo de alimentación con respecto a la cantidad de aire seco, en términos másicos.

=

/

177

(Ec. 4.24)

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

Conociendo estos ratios tanto a la entrada y a la salida puede averiguarse la diferencia entre el vapor de agua existente entre ambos puntos. Lógicamente, es de esperar que esta diferencia se haya condensado en forma de agua líquida, haya sido recogida en la bandeja de condensado y trasladada hasta el recipiente de medida.

La diferencia entre ratios de humedad entre la entrada y la salida ha de ser la diferencia entre las masas de vapor de agua entre ambos puntos con respecto al aire seco; y por tanto, la diferencia entre caudales másicos con respecto a dicho aire seco.

−

−

=

=

̇

− ̇

̇

(Ec. 4.25)

Se necesita conocer el caudal másico de aire seco para despejar la diferencia entre caudales másicos de vapor de agua entre la entrada y la salida de la zona de refrigeración.

El caudal másico de aire seco se supone invariable entre la entrada y la salida de la zona de refrigeración, ya que es una zona cerrada, haciendo válida la expresión anterior.

El dato del caudal másico total en la zona de entrada es conocido, puesto que es calculado a partir de la medida del caudal de aire, registrada por el caudalímetro, mediante procedimientos anteriormente explicados. Conocido este valor y el del ratio de humedad puede despejarse el caudal de aire seco, como demuestra el siguiente desarrollo.

̇

=

= ̇

=

̇

̇

+ ̇

⇒ ̇

178

(Ec. 4.26)

=

· ̇

(Ec. 4.27)

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

̇

= ̇

+

· ̇

= (1 +

) ̇

⇒ ̇

=

̇ (1 +

)

(Ec. 4.28)

Esta expresión proporciona los siguientes caudales másicos de aire seco.



= 200

/ : 614,16 kg/h



= 1000

/ : 606.41 kg/h

Estos resultados permiten conocer el caudal másico de condensado que teóricamente debería producirse.

̇

= ̇

·(

−

)

(Ec. 4.29)

Los resultados obtenidos son los siguientes.



= 200



= 1000

⁄ : 0.0077 / ∶ 0.055

⁄ℎ /ℎ

El ensayo había proporcionado la siguiente cantidad de condensado.



= 200



= 1000

/ ∶ 175 ml de condensado. ⁄ : 195 ml de condensado.

A continuación se calculan los caudales másicos, de acuerdo a la expresión 4.30.

179

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

·

̇ =

(Ec. 4.30)

Siendo



: volumen de agua condensada.



: densidad del agua.



: duración del ensayo.

Por tanto



= 200



= 1000

/ : ̇ = (0,108 · 1

/ )/2 ℎ = 0,054

/ : ̇ = (0,176 · 1

/ )/2 ℎ = 0,088

/ℎ /ℎ

Estos resultados no coinciden con los resultados de condensado obtenidos en el ensayo, siendo mayores en ambos casos. Abordando el origen de esta diferencia, el principal motivo que cabe suponer es la medida de la humedad. Una variación pequeña en la medida de la humedad probablemente influya significativamente en el ratio de humedad, influyendo éste a su vez en la medida del caudal másico de condensado.

Efectivamente, recalculando los caudales másicos mediante tanteo variando la humedad, se obtiene que para lograr los caudales másicos anteriores, obtenidos durante los ensayos, llega con aumentar la medida que el sensor de humedad proporciona en la entrada a la zona de refrigeración un 0,89% en el primer ensayo y un 0.61% en el segundo. Estas variaciones son demasiado pequeñas, y se encuentran dentro del margen de error del sensor de humedad. Se concluye por tanto que debido a que variaciones tan pequeñas, y por tanto fuera del control del usuario, tienen un efecto tan grande sobre el

180

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

cálculo de la cantidad de condensado, el equipo no es adecuado para estimar de manera razonable dicho caudal másico producido durante los ensayos. Por otra parte, estos ensayos demuestran también que la diferencia entre las potencias cedidas por el aire, teniendo en cuenta el condensado, y sin tenerlo en cuenta son inferiores al 2%, por lo tanto se concluye también que la cantidad de vapor de agua que se condensa durante los ensayos no es relevante a la hora de conocer la potencia cedida por el aire.

181

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

182

CAPÍTULO V

CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

CAPĂ?TULO V Conclusiones y trabajos futuros

184

CAPÍTULO V Conclusiones y trabajos futuros

5.1 CONCLUSIONES En este apartado se resumen las principales conclusiones que se extraen del presente proyecto.

De la infraestructura experimental desarrollada



El banco de ensayos posee diversos componentes que permiten el control y regulación de las condiciones de funcionamiento en un amplio rango de operación.



La instalación experimental ha sido dotada de un sistema de adquisición que permite la monitorización en tiempo real y el guardado de datos de temperatura, caudal y humedad relativa, para su posterior análisis.



El banco de ensayos diseñado y construido permite la caracterización de los procesos de transmisión de calor y variación de humedad.



El banco de ensayos permite generar un entorno de funcionamiento en el que el usuario es capaz de establecer las condiciones ambientes del mismo, controlando la temperatura del aire y el caudal del mismo.

Del análisis experimental



El protocolo elaborado para la realización de ensayos de evacuación del sistema ha resultado adecuado para la obtención de datos experimentales de operación estables con suficiente redundancia.



El estudio experimental del sistema de generación, realizado en el banco de ensayos, ha permitido determinar los valores de los principales parámetros energéticos con el sistema funcionando en su régimen normal de trabajo, y

185

CAPÍTULO V Conclusiones y trabajos futuros

analizar el efecto que la variación de las condiciones de operación tiene sobre dichos parámetros.

Del análisis de resultados



El perfil de velocidades en el interior del conducto de las tuberías del circuito presenta una forma más combada y próxima a la teórica conforme mayor es el valor del caudal de alimentación. Así mismo, la precisión en la medida de dicho caudal también aumenta conforme crece el valor del mismo.



Como es lógico, la potencia cedida por el aire y la disipada por el agua aumentan conforme se incrementa el valor de la temperatura del aire de alimentación o el caudal de agua de refrigeración. Dichos aumentos influyen en una distribución de temperaturas del caudal de aire más diferenciada de unos puntos a otros, como recogen las lecturas.



La humedad del aire tiene una influencia muy significativa en el rango de potencias realtivamente pequeñas en los que se mueven los dispositivos que deben ser analizados en el futuro. Se recomienda una medida de mayor precisión de la misma, ya sea mediante sensores más precisos o instalando un mayor número de ellos, de modo que puedan recogerse un mayor número de lecturas con las que establecer una media de la humedad más precisa, como se hace con la temperatura del aire.

186

CAPÍTULO V Conclusiones y trabajos futuros

5.2 TRABAJOS FUTUROS

La construcción del banco de ensayos tiene como objetivo servir como base para el análisis de diversos dispositivos aerotérmicos. Las bombas de calor se conciben desde el principio como el principal objeto de análisis del banco de ensayos, por lo que es de esperar que su estudio sea una parte fundamental del trabajo que se lleve a cabo en adelante. A día de hoy, ya se han llevado a cabo procesos de análisis de bombas de calor de modo satisfactorio.

187

CAPĂ?TULO V Conclusiones y trabajos futuros

188

CAJAS DE VENTILACION A TRANSMISIÓN de simple oído

Serie CVST Cajas de ventilación para trasegar aire a 400ºC/2h, fabricadas en chapa de acero galvanizado, aislamiento termoacústico de melamina, ventilador centrífugo de simple aspiración con rodete de álabes hacia adelante

Homologados según norma EN12101-3

equilibrado dinámicamente, montado sobre silent-blocks y junta flexible a la descarga, accionado a transmisión con motor trifásico, IP55.

Motores Pueden equipar motores de 0,25 a 22 kW. Montados sobre voluta, hasta 2,2 kW. El resto, sobre bancada.

Tensión de alimentación Trifásicos 230/400V-50Hz hasta 3 kW

400V-50Hz, para potencias

superiores

(Ver cuadro de características).

Otros datos Suministro standard con transmisión motor a la izquierda visto desde la boca de impulsión.

Posición a la derecha, bajo demanda.

Suministro standard con descarga horizontal. pedido (versiones CVST-V).

Modelos con paneles de doble pared, tipo sandwich, y aislamiento termoacústico (M0)

CVST

(versiones CVST-H). Descarga vertical bajo

de fibra de vidrio de 25 mm de espesor, bajo P

L

Naves Almacenes

I

C

A

C

I

Talleres

Boca de descarga vertical

O

N

E

demanda.

S

Locales comerciales

Bajo nivel sonoro

Oficinas

Hostelería

Junta flexible de descarga

Parkings

Cocinas

Robustez

Soportes antivibratorios

Modelos de descarga vertical,

El aislamiento con espuma de

La junta flexible en la descarga Acabados de calidad, con

El ventilador se apoya sobre

bajo demanda

melamina reduce sensiblemen-

absorbe las vibraciones

cantoneras de aluminio, que

soportes con silent-blocks

proporcionan gran robustez

para reducir el nivel de ruido

te el nivel sonoro

Cajas de ventilación

A

567

Características técnicas Es imprescindible comprobar que las características eléctricas (voltaje, intensidad, frecuencia, etc.) del motor que aparecen en la placa del mismo son compatibles con las de la instalación.

Potencia motor (kW)

Modelo Mínima

CVST 9/4

Máxima (versión 400ºC/2h)

0,25

Revoluciones ventilador (r.p.m.)

Máxima (sólo versión estándar)

2,2

Peso con el motor de máxima potencia (Kg)

Mínima

Máxima (versión 400ºC/2h)

Máxima (sólo versión estándar)

2,2

1200

2500

2500

49

CVST 10/6

0,37

2,2

3

1200

1850

2000

54

CVST 12/6

0,55

3

4

800

1800

2000

85

CVST 15/8

0,75

3

4

600

1200

1500

106

CVST 18/8

1,1

7,5

7,5

700

1200

1400

125

CVST 20/10

2,2

11

11

500

1300

1400

235

CVST 22/11

2,2

18,5

18,5

500

1200

1400

273

CVST 25/13

3

22

22

400

1000

1100

305

CVST 30/14

4

22

22

300

600

600

398

*

Con el motor más potente

Relación de potencias de motores (kW) para la Serie CVST 1 VELOCIDAD 2 VELOCIDADES

4 POLOS

0,25

4/6 POLOS 0,25/0,09 4/8 POLOS

0,25/0,06

0,37

0,55

0,75

1,1

1,5

2,2

3

4

5,5

7,5

11

15

18,5

22

-

-

0,7/0,2

0,85/0,25

1,4/0,5

2,4/0,75

3,4/1,1

4/1,2

6,3/1,9

9/3

11/3,7

15/5

18,5/6,5

22/7,5

0,37/0,07

0,55/0,09

0,75/0,12

1,1/0,18

1,5/0,25

2,2/0,37

3/0,55

4/0,75

5,5/1,1

7,5/1,5

11/2,8

15/3,8

18,5/4,8

22/5,3

Cajas de ventilación

CVST

Dimensiones (mm)

568

Modelo A 9/4 H 483 9/4 V 483 10/6 H 554 10/6 V 554 12/6 H 554 12/6 V 554 15/8 H 605 15/8 V 605 18/8 H 675 18/8 V 675 20/10 H 775 20/10 V 775 22/11 H 850 22/11 V 850 25/13 H 900 25/13 V 900 30/14 H 950 30/14 V 950 H: Impulsión Horizontal; V:

B C 800 554 800 554 850 605 850 605 950 675 950 675 1018 775 1018 775 1250 900 1250 900 1350 1140 1500 1018 1500 1250 1600 1086 1600 1350 1800 1190 1900 1600 2000 1390 Impulsión Vertical.

D 152 152 208 208 208 208 258 258 268 268 333 333 368 368 423 423 463 463

E 260 260 289 289 341 341 403 403 479 479 626 626 697 697 794 794 945 945

F 96 96 94 94 82 82 88 88 88 88 137 137 161 161 122 122 150 150

G 289 311 311 341 333 381 307 431 389 505 475 678 478 718 486 788 648 899

H 248 268 266 296 302 337 343 379 395 447 491 562 529 612 593 669 696 792

I 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40

J 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30

K 250 250 275 275 325 325 402 402 470 470 560 560 614 614 699 699 797 797

L 1510 1660 1660 1760 1760 1960 2060 2160

M 80 80 80 80 80 80 80 80

Curvas características – Q = Caudal en m3/h y m3/s.

– Pe = Presión estática en mm.c.d.a y Pa. – Aire seco normal a 20°C y 760 mm c.d.Hg. – Ensayos realizados de acuerdo a Norma ISO 5801 y AMCA 210-99.

Cajas de ventilación

CVST

Sólo versión estándar no certificada 400°C/2h

Para obtener el espectro de potencia sonora (dB(A)) por banda de frecuencia, restar del nivel de potencia sonora dado en las curvas características, los valores de la tabla siguiente:

Elección del motor: para determinar la potencia del motor a instalar, multiplicar la potencia absorbida leída en la gráfica por un coeficiente de 1,15.

572

Características Estándar: • Motores Trifásicos, IP55 (IEC-34), TCVE • Tensiones Nominales: 220/380V hasta carcaza 100, 380/660V carcaza 112 arriba, 240/415V o 415V • Formas contructivas: B3I • Carcasa de Hierro Gris (63 hasta 355M/L) • Potencias: 0,16 hasta 500Hp • Rotor de jaula de Ardilla/Aluminio Inyectado • Sello V’Ring en las tapas • Drenos automáticos de plástico • Chapa de identificación en acero inoxidable • Diseño / Categoría N • Clase de Aislamiento “F” ( ∆T=80K) • Servicio Continuo - S1 • Factor de Servicio (Fs): 1.0 • Temperatura Ambiente 40°C , 1000 a.d.n.m.

• Sistema de reengrase para carcasas 225S/M y superiores • Placa de Conexiones (6 terminales) • Termistores PTC (1 por fase) para carcasas 225S/M y superiores • Apto para operar con drives(1) • Pintura: RAL 5007 (azul) Plan de pintura 201 (1)

Para tensiones hasta 460V y rango de frecuencias desde

25 hasta 50Hz, pero el ∆T cambia de 80K para 105K

Opcionales Disponibles:

Aplicaciones Típicas:

• Grado de Protección: IP56 o IP65

• Bombas

• Sello de los Rodamientos:

• Ventiladores

- Lip seal

• Chancadores

- Oil seal

• Cintas transportadoras

- Laberinto Taconite para carcasas

• Máquinas de Herramientas

132S y arriba • Protección Térmica:

• Molinos • Máquinas Centrífugas

- Termistores: carcasas 132M y arriba

• Prensas

- Termostatos

• Ascensores

- RTD-PT 100

• Telares

• Resistencias de calefacción

• Rectificadoras

• Diseño H

• Madereras

• Aislación Clase “H”

• Refrigeración

• Rodamientos de rodillos para carcasas

• Equipos de Empaquetamiento

160M y arriba • Otras Formas Constructivas • Otros opcionales más, bajo consulta

• Otras Aplicaciones Severas

Motores Trifásicos Cerrados - W21 Eficiencia Estándar - Datos Mecánicos A

AA

AB

AC

AD

B

BA

BB

C

CA

63 71 80 90S 90L 100L 112M 132S 132M 160M 160L 180M 180L 200L 200M

100 112 125

21 30 35

116 132 149

125 141 159

119 127 136

80 90

22 38 40

40 45 50

78 88 93

140

38

164

179

155

160 190

49

188 220

199 222

165 184

216

51

248

270

212

254

64

308

312

255

279

80

350

358

275

318

82

385

396

300

95 113.5 125.5 131 156 173 177 187 225 254 298 294 332 370 332

356

80

436

476

225S/M

373 250S/M

406

506

476

280S/M

457

557

600

468

315S/M

508 120 628

600

497

100

355M/L

610 140 750

816

685

100 125 140 178 210 254 241 279 305 267 286

42 50 55 65 75 85

56

104

63 70

118 128

89

150

108

174

121

200

133

222

105

391

149

138

449

168

142

510

190

152

558

216

311 349 368 419 406 457 560 630

200

760

254

280 255 312 274 350 299 376 325 467 397

D 11j6 14j6 19j6

DA 9j6 11j6 14j6

DIMENSIONES DEL EJE EA ES F FA G 20 14 4 3 8.5 23 18 5 4 11 30 28 6 15.5 36 5 20 40 36 50 8 6 50 45 24 60 8 80 60 63 10 33

E 23 30 40

GB GD GF 7.2 4 3 8.5 5 4 11 6 5 13 7 18.5 6 20 7 24 8 37 37 8

H

HA

HC

63 71 80

8 12 13

124 139 157

HD

K

L

216 248 276 10 304 90 15 177 24j6 16j6 329 22j6 100 16 198 376 28j6 24j6 112 18.5 235 280 393 12 452 38k6 28j6 132 20 274 319 490 598 42k6 42k6 12 12 160 22 317 370 642 14.5 664 80 14 48k6 42.5 9 180 28 360 413 702 48k6 110 110 14 42.5 9 767 200 30 402 464 729 55m6 16 49 10 18.5 55m6 100 16 49 10 225 34 466 537 817 53

60m6

491 562 42

18 65m6

250

60m6 140 140 125

58 18

11 53

7

280

LC

d1

Rodamientos delantero trasero EM3 6201 ZZ EM4 6203 ZZ 6202 ZZ DM4 6204 ZZ 6203 ZZ d2

241 EM4 276 DM5 313 DM6 350 DM8 DM6 6205 ZZ 375 431 6206 ZZ DM10 DM8 448 6307 ZZ 519 DM12 DM10 6308 ZZ 557 712 6309 C3 756 DM16 782 6311 C3 820 880 6312 C3 842

6204 ZZ 6205 ZZ 6206 ZZ 6207 ZZ 6209 Z-C3 6211 Z-C3 6212 Z-C3

935

923 1071 DM20

24 578 668

6314 C3

1036 1188

11

58

315

52

613 703

1126 1278 28

75m6

20

67.5

12

355

50

725 834

1396 1561

Notas: - Dimensiones en mm.

- En los tamaños arriba de 280S/M la medida “H” tiene una tolerancia de -1mm - Los datos arriba expuestos para tamaño 355M/L son para aplicaciones horizontales de acoplamiento con cargas normales - En caso de la aplicación vertical o acoplamiento con cargas especiales el cliente deberá entrar en contacto con el fabricante.

- Las informaciones contenidas en esta hoja están sujetas a modificaciones sin previo aviso. Para valores garantizados remitirse a la fábrica.

6316 C3

Motores W21

Carcaca

Motores Trifásicos Cerrados - W21 Eficiencia Estándar - Datos Mecánicos Brida “C” DIN

Motores W21

Carcasa

DIMENSONES DE LA BRIDA TIPO “C” DIN Brida

M

N

63

C-90

75

71

C-105

85

80

C-120 C-140

90S 90L 100L 112M 132S 132M

P

S

60

90

M5

70

105

100

80

120

115

95

140

T

130

110

160

C-200

165

130

200

Cantidad de Agujeros

45°

4

2.5

M6 3 M8

C-160

θ

3.5 M10

Brida “FF” DIMENSONES DE LA BRIDA TIPO “FF” Carcasa

Brida

63

FF-115

71

FF-130

LA 9

M

N

P

115

95

140

130

110

160

S 10

80 90S

FF-165

10

165

130

200

FF-215

11

215

180

250

FF-265

12

265

230

300

300

250

350

350

300

400

FF-400

400

350

450

FF-500

500

450

550

FF-600

600

550

660

12

T

θ

Cantidad de Agujeros

45°

4

22°30’

8

3

3.5

90L 100L 112M 132S 132M

15

4

19

5

160M 160L 180M

FF-300

180L 200L 200M 225S/M 250S/M 280S/M 315S/M

FF-350

355M/L

FF-740

315B

FF-600

18

22

740

680

800

600

550

660

24

6

Notas: - Dimensiones en mm.

- Las informaciones contenidas en esta hoja están sujetas a modificaciones sin previo aviso.

Para valores garantizados remitirse a la fábrica.

16

A2000 Multifunctional Power Meter 3-348-980-03 17/1.10

•

Measurement of current, voltage, active, reactive and apparent power, power factor, active and reactive energy, harmonic distortion and harmonics

•

Precision measured values with error limits of 0.25% for U and I

•

Depending upon model, capable of communications with ProfibusDP, LONWORKS interface or RS 485 interface with Modbus RTU and other protocols

•

Front panel dimensions: 144 x 144 mm

•

Minimal installation depth of less than 60 mm

•

Good legibility thanks to the high contrast, 14 mm LED display

•

Continuous recording of selected measured values for load profile and statistical purposes (optional)

•

Interference recording function with high speed recording of events and pre-event history (optional)

QUALITY MANAGEMENT SYSTEM

•

Electrically isolated current inputs

•

Two limit value contacts which can be assigned as desired to measured values DQS certified per DIN EN ISO 9001 Reg. No.1262

Applications The measuring instrument is used for the analysis of alternating current systems, in particular where conventional analog measuring instruments included in distribution systems no longer fulfill continuously growing demands. This is especially applicable where harmonic distortion and harmonics are crucial in addition to current, voltage and power.

As a further range of applications, the meter is also capable of eliminating combined use of measuring instruments which are operated simultaneously along with conventional recorders and fault indicators. In combination with current and voltage transformers, the instrument performs the most important measurements required in low and medium-voltage systems.

Analog outputs, limit values and interfaces are available for the monitoring and processing of measured values. A time curve is simultaneously recorded for up to 12 measured values in a failsafe system if the instrument version with integrated memory is utilized. Important measured values can be monitored continuously over a long period of time, or recording can be triggered for a specified duration by an event. In the case of event controlled recording, it is also possible to record the pre-history which lead up to the event at the same speed. This provides the user with a comprehensive overview of the pre-history which has resulted in an error. The instrument thus fulfills the function of a fault recorder significantly better than conventional paper chart recorders.

GMC-I Messtechnik GmbH

Applicable Regulations and Standards IEC/EN 61010-1 / VDE 0411 Part 1

Safety requirements for electrical equipment for measurement, control and laboratory use

DIN 43864

Current interface for pulse transmission between impulse meters and tariff devices (for pulse output)

DIN EN 61326 VDE 0843 Part 20

Electrical equipment for measurement, control and laboratory use – EMC requirements

IEC/EN 60529/VDE 0470 Part 1 Protection provided by enclosures (IP code)

Function and Operational Principle The measuring instrument acquires instantaneous values for starconnected voltages and currents at three-phase electrical systems. If no neutral is available, the instrument automatically creates a virtual neutral point. The speed at which measured values are logged depends upon the respective line frequency. Each measured value is updated 32 times per period, which allows for the acquirement of measuring signals of up to the 15th harmonic.

After these values have been stored to memory, analysis and calculation of data such as delta and star-connected currents and voltages begin, as well as the determination of parameters for power, power factor, energy, harmonic distortion and harmonics.

The values are calculated in accordance with DIN 40110 Part 1 and 2.

All calculated values are available to the display, the serial interface, the analog outputs and the limit value monitoring system.

A2000 Multifunctional Power Meter Data Storage Up to 12 measured values can be selected for storage to memory. The measuring instrument acquires these measured values once every 300 ms and stores them first to intermediate memory.

These values are then averaged in accordance with the selected sampling rate and are stored to permanent memory as mean values. The sampling rate is adjustable from 300 ms to max. 24 hours. Recording is triggered by means of internally selected limit values. The duration of the recording can be set within a range of 1 minute to 31 days. Several events can thus be stored to memory, one after the other. The trigger level which starts the recording can be set to either 0%, 25%, 50% or 75% for the duration of any given recording. This provides the user with an overview of the pre-history of the event which triggered recording, including time and date.

Continuous recording is also possible.

The memory has a capacity for up to 250,000 values. The maximum possible duration of a recording depends upon the number of recorded measured values (1 to 12), and the sampling rate at which they are to be recorded (0.3 s to 24 h).

The memory module is a buffered CMOS RAM. Data integrity is assured for at least 8 years.

Representation of Values for Power and Power Factor According to the Selected Parameters Configuration DIN = calculation of reactive power per DIN 40110 without + or – sign Q=

S2 – P2 0

PF = cap

PF = ind P=– P=+ Q=+ Q=+

1

EP– EQ–

2. Q 1. Q

EP+ EQ+

EP– EQ–

3. Q 4. Q

EP+ EQ+

PF = ind

P=– P=+ Q=+ Q=+

1

PF = cap

0

Sign= calculation of reactive power with + or – sign 1 Q = -----TN

TN



 u  t   i  t – -----4- dt TN

0

Safety Impedance

PF = ind

Mux

ADC

CPU 16 Bit

LON (alternative to RS-485 and Profibus-DP)

12 Bit

1

Profibus-DP

I1 Current I2 Inputs I3

EP– EQ+

2. Q 1. Q

EP+ EQ+

EP– EQ–

3. Q 4. Q

EP+ EQ–

(alternative to RS-485 and LON) PF = cap

Power

(Option)

Synchronizing Input

(Option)

Pulse Outputs

supply

(Option)

}

or 20 ... 69 V / 20 ... 72 V or 73 ... 264 V / 73 ... 276 V

U I

    

PF = ind P=– P=+ Q=+ Q=+

RS-232 RS-485

Parameters Memory

N

230 V / 115 V

0

Lock

L1

Voltage Inputs L2 L3

User Interface

Display

Analog Outputs (not with Profibus-DP and partly not with LON)

P=– P=+ Q=– Q=–

1

PF = cap

0

Comp= compensating reactive power (reactive power is only produced if current and voltage have different + or – signs) 2 Q = – -----TN



TN

 u  t   i  t dt 0

for u(t) · i(t) < 0 0 PF = 1.0

PF = ind P=– P=+ Q=0 Q=+

Limit Values 1

EP– EQ+

2. Q 1. Q

EP+ EQ+

EP– EQ–

3. Q 4. Q

EP+ EQ–

PF = 1.0

Fig. 1 Schematic Diagram

P=– P=+ Q=0 Q=–

1

PF = cap

0

Fig. 2 Values for Power and Power Factor

2

GMC-I Messtechnik GmbH

2354235 11/2008

Altivar 312 Variadores de velocidad para motores as铆ncronos Manual de instalaci贸n

BBV46393

04/2009

www.schneider-electric.com

Dimensiones y pesos

ATV312H

a mm (in.)

b mm (in.)

C mm (in.)

D mm (in.)

G mm (in.)

H mm (in.)

018M3, 037M3

72 (2.83)

145 (5.70)

122 (4.80)

6 (0.24)

60 (2.36)

121.5 (4.76)

055M3, 075M3

72 (2.83)

145 (5.70)

132 (5.19)

6 (0.24)

60 (2.36)

018M2, 037M2

72 (2.83)

145 (5.70)

132 (5.19)

6 (0.24)

055M2, 075M2

72 (2.83)

145 (5.70)

142 (5.59)

6 (0.24)

ATV312H

J mm (in.)

K mm (in.)

Ă&#x2DC; Peso mm (in.) kg (libra)

2x5 (2x0.2)

18.5 (0.73)

2x5 (2x0.2)

0,9 (1.98)

121.5 (4.76)

2x5 (2x0.2)

18.5 (0.73)

2x5 (2x0.2)

0,9 (1.98)

60 (2.36)

121.5 (4.76)

2x5 (2x0.2)

18.5 (0.73)

2x5 (2x0.2)

1,05 (2.31)

60 (2.36)

121.5 (4.76)

2x5 (2x0.2)

18.5 (0.73)

2x5 (2x0.2)

1,05 (2.31)

a mm (in.)

b mm (in.)

C mm (in.)

D G mm (in.) mm (in.)

H mm (in.)

J mm (in.)

K mm (in.)

Ă&#x2DC; Peso mm (in.) kg (libra)

105 (4.13)

143 (5.63)

132 (5.19)

6 (0.24)

93 (3.66)

121.5 (4.76)

5 (0.2)

16.5 (0.65)

2x5 (2x0.2)

1,25 (2.76)

U1pM2, U22M3, 037N4 a U15N4 075S6, U15S6p

107 (4.21)

143 (5.63)

152 (5.98)

6 (0.24)

93 (3.66)

121.5 (4.76)

5 (0.2)

16.5 (0.65)

2x5 (2x0.2)

1,35 (2.98)

U22M2, Up0M3, U22N4 a U40N4, U22S6, U40S6

142 (5.59)

184 (7.24)

152 (5.98)

6 (0.24)

126 (4.96)

157 (6.18)

6.5 (0.26)

20.5 (0.81)

4x5 (4x0.2)

2,35 (5.18)

U1pM3

12

BBV46393 04/2009

Dimensiones y pesos (continuación)

ATV312H

a mm (in.)

b mm (in.)

C mm (in.)

D mm (in.)

G mm (in.)

H mm (in.)

J mm (in.)

K mm (in.)

Ø Peso mm (in.) kg (libra)

U55M3, U75M3, U55N4, U75N4, U55S6, U75S6

180 (7.09)

232 (9.13)

172 (6.77)

6 (0.24)

160 (6.30)

210 (8.27)

5 (0.2)

17 (0.67)

4x5 (4x0.2)

4,70 (10,36)

ATV312H

a mm (in.)

b mm (in.)

C D G mm (in.) mm (in.) mm (in.)

H mm (in.)

J mm (in.)

K mm (in.)

Ø Peso mm (in.) kg (libra)

D1pM3, D1pN4, D1pS6

245 (9.65)

329.5 (12.97)

192 (7.56)

295 (11.61)

7 (0.28)

27.5 (1.08)

4x6 (4x0.24)

BBV46393 04/2009

6 (0.24)

225 (8.86)

9 (19,84)

13

Velocidad

Presión

Humedad

Caudal

Temperatura

Combustión

FICHA DE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Transmisor de Presión

CP 100 • Transmisor de presión diferencial modelo CP100.

• Rangos disponibles de 0/+100 Pa a -1000/+2000 mbar (según modelo, ver “Configuración”).

• Salida 0-10 V o 4-20 mA, activo , alimentación 24 Vac/Vdc (3 hilos) o salida 4-20 mA, lazo pasivo, alimentación 18 a 30 Vdc (2 hilos).

• Caja ABS IP 65, con o sin pantalla.

• Montaje : ¼ de vuelta sobre platina de fijación mural.

Características del Transductor Presión Principio de funcionamiento : El elemento sensible es de tipo piezoresistivo responsable de generar una tensión proporcional a la presión aplicada.

Referencias La codificación aquí indicada permite construir la referencia y prestaciones de los transductores.

Escalas de medida 1 2 3 4

-500/+1000 Pa -500/+1000 mmH2O -250/+500 mbar -1000/+2000 mbar

Para las escalas intermedias y de cero central, ver “Configuración”.

Transductor / Alim / Salida A P

Activo • 24 Vac/Vdc • 0-10V o 4-20 mA Pasivo • 18/30 Vdc • 4-20 mA

Indicación O N

CP10

1 mbar - 0,1 inWG - 1 mmHG - 0,1 KPa - 0,1 PSI (CP 103 y CP104)

Ajuste del cero ................................manual por botón pulsador Tipo de fluido ..................................aire y gases neutros Sobrepresión admisible................25000 Pa (CP 101), 7000 mmH2O (CP 102), 1400 mbar (CP 103), 3000 mbar (CP 104).

Características de la Caja

Con pantalla Sin pantalla

-

Ejemplo : CP103-AO Modelo : transductor de presión CP100, escala de medida -250/+500 mbar, sensor activo y requiere alimentación, dispone de salida 0-10 V o 4-20 mA, con

Tamaño de la caja

CON o SIN pantalla

Caja .................................................ABS Clasificación...................................HB según UL94 Tamaño de la caja ..........................ver dibujos Índice de Protección......................IP 65 Pantalla ...........................................LCD 5 dígitos. Dimensiones 50 x 15 mm Altura de los caracteres ................10 mm Tomas de presión ..........................espiga acanalada Ø 5,2mm (CP 101 y CP 102) de anillos para tubos Ø 4x6mm (CP 103 y CP 104) Prensaestopa .................................para cables Ø 7mm max.

Peso ................................................145g (con pantalla) - 110g (sin pantalla)

Especificaciones Técnicas

(Incluido soporte de fijación)

100 mm

Rango de medida ...........................ver tabla al lado Unidades de medida ......................Pa, mmH2O, mbar, inWG (CP 101 y CP102) mbar, inWG, mmHG, KPa, PSI (CP 103 y CP 104) Precisión * ......................................±1,5% de la lectura ± 3 Pa (CP 101) ±1,5% de la lectura ± 3 mmH2O (CP102) ±1,5% de la lectura ± 3 mbar (CP103 y CP104) Tiempo de respuesta .....................1/e (63%) 0,3 sec.

Resolución ...............1 Pa - 0,1 mmH O - 0,01 mbar - 0,01 inWG - 0,01 mmHG (CP 101 y CP102)

42 mm

Salida / Alimentación........activo 0-10 V o 4-20 mA (alim. 24 Vac/Vdc) ± 10%, 3 hilos

93 mm

lazo pasivo 4-20 mA (alim. 18/30 Vdc), 2 hilos carga máxima : 500 Ohms (4-20 mA) carga mínima : 1 K Ohms (0-10 V)

Consumo.......................................2 VA (0-10V) o max. 22 mA (4-20mA)

Compatibilidad electro-magnética .EN 61326

Conexión eléctrica .......................bornes para cables Ø 1.5 mm² max.

Comunicación PC.........................cable Kimo RS 232 Temperatura de uso ......................0 a +50°C Temperatura de almacenaje .........-10 a +70°C Uso.................................................aire y gases neutros *Establecidas en las condiciones de laboratorio. Las precisiones establecidas en este documento serán mantenidas siempre que se apliquen las compensaciones de calibración o aplicarse condiciones idénticas.

Conexión Para los modelos 101 102 - AO y 103 104

CP

CP

Salida 0-10V

101 102 - AN • Salida 0-10 V 103 104

4-20 mA - activos

O

a ó

e

Conexión PC programa LCC 100

d a

Interruptores

GND ......masa Vdc P.....tensión continua (presión) Salida 4-20 mA Idc P ......corriente continua (presión) GND ......masa

Alimentación con tensión continua

Puesta a cero

Vdc ......tensión continua GND ....masa

b ó

a

Bornes de salidas

b

Alimentación con tensión alterna Vac.......tensión alternativa (fase) Vac.......tensión alternativa (neutro)

Para los modelos

b Toma de presión (ejemplo anillas)

c

101 102 - PO y CP CP 103

Bornes de alimentación

104

101 102 103 104

- PN • Salida 4-20 mA - pasivos

a c

Bornes

Pasa cables

a

Pasa cables : para pasar un cable, será necesario hacer un pequeño orificio con un objeto punzante en la membrana de caucho.

Vdc ......tensión continua IP ..........corriente continua (presión)

Conexión eléctrica - según norma NFC15-100 !

Solo un técnico cualificado pude realzar esta operación. Para realizar la conexión : el equipo debe permanecer sin tensión.

Para los modelos 101 102 - AO y CP 103 104

CP

Para los modelos 101 102 103 104

- AN • Salida 0-10 V

101

4 Hilos

4-20 mA - activo

O

102 - PO y CP CP 103 104

Salida 4-20 mA

101 102 103 104

- PN • Salda 4-20 mA - pasivo

2 Hilos

+ Controlador de proceso Bornies de salida

Idc P

+

GND

-

o autómata lazo pasivo

Salida 0-10 V -

Vdc P +

+

4 hilos

Vdc + Bornes de alimentación GND -

Vac

óO -

Alimentación 24 Vdc

-

+ Vdc +

~

Vac ~

+

Alimentación 18-30 Vcc

Controlador de proceso o autómata lazo pasivo 2 hilos

~

IP

~

-

Alimentación 24 Vac Clase II

+

Controlador de proceso o autómata modelo pasivo

3 Hilos !

Para una conexión a 3 hilos, revisar, previa alimentación del equipo, la unión mediante un cable de la toma de tierra de entrada y salida. Ver esquema siguiente.

Idc P

+ +

+

Bornes GND de salida Vdc P

+

Salda 4-20 mA o 0-10 V

Idc P

Bornes de salida

Vdc P

+

Vac

~

3 hilos

Bornes de alimentación

Vdc

GND

+ +

+

GND

ó +

-

Alimentación 24 Vdc

Bornes de alimentación

Salida 4-20 mA o 0-10 V

Vdc +

3 hilos

+

ó

+ 2 hilos

IP

-

I in

Controlador de proceso o autómata modelo activo

GND Fase Neutro Alimentación 24 Vac

2

Portable High-Performance Multifunction DAQ for USB NI DAQPad-6015, NI DAQPad-6016 • 16 analog inputs at up to 200 kS/s, 16-bit resolution • Multiple signal connectivity options • 2 analog outputs for accurate output signals • Up to 32 digital I/O lines (5 V TTL/CMOS) • OEM version available

Operating Systems • Windows 2000/XP

Recommended Software • LabVIEW • LabWindows/CVI • Measurement Studio • VI Logger

Other Compatible Software • C++ • C# • Visual Basic

Measurement Services Software (included) • NI-DAQmx driver software • Measurement & Automation Explorer configuration software

Product NI DAQPad-6015 NI DAQPad-6016 1SE

Bus USB USB

Analog Inputs1 Input Resolution Sampling Rate 16 SE/8 DI 16 bits 200 kS/s 16 SE/8 DI 16 bits 200 kS/s

Input Range Analog Outputs Output Resolution Output Rate2 ±0.05 to ±10 V 2 16 bits 300 S/s ±0.05 to ±10 V 2 16 bits 300 S/s

Output Range ±10 V ±10 V

Digital I/O Counter/Timers 8 2 32 2

Triggers Digital Digital

– single ended, DI – differential 2System-dependent

Hardware Overview The National Instruments DAQPad-6015 and DAQPad-6016 multifunction data acquisition (DAQ) devices provide plug-and-play connectivity via USB for acquiring, generating, and logging data in a variety of portable and desktop applications. DAQPad devices with screw terminals or BNC connectors provide direct connectivity so you can easily connect sensors and signals without extra cost. With DAQPad-6015 mass termination, you can cable to external accessories and signal conditioning devices such as NI SCC devices.

All devices feature 16-bit accuracy at up to 200 kS/s. The DAQPad-6016 also provides 32 digital I/O lines for applications requiring an extended interface to digital sensors and actuators.

Recommended Accessories Model NI DAQPad-6016 Screw Terminal NI DAQPad-6015 Screw Terminal NI DAQPad-6015 BNC NI DAQPad-6015 Mass Termination NI DAQPad-6016 OEM

Cable Noise-Reducing, Low-Cost, Shielded Ribbon

Signal Connectivity Sensors/ Signals <10 V Signals >10 V

Built-in signal connectivity – no accessories needed

SH68-68-EP

R6868

SH50-50 SH6850

– R6850

SCC signal SCB-68 conditioning Custom or third-party 50-pin connector – CB-68LP

Table 2. NI DAQPad-601x Accessory Selection Guide

Common Applications Software Overview NI DAQPad-6015 and DAQPad-6016 include NI-DAQmx measurement services software with which you can quickly configure and begin taking measurements with your DAQ device. NI-DAQmx provides a seamless interface to LabVIEW, LabWindows/CVI, and Measurement Studio development environments with features such as DAQ Assistant and a single programming interface for all device functions.

The DAQPad-6015 and DAQPad-6016 are ideal for a number of applications where portability and accurate measurements are essential, such as: • Portable data logging – log environmental or voltage data quickly and easily • Field-monitoring applications • Embedded OEM applications • In-vehicle data acquisition • Academic lab use – academic discounts are available for quantities of five or more. Visit ni.com/academic for details.

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