Degree's dissertation

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

UNIVERSIDAD DE VIGO

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales

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.

I

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

II

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


3.2 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

III

Índice

CAPÍTULO IV. REALIZACIÓN DE ENSAYOS 133


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

IV

Índice

CAPÍTULO I

SISTEMAS DE AIRE

2

CAPÍTULO I Sistemas de aire

3


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.

4


Humedecer el aire.

Deshumedecer el aire.

Calentar el aire.

Enfriar el aire.

5


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

6


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

7


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.

8


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

9


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

10


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.

11


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.

12


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.

13


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 3,6푊/퐶푚 , 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).

14


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.

15


Figura 1.7.Gráfica del estado del aire durante la deshumectación

Figura 1.8. Gráfica del estado del aire durante la deshumectación

16


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 ℃

17


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.

18


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)

19


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.

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

introducido.

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.

(Ec. 1.3)

(Ec. 1.2)

20


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.

21


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.

22


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

23


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.

24


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.

25


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 푘푔 푚표푙⁄ .

Densidad y volumen específico: = 푣 ≈ 푃 ∙ 푀 푅 ∙ 푇⁄ 휌 .

o Pa = presión parcial del aire seco.

o R = 8’315 퐽 푚표푙퐾⁄ = 0’0821 푎푡푚푙 푚표푙퐾⁄ = 1’986 푐푎푙 푚표푙퐾⁄ .

Calor específico: 푐푝푎 ≈ 1푘퐽/푘푔º퐶.

Entalpía específica: (tomando como referencia 0 ºC)

훥ℎ푎 ≈ 1(푇– 0º퐶)푘퐽/푘푔.

26


1.4.1.2 Principales propiedades del vapor de agua

Masa molecular: 푀푎 = 18’015 ∙ 10 푘푔 푚표푙⁄ .

Densidad y volumen específico: 휌 = 푣 ≈ 푃 ∙ 푀 푅 ∙ 푇⁄ 푘푔 푚⁄ para

T < 66 ºC.

o Pv = presión parcial del vapor de agua.

Calor específico: 퐶 ≈ 1’88푘퐽/(푘푔º퐶) entre – 71º퐶푦124º퐶.

Entalpía específica: 훥ℎ ≈ 퐿푣(0º퐶) + 1’88(푇– 0º퐶)푘퐽/푘푔(Tomando

como referencia agua líquida a 0º퐶, y siendo 퐿 (0º퐶) = 2501’4푘퐽/푘푔).

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 푚 , 푚 , 푛 푦푛 a las masas y número de moles de aire seco y de vapor

de agua.

Masa molecular: 푀 = 푚 + 푚 푛 + 푛⁄ 푘푔/푚표푙.

Densidad y volumen específico: 휌 = 푣 ≈ 푃 ∙ 푀 푅 ∙ 푇⁄ 푘푔/푚 .

o Con 푃 = 푃 + 푃 , donde 푃 y 푃 son las presiones parciales del aire

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

27


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

Calor específico: 푐 = 푚 ∙ 푐 + 푚 ∙ 푐 푚 + 푚⁄ 푘퐽/퐾 ∙ 푘푔

푑푒푎푖푟푒ℎú푚푒푑표.

Entalpía específica: ∆ℎ = ∆ℎ ∙ 푚 + ∆ℎ ∙ 푚 푚 + 푚⁄ 푘퐽/푘푔

푑푒푎푖푟푒ℎú푚푒푑표.

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, 푃 a dicha temperatura. De la misma forma, el aire

estará saturado cuando, a una presión parcial 푃 cualquiera, su temperatura sea igual a

28


su temperatura de saturación a dicha presión. A dicha temperatura se le denomina

temperatura o punto de rocío, 푇 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 푇 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 푇

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 푇 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

29


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

vegetación.

En general, si la 푇 > 0 ºC se podrían producir gotas de agua, es decir, rocío, nieblas

o lluvias, mientras que si la 푇 < 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: 휌 = 푚 /푉푘푔푣푎푝표푟/푚 푎푖푟푒ℎú푚푒푑표.

Razón de mezcla o humedad: 푋 = 푚 푚⁄ 푘푔푣푎푝표푟/푘푔푎푖푟푒ℎú푚푒푑표.

Humedad específica: 푒 = 푚 푚 + 푚 푘푔푣푎푝표푟/푘푔푎푖푟푒ℎú푚푒푑표⁄ .

Fracción molar: 푌 = 푛 /푛 푚표푙푒푠푑푒푎푖푟푒ℎú푚푒푑표/푚표푙푑푒푎푖푟푒푠푒푐표.

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 (%).

30


HR = 100푃 /푃 (Ec. 1.4)

Así, cuando el aire está saturado 푃 = 푃 y 푇 = 푇 , la humedad será del 100%.

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

푣∗ = (1 + 푋) ∙ 푣 =푅 ∙ 푇푃 ∙ 푀

(1 + 푋) =푅 ∙ 푇푃 ∙ 푀 1 +

푀푀 푋

(푘푔푎푖푟푒ℎú푚푒푑표/푘푔푎푖푟푒푠푒푐표)

La expresión del volumen húmedo de la ecuación 1.5, para el caso particular en que

P = 1 atm = 1’01310 Pa, se reduce a la ecuación 1.6.

푣∗ = 0′00283T ∙ (1 + 1′608X) (Ec. 1.6)

(Ec. 1.5)

31


Calor específico húmedo

푐∗ = 푐 (1 + 푋) = 푐 + 푋 ∙ 푐 푘퐽/퐾 ∙ 푘푔푎푖푟푒푠푒푐표 (Ec. 1.7)

Entalpía húmeda

∆ℎ∗ = ∆ℎ (1 + 푋) = ∆ℎ + 푋 ∙ ∆ℎ = 푐∗(푇 − 푇 ) + 푋 ∙ 퐿 (푇 )푘퐽/푘푔푎푖푟푒푠푒푐표

(Ec. 1.8) (donde se suele tomar 푇 = 273’15퐾 = 0º퐶 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

32


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 푇 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 푇 será mayor. Si el aire está

inicialmente saturado 푇 coincidirá exactamente con T.

Para establecer la relación analítica entre 푇 y los índices de humedad, se aplicarán

los correspondientes balances de masa y energía.

33


Balance de masa. La cantidad de agua a incorporar será igual al aumento de

vapor de agua en el aire.

푚 = 푚 −푚 (Ec. 1.9)

Donde 푚 es la masa de vapor de agua saturado y 푚 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).

푚 [∆ℎ∗(푇 )− ∆ℎ∗(푇)] = 푚 ∆ℎ (푇 ) (Ec. 1.10)

Donde ∆ℎ (푇 ) = 푐 푇 es la entalpía del agua líquida que se aporta (que

permanece constantemente a 푇 )

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.

푐∗(푇 − 푇 ) = (푋 − 푋)퐿 (푇 ) (Ec. 1.11)

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

ecuación 1.12.

34


푐∗(푇 − 푇 ) ≈ 푐 (푇 − 푇 ) (Ec. 1.12)

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

푋 ≈ 푋 −푐

퐿 (푇 ) (푇 − 푇 )

O bien la ecuación 1.14.

푇 − 푇 ≈퐿 (푇 )푐 (푋 − 푋)

Figura 1.15. Gráfica de humedad frente a temperatura

Como puede apreciarse en la figura 1.15, para una 푇 dada, la 푇 es menor cuanto

más seco esté el aire, es decir cuanto mayor diferencia haya entre 푋 y 푋. Además, con

(Ec. 1.13)

(Ec. 1.14)

35


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∗) = (푋 − 푋)∆ℎ (푇 ) (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, 푇 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.

36


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.

37


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 푇 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(푇 − 푇 ) = 푘 퐿 (푋 − 푋) (Ec. 1.17)

Siendo ℎ el coeficiente de convección, 푘 el coeficiente de transferencia de masa, y

퐿 el calor latente de vaporización a la temperatura 푇 .

38


Despejando en la ecuación 1.17 se obtiene la 1.18.

푇 − 푇 ≈푘ℎ 퐿 (푇 )(푋 − 푋)

Si se compara con la ecuación para la temperatura de saturación adiabática se

obtiene la expresión 1.19.

푇 − 푇 ≈퐿 (푇 )푐∗ (푋 − 푋)

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 0.95푘퐽/푘푔º퐶.

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

(Ec. 1.19)

(Ec. 1.18)

39


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 푇 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 푇

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.

40


APARATO MÉTODO

Psicrómetro y aspiropsicrómetro Termodinámico

Higrómetro de cabello u otros

materiales

Higroscópico

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.

41


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

seca) y 푇 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 (푇 y 푇 - 푇 )

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

42


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 푇 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.

43


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.

44


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 (푇,푋,퐻 ,푇 ,푇 ,푣∗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

45


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.

46


Figura 1.22. Diagrama de Carrier: Humedad frente a temperatura

El volumen húmedo y las líneas de 푇 constante o isoentálpicas se representan

por oblicuas de distinta inclinación. En realidad las líneas de 푇 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.

47


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.

48


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

49


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 ∆풉∗ ∆푿 PROCESO ∆풉∗ ∆푿

Calentamiento >0 0 Humidificación con

calentamiento

>0 >0

Enfriamiento <0 0 Humidificación con

enfriamiento

<0 >0

Humidificación

adiabática

0 >0 Deshumectación con

calentamiento

>0 <0

Deshumectación

adiabática

0 <0 Deshumectación con

enfriamiento

<0 <0

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.

50


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.

푄 = 푚 (∆ℎ∗ − ∆ℎ∗) = 푚 푐∗∆푇 (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.

51



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.

52


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 푇 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.


53


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.

54



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.

55


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.


56


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.

57


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.

푚 + 푚 = 푚 (Ec. 1.22)

푚 + 푚 = 푚 (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.

푋 푚 + 푋 푚 = 푋 (푚 + 푚 ) (Ec. 1.24)

De la ecuación 1.24 se puede despejar la expresión 1.25.

푋 =푋 푚 + 푋 푚

(푚 + 푚 )

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.

푚 ∆ℎ∗ + 푚 ∆ℎ∗ = 푚 ∆ℎ∗ (Ec. 1.26)

De la expresión 1.26 puede obtenerse la 1.27.

(Ec. 1.25)

58


∆ℎ∗ =푚 ∆ℎ∗ + 푚 ∆ℎ∗

푚 + 푚

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.


(Ec. 1.27)

59


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 (푇 constante) desde el punto de mezcla hasta la curva

de saturación.

60


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.

61


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.

푃표푡 = 푚̇ · (ℎ −ℎ ) (Ec. 1.28)

Siendo

푚̇ : caudal másico del agua de refrigeración, en 푘푔 푠⁄ .

ℎ : entalpía del agua a la entrada del circuito de refrigeración, en 푘퐽 푘푔⁄ .

ℎ : entalpía del agua a la salida del circuito de refrigeración, en 푘퐽 푘푔⁄ .

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.

62


La potencia cedida por el aire que atraviesa el circuito se calcula de acuerdo a la

siguiente ecuación 1.29.

푃표푡 = 푚̇ · (ℎ ú − ℎ ú ) (Ec. 1.29)

Siendo

푚̇ : caudal másico de aire, en 푘푔 푠⁄ .

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

푘퐽 푘푔⁄ .

ℎ ú : entalpía del aire en la salida del volumen de control en 푘퐽 푘푔⁄ .

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

multiplicando el caudal de aire, en 푚 푠⁄ por la densidad del aire.

푚̇ = 푄̇ · 휌 (Ec. 1.30)

El caudal de aire lo proporciona por caudalímetro, mencionado anteriormente, y la

densidad del aire obedece a la ecuación 1.31.

휌 =1 + 푊푣

Siendo 푣 el volumen específico del aire para dichas condiciones. Dicho valor

responde a la siguiente expresión 1.32.

(Ec. 1.31)

63


푣 =푉 ú

푚

Siendo

푚 : masa de aire seco.

푉 : 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.

푣 = 0,287 · (푇 + 273,15) · (1 + 1.608)/푃 (Ec. 1.33)

Siendo

푇: temperatura de bulbo seco.

푃: 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 + 푊 · ℎ (Ec. 1.34)

(Ec. 1.32)

64


Siendo

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

푘퐽 푘푔⁄

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

punto previo a la condensación, en 푘퐽 푘푔⁄

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

en 푘푔 푘푔 ⁄

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.

ln푃 = + 퐶 + 퐶 푇 + 퐶 푇 + 퐶 푇 + 퐶 ln푇 (Ec. 1.35)

Donde

65


퐶 = −5,8002 · 10

퐶 = 1,391

퐶 = −4,864 · 10

퐶 = 4,176 · 10

퐶 = −1,445

퐶 = 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.

푊 = 0.62198 ·푃

푃 − 푃

Una vez conocido este último valor, pueden resolverse las potencias cedidas por el

aire y absorbidas por el agua, y compararlas adecuadamente.

(Ec. 1.36)

66


CAPÍTULO II

ENERGÍA AEROTÉRMICA

68

CAPÍTULO II Energía aerotérmica

69


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.

70


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

71


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.

72


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

73


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.

74


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.

75


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

76


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.

Figura 2.2. Esquema de una instalación de agua caliente sanitaria

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).

77


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 ܱܥଶ 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

78


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,

79


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

80


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.

CAPÍTULO III

DISEÑO DE LA INSTALACIÓN

82

CAPÍTULO III Diseño de la instalación

83


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.

84


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.

85


Esquema inicial.

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.

Ventilador

T e Q aire φ e

T s φ s

Zona de ensayo

Control de humedad Calentamiento

86


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 ∆푇 = 5℃. Esto supone el siguiente

requerimiento de caudal másico de aire.

Aproximadamente 2 푘푔 푠⁄ 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.

(Ec 3.1)

87


Figura 3.2. Características del ventilador

88



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

89


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.

푄̇ = 푆 · 푣 (Ec 3.2)

Siendo

푄̇: caudal de aire.

푆: área de la boca del conducto.

푣: 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.

90


Siendo

푄̇ =푚̇휌

Por tanto

푆 =푚̇휌 · 푣

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.

Siendo

푃: presión del gas.

푉: volumen del gas.

푛: número de moles de gas.

푅: constante de los gases ideales.

푇: temperatura del gas.

(Ec 3.3)

(Ec 3.4)

(Ec 3.5)

(Ec 3.6)

91


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

gas.

푃 =휌 · 푅 · 푇푀 ⇒ 휌 =

푃 · 푀푅 · 푇

Se asume como hipótesis 푃 = 푃 = 101325푃푎 y 푇 = 푇 . Se toma como

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

es de 28,96 푔/푚표푙 y 푅 = 8,314푗/푚표푙푘.

휌 =101325 · 28,96 · 108,31 · (273 + 13,63) = 1,23푘푔/푚

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

del diámetro.

푆 =푚̇휌 · 푣

⇒

⇒ 푆 =2

1,23 · 30 = 0,054 =휋 · 푑

4 → 푑 =4 · 0,054

휋 = 0,26푚 = 26,27푐푚

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

de 25푐푚. 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.

(Ec 3.7)

(Ec 3.8)

(Ec 3.3)

92


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.

푄 = 푣 · 푆 =푚̇휌 =

21,23 = 1,64푚 푠⁄ = 5847,53푚 ℎ⁄

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.

(Ec 3.9)

93


Figura 3.5. Curva característica del ventilador

94


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

95


Este modelo de ventilador es accionado mediante un motor trifásico cerrado w2, con

las características mecánicas expuestas a continuación.


96


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.

97


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.

98


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.

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.

99


Figura 3.11. Características del ventilador de frecuencia

IEC/EN 61800-5-1, IEC/EN

61800-3 (entornos 1 y 2,

categorías C1 a C3) e, UL,

CSA, C-Tick, NOM, GOST

100


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

101


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

102


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 ≈ 8푘푊, 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.

103


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.

Figura 3.16. Potenciómetro

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.

104


Figura 3.17. Posición del potenciómetro

Figura 3.18. Potenciómetro

105


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

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.

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 de encendido/apagado.

106


Figura 3.20. Características de los interruptores

107


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

108


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

109


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.

푣 = 퐾 · 푃 − 푃 (Ec 3.10)

110


Siendo

푣: velocidad del fluido que atraviesa el sensor.

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

푃 − 푃 = 푃 : presión dinámica.

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

푄 = 푣 · 휋푑4

Siendo

푄: caudal de aire.

푑: diámetro del conducto.

Figura 3.23. Caudalímetro

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).

(Ec 3.11)

111


Las especificaciones técnicas se muestran a continuación.

Figura 3.24. Características técnicas

112


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

113


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.

114


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.

Sensor de temperatura Sensor de temperatura

Zona de ensayos

115


La resistencia del elemento responde a la ecuación 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.

(Ec 3.12)

116


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.

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) ∙ 푑/2 = 0,29푑 como se indica en la

figura 3.31.

d

0,42d

117


Se introduce un quinto sensor separado 45 de la posición de otro sensor, y con una

profundidad de 푑, 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

118


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

119


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.

120


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

푑/2 desde el contorno de la tubería, es decir, en el centro del conducto, como muestra la

figura 3.37.

121


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.

d

122


Figura 3.38. Características de los sensores de humedad

Figura 3.39. Características de los sensores de humedad

123


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

124


Figura 3.41. Zona de ensayos cerrada

Figura 3.42. Zona de ensayos en el circuito

125


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

126


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.

127


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.

128


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

129


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

130


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.

Figura 3.50. Grifo de entrada al conducto de refrigeración

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.

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.

131


Figura 3.51. Grifo de salida del conducto de refrigeración

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.

132


CAPITULO IV

REALIZACIÓN DE ENSAYOS

134

CAPÍTULO IV Realización de ensayos

135


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.

136


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.

137


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

cerrado. Se fija el caudal del agua del circuito de refrigeración en 350 푘푔 ℎ⁄ y su

temperatura en 5°퐶. 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 1200푚 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.

푻풂풊풓풆풆풏풕풓풂풅풂(°푪) 푻풂풊풓풆풔풂풍풊풅풂(°푪) 푷풂풊풓풆(풌푾) 푷풂품풖풂(풌푾) (푷풂풊풓풆 − 푷풂품풖풂)/푷풂품풖풂

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

138


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.

풉풂풊풓풆풔풆풄풐풆풏풕

(풌푱 풌품⁄ )

풉풗풂풑풔풂풕풆풏풕

(풌푱 풌품⁄ )

풉풂풊풓풆풉ú풎풆풅풐풆풏풕

(풌푱 풌품⁄ )

풉풂풊풓풆풔풆풄풐풔풂풍

(풌푱 풌품⁄ )

풉풗풂풑풔풂풕풔풂풍

(풌푱 풌품⁄ )

풉풂풊풓풆풉ú풎풆풅풐풔풂풍

(풌푱 풌품⁄ )

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

139


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 +푊 · ℎ (Ec. 4.1)

Siendo

푊 = 0,62198 ·푝 · 푥

푃 − 푝 · 푥

Siendo

푊: fracción de agua contenida en el aire seco.

푝 : presión de saturación del vapor saturado.

푥: 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.

(Ec. 4.2)

140


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.

141


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.

푄 = 2438.05(100%)

푇 = 38°퐶

Al fijarse en las humedades obtenidas se observa que no son iguales cuando

forzosamente deberían serlo.

%퐻 = 28.441

%퐻 = 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

142


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.

푻풂풊풓풆풆풏풕풓풂풅풂(°푪) 푻풂풊풓풆풔풂풍풊풅풂(°푪) 푷풂풊풓풆(풌푾) 푷풂품풖풂(풌푾) (푷풂풊풓풆 − 푷풂품풖풂)/푷풂품풖풂

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.

143


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°퐶 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 푚 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: 200푚 ℎ⁄ ,

350푚 ℎ⁄ , 500푚 ℎ⁄ , 650푚 ℎ⁄ y 800푚 ℎ⁄ . En estos resultados el valor de la

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 10 20 30 40 50 60

Potencia aire푘푊

º퐶

144


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.

푸풂품풖풂풎ퟑ/풉 푷풂풊풓풆(풌푾) 푷풂품풖풂(풌푾) (푷풂풊풓풆 −푷풂품풖풂)/푷풂품풖풂

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.

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

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

0 200 400 600 800 1000

Potencia aire푘푊

푚 ℎ⁄

145


Se muestra también la potencia absorbida por el agua de refrigeración frente al

caudal del propio agua.

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.

0,62

0,64

0,66

0,68

0,7

0,72

0,74

0,76

0 200 400 600 800 1000

Potencia agua푘푊

푚 ℎ⁄

146


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.

퐸푛푠푎푦표푇 = 25º퐶 24.99 º퐶

퐸푛푠푎푦표푇 = 30º퐶 30.005º퐶





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.

147


Ensayo ∆푻풆풏풕(º푪) ∆푻풔풂풍(º푪)

푇 = 25º퐶 0.16 0.61

푇 = 30º퐶 0.19 0.64

푇 = 35º퐶 0.27 0.64

푇 = 40º퐶 0.41 0.46

푇 = 45º퐶 0.44 0.73

푇 = 50º퐶 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.

Figura 4.11. Discrepancia entre temperaturas de entrada

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 10 20 30 40 50 60

Discrepancia Temperaturas entradaº퐶

º퐶

148


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.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 10 20 30 40 50 60

Discrepancia T salº퐶

º퐶

149


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.

Figura 4.14. Temperatura del aire frente al tiempo

39,8

39,9

40

40,1

40,2

40,3

40,4

40,5

40,6

40,7

40,8

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

24,8

24,85

24,9

24,95

25

25,05

25,1

25,15

25,2

0 100 200 300 400 500 600

Temperatura de entrada º퐶

푠

Temperatura de entrada

푠

º퐶

150


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.

151


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

152


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.

푄 = 0

푇 = 푇

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

aproximadamente 2700푚 /ℎ, por lo que los valores esperados de caudal son de

675푚 /ℎ, 1350푚 /ℎ, 2025푚 /ℎ, y 2700푚 /ℎ. La figura 4.17 muestra los valores

obtenidos.

Ensayo Esperado (풎ퟑ/풉) Obtenido (풎ퟑ/풉)

푄 = 25% 675 663.81

푄 = 50% 1350 1319.42

푄 = 75% 2025 2018

푄 = 100% 2700 2739.57

Figura 4.17. Valores del caudal de aire obtenidos

153


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 2400푚 /ℎ, por lo tanto es de

esperar que el caudal obtenido sea de 1200푚 /ℎ. Los resultados obtenidos se muestran

en la figura 4.18.

Temperatura (º푪) Caudal (풎ퟑ/풉)

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.

154


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.

1130

1140

1150

1160

1170

1180

1190

1200

1210

0 10 20 30 40 50 60

Q aire푚 ℎ⁄

º퐶

155


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.

156


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 푚 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% Q=100%

4 464,8 (푚 /ℎ) 1031,1 (푚 /ℎ) 1860 (푚 /ℎ) 2378,4 (푚 /ℎ)

8 475,4 (푚 /ℎ) 1105,9 (푚 /ℎ) 1988,5 (푚 /ℎ) 2711,6 (푚 /ℎ)

12 517,1 (푚 /ℎ) 1180,0 (푚 /ℎ) 2049,3 (푚 /ℎ) 2853,3 (푚 /ℎ)

16 526,4 (푚 /ℎ) 1141,7 (푚 /ℎ) 2047,4 (푚 /ℎ) 2725,2 (푚 /ℎ)

20 527,1 (푚 /ℎ) 1085,1 (푚 /ℎ) 1962,1 (푚 /ℎ) 2715,6 (푚 /ℎ)

24 482,5 (푚 /ℎ) 982,6 (푚 /ℎ) 1756,9 (푚 /ℎ) 2368,1 (푚 /ℎ)

Figura 4.22. Valores de caudal en cada punto de medición

4 cm

8 cm

12 cm

16 cm

20 cm

24 cm

157


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.

푄 = 푣 · 푑퐴

Siendo

푄: caudal de aire que atraviesa el conducto.

푅: radio del conducto.

푣: velocidad normal a la sección transversal del conducto.

퐴: 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.

푄 = 푣 · 퐴 (Ec. 4.4)

Y por tanto

푣 =푄퐴

=푄

휋 · 푅

(Ec. 4.3)

(Ec. 4.5)

158


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

medida.

Ensayo

Profundidad (cm)

푸 = ퟐퟓ%

푸 = ퟓퟎ%

푸 = ퟕퟓ%

푸 = ퟏퟎퟎ%

4 0.95 푚 ℎ푐푚⁄ 2.1 푚 ℎ푐푚⁄ 3.79 푚 ℎ푐푚⁄ 4.85 푚 ℎ푐푚⁄




20 1.07 푚 ℎ푐푚⁄ 2.21 푚 ℎ푐푚⁄ 4 푚 ℎ푐푚⁄ 5.53 푚 ℎ푐푚⁄

24 0.98 푚 ℎ푐푚⁄ 2 푚 ℎ푐푚⁄ 3.58 푚 ℎ푐푚⁄ 4.82 푚 ℎ푐푚⁄

Figura 4.23. Velocidades registradas del aire en cada punto

Los valores de la velocidad obtenidos se encuentran en 푚 ℎ푐푚⁄ . 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 푚 푠⁄ 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.

159


Figura 4.24. Curvas de velocidad del aire

Siendo las ecuaciones de las curvas las siguientes.

푦 = −0.0091푥 + 0.253푥 + 4.021 (Ec. 4.6)

푦 = −0.0051푥 + 0.135푥 + 3.317 (Ec. 4.7)

푦 = −0.0032푥 + 0.0847푥 + 1.807 (Ec. 4.8)

푦 = −0.0011푥 + 0.0351푥 + 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.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25 30

푚 ℎ푐푚⁄

푐푚

160


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.

푑퐴 = 2휋푟 · 푑푟 (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.

v

x

r x

dx

R

161


푥 = 푅 − 푟 ⇒ 푟 = 푅 − 푥 ⇒ 푑퐴 = 2휋(푅 − 푥) · 푑푥 (Ec. 4.11)

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

푄 = 2휋(푅 − 푥) · 푣(푥) · 푑푥

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.

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 (푥 = 0) hasta el centro (푥 = 푅), y

v

x

(Ec. 4.12)

162


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

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.

v

x x

163


푑퐴 = 휋(푅 − 푥) · 푑푥 (Ec. 4.13)

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

푄 = 휋(푅 − 푥) · 푣(푥) · 푑푟

Segunda mitad

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

x

R

x

v

x

r

(Ec. 4.14)

164


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

ecuación 4.15.

푥 = 푅 + 푟 ⇒ 푟 = 푥 − 푅 ⇒ 푑퐴 = 휋(푥 − 푅) · 푑푟 (Ec. 4.15)

Por tanto

푄 = 휋(푥 − 푅) · 푣(푥) · 푑푟

De modo que el caudal total será la suma de 푄 y 푄

푄 = 푄 + 푄 = 휋(푅 − 푥) · 푣(푥) · 푑푟 + 휋(푥 − 푅) · 푣(푥) · 푑푟

La velocidad 푣(푥) es una expresión polinómica de segundo grado definida

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

푣(푥) = 푎푥 + 푏푥 + 푐 (Ec. 4.18)

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

(Ec. 4.16)

(Ec. 4.17)

165


푄 = 휋(푅 − 푥) · (푎푥 + 푏푥 + 푐) · 푑 =

= 휋 [푅(푎푥 + 푏푥 + 푐)− 푥(푎푥 + 푏푥 + 푐)] · 푑푥 =

= 휋 [푅(푎푥 + 푏푥 + 푐)− (푎푥 + 푏푥 + 푐푥)] · 푑푥 =

= 휋 (−푎푥 + (푅푎 − 푏)푥 + (푅푏 − 푐)푥 + 푅푐) · 푑푥 =

= 휋(−푎푥4 + (푅푎 − 푏)

푥3 + (푅푏 − 푐)

푥2 + 푅푐푥

Con x variando entre 0 y 푅, siendo 푅 = 퐷/2 = 25/2 = 12,5푐푚.

푄 = 휋(푥 − 푅) · (푎푥 + 푏푥 + 푐) · 푑푟

= 휋 [푥(푎푥 + 푏푥 + 푐)− 푅(푎푥 + 푏푥 + 푐)] · 푑푥

= 휋 [(푎푥 + 푏푥 + 푐푥)− 푅(푎푥 + 푏푥 + 푐)] · 푑푥

= 휋 (푎푥 + (푏 − 푅푎)푥 + (푐 − 푅푏)푥 − 푅푐) · 푑푥

= 휋(푎푥4 + (푏 − 푅푎)

푥3 + (푐 − 푅푏)

푥2 − 푅푐푥

Con x variando entre 푅 y 2푅, siendo 푅 = 퐷/2 = 25/2 = 12,5푐푚 y 2푅 = 25푐푚.

(Ec. 4.19)

(Ec. 4.20)

166


Recapitulando

푄 = 휋(−푎푥4 + (푅푎 − 푏)

푥3 + (푅푏 − 푐)

푥2 + 푅푐푥; 푥휖[0, 12,5]

푄 = 휋(푎푥4 + (푏 − 푅푎)

푥3 + (푐 − 푅푏)

푥2 − 푅푐푥; 푥휖[12,525]

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

푄 % = 479.96푚 ℎ⁄

푄 % = 1038.42푚 ℎ⁄

푄 % = 1865.7푚 ℎ⁄

푄 % = 2476.39푚 ℎ⁄

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

siguientes.

푄 % = 557.02푚 ℎ⁄

푄 % = 1199.09푚 ℎ⁄

푄 % = 1792.87푚 ℎ⁄

푄 % = 2412.18푚 ℎ⁄

(Ec. 4.21)

(Ec. 4.22)

167


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

Ensayo Q medido (풎ퟑ 풉⁄ ) Q ensayado (풎ퟑ 풉⁄ ) Desviación

푄 = 25% 557.02 479.96 -13.84 %

푄 = 50% 1199.09 1038.42 -13.4 %

푄 = 75% 1792.86 1865.7 4.06 %

푄 = 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.

168


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.

169


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.

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.

170


푄 푄

푞

Figura 4.31. Caudales de condensado y aire

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

푄 = 푄 + 푞 (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.

171


Figura 4.32. Condensación en el serpentín de refrigeración

Figura 4.33. Condensación en el serpentín de refrigeración

172


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.

173


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.

174


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.

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.

175


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 200푚푙/푠 y en el segundo a

1000푚푙/푠. 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

176


ensayos permite conocer la cantidad de condensado que se produce durante el

funcionamiento del mismo.

Ensayo 푾풆풏풕 (%) 푾풔풂풍(%) 푸풂풊풓풆(풎ퟑ 풉⁄ ) 푻풄풐풏풅º퐂

푄 = 200푚푙/푠 0.00842 0.0084 546.82 5.51

푄 = 1000푚푙/푠 0.00878 0.00871 539.92 4.49

Figura 4.38. Parámetros relevantes obtenidos en los ensayos de condensación

Siendo

푊 : ratio de humedad a la entrada.

푊 : ratio de humedad a la entrada.

푄 : caudal de aire.

푇 : temperatura del condensado.

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

푄 = 200푚푙/푠: 175 ml de condensado.

푄 = 1000푚푙/푠: 195 ml de condensado.

177


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.

푄 푄

푊 푊

푞

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.

푊 = 푀 /푀 (Ec. 4.24)

178


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.

푊 −푊 =푀 −푀

푀 =푀̇ − 푀̇

푀̇

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.

푀̇ = 푀̇ + 푀̇

푊 =푀

푀 =

푀̇푀̇

⇒ 푀̇ = 푊 · 푀̇

(Ec. 4.25)

(Ec. 4.26)

(Ec. 4.27)

179


푀̇ = 푀̇ + 푊 · 푀̇ = (1 + 푊)푀̇ ⇒ 푀̇ =푀̇

(1 + 푊)

Esta expresión proporciona los siguientes caudales másicos de aire seco.

푄 = 200푚푙/푠: 614,16kg/h

푄 = 1000푚푙/푠:606.41kg/h

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

푀̇ = 푀̇ · (푊 −푊 ) (Ec. 4.29)

Los resultados obtenidos son los siguientes.

푄 = 200푚푙 푠⁄ :0.0077푘푔 ℎ⁄

푄 = 1000푚푙/푠 ∶ 0.055푘푔/ℎ

El ensayo había proporcionado la siguiente cantidad de condensado.

푄 = 200푚푙/푠 ∶ 175mldecondensado.

푄 = 1000푚푙 푠⁄ : 195mldecondensado.

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

(Ec. 4.28)

180


푀̇ =푉표푙 · 휌푡

Siendo

푉표푙: volumen de agua condensada.

휌: densidad del agua.

푡: duración del ensayo.

Por tanto

푄 = 200푚푙/푠: 푀̇ = (0,108푙 · 1푘푔/푙)/2ℎ = 0,054푘푔/ℎ

푄 = 1000푚푙/푠: 푀̇ = (0,176푙 · 1푘푔/푙)/2ℎ = 0,088푘푔/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

(Ec. 4.30)

181


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.

182


CAPÍTULO V

CONCLUSIONES Y TRABAJOS

FUTUROS

184

CAPÍTULO V Conclusiones y trabajos futuros

185


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

186


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.

187


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.

188


567

CV

ST

Caj

as d

e ve

ntila

ció

nBajo nivel sonoro

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,

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.

(versiones CVST-H). Descarga vertical bajo

pedido (versiones CVST-V).

Modelos con paneles de doble pared, tipo

sandwich, y aislamiento termoacústico (M0)

de fibra de vidrio de 25 mm de espesor, bajo

demanda.

El aislamiento con espuma de

melamina reduce sensiblemen-

te el nivel sonoro

Junta flexible de descarga

La junta flexible en la descarga

absorbe las vibraciones

Robustez

Acabados de calidad, con

cantoneras de aluminio, que

proporcionan gran robustez

CAJAS DE VENTILACION A TRANSMISIÓN DE SIMpLE OíDO

Serie CVST

Boca de descarga vertical

Modelos de descarga vertical,

bajo demanda

Soportesantivibratorios

El ventilador se apoya sobre

soportes con silent-blocks

para reducir el nivel de ruido

Homologados según norma EN12101-3

A P L I C A C I O N E S

Talleres Localescomerciales

Naves Almacenes

Oficinas Hostelería Parkings Cocinas

CV

ST

Caj

as d

e ve

ntila

ció

n

568

Características técnicasEs 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.

Dimensiones (mm)

Modelo A B C D E F G H I J K L M9/4 H 483 800 554 152 260 96 289 248 40 30 250 - -9/4 V 483 800 554 152 260 96 311 268 40 30 250 - -10/6 H 554 850 605 208 289 94 311 266 40 30 275 - -10/6 V 554 850 605 208 289 94 341 296 40 30 275 - -12/6 H 554 950 675 208 341 82 333 302 40 30 325 - -12/6 V 554 950 675 208 341 82 381 337 40 30 325 - -15/8 H 605 1018 775 258 403 88 307 343 40 30 402 - -15/8 V 605 1018 775 258 403 88 431 379 40 30 402 - -18/8 H 675 1250 900 268 479 88 389 395 40 30 470 - -18/8 V 675 1250 900 268 479 88 505 447 40 30 470 - -20/10 H 775 1350 1140 333 626 137 475 491 40 30 560 1510 8020/10 V 775 1500 1018 333 626 137 678 562 40 30 560 1660 8022/11 H 850 1500 1250 368 697 161 478 529 40 30 614 1660 8022/11 V 850 1600 1086 368 697 161 718 612 40 30 614 1760 8025/13 H 900 1600 1350 423 794 122 486 593 40 30 699 1760 8025/13 V 900 1800 1190 423 794 122 788 669 40 30 699 1960 8030/14 H 950 1900 1600 463 945 150 648 696 40 30 797 2060 8030/14 V 950 2000 1390 463 945 150 899 792 40 30 797 2160 80H: Impulsión Horizontal; V: Impulsión Vertical.

Modelo Potencia motor (kW) Revoluciones ventilador (r.p.m.) Peso con el motor demáximapotencia

(Kg)

Mínima Máxima(versión

400ºC/2h)

Máxima(sólo versión

estándar)

Mínima Máxima(versión

400ºC/2h)

Máxima(sólo versión

estándar)

CVST 9/4 0,25 2,2 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

1 VELOCIDAD 4 POLOS 0,25 0,37 0,55 0,75 1,1 1,5 2,2 3 4 5,5 7,5 11 15 18,5 22

2 VELOCIDADES 4/6 POLOS 0,25/0,09 - - 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

4/8 POLOS 0,25/0,06 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

Relación de potencias de motores (kW) para la Serie CVST

CV

ST

Caj

as d

e ve

ntila

ció

n

572

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.

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.

Sólo versión estándar no certificada 400°C/2h

Para obtener el espec-tro de potencia sonora (dB(A)) por banda de fre-cuencia, restar del nivel de potencia sonora dado en las curvas característi-cas, los valores de la ta-bla siguiente:

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:• Grado de Protección: IP56 o IP65

• Sello de los Rodamientos:

- Lip seal

- Oil seal

- Laberinto Taconite para carcasas

132S y arriba

• Protección Térmica:

- Termistores: carcasas 132M y arriba

- Termostatos

- RTD-PT 100

• Resistencias de calefacción

• Diseño H

• Aislación Clase “H”

• Rodamientos de rodillos para carcasas

160M y arriba

• Otras Formas Constructivas

• Otros opcionales más, bajo consulta

Aplicaciones Típicas: • Bombas

• Ventiladores

• Chancadores

• Cintas transportadoras

• Máquinas de Herramientas

• Molinos

• Máquinas Centrífugas

• Prensas

• Ascensores

• Telares

• Rectificadoras

• Madereras

• Refrigeración

• Equipos de Empaquetamiento

• Otras Aplicaciones Severas

Mot

ores

W21

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.

Efi ciencia Estándar - Datos Mecánicos

Carcaca A AA AB AC AD B BA BB C CADIMENSIONES DEL EJE

H HA HC HD K L LC d1 d2Rodamientos

D DA E EA ES F FA G GB GD GF delantero trasero63 100 21 116 125 119 80 22 95 40 78 11j6 9j6 23 20 14 4 3 8.5 7.2 4 3 63 8 124

7216 241 EM4 EM3 6201 ZZ

71 112 30 132 141 127 90 38 113.5 45 88 14j6 11j6 30 23 18 5 4 11 8.5 5 4 71 12 139 248 276 DM5 EM4 6203 ZZ 6202 ZZ80 125 35 149 159 136

10040 125.5 50 93 19j6 14j6 40 30 28 6

515.5 11 6

580 13 157

10276 313 DM6 DM4 6204 ZZ 6203 ZZ

90S140 38 164 179 155 42

13156 104 24j6 16j6

5040

36

820 13

790 15 177

304 350DM8 DM6 6205 ZZ 6204 ZZ

90L 125 156 36 329 375100L 160

49188 199 165

14050

173 63 11828j6

22j650 45

624

18.5 6 100 16 198

12

376 431DM10 DM8

6206 ZZ 6205 ZZ112M 190 220 222 184 177 70 128 24j6 60

820

7112 18.5 235 280 393 448 6307 ZZ 6206 ZZ

132S216 51 248 270 212 55

18789 150 38k6 28j6 80 60 63 10 33 24

8132 20 274 319

452 519DM12 DM10 6308 ZZ 6207 ZZ

132M 178 225 490 557160M

254 64 308 312 255210

65254

108 174 42k6 42k6

110 11080

12 12 37 37 8 160 22 317 37014.5

598 712

DM166309 C3

6209 Z-C3160L 254 298 642 756

180M279 80 350 358 275

24175

294121 200 48k6

48k614

1442.5

42.59

9180 28 360 413

664 7826311 C3

6211 Z-C3180L 279 332 702 820

200L318 82 385 396 300

30585

370133 222

55m6 16 49 10200 30 402 464

18.5

767 880

DM20

6312 C36212 Z-C3200M 267 332 729 842

225S/M 356 80 436 476373

286105 391 149

28055m6 100 16 49 10 225 34 466 537 817 935

6314 C3

311255

250S/M 406100

506 476 138 449 168312

60m6

60m6 140 140 12518

18

53

5311

11

25042

491 56224

923 1071349 274

280S/M 457 557 600 468368

142 510 190350

58 280 578 668 1036 1188419 299

65m6315S/M 508 120 628 600 497

406152 558 216

37658 315 52 613 703

281126 1278

457 325

355M/L 610 140 750 816 685560

200 760 254467

75m6 20 67.5 12 355 50 725 834 1396 1561 6316 C3630 397

Motores Trifásicos Cerrados - W21

Mot

ores

W21

CarcasaDIMENSONES DE LA BRIDA TIPO “C” DIN Cantidad de

AgujerosBrida M N P S T θ

63 C-90 75 60 90 M52.5

45° 4

71 C-105 85 70 105M6

80 C-120 100 80 120

390SC-140 115 95 140

M890L

100LC-160 130 110 160

3.5112M

132SC-200 165 130 200 M10

132M

Brida “C” DIN

Brida “FF”

CarcasaDIMENSONES DE LA BRIDA TIPO “FF” Cantidad

de AgujerosBrida LA M N P S T θ

63 FF-1159

115 95 14010

3

45° 4

71 FF-130 130 110 160

3.580

FF-165 10 165 130 200 1290S

90L

100LFF-215 11 215 180 250

15 4112M

132SFF-265 12 265 230 300

132M

160M

FF-300

18

300 250 350

19 5

160L

180M

180L

200LFF-350 350 300 400

200M

225S/M FF-400 400 350 450

22°30’ 8

250S/MFF-500 500 450 550

280S/M

315S/M FF-600

22

600 550 660

24 6355M/L FF-740 740 680 800

315B FF-600 600 550 660

16

Notas:

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

Efi ciencia Estándar - Datos Mecánicos

Motores Trifásicos Cerrados - W21

3-348-980-0317/1.10

GMC-I Messtechnik GmbH

A2000Multifunctional Power Meter

DQS certified perDIN EN ISO 9001 Reg. No.1262

QUALITY MANAGEMENT SYSTEM

ApplicationsThe 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 trans-formers, the instrument performs the most important measure-ments 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 fail-safe system if the instrument version with integrated memory is utilized. Important measured values can be monitored continu-ously 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.

Applicable Regulations and Standards

Function and Operational Principle

The measuring instrument acquires instantaneous values for star-connected voltages and currents at three-phase electrical sys-tems. 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 mea-sured 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 cal-culation 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 inter-face, the analog outputs and the limit value monitoring system.

IEC/EN 61010-1 /VDE 0411 Part 1

Safety requirements for electrical equipment formeasurement, control and laboratory use

DIN 43864 Current interface for pulse transmission betweenimpulse meters and tariff devices (for pulse output)

DIN EN 61326VDE 0843 Part 20

Electrical equipment for measurement, control andlaboratory use – EMC requirements

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

• Measurement of current, voltage, active, reactive and apparent power, power factor, active and reactive energy, harmonicdistortion and harmonics

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

• Depending upon model, capable of communications with Profibus-DP, LONWORKS interface or RS 485 interface with Modbus RTUand 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 valuesfor load profile and statistical purposes (optional)

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

• Electrically isolated current inputs

• Two limit value contacts which can be assigned as desired to measured values

A2000Multifunctional Power Meter

2 GMC-I Messtechnik GmbH

Data Storage Up to 12 measured values can be selected for storage to mem-ory. 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 val-ues. 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 mem-ory, one after the other. The trigger level which starts the record-ing 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 maxi-mum 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.

Fig. 1 Schematic Diagram

Representation of Values for Power and Power Factor According to the Selected Parameters Configuration

DIN = calculation of reactive power per DIN 40110without + or – sign

Sign= calculation of reactive power with + or – sign

Comp= compensating reactive power(reactive power is only produced if currentand voltage have different + or – signs)

Fig. 2 Values for Power and Power Factor

SafetyImpedance

L1

L2

L3

N

I1I2I3

ADC12 Bit

CPU16 Bit

Mux

RS-232

(Option)

ParametersMemory

Lock

Display User Interface

supply

Power

AnalogOutputs

U

I

LimitValues

Pulse

Synchronizing

RS-485

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

Input

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

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

or20 ... 69 V / 20 ... 72 V or73 ... 264 V / 73 ... 276 V

Vol-tageInputs

Cur-rentInputs

(Option)

Outputs

}

(Option)

230 V / 115 V

Q S2 P2–=

1. Q

4. Q3. Q

P = –Q = +

P = +Q = +

P = –Q = +

P = +Q = +

EP–EQ–

EP–EQ–

EP+EQ+

EP+EQ+

PF = cap PF = ind

PF = capPF = ind

1 1

0

0

2. Q

1. Q

4. Q3. Q

P = –Q = +

P = +Q = +

P = –Q = –

P = +Q = –

EP–EQ+

EP–EQ–

EP+EQ+

EP+EQ–

PF = ind PF = ind

PF = capPF = cap

1 1

0

0

2. Q

Q1

TN------ u

0

TN

t i t TN4

------– dt =

Q2

TN------– u

0

TN

t i t dt =

for u(t) · i(t) < 0

1. Q

4. Q3. Q

P = –Q = 0

P = +Q = +

P = –Q = 0

P = +Q = –

EP–EQ+

EP–EQ–

EP+EQ+

EP+EQ–

PF = 1.0 PF = ind

PF = capPF = 1.0

1 1

0

0

2. Q

BB

V4

63

93

www.schneider-electric.com

2354235 11/2008

Altivar 312Variadores de velocidadpara motores asíncronos

Manual de instalación

04/2009

12 BBV46393 04/2009

Dimensiones y pesos

ATV312H amm (in.)

bmm (in.)

Cmm (in.)

Dmm (in.)

Gmm (in.)

Hmm (in.)

Jmm (in.)

K mm (in.)

Ømm (in.)

Pesokg (libra)

018M3, 037M3 72(2.83)

145(5.70)

122(4.80)

6(0.24)

60(2.36)

121.5(4.76)

2 x 5(2x0.2)

18.5(0.73)

2 x 5(2x0.2)

0,9(1.98)

055M3, 075M3 72(2.83)

145(5.70)

132(5.19)

6(0.24)

60(2.36)

121.5(4.76)

2 x 5(2x0.2)

18.5(0.73)

2 x 5(2x0.2)

0,9(1.98)

018M2, 037M2 72(2.83)

145(5.70)

132(5.19)

6(0.24)

60(2.36)

121.5(4.76)

2 x 5(2x0.2)

18.5(0.73)

2 x 5(2x0.2)

1,05(2.31)

055M2, 075M2 72(2.83)

145(5.70)

142(5.59)

6(0.24)

60(2.36)

121.5(4.76)

2 x 5(2x0.2)

18.5(0.73)

2 x 5(2x0.2)

1,05(2.31)

ATV312H amm (in.)

bmm (in.)

Cmm (in.)

Dmm (in.)

Gmm (in.)

Hmm (in.)

Jmm (in.)

K mm (in.)

Ømm (in.)

Pesokg (libra)

U1pM3 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)

2 x 5(2x0.2)

1,25(2.76)

U1pM2, U22M3, 037N4 a U15N4075S6, 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)

2 x 5(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)

4 x 5(4x0.2)

2,35(5.18)

BBV46393 04/2009 13

Dimensiones y pesos (continuación)

ATV312H amm (in.)

bmm (in.)

Cmm (in.)

Dmm (in.)

Gmm (in.)

Hmm (in.)

Jmm (in.)

K mm (in.)

Ømm (in.)

Pesokg (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)

4 x 5(4x0.2)

4,70(10,36)

ATV312H amm (in.)

bmm (in.)

Cmm (in.)

Dmm (in.)

Gmm (in.)

Hmm (in.)

Jmm (in.)

K mm (in.)

Ømm (in.)

Pesokg (libra)

D1pM3,D1pN4,D1pS6

245(9.65)

329.5(12.97)

192(7.56)

6(0.24)

225(8.86)

295(11.61)

7(0.28)

27.5(1.08)

4 x 6(4x0.24)

9(19,84)

FICHA DE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Velocidad Presión Humedad Caudal Temperatura Combustión

Rango de medida ...........................ver tabla al lado

Unidades de medida ......................Pa, mmH O, mbar, inWG (CP 101 y CP102)2

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 mmH O (CP102)2

±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)

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

Ajuste del cero ................................manual por botón pulsadorTipo de fluido ..................................aire y gases neutrosSobrepresión admisible ................25000 Pa (CP 101), 7000 mmH O (CP 102), 2

1400 mbar (CP 103), 3000 mbar (CP 104).

• 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

CON o SIN pantallaCaracterísticas de la Caja

Transmisor de Presión

CP 100

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

Presión

Caja .................................................ABSClasificación...................................HB según UL94Tamaño de la caja ..........................ver dibujosÍndice de Protección......................IP 65Pantalla ...........................................LCD 5 dígitos. Dimensiones 50 x 15 mmAltura de los caracteres ................10 mmTomas 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)

100 mm

93 m

m

42 mm

Tamaño de la caja(Incluido soporte de fijación)

Referencias

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

CP10

1 -500/+1000 Pa2 -500/+1000 mmH O3 -250/+500 mbar4 -1000/+2000 mbar

2

A Activo

P Pasivo

• 24 Vac/Vdc • 0-10V o 4-20 mA

• 18/30 Vdc • 4-20 mA

Escalas de medida

Transductor / Alim / Salida

O Con pantalla

N Sin pantalla

Indicación

Ejemplo : CP103-AOModelo : 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

-

Para las esca las intermedias y de cero c e n t r a l , v e r “Configuración”.

Especificaciones Técnicas

Salida / Alimentación........activo 0-10 V o 4-20 mA (alim. 24 Vac/Vdc) ± 10%, 3 hiloslazo pasivo 4-20 mA (alim. 18/30 Vdc), 2 hiloscarga 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 61326Conexión eléctrica bornes para cables Ø 1.5 mm² max.Comunicación PC .........................cable Kimo RS 232Temperatura de uso ......................0 a +50°CTemperatura de almacenaje .........-10 a +70°CUso.................................................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

Bornes

a

GND ......masaVdc P.....tensión continua (presión)

a

Salida 0-10V

Idc P ......corriente continua (presión)GND ......masaa

Salida 4-20 mA

Vdc ......tensión continuaGND ....masa

b

Conexión eléctrica - según norma NFC15-100Solo un técnico cualificado pude realzar esta operación. Para realizar la conexión : el equipo debe permanecer sin tensión.!

Para los modelos

101 102103104

101 102103104

CP - AO y CP - AN • Salida 0-10 V 4-20 mA - activosO

Para los modelos

101 102103104

101 102103104

CP - PO y CP - PN • Salida 4-20 mA - pasivos

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

Alimentación con tensión continua

Vac.......tensión alternativa (fase)Vac.......tensión alternativa (neutro)

b

Alimentación con tensión alterna

Interruptores

d

Pasa cablesc

Conexión PCprograma LCC 100e

Toma depresión(ejemplo anillas)

Bornesde alimentación

b

Bornesde salidas

a

Para los modelos

101 102103104

101 102103104

CP - AO y CP - AN • Salida 0-10 V 4-20 mA - activoO

Para los modelos

101 102103104

101 102103104

CP - PO y CP - PN • Salda 4-20 mA - pasivo4 Hilos

Controlador de procesoo autómatalazo pasivo

--

++

GND

Vdc P

-

+

+-


Borniesde salida

Vdc

GND

Alimentación24 Vdc

OVac

Vac

Alimentación24 VacClase II

~

~~ ~

+Idc P

ó

Controlador de procesoo autómatalazo pasivo

+

-

Salida 4-20 mA

Salida 0-10 V

3 HilosPara 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.

!

+

GND

Vdc P

-

+

+

Bornesde

alimentación

Bornesde salida

Vdc

GND

Alimentación24 Vdc

+

GND

Vdc P


Bornesde salida

Vac

GND

Alimentación24 Vac

~

Fase Neutro

+Idc P +Idc P

-

+

+

-

Vdc

IP

Alimentación18-30 Vcc

2 Hilos

Controlador de proceso o autómatamodelo pasivo

-

+

+

-

Vdc Controlador de proceso o autómatamodelo activo

+

I in

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

a

4 hilos

3 hilos 3 hilos2 hilos

2 hilos

-

+

+ +

IP

- Salda4-20 mAo0-10 V

-

+Salida4-20 mAo0-10 V

-

Puesta a cero

2

ó

ó

ó

ó

Hardware OverviewThe 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.

Software OverviewNI 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.

Recommended Accessories

Common ApplicationsThe 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.

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 Bus Analog Inputs1 Input Resolution Sampling Rate Input Range Analog Outputs Output Resolution Output Rate2 Output Range Digital I/O Counter/Timers TriggersNI DAQPad-6015 USB 16 SE/8 DI 16 bits 200 kS/s ±0.05 to ±10 V 2 16 bits 300 S/s ±10 V 8 2 DigitalNI DAQPad-6016 USB 16 SE/8 DI 16 bits 200 kS/s ±0.05 to ±10 V 2 16 bits 300 S/s ±10 V 32 2 Digital1SE – single ended, DI – differential 2System-dependent

Model

Cable Signal ConnectivityNoise-Reducing,

ShieldedLow-Cost,

RibbonSensors/

Signals >10 V Signals <10 VNI DAQPad-6016Screw Terminal

Built-in signal connectivity – no accessories neededNI DAQPad-6015Screw TerminalNI DAQPad-6015 BNCNI DAQPad-6015 Mass Termination

SH68-68-EP R6868SCC signal

conditioningSCB-68

NI DAQPad-6016 OEM SH50-50 – Custom or third-party 50-pin connectorSH6850 R6850 – CB-68LP

Table 2. NI DAQPad-601x Accessory Selection Guide

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Documents

Degree's dissertation