¿CÓMO MANTENER LA TEMPERATURA CONSTANTE AL INTERIOR DE UN AUTO?

MARCO TEÓRICO

Emisividad

La emisividad, llamada antiguamente emitancia, es la proporción de radiación térmica emitida por una superficie u objeto debida a una diferencia de temperatura con su entorno. La emisividad direccional espectral se define como la razón entre la intensidad emitida por la superficie en una dirección particular y la intensidad que sería emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y longitud de onda. La emisividad total se obtiene por integración sobre todo elespectro electromagnético y todo el espacio. Cuanto más pequeño sea el valor de la emisividad, mejor aislante por reflexión será dicha superficie, siendo 1 el valor máximo.

El coeficiente de emisividad (ε), es un número adimensional que relaciona la habilidad de un objeto real para irradiarenergía térmica, con la habilidad de irradiar si éste fuera un cuerpo negro, por consiguiente, tiene un coeficiente ε = 1, mientras que en un objeto real, ε siempre se mantiene menor a 1.

Teniendo en cuenta la ley de Stefan-Boltzmann, la radiación emitida por una superficie real se expresa como una porción de la que emitiría el cuerpo negro y se expresa como:

Donde:

Q = flujo de calor

= emisividad

= 5.67 E-8 es la constante de Stefan-Boltzmann

As = área superficial del objeto

Ts = temperatura superficial del objeto

Calefacción

La calefacción es una forma de climatización que consiste en aportar calor a los espacios cerrados y habitados, cuando las temperaturas exteriores son bajas (estación invernal) conforme sean las necesidades.

La calefacción centralizada es una instalación de climatización que sirve a varios locales sean o no de una vivienda. Si todos los locales son de una única unidad de consumo (una vivienda, por ejemplo), se llamaría calefacción individual; si pertenecen a varias unidades de consumo (viviendas u oficinas) se llama calefacción colectiva.Aunque en algunos sistemas antiguos no había regulación y unos vecinos podían pasar calor, mientras que otros pasaban frío, en los sistemas actuales la eficiencia es mayor que en los sistemas individuales:

Se puede costear una sistema de calefacción más eficiente, ya que el rendimiento crece con el tamaño de la instalación.

Las calderas mayores suelen ser más eficientes. El consumo repartido provoca menos paradas y arranques. Debido al menor número de paradas y arranque el sistema tiene mayor

eficiencia que un sistema individual. Se puede utilizar un sistema modular, que arranque módulos cuando su

potencia no sea suficiente. Varios módulos a plena potencia son más eficientes que muchas calderas individuales a media potencia.

El uso es más intensivo y se amortiza antes la inversión.

Sistema híbrido

Para paliar el problema del bajo rendimiento de la bomba de calor con bajas temperaturas, puede hacerse un sistema híbrido con caldera y bomba de calor. Un programador electrónico determina cuando la bomba tiene buen rendimiento (teniendo en cuenta, tanto la temperatura exterior como el precio de los combustibles) y es adecuado que funcione y la para, y pone en marcha la caldera, cuando el rendimiento de la bomba es bajo.

Distribución del calor

La distribución de calor en los sistemas centralizados se hace actualmente solo de dos maneras: por agua y por aire. El vapor ya no se emplea porque es un caloportador difícil de regular (hay que hacerlo en cada radiador) y porque la temperatura que alcanza la superficie de los emisores es muy alta (alrededor de los 100 ºC) de modo que puede producir quemaduras por contacto.

Por agua y aire

No solo se usa el reparto por agua en la calefacción clásica, sino que también se emplea en las instalaciones de climatización por aire, para llevar el calor desde las calderas hasta los climatizadores, donde se tratará el aire, que será el caloportador que llegará a los locales; es decir, hay un transporte primario por agua y otro secundario por aire.

El sistema que más apropiadamente merece el nombre de agua y aire es el que utiliza ambos caloportadores para climatizar. Efectivamente, el caudal de aire necesario para la ventilación puede insuficiente como caloportador, por lo que en las instalaciones es frecuente hacer una mezcla de aire exterior (ventilación) con el de retorno. En este caso, solamente se lleva a los locales el

aire de ventilación y para completar la cantidad de calor requerida, otra parte se lleva por agua a emisores específicos (ventiloconvectores).

Elementos terminales

Se llaman terminales, a veces emisores, a los aparatos que emiten el calor en los ambientes.

Cuando de un sistema de agua se trata, los más clásicos son los radiadores, pero también se emplean los paramentos radiantes. Estos no son propiamente aparatos, sino que consisten en un circuito de tuberías empotradas bajo el recubrimiento, convirtiendo el paramento en un emisor de calor. Lo más habitual es que ese paramento sea el suelo, pero veces se usa también el techo o las paredes. El techo no es una buena solución porque la piel humana absorbe muy bien la radiación térmica y los alopécicos tienen tendencia a sufrir dolores de cabeza con este sistema.

Otro terminal empleado en los sistemas de agua es el ventilo convector.

Cuando se trata de sistemas por aire, los terminales son sencillamente los diversos tipos de rejillas o difusores por los que se impulsa el aire al ambiente.

Regulación

El fin de la regulación de los sistemas de calefacción es proporcionar en cada momento la potencia adecuada a las necesidades del edificio o local. La potencia instalada en el sistema es la potencia máxima requerida en el momento más frío de un año medio. El resto de la temporada de calefacción, las temperaturas exteriores son más altas que la mínima y la necesidad de calor es menor. Por esta razón hay que regular la potencia de acuerdo con las necesidades en cada momento. A menor temperatura exterior, mayor potencia se requiere, de modo que la potencia necesaria no solo varía a lo largo de la temporada fría, sino también a lo largo del día. Hay tres medios para conseguirlo: por tiempo, por temperatura y por caudal.8 En ciertas instalaciones hay varios tipos de regulación simultáneamente.

Regulación por temperatura del caloportador

El sistema de regulación por temperatura del caloportador, o regulación proporcional, es más complicado: consiste en un sistema electrónico que recibe una señal indicando la temperatura del ambiente exterior del edificio, enviada por una sonda exterior, y en función de ella, regula la temperatura del agua enviada a los emisores. Efectivamente:

La potencia emitida por los emisores depende de la superficie de éstos y del salto de temperaturas entre esa superficie y el ambiente. Como la superficie es siempre la misma y, una vez fijada, la temperatura del ambiente también es constante, la única variable es la temperatura del emisor o, lo que suele ser lo mismo, la temperatura del caloportador.

Por otro lado, la necesidad de calor depende de las pérdidas de calor del edificio y éstas, a su vez, dependen del aislamiento de sus elementos constructivos que lo separan con el exterior, de las necesidades de ventilación y de la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior. Como en el caso anterior, la constitución de los elementos separadores es fija, la ventilación se debe fijar y, como se ha dicho lo mismo ocurre con la temperatura interior, luego la única variable es la temperatura exterior.

La regulación de la temperatura del caloportador se hace mediante una válvula multivía motorizada (de tres o cuatro vías) que mezcla el agua de la caldera con agua del retorno (ya enfriada) para conseguir la temperatura adecuada. La centralita conoce en cada momento la temperatura de impulsión, mediante otra sonda situada en el conducto de ida (o impulsión) y mueve el motor de la válvula en consecuencia.

ANÁLISIS DEL PROBLEMA

Calcular el intercambio energético que se da en un automóvil durante todo el año para mantener la misma temperatura dentro de este.

En la ciudad de Lima, Miraflores, la temperatura promedio anual es de 21°C,por lo que implementaremos un sistema de calefacción para aumentar la temperatura dentro de un automóvil a 25 °C durante todo el año.

Para calcular el intercambio energético que se realiza para climatizar el automóvil durante todo el año, primero analizaremos el intercambio energético realizado por el sistema de calefacción para mantener su temperatura constante e igual a 25 °C con respecto al ambiente, durante cada mes del año.

Temperaturas promedios de Lima (°C)

TEMPERATURA 23°C 24°C 22.5°C 21,5°C 24°C 22,5°C 21,5°C 21,5°C 22°C 23°C 24°C 21°C

PROMEDIO

ene

feb

mar abr may jun jul ago sep oct

nov dic

27º 28º 27º 26º 23º 21º 20º

20º 21º 22º 23º 25º

19º 20º 19º 17º 15º 14º 13º

13º 13º 14º 15º 17º

VERANO OTOÑO INVIERNO PRIMAVERA

23,17°C 22.67°C 21,67°C 22,67°C

Si tomamos como referencia un auto LAMBORGHINI MURCIELAGO

Hecho de material de fibra de carbono el cual tiene una Emisividad de ε=0.8 y un área superficial de 19,7627m2

Luego realizando los cálculos para cada estación tenemos:

En verano:

Q= (0.8)(5.67x10-8)(19,7627)(296,17)4

Q= 6897,37

En otoño:

Q= (0.8)(5.67x10-8)(19,7627)(295,67)4

Q=6850,91

En invierno:

Q= (0.8)(5.67x10-8)(19,7627)(294,67)4

Q=6758,69

En primavera:

Q= (0.8)(5.67x10-8)(19,7627)(295,67)4

Q=6850,91

BIBLIOGRAFÍA

Física para ciencias e ingeniería, Raymond A. Serway y John W. Jewett Jr., editorial cengage learning, volumen 2, séptima edición, 2008.

http://www.tnrelaciones.com/cm/preguntas_y_respuestas/content/ 198/2032/es/piel-saludable.html (Ingreso: 21/09/2014 a las 5:27 p.m.)

http://es.wikipedia.org/wiki/Calefacci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Emisividad

http://www.mirafloresperu.com/turismo-miraflores-lima-peru/clima-geografia-poblacion.php

http://www.tierra-inca.com/meteo/histo/index.php?lg=es&id=lima