DISEÑO DE UNA GUARDED HOT BOX
Para el diseño de la caja de transferencia de calor, se consideró el diseño del proyecto anterior relacionado con este tema, en el cual ya se había construido un Guarded Hot Box que, desafortunadamente, se encontraba incompleto pues carecía de cámara de medición y se instaló un sistema de calefacción y de control de temperatura pobre en la cámara caliente; además su estructura externa era endeble. De manera recursiva, se decidió dejar las mismas medidas de tamaño del diseño anterior de la cámara fría para aprovechar los equipos ya instalados en buen estado, como el equipo de refrigeración y adaptar las otras cámaras a estas longitudes. Finalmente, se recurrió a diseñar totalmente la cámara de medición, a rediseñar el sistema de calefacción de la cámara caliente y realizar algunas mejorías de construcción y realizarle unas leves mejorías a la caja fría.
Las dimensiones externas ya establecidas de la cámara fría son de (1m x 1m x 0.5 m) y las diseñadas para la cámara caliente de volumen de (1m x 1m x 0.55m). La cámara de medición tiene dimensiones de ( 0.40 m x 0.40 m x 0.20 m). Se dispuso el mismo material ligero y resistente de la estructura externa de las cámaras caliente y fría (madera triplex) pero se aumenta el grosor de la lámina de 3mm a 7mm para estabilizar la estructura. Los bordes externos de la estructura se unen mediante perfiles de aluminio en “L” de 3cm y 4cm y remaches para dar una unión más limpia y más asegurada. La estructura de la caja medición esta fija mediante puntillas pequeñas.
Para aislar las cámaras caliente y fría con el exterior, se recubre el interior con el mismo material aislante del diseño anterior que se consigue en el mercado, láminas de poliuretano de 2 pulgadas de espesor con una conductividad térmica 0.03 W / (m2 *K), permitida por la norma ASTM C 236. Para garantizar mayor aislamiento todas las uniones se sellan con silicona adhesiva sellante. Además, en los bordes de las caras que dan contra el panel, se pega caucho de neopreno con cámara de aire para que, al juntar las cámaras contra el pánel, exista un sellamiento por presión.
La cámara caliente esta equipada por 4 resistencias térmicas de 60watts y 38cm de largo y dos ventiladores de 12cm de diámetro-115V-400 RPM ensamblando en cada costado de la cámara caliente dos resistencias conectadas en serie y un ventilador tal como se muestra en la figura 2.1. El juego de dos resistencias en serie está conectado en paralelo con el otro juego del costado opuesto; de esta manera, trabajaran con menor voltaje y se calentarán más lentamente. Los ventiladores están conectados entre si para funcionar con la mitad del voltaje, por lo que trabajarán a 400 RPM, generando una ventilación suave.
La cámara fría esta equipada con un sistema de refrigeración que consta de un compresor de 110 Voltios, el cual usa Freon R-22; un evaporador con ventilador para dispersar el vapor de aire frío por toda la cámara fría; y, un condensador con ventilador. Este sistema de refrigeración del Guarded Hot Box fue instalado en un proyecto anterior, por lo que no se requiere de instalación. En la figura 2.1 se aprecia de igual manera la cámara fría está equipada con un sistema de refrigeración que consta de compresor, condensador, evaporador y ventilador.
Finalmente, en caso de que se requiera desplazar las cámaras caliente y fría , se debe instalar juegos de rodachines adecuados con el peso de ambas cámaras.
Se describirá paso a paso el proceso de construcción de cada una de las cámaras del Guarded Hot Box documentando fotográficamente el proceso.
Cámara Caliente (Guard Box)
Equipamiento
Como ha sido mencionado anteriormente, la cámara caliente está equipada con una estructura a base de triplex de 7.0mm de espesor, perfiles de aluminio de 3.0mm y 4.0mm de ancho, remaches, láminas de poliuretano de 2 pulgadas de espesor, 2 ventiladores de 12cm de diámetro-115V-800 RPM, 4 resistencias térmicas de 60watts de 38cm de largo y 4 rodachines de plataforma giratoria de 1 ¼” de diámetro y con una capacidad de 15 Kg. Por rueda. Las resistencias térmicas serán instaladas dentro de la cámara mediante abrazaderas y los ventiladores mediante perfiles de aluminio en “L”.
El primer paso de la construcción de la cámara caliente es armar la estructura de madera, unida mediante los perfiles de aluminio. Después, se debe adherir las láminas de poliuretano en las paredes internas de la estructura con adhesivo. Finalmente, se pintó la estructura para darle mejor presentación y se sellaron los bordes de las uniones de las láminas de poliuretano con silicona adhesiva sellante especial para temperaturas altas. El resultado de este primer paso se puede ilustrar en la imagen 3.1.
Como se mencionó anteriormente, las resistencias térmicas se instalaron mediante abrazaderas metálicas. Para que el calor no se transfiriese a éstas, las resistencias tienen en sus esquinas soportes cerámicos que, para tener mayor apriete dentro de la abrazadera, están unidas a abrazaderas de plástico tal y como lo muestra la figura 3.3 (a) y (b)
La cámara fría esta equipada con una estructura a base de triplex de 7.0mm de espesor, perfiles de aluminio de 3.0mm y 4.0mm de ancho, remaches, láminas de poliuretano de 2 pulgadas de espesor, un sistema de refrigeración. Dicho sistema consta de un compresor de 110 Voltios, el cual usa Freon R-22; un evaporador con ventilador para dispersar el vapor de aire frío por toda la cámara fría; y, un condensador con ventilador mostrados en la figura 3.5. Debido a que el sistema de refrigeración instalado en el Guarded Hot Box construido en un proyecto anterior se hallaba en buen estado, se decidió cambiar únicamente la estructura de triplex por uno más grueso. Para facilitar el desplazamiento de la cámara, el equipo cuenta con 4 rodachines de plataforma giratoria de 1 ¼” de diámetro y con una capacidad de 15 Kg.
Debido a que la cámara fría fue construida en un proyecto anterior, y, como se mencionó posteriormente, únicamente se cambió el triplex de la estructura y se adhirió el neopreno con cámara de aire; para conocer los procedimientos de construcción véase pie de página12. De igual manera, la instalación de los equipos está descrito en la misma referencia. La cámara fría reconstruida se muestra en la figura 3.6.
La cámara de medición está equipada con una estructura a base de triplex de 7.0mm de espesor, unida mediante puntillas, 1 resistencia térmica de 60watts y 30cm de longitud, ventilador de 4.75cm de diámetro y 4V-450RPM y con tornillos sin cabeza de 3/8” y 30cm de largo. La resistencia térmicas será instalada dentro de la cámara mediante resortes.
El primer paso de la construcción de la cámara de medición es armar la estructura de madera, unida mediante puntillas (ver figura 3.7).
Sistema de Control de Temperatura de la Cámara Fría (Cold Box)
Para controlar la temperatura de la cámara fría, se utilizó un sistema convencional ON/OFF utilizado comúnmente en neveras. Dicho control de temperatura apaga/prende el sistema de refrigeración mediante la comparación de una temperatura de referencia con la temperatura del ambiente frío. Para más información, véase pie de página.13
Sistema de Control de Temperatura de la Cámara Caliente (Guard Box) y la Cámara de Medición (Metering Box)
El sistema de control temperatura de la cámara caliente y la cámara de medición es un sistema de control ON/OFF con una histéresis baja (2°C), explicado en el capítulo de teoría. Este sistema consta de varias partes:
Sensores LM35: son sensores de circuito-integrado de temperatura de precisión cuyo voltaje es linealmente proporcional a temperatura en grados Celsius (centígrados). Algunas de las características de Los LM35 son:
- Calibrado directamente en Celsius (Centígrados)
- Factor de escala lineal + 10.0mVºC
- Rango de -55° to +150°C
- Bajo costo
- Opera desde 4 a 30 voltios
- Menos de 60 µA de drenaje de corriente
- Autocalentamiento bajo, 0.08°C en aire.
- No linealidad solo ±1.4°C típica
- Baja salida de impedancia 0.1 Ω para 1 mA
13 CORTES, Mauricio. Diseño y Construcción de una Caja de Transferencia de Calor (Guarded Hot Box). Bogotá, 2005, 36 p. Tesis (Ingeniero Mecánico). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica.
El sistema cuenta con dos sensores: uno para la cámara caliente y otro para la cámara de medición.
Diodo LM136-25: es un diodo de referencia de voltaje de 2.5V. Varias características de este dispositivo son:
- Bajo coeficiente de temperatura
- Amplia corriente de operación desde 400 µA hasta 10 mA
- Estabilidad de temperature garantizada
- Rápido encendido
- Salida de corriente de hasta 1ª
- Salida de voltajes de 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24V
Funcionamiento alto RISC CPU:
- Compilador C y set de arquitectura/instrucción optimizado
- Memoria de programa linear de 23 Kbytes
- Memoria de datos linear de 1.5 Kbytes
- Instrucciones de 16-bit
- Prioridad para interruptores
- Fuente de alta corriente 25 mA/25 mA
- 3 Pines externos de interruptores
- 8-bit/16-bit/counter con 8-bit de periodo de registro
- Dos módulos de Captura/Comparación
- Compatible con módulo conversor Análogo-Digital 10-bit
- Detección de bajo voltaje programable
- Autoreprogramable bajo control de software • Power-on Reset (POR), Power-up Times (PWRT) y Oscillator Start-up Timer (OST)
La figura 5.1 muestra el arreglo de las cámaras-panel durante las pruebas. El panel escogido es de madera MDF con recubrimiento de fórmica, y, debido a que no se tenía diseñado un sistema de cierre entre las cajas pues no se conocía las dimensiones del panel, se optó por un ajuste de lazos de material sintético estirables con ganchos en los extremos.
Antes de comenzar la prueba, se tomaron los datos de las corrientes y los voltajes de los equipos. La figura 5.2 muestra el esquema del circuito de los equipos de la cámara caliente y la cámara de medición seguido por la tabla con los valores obtenidos de voltaje-corriente correspondiente.
Sin embargo, debido a que el sistema requiere que tanto la temperatura de la cámara de medición y la temperatura de la cámara caliente sean iguales; no se puede obtener un dato exacto de la transmitancia térmica, U. Por lo tanto, no se logró caracterizar térmicamente el panel de prueba. Sin embargo, la solución al problema es sencilla: instalar un DIGMER en las resistencias térmicas de la cámara caliente. Con esto, se puede graduar la potencia que reciben los juegos de resistencia; de esta manera, de ajustan las temperaturas de ambas cámaras para estos casos en donde la Cámara Caliente supere la temperatura de la Cámara de Medición.
Sin embargo, a pesar de no poder encontrar la característica térmica correspondiente, las gráficas muestran un estado estable el cual es el ideal del Guarded Hot Box. Esto significa, que, al conseguir graduar también los juegos de resistencias térmicas, se podrá llegar al ideal de flujo de calor constante a través del panel y encontrar los valores de U respectivos.
Valoraciones durante el Diseño, Construcción y Experimentación del Guarded Hot Box
Desventajas y Problemas Presentados
Durante la realización del proyecto, se presentaron inconvenientes que retrasaron el cronograma inicialmente propuesto.
- Debido a una incapacidad médica, se detuvo el progreso del proyecto durante un mes; por ende, se requirió de un Pendiente Especial para culminar los objetivos planteados.
- Al principio del proyecto, el sistema de control de temperatura que se usaría para el Guarded Hot Box consistía en un sistema de control PID (proporcional, integral, derivativo), el cual combina el control proporcional con dos ajustes adicionales que ayudan a compensar automáticamente los cambios en el sistema. El sistema PID es el tipo de control más preciso y estable, ideal para sistemas que reaccionan rápidamente a cambios de energía y del setpoint, como es el caso del sistema de calefacción usado en este proyecto. Sin embargo, debido a la incapacidad médica y al poco tiempo requerido para terminar el proyecto, se optó por un sistema de control ON/OFF, que, para las condiciones requeridas por la metodología, no es el sistema de control más indicado y no garantiza temperatura estable.
- Aunque las pruebas realizadas confirmaron el buen funcionamiento de los equipos, debido a que no se consiguió que las temperaturas de la cámara caliente y de la cámara de medición fuesen iguales, no fue posible realizar los cálculos de potencia. Por lo tanto, no se consiguió realizar una corroboración de las mediciones.
- La prioridad en este proyecto recaía sobre la cámara caliente y la cámara de medición. Al enfocarse más en el diseño, construcción y sistema de control de temperatura de estos, la cámara fría pasó a un segundo plano. Al finalizar, faltó un detalle de construcción de esta cámara, que consistía en un pánel interno de madera que permita el flujo de aire frío de abajo hacia arriba.
- Dado que se desconocía el tamaño del panel de prueba que se usaría para la experimentación, no se tuvo en cuenta el diseño de un cierre entre las uniones cámara caliente-panel-cámara fría que no permitiese pérdidas de calor con los alrededores. Al final, fue necesario utilizar un sistema de cierre temporal. El problema radica en que para futuras pruebas no existe un sellado permanente y este inconveniente influye altamente en la precisión de los datos obtenidos durante las pruebas.
Mejorías, Soluciones y Ventajas Presentadas
- El proyecto propuso un diseño completo y conveniente que funciona según la metodología de la Norma ASTM C236 – 80. Todas las indicaciones, conceptos, arreglos y precauciones proporcionados por la norma fueron tomados en cuenta a la hora del diseño y la construcción.
- El Guarded Hot Box se construyó en su totalidad, con materiales de calidad y con uniones, sellamientos, adhesiones y aislamientos eficaces. Todo fue ensamblado bajo medidas verificando cada detalle tanto de construcción como de instalación.
- La cámara caliente y la cámara fría poseen un aislamiento óptimo que consta de un recubrimiento interior de espuma de poliuretano de 2 pulgadas y de silicona adhesiva sellante en las uniones.
- Todos los equipos del Guarded Hot Box funcionan perfectamente. Estos equipos y los sistemas de control de temperatura trabajan con 110V.
- El sistema de control del Guarded Hot Box funciona perfectamente, con un margen de error de XºC. Si en un futuro se requiere cambiar el rango de temperaturas límite, solamente se debe configurar nuevamente el microcontrolador por computador.
- El proyecto ilustra la conducción unidimensional en estado estable de una pared plana.
Continuación del Proyecto
- Este proyecto es la continuación y perfeccionamiento de proyectos pasados. Sin embargo, debido a que presentó problemas y fallas finales requiere, a su vez, de mejorías y de un estudio posterior.
- Se debe instalar un sistema de control más preciso y estable con el fin de garantizar transferencia de calor en estado estable. Se recomienda un sistema de control PID (proporcional, integral, derivativo) que responde más rápidamente a los cambios de temperatura.
- Si se desea que la medición de la temperatura alrededor de la caja de medición sea más exacta, se recomienda instalar más sensores que cubran las demás caras externas de la cámara de medición que no poseen sensor.
- Para evitar pérdidas de calor y obtener datos más precisos, el Guarded Hot Box requiere de un sistema de cierre que permita máxima fijación entre las caras de las cámaras con la superficie caliente y la superficie fría del panel.
- La temperatura dentro cámara fría varía no es uniforme debido a que no existe un sistema eficiente de movilización del aire frío. Se recomienda estudiar la norma técnica utilizada para el diseño de este sistema.
- Para lograr obtener mediciones del Guarded Hot Box, se recomienda instalar un DIGMER en las resistencias de la cámara caliente. De esa manera, en caso de calentarse o enfriarse más que la cámara de medición, también puede graduarse la temperatura acorde a las necesidades.
- En caso de fugas, desajustes, desencajamientos; es preciso mejorar los problemas de construcción de manera tal que las perdidas sean minimizadas lo más posible.
- Realizar un banco de datos con diferentes tipos de ensamblajes de edificación que se pueda aprovechar como manual o guía para futuras mediciones.
CONCLUSIONES
- Se diseño una caja de transferencia de calor (Guarded Hot Box) utilizando la metodología de la norma técnica ASTM C236 – 80.
- A partir del diseño previo, se construyó y se equipo el Guarded Hot Box siguiendo los principios y aplicaciones de la metodología proporcionada por la Norma Técnica. Toda la construcción se realizó con materiales de buena calidad, con sujeciones fuertes y con materiales adecuados para cada requerimiento de la caja. De igual manera, los equipos instalados funcionan perfectamente.
- Se diseñó un sistema de control de temperatura para mantener el ideal de estado estable requerido. El sistema de control escogido fue un ON-OFF, con una histéresis baja que, además de monitorear la temperatura, cumple la función principal de apagar/prender las resistencias térmicas dentro del Guarded Hot Box.
- Se armó el circuito que conformase el sistema de control de temperatura. Todo el sistema funcionó sin ningún problema con las ventajas y desventajas previstas.
- Finalmente, el laboratorio del Departamento de Ingeniería Mecánica cuenta con un Guarded Hot Box dentro de su inventario de equipos. Sin embargo, varias mejorías y optimizaciones se deben realizan con el fin de tener un equipo que provea información precisa.
- Todo el proceso de este proyecto fue documentado por fotografías que constatan paso a paso lo efectuado durante el tiempo de realización.
- A pesar de los inconvenientes presentados, se cumplieron todos los objetivos propuestos en el proyecto.
Bibliografía
1. INCROPERA, Frank P. y DEWITT, David P. Fundamentos de Transferencia de Calor. 4 ed. México: Prentice Hall, 1999.
2. SONNTAG, Richard E,.; BORGNAKKE, Claus y VAN WYLEN, Gordon J. Fundamental of Thermodynamics. 6 ed. Estados Unidos: John Wiley & Sons, 2003. Gonzalez, V. “ Análisis de Fallas en Mecanismos Esotéricos “, Revista Faro, Vol. 1, No. 3, 1999
3. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Documentación: Standard Test Method for STEADY-STATE THERMAL PERFORMANCE OF BUILDING ASSEMBLIES BY MEANS OF A GUARDED HOT BOX. ASTM International, 1993. (C236 – 80).
4. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Documentación: Standard Test Method for THERMAL PERFORMANCE OF BUILDING ASSEMBLIES BY MEANS OF A CALIBRATED HOT BOX. ASTM International, 1993. (C976 – 82).
5. OMEGA ENGINEERING, INC. Introduction to Temperature Controllers and Selection Considerations. [Base de Datos en Línea]. [Consultado 1 sep. 2006]. Disponible en http://www.omega.com/temperature/Z/pdf/z110-114.pdf
6. CORTES, Mauricio. Diseño y Construcción de una Caja de Transferencia de Calor (Guarded Hot Box). Bogotá, 2005, 36 p. Tesis (Ingeniero Mecánico). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica.
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