proyecto cgpi 20050897 - sappisappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20050897_2665.pdf · las...
TRANSCRIPT
PROYECTO CGPI 20050897
NOMBRE DEL PROYECTO: “DISEÑO DE UNA CAMARA DE AMBIENTE CONTROLADO Y CONDUCTIVÍMETRO PARA REALIZAR PRUEBAS
TÉRMICAS EN MATERIALES PARA CONSTRUCCIÓN”.
Resumen: En el presente trabajo, se propone el diseño de una Cámara de Ambiente Controlado
(CAC) y la construcción de un conductivímetro para llevar a cabo pruebas de
conductividad térmica en elementos multicompuestos que simulen condiciones físicas
reales de operación. La importancia de este proyecto radica en la obtención de valores
de coeficientes de transferencia de calor de elementos multicompuestos con
propiedades aislantes, que podrían ser una alternativa factible para la construcción de
muros y techos de viviendas y edificios públicos. Para tal efecto se adecuó un espacio
de 14.73 m2 aislándolo térmicamente con placas de polietileno. Dicho espacio funciona
como regulador de la temperatura ambiente y es controlado por un minisplit (sistema
de aire acondicionado) de una tonelada de refrigeración. A si mismo se construyó un
conductivímetro de 1x1 m. hecho a base de triplay y se aisló térmicamente con la
finalidad de garantizar que el flujo de calor en el componente constructivo fuese lineal.
Con la cámara de ambiente controlado y el conductivimetro se realizaron pruebas de
componentes constructivos para determinar sus coeficientes de conductividad térmica.
Para comprobar la confiabilidad del conductivimetro y de la CAC se muestreo una
placa de fibra de vidrio que de acuerdo a la literatura tiene un coeficiente de
conductividad de 0.03-0.05. Una vez instrumentada la prueba de este material y con
el método de estado estable, se obtuvo un valor de conductividad de 0.037,
encontrándose dentro del rango del material comercial, y que coincide con el reportado
por el fabricante.
1
Introducción Una de las acciones del hombre primitivo para protegerse de las condiciones
ambientales extremas, se ve reflejada en la arquitectura vernácula, la cual se ha ido
transformando debido al uso inadecuado de los materiales, de esta manera, el usuario,
al no contar con un espacio adecuado para lograr condiciones favorables de confort
térmico, se ve obligado de hacer uso de lo medios mecánicos para tal fin, generando
así un excesivo consumo energético.
Uno de los aspectos muy importantes, es la generación de literatura en cuanto a las
propiedades térmicas de materiales nacionales, y de esta manera hacer una selección
correcta para su empleo en la construcción.
Por lo tanto el objetivo de este trabajo, es diseñar una cámara de ambiente controlado
y un conductivímetro de dimensiones grandes (1m x 1m) para llevar a cabo pruebas
de conductividad térmica en componentes constructivos multicompuestos que puedan
ser aplicados en techumbres y muros de viviendas y edificios públicos.
Con la adecuación de un espacio con ambiente controlado por medio de un equipo de
aire acondicionado, se logrará controlar la temperatura ambiental con condiciones
optimas, para llevar a cabo pruebas experimentales de propiedades térmicas en
materiales multicompuestos. Con el diseño y la construcción, así como la prueba
operativa de un conductivímetro se podrá determinar la conductividad térmica en
materiales de construcción.
Materiales y métodos
Se revisó la bibliografía especializada para realizar el diseño tanto de la cámara de
ambiente controlado (CAC) así como del conductivímetro. Se retoma la experiencia
que se tiene en el diseño previo de este último el cual fue diseñado para elementos
multicompuestos de dimensiones grandes construido en la UAM-Atzcapotzalco. Se
seleccionó un espacio construido con ferrocemento de 14.73 m2, el cual se adecuó
para que funcionará como la cámara de ambiente controlado (CAC). Se recubrió su
exterior con un material aislante adecuado y posteriormente se realizaron las pruebas
pertinentes para lograr una temperatura constante. Se construyó el conductivímetro en
el interior de la CAC con la instrumentación que permite registrar las temperaturas de
2
los componentes. Para la etapa de evaluación de componentes, se construyeron
muestras de elementos multicompuestos haciendo uso de materiales vegetales,
desechos sólidos urbanos (DSU). Finalmente se evaluaron dichas muestras para
determinar sus valores de transmisión térmica, al mismo tiempo se determinó la
eficiencia tanto de la cámara de ambiente controlado como del conductivímetro.
(Meta 1) Diseño de la cámara de ambiente controlado y conductivímetro. El diseño de la cámara de ambiente controlado consistió en determinar el material
adecuado para aislar térmicamente el espacio donde se ubicará el conductivímetro, de
esta manera se seleccionó el unicel de 2.5 cm de espesor el cual tienen una
resistencia alta al flujo de calor, posteriormente el unicel fue recubierto con mortero de
cemento arena y una capa de tela de gallinero de ½” de ojo.
(Meta 2) Adecuación y acondicionamiento del área para la cámara de ambiente controlado (CAC).
Se seleccionó un espacio de 14.73 m2 que forma parte de un prototipo experimental
en el CIIDIR-Oaxaca (Figura 1). Dicho espacio fue adecuado para que funcione como
cámara de ambiente controlado (CAC). Este espacio está construido con
ferrocemento, el cual debido a su espesor y constitución ofrece baja capacidad
térmica, por lo tanto la adecuación consistió en aislarlo térmicamente con capas de
unicel formando un espesor de 5 cm. por la parte exterior. En el espacio interior (CAC)
se colocó un sistema de aire acondicionado para mantener la temperatura interna
estable.
3
Figura 1 Planta Arquitectónica (Cámara de ambiente controlado)
4
Colocación del aislante en la Cámara de ambiente Se colocó el material aislante sobre el prototipo construido, que consistió de dos
placas de unicel formando un espesor de 5 cms. Esté fue sujetado en la superficie de
la construcción con alambre recocido. Posteriormente se procedió a la colocación de
una capa de malla de gallinero de ½” de ojo, la cual fue recubierta con mortero Figura
2
Figura 2. Colocación del material aislante
Una vez colocado el material aislante se procedió a la aplicación del mortero cemento-
arena Figura 3
Figura 3 Aplicación de mortero en material aislante
5
Instalación eléctrica
Se muestra en la Fig.4 la instalación eléctrica en el interior de la CAC, dejando la iluminación y
las preparaciones necesarias para llevar a cabo las pruebas experimentales en los componentes
constructivos.
Fig. 4. Instalación eléctrica
Instalación del equipo de aire acondicionado Con la finalidad de mantener la temperatura estable en el interior de la cámara de
ambiente controlado, fue necesario instalar un equipo de aire acondicionado. (Figura 5
)
Figura 5 Sistema de aire acondicionado (Minisplit)
6
(Meta 3) Construcción del Prototipo de conductivímetro.
Características del condutivímetro
Se muestra en la Figura 10 una vista en planta del diseño del conductivímetro el cual
se colocó en el interior de la cámara de ambiente controlado, dicho conductivímetro
tiene una sección de 1m. x 1m. a paños interiores donde serán colocadas las
muestras. Las dimensiones propuestas en el diseño del conductivímetro se
determinaron por el tipo de pruebas a realizar, así mismo se tiene en la Figura 6 una
vista isométrica del conductivímetro donde se muestra a detalle el marco perimetral, el
cual es reforzado cuidadosamente con separadores con la finalidad de evitar
contracciones en la madera.
Figura 6 Conductivímetro (Vista isométrico)
Se tiene en la figura 7 una sección del conductivímetro donde se muestra el marco de
madera aislado térmicamente con poliestireno con la finalidad de evitar las acciones
ambientales, en la parte descubierta que forma la sección serán colocadas las
muestras, por otra parte el espesor del material aislante es de 15 cm. lo cual garantiza
que el flujo de calor se de en una sola dirección.
7
.04
.36
.015
.02.12
.03.015
.40
.20
1.36
.015 .02
.11
.02.015.03
.94
.03
.015.02
.02 .015
UNICEL
Figura 7 Sección del Conductivímetro
Se muestra en la Figura 8 una vista del prototipo de conductivímetro con los espacios
perimetrales sin el aislante, se observa también el refuerzo utilizado en la parte
perimetral.
Fig. 8 Prototipo del conductivímetro
Instalación del equipo para el registro de lecturas de componentes constructivos y pruebas preliminares.
Equipo e Instrumentación requerida
8
Se muestra en la Figura 9 un diagrama esquemático de la distribución de
la instrumentación requerida para llevar a cabo la determinación de la
conductividad térmica de elementos multicompuestos.
Se diseñó una resistencia la cual va sujeta a una placa de ferrocemento,
anexo a esta se coloca una placa metálica cuya función es distribuir las
temperaturas superficiales uniformemente.
Temperatura ambiente
Sensores de temperatura
Dimmer
Resistencia y placa metálica
Material aislanteAplanado de yeso
Sensores de temperatura
Registrador de datos HOBO U12
Registrador de datos HOBO U12
Toma-corriente
T 1T 2
T 3T 4
Placa de ferrocemento
Temperatura ambiente
Sensores de temperatura
Dimmer
Resistencia y placa metálica
Material aislanteAplanado de yeso
Sensores de temperatura
Registrador de datos HOBO U12
Registrador de datos HOBO U12
Toma-corriente
T 1T 2
T 3T 4
Placa de ferrocemento
Figura 9 Distribución de la Instrumentación requerida
Los instrumentos requeridos son: Dimmer, Registrador de datos HOBO
U12, Sensores de Temperatura, Resistencia eléctrica.
(Meta 4)
2.- Prueba operativa
Se llevó a cabo una prueba operativa para determinar la efectividad del
conductivímetro, el material utilizado fue una placa de fibra de vidrio de 25
mm.de espesor y 1m2 de área. La potencia eléctrica suministrada fue de 103.5
Watts.
9
3.-Preparación de la muestra La preparación acondicionamiento de la muestra se llevo de acuerdo a las
indicaciones del diseño propuesto, fueron instalados 2 sensores en la superficie
del material T1 y dos mas en la superficie T2 (Fig. 10) los cuales son
conectados a sus respectivos Hobos donde son registradas las temperaturas,,
posteriormente dichos datos son analizados en el programa HoboWare.
Fig. 10 Colocación de termopares en la fibra de vidrio
3. Establecimiento del estado permanente térmico
El estado permanente térmico se logra cuando ya no existen variaciones en las
temperaturas, de esta manera se dejó que la fibra de vidrio alcanzara su estado
permanente térmico.
La figura 25 muestra el comportamiento de la temperatura en función del
tiempo para la fibra de vidrio, el tiempo requerido para alcanzar el estado
permanente térmico para la muestra fue de 40 horas (Figura 11).
10
Figura 11 Establecimiento del estado estable de temperaturas
3. Adquisición de datos Los datos requeridos para determinar la conductividad térmica de la placa de
fibra de vidrio, son la potencia eléctrica suministrada, las temperaturas
superficiales de la placa, el área así como el espesor de la placa.
3. Análisis de resultados Mediante la ecuación fundamental que rige el estado permanente de flujo de
calor fue calculada la conductividad térmica utilizando la siguiente expresión:
)/( LTAQK Δ= &
….............................................................................(Ec. 1)
De esta manera en la tabla 1 se resumen los datos aplicados para determinar
la conductividad térmica de un material homogéneo denominado Fibra de
vidrio, el cual se comparó con el registrado por el fabricante, de esta manera se
obtuvo que:
El fabricante reporta una conductividad térmica de 0.03 W/mºC, respecto al
valor medido de 0.037 W/mºC se obtuvo un error del orden del 5%, de esta
11
manera se demuestra que el método de medición para llevar a cabo pruebas
de conductividad térmica en elementos multicompuestos es confiable.
Componente T. Q
W
A
M2
ΔT
ºC
L
M
K
W/mºC
Fibra de vidrio
(T1)
36.08 103.5 W 1 69.755 0.025 0.037
Fibra de vidrio
(T2)
103.43 103.5 W 1 69.755 0.025 0.037
Tabla 1 Determinación de la conductividad térmica en el Polietileno flexible
Meta 5 Etapa experimental de evaluación del elemento multicompuesto Construcción del componente constructivo Se llevó a cabo la construcción de un componente constructivo para determinar
su conductividad térmica, el componente constructivo simula un muro en
condiciones reales de operación, su dimensión es de 1m x 1 m, lo constituyen
los siguientes materiales:
Ferrocemento de 2.5 cm de espesor, cartón de conos de huevo (aislante
térmico), aplanado de mortero reforzado con malla de metal desplegado de 1
cm de espesor (figura 12). La aplicación del mortero para la construcción de la
capa de ferrocemento consistió en un colado para lograr mayor consistencia
tanto de resistencia como de impermeabilidad en el elemento, por tanto se tuvo
mucho cuidado en curar el mortero, básicamente esta es la parte medular del
componente, por lo tanto los otros elementos que lo constituyen forman parte
de la estrategia utilizada para aislarlos térmicamente y se elaboró de la
siguiente manera:
12
Como material aislante se colocaron los conos de cartón de manera
encontrada así se crea un elemento del espesor necesario, dejando entre ellos
espacios que funcionan como cámaras de aire estático, finalmente dichos
conos de huevo fueron cubiertos con una capa de malla de metal desplegado y
con un aplanado de mortero hidráulico (figura 13).
Fig. 12 Material aislante a base cartón (conos de huevo)
Fig. 13 producto final del componente constructivo
Determinación de la conductividad térmica del componente constructivo 1 Preparación del componente El componente esta constituido por los siguientes materiales: ferrocemento,
cartón y un acabado de mortero.
13
La preparación y acondicionamiento del componente se llevo de acuerdo a las
indicaciones del diseño propuesto, fueron instalados 6 sensores en las
superficies de los diferentes materiales, (T1a, T1b, T2a, T2b, T3a, T3b) y uno
mas para la temperatura ambiental, dichos sensores fueron conectados a sus
respectivos Hobos, donde son registradas las temperaturas de las superficie de
cada material. ( Figura 14).
Fig. 14 Instalación de sensores en el componente constructivo.
2. Establecimiento del estado permanente térmico
El estado permanente térmico se logra cuando ya no existen variaciones en las
temperaturas, de esta manera se dejó que los diversos materiales que
conforman el componente constructivo alcanzaran su estado estable.
La figura 25 muestra el comportamiento de la temperatura en función del
tiempo para los diferentes materiales que conforman el componente
constructivo. El tiempo requerido para alcanzar el estado permanente térmico
para la muestra fue de 22 hrs. (Figura 15).
14
Figura 15 Establecimiento del estado estable de temperaturas 3. Adquisición de datos Los datos requeridos para determinar la conductividad térmica del componente
constructivo son la potencia eléctrica suministrada, las temperaturas
superficiales de la placa, el área así como el espesor de la placa.
4. Análisis de resultados Mediante la ecuación fundamental que rige el estado permanente de flujo de
calor fue calculada la conductividad térmica utilizando la siguiente expresión:
)/( LTAQK Δ= &
….............................................................................(Ec. 1)
Para determinar la conductividad térmica del componente constructivo
solamente fueron considerados las temperaturas registradas en las superficies
T1 y T3 del componente. El resultado de conductividad térmica obtenido fue de
0.26 W/mºC, dicho valor es relativamente bajo comparado con un componente
convencional como el tabique o concreto. (Tabla 2).
Componente T. Q W
A M2
ΔT ºC
L M
K W/mºC
T1a 94.49 103.5 W 1 60.91 0.155 0.26 T1b 95.28
15
T3a 27.89 T3b 26.01 Temp. Amb. 16.03
Tabla 2 Determinación de la conductividad térmica del componente constructivo.
Conclusiones:
Se adecuo y acondicionó la cámara de ambiente controlado (CAC)
donde fue instalado un equipo de aire acondicionado para regular la
temperatura ambiente y poder instalar el conductivímetro en su interior. Se
realizó la construcción del conductivímetro de dimensiones grandes el cual fue
aislado térmicamente para determinar pruebas de conductividad térmica.
Se llevó a cabo una prueba operativa para verificar el correcto
funcionamiento del conductivímetro, donde se demuestra que el método de
medición es confiable.
De acuerdo al programa de actividades de investigación propuesto de
Febrero 2005 a Enero 2006 se lograron las metas propuestas para el
funcionamiento de la cámara de ambiente controlado y el conductivimetro.
Este prototipo de cámara e instrumento de medición de coeficientes de
transferencia térmica será de mucha utilidad para investigaciones futuras, ya
que se podrán analizar componentes construidos con diversos materiales.
Impacto Con el diseño de la Cámara de Ambiente y Conductivimetro (CAC) se lograran
determinar coeficientes de transferencia de calor en componentes constructivos
constituidos con materiales regionales y de reciclaje, lo cual será benéfico para
lograr el confort térmico en el usuario y ahorro energético en espacios como
viviendas y edificios públicos, además se contribuye a la reducción de la
contaminación del ambiente.
16
REFERENCIAS 1Rafael Alavéz r. Leonel lira, Víctor A. Fuentes Freixanet, Gustavo Marbán Betancourt, “Comportamiento termofísico de materiales como alternativa para construcción”; Congreso de la XXVII Semana Nacional de Energía Solar. Chihuahua, Chi. (2003) 2 Lira L., “Diseño y Construcción de un instrumento para medir la conductividad térmica de materiales sólidos aislantes”, Memorias de Congreso de ANIM, Chihuahua, Chih, (1997-a). 3 Lira L. “Instrumentación y Caracterización de un aparato para medir conductividad térmica de sólidos”, Memorias de V Congreso de la AGM, Guanajuato, Gto. pp 31,35, (1977-b).
17