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
My Degree’s dissertation. Consists of the design and evaluation of the functioning of a workbench for aerothermic devices, built at the university’s workshops. Recognised with distinction.
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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
3.1 Introducción 83
3.2 Construcción del banco de ensayos 84
3.2.1 Componentes de control 85
3.2.1.1 Ventilador 86
3.2.1.2 Variador de frecuencia 97
3.2.1.3 Sistema de calentamiento 101
3.2.1.4 Sistema de control de la humedad 107
3.2.2 Elementos de medida 109
3.2.2.1Caudalímetro 109
3.2.2.2 Sensor de temperatura 113
3.2.2.3 Sensor de humedad 119
3.2.3 Zona de ensayo 123
3.2.4 Adquisición de datos 125
3.3 Equipo de prueba 129
III
Índice
CAPÍTULO IV. REALIZACIÓN DE ENSAYOS 133
4.1 Introducción 135
4.2 Ensayos de potencia 136
4.2.1 Ensayos de temperatura 137
4.2.2 Ensayos de caudal 143
4.3 Validación de la medida de humedades 141
4.4 Control de la temperatura 146
4.5 Ensayos de caudal 152
4.6 Verificación de condensados 168
CAPÍTULO V. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 183
5.1 Conclusiones 185
5.2 Trabajos futuros 187
ANEXOS 189
BIBLIOGRAFÍA 207
IV
Índice
CAPÍTULO I
SISTEMAS DE AIRE
2
CAPÍTULO I Sistemas de aire
3
CAPÍTULO I Sistemas de aire
1.1 INTRODUCCIÓN
Este capítulo tiene como objetivo servir, a modo de presentación, de los sistemas de
intercambio de calor que funcionan mediante aire. Estos sistemas son dispositivos
diseñados para transferir calor entre dos medios que estén separados por una barrera o
que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración,
acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, entre otros,
y se caracterizan por usar el aire como medio de intercambio de calor.
Con objeto de llevar a cabo un acercamiento a estos sistemas se presentarán algunos
de los más característicos que forman parte de esta tecnología, indicando sus principales
características y mecanismos de funcionamiento.
Posteriormente se enunciarán las propiedades fundamentales del aire que influyen
en este tipo de procesos, los procedimientos experimentales que se llevan a cabo para
mantener dichas propiedades dentro de unos parámetros controlados y los
correspondientes sistemas de medida de las mismas. También se realizará una
introducción a los procesos de cálculo que se emplearán.
Finalmente se hará mención a la normativa a la que deben adherirse los procesos
experimentales que se llevarán a cabo.
No obstante, en primer lugar es conveniente exponer las propiedades principales
sobre las que es imperativo ejercer un control adecuado para un sistema de aire. Éstas
son el caudal de aire, temperatura y humedad relativa. Los valores adecuados de las
propiedades del aire son fundamentales para lograr que el ensayo se desarrolle en las
condiciones deseadas, y lograrlo no es sencillo. 4 son los procesos básicos que deben
tener lugar a lo largo del circuito para lograr que el aire se comporte de la manera
esperada a la entrada de la zona de ensayo, mencionados a continuación.
4
CAPÍTULO I Sistemas de aire
Humedecer el aire.
Deshumedecer el aire.
Calentar el aire.
Enfriar el aire.
5
CAPÍTULO I Sistemas de aire
1.2 PROCESOS DEL AIRE
A continuación se dispone a detallar en que consisten los procesos básicos
anteriormente mencionados y los procedimiento mediante los que se llevan a cabo sobre
el aire que entra en la zona de ensayo, ejerciendo sobre el mismo el control deseado.
1.2.1 Humidificación
Humedad significa, etimológicamente hablando, contenido de agua. Humedad del
aire es, consecuentemente, la cantidad de agua contenida en el mismo.
La cantidad de agua que una masa de aire puede contener no es constante, sino
variable en función de la temperatura y presión del aire. Para un lugar determinado y a
las mismas condiciones atmosféricas, cada 10º C de aumento de temperatura del aire
ambiente aproximadamente se duplica la capacidad del mismo para contener vapor de
agua. Así pues, hay dos maneras principales de expresar la medida de la humedad del
aire.
Humedad absoluta o contenido de vapor de agua en el aire. Normalmente se
expresa en gramos de agua por kilogramo de aire seco y no varía con el
calentamiento o enfriamiento del aire.
Humedad relativa o contenido porcentual de vapor de agua en el aire con
respecto al máximo que es capaz de asimilar, a una determinada temperatura. La
humedad relativa disminuye al calentar el aire y aumenta al enfriarlo.
La humidificación del aire se da de forma natural en las zonas cercanas al mar, a
ríos y a lagos y de forma más efectiva en cascadas y saltos de agua. Las formas más
6
CAPÍTULO I Sistemas de aire
primitivas de incrementar la humedad del entorno estaban basadas en la imitación de la
naturaleza, instalando estanques, fuentes, canales con saltos de agua, etc.
Los primeros humectadores fueron sencillamente bandejas o cuencos, en los que se
ponía agua que al evaporarse evitaba niveles de humedad muy bajos.
Para aumentar el rendimiento de estos primeros humectadores se incluyeron aletas
fabricadas con materiales porosos que con su base en contacto con el agua de la
bandeja, se humedecían por completo por capilaridad. De esta manera aumentaba la
superficie de transmisión de la humedad en el aire. Posteriormente se incrementó la
capacidad de humectación usando un ventilador para impulsar el aire a través de un
material absorbente humedecido, tal como una correa, un fieltro, o un filtro.
Finalmente, el desarrollo de la regulación automática permitió sistemas de
funcionamiento autónomo que obtienen y mantienen un valor prefijado de humedad
relativa.
Actualmente se lleva a cabo el proceso de humedecer el aire mediante humectadores
que pueden clasificarse según su principio de funcionamiento en los tipos siguientes.
Humectadores de evaporación.
Humectadores de atomización.
Humectadores de vapor.
Humectadores de evaporación
El agua en fase líquida toma la energía necesaria para vaporizarse del propio aire
que se humidifica (y enfría) por lo que se denomina humidificación adiabática o a
energía constante (aunque no es un proceso realmente adiabático). Este es el proceso de
humidificación que ocurre de forma natural sobre la superficie de los mares, ríos y
lagos. En los humectadores de evaporación modernos se hace pasar el agua y el aire en
7
CAPÍTULO I Sistemas de aire
flujos cruzados por un panel de gran superficie interior donde el contacto aire-agua es
de larga duración y el proceso de evaporación es máximo.
Figura 1.1. Humectador de evaporación
Algunas de las ventajas de los humectadores de evaporación.
Son sencillos y económicos.
Su coste de operación es bajo: requieren muy poca energía.
En condiciones normales no generan aerosoles. El aire pasa a través del material
absorbente humedecido y modifica su humedad relativa sin arrastre de agua en
fase líquida. Es importante mencionar que aun cuando el funcionamiento teórico
de estos sistemas no genera aerosoles, existe el riesgo de que a lo largo de su
vida útil se modifique el ajuste del sellado del material absorbente, o el goteo
que humedece el material, etc, y se creen condiciones tales que si se generen
aerosoles.
8
CAPÍTULO I Sistemas de aire
Algunas de las desventajas de los humectadores de evaporación.
No permiten un control preciso de la humedad.
Los materiales absorbentes pueden favorecer la formación de hongos, algas y
bacterias, nocivas para la salud.
La bandeja de agua, si no es convenientemente tratada, puede crear entornos
muy adecuados para el desarrollo de bacterias en general y concretamente de
Legionela.
Humectadores de atomización
También son sistemas de humectación adiabática, pero la solución mecánica
utilizada es diferente de la anterior. En éstos se pulveriza el agua en partículas tan
pequeñas como sea posible, es decir, se generan aerosoles mediante boquillas
alimentadas con agua a presión (lavador de aire), discos giratorios a gran velocidad con
una corona dentada perimetral contra la que chocan las gotas de agua desplazadas por la
fuerza centrífuga (atomizador centrífugo), o las partículas de agua se desprenden por la
vibración a muy alta frecuencia de un cristal piezoeléctrico (humectadores de
ultrasonidos). Es decir, el principio de operación de los humectadores de atomización es
la generación de aerosoles y su emisión a la atmósfera a acondicionar.
Figura 1.2. Humectador de atomización
9
CAPÍTULO I Sistemas de aire
Algunas de las ventajas de los humectadores de atomización.
Son sencillos y económicos.
Su coste de operación es bajo: requieren poca energía.
La cantidad de aerosoles generada no depende de la humedad relativa del aire ni
de la velocidad de impulsión del mismo. De esta manera es posible controlar la
cantidad de aerosol generada y conseguir un control preciso de la humedad
relativa del aire.
Algunas de las desventajas de los humectadores de atomización.
Generan aerosoles que son incorporados a la corriente de aire o emitidos a las
zonas ocupadas. Dichos aerosoles favorecen la dispersión de los contaminantes
existentes en el agua (minerales, contaminación biológica, etc.) y al ser emitidos
pueden ser inhalados por la población expuesta. Debido al tamaño de las
partículas de agua atomizadas, al ser inhaladas son susceptibles de penetrar hasta
los alvéolos pulmonares.
La bandeja de agua, si no es convenientemente tratada, puede crear entornos
muy adecuados para el desarrollo de bacterias en general y concretamente de
Legionella.
Humectadores de vapor
En este método, la energía necesaria para vaporizar el agua líquida se cede
directamente a ella, de forma que se produce vapor que será posteriormente emitido al
10
CAPÍTULO I Sistemas de aire
aire. El humectador dispone de un depósito de agua y mediante resistencias calefactoras
o electrodos, calienta el agua generando vapor.
Figura 1.3. Humectador de evaporación
Algunas de las ventajas de los humectadores de vapor.
Al calentar el agua hasta convertirla en vapor destruyen la carga bacteriana.
Permiten un control preciso de la humedad.
Algunas de las desventajas de los humectadores de vapor.
Su coste de operación es alto: requieren mayor energía que el resto de
humectadores.
Los humectadores de vapor no representan riesgo frente a Legionela. Todos
estos humectadores (de evaporación, de atomización, y de vapor) disponen de
una bandeja o depósito donde se acumula el agua. Los de menor tamaño no
disponen de instalación automática de aporte de agua, es decir, no están
conectados a ninguna red de suministro de agua, sino que sus depósitos o
bandejas son rellenados manualmente por los usuarios.
11
CAPÍTULO I Sistemas de aire
El tiempo de residencia puede ser largo (dependiendo del volumen de agua,
cantidad de vapor de agua generado, etc) y la temperatura del agua suele
estabilizarse al valor de temperatura del ambiente acondicionado, creándose
entornos susceptibles de favorecer el crecimiento bacteriano.
Se recomienda que los sistemas domésticos empleen agua con bajo contenido
mineral (desmineralizada). Esta medida reduce el riesgo de desarrollo de
microorganismos y evita la emisión a la atmósfera de minerales existentes en el agua
potable. De igual manera, la utilización de agua con bajo contenido mineral en
instalaciones de pequeño tamaño reduce la necesidad de limpiezas del sistema y el
riesgo de averías.
1.2.2 Deshumidificación
La deshumidificación es el proceso de retirar el vapor de agua contenido en el aire,
es decir, su humedad. Existen diferentes procesos para remover la humedad del aire¸
expuestos a continuación.
Por enfriamiento, hasta alcanzar una temperatura por debajo del punto de rocío.
Por el incremento de la presión total, lo cual causa la condensación.
Poner en contacto un desecante con el aire, con lo cual, la humedad del aire
migra hacia el desecante, impulsado por la diferencia en las presiones de vapor.
12
CAPÍTULO I Sistemas de aire
Deshumidificación por enfriamiento
Consiste en hacer bajar la temperatura del aire por debajo de la temperatura de
rocío, lo que hace que el agua del aire condense. Este proceso se lleva a cabo
típicamente en deshumidificadores de placas, que funcionan haciendo pasar el aire a
través de placas frías que condensan el agua que contiene, y posteriormente la vierten en
platos o depósitos. A continuación el aire pasa por una zona que eleva su temperatura
hasta devolverla al valor del ambiente, lo que reduce aún más su humedad relativa.
Deshumidificación por incremento de la presión
De manera análoga al proceso de deshumidificación por enfriamiento, aumentando
la presión del aire también se reduce su capacidad para contener agua. Es por eso que
comprimiendo el aire se puede obligar al agua que contiene a condensar.
Deshumidificación por desecantes
Un desecante es una sustancia química que tiene una gran afinidad por la humedad,
es decir, es capaz de extraer o liberar vapor de agua del aire, en cantidades
relativamente grandes con relación a su peso y volumen. El proceso físico que permite
la retención o liberación de la humedad es la diferencia en la presión de vapor entre la
superficie del desecante y el aire ambiente. Los desecantes pueden ser clasificados
como adsorbentes, las cuales absorben la humedad sin experimentar cambios químicos
o físicos, o absorbentes las cuales absorben la humedad acompañado por cambios
físicos o químicos. Los desecantes pueden ser sólidos o líquidos. Muchos absorbentes
son líquidos y muchos adsorbentes son sólidos. Poniendo estas sustancias en contacto
con el aire se logra el proceso de deshumidificación.
13
CAPÍTULO I Sistemas de aire
1.2.3 Calentamiento
El principal sistema de calentamiento del aire con que contará el presente proyecto
es mediante resistencias en forma de U aleteadas para calentar el aire. Son frecuentes en
conductos de ventilación o gases donde el elemento a calentar es el aire. Con una
densidad de carga de máximo 3,6푊/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
CAPÍTULO I Sistemas de aire
Figura 1.6. Esquema batería de refrigeración
En una tubería, el refrigerante pasa por el interior de un haz de tubos aleteados
situados en el interior de una corriente de aire. Si el refrigerante está por encima de la
temperatura de rocío del aire, no se produce condensación, el proceso que se produce es
solo de enfriamiento sensible y el aire permanece con un contenido de humedad
absoluta constante. En cambio, si el refrigerante está por debajo del punto de rocío del
aire, se produce la deshumectación, caso más común en el acondicionamiento de aire.
El camino del enfriamiento desde el punto 1 al 2 no se puede predecir fácilmente, ya
que los intercambios de calor sensible y latente que se producen implican una
condensación del agua. No tiene mucha importancia en la climatización el camino que
sigue el aire desde el punto 1 hacia el 2, puesto que sólo es necesario considerar las
condiciones finales, a menos que lo que se desea sea diseñar el propio haz de tubos.
Aunque no se va a detallar más el análisis, se puede ver el proceso teórico y real que
sufre el aire en una batería de refrigeración cuando se enfría en las figuras 1.7 y 1.8.
15
CAPÍTULO I Sistemas de aire
Figura 1.7.Gráfica del estado del aire durante la deshumectación
Figura 1.8. Gráfica del estado del aire durante la deshumectación
16
CAPÍTULO I Sistemas de aire
En el caso de una batería de refrigeración real, el aire no sale al punto de saturación,
sino que, según el diseño de la batería, saldrá aproximadamente con una HR entre el
90% y el 95%
Hay diversas posibilidades a la hora de elegir un refrigerante. Una posibilidad típica
es el agua, aunque no permite refrigerar a temperaturas tan bajas como salmueras, por
ejemplo, cuya temperatura puede descender por debajo de los 0 ℃
17
CAPÍTULO I Sistemas de aire
1.3 PRINCIPALES SISTEMAS
Se ofrece a continuación un repaso por algunos de los sistemas de aire más
característicos, de modo que se ayude a formar una idea del funcionamiento de los
mismos.
1.3.1 Bombas de calor
Las bombas de calor, concretamente las bombas de calor de tipo aerotérmico, se
prevén como el principal objeto de estudio del banco de trabajo. Una bomba de calor es
una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a
otro, según se requiera enfriar un foco frío o calentar un foco caliente. Para lograrlo es
necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica, según la
cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no al
revés, hasta que sus temperaturas se igualan, por lo que todo intercambio energético en
sentido contrario requerirá de un aporte energético externo.
Una bomba de calor emplea un fluido refrigerante con un bajo punto de ebullición.
Éste requiere energía (denominada calor latente) para evaporarse, y extrae dicha energía
de su alrededor en forma de calor. El proceso a seguir es el siguiente: el fluido
refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, que eleva su
presión aumentando así su energía interna. Éste, al pasar por un intercambiador de calor
llamado condensador, cede calor al foco caliente puesto que está aún más caliente, de
modo que cambia su estado a líquido. Después se le hace pasar por una válvula de
expansión, donde recupera la presión inicial, enfriándose bruscamente por tanto. Luego
pasa por otro intercambiador de calor, el evaporador, donde absorbe calor del foco frío,
puesto que está más frío que dicho foco. El fluido, que se ha evaporado al recibir
energía regresa al compresor, cerrándose el ciclo.
18
CAPÍTULO I Sistemas de aire
Figura 1.9. Esquema de una bomba de calor y diagrama de temperatura frente a
entropía, que muestra los estados por los que pasa el aire al atravesar el circuito de
una bomba de calor
La bomba de calor puede tener como objetivo principal enfriar el foco frío o calentar
el foco caliente, pudiendo variar entre una función y otra, lo que la convierte en un
dispositivo versátil y de gran funcionalidad.
La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura
entre los focos frío y caliente. Cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el
rendimiento de la máquina.
Las bombas térmicas tienen un rendimiento, denominado COP (coefficient of
performance) mayor que la unidad. Aunque esto puede parecer imposible, se debe a que
en realidad se está moviendo calor usando energía, en lugar de producir calor como en
el caso de las resistencias eléctricas. Una parte muy importante de este calor se toma de
la entalpía del aire atmosférico. En toda bomba de calor se verifica que el calor
transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más la potencia
consumida por el compresor, que se transmite al fluido.
(Ec. 1.1)
19
CAPÍTULO I Sistemas de aire
Dado que el efecto útil de una bomba de calor depende de su uso, hay dos
expresiones distintas del COP. Si la máquina se está usando para refrigerar un ambiente
determinado, el efecto útil generado por la misma es el calor extraído del foco frío, y la
expresión de su COP es la de la ecuación 1.2.
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
CAPÍTULO I Sistemas de aire
El mecanismo de funcionamiento es el siguiente: la unidad fan coil recibe agua
caliente o fría desde la unidad exterior. Un ventilador impulsa el aire y lo hace atravesar
los tubos por los que pasa el agua caliente o fría produciéndose aquí el cambio de
temperatura. Tras pasar por el filtro, el aire calentado o refrigerado sale al exterior
climatizando el ambiente.
Se trata de un sistema de acondicionamiento y climatización de tipo mixto de
reducido tamaño, que resulta ventajoso en edificios donde es preciso economizar el
máximo de espacio. Suple a los sistemas centralizados que requieren de grandes
superficies para instalar sus equipos.
Figura 1.10. Unidad Fan Coil
Estas instalaciones de calefacción y climatización tienen como misión mantener la
temperatura, humedad y calidad del aire dentro de los límites que se prescriban para
cada caso concreto. Están diseñadas para proporcionar un mayor bienestar a los
ocupantes de los edificios e intentarán mantener, tanto en verano como en invierno,
temperaturas que pueden oscilar entre los 20 y 25 °C y niveles próximos al 50% de
humedad relativa.
21
CAPÍTULO I Sistemas de aire
1.3.3 Recuperadores de calor
Se puede definir un recuperador de calor como un equipo utilizado para calentar un
fluido que está más frío de lo deseado, transfiriendo este calor a otro fluido. La
transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa
ambos fluidos. Se encuentran 2 tipos principales.
Recuperadores industriales
Con estos recuperadores de calor se consigue absorber una parte importante de la
energía calorífica de los gases de escape de cualquier proceso productivo y transmitirla
a otro fluido, normalmente el aire de combustión del mismo proceso, con lo que se
consiguen ahorros de consumo de combustible de hasta el 60% y una reducción drástica
de las emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero.
Recuperadores domésticos
Este recuperador de calor se emplea para optimizar las condiciones ambientales de
locales y otros espacios habitables. Funciona mediante la combinación de dos
ventiladores centrífugos de bajo nivel sonoro, donde uno de ellos realiza la extracción
del aire viciado del interior del local hacia la calle, y el otro impulsa aire fresco del
exterior hacia el interior del local. Los dos circuitos se cruzan sin mezclarse en un
intercambiador de placas, donde el calor del aire saliente se transfiere al aire fresco del
exterior y lo calienta. De esta forma se consigue recuperar un alto porcentaje de la
energía utilizada para calentar o enfriar el aire del interior del local, y reutilizarla. Sin la
utilización del recuperador, esta energía se perdería totalmente.
22
CAPÍTULO I Sistemas de aire
Figura 1.11. Recuperador doméstico
1.3.4 Sistemas de ventilación
La ventilación es también un importante ejemplo de sistema de intercambio de calor
mediante aire. En primer lugar, se denomina ventilación al acto de mover o dirigir el
movimiento del aire para un determinado propósito. Para ello se emplea como
herramienta el ventilador.
Un ventilador es una máquina de fluido concebida para producir una corriente de
aire mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones.
Entre sus aplicaciones, destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar
cerrado para proporcionar oxígeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores,
principalmente en lugares cerrados; así como la de disminuir la resistencia de
transmisión de calor por convección. En los ventiladores, el aumento de presión es
generalmente tan insignificante comparado con la presión absoluta del gas, que la
densidad de éste puede considerarse inalterada durante el proceso de la operación; de
23
CAPÍTULO I Sistemas de aire
este modo, el gas se considera incompresible, como si fuera un líquido. Los ventiladores
pueden utilizarse para asistir a otros intercambiadores de calor, como disipadores o
radiadores, con la finalidad de aumentar la transferencia de calor entre un sólido y el
aire o entre los fluidos que interactúan, mediante convección. Una clara aplicación de
esto se ve reflejada en evaporadores y condensadores en sistemas de refrigeración en
que el ventilador ayuda a transferir el calor latente entre el refrigerante y el aire, y
viceversa.
24
CAPÍTULO I Sistemas de aire
1.4 PSICROMETRÍA
En general, la psicrometría estudia las propiedades termodinámicas de mezclas de
gas con vapor. En particular, la mayoría de las aplicaciones se refieren al aire húmedo,
considerado como la mezcla de aire seco y vapor de agua. La psicrometría resulta
entonces útil en multitud de procesos, como el diseño y análisis de sistemas de
almacenamiento y procesado de alimentos, diseño de equipos de refrigeración, estudio
del secado de alimentos, estudios de aire acondicionado y climatización, torres de
enfriamiento, y en todos los procesos industriales que exijan un fuerte control del
contenido de vapor de agua en el aire.
Se procede a ver cómo el estudio termodinámico de un sistema complejo como es el
aire, puede realizarse de forma más o menos sencilla. El hombre ha sido capaz de
definir importantes conceptos termodinámicos que, por una parte, permiten un
desarrollo teórico sencillo y que, por otra, coinciden con las variables que pueden
medirse en la práctica. El hombre ha sido capaz también de diseñar y construir aparatos
muy sencillos, accesibles a cualquier persona, para la determinación de las propiedades
básicas del aire húmedo. También se han diseñado diagramas apropiados que facilitan
enormemente los cálculos y que, además, permiten tener una imagen “visual” del estado
termodinámico del aire y su evolución en los procesos que sufre. En este tema
comenzaremos por estudiar las principales propiedades termodinámicas del aire,
haciendo especial hincapié en el concepto de humedad. Luego se indicarán los
principales aparatos utilizados para medir la humedad. A continuación se estudiará la
forma de utilizar diagramas que faciliten los cálculos. Finalmente se analizarán diversos
procesos psicrométricos.
25
CAPÍTULO I Sistemas de aire
1.4.1 Propiedades termodinámicas del aire
Como es bien sabido, el aire es una mezcla de varios gases (entre los que destacan el
nitrógeno y el oxígeno) a la que se denomina aire seco, más una cierta cantidad de agua
en forma de vapor.
Generalmente, el rango de presiones y temperaturas de interés para diversas
aplicaciones es tan limitado que puede considerarse que tanto el aire seco como el vapor
de agua se comportan como gases ideales. Además, se considera que el aire seco se
comporta como si fuera un componente puro, por lo que las propiedades del aire
húmedo pueden estudiarse en base al conocimiento de las propiedades de mezclas de
gases ideales, regidas principalmente por la conocida ley de Dalton. Como se verá a
continuación, esta aproximación facilita enormemente el cálculo analítico (mediante
ecuaciones) de las propiedades del aire (que suele denominarse aire húmedo para
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
CAPÍTULO I Sistemas de aire
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
CAPÍTULO I Sistemas de aire
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 I Sistemas de aire
CAPÍTULO II
ENERGÍA AEROTÉRMICA
68
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
69
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
2.1 INTRODUCCIÓN
Como objetivo del proyecto que supone el diseñar un banco de trabajos para
ensayar dispositivos aerotérmicos, es importante realizar un acercamiento al concepto
de energía aerotérmica; en qué consiste, cómo se aprovecha, sus ventajas y sus
principales utilidades, a continuación.
La energía aerotérmica es una de las fuentes de energía renovable actualmente en
alza. Se comienza este primer capítulo con el objeto de llevar a cabo un acercamiento a
la idea de la energía aerotérmica, exponiendo su principio de funcionamiento y sus
ventajas; su eficiencia y limpieza.
Después se presentan distintos sistemas de aprovechamiento existentes
actualmente, así como las principales aplicaciones en las que se ha empleado energía
aerotérmica hasta el momento.
70
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
2.2 CONCEPTO DE ENERGÍA AEROTÉRMICA
El concepto de energía aerotérmica nace de la idea del aprovechamiento de la
energía térmica latente en el ambiente. Empleando los principios que rigen el
funcionamiento del ciclo termodinámico inverso característico de las bombas de calor,
es posible aprovechar la energía térmica ambiental o aerotérmica para satisfacer la
demanda de calefacción, agua caliente sanitaria, etc…
A través de la aerotérmia los equipos utilizan la energía existente en el aire para
proporcionar un máximo rendimiento minimizando el consumo energético eléctrico o de
origen fósil. Un reducido aporte energético exterior permite mover una cantidad elevada
de calor latente ambiental hacia un recinto (o en su defecto desde un recinto hacia el
ambiente). Este sistema permite un aprovechamiento energético mucho más eficiente
que la alternativa de realizar directamente un aporte energético para calentar
directamente el recinto, como hacen muchos de los sistemas tradicionales. Es posible
obtener del ambiente hasta 3 veces más energía de la que se aportada inicialmente, lo
que ha hecho que la energía aerotérmica haya sido recientemente reconocida como
renovable.
Figura 1.1. Origen de la energía en sistemas aerotérmicos
71
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
Como se ha dicho, el principio de funcionamiento de un dispositivo aerotérmico es
el que rige a las bombas de calor: consiste en hacer que un fluido siga un ciclo
termodinámico inverso. Se obliga a un fluido a calentarse por encima de la temperatura
de un foco caliente, de modo que ceda calor a dicho foco. Después el fluido se enfriará
hasta una temperatura inferior a la de un foco frío, de manera que absorberá calor de
dicho foco. De esta manera se conseguirá retirar calor de un foco frío para verterlo en
un foco caliente. Según se establezca el recinto de acondicionamiento por el dispositivo
como foco caliente o como foco frío se logrará que éste se caliente o se enfríe, a
discreción del usuario. Este funcionamiento se detallará más adelante ya dispositivos
aerotérmicos serán objeto de análisis en posteriores capítulos y objeto de ensayo una
vez el proyecto esté concluido y el banco de ensayos terminado.
El 23 abril de 2009, el Parlamento Europeo aprobó la Directiva 2009/28 CE para
promover la utilización de la Energía Procedente de Fuentes Renovables, texto en el que
por primera vez se incluye dentro de la categoría de energía renovable a la energía
aerotérmica. Esta Directiva abre una nueva oportunidad para que en la UE se fomente el
uso de sistemas aerotérmicos.
72
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
2.3 VENTAJAS DE LA ENERGÍA AEROTÉRMICA
A continuación se abordan las principales ventajas de la energía aerotérmica.
Fuente de energía renovable
El hecho de que la energía aerotérmica haya sido reconocida por el parlamento
europeo como energía renovable supone que además del recibimiento de las pertinentes
ayudas económicas por parte de las administraciones autonómicas, sea un ejemplo de
limpieza, pues se trata de un sistema que no libera humos ni gases de ningún tipo, y
evita por completo problemas de polvo y malos olores. El reconocimiento de la energía
aerotérmica como tal se debe a su alto rendimiento; permite producir grandes cantidades
de energía térmica o generar gran capacidad de refrigeración a partir de un reducido
aporte energético exterior.
Cantidad de recursos
Virtualmente inagotable, ya que siempre que el aire se encuentre a una temperatura
superior al cero absoluto, contiene energía térmica que en teoría es posible aprovechar.
Es por ello que incluso en el invierno más riguroso es posible obtener energía útil del
ambiente.
Independencia energética exterior
El hecho de que el aprovechamiento de la energía aerotérmica, a diferencia de otras
energías renovables, no esté asociado a factores climáticos implica que sea accesible en
73
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
todo momento. El considerable ahorro energético que supone respecto otros
procedimientos utilizados en procesos de climatización, producción de agua caliente
sanitaria y demás, ya sea de energía eléctrica o petróleo, está directamente asociado a
una menor necesidad de importar recursos del exterior.
Eficiencia
Se trata de un sistema de gran ahorro tanto económico como energético debido a su
alta eficiencia. Con algunas de sus aplicaciones, teniendo en cuenta que se puede llegar
a obtener 4 kW por cada kW produce una eficiencia del 400%.
Ausencia de ruidos exteriores
Muchos de estos sistemas están pensados para trabajar en viviendas particulares y
son perfectamente capaces de funcionar en modo silencioso.
Versatilidad
Una importante característica de los sistemas de aprovechamiento de la energía
aerotérmica es su versatilidad, pues son capaces de emplearla en diversas funciones al
mismo tiempo, desde proporcionar calefacción a una vivienda hasta calentar el agua.
Reducido impacto visual
Otros sistemas como pueden ser las placas solares requieren gran cantidad de
superficie exterior para su instalación. Una bomba de calor aerotérmica puede funcionar
en el interior de un garaje, etc, ocupando muy poco espacio.
74
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
Facilidad de instalación
Una instalación de placas solares normalmente presenta dificultades
arquitectónicas y complicaciones de instalación. Una bomba de calor aerotérmica, por
ejemplo, puede ser tan sencilla de instalar como un termo eléctrico de Agua Caliente
Sanitaria (ACS).
Reducidos costes de instalación y mantenimiento
La sencillez de montaje se traduce de por si en menores costos en concepto de
instalación. Las placas solares, por ejemplo, requieren de un mantenimiento anual caro,
pérdidas por sobreproducción, pérdidas del agua glicolada, por aumento de la presión,
etc. El mantenimiento de la bomba de un sistema aerotérmico, sin embargo, es muy
económico.
No tiene exceso de producción
Un sistema aerotérmico no derrocha energía puesto que obtiene la que necesita
emplear directamente del ambiente. Por ello es que no malgasta energía en su
funcionamiento.
Rendimiento energético estable
El sistema aerotérmico presenta un rendimiento elevado todos los días del año
puesto que no depende de factores ambientales como la incidencia directa del sol ,
manteniéndose alto también en días nublados y por la noche.
75
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
2.4 APLICACIONES DE LA ENERGÍA AEROTÉRMICA
La energía aerotérmica es una manera eficiente de obtener energía limpia, y
algunos de sus principales usos en la sociedad actual son los siguientes.
Agua caliente sanitaria
Los sistemas de preparación de Agua Caliente Sanitaria están muy extendidos en la
sociedad. En la actualidad se considera el agua caliente como un requisito de confort
imprescindible en la vida del usuario. Los sistemas de preparación y distribución de
agua caliente evolucionaron de la mano de la ingeniería hidráulica y energética hasta el
punto de poder convertirse en un bien común al alcance de la mayoría de la población.
El desarrollo de la industria electrónica permitió la evolución de técnicas de regulación
automática capaces de garantizar una distribución de agua adecuada a las necesidades
de confort de cada usuario. La evolución de los distintos sistemas de aislamiento,
intercambiadores, etc., ha permitido la fabricación de sistemas con mayor rendimiento.
Las fuentes alternativas de energía, por ejemplo la energía solar, son cada vez más
utilizadas, permitiendo la obtención de un agua caliente de calidad con menor impacto
en el medio ambiente y un considerable ahorro energético.
Los sistemas de Agua Caliente Sanitaria son aquellos que distribuyen agua de consumo
sometida a algún tratamiento de calentamiento y por ello, además de cumplir las
especificaciones del Real Decreto 865/2003 deben cumplir los requisitos del Real
Decreto 140/2003, de 7 de febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la
calidad del agua de consumo humano.
Los elementos que constituyen un sistema de ACS son los siguientes.
Acometida de Agua Fría de Consumo Humano (AFCH).
Generador de calor. Es el elemento o grupo de elementos destinados a elevar
la temperatura del agua fría. Existen multitud de posibilidades para elevar la
temperatura del agua. En algunas instalaciones, típicamente las de menor
76
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
tamaño, se utilizan calderas o calentadores que actúan calentando directamente
el AFCH. En las instalaciones de mayor tamaño se usan intercambiadores de
calor, diferenciándose el circuito de ACS del circuito de agua de caldera.
Red de suministro. Conjunto de tuberías que transportan el agua atemperada
hasta elementos terminales.
Acumulador. Depósito o depósitos que almacenan el agua caliente,
incrementando la inercia térmica del sistema y permitiendo la utilización de
generadores de calor de potencia inferior a la demanda máxima puntual del
sistema.
Elementos terminales. Grifos, duchas que permiten el uso y disfrute del ACS.
Circuito de retorno. Red de tuberías que transportan el agua de vuelta desde
los puntos más alejados de la red de suministro hasta el acumulador. Su objeto
es mantener un nivel aceptable de temperatura del agua caliente en toda la red
de suministro, aún cuando los elementos terminales no demanden consumo
durante largos periodos de tiempo.
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
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
La energía aerotérmica es una manera óptima de lograr el calentamiento del agua.
Estableciendo una bomba de calor aerotérmica como generador de calor en el esquema
anterior se logra satisfacer todos los requerimientos de la instalación de manera limpia y
eficiente.
Calefacción por radiadores de baja temperatura
Los radiadores de baja temperatura son similares a los radiadores convencionales
aunque con diferente forma de trabajo y con la ventaja de que pueden trabajar a baja
temperatura (45 y 50 ºC) obteniendo grandes rendimientos y logrando el mismo efecto
calórico que los convencionales. Tienen la ventaja además de que se pueden adaptar a
los sistemas preexistentes de canalización de agua, facilitando su instalación. Se trata
del nuevo estándar de calefacción sostenible que garantiza un ahorro considerable de
energía en comparación con un radiador tradicional. Suponen además un considerable
avance ecológico, puesto que por vivienda, reducen la emisión de ܱ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
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
Calefacción y refrigeración por suelo radiante
Tradicionalmente se denomina suelo radiante al sistema de calefacción eléctrica, a
través de agua caliente o calefacción por hilos de fibra de carbono que permite el
intercambio térmico a través de la superficie del suelo. El sistema permite de la misma
manera llevar a cabo procesos de refrigeración, haciendo pasar agua fría a través de las
tuberías en lugar de agua caliente. En los sistemas por agua el calor se produce en la
caldera y se lleva mediante tuberías a redes de tuberías empotradas bajo el pavimento de
los locales, mientras que en este sistema, el intercambio térmico tiene lugar mediante
filamentos ultra finos de fibra de carbono instalados bajo el suelo.
Figura 2.3. Suelo radiante
En realidad, el emisor podría ser por cualquier otro de los paramentos de los
locales a climatizar (paredes o techo), pero como el aire caliente asciende, lo más lógico
es emplear el suelo.
Este sistema tiene la ventaja de que la emisión tiene lugar por radiación, por lo que
se puede tener en los locales habitados una temperatura seca del aire menor que con
otros sistemas de calefacción, lo que supone menores pérdidas de calor por los muros,
79
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
techos o suelos en contacto con el exterior. En España, con las temperaturas mínimas
exteriores normales, el ahorro de este sistema puede estimarse entre un 15% y un 20%,
sin disminuir las prestaciones en cuanto a comodidad térmica (sensación térmica).
Las tuberías de agua (generalmente de material plástico) o cables eléctricos se
distribuyen sobre el forjado, interponiendo un aislante térmico para evitar que el calor se
disipe hacia la planta inferior. Sobre las tuberías se pone una capa de mortero de
cemento y arena y luego el solado, que se recomienda sea de un material poco aislante
del calor (piedra, baldosa cerámica o hidráulica) y no de madera o moqueta. Algunos
sistemas eléctricos modernos son de aplicación directa y no necesitan la capa de
mortero de cemento y arena. Si el edificio está bien aislado no es necesario cubrir toda
la superficie del suelo.
Los elementos que componen este diseño se explican a continuación.
Tubo de plástico ó multicapa. Es un tubo de polietileno de alta densidad,
reticulado por radiación de electrones. Las técnicas puestas en servicio para la
fabricación aseguran una gran regularidad dimensional (diámetro y espesor de
las paredes).
Placas de aislamiento.
Aislamiento periférico. Es necesario separar mecánica y fónicamente la placa
base del suelo radiante de los tabiques. Esto se consigue mediante el
aislamiento periférico, constituido por unas tiras rígidas de Poliestireno
Expandido.
Grapas de fijación. Para sujetar el tubo a las placas de aislamiento, se utilizan
unas grapas autoperforantes que, clavadas sobre los tacos-guía en las zonas
curvas del tubo, impiden que este se desplace de su posición.
Conjuntos de distribución. Los diferentes circuitos formados por los tubos de
polietileno reticulado van unidos a un colector de ida y otro de retorno. Por las
80
CAPÍTULO II Energía aerotérmica
mejores características en cuanto a resistencia mecánica y térmica, la tubería
multicapa es la mejor opción para la realización de estos circuitos.
Para conseguir calentar una vivienda mediante sistemas convencionales hay que
aumentar la temperatura del agua circulante a unos 80º C, pero con suelo radiante
podría necesitarse un calentamiento de solo unos 30º C para conseguir la misma
temperatura ambiental de aproximadamente 22º C. Esta temperatura variará en función
del acabado final que se instale sobre el forjado, ya que no todos los materiales poseen
las misma conductividad térmica.
Los sistemas aerotérmicos se han mostrado idóneos para alimentar este tipo de
sistemas y deben considerarse una primera opción a la hora de su diseño.
Calentamiento de piscinas durante todo el año
Las instalaciones de climatización de piscinas tienen como objetivo calentar y
mantener la temperatura del agua dentro de los límites adecuados para el baño y
mantener el aire del local dentro de unos parámetros adecuados de humedad y
temperatura, consiguiendo así prolongar el período de uso de la piscina más allá de los
meses de verano. Las energías renovables se muestran como la opción más recurrida
actualmente, siendo las bombas de calor el sistema más empleado hoy en día, por lo que
la energía aerotérmica se presenta como una opción competitiva para lograr dicho
objetivo.
CAPÍTULO III
DISEÑO DE LA INSTALACIÓN
82
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
83
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
3.1 INTRODUCCIÓN
Diseño y construcción de un banco de ensayos que permita el análisis de
dispositivos aertérmicos son objetivos principales en el presente proyecto. La
instalación debe permitir establecer unas condiciones de funcionamiento determinadas y
controlables para los equipos a ensayar en el mismo; de modo que la misión del banco
de ensayos es doble.
Medir las propiedades de llegada del aire a la bomba.
Ejercer un control adecuado sobre dichas propiedades.
A continuación detalla el proceso de diseño y construcción del banco, y se explican
las decisiones tomadas al respecto.
84
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
3.2 CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE ENSAYOS
En primer lugar se plantea la siguiente pregunta: ¿qué se requiere para construir un
banco de trabajo? Un equipo de dichas características debe permitir realizar las pruebas
deseadas sobre el dispositivo a ensayar, verificando su correcto funcionamiento. Se
concibe por tanto el proyecto alrededor de la siguiente idea: construir una zona de
ensayos para dispositivos aerotérmicos, poniendo a prueba el mismo y registrando su
comportamiento. Como ya se ha indicado, los dispositivos aerotérmicos extraen energía
del ambiente para su aprovechamiento, por lo que una zona de ensayos debería permitir
simular condiciones ambientales variables, de acuerdo al tipo de ensayo al que se desee
someter al circuito. Para registrar el comportamiento del dispositivo surge la necesidad
de establecer una serie de sensores que lo permitan.
Partiendo de lo expuesto anteriormente, se puede realizar el siguiente resumen: se
desea construir un espacio que permita al usuario generar las condiciones ambientales
que decida y que sea capaz de detectar y registrar el comportamiento del dispositivo a
ensayar. Se parte de la siguiente premisa: las condiciones ambientales de un
determinado espacio pueden ser controladas siempre y cuando pueda controlarse la
temperatura del aire y su humedad, así como el flujo del mismo. ¿Cómo puede
acondicionarse un espacio para controlar tales propiedades? La respuesta es la siguiente:
haciendo que dicho espacio forme parte de un circuito que bombee el aire en las
condiciones deseadas. En un esbozo inicial, se requerirán los elementos siguientes.
Sistema de bombeo del aire.
Sistema de calentamiento del aire.
Sistema de control de humedad del aire.
85
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
3.2.1.1 Ventilador
Para hacer funcionar un circuito de las características anteriores, lo primero que se
necesita es un elemento que proporcione el caudal de aire requerido por el circuito.
Partiendo de los requerimientos de base, se considera que el ventilador a emplear debe
ser capaz de funcionar bajo unas condiciones de diseño en las que pueda proporcionar
una potencia de 10 kW, y con un salto térmico ∆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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.2. Características del ventilador
88
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.3. Características del ventilador
A la hora de elegir un modelo de ventilador de entre los diversos disponibles es
preciso analizar las curvas de funcionamiento. Dichas curvas vienen dadas en función
del caudal. Es por tanto preciso determinar el caudal de funcionamiento que el
ventilador debe soportar. Para conocerlo es necesario establecer la velocidad del caudal
y la superficie perpendicular a dicha velocidad que debe atravesar. Es por tanto
necesario determinar que tuberías debe haber en el circuito.
Para que los procesos de control y medida que tienen lugar en las diferentes etapas
del circuito tengan lugar de manera eficiente, es precioso que el aire pase de unas a otras
89
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
conservando sus propiedades; minimizando pérdidas de cualquier tipo. Los conductos
que el aire debe atravesar entre etapas, por tanto, deben ser elegidos cuidadosamente. A
continuación se procede a elegir las tuberías que unirán las partes del banco de ensayos.
Elección de tuberías
El diámetro de la tubería debe ser elegido de manera adecuada. El parámetro a
controlar es la velocidad del aire en el interior del conducto. El criterio de diseño es que
la velocidad debe rondar los 30 m/s, siendo ésta una velocidad adecuada que prevendrá
problemas de desgaste excesivo en las paredes del conducto, así como pérdidas de carga
demasiado altas.
Para establecer el diámetro del conducto, se recurre a la ecuación 3.2: continuidad
del caudal.
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Una vez calculado el diámetro de la tubería queda definido el caudal de aire máximo
que puede circular por el circuito. El valor del mismo se resuelve en la expresión 3.9.
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.5. Curva característica del ventilador
94
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Dicha curva proporciona un rendimiento adecuado para el caudal de diseño. Se
puede barrer la curva desplazándose a través de ella variando el caudal mediante el
variador de frecuencia, ajustando de este modo el valor de la presión y el rendimiento a
puntos aceptables. Las revoluciones del motor se controlan desde una señal del
ordenador. De este modo se puede adaptar la curva al punto de trabajo que se desee.
La figura 3.6 muestra el ventilador.
Figura 3.6. Caja del ventilador
95
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Este modelo de ventilador es accionado mediante un motor trifásico cerrado w2, con
las características mecánicas expuestas a continuación.
Figura 3.7. Características del ventilador
96
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
La figura 3.8 muestra el motor de accionamiento.
Figura 3.8. Motor de accionamiento
En la siguiente imagen, se puede observar el ventilador integrado en el circuito del banco de ensayos.
97
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.9. Ventilador en el banco de ensayos
3.2.1.2 Variador de frecuencia
Una vez seleccionado el ventilador, el siguiente paso es acondicionarlo a las
necesidades del circuito. En los objetivos iniciales se establece que el flujo de aire en la
zona de ensayo debe estar bajo control del usuario, por tanto hace falta algún dispositivo
que permita el control manual del caudal del ventilador. Se opta por instalar un variador
de frecuencia. Sus características se exponen a continuación.
Se instala el modelo atv312hu22n4 de Schneider electrics, que puede verse en la
figura 3.10.
98
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
En las figuras 3.12 y 3.13 puede verse el variador de frecuencia integrado en el circuito del banco de ensayos.
Figura 3.12. Posición del variador de frecuencia
Figura 3.12. Posición del variador de frecuencia
101
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
3.2.1.3 Sistema de calentamiento
El proceso de ensayo debe consistir principalmente en calentar el ambiente hasta la
temperatura requerida en cada caso para analizar como un dispositivo aerotérmico lleva
a cabo el proceso de enfriamiento. Es necesario por tanto un sistema de calentamiento
que permita este proceso. De acuerdo a dicho requerimiento, se concibe el sistema como
en una serie de resistencias eléctricas de alta potencia situadas en un punto del interior
del circuito, de modo que el aire al pasar a través de ellas a cierta velocidad se caliente.
Se requiere también un potenciómetro que permita ajustar la potencia recibida por las
mismas, y por tanto su temperatura. De esta manera, cuando para algún ensayo se
requiera aumentar la temperatura del aire, se encenderán las resistencias y se ajusta su
temperatura a través del potenciómetro, calentándose éstas y cediendo energía térmica
al aire, calentándose éste a su vez.
Resistencias
Figura 3.14. Resistencias eléctricas
102
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Se encuentran suspendidas en una estructura metálica. Su alimentación tiene lugar a
través de la red eléctrica y es gestionada por el potenciómetro.
Se trata de 6 resistencias de 1,33 kW cada una que pueden encenderse
individualmente. Una de las resistencias es de tipo regulable, de modo que permite
ajustar la potencia que cede en cada momento desde un valor de 0 hasta un valor
máximo de 1,33 kW. Esto permite ajustar con precisión la energía aportada al aire en
cada momento a cualquier valor entre 0 y 1,33 · 6 ≈ 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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Potenciómetro
El potenciómetro forma parte del sistema de control de temperatura. El
potenciómetro es el modelo A2000 de E.B.C. un instrumento de medida que se usa para
el análisis de sistemas de corriente alterna, particularmente donde los instrumentos
analógicos convencionales no sirven, especialmente donde las distorsiones armónicas
son importantes, además de corriente, voltaje y potencia. El potenciómetro es capaz de
realizar simultáneamente las medidas más importantes en sistemas de medio y alto
voltaje, eliminando el uso combinado de instrumentos de medida. Los valores
importantes pueden ser registrados durante largos periodos de tiempo, y el proceso de
grabación puede ser activada para una duración determinada por un evento. En este caso
puede conocerse la historia previa, funcionando también como detector de fallos
significativamente mejor que los dispositivos convencionales.
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.17. Posición del potenciómetro
Figura 3.18. Potenciómetro
105
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Las resistencias se conectan al potenciómetro, y éste a su vez a una serie de
interruptores térmicos a través de los cuales se accionan las resistencias. En la siguiente
figura se muestran los interruptores.
Interruptores
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.20. Características de los interruptores
107
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
3.2.1.4 Sistema de control de la humedad
A la hora de mantener la humedad del circuito bajo control es necesario disponer de
algún dispositivo que permita al usuario aumentarla o reducirla. Con este objetivo se
instalan los elementos descritos a continuación.
Batería de refrigeración
Su misión consistirá en reducir la cantidad de vapor de agua en el caudal de aire. El
funcionamiento del dispositivo consiste en enfriar el aire hasta una temperatura inferior
a su punto de rocío. De esta manera se produce en el aire un proceso de condensación
del vapor de agua que contiene, y una vez en forma de líquido puede ser retirada del
circuito. Controlando el valor de la temperatura de la batería, puede hacerse que la
condensación se produzca de una manera más o menos acusada.
La batería consiste en un conducto espiral a través del cual se hace pasar agua a baja
temperatura, de forma que cuando el aire pase a través de ella se produzca la
condensación. Se mostrará a continuación el proceso de refrigeración, cuando se sitúa el
dispositivo en el interior de la zona de ensayo. Un conducto de las mismas
características servirá como parte de un equipo de prueba para realizar futuros ensayos.
Figura 3.21. Proceso de deshumidificación
108
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Generador de vapor
Cuando el nivel de humedad relativa desciende por debajo de lo deseable y se
requiere aumentarlo se empleará un generador de vapor. Dicho elemento genera vapor
de agua a partir del líquido obtenido de la red y calentándolo hasta el punto de
evaporación. A continuación se introduce el vapor en el circuito mediante la tubería de
conexión.
El modelo elegido es un modelo HSW33 de la marca Inbeca.
Figura 3.22. Generador de vapor
109
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
3.2.2 Elementos de medida
Los elementos anteriormente descritos serán los encargados de cumplir el primer
objetivo del banco de ensayos: crear unas condiciones ambientales controlables por el
usuario. A continuación debe abordarse el segundo objetivo principal: establecer un
mecanismo que permita medir y registrar el comportamiento de los dispositivos que se
pretenda ensayar en el banco. A continuación se elegirán y describirán los elementos de
medida del circuito. Se entienden como tales los siguientes.
3.2.2.1 Caudalímetro
El caudal de aire que atraviesa el circuito es una de las variables de mayor
importancia tanto a la hora de controlar las condiciones ambientales de la zona de
ensayo como para estudiar el comportamiento de los dispositivos a ensayar. Para
conocerlo se colocará un transmisor diferencial de presión que permitirá conocer la
presión absoluta en la tubería que conecta el ventilador con la zona de ensayos; lo que
permitirá conocer el valor del caudal de aire. El elemento instalado será el transmisor de
presión CP100 de la marca KIMO. Su principio de funcionamiento consiste en poseer
un elemento sensible de tipo piezorresistivo.
El efecto piezorresistivo describe cambios en la resistencia eléctrica de un material,
tras aplicar estrés mecánico (tracción o compresión) que los deforma. Dicho cambio es
debido a la variación de la distancia interatómica (en el caso de los metales) y a la
variación de la concentración de portadores (en el caso de los semiconductores).
El manual de uso del sensor permite traducir la presión en caudal, de acuerdo a la
expresión 3.10.
푣 = 퐾 · 푃 − 푃 (Ec 3.10)
110
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Las especificaciones técnicas se muestran a continuación.
Figura 3.24. Características técnicas
112
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.25. Esquema del caudalímetro
El sensor se conecta a la tubería para recibir la señal de presión y devolver la medida
de caudal. El sistema de adquisición de datos se encarga de realizar la transformación de
la presión en caudal.
Figura 3.26. Punto de medida de la presión
113
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.27. Caudalímetro y punto de medida
Las figuras 3.26 y 3.27 muestran el punto del circuito en el cual se lleva a cabo la
medición de la presión, así como la posición del caudalímetro, en el banco de ensayos.
3.2.2.2 Sensor de temperatura
En el proceso de control del sistema es imprescindible conocer la temperatura del
aire. Con este objeto se instalarán sensores de temperatura resistivos, concretamente del
tipo pt100, a la entrada y a la salida de la zona de ensayos. De esta forma se sabrá el
valor de la temperatura del aire cuando éste llega al dispositivo aerotérmico que se esté
analizando, y el valor de la misma después de la interacción con el aparato. En la figura
3.28 se esquematiza la posición de los sensores.
114
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
alta resistividad. Para un mismo valor óhmico, la masa del sensor será menor,
por lo que la respuesta será más rápida.
margen de temperatura mayor.
alta linealidad.
sin embargo, su sensibilidad (α) es menor.
Como ya se había mencionado, el modelo a emplear en el banco de ensayos es el de
sensor pt100. Estos sensores se disponen al final del conducto de entrada al sistema de
estudio, y al principio del conducto de salida del mismo, de acuerdo con la normativa
EN 308: 1997.
La disposición de 4 de los sensores se muestra a continuación.
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.34. Colocación de los sensores de temperatura en el conducto
En la figura 3.35 se muestra la colocación de los sensores de temperatura con respecto a la zona de ensayos. Como puede apreciarse, se encuentran colocados al final de la tubería de entrada y al principio de la tubería de salida de la zona de ensayos.
Figura 3.35. Colocación de los sensores de temperatura
119
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
3.2.2.3 Sensor de humedad
Los sensores de humedad registran la humedad relativa del aire. Esto es, como ya ha
sido mencionado, la proporción de agua que contiene el aire en proporción al total de
agua que es capaz de asimilar. Una humedad relativa del 0% quiere decir que el aire no
contiene agua, y una humedad relativa del 100% quiere decir que el aire contiene la
máxima cantidad de agua que es capaz de asimilar; o lo que es lo mismo, que está
saturado de agua. Si en estas circunstancias se tratase de incrementar la humedad del
ambiente, el agua comenzaría a condensar, puesto que el aire no sería capaz de
asimilarla.
Existen diversos tipos de sensores de humedad, clasificados de acuerdo a sus
respectivos principios de funcionamiento. A continuación se enuncian los más usuales.
Mecánicos. Aprovechan los cambios de dimensiones que sufren cierto tipo de
materiales en presencia de la humedad. Como por ejemplo: fibras orgánicas o
sintéticas, el cabello humano, etc.
Basados en sales higroscópicas. Deducen el valor de la humedad en el
ambiente a partir de una molécula cristalina que tiene mucha afinidad con la
absorción de agua.
Por conductividad. La presencia de agua en un ambiente permite que a través
de unas rejillas de oro circule una corriente. Ya que el agua es buena conductora
de corriente, según la medida de corriente se deduce el valor de la humedad.
Capacitivos. Se basan sencillamente en el cambio de la capacidad que sufre un
condensador en presencia de humedad.
Infrarrojos. Estos disponen de 2 fuentes infrarrojas que absorben parte de la
radiación que contiene el vapor de agua, y en función de la misma estiman la
humedad.
120
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Resistivos. Aplican un principio de conductividad de la tierra. Es decir, cuanta
más cantidad de agua hay en la muestra, más alta es la conductividad de la tierra.
Para conocer la humedad relativa y su variación en el proceso que esté teniendo
lugar en el banco de ensayos se situarán sensores antes y después del proceso, en las
tuberías de entrada y salida, junto a los sensores de temperatura, como se puede apreciar
en la figura 3.36.
Figura 3.36. Posición de los sensores de humedad
Se sitúan a la altura de uno de los sensores de temperatura y a una profundidad de
푑/2 desde el contorno de la tubería, es decir, en el centro del conducto, como muestra la
figura 3.37.
121
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.38. Características de los sensores de humedad
Figura 3.39. Características de los sensores de humedad
123
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
3.2.3 Zona de ensayo
Una vez diseñados los sistemas de control y medida de la zona de ensayos, queda la
construcción de la propia zona de trabajo en la que tendrán lugar los experimentos. La
zona de ensayos consiste en una estructura dentro de la que se situará el dispositivo
aerotérmico a ensayar. Debe poseer las medidas adecuadas para contenerlo, y contar con
aislamiento térmico que impida que la temperatura exterior perturbe los ensayos.
Se decide construir una caja de 2 m de largo, 80 cm de ancho y 60 cm de alto,
con lana de roca. La lana de roca, perteneciente a la familia de las lanas minerales, es un
material fabricado a partir de la roca volcánica. Se utiliza principalmente como
aislamiento térmico y como protección pasiva contra el fuego en la edificación, debido a
su estructura fibrosa multidireccional, que le permite albergar aire relativamente
inmóvil en su interior. La estructura de la lana de roca contiene aire seco y estable en su
interior, por lo que actúa como obstáculo a las transferencias de calor, aislando tanto de
temperaturas bajas como altas. Las figuras siguientes muestran el receptáculo.
Figura 3.40. Zona de ensayos abierta
124
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.41. Zona de ensayos cerrada
Figura 3.42. Zona de ensayos en el circuito
125
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
La figura 3.40 muestra la zona de ensayo abierta. Pueden apreciarse los sensores de
temperatura y humedad en las tuberías, justo antes de la entrada y la salida de la misma.
En la figura 3.41 se aprecia la caja cerrada, con el aspecto que debe presentar en
condiciones de funcionamiento y en la figura 3.42 puede apreciarse implementada en el
circuito que compone el banco de ensayos.
3.2.4 Adquisición de datos
El proceso de medida que se lleva a cabo en la zona de ensayo mediante los sensores
anteriormente expuestos requiere que los datos obtenidos, para poder ser registrados y
tratados, sean traducidos a un ordenador. La tarjeta de adquisición de datos es el
elemento encargado de leer en las magnitudes correspondientes a los valores medidos
por los diferentes sensores del sistema de medida y adquisición de datos para
transmitirlos posteriormente al PC donde se realiza su visualización y tratamiento.
La tarjeta de adquisición de datos que se muestra en la imagen es el modelo
DAQPad 6016 de National Instruments y se conecta a un PC vía puerto USB, para el
registro de las señales de los elementos de medida.
En la tabla se encuentran las características más importantes de la misma.
Figura 3.43. Tarjeta de adquisición de datos
126
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Tarjeta de adquisición de datos DAQPad 6016 de National Instruments
Entradas analógicas 16
Salidas analógicas 2
Entradas/Salidas Digitales 32
BUS USB
Resolución 16bits
Rango de entrada ± 0,05 a ±10 V
Rango de salida ±10 V
Contadores 2
Figura 3.44. Características de la tarjeta de adquisición de datos
En cuanto al montaje de los distintos elementos de medida a esta tarjeta cabe
destacar que la lectura de la tarjeta es en unidades de voltaje, en concreto en un rango de
0,05 a 10 V, sin embargo, la señal de salida de la mayoría de estos elementos es de 4-20
mA. Por esta razón se montaron unas resistencias de 249 Ω en paralelo en la entrada de
la tarjeta de adquisición de datos que realizan el cambio de unidades.
En la siguiente figura puede observarse la misma implementada en el sistema de
adquisición de datos.
127
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.45. Tarjeta de adquisición de datos implementada en el circuito
Software asociado al sistema de adquisición de datos
Es el programa utilizado para visualizar y gestionar las medidas transmitidas
mediante la tarjeta de adquisición de datos y que serán guardadas en un archivo que
permita su posterior tratamiento.
Se ha empleado el lenguaje de programación gráfica LAB VIEW, desarrollado por
Nacional Instruments. Al tratarse de la misma compañía que la tarjeta de adquisición de
datos presenta una total compatibilidad con ella.
El programa desarrollado, denominado Bomba calor, está constituido por varias
pestañas, en las que se presentan esquemas de las distintas partes de la instalación
experimental.
Se muestra el interfaz gráfico empleado para mostrar los valores en las
diferentes zonas del circuito en el pc en la siguiente figura.
128
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
Figura 3.46. Interfaz gráfico de LAB VIEW
Con esto concluye la construcción del banco de ensayos. A continuación se muestra
una imagen del mismo con todos sus componentes y en condiciones de funcionamiento
Figura 3.47. Imagen del banco de ensayos completo
129
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
3.3 EQUIPO DE PRUEBA
Una vez se concluye la construcción del banco de ensayos debe de ponerse a
prueba el funcionamiento del mismo. Es por eso que se decide construir un equipo que
permita analizar la exactitud de las medidas registradas.
Se opta por fabricar un mecanismo capaz de llevar a cabo un proceso de
enfriamiento e introducirlo en la cámara de ensayos de modo que simule un dispositivo
de enfriamiento aerotérmico. Durante dicho procedimiento de simulación se registrarán
los procesos de intercambio energético, variación de humedad y demás, lo que permitirá
verificar si se han logrado los objetivos iniciales de producir unas condiciones
determinadas de funcionamiento a través del banco de ensayos, y si las medidas
obtenidas son fiables.
El equipo de prueba consistirá en un conducto en espiral dispuesto en un lugar del
circuito de tal modo que obligue al aire a atravesarlo. A través de este conducto, y
cuando sea necesario, se hará pasar agua fría, de modo que el aire caliente reduzca su
temperatura al entrar en contacto con él.
Figura 3.48. Esquema del equipo de prueba
130
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
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
CAPÍTULO III Diseño de la instalación
CAPITULO IV
REALIZACIÓN DE ENSAYOS
134
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
135
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
4.1 INTRODUCCIÓN
El control y la medida sobre las propiedades del entorno de ensayo de los
dispositivos aerotérmicos son el objetivo principal del proyecto. Una vez finalizados los
procesos de diseño y construcción debe procederse a verificar que el banco de trabajo
cumple con los objetivos para los que fue diseñado. Para eso, se realizarán una serie de
ensayos que pongan a prueba los sistemas de medición y regulación del circuito, de
modo que si los resultados son satisfactorios, se den por logrados los objetivos.
A continuación se procede a detallar los distintos ensayos que se han llevado a cabo
con el fin verificar que el control sobre propiedades tan importantes como la
temperatura del aire que circula a través del circuito o su caudal están al alcance del
usuario, puesto que serán la llave sobre el control de las propiedades del entorno de la
zona de ensayo. También se debe ratificar que los sistemas de medida de las
propiedades del aire funcionan de manera fiable y adecuada.
136
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
4.2 ENSAYOS DE POTENCIA
El objetivo de los próximos ensayos es comprobar la energía intercambiada entre
aire y agua de refrigeración. Los ensayos consistirán en encender el banco y calentar el
flujo del aire mediante el sistema de calentamiento, para después realizar un proceso de
refrigeración a través del equipo de prueba, que simulará el funcionamiento de un
dispositivo aerotérmico. La idea es realizar una serie de ensayos fijando una serie de
parámetros, como pueden ser la temperatura del agua de refrigeración, el caudal de aire
y la temperatura del mismo, y variando otros de modo que puedan observarse los
intercambios de energía. Cada ensayo debe consistir en poner en funcionamiento el
sistema, y tras un periodo transitorio de variación de temperaturas y una vez alcanzado
el estado estacionario, observar los flujos energéticos. Como estos ensayos tienen lugar
en condiciones de aislamiento térmico, en teoría, la potencia cedida por el flujo de aire
cuando se enfría debe de ser igual a la potencia absorbida por el agua de refrigeración.
Si esta premisa se cumpliese, demostraría el correcto funcionamiento de los sensores del
banco de ensayos. La siguiente figura esquematiza el proceso.
Figura 4.1. Ensayos de potencia
A continuación se detallarán los ensayos de potencia que se han llevado a cabo.
137
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
4.2.1 Ensayos de temperatura
En primer lugar se llevan a cabo una serie de ensayos en los que se toma la
temperatura del aire de entrada a la zona de ensayo como variable. El procedimiento se
detalla a continuación.
Esta serie de ensayos tiene lugar con el ventilador en funcionamiento en circuito
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.
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
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
4.6 VERIFICACIÓN DE CONDENSADOS
Se llevan a cabo una serie de ensayos que permitan estudiar el proceso de
condensación durante el funcionamiento del banco de pruebas. Es misión del banco
controlar la temperatura del entorno de funcionamiento del dispositivo aerotérmico.
Para ello se dispone del sistema de calentamiento y el sistema de refrigeración, que
calibran la temperatura del aire de entrada a la zona de ensayos. Durante el proceso de
enfriamiento es posible que la baja temperatura del conducto que atraviesa el agua de
refrigeración haga que parte de la humedad del aire que se está refrigerando se
condense.
Se diseña el siguiente ensayo con objeto de cuantificar el nivel de condensados en
diferentes condiciones de funcionamiento.
Realización del ensayo
El sistema de refrigeración consiste en una serie de conductos a través de los que se
bombea agua fría; siendo el bombeo y la temperatura del agua controlados a través de
un circuito accionado mediante un dispositivo disponible en el laboratorio, y haciéndose
pasar el agua a través de un conducto espiral que se encuentra en el camino del aire.
169
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
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
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
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
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
Figura 4.32. Condensación en el serpentín de refrigeración
Figura 4.33. Condensación en el serpentín de refrigeración
172
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
Se opta por instalar una bandeja bajo el mismo, capaz de recoger el condensado. La
bandeja ha de disponer de un conducto que lleve el condensado hasta un recipiente para
poder proceder a su medición.
Con materiales disponibles en el laboratorio se construye la bandeja que se muestra
en la figura 4.34.
Figura 4.34. Bandeja de condensados
La bandeja se atraviesa con una herramientas de perforación circular del laboratorio,
dando lugar a un hueco del diámetro de la manguera que servirá para conducir el
condensado a un recipiente. La manguera se fija a la bandeja mediante silicona, y se
asegura mediante cinta adhesiva y una abrazadera metálica.
173
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
Figura 4.35. Bandeja de condensados con manguera de conducción
La bandeja se dispone bajo el serpentín, mediante un soporte que fuerce al aire a
pasar a través del mismo.
174
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
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
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
Figura 4.37. Recipiente de recogida de condensados
El ensayo consiste en poner a funcionar el ventilador, forzando al aire a pasar a
través del serpentín con la refrigeración funcionando, como se ha indicado
anteriormente. Una vez concluido el ensayo, se pone el recipiente de condensados sobre
una báscula de precisión y se pone ésta a cero. A continuación se retira el recipiente, por
lo que la báscula ofrecerá una medida negativa que será el peso de condensado y
recipiente. A continuación se pesa el recipiente vacío, obteniéndose de éste modo la
cantidad de condensado.
Se llevan a cabo dos ensayos, ajustando en ellos el caudal al 20% en el variador de
frecuencia, y la temperatura del agua de refrigeración a 5 ºC. En el primero de los
ensayos se ajusta el caudal de agua de refrigeración a 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
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
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
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
Análisis de los resultados
Los resultados obtenidos permiten calcular la cantidad teórica de condensado que se
debería obtener. Los parámetros principales de trabajo se muestran en la figura
siguiente.
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
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
Conociendo estos ratios tanto a la entrada y a la salida puede averiguarse la
diferencia entre el vapor de agua existente entre ambos puntos. Lógicamente, es de
esperar que esta diferencia se haya condensado en forma de agua líquida, haya sido
recogida en la bandeja de condensado y trasladada hasta el recipiente de medida.
La diferencia entre ratios de humedad entre la entrada y la salida ha de ser la
diferencia entre las masas de vapor de agua entre ambos puntos con respecto al aire
seco; y por tanto, la diferencia entre caudales másicos con respecto a dicho aire seco.
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
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
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.
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
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
cálculo de la cantidad de condensado, el equipo no es adecuado para estimar de manera
razonable dicho caudal másico producido durante los ensayos. Por otra parte, estos
ensayos demuestran también que la diferencia entre las potencias cedidas por el aire,
teniendo en cuenta el condensado, y sin tenerlo en cuenta son inferiores al 2%, por lo
tanto se concluye también que la cantidad de vapor de agua que se condensa durante los
ensayos no es relevante a la hora de conocer la potencia cedida por el aire.
182
CAPÍTULO IV Realización de ensayos
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y TRABAJOS
FUTUROS
184
CAPÍTULO V Conclusiones y trabajos futuros
185
CAPÍTULO V Conclusiones y trabajos futuros
5.1 CONCLUSIONES
En este apartado se resumen las principales conclusiones que se extraen del presente
proyecto.
De la infraestructura experimental desarrollada
El banco de ensayos posee diversos componentes que permiten el control y
regulación de las condiciones de funcionamiento en un amplio rango de
operación.
La instalación experimental ha sido dotada de un sistema de adquisición que
permite la monitorización en tiempo real y el guardado de datos de temperatura,
caudal y humedad relativa, para su posterior análisis.
El banco de ensayos diseñado y construido permite la caracterización de los
procesos de transmisión de calor y variación de humedad.
El banco de ensayos permite generar un entorno de funcionamiento en el que el
usuario es capaz de establecer las condiciones ambientes del mismo, controlando
la temperatura del aire y el caudal del mismo.
Del análisis experimental
El protocolo elaborado para la realización de ensayos de evacuación del sistema
ha resultado adecuado para la obtención de datos experimentales de operación
estables con suficiente redundancia.
El estudio experimental del sistema de generación, realizado en el banco de
ensayos, ha permitido determinar los valores de los principales parámetros
energéticos con el sistema funcionando en su régimen normal de trabajo, y
186
CAPÍTULO V Conclusiones y trabajos futuros
analizar el efecto que la variación de las condiciones de operación tiene sobre
dichos parámetros.
Del análisis de resultados
El perfil de velocidades en el interior del conducto de las tuberías del circuito
presenta una forma más combada y próxima a la teórica conforme mayor es el
valor del caudal de alimentación. Así mismo, la precisión en la medida de dicho
caudal también aumenta conforme crece el valor del mismo.
Como es lógico, la potencia cedida por el aire y la disipada por el agua aumentan
conforme se incrementa el valor de la temperatura del aire de alimentación o el
caudal de agua de refrigeración. Dichos aumentos influyen en una distribución
de temperaturas del caudal de aire más diferenciada de unos puntos a otros,
como recogen las lecturas.
La humedad del aire tiene una influencia muy significativa en el rango de
potencias realtivamente pequeñas en los que se mueven los dispositivos que
deben ser analizados en el futuro. Se recomienda una medida de mayor precisión
de la misma, ya sea mediante sensores más precisos o instalando un mayor
número de ellos, de modo que puedan recogerse un mayor número de lecturas
con las que establecer una media de la humedad más precisa, como se hace con
la temperatura del aire.
187
CAPÍTULO V Conclusiones y trabajos futuros
5.2 TRABAJOS FUTUROS
La construcción del banco de ensayos tiene como objetivo servir como base para
el análisis de diversos dispositivos aerotérmicos. Las bombas de calor se conciben desde
el principio como el principal objeto de análisis del banco de ensayos, por lo que es de
esperar que su estudio sea una parte fundamental del trabajo que se lleve a cabo en
adelante. A día de hoy, ya se han llevado a cabo procesos de análisis de bombas de calor
de modo satisfactorio.
188
CAPÍTULO V Conclusiones y trabajos futuros
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
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:
• 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
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
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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)
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)
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.
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
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
-
+
+-
Bornesde alimentación
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 alimentación
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
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
BIBLIOGRAFÍA
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Bibliografía
209
Bibliografía
Bibliografía
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