Proyecto de Transferencia de Calor

Universidad Mayor de San Simón. Facultad de Ciencias y Tecnología. Carrera de Ingeniería Mecánica-Electromecánica.

CONCEPTO Y DEFINICION. La energía solar es una gran alternativa a las fuentes convencionales de producción de calor, ya que la luz solar que llega a la Tierra produce dos mil ochocientas cincuenta veces más energía de la que se necesita en el mundo actualmente. La energía solar se puede aprovechar de diversas maneras (placas fotovoltaicas, campos de helióstatos…), pero en este trabajo nos centraremos en la llamada energía solar térmica, que consiste en el aprovechamiento de la energía procedente del Sol para transferirla a un medio portador de calor, generalmente agua o aire. Como paso previo a la presentación de nuestro diseño, vamos a explicar brevemente las formas de transmisión del calor: CONDUCCION: La conducción es el transporte de calor a través de una sustancia, por contacto directo, y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas. El calor fluye desde el objeto que está a mayor temperatura hasta el que la tiene menor. La conducción continúa hasta que los dos objetos alcanzan la misma temperatura (equilibrio térmico). Podemos explicarlo si tenemos en cuenta las "colisiones de las moléculas". En la superficie de contacto de los dos objetos las moléculas del objeto que tiene mayor temperatura, que se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto que está a menor temperatura, que se mueven más despacio. A medida que colisionan, las moléculas rápidas ceden parte de su energía a las más lentas. Estas, a su vez, colisionan con otras moléculas contiguas. Este proceso continúa hasta que la energía se extiende a todas las moléculas del objeto que estaba inicialmente a menor temperatura. Finalmente, alcanzan todas la misma energía cinética y en consecuencia la misma temperatura. Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras: los sólidos son mejores conductores que los líquidos, y éstos mejores que los gases. Los metales son muy buenos conductores del calor, mientras que el aire es un mal conductor.

CUERPO A CUERPO B

CALOR MAYOR TEMPERATURA

MENOR TEMPERAT URA

PROYECTO DE TRANSFERENCIA DE CALOR SEMESTRE I/2014

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CONVECCION: La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Estos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

RADIACION: Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de materia para transferir calor. La radiación, sin embargo, es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente de calor y el receptor, no se necesita ningún medio material para que se transmita. Por radiación nos llega toda la energía del Sol. Al llegar a la Tierra, empieza un complicado ciclo de transformaciones: la captan las plantas y luego la consumimos nosotros, el agua se evapora, el aire se mueve La energía radiante del Sol se transmite a través del espacio vacío en forma de radiación que viaja a la velocidad de la luz. Entre las diferentes ondas que la componen hay radiación visible, ultravioleta, infrarroja etc. La ultravioleta es tan energética que puede ionizar la materia, pero la radiación infrarroja interfiere con los electrones de los átomos promocionándolos a un nivel de energía superior y produce la agitación de los átomos y de las moléculas que se traduce en calor. En los hornos microondas, la energía generada para que vibren las moléculas de la sustancia que se calienta la transmiten ondas con una frecuencia inferior a las del infrarrojo.

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La radiación se produce cuando los electrones situados en niveles de energía altos caen a niveles de energía más bajos. La diferencia de energía entre estos niveles se emite en forma de radiación electromagnética. Cuando esta energía es absorbida por los átomos de una sustancia, los electrones de dichos átomos "saltan" a niveles de energía superiores. -Todos los objetos absorben y emiten radiación. Cuando la absorción de energía está equilibrada con la emisión, la temperatura del objeto permanece constante. Si la energía absorbida es mayor que la emitida, la temperatura del objeto aumenta, y si ocurre lo contrario la temperatura disminuye. La energía total radiada por un cuerpo caliente es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura expresada como temperatura absoluta. E=cte. ·T4 Se sabe que el color negro se ve así porque no devuelve o refleja ninguna luz. La luz que recibe es absorbida por el objeto pigmentado que, de esa manera, "atrapa" la energía aumentando su cantidad de calor y, por consecuencia, su temperatura. Un cuerpo negro se define como aquél que absorbe todo el calor que cae sobre él. El negro opaco es profusamente usado en los captadores de energía solar, y uno de los desafíos de la tecnología es la búsqueda de un pigmento "perfectamente negro" para cubrir los captadores de energía. Un cuerpo a una temperatura dada, emite más con su superficie ennegrecida.

IDENTIFICIACION DE LOS COMPONENTES Mediante experimentos y pruebas logramos definir los componentes del dispositivo a diseñar, los cuales describiremos a continuación. a) Lana de Acero. La lana de acero comúnmente llamada bombril, fue escogida como opción por ser un excelente colector de aire, también es un material poroso y el área por el que pasara el flujo es mayor, ya que el propósito el radiador solar es no tener pérdidas del flujo de calor cuando se está produciendo el intercambio de calor.

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El bombril tiene un costo de 5Bs cada bolsa en la cual vienen 6 unidades enroscadas, desdoblándolas se obtienen pequeños trozos con las siguientes dimensiones: Ancho: 5cm; alto: 11cm; espesor: 4cm La medición de la temperatura para el experimento se lo realizo con un termómetro infrarrojo a distancia tipo pistola. Bajo condiciones climáticas de trabajo adecuadas para la medición de temperatura se obtiene la siguiente medición. Temperatura lana de acero: 36°C

b) Latas de aluminio de 355cc.

Las latas de aluminio son un material reciclado, lo cual reduce el costo del proyecto. Las latas de bebida suelen ser de forma cilíndrica con dos tapas planas en las bases. El metal más habitual en todos los países es que realicen en aleaciones de aluminio u hojalata.1 Se suelen preparar en chapas de aproximadamente unos 80 micrómetros de grosor. Existen versiones realizadas en plástico (elaboradas en Tereftalato de polietileno o PET). Una lata de un tercio de litro de volumen, elaborada en aleación de aluminio, suele pesar

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unos quince gramos. El interior de las latas suele recubrirse empleando resina epoxi. Las latas se crean mediante el formado en frío. Las latas suelen rellenar con el contenido líquido antes de cerrar la última tapa. El aluminio es un elemento muy abundante en la naturaleza, sólo aventajado por el oxígeno. Se trata de un metal ligero, con una densidad de 2700 kg/m3, y con un bajo punto de fusión (660 °C). Su color es blanco y refleja bien la radiación electromagnética del espectro visible y el térmico. Es buen conductor eléctrico (entre 35 y 38 m/(Ω mm2)) y térmico (80 a 230 W/(m·K)). Las dimensiones de la lata son las siguientes: Ancho: 6.6cm; alto: 10.37cm; espesor: 0.01cm La medición de la temperatura para el experimento se lo realizo con un termómetro infrarrojo a distancia tipo pistola.

Bajo condiciones climáticas de trabajo adecuadas para la medición de temperatura se obtiene la siguiente medición. Temperatura lata de aluminio pintada superficie negra: 50°C Por los datos obtenidos en los experimentos, decidimos optar por las latas de aluminio, las latas fueron pintadas con pintura color negro mate opaco para obtener un mejor rendimiento y absortividad de la radiación solar.

Después de una primera etapa de cálculo se determina un numero de latas de 126 para un área efectiva de transferencia de calor por radiación, por lo cual descartamos esta alternativa. c) Elección del vidrio. El vidrio a utilizar en el proyecto será un vidrio simple de 4 mm de espesor, este vidrio fue escogido por sus propiedades, transparente sin tintes ni opacidad. d) Extractor de aire. Este extractor será utilizado para generar convección forzada con un caudal 23.67 pie3*min como máximo. Alimentación del ventilador: 12 V DC Conclusión del estudio de alternativas:

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Se decidió optar por un área de transferencia de calor por radiación basados en una placa negra como medio para calentar el aire, el proceso se describe a continuación.

DESCRIPCION DEL PROCESO (funcionamiento): El proceso consta de 2 etapas:  Precalentamiento del equipo o Consiste en ubicar el equipo para recibir la radiación solar, en esta etapa el ventilador se encuentra en reposo mientras la temperatura de salida no alcance los 45 grados. o La transferencia de calor se efectúa por radiación y convección natural para calentar el aire en un principio.  Funcionamiento a régimen variable o Consiste en el régimen a velocidad constante del ventilador para mantener una temperatura de salida constante. o Cuando la temperatura desciende del rango óptimo el ventilador se detiene. o La transferencia de calor se efectúa por radiación y convección forzada para calentar el aire. DESCRIPCION DEL EQUIPO: El equipo consta de una superficie negra, se busca calcular una Área efectiva para la transferencia de calor por radiación tomando en cuenta dos etapas de funcionamiento del equipo. 



Precalentamiento o Involucra el calentamiento de la plancha por radiación solar y calentamiento del aire por convección natural. Funcionamiento a régimen de convección forzada o El equipo está calculado para funcionar a convección forzada cuando la temperatura del aire interior alcanza los 45 °C. o El flujo másico inicial es del 75% incrementando gradualmente si la temperatura efectiva (sensor 3 ) en la salida de la chimenea es superada.

La salida del aire tiene una chimenea a forma de embudo para extraer el aire con un ventilador controlado electrónicamente

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El equipo electrónico consta de una placa con micro-controlador y 3 sensores de temperatura con la siguiente disposición:  Entrada del Calentador o Ubicado para tener la referencia de temperatura en la entrada del equipo  Salida del Calentador(Datos para el cálculo) o Ubicado para tener la referencia de temperatura a la salida del calentador, previo al ventilador (Datos para el cálculo)  Salida de la Chimenea o Ubicado para tener el valor de temperatura útil o final del proceso SENSOR UBICACION

T1 ENTRADA

T2 SALIDA DEL CALENTADOR

T3 SALIDA DEL EXTRACTOR

Los datos serán compilados y enviados mediante bluetooth (transmisión inalámbrica) a un dispositivo móvil o celular para la comprobación de datos y monitoreo del proceso en tiempo real. El extractor funcionara exclusivamente cuando el calentador alcance una temperatura de salida de 45°C. De encontrarse un dispositivo de recepción disponible en el área de 10 m. el equipo se conectara para iniciar el envío de datos. La recopilación de datos se realiza de forma inalámbrica y recepcionada en un dispositivo portátil como ser un teléfono celular o una Tablet con sistema operativo Android. Componentes utilizados: LM35 El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC. Su rango de medición abarca desde -55°C hasta 150°C. La salida es lineal y cada grado centígrado equivale a 10mV, por lo tanto: 150ºC = 1500mV

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-55ºC = -550mV Sus características más relevantes son:  Está calibrado directamente en grados Celsius.  La tensión de salida es proporcional a la temperatura.  Tiene una precisión garantizada de 0.5°C a 25°C.  Opera entre 4 y 30 voltios de alimentación.  Baja impedancia de salida.  Baja corriente de alimentación (60uA).  Bajo coste.

Transistor de potencia TIP31C El transistor de potencia seleccionado hace las veces de switch para manejar corrientes superiores a las del microcontrolador sin dañar el mismo, en nuestro caso manejamos una tensión superior como ser los 12 v que necesita el ventilador para funcionar. Ventilador de computador (extractor) El ventilador seleccionado trabaja con 12 V DC sus dimensiones son de 8x8cm Datos de fabricante:

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Modulo bluetooth Conversor de comunicación serial a bluetooth que se encarga de transformar la comunicación por caracteres a una señal inalámbrica. Leds indicadores

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Se incluyeron dos leds indicadores para el funcionamiento del equipo, el blanco indica el uso del ventilador, este incrementa su intensidad de brillo conforme sube la velocidad del ventilador desde que inicia su funcionamiento; el led rojo indica que el ventilador funciona a máxima capacidad

Controlador Arduino Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear entornos u objetos interactivos.

+ Programa de control en C/C++ //DEFINICION DE VARIABLES float temp1=0;float t1=0;float t11=0;float temp2=0;float t2=0;float t22=0;float temp3=0;float t3=0;float t33=0;String dato;String aux;int ventilador =6;int estado=0; void setup(){ Serial.begin(9600); //inicio comunicacion serial entre arduino "placa" y computador "receptor de datos" }

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void loop (){ temp1 = analogRead(0);//lectura del sensor devuelve un valor entre 0-1023 cuya significancia es un voltaje entre 0-5 V t1=(5.00*temp1*100)/1024;//transformacion del valor inicial a un valor de temperatura en una escala lineal t11=(t11+t1)/2;//recuperacion de un valor promedio para estabilizar medicion temp2 = analogRead(1); t2=(5.00*temp2*100)/1024; t22=(t22+t2)/2; temp3 = analogRead(2); t3=(5.00*temp3*100)/1024; t33=(t33+t3)/2; delay (2000); if (t22 >= 45&& t33>=45){ analogWrite(ventilador,191); estado=75; digitalWrite(7,LOW); } if (t2260&&t3370&&t33>75){ analogWrite(ventilador,230); estado=90; digitalWrite(7,LOW); } if (t22 > 80&&t33>85){ analogWrite(ventilador,255); estado=100; digitalWrite(7,HIGH); } if (Serial.available ()>0){ char c = Serial.read(); aux += c; dato = aux; aux = "";

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} if (dato.length ()>0){ if (dato=="1"){ //comunicacion entre placa y computador para enviar datos de "temperatura [X sensor[ grados C " con un intervalo de 2 segundos [2000 ms[ Serial.print("temperatura 1 "); Serial.print(t11); Serial.println(" grados C"); Serial.print("temperatura 2 "); Serial.print(t22); Serial.println(" grados C"); Serial.print("temperatura 3 "); Serial.print(t33); Serial.println(" grados C"); Serial.print("ventilador"); Serial.print(estado); Serial.println("% de flujo masico"); if(estado==0){ Serial.println("extractor detenido"); } if(estado==100){ Serial.println("extractor al maximo"); } } } }

Resultados Obtenidos: En la fecha 06/07/14 a las 17:00 hrs. se logró obtener un flujo de aire constante con las siguientes temperaturas registradas: Temperatura 1: 25°C Temperatura 2: 52°C Temperatura 3: 45°C Con un flujo másico del 75% mostrando incrementos variables ya sea por el viento o por variación de las condiciones atmosféricas.

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Equipo terminado:

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Calentador de aire

Integrantes: Ramírez Corrales Pablo Rocha Tejada Claudia Soria Gómez Ariel Villegas Valverde Humberto Jaime Fecha: 07/07/14

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