S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T. - CENIDET Man… · De una manera muy especial a1 M.F. Leonel Lira C. por...

S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACI~N Y DESARROLLO

TECNOL~GICO

cenidet

DISEÑO, CONSTRUCCI~N Y CARACTERIZACIÓN DE UN CALORIMETRO

PARA LA EVALUACIÓN TÉRMICA DE VIDRIOS CON FILTROS SOLARES

T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENlERíA MECÁNICA P R E S E N T A

MANUEL DE JESÚS PALACIOS GALLEGOS wR*-~-:$~I ~ ~ * t l Q € t

Director: Dra. Gabriela Alvarez Garcia

Co-Director: Dr. Claudio A. Estrada Gasca

CUERNAVACA, MORELOS. JULIO DE 1997

9 7 0 6 4 1

W r l - l B 3131 EMA NALIUNAL UC INSIKI'UlUS 71'I!XNOLOGICOS

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

ACADEMIA DE LA MAESTRiA EN INGENlERíA MECANICA

Cuernavaca , Morelos a 14 de julio de 1997

Dr. Juan Manuel Ricaño Castillo Director del CENIDET P r e s e n t e

Att'n Dra Gabriela Alvarez Garcia Jefe del Departamento de Ing. Mecánica área Térmica

i

Por este conducto hacemos de su conocimiento que, después de haber sometido a revisión el trabajo de tesis titulado

"DISENO, CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN CALORiMETRO PARA LA EVALUACION TÉRMICA DE VIDRIOS CON FILTROS SOLARES"

Desarrollado por el Ing. Manuel de Jesús Palacios Gallegos y habiendo cumplido con todas las 'correcciones que se le indicaron, estamos de acuerdo en que se le conceda la autorización de impresión de la tesis y la fecha de examen'de grado.

Sin otro particular, quedamos de usted

A t e n t a m e n t e Comisión Revisora

-.-

TECNOLOGICO DlRECClON

Interior Internadd Palmira S/N C.P. 62490 Apari:ido Y . 5-164 Ciicriiavaca. Mor., Mbxico cenidet/ rtii0070~rtii.iiifottec.cor1acyt.mx

Tc~s. : 173) 18-77-41: 12-23-14; 12-76-13. Fax: 12-24-34

a SPP I SISTEMA NACIONAL DE INSTITUTOS TECNOLOGlCOS

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

SUB ni RECCION AC ADÉMICA

Cuernavaca, Morelos a 14 de Julio de 1997

Ing. Manuel de Jesús Palacios Gallegos Candidato al Grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica P r e s e n t e

Después de haber sometido a revisión su trabajo de tesis titulado

"DISENO, CONSTRUCCION Y CARACTERIZACION DE UN CALORIMET'RO PARA LA EVALUACION TERMICA DE VIDRIOS CON FILI'ROS SOLAI1ES"

Y habiendo cumplido con todas las indicaciones qic el jurado revisor dc tesis hizo, se le comunica que se le concede la autorización para que se proccda a la impresión d!: la rnisiiia, como requisito para la obtención del grado.

Sin otro particular quedo de usted

A/r e n t a m e n t e s. E. P.

TECNOLOGICO DIRECCION Jefe del Departamento de

Ingeniería Mecánica

-.

cenidet/ I i itcrior iiiíeriindo Pnlriiira S/N C.P. 62490 Apnr1;ido 1'. 5 -1 64 Cucrnnvaca, Mor., hlexico

rLii0070~!~r1ii.~iilolcc.coiia~ 5 I . i i ix T c ~ s . : ( 7 3 ) 18-77-41: 12-23-14: 12-76-13. 1';iX: 12-24-34 . i

DEDICATORIAS

A DIOS, por mi existencia

A mis padres Clara Luz y Rafael

por el amor y la confianza que siempre me brindan.

A mi esposa

por su amor y apoyo en los momentos difíciles de este trabajo.

A mis hermanos Magali y Rafael

por el cariño y apoyo en todo momento.

A mis abuelos.

A mis suegros Sra. Magdalena y Sr Hugo por el apoyo brindado.

AGRADECIMIENTOS

A la familia Guillen Morales, Serrano Morales y Cancho Morales por su apoyo y confianza.

A mis asesores, Dra. Gabriela Alvarez G. y Dr. Claudio A. Estrada G. por la dirección y gran paciencia en la realización de esta tesis. además de sus enseñanzas.

De una manera muy especial a1 M.F. Leonel Lira C. por su amistad y apoyo personal. A

Yvonne r)or su amistad.

A mis revisores : Dra. Gabriela Alvarez G., Dr. Claudio Estrada G.. Dr. Gustavo Urquiza B., M.F.

Leonel Lira C., por sus acertadas correcciones.

AI Dr. J. Manuel Ricaño C. y al Ing. Jose Luis Jiménez V. por su apoyo personal.

AI CENIDET por el uso de sus instalaciones.

A mis compañeros y amigos de generación: Pablo, Pancho, Xochilt. Andrea, Claudia, Lucio, Amado, Andrés, Marco, Clemente.

A mis amigos Toño y Sandra, a doña Lupita, a don Marcelo González, Miguel, Tacho. Enrique W., Javier, a toda la comunidad del CENIDET y a todos los administrativos y demás personal

del Centro.

A todos los profesores de este Centro.

A CONACYT y a SEP por el apoyo brindado en la realización de esta tesis.

muchas gracias a todos ...

CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABLAS

NOMENCLATURA

RESUMEN

... 111

V

vi

viii

1. INTRODUCCI~N.

1.1 Antecedentes. 1

1.2 Estudio bibliográfico. 3

1.2.1 Estudios teóricos-experimentales de transferencia

1.2.2 Estudios teóricos de transferencia de calor en ventanas.

de calor en ventanas. 3

7

1.3 Objetivos. 10

2. ANÁLISIS TÉRMICO

2.1 Problema térmico de la transferencia de calor en vidrios

2.2 Análisis térmico del modelo propuesto de transferencia

2.3 Análisis térmico para la determinación del coeficiente global

con filtros solares. 1 1

de calor en vidrios. 13

de transferencia de calor, Uc. 15

2.4 Determinación del funcionamiento térmico de los vidrios con filtros solares.

3. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL.

3.1 Descripción del dispositivo experimental.

3.2 Caja calorimetrica.

3.3 Modo A: Determinación del coeficiente global de perdidas de calor Uc de la caja calorimetrica.

3.3.1 Placa colefactora.

19

20

21

23

24

I

3.4 Modo B: Determinación del funcionamiento térmico de los vidrios. 25

3.4.1 lntercambiador de calor. 27

3.4.2 Baño termostático. 28

3.4.3 Simulador solar. 28

4. CARACTERIZACIÓN DEL CALORíMETRO Y DE LA LÁMPARA SIMULADORA SOLAR.

4.1 Caja Calorimétrka.

4.2 Diseño de los experimentos de caracterización.

4.3 instrumentación.

4.4 Resultados experimentales.

30

31

32

33

4.5 Lámpara simulador solar. 49

la lámpara simulador solar. 49 4.5.1 Caracterización del campo radiativo producido por

5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LOS COEFICIENTES DE SOMBREADO DE VIDRIOS COMERCIALES.

5.1 Instrumentación y diseño del experimento.

5.2 Vidrios comerciales.

5.3 Resultados experimentales.

5.4 Comparación de los resultados experimentales.

5.5 Evaluación térmica de los vidrios de prueba.

53

54

55

60

63

6. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS PARA TRABAJOS FUTUROS. 67

REFERENCIAS. 70

APÉNDICE 1 Planos de construcción de la caja calorimetrica. 72

78 APÉNDICE 2 Análisis de incertidumbres.

LISTA DE FIGURAS

Fig.2.1 Esquema de una habitación con una ventana bajo condiciones de flujo radiativo.

Fig.2.2 Balance de energía en la caja calorimétrica.

Fig.2.3 Balance de energía en la caja calorimetrica para calcular el coeficiente global de perdidas de calor.

Fig.3.1 Caja calorimétrica

Fig.3.2 Diagrama esquemático del dispositivo experimental en el modo del calculo de Uc, modo A.

Fig.3.3 Diagrama esquemático del dispositivo experimental, modo B.

Fig.3.4 Funcionamiento térmico de la caja calorimétrica.

Fig.3.5 Esquema del intercambiador de.calor.

Fig.3.6 Comparación del espectro se salida de una lámpara de halogeno-tungsteno de 1000 W con la de una lámpara de xenón de 1 O00 W y la del sol, considerando una masa de aire de 1.5.

Fig.4.l Diagrama esquemático del experimento.

Fig.4.2 Diagrama del sistema de adquisición de datos.

Fig.4.3 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja calorimétrica referenciados con las temperaturas ambientes, con el vidrio reflectasol (6 mm) con flujos de calor conocido.

Fig.4.4 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja con el ajuste del modelo teórico, para Q= 1 O0 W con el vidrio reflectasol.

Fig.4.5 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja calorimétrica y de la temperatura ambiente, con el vidrio filtrasol con flujos de calor conocido.

Fig.4.6 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja con el ajuste del modelo teórico para el vidrio filtrasol con Q= 100 W.

12

13

15

23

24

25

26

27

29

32

33

35

37

38

39

... 111

Fig.4.7 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja calorimétrica y de la temperatura ambiente con el vidrio claro de 6 mm de espesor con flujos de calor conocido.

Fig.4.8 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja con el ajuste del modelo teórico para el vidrio claro de 6 mm y Q= 100 W.

Fig.4.9 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja calorimetrica y de la temperatura ambiente con el vidrio, claro de 3 mm de espesor con flujos de calor conocido.

Fig.4.1 OHistoria de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja con el ajuste del modelo teórico para el vidrio claro de 3mmyQ=100W.

Fig.4.1 1 Esquema del experimento del simulador solar.

Fig.4.12Perfiles de la energía radiante sobre la línea central horizontal (x) y la vertical (y) para L=50.0 cm.

Fig.5.1 Historia de las temperaturas y del calor removido por el calorímetro con el vidrio claro de 3 mm.

Fig.5.2 Historia de las temperaturas y del calor removido por el calorímetro con el vidrio reflectasol de 6 mm.

Fig.5.3 Historia de las temperaturas y del calor removido por el calorímetro con el vidrio filtrasol de 6 mm.

Fig.5.4 Historia de las temperaturas y del calor removido por el calorímetro con el vidrio claro de 6 mm.

41

42

43

44

50

52

56

57

58

59

Fig.5.5 Historia de las temperaturas promedio de los vidrios y de la temperatura ambiente. 61

Fig.5.6 Historia de las temperaturas promedio del aire en el interior de la caja calorimétrica y temperaturas ambiente registradas para los diferentes vidrios de prueba. 62

Fig.5.7 Historia de los flujos de calor removidos por el calonmetro para los 4 vidrios de prueba. 63

iv

LISTA DE TABLAS

Tabla 3.1 Características principales de la caja calorimétrica.

Tabla 4.1 Diferencia entre las temperaturas experimentales y las teóricas del interior de la caja al tiempo característico para el vidrio reflectasol.

Tabla 4.2 Diferencia entre las temperaturas experimentales y las teóricas del interior de la caja al tiempo característico para el vidrio filtrasol.

Tabla 4.3 Diferencia entre las temperaturas experimentales y las teóricas del interior de la caja al tiempo característico para el vidrio claro de 6 mm de espesor.


Tabla 4.5 Resultados experimentales de las pruebas de caracterización de la caja calorimetrica con los vidrios de prueba comparados con los obtenidos del análisis teórico.

Tabla 4.6 Potencia radiativa de salida de la lámpara simuladora solar obtenidas con el piranómetro.

Tabla 5.1 Comportamiento térmico del vidrio reflectasol color plata.

Tabla 5.2 Comportamiento térmico de vidrios comerciales.

Tabla 5.3 Comparación de los resultados de los experimentos, modo B. con los vidrios de prueba.

Tabla 5.4 Comparación de los parámetros térmicos para los vidrios claros de 3 mm y 6 mm, el vidrio filtrasol y el vidrio reflectasol.

22

37

40

42

45

48

51

54

55

64

65

"

NOMENCLATURA

A

Bi CP cs G Gr I

k L

m

m P

Q

9 R

T

t

U

V

Área, m2. Número de Biot. Capacidad calorífica, J/kg-K. Coeficiente de sombreado. lrradiancia solar, W/m2. Número de Grashof. intensidad de corriente, Amp. Conductividad térmica. W/m-K.

Longitud, cm. masa, kg. Flujo masico, kg/s. Potencia, W.

Flujos de calor, W.

Flujo de calor, W/m2-. Resistencia, Ohm. Temperatura, "C.

Tiempo, s. Coeficiente global de pérdidas de calor, W/m2 "C.

Voltaje, V.

mCp Se refiere a la masa térmica del sistema.

GRIEGAS a Absortancia óptica.

B Coeficiente de expansión térmica.

A Incremento.

P Reflectancia Óptica. Densidad.

Eficiencia térmica de la ventana.

7 Transmitancia óptica.

Viscosidad del aire.

vi

SUBíNDICES

0

acril ai alm. C

cu e

f

neto I

Iv

O

P R

Medio ambiente. Acrílico. Se refiere al aire. Se refiere a la energía almacenada. Se refiere a la caja caiorimétrica y al tiempo característico. Cobre. Equivalente. Fluido. Se refiere a la energía neta de calor. Se refiere al interior o entrada. Lana de fibra de vidrio. Se refiere al exterior o salida. placa absorbente del intercambiador de calor. Removido.

S

sumin Suministrado.

sup t

teo Teórico. V Vidrio.

Se refiere a la longitud característica.

Se refiere a la superficie. Se refiere a la potencia.

vii

RESUMEN

En el presente trabajo, se describe el diseño, caracterización y prueba de un

sistema para medir en forma experimental, la eficiencia térmica de vidrios

con filtros solares.

El sistema consiste en un dispositivo experimental donde se montan los vidrios

de prueba y está formado por un banco de prueba metálico, en el cual se

monta una caja calorimetrica de acrílico y aislada, una lámpara como

simulador solar, un baño termostático y un sistema de adquisición de datos.

La caja lleva colocada termopares tipo T, tanto en el interior como el exterior

de esta. En la parte posterior está colocado un intercambiador de calor que

hace la función de un calorímetro. Éste lleva colocado dos termopares del

mismo tipo a la entrada y a la salida del fluido térmico.

La caracterización del dispositivo experimental se realizó evaluando las

perdidas de la caja calorimetrica con el medio ambiente. Para ello se utilizó

una placa calefactora, la cual proporciona un flujo de calor conocido. Se

calculó la temperatura promedio del aire en el interior de la caja y se registró

el coeficiente de perdidas U, para los vidrios de prueba. Los valores del

coeficiente de perdidas U estuvieron en el intervalo de 1.5 a 2.2 W/m2 "C.

Para conocer el estado permanente y el tiempo característico, se realizó un

análisis teórico en estado transitorio del sistema, el modelo propuesto se

ajustó a los resultados experimentales de las distribuciones de temperatura

dentro del error dado por los termopares de f 1°C. Los resultados

experimentales en el cálculo de los coeficientes U son satisfactorios respecto

a los obtenidos con el ajuste de curvas, teniendo un error máximo de 6 %.

Con esto, los valores de U obtenidos experimentalmente se validaron con el

modelo teórico con cierto grado de aproximación para un número de Biot

viii

de 0.607. Por otra parte, el término (mC,), del sistema obtenido del análisis

teórico presenta un error del 15 % respecto al calculado a partir de los datos

conocidos del material y características de la caja.

Los vidrios seleccionados para las pruebas fueron los vidrios claros de 3 mm y

6 mm, vidrio filtrasol color gris de 6 mm y vidrio reflectasol color plata de 6

mm.

Se calculó el número de Gr para determinar el tipo de regimen de flujo de

aire dentro de la cavidad. El Gr calculado fue de 1.93 x 10’0 que implica que

el flujo dentro de la cavidad estaría en el regimen turbulento.

Los resultados de las pruebas muestran que la temperatura del vidrio filtrasol

(51°C) es mayor que la de los vidrios claros de 6 y 3 mm y el vidrio

reflectasol. Lo anterior se justifica debido a la alta absortancia del vidrio y su

baja reflectancia. Sin embargo, el vidrio reflectasol debido a su alta

reflectancia y baja transmitancia, es el que permite menor entrada de calor.

Los coeficientes de sombreado de los vidrios claros de 3 mm y 6 mm, vidrio

flitrasol y vidrio reflectasol fueron de 1 .O, 0.94, 0.74 y 0.29 respectivamente y la

eficiencia térmica de los cuatro tipos de vidrios fueron de 0.93, 0.88, 0.69 y

0.28. AI hacer la comparación entre los vidrios analizados en este trabajo y

según los parámetros característicos del funcionamiento de estos, el vidrio

reflectasol gana (65.82 W) menos calor al interior que los otros tres vidrios.

iX

CAPITULO 1

INTRODUCCI~N

En este capitulo se describe la situación actual del tema y se presenta un

estudio bibliográfico de trabajos relevantes relacionados con el mismo, así

como los objetivos de la presente tesis.

1 . I ANTECEDENTES.

Hoy en día, con la evolución científica, tecnológica y el desarrollo industrial

alcanzado, el hombre ha hecho una utilización intensiva e inadecuada de

los combustibles fósiles. El crecimiento explosivo y acelerado de la población

y el actual avance tecnológico han causado un deterioro evidente y

considerable al medio ambiente, amenazando la continuidad misma de la

vida sobre la tierra. Así, hemos aprendido que la generación de

contaminantes de la atmósfera tiene relación directa con el consumo de

energéticos. Este .hecho es de una importancia sobresaliente para el uso

racional de la energía, ya que no solo representa un medio de preservación

de un recurso estratégico de una nación, o una forma de alcanzar índices de

productividad y de utilidad más elevados en una empresa, sino que ahora es

indispensable para el control del impacto ambiental del quehacer industrial.

En años pasados se presentó una crisis mundial de energéticos, que se

manifestó en problemas de abastecimiento y elevación de precios, que

propició en diversos países, una reacción orientada al uso eficiente y

conservación de la energía, generandose una tendencia a la aplicación de

una arquitectura que responda favorablemente a los avances tecnológicos

disponibles.

En 1990, la demanda del consumo energético en Mexico, por el uso de

sistemas de aire acondicionado en regiones cálidas, representó el 15% del

consumo total residencial, que en ese año fue del 21% del total [l]. Por otra

parte, el diseño y la construcción de edificios se encuentra actualmente en

manos de Ingenieros y Arquitectos quienes eiijen los materiales y el diseño a

utilizar en la edificación, ellos toman en cuenta, primordialmente parámetros

económicos, estéticos y de diversas índoles que no tienen ninguna

trascendencia en el confort térmico o en la reducción o control del consumo

energético del edificio.

En Mexico se observa que el diseño arquitectonico tiene una tendencia en la

construcción de grandes edificios en los cuales emplean placas de vidrios

como paredes. Esta clase de edificios se caracterizan por su alta

dependencia de sistemas mecánicos y eléctricos para controlar las

condiciones ambientales dentro de las habitaciones. A su vez esto provoca

problemas como el consumo intensivo de enormes cantidades de energía, y

en consecuencia altos costos de operación y mantenimiento de los equipos

de aire acondicionado y calefacción. Estos problemas han conducido al

mejoramiento de las construcciones, siendo una alternativa de solución para

L

reducir estos consumos de energía, el desarrollo de nuevas tecnologías para

controlar las ganancias térmicas a través de los vidrios, las cuáles nos

permitan emitir recomendaciones que incidan en el uso racional de la

energía.

1.2 ESTUDIO BIBLIOGRÁFICO.

Un elemento importante en las edificaciones, es la ventana, el cuál

tradicionalmente ha sido responsable de una fracción grande en las

ganancias y las pérdidas de energía. En climas cálidos una buena selección

de vidrios en combinación con un sistema de sombreado puede reducir el

calentamiento y hacer que el uso de los sistemas de aire acondicionado sea

menos costoso. Para esto se llevó a cabo una búsqueda bibliográfica, sobre

los diversos estudios teóricos y experimentales sobre la transferencia de calor

en ventanas.

1.2.1 ESTUDIOS TE~RICOS-EXPERIMENTALES DE TRANSFERENCIA DE

CALOR EN VENTANAS.

Dentro de los estudios teóricos-experimentales esta el trabajo de Arasteh, et.

al. [2]. donde se propone un método que considera la transferencia de calor

en las tres areas de las ventanas: el area central de vidrios, el area del borde

del vidrio y el area del marco. El estudio fue teórico-experimental. Se muestra

un algoritmo para calcular la transferencia de calor en cada una de estas

areas bajo una serie de condiciones ambientales, las cuales incluyen las

temperaturas interiores y exteriores, y la velocidad del aire, así como la

radiación incidente. Con este método se puede calcular la distribución de

3

temperatura en el sistema de ventana, y con esta información se calcula el

coeficiente de sombreado y la ganancia de calor. El método no está

limitado a una o dos capas de los vidrios de las ventanas, sino que puede

usarse para un número arbitrario de capas. Los autores suponen que las

capas pueden ser transparentes a la longitud de onda de la radiación,

pueden ser revestidas con filtros solares o con revestimiento de baja

emisividad y que se pueden separar por gases de baja emisividad. Los

cálculos se inicializan considerando una regresión lineal de las temperaturas

medidas del exterior al interior. Se considera en el modelo, los tres tipos de

transferencia de calor: conducción, convección y radiación. También se

considera estado permanente y transferencia unidimensional en las Úreas

centrales del vidrio y el Úrea del marco. El Úrea del borde del vidrio se

considera en dos dimensiones.

Kiss y Benko [3], presentan un procedimiento para determinar la ganancia de

calor de entrada, aplicando los conceptos básicos de transferencia de calor

para ventanas simples y ventanas de doble vidrio para diferentes tipos de

vidrios. El experimento se realizó usando dos dispositivos experimentales bajo

condiciones ambientales; éstos se construyeron considerando estructuras

completas de ventanas: se usó un marco experimental pequeño (300 mm x

300 mm), para el análisis de ventanas simples y un marco grande (1000 mm x

1500 mm), para ventanas de doble vidrio. La determinación del flujo de calor,

no fue medida por calorimetría, sino a través de medidores de flujo de calor

fijos a una placa de cobre detrás de los vidrios de la ventana. La temperatura

de la placa se mantuvo constante mediante un termostato. Las

características espectrales de los vidrios fueron medidas con un

espectrofotómetro. La radiación directa y difusa se determinó por medio de

un radiómetro compensado térmicamente. Los vidrios de estudio fueron de diferentes tipos: reflectivos, absorbentes (entintados), opacos y comunes.

A

Usaron un modelo teórico que resolvieron numéricamente, los resultados

obtenidos se comprobaron por medio de los resultados experimentales. En

este estudio se consideraron los coeficientes de pérdidas de calor reportados

en ASHRAE [4], para el calculo de los coeficientes de sombreado. Este

estudio fue realizado bajo condiciones ambientales.

Alvarez et. al. [5], hacen un estudio teórico y experimental de la transferencia

de calor en estado transitorio de un vidrio con controlador Óptico. El modelo

matemático que ellos proponen, permite predecir el comportamiento

térmico de vidrios con controladores Ópticos depositados químicamente. El

modelo es unidimensional, en estado transitorio y considera la transferencia

de calor por conducción, convección y radiación. El dispositivo experimental

consistió de dos marcos de madera que forman un ángulo entre sí. El primer

marco esta dividido por un travesaño de madera con el objeto de colocar

dos muestras: el vidrio con un recubrimiento y el vidrio sin recubrimiento

simultáneamente. El segundo marco contiene un espejo que se colocó en la

parte inferior con el objeto de desviar los rayos solares que pasan a través de

los vidrios para que no se reflejen a estos otra vez. El dispositivo experimental

permite medir, tanto la radiación incidente en el sistema vidrio-película como

las temperaturas del aire, vidrio y película. En el experimento lograron

observar el efecto transitorio del comportamiento térmico de los sistemas

estudiados, observando la influencia del uso de los controladores Ópticos.

Debido a la forma como se realizó el experimento (bajo condiciones

ambientales), no hubo un control sobre las pérdidas de calor del vidrio,

habiéndose estimado estas.

Robinson, P. y Littler, J. [6], realizaron estudios teóricos y experimentales, para

evaluar el funcionamiento térmico de sistemas de vidrios. Ellos utilizaron

sistemas de vidrios de cuatro hojas y unidades estándar de doble-vidrio. Para

5

el trabajo experimental utilizaron cuatro diferentes técnicas experimentales.

Para la simulación de los sistemas mencionados utilizaron el programa

WINDOWS, el cual calcula los valores de U (perdidas de calor) y el

coeficiente de sombreado, CS (ganancia de calor a través del vidrio de

estudio, relativo a la ganancia a través de un vidrio claro de 4 mm del mismo

tamaño), bajo condiciones ambientales especificadas por el usuario.

También usaron el programa MULTB, el cual puede calcular las propiedades

Ópticas solares y visibles, el coeficiente de sombreado, las temperaturas del

vidrio y la diferencia de temperatura de los sistemas de vidrios en estudio. Los

resultados obtenidos de todas las configuraciones analizadas son

comparadas y mostradas a través de una tabla de presentación de estos.

Ross, A. y Karlsson, B. [7], proponen un modelo con el cual comparan el

funcionamiento térmico de ventanas con diferentes combinaciones de

vidrios, tanto para climas fríos como calurosos, haciendo posible estimar el

costo eficiente de tales ventanas. Los propiedades Ópticas de los vidrios para

ventana con diferentes recubrimientos de baja emitancia son calculados

para incidencias radiativas oblicua y cercanas a la posición normal contra el

vidrio. La simulación de los modelos requiere de los datos meteorológicos

para insolación, las temperaturas exterior y el funcionamiento óptico para

evaluar el flujo de calor neto a traves de la ventana. Los espectros Ópticos de

reflectancia y transmitancia de las ventanas completas para ángulos de

incidencia cercanos al normal y oblicuos, son calculadas para los espectros

de las hojas de vidrio individuales tomando en cuenta múltiples reflexiones.

Los espectros calculados y experimentales son comparados para ventanas

de triple y cuádruple vidrios.

Dubrous, F.M. y Harrison, S.J. [8], utilizarón un método para evaluar el

funcionamiento térmico de ventanas, basandose en el uso de un simulador

6

solar. El método permite el estudio de todo tipo de ventanas y sistemas de

vidrios, los cuales son montados en una celda calorimétrica diseñada

especialmente y en donde se simula las condiciones ambientales y de

irradiancia a las cuales se expone una ventana de una habitación típica. En

los experimentos se consideró convección natural y condiciones de estado

permanente. Las características del sistema de vidrios, el coeficiente total de

transferencia de calor y el coeficiente de sombreado, son derivados

simultáneamente a partir de un análisis de regresión lineal de los resultados

experimentales. Ellos presentan los resultados graficamente, mostrando la

comparación de las características térmicas como el coeficiente de

sombreado y la eficiencia térmica de los sistemas de vidriado en estudio.

1.2.2 ESTUDIOS TE~RICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN VENTANAS.

Viskanta y Hirleman [9] , estudiaron la transmisión de calor en vidrios para

ventanas revestidos de una delgada película selectiva en una cara. El

objetivo de este trabajo fue estudiar la transmisión de la energía solar y la

transferencia de calor a traves de ventanas de doble y múltiples placas de

vidrios. Para el análisis hicieron las siguientes consideraciones: la transferencia

de calor a través de la ventana es unidimensional, el vidrio es

semitransparente a la luz solar y opaco a la radiación térmica, la radiación

solar incidente puede ser dividida en sus componentes directa y difusa, las

paredes interiores del edificio donde están colocadas las ventanas se

consideran como emisores grises y difusos a la radiación térmica, el gas entre

los vidrios participa en la transferencia de la radiación, el sistema de ventana

se supone en estado cuasiestacionario, respondiendo instantáneamente a los

cambios en parámetros semejantes como insolación, temperatura del aire y

velocidad del viento.

1

Shukuya, Masanori [lo], describe el estado actual del desarrollo de un

método para evaluar dos importantes funciones de sistemas de ventanas: la

luminosidad solar y el funcionamiento térmico. En él, discutió una simulación

computarizada de un modelo para calcular los siguientes cuatro parámetros:

requerimientos de energía de enfriamiento-calentamiento, índice ambiental

térmico, requerimientos de energía luminosa e índices ambientales de

luminosidad. Los cálculos que obtuvo para algunos sistemas de ventanas (de

ciertos tipos convencionales de tecnología luminosa), revelaron el excelente

potencial de estos, así como la reducción en los requerimientos de energía

de enfriamiento-calentamiento, luminosidad y un mejoramiento de las

cualidades del ambiente inteiior térmico.

Alvarez, G. y Estrada, G. [l 11, presentan un estudio teórico del funcionamiento

térmico de películas delgadas SnS-CuA depositadas químicamente en

substratos de vidrio. El modelo matemático consideró la transferencia de

calor unidimensional y en estado transitorio para un vidrio con este tipo de

recubrimiento de control solar. El modelo permite calcular la constante de

tiempo de respuesta del sistema, los flujos netos de calor del interior y exterior,

así como el coeficiente de sombreado como una función del tiempo.

Presentan las historias de temperaturas teóricas y los flujos de calor a través

de gráficas para vidrios claros y para el sistema vidrio-pelicula.

De los trabajos comentados puede verse que la evaluación térmica de

vidrios puede realizarse considerando ya sea el coeficiente global de

pérdidas o el coeficiente de transferencia de calor convectivo. h. En los

trabajos donde se considera el coeficiente de transferencia de calor

convectico, h, su cálculo esta basado en correlaciones ya reportadas o en la

estimación de éste calibrando el modelo matemático con el experimento. El

8

cálculo del coeficiente global de pérdidas de calor, U, puede determinarse

en forma experimental con el auxilio de modelos simplificados.

El funcionamiento térmico de ventanas puede ser adecuadamente

representado por dos parametros. el coeficiente global de pérdidas, U y el

coeficiente de sombreado, CS. Típicamente, el coeficiente de sombreado,

CS y el coeficiente global de pérdidas, U, son medidos separadamente. Pero

en la practica, los valores de CS dependen de los valores del coeficiente de

perdidas que a su vez dependen de la geometria, del coeficiente de

transferencia y de las propiedades del fluido. Las mediciones de CS y U

separadamente pueden describir el funcionamiento térmico de una ventana

P I .

De estos trabajos también se observa que no hay un control sobre las

pérdidas de calor al exterior de los sistemas que son bosquejados en las

referencias [3,5]: lo cual permite tomar estas experiencias y proponer un

dispositivo experimental que nos permita tener un control de las variables

involucradas en los experimentos y así poder calcular las ganancias térmicas

a traves de los vidrios y evaluar el funcionamiento térmico de los mismos. El

dispositivo que se propone estará bajo condiciones de laboratono, con la

finalidad de evitar los cambios bruscos de temperatura ambiente.

9

1.3 OBJETIVO

El presente trabajo tiene como objetivo, el diseño, la construcción y la

caracterización de un dispositivo experimental, que permita realizar la

evaluación del funcionamiento térmico de vidrios con filtros solares,. Este

aparato permitirá determinar la cantidad de energía radiante que pasa a

través de determinados vidrios y calcular los coeficientes de sombreado de

esos vidrios. Así se podrá generar información Útil para los fabricantes, y los

proveedores de vidrios, así como para Ingenieros y Arquitectos diseñadores

de edificaciones con el propósito de eficientar procesos energéticos y

ahorrar energía.

10

CAPITULO 2

ANÁLISIS TÉRMICO

En este capitulo se presenta el problema físico del estudio de la transferencia

de calor en ventanas con vidrios con filtros solares y el análisis térmico para el

calculo del coeficiente global de pérdidas de calor y de los parámetros

característicos del funcionamiento térmico de los vidrios.

2.1 PROBLEMA TÉRMICO DE LA TRANSFERENCIA

CON FILTROS SOLARES.

DE CALOR EN VIDRIOS

Consideremos la pared de una habitación compuesta por un vidrio con filtro

solar como un sólido semitransparente, como se muestra en la figura 2.1. En el

interior de la habitación, el aire se encuentra inicialmente a una temperatura

Ti y en el exterior a una temperatura To. Se hace incidir radiación solar G en

forma normal al vidrio. Parte de esta radiación es reflejada, otra es absorbida

por el vidrio y una Última parte se trasmite directamente hacia el interior.

La energía absorbida por el vidrio incrementa la temperatura de este.

creando una diferencia de temperaturas entre el vidrio y el aire en el interior y

11

en el exterior. Así, se genera un flujo térmico convectivo y radiativo al interior y

al exterior de la habitación. Para el estudio del sistema presentado en la

figura 2.1, en ausencia de irradiación se considera que todo esta a una

misma temperatura, esto es que la temperatura del vidrio es igual a las

temperaturas al interior y al exterior de la habitación. Bajo condiciones de

irradiación el sistema se ve alterado, si las temperaturas del interior Ti y del

exterior To , la radiación G y los coeficientes convectivos del interior y exterior

se mantienen constantes, entonces el sistema eventualmente alcanzará el

estado permanente, donde para el caso de vidrios con filtros solares se tiene

en general que la temperatura del vidrio será mayor que Ti y To.

Figura 2.1 Esquema de una habitación con una ventana bajo condiciones de flujo

radiativo.

12

2.2 ANÁLISIS TÉRMICO DEL MODELO PROPUESTO DE TRANSFERENCIA DE

CALOR EN VIDRIOS.

Suponiendo que el espacio interior de la habitación puede ser considerado

como una cavidad negra relativa a la energía incidente sobre el vidrio, se

puede simular esta condición, considerando a la habitación como una caja

cuadrada, con una placa negra absorbente montada en el interior de ésta.

La figura 2.2 muestra la caja bajo condiciones de irradiancia y los flujos de

calor que intervienen en el proceso. En esta figura el termino G es el flujo

radiativo de incidencia sobre el vidrio, Q,,, es el flujo de calor neto a través

del vidrio, Q, es la energía removida de la caja a través de un

intercambiador de calor colocado en la pared posterior de la caja, y Q , son

la perdidas de calor de la caja al medio ambiente. La caja fue diseñada en

esta forma con el propósito de determinar los diferentes flujos de calor, por

ello, la hemos denominado caja calorimetrica.

1 [, I I I I I

I I I I I I I I I \

G

1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 8 _ _ _ _ _ _ _ _ _ J

Q P volumen

de control

Figura 2.2 Balance de energía en la caja calorimétrica

13

Haciendo un balance de energía sobre el volumen de control en la caja

calorimétrica, se obtiene:

donde Q, se calcula por medio de:

Q, = ri7 CP( Tf,o - Tf,¡) , (2)

en la cuál m representa el flujo másico del fluido térmico del calorímetro, CP

es el calor especifico del fluido. T,,¡ y TI.^ son la temperatura del fluido a la

entrada y a la salida del calorímetro, respectivamente y QP esta dado por:

Q, = U,A(T, - T,) , (3)

en donde UC es el coeficiente global de pérdidas de calor, A es el area de la

caja calorimetrica, Ti y Ta son las temperaturas del interior y del medio

ambiente circundante respectivamente. Las perdidas de calor alrededor del

borde del vidrio de prueba y del marco de la ventana, por el aire de

filtración, son también considerados en el análisis global del cálculo del

coeficiente global de pérdidas de calor de la caja calorimétrica, UC.

Así pues, el calor neto a traves del vidrio queda determinado por:

en la expresión anterior es necesario conocer cada uno de los términos.

Experimentalmente se determinan m, A y las temperaturas: Cp se conoce

por el fluido térmico que se utiliza. El coeficiente Uc , de la caja calorimetrica

debe de ser determinado previamente para así calcular Q,, .

14

2.3 BALANCE TÉRMICO PARA LA DETERMINACI~N DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR, U, .

Para la determinación del coeficiente global de pérdidas de calor, Uc , la

caja calorimétrica se opera en forma diferente a la descrita en la sección

anterior.

La figura 2.3 muestra la caja calorimetrica y los flujos de calor para este

análisis térmico en estado transitorio. En esta figura Q, representa las pérdidas

de calor a través de las paredes de la caja, QsUm,, es un flujo de calor

suministrado al volumen de control, y Qaim es la energía almacenada por el

volumen de control.

...

Figura 2.3 Balance de energía en la caja calorimetrica para calcular el coeficiente global de pérdidas de calor.

15

Haciendo un balance de energía sobre el volumen de control se tiene:

donde Qsumin es un flujo de calor proporcionado por una fuente conocida a

través de una resistencia eléctrica. De esta manera Q s m i n puede ser

calculado como:

Q,,,, = VI , (6)

siendo V el voltaje de alimentación a la resistencia eléctrica e I es la

intensidad de la corriente eléctrica. Q, esta dado por por la ecuación (3),

donde hacemos notar que Ti es la temperatura promedio al interior de la

cavidad y es una función del tiempo, así:

QP = U, . A(Ti(t) - T,) , (7 )

la energía almacenada es un término que depende de los materiales de

construcción de la caja calorimetrica y esta dada como:

sustituyendo las ecuaciones (6), (7) y (8) en (5 ) y arreglando términos se

obtiene:

la ecuación (9 ) es una ecuación diferencial ordinaria de primer orden no

homogénea. Para homogenizarla se supone un cambio de variable de la

forma:

16

de tal manera que:

dei dT(t) dt dt ' _-__ -

y sustituyendo la ecuación ( 1 O) y [ 1 1 ) en (9) se tiene:

dei -+nei=0 , dt

, la ecuación diferencial ordinaria hornogenea de primer ",A con n =

orden (1 2) esta sujeta a la condición inicial:

(mcJc

QS",,

UCA 0. = Ti,o - T, - - , t = O , 1.0

siendo Ti,, la temperatura promedio inicial en el interior de la caja

calorimetrica (aire mas paredes).

La solución de la ecuación (1 2) es de la forma:

= 0, . e-"' ,

con 0, y n constantes.

La distribución de la temperatura en estado transitorio del aíre en el interior

de la caja calorimetrica, satisfaciendo la condición (1 3) es:

ei =e , , . e-"' ,

O

17

El estado permanente se alcanza cuando t + m, así:

queda:

de donde, en estado permanente:

Los parámetros (mc,) y Uc deben ser determinados a partir de los datos

experimentales. Esto se consigue con la técnica de ajuste de curvas por

medio de variación de parámetros.

Una vez conocidas las perdidas de calor al medio ambiente a traves del

coeficiente global de pérdidas Uc, se puede determinar el funcionamiento

térmico de los vidrios.

18

2.4 DETERMINACI~N DEL FUNCIONAMIENTO TÉRMICO DE LOS VIDRIOS

CON FILTROS SOLARES.

Dos coeficientes que describen el funcionamiento térmico de los vidrios con

filtros solares son, el coeficiente de sombreado, CS [5,8] y la eficiencia térmica

instantánea de la ventana, q [8].

El coeficiente de sombreado CS se define como la relación que existe entre

el calor de radiación solar que se gana a través de un cristal especifico en

comparación con el calor de radiación solar que se gana a través de un

cristal claro de 3 mrn de espesor bajo idénticas condiciones. Así:

La eficiencia térmica instantánea se calcular según [8] como:

donde Av es el area del vidrio de prueba.

19

CAPITULO 3

DISPOSITIVO EXPERIMENTAL

En este capítulo se presenta la descripción del dispositivo experimental y los

aspectos que condicionaron el diseño y construcción del mismo. También se

describen los dos modos de operación en que se puede funcionar el

dispositivo: modo A para la determinación del coeficiente global de pérdidas

de calor de la caja calorimétrica y el modo B para la determinación del

funcionamiento térmico de los vidrios de prueba.

3.1 DESCRIPCI~N DEL DISPOSITIVO EXPERIMENTAL.

El dispositivo experimental que se utilizó, consiste de una caja calorimétrica

en donde se montan los vidrios de prueba, un banco metálico que la soporta, un baño termostático, una lámpara que actúa como simulador de

radiación solar, un piranómetro que mide la radiación solar, una placa

calefactora y un sistema de adquisición de datos incluyendo a los

termopares.

20

En el diserio del dispositivo se consideraron los materiales de fácil adquisición

en el país, la capacidad de maquinado ubicado localmente y la

infraestructura técnica y material con que se cuenta en el Centro Nacional

de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) donde fue ubicado el

dispositivo. El CENIDET se encuentra localizado en Cuernavaca, Morelos.

3.2 CAJA CALORIMÉTRICA

Como se mencionó en la sección 1.3, el objetivo de este trabajo es el estudio

de la eficiencia térmica de vidrios con filtros solares, lo que un análisis de

similitud para la construcción de la caja calorimetrica no es relevante. La

consideración recae en el hecho de que la eficiencia térmica de los vidrios

no dependen de las dimensiones de estos. Además era necesario tomar en

cuenta los aspectos económicos y las dimensiones para un fácil manejo del

dispositivo. Las características de construcción, dadas las necesidades

mencionadas, llevaron a una estructura sólida y a la vez ligera y fácil de

manejar. Las dimensiones de la placa de vidrio que se consideró

representativa de una ventana fue de 50.0 cm x 50.0 cm. Así se diseñó una

caja de 50.0 cm x 50.0 cm x 50.0 cm, la cual se construyó utilizando placas de

acrílico transparente con un espesor de 1.2 cm, se utilizó este material debido

a sus propiedades aislantes con una conductividad térmica de 0.20 W/m.K

[i2]. Los planos de cada uno de los elementos de la caja calorimetrica se

presentan en el apéndice I. El marco para los vidrios de prueba es del mismo

material y permite colocar arreglos de vidrios de una o más muestras. Para

disminuir las perdidas al medio ambiente por las paredes de la caja, se empleo además del acrílico, fibra de vidrio en lana, con espesor de 2.54 cm

como aislante, con una conductividad térmica de 0.039 W/m.K [12]. La figura

3.1 muestra las partes principales de la caja calorimetrica y la tabla 3.1

resume las características de la caja y las propiedades termofísicas de los materiales que la constituyen.

Tabla 3.1 Características principales de la caja calorimétrica

Propiedades termofísicas [13]:

Iirnensiones: hateriales:

Cubo de 50 crn de lado. 4 placas de acrílico de 1.2 cm de espesor. 1 placa calefactora de cobre situada en la parte posterior de 0.12 cm de espesor. 1 marco de acrílico para los vidrios. Fibra de vidrio en lana de 2.54 cm de espesor.

p, kg/m.s k , W / m K

Acrílico [ 121

Cobre __

Cp , kJ/kg.K

Vidrio + 0.20

386

1 .o2

0.598

Aire 1.983~10-5

1.459

0.38 1

0.79

4.181

Lana de fibra de vidrio [12] I --

0.0264 1 .O01 I 0.039 I 0.66

p , kglm:

1149

8954

2593

999.78

1.321

24

22

Marco para los vidrios de prueba

I lapa poslenor Caja caloriméirica

I-

*

Figura 3.1 Caja calorimetrica.

La caja calorimétrica se dispuso como ya se indico, en dos modos de

operación del dispositivo experimental: el modo A para la determinación del

coeficiente global de pérdidas de calor de la caja calorimetrica y el modo B

para la determinación del funcionamiento térmico de los vidrios de prueba.

3.3 MODO A: DETERMINACI~N DEL COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS DE CALOR U, DE LA CAJA CALORIMÉTRICA.

La figura 3.2 muestra el dispositivo experimental en la forma para determinar

el coeficiente U,. En este modo el dispositivo permite medir la temperatura

de la superficie interior del vidrio, la temperatura del aire en el interior de la

caja, la del medio ambiente y la de la placa calefactora que esta colocada

en la parte posterior de la caja. También se registra la energía suministrada a

la placa calefactora.

23

Computadora (adquisidor

Caja calorimétrica Placa

caiefaciora I

1 Vidrio de prueba

I &’- Transformador variable

Figura 3.2 Diagrama esquemático del dispositivo experimental en el modo del

cálculo de U, , modo A.

3.3.1 PLACA CALEFACTORA.

La función de la placa calefactora es la de producir un flujo de calor

conocido, generado a través de una resistencia eléctrica. Esta placa

calefactora esta formada por un alambre para resistencia (Nicrorno) de 8.1

ohms y una placa de cobre de 50.4 cm x 50.4 crn con un espesor 0.12 cm, se utilizó cobre porque tiene una conductividad térmica de 386 W/rn-K [13] que

es muy alta. El intervalo de operación de la placa calefactora es de 0-600

Watts.

24

3.4 MODO B: DETERMINACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO TÉRMICO DE LOS

VIDRIOS DE PRUEBA.

La evaluación del funcionamiento térmico de los vidrios de prueba se realizó

como se muestra en la figura 3.3.

Placa q? Pnanómetro absorbe. caloripirica 1

C om pn a d o r a

Banco de prueba -

Figura 3.3 Diagrama esquemático del dispositivo experimental, modo B.

El dispositivo permite medir las temperaturas de las dos caras de los vidrios de

prueba, del aire adyacente a las superficies, del aire interior de la caja, de la

placa absorbente del calorímetro y del fluido térmico. Para simular las

condiciones de irradiancia a la que están sometidos los vidrios se utilizó una

lámpara que hace la función de simulador solar. La radiación global que

llega al vidrio de prueba se determinó caracterizando el flujo radiativo de la

25

lámpara simuladora solar en función de la distancia de separación que tiene

con el vidrio de prueba.

incidente 100% directa Energía radiante

To - G

' t G .,¡ placa absorbid-! absorbente

Reflejada por el vidrio ffiG

En este caso en la parte posterior de la caja, se colocó un intercambiador de

calor tipo serpentín formado de una placa de cobre de 0.12 cm de espesor,

la cual se recubrió con pintura color negro mate de tal manera que funcione

como una superficie absorbente.

ganada por el

i n t ~ ~ ~ ~ ~ ~ d o r mCp(Tr.o - Tri) n

La figura 3.4 muestra los procesos de transferencia de calor de la caja bajo

condiciones de irradiación.

i d n o de prueba

Energía

I Absorbida I CLotG

Térmica al exterior

40 da

coio'r ímetro

Figura 3.4 Funcionamiento térmico de la caja calorimetrka.

La radiación proveniente del simulador solar incide sobre el vidrio de prueba,

una parte de esta radiación es reflejada, otra es absorbida por el vidrio,

produciéndose un calentamiento de este y una ultima parte se trasmite

directamente a través del vidrio. La parte de radiación absorbida por el vidrio

26

es a su vez re-radiada, tanto al exterior como hacia el interior de la caja y

dada la diferencia de temperatura entre el vidrio y el aire interior y exterior se

genera un flujo térmico convectivo al interior y exterior de la caja. La energía

que llega al interior de la caja a través del vidrio sufre múltiples reflexiones y

en su mayor parte es absorbida por la placa absorbente del intercambiador

de calor colocada en la parte posterior de la caja para ser removida por el

fluido de térmico que en este caso es agua, el cual circula por el serpentín

por la parte posterior de la placa. Así, la remoción de calor que entra a la

caja se mide y por ello la caja funciona como un calorímetro.

1 - 50.4

. !

3.4.1 INTERCAMBIADOR DE CALOR.

INTERCAMBIADOR DE CALOR Acotaciones: cm

La figura 3.5 muestra las dimensiones del intercambiador de calor.

Escala: sin esceli

I Detalle B

21

El intercambiador de calor se construyó con una placa de cobre de 50.4 cm

x 50.4 cm y un espesor de 0.12 cm, en uno de sus lados se le soldó un serpentín hecho de tubería de cobre de pared delgada con un diámetro

nominal de 0.8 cm, el otro lado se recubrió con pintura color negro mate

para tener un medio absorbente.

3.4.2 BAÑO TERMOSTÁTICO.

La función del baño termostático es la de mantener una temperatura

constante del fluido térmico a la entrada del intercambiador de calor. El

baño termostático es del tipo embalse, marca PolyScience-901. Su intervalo

de temperatura es de 10 "C a 90 OC, teniendo como fluido de trabajo agua.

La precisión de este es de f 0.02 "C. Este también se utilizó para la calibración

de los termopares.

3.4.3 SIMULADOR SOLAR

Para proveer la energía que llega al interior de la caja calorimétrica fue

necesario seleccionar una lámpara que semejara un simulador solar, esto es,

una fuente radiativa con un comportamiento espectral similar al del sol. Con

ello se pretende simular las condiciones de irradiancia a los cuales esta sometido una habitación típica. El simulador solar seleccionado es una

fuente luminosa, marca Reflecta, tipo antorcha con ventilador que provee

una potencia de 1000 Watts. Esta lámpara utiliza un foco de halogeno-

tungsteno, con un filamento tipo espiral de 6.0 mm x 16.0 mm y una potencia

radiante visible de 27500 lumens. La lámpara fue elegida por sus

características de producir una luz blanca estable y tener un

28

comportamiento espectral que esta dentro del rango del espectro de la luz

natural del sol. Ademas este tipo de lámpara se caracteriza por tener una

vida Útil mayor que la de una lámpara de xenón, que en teoría tiene una

excelente fuente de luz artikial para simular el espectro del sol. Esto lleva a

que la lámpara de halogeno-tungsteno representa una inversión mas

económica, dado el tiempo de exposición de los experimentos.

La figura 3.6 muestra el espectro de salida de un simulador comercial

normalizado marca Oriel que utiliza una lámpara de xenón, comparada con

la del sol y con la de una lámpara de halogeno-tungsteno de 1000 W.

-'I 0.2 !

Longltvd de Onda (nml

Figura 3.6 Comparación del espectro de salida de una lámpara de

halogeno-tungsteno de 1000 W con la de una lámpara de

xenón de 1000 W y la del sol, considerando una masa de

aire de 1.5 [ 141.

29

CAPITULO 4

CARACTERIZACIÓN DEL CALORíMETRO Y DE LA LÁMPARA SIMULADOR SOLAR

En este capítulo se presenta la metodología de caracterización de la caja

calorimetrica y de la lámpara simulador solar. También se presenta la

instrumentación necesaria junto con el diseño de la prueba. Se muestran los

resultados obtenidos en la caracterización y las incertidumbres calculadas.

4.1 CAJA CALORIMÉTRICA.

Se caracterizó la caja calorimetrica a través de la determinación del

coeficiente global de pérdidas de calor, U, de la caja calorimetrica. Esta

caracterización se realizó bajo condiciones específicas dentro del

laboratorio.

30

4.2 DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS DE CARACTERIZACIÓN.

Los experimentos de caracterización se realizaron en el período de

septiembre-octubre de 1996. Se realizaron 2 pruebas para cada vidrio. Estas

pruebas se realizaron a traves de 3 etapas, con un flujo de calor suministrado

de 50 Watts, 100 Watts y 160 Watts para cada vidrio de prueba. Para el

registro de la temperatura del aire en el interior de la caja, de la placa

calefactora y de la temperatura del vidrio, se colocaron 24 termopares tipo T

(cobre-constantan), de los cuales 21 son de calibre No. 36 y 3 termopares de

calibre No. 32. La temperatura ambiente se midió a traves de 8 termopares

del mismo tipo y de calibre No. 36. Una vez alcanzado el estado permanente,

se calculó la temperatura promedio del aire interior de la caja tomando la

media aritmética de las temperaturas registradas por los termopares en el

interior de esta. Lo mismo se realizó con el calculo de la temperatura

ambiente. Con esto, el coeficiente global de perdidas se evaluó usando la

ecuación ( 1 6):

En esta ecuación Ti y T, son las temperaturas promedios del aíre interior de la

caja y de la temperatura ambiente durante la prueba experimental.

El arreglo del expenmento se puede ver en la figura 4.1. Los puntos

cuadrados muestran la disposición de los termopares. En la parte posterior se

observa la placa calefactora y la disposición de los instrumentos de control

de la energía de suministrada a la caja calorimétrica.

31

Uídrio-muestra Airlamiento

Figura 4.1 Diagrama esquemático del experimento.

4.3 INSTRUMENTACI~N.

La energía eléctrica requerida por la placa calefactora se controla a través

de una transformador variable marca STACO, INC.(tipo l S l O ) , con salida de

O-120/140 volts, 15 amp. En el circuito se incluye un multímetro marca HAND

HELD DMM de O - 250 volts y un amperímetro con un rango de operación de

O - 15 amp. La toma de los registros de temperaturas se hizo empleando una

computadora marca ACER 486DX4 a 1 O0 Mhz. y un sistema de adquisición de

datos marca ADVANTECH, compuesto por una tarjeta PCL 718/818, que tiene

la función de recoger los datos registrados por los elementos de medición

para poder ser procesados por la computadora y dos tarjetas multiplexoras

PCL-789D que permiten aumentar el número de canales para los elementos

de medición. Las señales de los termopares en forma anológica son

transformados a una señal digital por medio de la tarjeta PCL718/818, de esta

manera los datos son procesadas por el software GENIE, el cual nos presenta

un despliegue en pantalla numérico y gráfico de las lecturas de los

termopares usados. En la figura 4.2 se muestra el diagrama del arreglo con el

sistema de adquisición de datos.

C=b=lz Multipiexora Termopares

Figura 4.2 Diagrama del sistema de adquisición de datos.

4.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES.

Los resultados experimentales que se presentan son para 4 vidrios

comerciales, el vidrio filtrasol (gris) de 6 mm, el vidrio reflectasol (plata] de 6

mm, el vidrio claro de 6 mrn y el vidrio claro de 3 mm de espesor.

Primeramente se analizan los resultados del vidrio reflectasol, después el

filtrasol, el vidrio claro de 6 mm y por Último el vidrio claro de 3 mm. Las

33

mediciones de los experimentos tuvieron una duración de 360 a 537 minütos.

a través del cual se tomaron registros de temperaturas del medio ambiente,

así como del aire en el interior de la caja calorimétrica, de la placa

calefactora y de la temperatura de la cara interior del vidrio de prueba. Más

adelante se presentan las distribuciones de temperatura del aire en el interior

de la caja para los flujos de calor de 50 W, 100 W y 160 W. También se

muestra el ajuste de las curvas de la temperatura promedio del aire en el

interior de la caja con el modelo teórico presentado en la sección 2.3, que

esta dado por la ecuación (15) . Las curvas teóricas se obtuvieron por medio

de la variación de los parámetros Uc y (mc,),. Los criterios de convergencia

fueron los siguientes:

Que el ajuste de la curva teórica estuviera dentro de la incertidumbre de f

1°C debido a la tolerancia de error del tipo de termopar utilizado en los

experimentos.

Y que el valor del término (mC,), fuese razonable respecto al valor

calculado a partir de los datos y propiedades de los materiales de

construcción de la caja calorimetrica.

En las gráficas del ajuste teórico y experimental, las barras verticales

representan los datos experimentales, estas tienen una longitud equivalente a

2 "C (+- 1 "C ] y el caso que se presenta es el de Q=i00 W.

Para evaluar el tiempo característico de respuesta de la caja calorimetrica,

es decir, el tiempo que tarda el sistema en alcanzar el estado permanente, se

uso la siguiente relación:

34

T(T,t,) - T(f,O) e = - 0.99 T(T,w) - T(T,O) -

donde T(f ) es la temperatura .al tiempo al tiempo tc en la posición

definida por el vector f, T(T,O) es la temperatura al tiempo inicial y T(T,m)

es la temperatura en el estado permanente.

La figura 4.3 muestra la historia de las temperaturas que se registraron durante

las pruebas con el vidrio reflectasol, estas se realizaron los días 20, 22 y 24 de

octubre de 1996.

Figura 4.3 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja

calorimétrica referenciados con las temperaturas ambientes, con el

vidrio reflectasol con flujos de calor conocidos.

3s

En esta gráfica se observa que la temperatura promedio inicial del aire en el

interior de la caja es de 23.6 "C, para el caso de Q=50 W, 23.9 OC para Q=100

w Y 24.1 "c Para G I 6 0 W. Se destaca el hecho del comportamiento

transitorio y su tendencia al estado permanente, el tiempo característico

calculado fue de tc = 41 1 minutos (6.85 hrs.) para Q= 50 W y una temperatura

promedio del aire en el interior de la caja en estado permanente de 43.9 "C.

La temperatura en la superficie interna del vidrio fue de 40.0 "C. Para Q=100

W, el tiempo característico fue de tc = 537 minutos (8.95 hrs.), la temperatura

promedio del aire en el interior de la caja fue de 62.3 "C y la temperatura

promedio en la superficie interna del vidrio alcanzó 55.6 OC. Así mismo, para

Q=160 W, se tuvo que el tiempo característico fue de tc = 514 minutos (8.56

hrs.), con una temperatura promedio del aire en el interior de la caja de 80.3 "C y en la superficie interna del vidrio de 70.7 "C.

Cabe mencionar la estabilidad en la temperatura ambiente, encontrándose

diferencias no mayores de 3 OC para Q= 50 W, 5 "C para Q=100 W y 4.7 "C

para Q= 160 W.

La figura 4.4 se observa la temperatura promedio registrada por los

termopares en el interior de la caja calorimétrica y el ajuste del modelo

teórico para el vidrio reflectasol, para el caso de Q= 100 W. En esta figura se

aprecia como el modelo teórico se ajusta a los datos experimentales en su

comportamiento transitorio. Por otra parte, en esta misma figura se refleja que

el error máximo esta dentro del rango de incertidumbre de los termopares de

f 1 "C.

36

FLUJO DE CALOR 50 W

100 W

160 W

Figura 4.4 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja con

el ajuste del modelo teórico, para Q=100 W con el vidrio reflectasol.

Ti,= , experimental Ti,, , teórico Diferencia Uteo ímC& "C OC "C W/m2 "C J/"C

43.9 45.2 1.3 1.7 26897.03

62.3 62.8 0.5 1.85 26897.35

80.3 81.2 0.1 1.96 26897.50

La tabla 4.1 resume las temperaturas experimentales y las teóricas de la

temperatura promedio del interior de la caja al tiempo característico y la

diferencia entre estos.

Tabla 4.1 Diferencia entre las temperaturas experimentales y las teóricas del

interior de la caja al tiempo característico para el vidrio reflectasol.

37

Los experimentos con el vidrio filtrasol se realizaron los días 26, 28 y 29 de

octubre de 1996. En la figura 4.5 se gráfica la temperatura promedio del aíre

interior de la caja y la temperatura ambiente obtenidas con el vidrio filtrasol.

La temperatura promedio del aire en el intenor de la caja empieza

inicialmente con 23.4 "C, para el caso de un flujo de calor de Q = 50 W, 22.94

"C para Q=l O0 W y 24.0 "C para Q= 1 60 W.


calonmétrica y de la temperatura ambiente, con el vidrio filtrasol con

flujos de calor conocido.

El tiempo característico calculado fue de tc = 466 minutos (7.76 hn.) para Q=

50 W y una temperatura promedio del aire en el interior de la caja en estado

permanente de 42.9 "C. La temperatura en la superficie interna del vidrio fue

de 38.0 "C. En el caso de Q=100 W, el tiempo característico fue de t, = 454

38

minutos (7.56 hrs.) y una temperatura promedio del aire en el interior de la

caja de 58.7 "C y la temperatura en la superficie interna del vidrio alcanzó

50.7 "C. Para Q=160 W, el tiempo característico fue de tc = 456 minutos (7.6

hrs.), con una temperatura promedio del aire en el interior de la caja de 76.0

"C. La temperatura en la superficie interna del vidrio fue de 54.0 "C. Se tuvo

diferencias durante los experimentos de la temperatura ambiente de 4.1 "C,

para Q= 50 W, 5.0 "C en Q= I00 W y 5.0 "C para Q= 160 W.

De igual forma como en la figura 4.4, la figura 4.6 muestra el ajuste del

modelo teórico bajo la curva de los datos experimentales para el vidrio

filtrasol dentro de una incertidumbre de f 1 "C.

O


con el ajuste del modelo teórico para el vidrio filtrasol con Q=100 W.

39

La tabla 4.2 resume las temperaturas experimentales y las teáricas de la

temperatura promedio del interior de la caja al tiempo característico y la


FLUJO DE CALOR 50 W

100 w 160 W

Ti., , experimental Ti.c , teórico Diferencia Uteo lmcpic "C "C "C ~ / m 2 oc JPC

42.9 43.1 0.2 1.97 26897.14

58.7 59.3 0.6 2.04 26897.44

76.0 76.8 0.8 2.14 26897.50 -

Las pruebas con el vidrio claro de 6 mm se realizaron los días 16, 18 y 19 de

octubre de 1996. La figura 4.7 muestra las historias de temperaturas obtenidas.

Inicialmente la temperatura promedio del aire en el interior de la caja

empieza con 24.2 "C, para el caso de Q=50 W, 19.8 OC para Q=100 W y 24.1

"C para Q=l60 W. En esta figura 4.7, se tiene que el tiempo característico fue

de t, =472 minutos (7.86 hrs.) para Q=50 W y una temperatura promedio del

aire en el interior de la caja en estado permanente de 43.4 "C, la

temperatura en la superficie interna del vidrio fue de 38.4 "C. Para el caso de

un flujo de calor Q=100 W, el tiempo característico fue de tc = 486 minutos (8.1 hrs.) y una temperatura promedio del aire en el interior de la caja de 56.8 "C.

La temperatura promedio en la superficie interna del vidrio fue de 48.9 "C.

Para Q=160 W, el tiempo característico fue de tc = 494 minutos (8.2 hrs.), con

una temperatura promedio del aire en el interior de la caja de 75.8 "C. la

temperatura en la superficie interna del vidrio fue de 65.0 "C.

40

o m

Figura4.7 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja

calorimetrica y de la temperatura ambiente, con el vidrio claro de 6

mm de espesor con flujos de calor conocido.

En la misma figura 4.7 se observan diferencias de temperatura ambiente

durante los experimentos fueron de 2.4 "C, para Q= 50 W, 5.2 "C en Q=100.0

W y para Q=l60 W se tuvo 4. "C.

En este caso, la figura 4.8 muestra el ajuste del modelo teórico con los datos

experimentales para el vidrio claro de 6 mm de espesor. La tabla 4.3 resume

los parametros obtenidos del ajuste de curvas.

41

do ?

KUJO DE CALOR

Figura 4.8 His

Ti.c , experimental Ti,c , teórico Ute0 ímCplc o r or- ~ 1 m 2 oc J/"C

)ria de la temperatura promedio del aire en el interior de

50 W

100 w 160 W

a caja con el ajuste del modelo teórico para el vidrio claro de 6 rnrn y Q=100W.

43.4 44.3 0.9 1.80 26897.79

56.8 57.0 0.2 1.97 26897.21

75.8 77.3 1.5 2.1 1 26897.43


La figura 4.9 muestra las historias de temperaturas que se registraron durante

las pruebas con el vidrio Claro de 3 rnrn. Los experimentos se realizaron los

días 10.12 y 14 de octubre de 1996. En esta figura se grafica la temperatura

42

promedio del aire interior de la caja y la temperatura ambiente para los tres

casos de flujos de calor, 50 W, 100 W y 160 W. Inicialmente la temperatura

promedio del aire en el interior de la caja empieza con 22.8 "C, para el caso

de un flujo de calor de Q=50 W. 23.6 "C para Q=l00 W y 23.71 OC para Q=l60

W.

Figura 4.9 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja calonrnetnca y de la temperatura ambiente, con el vidrio claro de 3

rnm de espesor con flujos de calor conocido.

En esta misma figura 4.9, el tiempo característico calculado fue de t, = 360

minutos (6 hrs.) para Q=50 W y una temperatura promedio del aire en el

intenor de la caja de 39.8 "C, la temperatura promedio en la superficie

interna del vidno fue de 36.7 "C. Para un flujo de calor Q=100 W, el tiempo

43

característico fue de tc = 440 minutos (7.3 hrs.) y una temperatura promedio

en el interior la caja de 57.1 "C, la temperatura en la superficie interna del

vidflo.fue de 48.5 "C. Para Q=l60 W. el tiempo caracterktico fue de tc = 440

minutos (7.3 hrs.), con una temperatura promedio del aire en el interior de la

caja de 75.7 "C, la temperatura en la superficie interna del vidrio fue de 63.7

"C. La fluctuación registrada de la temperatura ambiente fue de 2.2 "C para

Q= 50 W, 2.0 OC en Q= 1 O0 W y 5.5 "C para Q= 160 W.

La figura 4.10 muestra el ajuste del modelo teórico con los datos

experimentales para el vidrio claro de 3 mm. Puede verse como el ajuste

teórico esta dentro del rango de incertidumbre de los termopares de f 1 "C.

Figura 4.10 Historia de la temperatura promedio del aire en el interior de la caja con

el ajuste del modelo teóricopara el vidrio claro de 3 mrn de espesor.

44

La tabla 4.4 resume las temperaturas experimentales y las teóricas de la temperatura promedio del interior de la caja al tiempo característico, Ti,c y la


FLUJO DE CALOR

50 W

Tabla 4.4 Diferencia entre las temperaturas experimentales y las teóricas del

interior de la caja al tiempo característico para el vidrio claro de 3 mm

de espesor.

Ti,c , experimental Ti,c , teórico Diferencia Ute0 (mC,Ic "C "C "C W/m2 "c JPC

39.8 40.1 0.3 2.1 O 26897.79

100 w 1 57.1 57.9 0.8 2.03 126896.92

160 W

Todas las curvas de las figuras anteriores muestran el comportamiento

transitorio y su tendencia al estado permanente. Los termopares del interior

de la caja registran temperaturas con oscilaciones despreciables, las curvas

que presentaron mayores oscilaciones o diferencias son la de los termopares

que registran la temperatura ambiente que están suspendidas en el aire a 10

cm de las paredes de la caja calorimétrica, excepto en la pared frontal

donde se encuentra el vidrio, en estos termopares se ve que hay un

incremento de la temperatura respecto al tiempo de exposición de las

pruebas. Estas diferencias se deben al calentamiento del aire ambiente al

recibir parte de la radiación de la lámpara simulador solar.

75.7 77.9 2.2 2.04 26897.08

En las tablas 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4 se aprecia como el modelo teórico se ajusta

satisfactoriamente en el intervalo de + 1 "C a los datos experimentales en su

comportamiento transitorio. Además, los tiempos característicos calculados

del análisis teórico coinciden con los resultados experimentales.

4s

El análisis de la caja calorimétrica presentado en el capítulo 2 es viable dado

que este se basa en un análisis del flujo de calor en estado transitorio, referido

a un método de análisis de un sistema de capacitancia térmica global

(Lumped Capacitance)[l5]. Este es un análisis de aproximación, en donde el

concepto principal para el desarrollo de este método es la consideración de

la temperatura uniforme dentro del sólido durante el proceso transitorio. Para

esto, debemos considerar que el número de Biot debe ser menor que 0.1,

esto es, si:

u 4 Bi, = - < 0.1 k

donde k es la conductividad térmica del material y Bie es número de Biot

equivalente del sistema y se define como:

siendo m la masa de cada uno de los materiales de la caja, del aire en el

interior y de la placa de vidrio. me es la masa total del sistema, definida

como:

me = Emi , i = acrii, iv;ai, v, c u

Ls es la longitud característica de la caja, dada como:

46

Area Volumen L, =

Con esto es claro que el criterio de Bi < 0.1 implica que la resistencia interna

de la caja al flujo de calor debe de ser pequeña en comparación a la

resistencia al flujo de calor al medio ambiente exterior.

Se calculó el número de Biot equivalente para los casos de U=2.14 W/m2 "C y

U=l.7 W/m2 "C, que son los valores máximos y mínimos correspondientes a los

calculados del análsis teórico. Para U=2.14 W/m2 "C, se tiene que el BK0.607 y

U=l.7 W/m2 "C, se tiene que el Bi30.482. Estos resultados muestran que no se

cumple la condición de BkO.1 .

La tabla 4.5 resume los resultados experimentales obtenidos de las pruebas

de caracterización de la caja calorimetrka con los vidrios de prueba, el valor

del termino (mC,), calculado a partir de las dimensiones de la caja y de los materiales que la constituyen se compara con el valor obtenido del ajuste de

curvas y también los valores del coeficiente global de perdidas de calor U,

obtenido del análisis teórico.

Los errores presentados en esta tabla respecto al coeficiente global de

pérdidas de calor se calcularon de la siguiente manera:

Error U =

47

Tabla 4.5 Resultados experimentales de las pruebas de caracterización de la caja calorimetrica con los vidrios de prueba comparados con los obtenidos del análisis teórico.

U teo Error (mCp)teo

W/m2 ."C u, % JPC

1.70 2.86 26a97.03 I .a5 O 26897.35

1.96 3.45 26897.50

1.97 1 .o3 26897.14

2.04 2.86 26897.44 2.14 3.1 7 26a97.50

I .ao 1.70 26897.79

1.97 4.37 26897.21 2.1 1 3.65 26897.43

2.10 5.83 26897.79

2.04 6.00 26897.08 2.03 1.46 26896.92

TIPO DE VIDRIO

(mCP), J/"C

31 977.1 6

31 977.1 6

31977.16

31 977.1 6

Reflectasol

Filtrasol

Claro de 6 mm

Claro de 3 rnm

- 3Ls"rni"

Watts

50 1 O0

1 60

50

1 O0

1 60

50

1 O0

160

50 1 O0

160

-

__

-

-

-

- AT

"C - 18.3 35.6 52.9

17.1 32.3

-

48.7 - 17.6 33.5 48.8 - 15.9 32.2 50.2 -

u c f 0.1

N/m2 ."C

1.75 1 .85 2.03

1.95 2.10 2.21

1.77

2.06 2.19

2.23 2.06 2.17

En esta tabla AT = T, - T,, Uc se calculó a partir de los datos experimentales

en estado permanente con la ecuación (16). Uteo y (rnc,), se obtuvieron con

el modelo teórico del análisis en estado transitorio con la ecuación ( 1 5) .

Los resultados de la tabla 4.5 muestran valores satisfactorios entre los

coeficientes U experimentales respecto a los obtenidos con el ajuste de

curvas, teniendo un error máximo de 6 % con el vidrio claro de 3 mm para el

caso de Q=160 W el cual puede considerarse satisfactorio, con lo que el

modelo teórico se valida experimentalmente con cierto grado de

aproximación. Por otra parte, el termino (mc,), obtenido del ajuste de curvas

presenta un error del 15 % respecto al calculado a partir de los datos

48

conocidos del material y características de la caja, siendo un valor bastante

grande que debe ser considerado. Respecto al número de Biot calculado

puede considerarse que el método es aplicable a nuestro caso, aunque no

se cumple con precisión el criterio respecto a que el número de Biot debe ser

menor a 0.1, presentando una diferencia maxima de 0.5 respecto al valor de

0.1. Si embargo los resultados obtenidos del ajuste de curvas presentan una

aproximación aceptable.

4.5 LÁMPARA SIMULADOR SOLAR.

La lámpara simulador solar, cuyas características se describieron en el

capitulo 2, se sometió a diversas pruebas con la finalidad de conocer la

intensidad y distribución del flujo radiativo, que incide sobre el área del vidrio

de prueba.

4.5.1 CARACTERIZACI~N DEL CAMPO RADIATIVO PRODUCIDO POR LA LÁMPARA SIMULADOR SOLAR.

La caracterización de la lámpara simulador solar consistió en determinar la

potencia radiativa que incide sobre una superficie plana de 60 cm x 60 cm.

Dicha superficie se discretizó en una malla de cuadros de 10 cm x 10 cm

como se ve en la figura 4.1 1.

El experimento de caracterización se realizó haciendo variar la distancia de

la lámpara simulador solar respecto a la superficie de 50 cm a 100 cm. El

objetivo de este era determinar el funcionamiento de lámpara simuladora

49

solar en función de la distancia de separación de esta con el plano de

prueba.

Lámpara (simulador solar) m I

I

Figura 4.1 1 Esquema del experimento del simulador solar.

Para determinar la distribución de la potencia radiativa de la lámpara utilizó

un piranómetro marca EPPLEY RADIOMETER (modelo PSP), con una constante

de 9.36 x 10 -3 V/W.m-2 el cuál se colocó paralelo a la superficie de prueba.

La tabla 4.3 se muestra la máxima irradiancia que se registró con el

piranómetro en el plano de prueba y el volumen de energía radiativa, dada

como :

so

Radio 1 (m)

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

Los resultados de la Tabla 4.6 se ajustaron por mínimos cuadrados resultando

la siguiente expresión:

lrradiancia [W/m2) Potencia [Watts]

850.00 187.47

722.22 159.22

623.1 6 130.54

522.47 127.71

451 .O1 109.73

I = 2908 - 12483L + 18995L’ - 981 6L3 (20)

donde I es la potencia radiativa (Watts) normal al plano de prueba, L es la

distancia entre la lámpara y el plano en metros. La desviación estandar de la

ecuación (20) fue de 5.6 Watts.

La figura 4.12 muestra los perfiles de la energía radiante sobre la línea central

horizontal y vertical del plano de prueba. Se pude ver que no hay una

simetría en la energía de salida de la lámpara. La causa mas probable de

esta asimetría es la interferencia por el bulbo con la luz reflejada del reflector

parabdico integrado de la lámpara.

51

-250 -m -in -im -50 o 50 im 150 zm 250 Distancio de lo line0 centro1 (mm)

Figura 4.12 Perfiles de la energía radiante sobre la línea central horizontal (x) y la vertical [y) para L =50 cm.

52

CAPITULO 5

DETERMI N AClÓN EXPERIMENTAL DEL FU NClON AMI ENTO TÉRMICO DE VIDRIOS COMERCIALES

En este capítulo se presenta el diseño, la instrumentación y los resultados de

los experimentos. Así también la evaluación térmica de los vidrios de prueba

por medio del coeficiente de sombreado, CS y del parametro definido como

la eficiencia térmica de la ventana, q.

5.1 INSTRUMENTACI~N Y DISEÑO DEL EXPERIMENTO.

El diseño de la caja permite que se desarrolle el proceso de convección

natural en el interior, resultando en un gradiente de temperatura entre la

parte inferior, superior y laterales de la caja. Para el registro de temperaturas

se dispuso de 32 termopares de cobre-constantan tipo ‘7” , de los cuales 29

son de calibre 36 y 3 termopares de calibre 32. Para evaluar la distribución de

temperatura del aire en el interior de la caja, se colocaron 17 termopares

entre el plato absorbente y el vidrio de prueba. 3 termopares se colocaron

sobre la superficie interior de los vidrios y 3 mas sobre la placa absorbente del

53

calorímetro. El registro de la temperatura ambiente se realizó a traves de 8

termopares y 2 más para el registro de la temperatura del fluido a la entrada

y salida del calorímetro. Para medir el flujo masico a traves del serpentín del

intercambiador de calor se utilizó un rotámetro marca Gilmont Instruments. El

rango de operación del rotámetro va de 300 ml/min a 700 ml/min con una

precisión del 2 % respecto a la lectura tomada.

Coeficiente de

Sombreado

es

0.22

El tipo y calibre de los termopares se eligieron satisfaciendo los requerimientos

para reducir el tiempo de respuesta en las lecturas. La toma de los registros

de temperaturas se hizo empleando el sistema de adquisición de datos

presentado en la sección 4.3.

LUZ VISIBLE CALOR SOLAR

Transmisión Reflexión Reflexión Transmisión Transmisión Directa Total

% % % % %

8 38 32 6 20

5.2 VIDRIOS COMERCIALES.

Los vidrios de estudio fueron el vidrio claro de 6 mm de espesor, el vidrio

comercial reflectasol (color plata] de 6 mm, el vidrio filtrasol (color gris) de 6

mm y el vidrio claro de 3 mm de espesor que sirvió como referencia para

comparar los vidrios anteriores. Las tablas 5.1 y 5.2 muestran el

comportamiento Óptico y térmico de los vidrios mencionados de acuerdo a

los datos del fabricante [16].

54

TIPO Espesor TransmislÓn Transmisión nominal de luz de calor

mm % %

Vidrio Claro 3 97 a7

Vidrio Claro 6 92 83

Filtrasol (gris) 6 45 a

5.3 RESULTADOS EXPERIMENTALES.

Coeficiente de sombreado

cs

1 .o3

0.94

0.69

Los resultados experimentales que se presentan, son de aquellos

experimentos en los que las curvas de historias de temperaturas del fluido que

corresponden a la entrada y a la salida del calorímetro presentan cambios

mínimos a lo largo de las pruebas.

Las pruebas se llevaron a cabo fijando la temperatura del fluido a la entrada

del calorímetro a 21.6 "C. Este valor se eligió después de haber realizado

varias pruebas, de tal manera que pudiéramos establecer las condiciones de

inicio del fluido en los experimentos y reducir el tiempo de respuesta del

dispositivo experimental. Se debe mencionar que las condiciones

ambientales del laboratorio no fueron las mismas en todos los experimentos

ya que no se tuvo un medio a través del cual se pudiera controlar las

condiciones dentro de él, además las pruebas se realizaron en distintos días y

a diferentes horas. La radiación incidente sobre los vidrios de prueba, fue de

945.6 W/m2 (187.47 W) que corresponde a la distancia de 50 cm (tabla 4.6).

medida con una incertidumbre de I5.6 W/m*. El flujo volumetrico en todas

las pruebas fue de 500 ml/min.

55

La figura 5.1 muestra las curvas de temperaturas obtenidas con el vidrio claro

de 3 mm. El experimento se realizó el 29 de enero de 1997. Comenzando a

las 13: lO hrs. La temperatura ambiente promedio de inicio fue de 25.7 "C con

un incremento máximo de 3 "C a lo largo del experimento.

21 -

I I .-

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .--20

................................ . .

Figura 5.1 Historia de las temperaturas y del calor removido por el calorímetro con

el vidrio claro de 3 mm.

El tiempo de respuesta del dispositivo fue de 230 minutos (3.83 hrs) con una

temperatura en la superficie interior del vidrio de 43.5 "C y del aíre en el

interior de la caja de 43.3 "C.

La siguiente figura 5.2 muestra los resultados del experimento realizado con el

vidrio reflectasol de 6 mm, el día 3 de febrero de 1997. El experimento

56

comenzó a las 1 1 :30 hrs. con una temperatura ambiente promedio de inició

de 23.6 "C con un incremento máximo durante el experimento de 5.2 "C.

El tiempo de respuesta del dispositivo fue de 204 minutos (3.4 hrs) y la

temperatura de la superficie interior del vidrio fue de 45.2 "C y del aire en el

interior de la caja fue de 34.5 OC.

20 LO O 25 50 I5 im 125 150 175 m 225 2 M

Tiempo (minutos1

Figura 5.2 Historia de las temperaturas y del calor removido por el calorhetro con

el vidrio reflectasol de 6 rnm.

La figura 5.3 muestra las curvas de temperaturas obtenidas con el vidrio

filtrasol de 6 mm. El expenmento se realizó el 28 de enero de 1997,

comenzando a las 12:lO hrs. La temperatura ambiente promedio de inicio fue

de 23.8 OC con un incremento máximo de 3 "C a lo largo de la prueba.

57

Figura 5.3 Historia de las temperaturas y del calor removido por el calorírnetro con

el vidrio filtrasol de 6 mm.

El tiempo de respuesta del dispositivo fue de 190 minutos (3.16 hrs) con una

temperatura promedio del aire en el interior de la caja de 43.5 "C y de la

superficie interior del vidrio de 54.8 "C.

La figura 5.4 muestra las curvas de temperaturas obtenidas con el vidrio claro

de 6 mm. El experimento se realizó el 30 de enero de 1997. Comenzando a

las 12:lO hn. La temperatura ambiente promedio de inicio fue de 22.7 "C con

un incremento máximo de 3.3 "C a lo largo de la prueba. El tiempo de

respuesta del dispositivo fue de 241 minutos (4.0 hrs) y la temperatura

promedio del aire en el interior alcanzó 44 "C, la temperatura de la superficie

interior del vidrio fue de 47.9 "C.

58

' -IO O 25 50 75 IW 125 150 175 200 225 250

Tiempo lminuiorl

Figura 5.4 Historia de las temperaturas y del calor removido por el calorímetro con el vidrio claro de 6 mm.

Para poder conocer el tipo de regimen de fluido que se presenta en el

interior de la caja se calculó el número de Grashof con la siguiente relación:

PATgL3p2 Gr =

P2

donde p es el coeficiente de expansión térmica, p es la densidad y p es la

viscosidad del fluido en el interior de la caja (aire), g es la aceleración

gravitacional, AT es la diferencia de temperatura entre la placa de vidrio y la

pared absorbente y L es la longitud característica de la caja.

59

El calculo del Gr se hizo para las pruebas del vidrio claro de 3 mm y para el

vidrio reflectasol, estos se eligieron considerando los casos extremos de

transferencia de calor, ya que son los vidrios de mas alta y baja transmitancia

respectivamente.

Para el coeficiente de expansión térmica se consideró el inverso de la

temperatura promedio absoluta del aire en el interior de la caja en estado

permanente de 316.3 K para el vidrio claro de 3 mm y 307.5 K para el vidrio

reflectasol, la gravedad se tomo como g= 9.81 m/s2, la longitud característica

de la caja fue de L=0.525 m, la temperatura de la placa absorbente para el

vidrio claro de 3 mm fue de 28.5 O C , con una temperatura del vidrio de 43.5

"C, para el vidrio reflectasol se tuvo que la placa absorbente registró una

temperatura de 24.8 "C y en el vidrio de 45.2 "C, las propiedades del aire se

tomaron de la tabla 3.1. Los resultados muestran un valor promedio entre

estos dos casos con un Gr =1.93 ~ 1 0 ' 0 , este valor es mayor que el número de

Grashof crítico para la transición 109. Por lo tanto, el regimen de flujo pudiera

ser turbulento dentro de la caja.

5.4 COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES.

En la figura 5.5 se presentan los resultados experimentales de las temperaturas

promedio en las superficies interiores de los 4 vidrios de prueba, también se

muestra la temperatura ambiente promedio en el exterior.

60

O 50 100 150 200 250 300

Tiempo (minutos)

Figura 5.5 Historia de las temperaturas promedio de los vidrios y de la temperatura

ambiente.

Puede observarse que la temperatura del vidrio filtrasol es mayor (54.8 "C)

que la de los vidrios claros de 3 mm y 6 mm y el vidrio reflectasol. Lo anterior

se justifica debido a la alta absortancia del vidrio y su baja reflectancia.

La figura 5.6 muestra el proceso transitorio de la temperatura promedio del

aire en el interior de la caja calorimetrica referenciado a la temperatura

ambiente promedio en el exterior. En esta gráfica se observa que la

temperatura promedio del aire en el interior aumenta alrededor de 44 O C

usando los vidrios claros de 3 mm y 6 mm y el vidrio filtrasol. Sin embargo

usando el vidrio reflectasol la temperatura del aire interior solo incrementa

hasta 35 O C Dermitiendo menor entrada de calor al interior de la caja

61

calorirnetrica. Estos resultados se justifican por el hecho de que el vidrio

reflectasol tiene una alta reflectancia y su transrnitancia es muy pequeña

comparada con la de los otros vidrios.

i 55

O 50 1W 150 m 250 3w

Tiempo (minufor)

Figura 5.6 Historia de las temperaturas promedio del aire en el interior de la caja

calorimétrica y temperaturas ambiente registradas para los diferentes

vidrios de prueba.

La figura 5.7 muestra los flujos de calor que son removidos por el fluido

térmico (agua) que circula por el serpentín del intercarnbiador de calor. En

esta figura se observa que el vidrio que deja pasar mayor cantidad de

energía al interior de la caja calorimétrica el vidrio claro de 3 mm, seguido

del vidrio claro de 6 rnm, el vidrio filtrasol y por Último el vidrio reflectasol.

62

Figura 5.7 Historia de los flujos de calor removidos por el calorímetro para los 4

vidrios de prueba.

5.5 E V A L U A C I ~ N TÉRMICA DE LOS VIDRIOS DE PRUEBA.

En el capítulo 2 se definió el coeficiente de sombreado CS [5,8]. Dicha

definición es la razón de la cantidad de energía que pasa a traves de un

vidrio específico con respecto ai que pasaría si se usara un vidrio claro de 3

mm bajo idénticas condiciones. Su expresión es:

63

También se expresó la eficiencia térmica instantánea de la ventana [8]

como:

IC T" Ti Ta

[ minutos ) O C OC OC

La tabla 5.3 muestra un resumen de los resultados experimentales de la

temperatura promedio del vidrio, del aire en el interior de la caja, de la

temperatura ambiente, la diferencia de temperatura del fluido respecto a la

entrada y salida del intercambiador de calor y el tiempo característico, tc, es

decir el tiempo al cual se llego al estado permanente.

Tin - Tti

"C

Tabla 5.3 Comparación de los resultados de los experimentos, modo B, con los

vidrios de prueba.

230

24 1

190

204

vidrio claro 43.5 43.3 26.9 4.7

48 44 25.8 4.6

54.8 43.5 27.1 3.5

45.2 34.5 28.4 1.4

En esta tabla se observa que el vidrio que registro la mayor temperatura fue

el del vidrio filtrasol y la menor fue para el vidrio claro de 3 mm. La

temperatura ambiente osciló de 25.8 "C con el vidrio claro de 6 mrn a 28.4 "C

con el vidrio reflectasol, con una diferencia máxima de 2.6 "C de diferencia

64

maxima, esto puede deberse a que el vidrio reflectasol tiene una mayor

reflectancia, por lo tanto contribuye al calentamiento del medio ambiente

exterior. La menor diferencia de temperatura del fluido de trabajo ( Tf,o -Tt,i )

fue de 1.4 "C para el vidrio reflectasol y la mayor fue de 4.7 "C para el vidrio

claro de 3 mm. Por lo que el vidrio reflectasol deja pasar menor flujo radiativo

y el intercambiador remueve menos calor del interior.

QP QR Qneto

w w w 55.14 166 221.15

f 11.2

48.26 159.5 207.76

f 8.9

47.97 116.74 164.71 f 8.3

14.8 51 .O2 65.82 f 7.6

La tabla 5.4 muestra los valores de los flujos de calor removidos por el

calorímetro, las pérdidas de calor de la caja con el medio ambiente y el

calor neto en estado permanente que se calcularon con los vidrios de

prueba. También se presentaron los parámetros característicos del

funcionamiento térmico de estos vidrios, la eficiencia térmica de la ventana,

11 y el coeficiente de sombreado, CS.

11 Adirn

0.93 I 0.047

0.88

f 0.037

0.69

* 0.035

0.28

I 0.032

Tabla 5.4 Comparación de los parametros térmicos para los vidrios claros de 3 mm

y 6 mm, el vidrio filtrasol y el vidrio reflectasol.

TIPO

vidrio claro

(3 mm)

(6 mm)

vidrio claro

Filtrasol

(6 mm) Reflectasol

(6 mm)

? 0.53

0.29 0.22

t 0.037

En esta tabla se observa que en el vidrio claro de 3 mm se remueve mayor

cantidad de energía, esto se esperaba ya que su transmitancia es la más alta

en comparación con los otros vidrios. Los valores calculados de los

parámetros característicos del funcionamiento térmico de los vidrios, indican

que el vidrio reflectasol (color plata) presenta el menor coeficiente de

sombreado, seguido por el filtrasol y el vidrio claro de 6 mm. Esto se justifica

por el hecho de que la reflectancia del vidrio reflectasol es grande y su

transmitancia es muy pequeña comparada con la de los otros vidrios.

Respecto al término de la eficiencia térmica, q, se observa que el vidrio claro

de 3 mm presenta el mayor porcentaje de eficiencia 93 %, respecto a la

razón de energía ganada por el vidrio y la radiación incidente sobre el vidrio,

el vidrio reflectasol tiene el valor más bajo con 28 % de control sobre la

energía incidente.

En esta misma tabla 5.4, se concluye que el vidrio reflectasol es el que reduce

substancialmente la entrada de energía radiativa al interior de la caja

calorimetrica, sin embargo es el que menos energía luminosa transmite. Por

otro lado de acuerdo a la metodología presentada para el calculo de los

parámetros característicos del funcionamiento térmico de los vidrios con

filtros solares, los valores del CS reportados por los fabricantes muestran que

estos están sobrestimados para el vidrio reflectasol en un 24 % y para el vidrio

filtrasol en un 7.2 7%.

66

CAPITULO 6

CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS PARA TRABAJOS FUTUROS

En este trabajo se presentó el diseño, construcción y caracterización de un

dispositivo que nos permite evaluar en forma experimental el funcionamiento

térmico de vidrios con filtros solares. También se presentó un análisis teórico

de la transferencia de calor en estado transitorio del sistema utilizado para

estimar teóricamente el coeficiente global de pérdidas de calor U, la masa

térmica (mCp) del sistema y el tiempo característico en base a los resultados

experimentales obtenidos. Los vidrios de prueba fueron un vidrio claro de 6

mm, el filtrasol de color gris de 6 mm, el reflectasol color plata de 6 mm y el

vidrio claro de 3 mm. Este Último sirvió como base de comparación de los

demás vidrios.

El diseño permitió construir un dispositivo experimental con una estructura

sólida y a la vez ligera y fácil de manejar. Este dispositivo también permite

hacer estudios para sistemas de vidrios de uno o arreglos de dos placas de

vidrios.

Se presentó una metodología experimental para el estudio térmico de vidrios,

la caracterización de la caja calorimétrica y de una lámpara que simula

condiciones de irradiancia sobre los vidrios.

El modelo teórico en estado transitorio para determinar el coeficiente de

perdidas presentó una diferencia maxima de no mas del 6 % del valor de Uc

obtenida experimentalmente.

En los experimentos de evaluación térmica de los vidrios se observó la

influencia de los filtros solares en los vidrios para el control de la radiación.

También se calcularon los parametros característicos para evaluar el

funcionamiento térmico de vidrios. El CS, el cual indica el porcentaje de calor

a través de él, con referencia a un vidrio claro de 3 mm de espesor, indica

que el vidrio reflectasol(p1ata) presenta el menor coeficiente de sombreado,

seguido por el filtrasol y el vidrio claro de 6 mm. Puede observarse que el 29 %

de la energía incidente sobre el vidrio reflectasol logra pasar a través de él. Por lo tanto el reflectasol es quien más refleja calor. Sin embargo, desde el

punto de vista de iluminación este vidrio es el que menos energía lumínica

transmite. Así también, la eficiencia térmica de este vidrio, definida como la

razón entre la energía ganada por el vidrio y la radiación incidente sobre el

Úrea del vidrio reportó un valor para el reflectasol de 0.22, siendo este el más

bajo respecto a los demás vidrios. Los valores del CS reportados por lo

fabricantes presentan una diferencia con los calculados en este estudio de

24 % para el vidrio reflectasol y 7.2 % para el vidrio filtrasol.

De esta manera el vidrio reflectasol podría ser un complemento para el

ahorro de energía en edificios que usan sistemas de aire acondicionado. Sin

embargo el costo del vidrio es elevado comparado con el costo de los

demás vidrios y su transmitancia en el rango de luz visible es muy baja lo que

68

.

implicaría usar energía eléctrica para iluminar. Por lo que el vidrio filtrasol sería

el más conveniente en términos de iluminación y economía con respecto a los demás vidrios.

Como sugerencias para trabajos futuros, se tiene lo siguiente:

1. Controlar la temperatura del medio ambiente de los experimentos, para

no tener influencia del calor disipado por la lámpara y demás

instrumentos.

2. Extender el estudio para sistemas de dos placas de vidrios y comparar los resultados obtenidos con los presentados en este trabajo.

3. Analizar y comparar resultados de otros vidrios del tipo reflectasol y filtrasol

con diversas propiedades, para complementar este trabajo.

4. Complementar el estudio del flujo y transferencia de calor interior de la

caja calorimetrica mediante simulación numérica.

69

REFERENCIAS,

11 I

121

[31

[41

[51

[61

[71

181

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71

APÉNDICE 1

PLANOS DE CONSTRUCCI~N DE LA CAJA CALORIMÉTRICA

12

"i .í 1

'7

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APENDICE 2

CÁLCULO DE INCERTIDUMBRES

Para evaluar las posibles fuentes de errror relacionadas en el cálculo del

coeficiente global de perdidas de calor, Uc, se hizo un análisis de

incertidumbre de cada medición.

La estimación de los errores en las mediciones se determinó según el método

descrito por Kline y McClintock [17]. El método se basa en una cuidadosa

especificación de las incertidumbres en las mediciones primarias. En otras

palabras, si se desea estimar la incertidumbre en un resultado calculado con

base en las incertidumbres de las mediciones primarias. El resultado R es una

función dada de las variables independientes x,,xi,x3, ...., xn; por lo tanto:

R=R [ x l , x z , x 3 ,...., x,)

Entonces la incertidumbre en el resultado R, es:

donde w, ,wZ,w3, ..., w, son las incertidumbres de las variables independientes.

78

A. CÁLCULO DE INCERTIDUMBRE DE LA POTENCIA DISIPADA POR LA PLACA CALEFACTORA.

La resistencia medida del alambre fue de 8.1R. La potencia disipada por la

placa calefactora se calculó considerando las mediciones de voltaje y

corriente a traves de la resistencia de esta, entonces de la ecuación:

La potencia de la pla a calefactora se definió en un rango de operación de

50 W a 160 W. La figura Al muestra el diagrama de la disposición de los

instrumentos para medir el voltaje y la corriente a traves de la resistencia de

la placa.

Figura Al .Medición del voltaje y la corriente a través de la resistencia eléctrica.

Los errores en el calculo de la potencia, w,,,de la ecuación (0.1) se derivó de:

79

La tabla A.l presenta las incertidumbres estimadas de los instrumentos y la

incertidumbre asociada al calculo de la potencia generada por la placa

calefactora.

Medición Incertidumbre, o

Voltaje, V

Corriente, I

I Placa calefactora 1 * 4 % (Ecuación (a.2)) I

1-4% (Voltímetro)

I 1 % (Amperímetro)

B. CÁLCULO DE LAS INCERTIDUMBRES DEL COEFICIENTE GLOBAL DE PÉRDIDAS DE CALOR uc.

T, , T,

La tabla B.l presenta las incertidumbres estimadas en las mediciones para el

calculo de U,.

* 1.O"C Termopares

Tabla 6.1 Incertidumbres estimadas de los termopares que se utilizaron para el

calculo del coeficiente global de perdidas, U,.

I Medición I Incertidumbre, w I 1 (-4 - TJ 1 1- 1.4"C Termopareq

I

Placa calefactora, Watts f 4.0% ecuación (0.2)

Las incertidumbres relacionadas al area de la caja calorimetrica y del vidrio

de prueba, se considerarón despreciables.

SO

El coeficiente global de perdidas esta dado por la ecuación:

Asumiendo que cada medición es independiente y distribuida normalmente,

entonces la incertidumbre en el calculo de U, , a" , se derivó de:

por lo tanto:

donde wo es la incertidumbre debido al flujo de calor por la placa

calefactora y aAT es la incertidumbre por la diferencia de temperatura entre

el aire del interior de la caja con el medio ambiente.

c. ANÁLISIS DE INCERTIDUMBRES PARA cs Y q.

Por definición el coeficiente de sombreado, CS se describe por la ecuación:

y el parámetro q por la ecuación:

81

El flujo de calor neto se calcula como :

Con la ecuación (c.3). la incertidumbre en el calculo del flujo de calor neto

se deriva de:

En esta ecuación AT = (Ti - T,) y ATf = -TI,¡),

Por lo tanto:

Esta Última ecuación se aplica para determinar los errores en el calculo de

G e t o , de tal manera que para evaluar los errores de SC se tiene de la

ecuación (C.1) que:

82

En esta ecuación, los subindices vp se refiere al vidrio de prueba y v-3 mm al

vidrio claro de 3 mm.

Medición

(T - Tal T,,o ' T',i

m G

De la misma forma para el término de eficiencia térmica, q , se tiene que:

Incertidumbre, w * 1.4oc Termopares

f 0.2 "C Termopares

I2% Rotámetro

f 5.6 Wlm2

La tabla C.l presenta las incertidumbres estimadas en las mediciones de estos

parámetros.

Las incertidumbres relacionadas con el área del vidrio y las propiedades

termofísicas del fluido se consideraron despreciables.

83

9 7 0 6 4 1

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