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UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTÓNOMA DE TABASCO DIVISIÓN ACADÉMICA DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

Cunduacán, Tabasco, México. Noviembre de 2017

“EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO TÉRMICO Y ÓPTICO DE MATERIALES CON PELÍCULAS DE

ÓXIDOS METÁLICOS”

Trabajo recepcional bajo la modalidad de

TESIS

para obtener el grado de

Maestro en Ciencias en Ingeniería

Pre se nta :

Ing. Enrique Hernández Garfias

Director:

Dr. Edgar Vicente Macías Melo

CARTA AUTORIZACIÓN

El que suscribe, autoriza por medio del presente escrito a la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco para que utilice tanto física como digitalmente la tesis de grado denominada “Evaluación del rendimiento térmico y óptico de materiales con películas de óxidos metálicos”, de la cual soy autor y titular de los Derechos de Autor. La finalidad del uso por parte de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco de la tesis antes mencionada, será única y exclusivamente para difusión, educación y sin fines de lucro; autorización que se hace de manera enunciativa más no limitativa para subirla a la Red Abierta de Bibliotecas Digitales (RABID) y a cualquier otra red académica con las que la Universidad tenga relación institucional. Por lo antes manifestado, libero a la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco de cualquier reclamación legal que pudiera ejercer respecto al uso y manipulación de la tesis mencionada y para los fines estipulados en éste documento. Se firma la presente autorización en la ciudad de Cunduacán, Tabasco, a los 16 días del mes de noviembre del año 2017.

AUTORIZO

___________________________________________ ING. ENRIQUE HERNÁNDEZ GARFIAS

AGRADECIMIENTOS

AGRADECIMIENTOS

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por el apoyo recibido

para el desarrollo de este trabajo de tesis.

A la División Académica de Ingeniería y Arquitectura Unidad Chontalpa de la

Universidad Juárez Autónoma de Tabasco por la oportunidad de realizar mis

estudios de formación profesional y por las facilidades para el desarrollo de este

trabajo de tesis.

A todos los miembros de mi comité revisor, a la Dra. Karla María Aguilar Castro,

a la Dra. Ebelia del Ángel Meraz, al Dr. Edgar Vicente Macías Melo, al Dr. Iván

Hernández Pérez y al Dr. Juan Barajas Fernández, por todos los comentarios,

correcciones y sugerencias que sin duda ayudaron a enriquecer este trabajo de

tesis. Por su buena vibra, devoción por lo que hacen y sus muchas enseñanzas.

A mis amigos, Karen, May, Salvador, Francisco, Genner, Carlos, Quén, y todos

los que colaboraron en este proyecto de forma técnica o emocional.

A mi familia, por su apoyo total, confianza y porque han creído en mí siempre,

muchas veces más que yo mismo.

¡Muchas gracias!

DEDICATORIAS

DEDICATORIAS

A los doctores Karla María Aguilar Castro, Edgar Vicente Macías Melo e Iván

Hernández Pérez, por sus consejos, por los momentos de risa, por los bocadillos

y por su buena vibra todos los días.

Para mi hermana Sara Elena Hernández Garfias, por la compañía, por las salidas

al cine para el desestrés, por los consejos y por las pláticas.

Para mis padres Rina Lorena Garfias Peralta y Enrique Hernández Torruco, por

todo el apoyo y enseñanzas que me han brindado siempre. Enorgullecerlos será

siempre una motivación para mí.

Para mi abuelita Aurora Peralta Barrios, porque a su modo muy particular, estuvo

conmigo en las buenas y en las malas.

A Jazmín Guadalupe Estrada Maroto, por llegar a mi vida, por ser mi confidente,

por darme el cariño y el último empujón de motivación necesaria para cumplir

este objetivo.

¡Gracias infinitas!

RESUMEN

I

RESUMEN

En este trabajo se presenta el diseño, construcción e instrumentación de

un calorímetro con seguimiento solar para determinar las propiedades térmicas y

ópticas de muestras de vidrio de 15 × 15 cm con espesor máximo de 6 mm. El

calorímetro solar fue diseñado considerando una metodología por abstracción y

fue construido e instrumentado con la capacidad de cuantificar las pérdidas de

calor a través de cada una de las paredes de su envolvente. El prototipo fue

calibrado con el fin de obtener la incertidumbre en la medición del flujo de calor,

considerando el flujo de calor que entra y sale del sistema. Los resultados de la

calibración indican que la incertidumbre en la medición del flujo de calor es de

±0.446 W. Por otra parte, para la verificación del funcionamiento del calorímetro

solar se determinó el Coeficiente Global de Transferencia de Calor (U) y el

Coeficiente de Ganancia de Calor Solar (CGCS) para una muestra de vidrio claro

de 3 mm. El valor promedio obtenido del U y el CGCS fueron de 6.95 Wm-2 °C-1

y 0.803, respectivamente. Estos valores fueron comparados con valores

reportados en la literatura encontrando una diferencia máxima de 7.7%. El U y el

CGCS se determinó para cuatro muestras de vidrio con recubrimiento de óxidos

metálicos: Cu I, Cu III, Ag I y Ag III. Respecto a estas muestras, Ag I presentó el

mayor valor de U con 6.82 Wm-2 °C-1 y Cu I presentó el mayor valor de CGCS

con 0.805. Sin embargo, los resultados obtenidos presentaron diferencias poco

significativas respecto a la muestra de vidrio claro, por lo que no representan una

ventaja dentro del mercado de vidriado que justifique un precio mayor al del vidrio

claro. Las propiedades térmicas y ópticas podrían mejorarse si se realizan

modificaciones durante el desarrollo de cada tipo de recubrimiento.

ABSTRACT

II

ABSTRACT

This work shows the design, construction and instrumentation of a

calorimeter with solar tracker to determine the thermal and optical properties of

glass samples of 15 × 15 cm with 6 mm thickness. The solar calorimeter was

designed considering an asbtract methodology and it was built and instrumented

with the capability to quantify the heat losses through each wall of its envelope.

The prototype was calibrated to obtain the uncertainty in the heat flow

measurement, considering the inlet and outlet heat flows of the system. The

calibration results allowed to obtain the uncertainty in the heat flow measurement,

which was ±0.446 W. On the other hand, the Heat Transfer Global Coefficient (U)

and the Solar Heat Gain Coefficient (SHGC) were determined to verify the

operation of the solar calorimeter for a clear glass sample of 3 mm. The average

value obtained for U and SHGC were 6.95 Wm-2 °C-1 and 0.803, respectively.

These values were compared with values reported in the literature, finding a

maximum difference of 7.7%. The U and SHGC were determined for four samples

coated with metal oxides: Cu I, Cu III, Ag I and Ag III. According with these

samples, Ag I showed the maximum value for U with 6.82 Wm-2 °C-1 and Cu I

showed the maximum value for SHGC with 0.805. Nevertheless, the results

presented little differences compared with the clear glass sample, reason why

they do not present an advantage in the market of glazing that justify a greater

price than the clear glass. The thermal and optical properties could be improved

if modifications are made during the development of each type of coating.

ÍNDICE

III

Índice

Pág.

Lista de Figuras................................................................................... V

Lista de Tablas..................................................................................... VIII

Nomenclatura....................................................................................... IX

CAPÍTULO I. Introducción

1.1 Generalidades…………………………….…………………...…........ 2

1.2 Revisión bibliográfica……………………………………………..…... 5

1.2.1 Calorimetría al interior.............................................................. 5

1.2.1 Calorimetría al exterior.....…………………………………......... 8

1.2.2 Análisis de sistemas vidriados................................................. 12

1.3 Objetivo general……………..................................................…….. 13

1.3.1 Objetivos particulares…………………………………...…......... 13

1.4 Alcances del proyecto.....…………………………………………..… 13

1.5 Estructura de la tesis...................................................................... 14

1.6 Referencias bibliográficas............................................................... 15

CAPÍTULO II. Fundamento Teórico

2.1 Fundamentos de transferencia de calor………………................... 19

2.1.1 Conducción..................................................……………….. 19

2.1.2 Convección............................................................………… 20

2.1.3 Radiación.............................………………..………………... 20

2.2 Parámetros característicos.................…………………………….... 21

2.2.1 Parámetros térmicos..............................……………..…….... 22

2.2.2 Parámetros ópticos..............................…………………….... 23

ÍNDICE

IV

2.3 Técnicas de calorimetría solar....................................................... 24

2.4 Estimación de incertidumbre.......................................................... 26

2.5 Normatividad.................................................................................. 27

2.6 Referencias bibliográficas.............................................................. 28

CAPÍTULO III. Diseño, construcción, instrumentación y procedimiento experimental

3.1 Diseño, construcción e instrumentación.......………...................... 31

3.1.1 Caja calorimétrica........................……………....................… 31

3.1.2 Medidor de coeficiente convectivo.....……………………….. 40

3.1.3 Base con sistema de seguimiento solar....................…..….. 42

3.1.4 Instrumentación....................................……………………… 44

3.2 Procedimiento experimental..............................…………………… 52


CAPÍTULO IV. Resultados y discusión

4.1 Calibración..................................................................................... 59

4.2 Parámetros característicos, U y CGCS......................................... 61


CONCLUSIONES……………………..……...............………………..... 67

ANEXO A. Artículo en la 18 Convención Científica de Ingeniería y Arquitectura.................................................................

69

ANEXO B. Procedimiento para la elaboración de las muestras de estudio.....................................................................

82

LISTA DE FIGURAS

V

Lista de Figuras

Figura Descripción Pág.

2.1 Prototipos para caracterización térmica de vidrio: (a) Celda

PASLINK [5] y (b) calorímetros solares [9]. 26

3.1 Distribución de flujos de calor: (a) a través de la CC y (b) a través de la muestra.

32

3.2 Diseño de la capa exterior: (a) vista superior sin tapa, (b) vista lateral sin tapa y (c) vista superior con tapa.

33

3.3 Capa exterior construida: (a) vista superior sin la Pared F, (b) vista lateral sin la Pared F y (c) vista superior con la Pared F.

34

3.4 Vista frontal del tipo de broches utilizados. 34

3.5 Vista de las capas exterior e intermedia. 35

3.6 Diseño de las tres capas de la CC: (a) paredes A, B, C, D, E y

(b) Pared F. 36

3.7 Transductores de flujo de calor: (a) Pared A, (b) Pared C y (c) Pared E.

37

3.8 Las tres capas que conforman la carcasa: (a) paredes A, B, C, D, E y (b) Pared F con cavidad para la muestra.

37

3.9 Diseño de la placa absorbedora: (a) tubería de cobre y (b) tubería con aluminio entrelazado, ambos pintados de negro mate.

38

3.10 Placa absorbedora: (a) sin placa de aluminio y sin pintura, (b) con placa de aluminio y (c) con placa de aluminio y pintura.

38

3.11 Soporte y brida-espiga: (a) soporte de acrílico, (b) pieza interior, (c) pieza exterior y (d) piezas conectadas.

39

3.12 Sistema de conexión del fluido de trabajo: (a) vista interna, (b)

vista externa y (c) distribución de termopila. 40

3.13 Interior de la CC: (a) soportes de acrílico y espigas interiores y

(b) placa absorbedora montada y conectada. 41

LISTA DE FIGURAS

VI

3.14 Componentes del medidor de coeficiente convectivo: (a)

transductor en aislante, (b) transductor detrás del acero, (c) soporte con ángulos y (d) vista superior.

42

3.15 Diseño del sistema de seguimiento solar y su base. 42

3.16 Sistema de seguimiento solar: (a) base con seguimiento del ángulo cenital montado y (b) seguimiento del ángulo azimutal

montado.

43

3.17 Sistema de monitoreo de ángulos: (a) vista inferior y (b) vista

superior. 44

3.18 Esquema de la instrumentación del calorímetro solar. 45

3.19 Diagrama de flujo del proceso de simulación en 2D para

determinar la ubicación del ventilador. 46

3.20 Esquema de las dos configuraciones consideradas. 47

3.21 Distribución de la velocidad del aire para las cuatro configuraciones.

48

3.22 Esquema en 3D de la configuración seleccionada. 48

3.23 Distribución de velocidad del aire en 3D para la configuración seleccionada.

48

3.24 Ubicación de puntos en donde se llevó a cabo la medición de velocidad del aire.

50

3.25 Calibración del ventilador tangencial: (a) conexión a la fuente

de poder y (b) medición de velocidad del aire con sonda de anemómetro.

50

3.26 Comportamiento de la velocidad del aire vs voltaje suministrado al ventilador.

51

3.27 Calorímetro solar durante una prueba experimental. 52

3.28 Transductor de flujo de calor montado en la cavidad para la muestra.

53

3.29 Aislamiento de Pared F al realizar las pruebas de calibración. 54

3.30 Muestras de vidrio utilizadas en este proyecto. 56

4.1 Flujo de calor presentado a través de las paredes durante la

Prueba 1-C. 59

4.2 Resultados de la entrada y salida de flujo de calor durante la

Prueba 1-C. 60

LISTA DE FIGURAS

VII

4.3 Diferencia de temperatura y flujo de calor total durante la

Prueba 1-U. 62

4.4 Diferencia de temperatura y flujo de calor total durante la

Prueba 2-U. 62

4.5 Irradiancia solar y temperatura ambiente durante la Prueba 1-

S. 63

4.6 Flujo de calor total que atraviesa la muestra durante la Prueba 1-S.

63

4.7 Irradiancia solar y temperatura ambiente durante la Prueba 2-S.

64

4.8 Flujo de calor total que atraviesa la muestra durante la Prueba 2-S.

64

LISTA DE TABLAS

VIII

Lista de Tablas

Tabla Descripción Pág.

3.1 Dimensiones en 2D y 3D de los componentes del calorímetro solar.

46

3.2 Resultados de la medición de velocidad del aire en el interior

de la CC. 51

3.3 Características de las muestras de vidrio utilizadas en este

proyecto. 56

4.1 Resultados de flujo de calor durante las pruebas de calibración.

61

4.2 Resultados estadísticos de las pruebas de calibración. 61

4.3 Parámetros característicos de las muestras estudiadas en este

proyecto. 65

NOMENCLATURA

IX

NOMENCLATURA

Variables Descripción Unidades

A Área m2

CGCS Coeficiente de Ganancia de Calor Solar Adimensional

Cp Calor específico a presión constante Jkg-1 °C-1

h Coeficiente convectivo Wm-2 °C-1

I Irradiancia Wm-2

L Espesor m

q Flujo de calor W

T Temperatura °C

U Coeficiente Global de Transferencia de Calor Wm-2 °C-1

Δ Diferencia

Letras griegas

α Absortancia Adimensional

Conductividad térmica Wm-1 °C-1

Emisividad Adimensional

ρ Reflectancia Adimensional

Transmitancia Adimensional

Subíndices

cr-e Convectivo-radiativo exterior

cr-i Convectivo-radiativo interior

ext Exterior

int Interior

M Muestra de referencia

p Pared

R Resistencia

S Solar

v Ventilador

INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I

1

Capítulo I

Introducción

En este capítulo se muestran las generalidades respecto al trabajo

presentado. Se abarca el tema de investigación, la revisión bibliográfica realizada

para sustentar esta tesis, los objetivos generales y específicos, así como los

alcances y la estructura general del proyecto.


2

1.1 Generalidades

En la actualidad, el sector de la construcción consume alrededor del 40%

de la energía utilizada mundialmente [1–4]. Dentro de una edificación, el

calentamiento y enfriamiento de un espacio, así como el calentamiento de agua

y el alumbrado, representan en conjunto hasta el 70% del consumo energético

[1]. Debido al rápido aumento en el nivel de vida, los cambios climáticos y el

desarrollo económico, se contemplan tendencias crecientes en el consumo de

energía en los edificios. Por lo tanto, promover la eficiencia energética en

edificaciones ha llegado a convertirse en un punto estratégico para el desarrollo

sustentable de varios países [5].

Las condiciones interiores en las edificaciones son influenciadas por las

condiciones climáticas exteriores, los materiales de construcción y la generación

interna de calor debido al uso del edificio, entre otros [6–8]. Por esta razón, en

una edificación es importante conocer la transferencia de calor a través de sus

paredes para realizar el cálculo de la carga total de refrigeración requerida para

climatizarlo adecuadamente. Cada uno de los materiales que conforman las

paredes se distingue por sus parámetros característicos, los cuales han venido

determinándose a lo largo del tiempo con diferentes metodologías [9,10]. Los

parámetros característicos (U y CGCS) y las condiciones ambientales se utilizan

para determinar la ganancia de calor en una edificación, además, los parámetros

característicos permiten seleccionar el material más adecuado para cada

requerimiento de diseño de acuerdo a las condiciones climáticas.

Las tendencias arquitectónicas actuales muestran cada vez más el uso del

vidrio en las envolventes de las edificaciones [11], además es importante

considerar que aproximadamente el 50% de las ganancias/pérdidas de calor en

una edificación se da a través de las ventanas [12].


3

Debido a estas razones, resulta de interés el estudio de los parámetros

característicos de los vidrios para cuantificar su influencia en las

ganancias/pérdidas de calor y así elegir la opción más conveniente en el mercado

de vidrios. Dentro de la oferta de vidrios podemos encontrar una gran diversidad,

se clasifican de acuerdo a sus parámetros característicos, como por ejemplo los

vidrios para control solar, de eficiencia lumínica y, en el caso de vidrios múltiples,

para aislamiento térmico. Con el fin de reducir el flujo de calor a través de los

vidrios, también se utilizan películas que permiten el paso de la luz y minimizan

el flujo de calor hacia el interior. Para lograr esto se recubre el vidrio con películas

principalmente de óxidos metálicos, éstas películas son capas muy delgadas que

por lo general tienen un espesor desde algunos nanómetros hasta cientos de

micrómetros. Se pueden obtener por el método de sputtering, por la deposición

química de vapor, por la epitaxia de haz molecular o por el proceso sol-gel,

mientras que la deposición puede realizarse con el método de aspersión

pirolítica. La muestra con la película es sometida a secado para eliminar agua y

reactivos remanentes y después son tratados térmicamente para eliminar poros

y densificar la película. De esta forma se cuenta con la muestra de vidrio con la

película con características únicas.

La evaluación térmica y solar de estos vidrios, se han reportado

principalmente mediante la estimación del Coeficiente de Ganancia de Calor

Solar (CGCS) y el Coeficiente Global de Transferencia de Calor (U), los cuales

generalmente se han determinado aplicando metodologías en estado

permanente. Estos parámetros característicos permiten estimar el flujo de calor

al interior de las edificaciones permitiendo obtener las cargas térmicas para el

dimensionamiento de los sistemas de aire acondicionado, buscando así mejorar

el confort dentro de las edificaciones.


4

Es importante considerar que en el mercado nacional se comercializan

entre 11 y 12MM m2 de vidrio destinados a la construcción, de los cuales sólo

0.8MM m2 tiene características ópticas y térmicas especiales para el ahorro de

energía, por lo que el aumento del consumo de vidrios con características

especiales presenta gran potencial.

Las tendencias mundiales de ahorro de energía en edificaciones, las

regulaciones nacionales e internacionales sobre la venta de vidrio y el

consecuente incremento en la demanda del mercado de los vidriados con

características especiales, hacen que sea de importancia la caracterización

térmica y solar de estos. Actualmente, existen importantes organizaciones que

establecen normas respecto a las propiedades térmicas que deben tener los

vidrios, como las normas internacionales como ISO 15099-2012 [13] e ISO 9050-

2012 [14], así como la norma NFRC 201-2014 [15] que rige en Estados Unidos

y Canadá. Por otra parte, en México se encuentran vigentes las NOM-008-ENER-

2001 [16], la NOM-020- ENER-2011 [17] y la NOM-024-ENER-2012 [18], las dos

primeras regulan la eficiencia energética en edificaciones y envolventes de

edificios no residenciales y de uso habitacional, respectivamente, mientras que

la tercera delimita las características térmicas y ópticas del vidrio y sistemas

vidriados para edificaciones. Esto con el fin de mejorar el diseño térmico de

edificios y lograr la comodidad de sus ocupantes con el mínimo consumo

energético.

En México, el acondicionamiento térmico de estas edificaciones repercute

en gran medida en la demanda pico del sistema eléctrico, siendo mayor su

impacto en las zonas norte y costeras del país, como lo es Tabasco, en donde

es más común el uso de equipos de aire acondicionado que el de calefacción. En

este sentido, el estudio de parámetros característicos como el CGCS y el U

permitirán optimizar el diseño respecto al comportamiento térmico de la

envolvente, así como seleccionar el material adecuado para la edificación,

obteniéndose como beneficios, entre otros, el ahorro de energía por la

disminución de la potencia del equipo de aire acondicionado a utilizar.


5

1.2 Revisión bibliográfica

En esta sección se describen brevemente los artículos científicos

considerados para sustentar este proyecto. Estas descripciones se subdividieron

de acuerdo con el tipo de aportación que brinda el tema abordado por cada

trabajo. Además, se presenta una breve conclusión general de cada subdivisión

con el fin de resumir la esencia de importancia considerada para este proyecto.

1.2.1 Calorimetría al interior

En 2014, Khun [19] realizó una investigación con el fin de determinar el

CGCS de muestras de vidrio con mediciones de laboratorio en estado

estacionario. Para llevar a cabo este proyecto, se utilizó un calorímetro al interior

con una lámpara de tipo “Hydrargyrum Medium-arc Iodide” (HMI), que reproduce

una temperatura cromática similar a la de la “luz de día”. Además, se utilizaron

recubrimientos de baja reflectancia en el piso y paredes circundantes para evitar

luces externas. Este proyecto determinó y comparo la transmitancia solar

producida por una lámpara HMI Osram de 4000 W (τ= 0.5388) con los resultados

estándar que presenta la norma EN410 (τ= 0.5437) y la norma ISO 9050 (τ=

0.5543). El autor consideró que su resultado fue satisfactorio pues se acercó al

reportado por las normas antes mencionadas.

Chen et al. [20] publicaron en el 2012 un artículo en donde se determinó

el CGCS de módulos fotovoltaicos semitransparentes utilizando una caja

calorimétrica y un simulador solar. La caja calorimétrica fue desarrollada por el

Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS) para utilizar muestras de

1.5 × 1.5 m. Se eligió una sola lámpara de halogenuro metálico para simular el

espectro solar, la cual se colocó a 10 m de la muestra. Se logró simular

aproximadamente un 93.5% del espectro de radiación solar en el rango de los

300-2500 nm. Se determinó el CGCS en un vidrio simple (0.831) y un vidrio doble

(0.429), después se aplicó un factor de corrección al sistema (0.859 y 0.364 para


6

el vidrio simple y al vidrio doble, respectivamente) y esos resultados presentaron

se acercaron a los obtenidos en el experimento simulado (0.831 y 0.429),

consiguiéndose un error de medición dentro del 1%, lo cual es válido para los

estándares actuales de simulación.

En 2012, Jiménez [21] reportó el uso de una cámara de ambiente

controlado tipo Hot Box para evaluar el U y la transferencia de calor a través de

ventanas comúnmente usadas en México. Se tomaron en cuenta marcos de

materiales típicamente utilizados en el país, como lo son el aluminio, el fierro, el

PVC y la madera. Además, se utilizó vidrio claro de 6 mm de espesor y se

establecieron condiciones de clima frío para llevar a cabo las pruebas. Se logró

determinar que la ventana con marco de PVC aisló el calor de mejor manera,

presentando un U de 2.2 Wm-2 °C-1, mientras que la muestra con marco de

aluminio presentó el valor más elevado con un U de 5.9 Wm-2 °C-1.

Håkansson et al. [22] presentaron un trabajo donde se describieron los

componentes utilizados para fabricar un simulador solar para mediciones

calorimétricas en ventanas y sistemas de sombreado, en donde se destacan las

lámparas empleadas para realizar la simulación del espectro solar, además de

detallar el procedimiento de medición y calibración. Se utilizaron tres tipos de

lámparas para simular el espectro solar, las cuales fueron una lámpara de sulfuro

de plasma, una lámpara incandescente con espejo dicroico y una lámpara

incandescente con reflector de aluminio. El diseño empleado para la construcción

del simulador resultó versátil, ya que se utilizaron muchos módulos para permitir

cambios y reemplazos, además de permitir mediciones en exteriores, rápidas y

en una variedad de ángulos solares. Las primeras pruebas de desempeño en

ambientes exteriores denotaron que la calibración y medición de espectro, así

como los métodos de evaluación de resultados fueron satisfactorios. Sin

embargo, también se realizan pruebas en el laboratorio para la comparación y

corroboración a través de programas computacionales en desarrollo.


7

Los autores de los artículos revisados respecto a calorimetría al interior

midieron el flujo de calor de distintas muestras, teniendo en común la simulación

del espectro de radiación solar utilizando diferentes lámparas. De la información

que presentan los autores de estos trabajos, los aspectos que se destacan y

analizan son los siguientes:

Es importante tener en cuenta el entorno del prototipo, ya que puede haber

luces externas (o para nuestro caso, objetos que obstruyan la radiación

solar) que perjudiquen en la precisión de medición.

Utilizar una o varias lámparas para simular el espectro de radiación solar

es una manera de controlar las condiciones externas y eliminar los tiempos

de espera para trabajar con un clima ambiental deseado. Sin embargo,

este método no simula exactamente el espectro de radiación solar, por lo

que requiere la aplicación de métodos matemáticos de corrección y

simulaciones mediante software para validar resultados y acercarse más

a la realidad, lo cual puede incrementar el tiempo para obtener los

resultados y no garantiza su exactitud.

El marco es un elemento importante a considerar cuando se analiza

térmicamente un sistema vidriado. Por esta razón, si solo quiere

estudiarse la transferencia de calor a través de la muestra, es necesario

diseñar adecuadamente el espacio destinado para su inserción, así como

la manera de mantenerla en una misma posición.


8

1.2.2 Calorimetría al exterior

Carlos et al. [23] presentaron un artículo en donde estudia analítica y

experimentalmente los valores del CGCS para vidrios dobles con distintas

características, como lo son las condiciones de trabajo o los tipos de vidrio y sus

dimensiones. Este estudio permitió concluir que el CGCS es mayor cuando se

utiliza un vidrio simple. Los valores del CGCS obtenido en las distintas muestras

utilizados fueron de 0.184 a 0.317 para un vidrio reflectivo, de 0.242 a 0.482 para

un vidrio doble y de 0.278 a 0.482 para un vidrio transparente simple. Debido a

esto, puede considerarse al vidrio simple como la opción más barata y también

la que presenta valores más altos en su CGCS.

Macías-Melo et al. [24] realizaron un trabajo de investigación en donde se

desarrolló un calorímetro solar para el estudio térmico de muestras de vidrio. Para

realizar este experimento se utilizaron instrumentos y sensores de medición tales

como termopares tipo T con ±0.05° de incertidumbre, un termómetro de

resistencia de platino con ±0.001° de incertidumbre, un flujómetro y un

piranómetro de primera clase con ±0.5% y ±1% de incertidumbre,

respectivamente. El experimento se realizó durante dos días bajo condiciones de

cielo despejado y parcialmente despejado. Los resultados mostraron que el flujo

de calor a través de la muestra fue mayor al que se presentó en el cuerpo del

calorímetro, alrededor del 70%. Por esta razón, se consideró que la mayor

contribución de incertidumbre fue debido al flujo de calor a través de la muestra.

En Brasil, Marinoski et al. [6] construyeron y utilizaron un calorímetro solar

para determinar el CGCS de vidrio arquitectónico de 3 mm de espesor. Los

autores consideraron que esta característica térmica es una de las más

importantes para determinar la eficiencia energética del vidrio. Además,

mencionan que para realizarse los cálculos suelen ocuparse modelos

matemáticos apoyados por distintos software como WINDOW o WIS, sin

embargo, esto es muy complejo por la cantidad de variables a considerar y


9

siempre es importante la medición directa para comparar y validar resultados. El

prototipo se desarrolló en un vehículo tipo remolque con dos cavidades para

colocar muestras de vidrio y de esta manera poder estudiar vidrios de distintos

tamaños (1500 × 1200 mm y 500 × 500 mm). Los resultados después de la

calibración fueron satisfactorios en comparación con lo establecido por la norma

ISO 9050. La incertidumbre presentada en la cavidad de mayores dimensiones

fue dentro del rango entre ±0.10 y ±0.16, mientras que en la cavidad más

pequeña fue de ±0.04, en términos absolutos. Se asume que estas variaciones

se deben a la incertidumbre de las partes que componen la instrumentación del

aparato.

Lollini et al. [11] desarrollaron y evaluaron de manera analítica y

experimental un sistema llamado “VentroVentilato” con fines de ahorro de energía

en los edificios. Este sistema de vidrio dinámico podía presentar distintas

configuraciones, en las cuales se podían usar dos o tres vidrios de distintos tipos,

con flujo de aire entre cada sección y persianas internas. Tanto el flujo de aire

como la inclinación de las persianas podía auto ajustarse utilizando un algoritmo,

el cual consideraba las condiciones del clima. El prototipo se evaluó durante

varios meses en Milán, Italia, consiguiendo resultados bajo determinadas

condiciones en los que este sistema ahorraba 15% de la energía consumida y

mejoraba el nivel de confort aproximadamente 60%. Los factores principales para

determinar la efectividad térmica del sistema fueron el U y el CGCS.

Strachan et al. [25] mostraron el trabajo realizado por la red europea de

investigadores del proyecto PASSYS de celdas PASLINK para caracterizar

térmica y ópticamente distintos tipos de muestra. Las muestras empleadas

contaron con distintas características; se utilizaron sistemas multi-vidrios,

sistemas de transmitancia variable y sistemas de enmarcado. Para lograr el fin

deseado, se determinó el U en el centro y marco de la muestra, así como del

sistema en general. Los resultados específicos de cada una de las pruebas no


10

son mostrados puesto que el documento es un resumen de procedimientos. Se

concluyó que las celdas PASLINK con un sistema de instrumentación y

adquisición de datos, pueden ser usados para múltiples muestras. Esta

versatilidad es clave ya que este tipo de equipo es muy caro. Además, estas

celdas, al poderse utilizar en condiciones reales y contrastar resultados con

predicciones simuladas pueden disminuir la incertidumbre ampliamente, sobre

todo con altos niveles de control e instrumentación.

Baker et al. [26] reportaron un estudio en donde se realizaron evaluaciones

en celdas PASLINK en Bélgica, Escocia, Alemania, España, Grecia, Portugal y

Finlandia para determinar las propiedades térmicas y ópticas de materiales de

construcción. Dicho estudio tiene como finalidad promover el desarrollo de

procedimientos de calidad común para pruebas, calibración, adquisición,

procesamiento y análisis de datos, interpretación de resultados de pruebas y

escala/réplica a edificios reales, además de mantenimiento a las infraestructuras

de prueba en distintos sitios. La metodología fue estandarizada rigurosamente

para cada organización participante en todos los lugares en donde se llevó a cabo

el estudio. Consistió en diseñar y probar dos componentes para evaluar la calidad

entre los sitios de prueba y el desempeño de cada organización. El primer

componente era una pared opaca homogénea con una sección central removible.

El segundo componente fue una ventana de vidrio, la cual fue usada para

reemplazar la sección central del primer componente. Los resultados sobre la

muestra de vidrio mostraron variaciones en su U entre 2.00 y 2.94 Wm-2 °C-1.

Estas variaciones se atribuyen principalmente a las diferentes condiciones

climáticas, específicamente a la velocidad del viento (la cual afecta el coeficiente

convectivo) y las temperaturas del ambiente.

Tait [27] publicó una investigación en donde reporta que se llevaron a cabo

mediciones y comparaciones de siete distintos tipos de vidrio con nueve

diferentes accesorios con el fin de determinar qué tan útil es el uso de accesorios


11

en las ventanas de vidrio con fines térmicos y de ahorro de energía. Para lograr

los objetivos fue necesario obtener el CGCS y el U, los cuales se determinaron a

partir de las mediciones realizadas con dos calorímetros solares. Un calorímetro

para las mediciones de referencia, con el propósito de monitorear el sistema de

precisión; mientras que el otro se utilizó para las mediciones de las muestras. En

base a los resultados adquiridos se concluyó que los accesorios son de gran

utilidad para disminuir la transferencia de calor al interior de una edificación.

Además, la efectividad de los accesorios de ventana es proporcional al

desempeño del vidrio con el que se estudia, aunque a su vez, el impacto de los

accesorios en el rendimiento de vidrios de alto desempeño es menor que en los

vidrios de tipo estándar.

En 1999, Harrison et al. [28] presentaron un artículo en donde se describe

el procedimiento del diseño, la calibración y la operación de un calorímetro solar

en Ontario, Canadá. En este estudio se planteó la importancia de conocer las

propiedades térmicas de los distintos tipos de vidrio, específicamente del U y el

CGCS. El prototipo desarrollado presentó un error de 2% y un tiempo de

respuesta de 7.4 min. Este proyecto probó la viabilidad para construir un

calorímetro solar con el fin de caracterizar térmicamente al vidrio con una baja

incertidumbre de medición.

Para determinar la cantidad de calor que atraviesa una muestra de vidrio

utilizando un calorímetro solar, es necesario algunas consideraciones

importantes, las cuales se mencionan a continuación:

Los parámetros característicos esenciales para conocer de manera

general la eficiencia de un vidrio para presentar pérdidas o ganancias de

calor, son el CGCS y el U.


12

Un calorímetro solar puede servir para caracterizar térmica y ópticamente

los vidrios con una baja incertidumbre, siempre y cuando el diseño,

construcción e instrumentación se realicen adecuadamente.

El flujo de calor hacia el interior del calorímetro puede ser principalmente

a través de sus paredes o a través de la muestra utilizada. El calor que

ingresa al calorímetro lo hace principalmente atravesando la muestra, por

consiguiente, esta puede propiciar la mayor contribución de incertidumbre

de medición y debe tenerse presente al momento de su estudio. Como se

mencionó anteriormente, la correcta instrumentación es una prioridad, así

como el monitoreo de las condiciones de trabajo.

1.2.3 Análisis de sistemas vidriados

Grynning et al. [12] publicaron un trabajo en donde analiza la importancia

de optimizar el rendimiento térmico de las ventanas en los edificios, con la

finalidad de ahorrar energía. En este estudio se utilizó el software EnergyPlus

para simular el rendimiento de distintos tipos de ventana a lo largo de un año en

Oslo, Noruega, con adquisición de datos cada cinco minutos. Se utilizaron tres

distintas metodologías para determinar el U y el CGCS: el método de ISO 18292,

el método de ganancias útiles y el método de demanda de calefacción y

enfriamiento. Los resultados del U variaron desde 0.2 hasta 1.2 Wm-2 °C-1,

mientras que el CGCS varió desde 0.2 hasta 0.8. La variación de 1.2 a Wm-2 °C-

1 del U puede reducir la demanda energética entre el 5% y el 15% dependiendo

del CGCS.

De esta sección se puede concluir que una pequeña variación del U puede

mejorar la eficiencia energética considerablemente en edificios de varios pisos,

dependiendo también del CGCS.


13

1.3 Objetivo general

Determinar el Coeficiente de Ganancia de Calor Solar (CGCS) y el Coeficiente

Global de Transferencia de Calor (U) mediante calorimetría solar, para muestras

de vidrios con recubrimientos metálicos con fines de ahorro de energía.

1.3.1 Objetivos particulares

Instrumentar un sistema experimental (calorímetro solar), para determinar

la transferencia de calor al interior en función de los parámetros interiores

y condiciones de ambiente exterior.

Verificar el funcionamiento adecuado del sistema, determinando el CGCS

y el U para una muestra con propiedades conocidas.

Determinar el CGCS y el U para cuatro muestras diferentes de vidrio con

recubrimientos de óxidos metálicos.

Comparar los resultados obtenidos para el CGCS y el U, para verificar si

el rendimiento de las muestras es satisfactorio en función de las normas

vigentes y el mercado de vidrios.

1.4 Alcances del proyecto

El prototipo desarrollado para realizar este trabajo cuenta con algunas partes y

características que delimitan su funcionalidad, las cuales se enlistan a

continuación:

El prototipo está diseñado para permitir la inserción de una muestra con

un área superficial máxima de 29 × 29 cm.

El prototipo tiene la capacidad de producir un flujo de aire en su interior, el

cual puede alcanzar una velocidad mínima y máxima de 1.3 ms-1 y 4 ms-

1, respectivamente.


14

1.5 Estructura de la tesis

A continuación se describen los tres capítulos siguientes presentados en este

trabajo, así como la sección de conclusiones:

En el “Capítulo II” denominado “Fundamento teórico” se muestra la base

teórica que sirve para entender y sustentar la parte matemática y

experimental vista en los capítulos posteriores.

En el “Capítulo III” denominado “Diseño, construcción, instrumentación y

procedimiento experimental” se presenta la simulación del prototipo, su

manufactura e instrumentación, así como el proceso para obtener el U y

el CGCS.

En el “Capítulo IV” denominado “Resultados y discusión” se presentan y

analizan los resultados obtenidos con las muestras de estudio.

La última sección se denomina “Conclusiones” y es donde se presentan

las ideas principales obtenidas a partir del conocimiento adquirido al

terminar este trabajo.


15

1.6 Referencias bibliográficas

[1] D. of E. DOE, Buildings energy data book. Energy Efficiency & Renewable

Energy Department, (2017). http://buildingsdatabook.eren.doe.gov/.

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[7] G. Zhou, Y. Yang, X. Wang, J. Cheng, Thermal characteristics of shape-

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Energy and Building, 39 (2007) 1011–1018.

[9] M.J. Jiménez, H. Madsen, Models for describing the thermal characteristics

of building components, Building and Environment, 43 (2008) 152–162.

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building components, Building and Environment, 43 (2008) 143–151.

[11] R. Lollini, L. Danza, I. Meroni, Energy efficiency of a dynamic glazing


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[12] S. Grynning, A. Gustavsen, B. Time, B.P. Jelle, Windows in the buildings of

tomorrow: Energy losers or energy gainers?, Energy and Buildings, 61

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[13] ISO 15099-2003: Thermal performance of windows, doors and shading

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Standardization, Geneva, Switzerland, 1–74.

[14] ISO 9050–2012: Glass in building–Determination of light transmittance,

solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet

transmittance and related glazing factors, International Organization for

Standardization, Geneva, Switzerland, 1–31.

[15] National Fenestration Rating Council, Procedure for Interim Standard Test

Method for Measuring the Solar Heat Gain Coefficient of Fenestration

Systems Using Calorimetry Hot Box Methods, NFRC 201-2014 (E1A1),

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[16] Secretaría de Energía, NOM-008-ENER-2001, Eficiencia energética en

edificaciones, envolvente de edificios no residenciales, (2001) 1–42.


edificaciones, envolventes de edificios para uso habitacional, (2011) 1–47.

[18] Secretaría de Energía, NOM-024-ENER-2012, Características térmicas y

ópticas del vidrio y sistemas vidriados para edificaciones, (2012) 1–28.

[19] T.E. Kuhn, Calorimetric determination of the solar heat gain coefficient g

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(2014) 388–402.

[20] F. Chen, S.K. Wittkopf, P. Khai Ng, H. Du, Solar heat gain coefficient

measurement of semi-transparent photovoltaic modules with indoor

calorimetric hot box and solar simulator, Energy and Buildings, 53 (2012)

74–84.

[21] I.P. Jiménez-García, Estudio de la Transferencia de Calor en Ventanas

Mexicanas en Condiciones de Clima Frío Mediante una Cámara de


17

Ambiente Controlado, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo

Tecnológico, (2012) 1–108.

[22] H. Håkansson, B. Fredlund, A New Solar Simulation Facility for Calorimetric

Measurements on Windows and Shading Devices, in: 5th Symposium.

Building Physics in the Nordic Countries, Göteborg, Sweden, (1999) 1–8.

[23] J.S. Carlos, H. Corvacho, Evaluation of the performance indices of a

ventilated double window through experimental and analytical procedures:

SHGC-values, Energy and Buildings, 86 (2015) 886–897.

[24] E. V. Macias-Melo, J.J. Flores-Prieto, Solar Calorimeter for Thermal Testing

of Glazings, Journal of Enhanced Heat Transfer, 20 (2013) 499–509.

[25] P.A. Strachan, L. Vandaele, Case studies of outdoor testing and analysis of


[26] P.H. Baker, Evaluation of round-robin testing using the PASLINK test

facilities, Building and Environment, 43 (2008) 181–188.

[27] D.B. Tait, Solar heat gain coefficient measurements for glazings with indoor

window attachment products, ASHRAE Transactions, 112 Part 2 (2006)

116–121.

[28] S.J. Harrison, M.R. Collins, Queen’s University solar calorimeter - Design,

calibration and procedure, Edmonton, Canada, (1999) 1–6.

FUNDAMENTO TEÓRICO CAPÍTULO II

18

Capítulo II

Fundamento teórico

En este capítulo se describen de manera general los conceptos y modelos

matemáticos relacionados con los tipos de transferencia de calor que existen, los

parámetros característicos ópticos y térmicos, las técnicas de calorimetría, la

normatividad considerada y el método utilizado para estimar la incertidumbre, de

manera que esta sección de la tesis sirva de fundamento matemático y

experimental para los capítulos posteriores.


19

2.1 Fundamentos de transferencia de calor

El calor es energía en tránsito que no es considerada trabajo, y

específicamente, es aquella energía que se manifiesta debido a una diferencia

de temperatura. Así pues, la transferencia de calor es un fenómeno que ocurre

cuando existe una diferencia de temperatura entre dos sistemas o un sistema y

sus alrededores. Existen principalmente tres maneras en las que puede

transferirse el calor: conducción, convección y radiación.

2.1.1 Conducción

La conducción es un tipo de transferencia de calor que consiste en el

movimiento acelerado de átomos y moléculas de distintas temperaturas dentro

de un mismo elemento. La ley de Fourier define el fenómeno de transferencia de

calor por conducción,

𝑞𝑥′′ = −𝜆

𝑑𝑇

𝑑𝑥 (2.1)

en donde 𝑞𝑥′′ es el flujo de calor por conducción por unidad de área (Wm-2 °C-1),

𝜆 es la conductividad térmica del material (Wm-1 °C-1), 𝑑𝑇/𝑑𝑥 es la variación de

temperatura (°C) en la dirección 𝑥 (m), en donde el signo negativo se agrega

debido a que la transferencia de calor se da en sentido opuesto al gradiente de

temperatura. Si se considera una distribución de temperatura lineal,

𝑞𝑥′′ = −𝜆

𝑇2−𝑇1

𝐿 (2.2)

en donde 𝑇2 −𝑇1 representa el diferencial de temperatura (∆𝑇) entre dos puntos

y 𝐿 es la distancia perpendicular al área de transferencia [1].


20

2.1.2 Convección

La transferencia de calor por convección se manifiesta debido a la

diferencia de temperatura que hay entre una superficie y un fluido que se

encuentra en contacto con él. Este tipo de transferencia de calor se puede

manifestar de manera natural o de manera forzada. La convección natural es

aquella en donde las moléculas del fluido se mueven debido a diferencias de

densidad, mientras que la convección forzada ocurre cuando se utilizan

elementos externos para empujar dicho fluido. Para cualquiera de estos casos,

la ley de enfriamiento de Newton plantea un modelo que sirve para determinar la

transferencia de calor por convección que hay desde el fluido hacia la superficie

o viceversa,

𝑞′′ = ℎ(𝑇𝑠 −𝑇𝑎) (2.3)

en donde 𝑞′′ es el flujo de calor por convección (Wm-2), (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎) representa la

diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido circundante (°C) y ℎ es el

coeficiente de transferencia de calor por convección, también llamado coeficiente

convectivo (Wm-2 °C-1). El signo resultante se considera positivo cuando el calor

proviene desde la superficie y se considera negativo cuando el calor se dirige

hacia la superficie [1].

2.1.3 Radiación

La radiación es la energía que emite un cuerpo debido a su temperatura .

Ésta se transmite por ondas electromagnéticas, de manera que no necesita un

cuerpo o fluido como medio de transmisión. Para definirla se utiliza el modelo

planteado en la ley de Stefan-Boltzmann para un cuerpo negro,


21

𝐸𝑏 = 𝜎𝑇𝑠4 (2.4)

en donde 𝐸𝑏 es la potencia emisiva superficial (Wm-2), 𝜎 es la constante de

Stefan-Boltzmann (σ = 5.76 x 10-8 Wm-2 K-4) y 𝑇𝑠 es la temperatura de la superficie

del elemento (K). Debido a que ningún cuerpo actúa como un radiador ideal, la

Ec. 2.4 debe modificarse,

𝐸 = 𝜀𝜎𝑇𝑠4 (2.5)

en donde 𝜀 es la emisividad [1].

Radiación solar

Debido a la alta temperatura del Sol (alrededor de 6000 K) [2], éste es

capaz de emitir energía en un amplio espectro de ondas electromagnéticas que

va en su mayoría desde los 250 nm hasta los 3000 nm. Además, a la radiación

solar se le puede dividir en dos dependiendo de la dirección con la que incide

sobre una superficie: irradiancia solar directa e irradiancia solar difusa. La primera

es aquella en donde la radiación solar incide sobre una superficie sin haber sido

reflejada por ningún objeto. La segunda ocurre cuando la radiación solar rebota

en uno o más objetos antes de incidir sobre una superficie.

2.2 Parámetros característicos

Para realizar un estudio detallado de las características térmicas y ópticas

que posee un elemento, es necesario cuantificar sus propiedades utilizando

distintos parámetros que proporcionen información precisa y suficiente. Además,

estos parámetros deben ser obtenidos y comparados con las normas existentes

a nivel nacional e internacional para garantizar su veracidad.


22

2.2.1 Parámetros térmicos

El coeficiente de transferencia de calor por convección (h) o coeficiente

convectivo, se expresa en el sistema internacional con Wm-2 °C-1 y es el

parámetro fundamental por determinar para hacer cálculos de transferencia de

calor por convección utilizando la ley de enfriamiento de Newton. Este coeficiente

está en función de distintos factores como la geometría de la superficie o las

características cinéticas del fluido [1].

La conductividad térmica (λ) representa la afinidad que tiene un material

para transmitir el calor entre sus moléculas. En el sistema internacional se

expresa con Wm-1 °C-1 [1]

La emisividad (ε) es una propiedad que refleja la eficiencia (número

adimensional que va de 0 a 1) que tiene un cuerpo para absorber y emitir

radiación en comparación con la de un cuerpo negro [1].

El Coeficiente Global de Transferencia de Calor (U) es un parámetro

térmico que puede definirse como el inverso de la resistencia térmica total de un

elemento,

𝑈 =1

𝑅𝑇 (2.6)

en donde 𝑅𝑇 es la suma de las resistencias por conducción y convección que

presenta el material,

𝑅𝑇 =1

ℎ𝑖𝑛𝑡+

𝐿

𝜆+

1

ℎ𝑒𝑥𝑡 (2.7)


23

en donde ℎ𝑖𝑛𝑡 y ℎ𝑒𝑥𝑡 son los coeficientes convectivos al interior y al exterior,

respectivamente [3].

El Coeficiente de Ganancia de Calor Solar (CGCS) es un parámetro

derivado de la radiación solar incidente (irradiancia). El CGCS representa la

razón entre la irradiancia en un material y la radiación que logra atravesarlo, su

valor puede ir desde 0 hasta 1, además, este parámetro involucra parámetros

ópticos como lo son la absortancia, la transmitancia y la reflectancia. Por otra

parte, el cálculo experimental puede realizarse considerando parámetros

térmicos, de acuerdo con [4],

𝐶𝐺𝐶𝑆 =𝑞𝑀−𝐴𝑀 ∙𝑈𝑀(∆𝑇𝑖𝑛𝑡−𝑒𝑥𝑡)

𝐴𝑀 ∙𝐼𝑆 (2.8)

donde 𝑞𝑀 representa el flujo de calor que atraviesa el objeto de estudio, 𝐴𝑀 es el

área del mismo, 𝑈𝑀 es el coeficiente global de transferencia de calor del objeto

de estudio, 𝐼𝑆 es la irradiancia solar y ∆𝑇𝑖𝑛𝑡−𝑒𝑥𝑡 es la diferencia de temperatura

entre la temperatura del ambiente y la temperatura del interior de la CC.

2.2.2 Parámetros ópticos

Los parámetros ópticos son el resultado de la interacción entre la radiación

solar incidente y el material donde incide, específicamente dentro del espectro de

radiación solar visible, es decir, de los 380 a 830 nm. Bajo este concepto, los

parámetros ópticos a considerar son la absortancia (𝛼), la transmitancia (𝜏) y la

reflectancia (𝛾). Estos tres parámetros se representan con un número

adimensional que va de 0 a 1, de manera que,

𝛼 + 𝜏 + 𝛾 = 1 (2.9)


24

La absortancia es un parámetro que se define como la capacidad que tiene

un material para absorber una fracción del haz de luz incidente sobre el mismo.

La transmitancia es la capacidad que tiene un material para que la luz lo

atraviese, lo cual generalmente ocurre con mayor facilidad en materiales

traslúcidos. Por último, la reflectancia es un parámetro que depende de las

características de la superficie donde incide el haz de luz y se define como la

capacidad que tiene un material para reflejar dicho haz de luz. La reflectancia

puede ser especular, difusa o una combinación entre ambas [3].

2.3 Técnicas de calorimetría solar

Para poder definir las características térmicas y ópticas de muestras de

vidrio, existen dos técnicas de caracterización, la teórica y la experimental. A su

vez, experimentalmente la muestra puede ser analizada dependiendo de si tiene

o no una composición o superficie homogénea.

Al referirnos a la medición del flujo de calor y el uso de técnicas de

caracterización experimental, nos podemos referir en concreto a las técnicas de

calorimetría, es decir, de medición de calor. Existen tres distintas técnicas, la

calorimetría de flujo, la calorimetría de equivalencia de energía y la calorimetría

con materiales de referencia.

En general, la calorimetría de flujo se basa en la medición de diferencia de

temperatura de un fluido de trabajo en distintos puntos del sistema; por otra parte,

la calorimetría de equivalencia de energía se trata de ingresar a un sistema

cerrado una cantidad de energía calorífica conocida con el fin de medir cuánta se

transfiere de un punto a otro utilizando la primera ley de la termodinámica; y por

último la calorimetría con materiales de referencia, que consiste en utilizar un

material de propiedades conocidas en contacto con otro de propiedades

desconocidas y medir las variaciones que tengan lugar en el material de

referencia.


25

A su vez, las técnicas de calorimetría pueden realizarse al interior o al

exterior, dependiendo de qué fuente calorífica se utilice. La medición al interior

se refiere por lo general a simular las ondas electromagnéticas emitidas por el

sol, es decir, el espectro de radiación solar. En sentido opuesto, la medición al

exterior hace alusión a utilizar al sol como fuente calorífica. [5].

Al referirnos a la medición al exterior existen diferentes métodos, como lo

son las celdas PASLINK y los calorímetros solares. Es importante mencionar que

estos dos métodos de medición cuentan, sobre todo, con sistemas internos que

trabajan mediante técnicas de calorimetría de flujo y calorimetría con materiales

de referencia. Las celdas de prueba PASLINK surgieron debido al programa

europeo llamado PASSYS (Passive Solar Components and Systems Testings).

Su objetivo fue implementarlas en distintos puntos de la unión europea para

formar una red de pruebas y análisis de métodos con el fin de caracterizar

materiales en condiciones reales y diversas. Estas celdas de prueba son cuartos

de tamaño real con condiciones controladas y sin efectos de ocupación [6–8].

Sin embargo, la celda de prueba PASLINK tiene la desventaja de que al ser

tan grande (Figura 2.1a) debe utilizar en sus paredes sensores térmicos

representativos de áreas determinadas, lo cual puede disminuir la precisión de

las mediciones. Además, debido al tamaño de la celda, las pruebas

experimentales pueden prolongarse varios días. Por otro lado, un calorímetro

solar (Figura 2.1b) se puede dimensionar de acuerdo a las necesidades y tamaño

de la muestra a utilizar. Además, esta versatilidad en su diseño permite construir

dispositivos más pequeños que una celda PASLINK, por lo que es posible colocar

sensores sobre toda su superficie interna, resultando de esta manera en

mediciones más precisas. Actualmente, existen calorímetros desarrollados en

varias partes del mundo y se han realizado proyectos de interés para caracterizar

distintos tipos de sistemas vidriados [9–12]. Sin embargo, cada dispositivo es

único y no existe una estandarización para el diseño de estos equipos.


26

(a) (b)

Figura 2.1 Prototipos para caracterización térmica de vidrio: (a) Celda PASLINK [8] y (b) calorímetros solares [12].

Por las razones aquí mencionadas, en este proyecto se trabajará con un

calorímetro solar para caracterizar muestras de vidrio, ambos elementos

desarrollados en la UJAT-DAIA.

2.4 Estimación de incertidumbre

Con el fin de considerar y monitorear la incertidumbre de medición en este

proyecto se contempla el uso del método de propagación de incertidumbre de

acuerdo con los lineamientos del Centro Nacional de Metrología (CENAM). Se

utilizó la evaluación de tipo A, la cual está basada en un análisis estadístico de

una serie de mediciones. Este tipo de evaluación requiere condiciones de

repetitividad, ya que se estima con base a la dispersión de los resultados

individuales. Por esta razón, en una evaluación experimental se requieren los

valores de error que el prototipo pueda presentar, así como la desviación

estándar por duplicado (95% de confianza), para encontrar la incertidumbre total

del aparato.


27

2.5 Normatividad

Existen diferentes normas que pueden utilizarse al desarrollar un proyecto

relacionado con la transferencia de calor, específicamente con el uso de un

calorímetro solar para caracterizar muestras de vidrio. Para este fin, las normas

utilizadas pueden ser nacionales (NOM), extranjeras (NFRC) o internacionales

(ISO). Para realizar este proyecto se consideraron principalmente las normas

NOM-024-ENER-2012 [13], NFRC 201-2014 [14], ASTM E 230-03 [15] e ISO

10292-1994 [16].

La NOM-024-ENER-2012 se llama “Características térmicas y ópticas del

vidrio y sistemas vidriados para edificaciones”, la cual expresa el comportamiento

de la radiación solar al tener contacto con el vidrio, así como procedimientos para

calcular distintos parámetros térmicos y ópticos.

La norma NFRC 201-2014 se llama “Procedure for Interim Standard Test

Method for Measuring the Solar Heat Gain Coefficient of Fenestration Systems

Using Calorimetry Hot Box Methods”, la cual muestra terminología y

procedimientos y diseños recomendados para la calibración y construcción de

una caja calorimétrica.

La norma ASTM E 230-03 se llama “Standard Specification and

Temperature-Electromotive Force (EMF) Tables for Standardized

Thermocouples”, la cual contiene tablas para convertir la FEM en temperatura y

viceversa, para distintos tipos de termopares.

La norma ISO 10292-1994 se llama “Glass in building – Calculation of

steady-state U-values (thermal transmittance) of multiple glazing”, el cual

contiene un procedimiento para calcular el U bajo un estado estacionario.


28


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Cuarta Edición (1999) 1–902.

[2] J.A. Duffie, W.A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes Solar

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of Glazings, Journal Enhanced Heat Transfer, 20 (2013) 499–509.

[5] E.V Macías-Melo, Evaluación Térmica Transitoria de Componentes de

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[6] P.H. Baker, H.A.L. van Dijk, PASLINK and dynamic outdoor testing of


[7] P.H. Baker, Evaluation of round-robin testing using the PASLINK test

facilities, Building and Environment, 43 (2008) 181–188.

[8] P.A. Strachan, L. Vandaele, Case studies of outdoor testing and analysis of





[10] S.J. Harrison, M.R. Collins, Queen’s University solar calorimeter - Design,

calibration and procedure, Edmonton, Canada, (1999) 1–6.

[11] D.B. Tait, Solar heat gain coefficients for high-mass glazing blocks,

ASHRAE Transactions, 112 Part 2 (2006) 142–150.

[12] D.B. Tait, Solar heat gain coefficient measurements for glazings with indoor

window attachment products, ASHRAE Transactions, 112 Part 2 (2006)

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29

[13] Secretaría de Energía, NOM-024-ENER-2012, Características térmicas y

ópticas del vidrio y sistemas vidriados para edificaciones, (2012) 1–28.





[15] ASTM International, Standard Specification and Temperature -

Electromotive Force (EMF) Tables for Standardized Thermocouples, ASTM

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[16] ISO 10292-1994 (E): Glass in building - Calculation of steady-state U-

values (thermal transmittance) of multiple glazing, International

Organization for Standardization, Geneva, Switzerland, 1–8.

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, INSTRUMENTACIÓN Y P. EXPERIMENTAL CAPÍTULO III

30

Capítulo III

Diseño, construcción, instrumentación y

procedimiento experimental

En este capítulo se presentan consideraciones y especificaciones para el

diseño, la construcción e instrumentación del prototipo experimental, así como la

verificación de su funcionamiento.


31

3.1 Diseño, construcción e instrumentación

El diseño del calorímetro solar se realizó mediante una metodología por

abstracción, en la cual se consideró los parámetros críticos de la muestra (CGCS

y U) y se evaluaron las alternativas funcionales para satisfacer los requerimientos

de diseño. Además, se consideraron algunos aspectos de NFRC-201-2014 [1]

para la construcción e instrumentación. El calorímetro solar consta de tres

secciones principales: la Caja Calorimétrica (CC), el Medidor de Coeficiente

Convectivo y la Base con Sistema de Seguimiento Solar.

3.1.1 Caja calorimétrica

Al realizar pruebas experimentales con un calorímetro solar, la muestra de

estudio debe estar expuesta a la radiación solar, preferentemente con incidencia

normal, de manera que los parámetros determinados después de realizar todo el

experimento sean valorados bajo la mayor exposición de irradiancia solar posible

en la ubicación geográfica donde se realiza el estudio. Al mismo tiempo, el diseño

debe considerar el tamaño de la muestra que puede soportar el aparato de

medición, debido a que eso condiciona el tamaño y la configuración de la

instrumentación requerida para realizar el experimento. Además, para lograr

cuantificar el flujo de calor a través de una muestra determinada, es necesario

diseñar un aparato cerrado, el cual sea capaz de minimizar y a la vez cuantificar

las pérdidas de energía a través de sus fronteras. Por esta razón, el diseño

también debe considerar las características físicas y funcionales de los aparatos

y sensores utilizados, tanto para fijar las condiciones experimentales requeridas

como para realizar las mediciones correspondientes. En la Figura 3.1a puede

apreciarse el modelo físico de una CC, en donde 𝑞𝑜𝑢𝑡 representa las

ganancias/pérdidas de calor a través de las paredes, I representa la irradiancia

solar, Tint y Text son las temperaturas interior y exterior, respectivamente. A su

vez, en la Figura 3.1b pueden apreciarse los mecanismos de transferencia de

calor que ocurren cuando la muestra es expuesta al sol. Parte de la irradiancia


32

recibida por la muestra es reflejada (Iρ) hacia el exterior, otra parte es absorbida

Iα y el resto se transmite (Iτ) a través de la muestra hacia el interior de la CC.

Además, una parte de Iα se transfiere hacia el interior y otra parte hacia el exterior

de la CC a través de convección y radiación térmica (qcr-e y qcr-i) en función de los

coeficientes convectivos (hint y hext) y la emisividad de la muestra (ε).

Considerando los requerimientos de diseño anteriormente mencionados,

la CC fue dividida en dos secciones principales para su diseño y construcción: la

carcasa y la placa absorbedora.

Carcasa

La carcasa fue diseñada con el fin de aislar térmicamente el sistema de

estudio y cuantificar el flujo de calor a través de sus fronteras. Para lograr esto,

se consideró utilizar tres capas para formar cada pared de la CC: una capa

exterior, una capa intermedia y una capa interior.

La capa exterior debía satisfacer seis aspectos fundamentales: (1) ser un

material resistente para proteger la instrumentación utilizada, (2) contar con el

tamaño necesario para el análisis de las muestras a utilizar y al mismo tiempo

permitir una distribución adecuada de la instrumentación requerida, (3) tener una

(a)

(b)

Figura 3.1 Distribución de flujos de calor: (a) a través de la CC y (b) a través de la muestra.


33

baja conductividad térmica para minimizar la transferencia de calor a través de

cada pared, (4) ser de alta reflectancia para maximizar la reflexión de la

irradiancia solar sobre cualquier superficie que no fuese la muestra de estudio,

(5) contar con soportes para montar la CC al sistema de seguimiento solar y (6)

contar con algún mecanismo para fijar la tapa al resto de la CC. Para visualizar

el diseño, se realizó el modelado de la CC en el software AutoCAD, considerando

los requerimientos antes mencionados, como se muestra en la Figura 3.2.

(a) (b) (c)

Figura 3.2 Diseño de la capa exterior: (a) vista superior sin tapa, (b) vista lateral sin tapa y (c) vista superior con tapa.

Una vez evaluado el diseño, se definieron los elementos a construir, así

como sus dimensiones y los materiales a utilizar. Las paredes exteriores fueron

construidas con placas y ángulos de aluminio de 0.3175 cm de espesor, los

ángulos se utilizaron de tal manera que cada placa quedara reforzada en sus

bordes. Se utilizó aluminio porque, a pesar de su conductividad térmica (), es un

material sólido, resistente y de fácil mantenimiento, además de tener una

reflectancia alta de 0.9. En la Figura 3.3 se muestran la capa exterior de la CC ya

construida, también puede apreciarse que se asignaron nombres a cada una de

las paredes, con los cuales nos referiremos a ellas en las secciones posteriores.


34

Dos tubos de aluminio con un diámetro interior de 1.8 cm y una longitud

de 5 cm fueron fijados sobre el exterior de las paredes A y B para fungir de

soporte para el seguimiento solar del ángulo de inclinación.

La Pared F fue fijada a la CC usando cuatro broches equidistantemente

distribuidos (Figura 3.4), además la pared fue recubierta con una placa de

aluminio reflectivo Miro-Sun weatherproof Alanod de 0.05 cm de espesor y con

90% de reflectancia total para reducir la absorción de energía solar. Por último,

una parte de la Pared F fue removida para formar una cavidad para la muestra,

con una dimensión de 15 × 15 cm.

(a) (b) (c)

Figura 3.3 Capa exterior construida: (a) vista superior sin la Pared F, (b) vista lateral sin la Pared F y (c) vista superior con la Pared F.

Figura 3.4 Vista frontal del tipo de broches utilizados.


35

La capa intermedia tenía como objetivo aislar térmicamente el interior de

la CC, de manera que se pueda minimizar la transferencia de calor hacia el

exterior. Para lograr esto, se necesitaba un material con baja . Debido a sus

propiedades térmicas e impermeabilidad, el material seleccionado fue el

poliestireno extruido (Foamular®) con de 0.0288 Wm-1 °C-1 a 24°C. Se

utilizaron dos espesores distintos de acuerdo con las necesidades de

instrumentación: 2.54 cm (paredes C y D) y 5.08 cm (paredes A y B), como se

muestra en la Figura 3.5.

Figura 3.5 Vista de las capas exterior e intermedia.

El prototipo requería ser capaz de cuantificar las ganancias/pérdidas de

calor que se presentaran durante el experimento para realizar un balance de la

energía que ingresara o saliera de la CC. Por esta razón, la capa interior requería

contar con las siguientes características: (1) tener sensores de flujo de calor, (2)

utilizar un material delgado para disminuir el tiempo de respuesta de las

mediciones y (3) ser impermeable. En la Figura 3.6 se muestra el diseño de las

tres capas montadas al mismo tiempo.


36

Después de analizar las necesidades para construir esta capa, se decidió

utilizar placas de acrílico de 3 mm de espesor, ya que es transparente,

impermeable, resistente, de fácil mantenimiento y montaje. Se implementó una

termopila conectada en serie a través de cada placa de acrílico, la cual utilizó un

promedio de 26 puntos de termopar uniformemente distribuidos en una superficie

de 645 cm2. En la Figura 3.7 se muestra el modelo físico de tres de los seis

transductores de flujo de calor manufacturados.

Finalmente, en la Figura 3.8 se muestran las tres capas de la CC

combinadas. Cabe destacar que la Pared F no cuenta con aislamiento debido a

la necesidad de una superficie lisa junto con la muestra para un flujo de aire

homogéneo.

(a) (b)

Figura 3.6 Diseño de las tres capas de la CC: (a) paredes A, B, C, D, E y (b) Pared F.


37

(a)

(b)

(c)

Figura 3.7 Transductores de flujo de calor: (a) Pared A, (b) Pared C y (c) Pared E.

(a) (b)

Figura 3.8 Las tres capas que conforman la carcasa: (a) paredes A, B, C, D, E y (b) Pared F con cavidad para la muestra.


38

Placa absorbedora

Para cuantificar con precisión la energía que atraviesa la muestra, es de

particular importancia evitar que la energía se refleje en el interior de la CC y

vuelva a salir por la muestra sin ser cuantificada. Por esta razón se diseñó una

placa que es capaz de absorber la energía después de que ésta atraviesa la

muestra de estudio y así minimizar las pérdidas por reflexión. En la Figura 3.9 se

muestra el diseño de la placa absorbedora utilizada en este proyecto.

(a) (b)

Figura 3.9 Diseño de la placa absorbedora: (a) tubería de cobre y (b) tubería con aluminio entrelazado, ambos pintados de negro mate.

La placa absorbedora (Figura 3.10) fue construida con una dimensión de

900 cm2, fue pintada de color negro mate (α= 0.94) para mejorar la absorción de

calor y consta de dos partes: (1) una tubería de cobre de 2.54 cm de diámetro en

forma de serpentín y (2) una placa de aluminio entrelazada entre la tubería para

aumentar el área de absorción.

(a) (b) (c)

Figura 3.10 Placa absorbedora: (a) s in placa de aluminio y sin pintura, (b) con placa de aluminio y (c) con placa de aluminio y pintura.


39

Al mismo tiempo, en la Pared E se realizaron cuatro perforaciones en

donde se fijaron soportes de acrílico de 2.54 cm de diámetro, los cuales fueron

diseñados para montar firmemente la placa absorbedora a la CC. Además, con

el fin de preparar el sistema para otros proyectos en donde se requiera utilizar

calorimetría de flujo, se implementaron cuatro piezas de Nylamid para realizar la

conexión de entrada/salida del fluido de trabajo, cada una compuesta de una

brida y una espiga. En la Figura 3.11 se muestra uno de los soportes de acrílico

y dos de las cuatro piezas de Nylamid anteriormente mencionadas.

(a) (b) (c) (d)

Figura 3.11 Soporte y brida-espiga: (a) soporte de acrílico, (b) pieza interior, (c) pieza exterior y (d) piezas conectadas.

Para la medición de la diferencia de temperatura entre la entrada y la

salida del fluido, se instaló una termopila diferencial de 8 puntas manufacturada

con termopares tipo T. Se diseñó e implementó un empaque para el sistema de

bridas, con el fin de proteger la termopila, distribuirla uniformemente y prevenir

fugas (Figura 3.12). Como puede apreciarse en la Figura 3.12b, las espigas de

las piezas exteriores fueron modificadas. Se les insertaron piezas de cobre de

tipo niple-espiga con el fin de mejorar su rigidez, conectividad y disminuir el riesgo

de posibles fugas.


40

(a) (b) (c)

Figura 3.12 Sistema de conexión del fluido de trabajo: (a) vista interna, (b) vista externa y (c) distribución de termopila.

En la Figura 3.13 se muestra la configuración interna de la CC, donde se

pueden observar los soportes de acrílico montados en la Pared E, las puntas de

las espigas interiores para la entrada/salida del fluido de trabajo y la placa

absorbedora montada sobre los soportes y conectada a las espigas.

3.1.2 Medidor de coeficiente convectivo

Considerando el diseño propuesto en NFRC 201-2014 [1], se construyó

un dispositivo para determinar el coeficiente convectivo entre la muestra y el aire

del medio ambiente, el cual puede ser utilizado para determinar los parámetros

térmicos característicos de una muestra. En la Figura 3.14 se muestra el medidor

de coeficiente convectivo construido para este proyecto, el cual se conformó de:

(1) una capa de acero galvanizado pintada en una de sus caras de color negro

mate para incrementar su absortancia y de dimensiones 15 × 15 × 0.2 cm, (2)

una capa de aislante de dimensiones 17 × 17 × 2.54 cm, (3) un sensor de

temperatura PT100 entre ambas capas, (4) un transductor de flujo de calor entre

el aislante y (5) un transductor de flujo de calor debajo de la capa de acero

galvanizado. Se utilizó una base con ángulos de aluminio para fijar el medidor de

coeficiente convectivo a la CC.


41

(a)

(b)

Figura 3.13 Interior de la CC: (a) soportes de acrílico y espigas interiores y (b) placa absorbedora montada y conectada.


42

(a) (b) (c) (d)

Figura 3.14 Componentes del medidor de coeficiente convectivo: (a) transductor en aislante, (b) transductor detrás del acero, (c) soporte con ángulos y (d) vista superior.

3.1.3 Base con sistema de seguimiento solar

Se diseñó un sistema de seguimiento solar manual que permite fijar la CC

en el ángulo cenital y azimutal requeridos para que la muestra reciba una

irradiancia solar con ángulo normal. Se realizó un diseño compuesto por una base

y dos mecanismos que permita el seguimiento solar, así como un mecanismo

que permita monitorear ambos ángulos, como se muestra en las Figuras 3.15 y

3.16. El sistema de seguimiento solar fue diseñado y construido en colaboración

con Pérez-Arias [2].

Figura 3.15 Diseño del sistema de seguimiento solar y su base.


43

La base y el sistema de seguimiento solar se construyeron de PTR de

acero de 5.08 cm. Además, se colocaron cuatro ruedas que soportan 145.15 kg

cada una, para brindar soporte y movilidad a la CC. En la Figura 3.16 se muestra

una fotografía del sistema de seguimiento solar sin la CC montada.

(a) (b)

Figura 3.16 Sistema de seguimiento solar: (a) base con seguimiento del ángulo cenital montado y (b) seguimiento del ángulo azimutal montado.

Se implementó un sistema de monitoreo para ambos ángulos mediante un

mecanismo de sombreado conectado al eje en el que fue montada la CC, de

manera que se pudiera ajustar el ángulo de la CC y mantener la muestra con

irradiancia normal, como se aprecia en la Figura 3.17.


44

(a) (b)

Figura 3.17 Sistema de monitoreo de ángulos : (a) vista inferior y (b) vista superior.

3.1.4 Instrumentación

En la Figura 3.18 se muestra en un esquema el diseño los sensores y

dispositivos utilizados en el calorímetro solar. Las termopilas de los transductores

de flujo de calor fueron construidas utilizando termopares tipo T con una

incertidumbre de ±0.5°C. Fue utilizado un ventilador tangencial de corriente

directa modelo QG030-353/14 para mantener un flujo de aire homogéneo en el

interior del sistema. Se utilizó una fuente de poder EXTECH modelo 382270a

para proveer de energía al ventilador tangencial. Tres sensores RTD (PT100

clase B) con incertidumbre de ±0.3°C fueron utilizados para medir la temperatura

en tres ubicaciones: (1) la superficie negra del medidor de coeficiente convectivo ,

(2) el interior de la CC y (3) la temperatura ambiente. Para medir la irradiancia

solar sobre la muestra fue utilizado un piranómetro de primera clase con una

incertidumbre de ±20 Wm-2.

Además, fue utilizado un sistema de adquisición de datos modelo Keysight

34972a, el cual se conectó a una computadora para obtener los datos y

procesarlos utilizando el software Benchlink Data Logger.


45

Pruebas de verificación y calibración del ventilador

El ventilador es una parte esencial de la CC ya que permite mantener una

velocidad de aire homogénea en el interior del mismo, específicamente en la

pared interna de la muestra, por lo que definir su ubicación es de suma

importancia.

Figura 3.18 Esquema de la instrumentación del calorímetro solar.

En la Figura 3.19 se presenta un diagrama de flujo donde se describe la

metodología utilizada para determinar la ubicación más adecuada del ventilador

dentro de la CC. Como se puede observar, la metodología consta de cinco pasos

principales. En el Paso 1 se modela en 2D la primera ubicación del ventilador

considerando las medidas mostradas en la Tabla 3.1. En el Paso 2 y 3 se procede

al mallado del modelo y al establecimiento de las condiciones de frontera, estos

pasos representan un ajuste general sobre la precisión del análisis y las


46

características físicas de la configuración. En el Paso 4 se procede a la

simulación en el software FLUENT, en donde se introducen y ajustan todos los

parámetros físicos y térmicos considerados, así como, las especificaciones para

realizar la evaluación. El proceso se repite del Paso 1 al 4 para la segunda

ubicación del ventilador. Una vez que se han obtenido los resultados de ambas

simulaciones en 2D, se selecciona la más adecuada de acuerdo a la distribución

del flujo de aire en el interior de la CC (Paso 5).

Figura 3.19 Diagrama de flujo del proceso de simulación en 2D para determinar la ubicación del ventilador.

Tabla 3.1 Dimensiones en 2D y 3D de los componentes del calorímetro solar.

Elemento de la CC Dimensiones en 2D (cm)

Dimensiones en 3D (cm)

Eje “x” Eje “y” Eje “z”

Paredes del equipo 29 15 29 Placa absorbedora 23 1.5 29

Ventilador tangencial 5 5 29 Muestra de vidrio 15 - 15


47

En la Figura 3.20 se presentan la Configuración 1 y 2 propuestas para la

ubicación del ventilador, las cuales fueron evaluados con la metodología antes

descrita.

Configuración 1 Configuración 2

Figura 3.20 Esquema de las dos configuraciones consideradas.

En la Figura 3.21 se presenta el comportamiento de la velocidad del aire

en las dos configuraciones, obtenido mediante Dinámica de Fluido

Computacional (CFD).

Para la Configuración 1 se puede apreciar en la zona de interés, es decir,

en donde se encuentra la muestra de vidrio, la velocidad del aire presentó una

variación entre 0.8 ms-1 y 1.9 ms-1. En la Configuración 2 se presentó una

velocidad del aire homogénea en el área de interés, presentando un promedio de

1.3 ms-1. Debido a estos resultados, se seleccionó la Configuración 2 para llevar

a cabo la verificación del comportamiento del aire en una simulación en 3D.

En la Figura 3.22 se puede apreciar el modelo de la Configuración 2

realizado en 3D, en donde se muestra la zona de succión (rojo) y expulsión (azul)

del ventilador tangencial. Además, este diseño considera las dimensiones de la

Tabla 3.1, tiene la malla aplicada y un espaciado entre nodos de 0.3 cm. En la

figura 3.23 se presenta el resultado de la simulación en 3D para la distribución

de velocidad de aire en el interior de la CC para la configuración seleccionada.

MUESTRA DE VIDRIO

VENTILADOR TANGENCIAL

PLACA ABSORBEDORA

SUCCIÓN DE AIRE

SALIDA DE AIRE


48

Configuración 1 Configuración 2

Figura 3.21 Distribución de la velocidad del aire para las cuatro configuraciones.

Figura 3.22 Esquema en 3D de la configuración seleccionada.

Figura 3.23 Distribución de velocidad del aire en 3D para la configuración seleccionada.


49

Como se puede observar en la Figura 3.23, las velocidades máximas

obtenidas en el volumen de interés fueron aproximadamente de 1.5 ms-1,

mientras que las velocidades mínimas fueron aproximadamente de 1 ms-1,

promediando así 1.3 ms-1, lo cual es similar a los valores obtenidos para la misma

configuración modelada en 2D. Por esta razón, se puede concluir que la

simulación en 2D es representativa de una simulación en 3D para este caso de

estudio. Los detalles de la modelación de las configuraciones se reportan con

detalle en el trabajo presentado en la 18 Convención Científica de Ingeniería y

Arquitectura [3] que se llevó a cabo en La Habana, Cuba, ver Anexo I.

Una vez seleccionada la más adecuada ubicación, se colocó el ventilador

dentro de la CC, como se muestra en la Figura 3.13a. Posteriormente, se realizó

la verificación y calibración del mismo, el cual funciona en un rango de voltajes

de 8 a 28 V e impulsa el aire por una sección que mide 35 cm. Además, se elaboró

una pieza de Foamular® con forma de cubo de 15 × 15 × 7.5 cm, la cual fue

colocada en el lugar de la muestra para sellar la CC, evitando así un flujo de aire

hacia el exterior. Esta pieza fue perforada en cuatro lugares distintos para

introducir la sonda de un anemómetro, con el fin de medir la velocidad del aire

dentro de la CC. Los puntos en donde se llevaron a cabo las mediciones fueron

enumerados y se muestran en la Figura 3.24. Además, estas pruebas se

realizaron con distintos voltajes (8, 12, 16, 20 y 24 V) con el fin de verificar la

homogeneidad y la velocidad del flujo del aire.

En la Figura 3.25 se aprecia cómo se llevó a cabo el experimento, en la

Tabla 3.2 se muestran los resultados y en la Figura 3.26 se muestra la gráfica de

comportamiento de la velocidad del aire respecto a la posición del ventilador para

cada voltaje utilizado.


50

Figura 3.24 Ubicación de puntos en donde se llevó a cabo la medición de velocidad del aire.

(a) (b) Figura 3.25 Calibración del ventilador tangencial: (a) conexión a la fuente de poder y (b) medición de

velocidad del aire con sonda de anemómetro.


51

Tabla 3.2 Resultados de la medición de velocidad del aire en el interior de la CC.

Voltaje (V)

8 12 16 20 24 Posición Velocidad del aire (ms-1)

1 0.9 1.4 1.9 2.3 3.3 2 1 1.6 2.3 2.6 3.3

3 1.3 2.2 2.7 3.2 3.5 4 1.1 2 2.6 3.1 4.2

5 1.4 2.4 3 3.4 3.4 6 1 1.9 2.5 2.9 3.2

7 1.1 1.9 2.6 3.1 4.5 8 1.6 2.6 3.3 3.8 4.4

9 1.3 2.5 3.2 3.7 5 10 1.6 3.1 3.9 4.5 4.8

11 1.4 2.4 3 3.5 3.8

12 1.6 2.9 3.6 4.3 4.4 13 1.5 3 3.6 4.4 4.4

Promedio 1.3 2.3 2.94 3.45 4

Figura 3.26 Comportamiento de la velocidad del aire vs voltaje suministrado al ventilado r.

Considerando los resultados obtenidos, se decidió manejar un voltaje de

9 V para mantener una velocidad promedio aproximada de 1.5 ms-1, lo cual se

encuentra dentro del rango de confort para el ser humano [4].

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

1 2 3 4 5

Ve

loci

dad

de

l air

e m

/s

Voltaje (V)


52

En la Figura 3.27 se muestra el calorímetro solar construido con la

instrumentación y equipos de medición presentados en este capítulo. La

fotografía corresponde a una de las pruebas experimentales al exterior, la cual

se realizó en el estacionamiento del Laboratorio de Hidráulica de la DAIA.

Figura 3.27 Calorímetro solar durante una prueba experimental.

3.2 Procedimiento experimental

Esta sección contiene información sobre la calibración del calorímetro

solar, así como el proceso de determinación del U y CGCS de las muestras de

vidrio. Durante las pruebas experimentales, el ventilador tangencial suministro

una velocidad de aire promedio de 1.5 ms-1 (0.81 W), con el objetivo de mantener

coeficientes convectivos homogéneos en la superficie interna de la muestra.


53

Calibración

Las pruebas de calibración fueron realizadas bajos condiciones de

ambiente interior, en este caso, dentro del Taller de forja y soldadura de la DAIA.

Para realizar estas pruebas, se utilizó un transductor de flujo de calor, el cual fue

manufacturado con acrílico y termopares (Figura 3.28), de la misma manera que

la capa interna que compone las paredes de la CC. A su vez, tanto la Pared F

como la Pared M fueron aisladas térmicamente con poliestireno extruido de

dimensiones 50 × 50 × 5.08 cm, como se muestra en la Figura 3.29. Por otra

parte, se utilizó una resistencia eléctrica (2.647 m-1) con 248 cm de longitud, la

cual fue introducida a la CC para amplificar el flujo de calor a través de las

paredes debido al aumento de la temperatura interior, de manera que la

diferencia de temperatura entre el interior y el exterior fuese mayor que la

incertidumbre de las termopilas.

Figura 3.28 Transductor de flujo de calor montado en la cavidad para la muestra.

La calibración consistió en realizar dos pruebas (Prueba 1-C y Prueba 2-

C), ambas se realizaron bajo las mismas condiciones experimentales, excepto

por la potencia suministrada a la resistencia eléctrica.


54

Figura 3.29 Aislamiento de Pared F al realizar las pruebas de calibración.

En la Prueba 1-C, la velocidad del aire y la potencia suministrada a la

resistencia eléctrica fueron de 1.5 ms-1 y 10 W, respectivamente. Después, la

adquisición y monitoreo de datos fue iniciado. Cuando el sistema alcanzó el

estado estacionario, los datos fueron registrados durante una hora. En la Prueba

2-C, el procedimiento fue repetido para una potencia de 20 W.

Para el análisis de datos, la FEM registrada por las termopilas fue

convertida a temperatura, utilizando la Tabla 7 y 46 para termopares tipo T de la

norma ASTM E-230-03 [5]. Posteriormente, se utilizó la ley de Fourier para

determinar el flujo de calor a través de cada pared,

𝑞𝑝 = 𝜆𝑝 𝐴𝑝 (𝛥𝑇𝑝 )

𝐿𝑝 (3.1)

Después, se utilizó un balance de energía para determinar el flujo de calor

a través de la muestra de estudio,

𝑞𝑖𝑛𝑡 = 𝑞𝑣 + 𝑞𝑅 (3.2)

𝑞𝑝𝑇 = 𝑞𝑝𝐴+ 𝑞𝑝𝐵

+ 𝑞𝑝𝐶+ 𝑞𝑝𝐷

+ 𝑞𝑝𝐸+ 𝑞𝑝𝐹

+ 𝑞𝑝𝑀 (3.3)

Posteriormente, fue propuesta una ecuación de ajuste (3.4), la cual

consideró 𝑞𝑝𝑇 y los cambios en la energía interna de la CC para obtener el error,


55

𝑞𝑒𝑥𝑡 = 𝐶1𝑞𝑝𝑇 + 𝐶2∆𝑇𝑖𝑛𝑡/∆𝑡 ( 3.4)

donde 𝑞𝑒𝑥𝑡 es la ecuación de ajuste utilizada para determinar el flujo de calor total

a través de las paredes de la CC; ∆𝑇𝑖𝑛𝑡/∆𝑡 representa los cambios de temperatura

en el interior de la CC en un tiempo determinado; 𝐶1 y 𝐶2 son constantes.

Con los valores de 𝑞𝑖𝑛𝑡 y el 𝑞𝑒𝑥𝑡 se determinó el error (E) de medición del

flujo de calor del sistema completo, mediante

𝐸 = 𝑞𝑖𝑛𝑡 − 𝑞𝑒𝑥𝑡 (3.5)

Finalmente, se determinó la incertidumbre de calibración E, considerando

el valor promedio de E más la desviación estándar de su comportamiento en el

tiempo.

Determinación de U y CGCS

En este trabajo se utilizó un total de cinco muestras, en la Tabla 3.3 y en

la Figura 3.30 se presentan las características y las fotografías de las muestras

de 3 mm utilizadas, respectivamente. En el Anexo II se presenta el procedimiento

para la elaboración de las muestras de estudio.

Al realizar las pruebas experimentales al exterior, primero se ajustó el seguidor

solar para fijar la posición de la CC y la muestra, de manera que se tuviera una

irradiancia solar normal a ésta última. El ángulo cenital y azimutal fueron

ajustados cada 10 minutos en el transcurso del experimento. Además, antes de

iniciar las mediciones, se encendió el ventilador tangencial para conseguir un flujo

de aire homogéneo dentro de la CC. Posteriormente, se dio inicio a la adquisición

y monitoreo de las temperaturas y la FEM medida. La prueba finalizó cuando la

irradiancia solar se encontró por debajo de 800 Wm-2. El CGCS fue determinado

con la ecuación 2.8 (Capítulo II, Sección 2.2.1),


56

𝐶𝐺𝐶𝑆 =𝑞𝑀−𝐴𝑀 ∙𝑈𝑀(∆𝑇𝑖𝑛𝑡−𝑒𝑥𝑡)

𝐴𝑀 ∙𝐼𝑆 (2.8)

Tabla 3.3 Características de las muestras de vidrio utilizadas en este proyecto.

Nombre de la

muestra Recubrimiento

Composición del

recubrimiento

Proporción de

composición

Concentración (mL-1)

No. de capas

Vidrio claro

No - - - -

Cu I Sí Zinc y Cobre 61.34% ZnO 38.66% Cu 0.180 1

Cu III Sí Zinc y Cobre 61.34% ZnO 38.66% Cu 0.180 3

Ag I Sí Zinc y Plata 60% ZnO 40% Ag

0.176 1

Ag III Sí Zinc y Plata 60% ZnO 40% Ag 0.176 3

Vidrio claro Cu I Cu III Ag I Ag III

Figura 3.30 Muestras de vidrio utilizadas en este proyecto.

Para determinar el U, de la misma forma que en la prueba de calibración,

se utilizó una resistencia eléctrica para generar una diferencia de potencial que

provoque una diferencia de flujo de calor (𝑞𝑒𝑥𝑡 − 𝑞𝑖𝑛𝑡), tanto en la Prueba 1-U (10

W) como en la Prueba 2-U (20 W). De acuerdo con [7], se utilizó la ecuación 3.6

para determinar el U,

𝑈 =𝑞𝑒𝑥𝑡−𝑞𝑖𝑛𝑡

(∆𝑇𝑖𝑛𝑡−𝑒𝑥𝑡)(𝐴𝑀) (3.6)


57

donde 𝑞𝑒𝑥𝑡 − 𝑞𝑖𝑛𝑡 son el flujo de calor que sale y el flujo de calor que entra a la

CC, respecticamente. La ecuación 3.6 es analoga a la ecuación 2.6 expresa en

términos de resistencia eléctrica.






[2] G.Pérez-Arias, Evaluación de un equipo para caracterización de

materiales, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, (2017) 1–58.

[3] E. Hernández-Garfias, E.V. Macías-Melo, F.D. Ruiz-Priego, K.M. Aguilar-

Castro, Diseño de un calorímetro solar para la evaluación térmica de vidrio

arquitectónico, 18 Convención Internacional de Ingeniería y Arquitectura,

La Habana, Cuba, (2016) 1–12.

[4] Soler & Palau Ventilation Group, Hojas técnicas - Velocidad del aire,

(2017). http://www.solerpalau.es/es-es/hojas-tecnicas-velocidad-del-aire/.

[5] ASTM International, Standard Specification and Temperature -

Electromotive Force (EMF) Tables for Standardized Thermocouples, ASTM

E 230-03, ASTM International, West Conshohocken, PA, (2003) 1–192.



[7] ISO 10292-1994 (E): Glass in building - Calculation of steady-state U-

values (thermal transmittance) of multiple glazing, International

Organization for Standardization, Geneva, Switzerland, 1–8.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN CAPÍTULO IV

58

Capítulo IV

Resultados y discusión

En este capítulo se muestran los resultados obtenidos de la determinación

de los parámetros térmicos de una muestra de vidrio claro y cuatro muestras de

vidrios con recubrimientos metálicos. Además, se presentan discusiones donde

se someten a crítica los resultados obtenidos.


59

4.1 Calibración

En la Figura 4.1 se muestra el flujo de calor que se presentó en cada una

de las paredes de la CC durante la Prueba 1-C, la cual fue realizada con una

velocidad del aire y una potencia suministrada a la resistencia eléctrica de 1.5

ms-1 y 10 W, respectivamente. Los flujos de calor fueron obtenidos mediante las

ecuaciones 3.1, 3.2 y 3.3. Las paredes E y F fueron las que presentaron un mayor

flujo de calor, con valores máximos de 1.75 y 7.1 W, respectivamente. Esto puede

atribuirse a que la Pared E estuvo en contacto directo con el ventilador, mientras

que la Pared F estuvo expuesta frente a la resistencia de calentamiento utilizada.

Por otra parte, las paredes A, B, C, D y S presentaron un flujo de calor con

diferencias poco significativas, en donde la Pared D presentó el valor más alto

con 0.72 W.

Figura 4.1 Flujo de calor presentado a través de las paredes durante la Prueba 1-C.

En la Figura 4.2 se muestra el flujo de calor que entra (𝑞𝑖𝑛𝑡) y el flujo de

calor que sale (𝑞𝑒𝑥𝑡) de la CC a través de las paredes, así como la diferencia

cuantitativa que existe entre ellos (𝑞𝑖𝑛𝑡 −𝑞𝑒𝑥𝑡) para la Prueba 1-C. Se puede

observar que la diferencia máxima obtenida entre los flujos de calor fue de 0.37

W.

08:36 09:34 10:32 11:30 12:28 13:26 14:240

2

4

6

8

10

12

Tiempo (h)

q (

W)

PA

PB

PC

PD

PE

PF

PM


60

ext - q

Figura 4.2 Resultados de la entrada y salida de flujo de calor durante la Prueba 1-C.

En la Tabla 4.1 se presenta un concentrado de los resultados de flujo de

calor obtenidos para las pruebas 1-C y 2-C, cabe señalar que la Prueba 2-C se

realizó con una velocidad del aire y una potencia suministrada a la resistencia

eléctrica de 1.5 ms-1 y 20 W, respectivamente.. Como se pudo observar en ambas

pruebas, las paredes E y F fueron las que presentaron el mayor flujo de calor,

mientras que el resto de las paredes se encuentran por debajo de 2.0 W. En

cada una de las paredes fue posible cuantificar las pérdidas de energía debido a

los transductores de flujo de calor distribuidos homogéneamente en la totalidad

de las paredes interiores de la CC.

En la Tabla 2 se presentan los resultados estadísticos obtenidos del

análisis del comportamiento de los flujos de calor y temperatura para las pruebas

1-C y 2-C. Como se puede observar el E máximo obtenido se presentó en la

Prueba 1-C, por lo cual, la incertidumbre obtenida en la calibración fue de ±0.446

W.

08:36 09:34 10:32 11:30 12:28 13:26 14:248

9

10

11

12

Tiempo (h)

Flu

jo d

e c

alo

r (W

)

08:36 09:34 10:32 11:30 12:28 13:26 14:240

0.1

0.2

0.3

0.4

Dife

ren

cia

de flu

jo d

e c

alo

r (W

)

qint

qext

qint

- qext


61

4.2 U y CGCS

Vidrio claro

Para la determinación del U, en las figuras 4.3 y 4.4 se muestra la

diferencia de temperatura (𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑖𝑛𝑡) y el flujo de calor que se presenta a través

de la muestra (Pared M) obtenida en la Prueba 1-U y 2-U, respectivamente. El

comportamiento de las 𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑖𝑛𝑡 presentó diferencias significativas entre ambas

pruebas, siendo el máximo de 8.28 y 13.71°C para las pruebas 1-U y 2-U,

respectivamente. Estas diferencias se atribuyen principalmente a la energía

suministrada al sistema mediante la resistencia eléctrica para amplificar la

diferencia de flujo de calor. Por otra parte, el flujo de calor a través de la muestra

se comportó de manera similar a la temperatura, aumentando de acuerdo con la

potencia suministrada, obteniendo un máximo de 1.27 y 2.29 W para las pruebas

1-U y 2-U, respectivamente. Con los valores obtenidos de flujos de calor y

Tabla 4.1 Resultados de flujo de calor durante las pruebas de calibración.

Flujo de calor (W) Descripción Prueba 1-C Prueba 2-C

qint 10.81 20.81 (qext)min 10.43 20.45

(qext)max 10.84 21.13 ( qint - qext)max 0.37 0.30

(Pared A)max 0.63 1.54 (Pared B)max 0.75 1.89

(Pared C)max 0.67 1.91

(Pared D)max 0.72 1.96 (Pared E)max 1.75 4.43

(Pared F)max 7.10 18.54 (Pared M)max 0.21 0.26

Tabla 4.2 Resultados estadísticos de las pruebas de calibración.

Prueba E (W)

Desviación Estándar (95% confianza)

E (W)

1-C 0.250 0.196 0.446 2-C 0.150 0.176 0.326


62

diferencia de temperatura, se obtuvieron los valores del U mediante la Ec. 3.6. El

valor del U en las pruebas 1-U y 2-U fueron de 6.86 y 7.05 Wm-2 °C-1,

respectivamente. Estos valores se encuentran dentro del intervalo reportado por

otros autores [1–2] y software [3].

Figura 4.3 Diferencia de temperatura y flujo de calor total durante la Prueba 1-U.

Figura 4.4 Diferencia de temperatura y flujo de calor total durante la Prueba 2-U.

En la Figura 4.5 se muestra el comportamiento de la irradiancia solar y la

temperatura ambiente durante la Prueba 1-S para el día 18 de agosto del 2017.

15:36 18:32 21:28 00:24 03:20 06:16 09:120

2

4

6

8

10

Tiempo (h)

Dife

ren

cia

de te

mpera

tura

(°C

)

15:36 18:32 21:28 00:24 03:20 06:16 09:12-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

q (

W)T

ext- T

int

PM

10:05 13:58 17:51 21:44 01:37 05:30 09:236

8

10

12

14

Tiempo (h)

Dife

ren

cia

de te

mpera

tura

(°C

)

10:05 13:58 17:51 21:44 01:37 05:30 09:23-2

0

2

4

6

q (

W)

Text

- Tint

PM


63

El comportamiento presentado corresponde al periodo de mayor

estabilidad durante la prueba. Como se puede observar, la irradiancia solar

promedio obtenida fue de 966 Wm-2. Mientras que la temperatura ambiente osciló

entre 33.6 y 34.8°C. Por otra parte, considerando este mismo periodo de prueba,

se obtuvo el comportamiento del flujo de calor total (térmico y solar) que atraviesa

la muestra como se muestra en la Figura 4.6. Se puede observar que este flujo

de calor presentó un promedio de 16.97 W.

Figura 4.5 Irradiancia solar y temperatura ambiente durante la Prueba 1-S.

Figura 4.6 Flujo de calor total que atraviesa la muestra durante la Prueba 1-S.

11:08 11:18 11:28 11:38 11:48 11:58 12:0816.8

16.9

17.0

17.1

17.2

17.3

Tiempo (h)

qM

- A

MU

M(

Text-

int)

(W)

11:08 11:18 11:28 11:38 11:48 11:58 12:08900

920

940

960

980

1000

Tiempo (h)

Irra

dia

ncia

sola

r (W

/m2)

11:08 11:1830

32

34

36

38

40

Tem

pera

tura

am

bie

nte

(°C

)

IS

Text


64

Del mismo modo, las figuras 4.7 y 4.8 muestran los resultados obtenidos

en la Prueba 2-S del día 24 de agosto del 2017, para las condiciones ambientales

y el flujo de calor total. Como se puede observar, la irradiancia solar promedio

fue de 979 Wm-2, mientras que la temperatura ambiente osciló entre 33.7 y

34.7°C. Por otra parte, el flujo de calor total se obtuvo en promedio de 17.21 W.

Se pudo observar que la diferencia de la irradiancia solar promedio y la diferencia

del flujo de calor total obtenidos en ambas pruebas fueron de 13 Wm-2 y 0.24 W

mayores en la Prueba 2-S, sin embargo, las diferencias son poco significativas.

Figura 4.7 Irradiancia solar y temperatura ambiente durante la Prueba 2-S.

Figura 4.8 Flujo de calor total que atraviesa la muestra durante la Prueba 2-S.

10:48 10:58 11:08 11:18 11:28 11:38 11:4815.5

16

16.5

17

17.5

18

Tiempo (h)

qM

- A

MU

M(

Text-

int)

(W)

10:48 10:58 11:08 11:18 11:28 11:38 11:48800

850

900

950

1000

1050

Tiempo (h)

Irra

dia

ncia

sola

r (W

/m2)

10:4830

32

34

36

38

40

Tem

pera

tura

am

bie

nte

(°C

)

IS

Text


65

Se determinó el CGCS con la ecuación 2.8 (Capítulo II, Sección 2.2.1),

utilizando un valor promedio de U de 6.95 Wm-2 °C-1. Los valores de CGCS

promedio obtenidos para la Prueba 1-S y 2-S fueron 0.799 y 0.806,

respectivamente, con un valor promedio de 0.803. Se puede observar que la

diferencia obtenida del CGCS entre ambas pruebas fue de 0.87%, lo cual indica

que no se presentaron diferencias significativas entre ambas pruebas.

Por otra parte, cabe destacar que los CGCS obtenidos son similares a los

valores reportados en el trabajo experimental de 1 para una muestra de 1.8 m2

de área superficial, obteniendo un CGCS promedio de 0.826. La diferencia

obtenida entre los resultados de este estudio y los reportados por 1 fue de

2.78%. Adicionalmente, se realizó una comparación del CGCS promedio

obtenido en este estudio con el reportado en la base de datos del WINDOW, el

cual es un software para calcular los índices de rendimiento térmico de ventanas.

WINDOW reporta un CGCS de 0.87 para un vidrio claro marca Vitro® de 3 mm,

por lo que existe una diferencia de 7.7%. Esta diferencia se atribuye a que en el

estudio experimental se presentan múltiples reflexiones debido a las propiedades

ópticas del vidrio y de la placa absorbedora, de manera que no toda la energía

que atraviesa la muestra inicialmente es absorbida por la placa absorbedora.

Las pruebas experimentales para las muestras con recubrimiento de

óxidos metálicos fueron realizadas siguiendo el mismo procedimiento que para

la muestra de vidrio claro. Los resultados obtenidos sobre los parámetros

característicos de estas muestras se presentan resumidos en la Tabla 4.3.

Tabla 4.3 Parámetros característicos de las muestras estudiadas en este proyecto.

Nombre de la muestra

No. de capas de

recubrimiento

Concentración (mL-1) U (Wm-2 °C-1) CGCS

Vidrio claro - - 6.95 0.803

Cu I 1 0.180 6.81 0.805

Cu III 3 0.180 6.79 0.804

Ag I 1 0.176 6.82 0.800

Ag III 3 0.176 6.81 0.801


66

Los resultados del U y CGCS obtenidos para las muestras con

recubrimiento de óxidos metálicos presentaron diferencias poco significativas

entre sí, incluso en comparación con la muestra de vidrio claro. Estos resultados

indican que el número de capas de recubrimiento aplicadas en los sustratos de

vidrio prácticamente no modifica las propiedades térmicas de las muestras. De

acuerdo a esto, se sugiere realizar modificaciones durante el desarrollo o la

aplicación del recubrimiento, específicamente en la concentración de las

soluciones o en el número de capas.







[3] Berkeley Lab, Windows & Daylighting, Berkeley Lab WINDOW (Version 7)

[Software], (2016). https://windows.lbl.gov/software/window/window.html.

CONCLUSIONES

67

CONCLUSIONES

En este trabajo se obtuvo un prototipo experimental de un calorímetro

solar en el cual fue posible cuantificar las pérdidas de calor a través de cada una

de las paredes de su envolvente. El equipo fue calibrado para obtener la

incertidumbre en la medición del flujo de calor. Con un balance de energía se

obtuvo una diferencia máxima entre los flujos de calor de 0.37 W. La

incertidumbre en la medición del flujo de calor se estimó en ±0.446 W,

considerando el valor promedio de E y la desviación estándar del comportamiento

del flujo de calor en el tiempo.

Por otra parte, el U y el CGCS se determinaron mediante dos pruebas

experimentales para cada parámetro, utilizando inicialmente una muestra de

vidrio claro de 3 mm que es conocida como muestra de referencia. Los valores

promedio obtenidos del U y del CGCS para el vidrio claro de 3 mm fueron de 6.95

Wm-2 °C-1 y 0.803, respectivamente. Estos valores obtenidos fueron similares con

los valores reportados en trabajos experimentales y con los valores reportados

con el software WINDOW para una muestra de vidrio claro de 3 mm. La

calibración y determinación de los parámetros característicos de esta muestra de

referencia permitió verificar el adecuado funcionamiento del calorímetro solar, lo

que a su vez permitió utilizarlo para la caracterización óptica y térmica de las

muestras de vidrios con recubrimientos metálicos.

El U y el CGCS se determinó para las muestras de vidrio con recubrimiento

de óxidos metálicos: Cu I, Cu III, Ag I y Ag III. Los resultados obtenidos

presentaron diferencias poco significativas respecto a la muestra de vidrio claro.

Respecto a las muestras de vidrio con recubrimiento de óxidos metálicos, se

concluye que sus propiedades térmicas no presentan una diferencia significativa

respecto a la muestra de vidrio claro. Por esta razón, las muestras con

recubrimiento de óxidos metálicos evaluadas en este proyecto no presentan una

CONCLUSIONES

68

ventaja dentro del mercado de vidriado que justifique un precio mayor al del vidrio

claro. Los parámetros característicos podrían mejorarse si se realizan

modificaciones durante el desarrollo de cada tipo de recubrimiento,

específicamente en la concentración de las soluciones o en el número de capas.

ANEXO A

69

Anexo A

Artículo en la 18

Convención Científica de

Ingeniería y Arquitectura

Referencia bibliográfica

E. Hernández-Garfias, E.V. Macías-Melo, F.D. Ruiz-Priego, K.M. Aguilar-Castro, Diseño de un calorímetro solar para la evaluación térmica de vidrio

arquitectónico, 18 Convención Internacional de Ingeniería y Arquitectura, La Habana, Cuba, (2016) 1–12.

ANEXO A

70

DISEÑO DE UN CALORÍMETRO SOLAR PARA LA EVALUACIÓN

TÉRMICA DE VIDRIO ARQUITECTÓNICO

Enrique Hernández Garfias1*, Edgar Vicente Macías Melo 1, Francisco David Ruiz Priego1,

Karla María Aguilar Castro 1

1División de Ingeniería y Arquitectura, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco.

Carretera Cunduacán-Jalpa KM. 1. Col. La Esmeralda CP. 86690. México. *e-mail: [email protected]

RESUMEN

En este trabajo se realizó el diseño de un calorímetro solar para evaluar térmicamente vidrios

arquitectónicos. El objetivo principal del diseño fue garantizar un flujo de aire homogéneo en el área

designada para colocar la muestra de vidrio. Para este fin, se propusieron cuatro configuraciones, las cuales

fueron evaluadas mediante CFD (Computational Fluid Dynamics) utilizando GAMBIT 2.2.30 y ANSYS

FLUENT 14.0. Cada configuración incluye: una placa absorbedora de cobre, un ventilador tangencial y

paredes internas de aislante en toda su superficie excepto en el área designada para la muestra de vidrio.

Inicialmente, la simulación se realizó en 2D para cada configuración y, posterio rmente, fue evaluada en 3D

la configuración en la que se obtuvo un flujo de aire homogéneo en la zona de la muestra. En la simulación

se consideraron principalmente parámetros como la velocidad del aire, las propiedades térmicas de los

materiales utilizados y el flujo de calor hacia el interior a través de la muestra de vidrio. Los resultados

permitieron seleccionar la configuración más adecuada para la evaluación térmica de vidrio arquitectónico.

En este trabajo se puede concluir que la ubicación del ventilador y el redondeado de los bordes de las paredes

internas, son dos factores de importancia que deben ser considerados para garantizar la homogeneidad del

fluido en el área deseada. Por otra parte, el uso de CFD permitió reducir costos de construcción y o ptimizar

el diseño del calorímetro.

PALABRAS CLAVES: Evaluación térmica, calorímetro solar, vidrio arquitectónico, CFD.

DESIGN OF A SOLAR CALORIMETER FOR THERMAL EVALUATION OF

ARQUITECTURAL GLASS

ABSTRACT

In this work was done the design of a solar calorimeter to the thermal evaluation of arquitectural glass. The

main aim of the design was to guarantee a homogeneous air-flow in the designated area to the glass sample.

For this purpose, four configurations were proposed, which were evaluated through CFD (Computational

Fluid Dynamics) using GAMBIT 2.2.30 and ANSYS FLUENT 14.0. Each configuration includes: an

absorber plate made of cooper, a tangential fan and internal walls of thermal insulation over the entire

surface except the designated area to the glass sample. Initially, for each configuration, the simulation was

carried out in 2D and, subsequently, the configuration in which homogeneous air-flow was obtained in the

area of the sample was evaluated in 3D. In the simulation was mainly considered parameters such as the air

speed, thermal properties of the materials used and the heat flow through the glass sample into the

calorimeter. The results allowed selecting the appropriate configuration to the thermal evaluation of

arquitectural glass. In this work can be concluded that the location of the tangential fan and the edge

rounding of the internal walls, are two important factors that must be considered to guarantee a

homogeneous air-flow in the desired area. Furthermore, the use of CFD allowed reducing the construction

costs and optimizing the design of the calorimeter.

ANEXO A

71

KEY WORDS: Thermal evaluation, solar calorimeter, arquitectural glass, CFD.

1. INTRODUCCIÓN

En las últimas décadas, la tendencia arquitectónica mundial se ha inclinado hacia la construcción de edificios

con envolventes de vidrio debido principalmente a su acabado estético [1]. Sin embargo, con el fin de ahorrar

energía, es importante conocer las propiedades térmicas y ópticas de los distintos tipos de vidrio para

seleccionar el que más se adecúe a nuestras necesidades. Estas propiedades se obtienen mediante la

evaluación térmica que puede realizarse mediante calorimetría al interior o al exterior. A la calorimetría al

exterior también se le conoce como calorimetría solar y es aquella en donde se utiliza la irradiancia solar

para realizar la evaluación de flujo de calor a través de una muestra con el fin de obtener sus parámetros

característicos [2, 3]. Para realizar una evaluación térmica óptima, un calorímetro solar necesita garantizar

condiciones homogéneas de temperatura, distribución del flujo del aire y velocidad.

Actualmente, uno de los métodos más utilizados para diseñar un equipo en donde se desea conocer el

comportamiento de un fluido es conocido como Dinámica de Fluido Computacional (CFD). Este método

forma parte de muchas investigaciones a nivel mundial. Dentro de los trabajos recientes se encuentra el

realizado en Italia, en donde se utilizó CFD mediante el software FLUENT, para simular el comport amiento

del aire al circular en una pared ventilada y en una no ventilada, bajo condiciones estándar de verano [4].

Utilizando el mismo software, en Corea se realizó el análisis de confort térmico en un automóvil

considerando el efecto de la radiación solar [5]. En ambos casos, el uso de la CFD ayudó a evaluar los

sistemas bajo una gran variedad de condiciones climáticas y distintos parámetros sin la necesidad de perder

tiempo y dinero al realizar experimentalmente cada uno de los casos de interés. Este tip o de herramienta

permite visualizar con relativa precisión el comportamiento de los fluidos bajo una gran variedad de

circunstancias, desde diferentes geometrías y materiales de los recipientes que contienen el fluido, hasta

condiciones de frontera y especificaciones técnicas de las mismas. Las aplicaciones y resultados que se han

obtenido mediante las simulaciones utilizando CFD muestran que puede ser una herramienta poderosa para

el diseño del calorímetro solar, así como, para minimizar el costo de construcción.

El objetivo de este trabajo es utilizar la CFD para simular el flujo del aire dentro de un calorímetro solar en

cuatro distintas configuraciones con el fin de seleccionar la geometría que garantice un flujo de aire

homogéneo sobre la cara de la muestra que da hacia el interior. La simulación se realizará inicialmente en

2D para las cuatro configuraciones y, una vez seleccionada la configuración más adecuada, se simulará en

3D para concluir el diseño optimizado del calorímetro solar con el fin de verificar el comportamiento del

fluido.

2. METODOLOGÍA

En la Figura 1 se muestra un esquema del modelo del calorímetro solar para la evaluación térmica y óptica

de vidrios, en ella se muestran de manera general los flujos de calor de entrada y salida, a sí como los

componentes del calorímetro. La irradiancia solar incide sobre la muestra bajo prueba, parte de la energía

recibida es transmitida hacia el interior del sistema, otra parte es reflejada y otra parte es absorbida por la

muestra. La energía absorbida se transfiere hacia el interior o al exterior dependiendo de la diferencia de

temperaturas. La cantidad de energía que ingresa es removida por un intercambiador de calor con el fin de

obtener el flujo de calor removido. Los flujos de calor considerados son: el flujo de calor removido por el

intercambiador de calor (F.C.), que se encarga de mantener una temperatura estable en el interior del

calorímetro y las pérdidas de calor (P.C.) a través de las paredes. En la figura se presenta también una línea

de corte transversal en el calorímetro, que ayuda a visualizar el sistema en 2D para facilitar su estudio.

En la Figura 1 (b) se aprecia en 2D el resultado del corte transversal en una de las configuraciones

propuestas, en donde se muestran las partes internas más importantes del calorímetro, como lo es la zona

destinada para la muestra de vidrio, la placa absorbedora y el ventilador tangencial. La placa absorbedora

es la parte del intercambiador de calor que se encuentra dentro del calorímetro con el fin de absorber el calor

ANEXO A

72

excedente y removerlo del interior del equipo mediante un fluido de trabajo. De igual manera se aprecia un

ventilador tangencial debajo de la placa absorbedora, el cual tiene como función mantener homogéneos la

temperatura y especialmente el flujo de aire dentro del calorímetro.

La velocidad del flujo de aire es un parámetro relevante para el diseño de un calorímetro, particularmente

sobre la superficie del vidrio que da hacia el interior del equipo, ya que debe ser homogénea con el fin de

garantizar que el flujo de calor al interior sea uniforme.

(a) Flujos de calor dentro del calorímetro. (b) Componentes considerados dentro del

calorímetro.

Figura 1. Esquema general de flujos de calor y componentes principales en el calorímetro solar.

Debido a la necesidad de mantener una velocidad de aire homogénea, la posición del ventilador y la

ubicación de la muestra de vidrio son cruciales para definir este parámetro. Por esta razón, en este trabajo

se proponen cuatro distintas configuraciones en donde varían tanto la posición del ventilador como la

ubicación de la muestra de vidrio, como puede verse en la Figura 2.

En la Figura 3 se presenta un diagrama de flujo donde se describe la metodología utilizada para obtener la

configuración más adecuada para el calorímetro solar, la cual permita condiciones de flujo de aire

homogéneos (temperatura y velocidad) para la obtención de los parámetros característicos de la muestra de

vidrio a evaluar. Como se puede observar, la metodología consta de cinco pas os principales. En el Paso 1

se modela la Configuración 1 en 2D considerando las medidas mostradas en la Tabla 1. En el Paso 2 y 3 se

procede al mallado del modelo y al establecimiento de las condiciones de frontera, estos pasos representan

un ajuste general sobre la precisión del análisis y las características físicas de la configuración. En el Paso

4 se procede a la simulación en FLUENT, en donde se introducen y ajustan todos los parámetros físicos y

térmicos a considerar, así como, las especificaciones para realizar la evaluación. Los pasos del 1 al 4 se

repiten para las Configuraciones 2, 3 y 4. Una vez que se han obtenido los resultados de las simulaciones

en 2D se selecciona la más adecuada de acuerdo a la distribución del flujo de aíre en el interior (Paso 5).

Después de seleccionar la geometría más adecuada en 2D, y en base a ésta, se procedió a repetir desde el

Paso 1 hasta el Paso 4 para un modelo en 3D con el fin de verificar los resultados obtenidos previamente.

IRRADIANCIA

CORTE

TRANSVERSAL

F.C.

C.P.

C.P.

C.P.

MUESTRA DE VIDRIO

PLACA ABSORBEDORA

SALIDA

DE AIRE SUCCIÓN

DE AIRE

VENTILADOR TANGENCIAL

ANEXO A

73

3. SIMULACIÓN MEDIANTE CFD

La CFD engloba una serie de pasos que se mencionaron anteriormente, cada uno de estos contiene

parámetros específicos que son de importancia al momento de realizar la simulación, y por lo tanto deben

considerarse con cuidado, de manera que tienen que ser datos apegados a la realidad y con la mayor precisión

posible.

Configuración # 1

Ubicación de la muestra de vidrio: Interior

Posición del ventilador tangencial: Centro

Configuración # 2

Ubicación de la muestra de vidrio: Exterior

Posición del ventilador tangencial: Centro

Configuración # 3

Ubicación de la muestra de vidrio: Interior

Posición del ventilador tangencial: Derecha

Configuración # 4

Ubicación de la muestra de vidrio: Exterior

Posición del ventilador tangencial: Derecha

Figura 2. Esquema de las cuatro configuraciones de calorímetro solar consideradas.

MUESTRA DE VIDRIO

VENTILADOR

TANGENCIAL

PLACA ABSORBEDORA

SUCCIÓN DE

AIRE

SALIDA DE

AIRE

ANEXO A

74

Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de simulación del calorímetro solar en 2D.

3.1 Componentes y dimensiones del calorímetro

Los principales componentes de las diferentes configuraciones del calorímetro solar, tanto en 2D como en

3D, fueron: las paredes aisladas con poliestireno extruido (Foamular ®), la placa absorbedora de cobre, el

ventilador tangencial de aluminio y la muestra de vidrio. En la Tabla 1 se muestran las dimensiones de cada

una de las partes mencionadas.

Tabla 1. Dimensiones en 2D y 3D de los componentes del calorímetro solar.

Nombre de la parte

del calorímetro solar

Dimensiones en 2D

Dimensiones en 3D

Eje “x” (cm) Eje “y” (cm) Eje “z” (cm)

Paredes del equipo 29 15 29

Placa absorbedora 23 1.5 29

Ventilador tangencial 5 5 29

Muestra de vidrio 15 - 15

3.2 Mallado

Una vez dibujadas las configuraciones del calorímetro mostradas en la Figura 2 y considerando sus

componentes, se procedió a aplicar el mallado. El mallado no influye en la forma de la configuración y, en

otras palabras, consiste en una capa independiente de nodos en el área o volumen designado. Los nodos

sirven para ubicar los puntos en donde se determinarán los parámetros del fluido al correr la simulación, las

principales características son el tipo de elemento y el espaciado. El tipo de elemento se refiere a la forma

que rige la separación entre nodos, en este caso se utilizó el elemento cuadrangular para todas las

simulaciones. Por otra parte, el espaciado determina la distancia máxima que hay entre cada nodo y los

nodos alrededor de él. Se utilizaron distintos espaciados para las configuraciones, tal y como se muestra en

la Tabla 2.

Para el mallado de la configuración en 3D se utilizó un elemento hexagonal/cuña, mientras que el espaciado

utilizado fue de 0.30 cm.

ANEXO A

75

Tabla 2. Configuración y espaciado de nodo utilizados.

Número de

configuración

Espaciado

(cm)

1 0.35

2 0.35

3 0.30

4 0.30

3.3 Condiciones de frontera

Para simular el comportamiento de un fluido, es necesario establecer las características de los materiales

que conforman el recipiente o contenedor en donde circula dicho fluido, es decir, los factores que de alguna

manera influyen en el comportamiento del mismo. En un calorímetro solar se utilizan distintos materiales,

cada uno de ellos con diferentes propiedades que deben considerarse para realizar cualquier simulación. En

la Tabla 3 se enlistan los materiales y sus respectivas propiedades, los cuales fueron utilizados para todas

las simulaciones en este trabajo.

Tabla 3. Partes y materiales utilizados con sus respectivas propiedades consideradas.

Componente y material

Propiedades

Densidad

(𝐊𝐠 𝒎𝟑⁄ )

Calor específico

(𝑱 𝑲⁄ · 𝐊𝐠)

Conductividad térmica

(𝑾 𝑲⁄ · 𝒎)

Paredes (Foamular ®) 40 1674 0.0288

Placa absorbedora (cobre) 8978 381 387.6

Ventilador tangencial (aluminio) 2719 871 202.4

Muestra (vidrio) 2500 837 1

Fluido (aire) 1.225 1006.43 0.0242

Además de las propiedades de la Tabla 3, se tomaron en cuenta las mencionadas a continuación:

1. Flux del vidrio: Se determinó el calor por unidad de área que atraviesa un vidrio estándar de 3 mm bajo

condiciones normales en México, el cual fue estimado en 42.2 𝑊 𝑚2⁄ considerando las ecuaciones (1)-(3).

𝑞𝑇 = 𝑞Solar +𝑞Térmica (1)

𝑞Térmica = 𝑈(𝑇𝑒 − 𝑇𝑖) (2)

𝑞Solar = Iα𝐶Post

ℎ𝑒+𝐶Post (3)

En donde 𝑞𝑇 es el flux total que atraviesa el vidrio, mientras que en general, 𝑞Solar y 𝑞Térmica son el flux

por irradiancia solar y por la diferencia de temperatura, respectivamente.

2. Viscosidad del aire: La viscosidad dinámica del aire fue tomada de la base de datos de FLUENT. El valor

fue 1.7894 𝑒−5 Kg 𝑚⁄ · 𝑠 .

3. Temperatura de la placa absorbedora : Utilizando un intercambiador de calor, se consideró que la placa

mantendría una temperatura estable igual a 23 °C (296.15 K).

ANEXO A

76

4. Velocidad del aire: Se contempló la velocidad a la que el ventilador tangencial empuja el aire dentro del

calorímetro, ésta fue de 1.5 m/𝑠.

5. Gravedad: Se consideró aplicada verticalmente en el eje “y” con una magnitud de -9.8 𝑚 𝑠2⁄ .

3.4 Especificaciones para la simulación

Además de los parámetros mencionados anteriormente, existen principalmente otras dos consideraciones

que se hicieron para llevar a cabo la simulación, una de ellas es el régimen del flujo de aire y la otra es la

tolerancia para los controles de solución.

Dependiendo del régimen del flujo de aire se pueden establecer los criterios de convergencia para la s

ecuaciones residuales que utiliza el software. De acuerdo con la ecuación (4) se determinó que el régimen

de flujo de aire dentro del calorímetro solar es de tipo turbulento, por lo que se estableció un criterio de

convergencia de 1 𝑒−10.

Re =ρVL

𝜇 (4)

Por otra parte, con el fin de obtener resultados más precisos se ajustaron los valores de tolerancia para los

controles de solución (Tabla 4), los cuales representan las ecuaciones que el programa resolvió con cada

iteración hasta converger.

Tabla 4. Valores de tolerancia considerados en los controles de solución.

Factor Tolerancia

Presión 0.3

Densidad 0.5

Fuerzas de cuerpo 0.5

Momentum 0.3

Energía cinética turbulenta 0.3

Razón de disipación turbulenta 0.3

Viscosidad turbulenta 0.3

Energía 1

3.5 Resultados

Los resultados que se muestran a continuación representan las distribuciones de velocidad y temperatura

obtenidas con la simulación mediante CFD. En la Figura 4 se aprecia el comportamiento de temperatura,

utilizando la Configuración 1.

ANEXO A

77

Figura 4. Distribución de temperatura utilizando la Configuración 1.

Como se puede observar en la figura, la distribución de temperatura presenta un comportamient o

homogéneo con variaciones poco significativas, manteniendo una temperatura promedio de 300 K.

En la Figura 5 se presenta el comportamiento de la velocidad para las Configuraciones 1, 2, 3 y 4. Cabe

mencionar que solo se presenta la distribución de velocidades debido a que en la distribución de

temperaturas de las demás configuraciones se presentó el mismo comportamiento que en la Configuración

1, sin percibirse cambios significativos entre éstas.

Respecto a la velocidad del aire en la zona de interés, es decir, en donde se encuentra la muestra de vidrio,

en la Configuración 1 se presentó una variación ligera entre las velocidades del aire, las cuales fueron

aproximadamente desde 0.8 m/s hasta 1.9 m/s. Por otra parte, en la Configuración 2 y 4, la cavidad superior

causó una burbuja de aire en estado estacionario en una de sus esquinas, lo que probablemente ocasionó que

el aire no fluyera sobre toda la superficie de la muestra de vidrio. Por último, como puede apreciarse, la

Configuración 3 presentó una velocidad del aire homogénea en el área de interés, presentando una velocidad

promedio de 1.3 m/s, por esta razón se seleccionó esta configuración para llevar a cabo la verificación del

comportamiento del aire en una figura de 3D.

En la Figura 6 se aprecia el dibujo de la Configuración 3 realizado en 3D, con malla aplicada y con las partes

del ventilador tangencial que se encargan de succionar (rojo) y expulsar (azul) el aire en el calorímetro solar.

Lo anterior considerando las dimensiones de la Tabla 1 y un espaciado entre nodos de 0.3 cm. En la Figura

7 se presenta el resultado de la simulación en 3D para la distribución de velocidad de aire y temperatura.

Como se puede observar en la Figura 7, las velocidades máximas obtenidas en el volumen de interés fueron

aproximadamente de 1.5 m/s, mientras que las velocidades mínimas fueron aproximadamente de 1m/s,

promediando así 1.3 m/s, lo cual es similar a los valores obtenidos para la misma configuración modelada

en 2d que se mostró en la Figura 5 (c). Además, la temperatura registrada en el modelo en 3D, de acuerdo

con la escala presentada promedia los 300 K, por lo que de igual manera se asemeja a lo conseguido por el

modelo en 2D. Por lo cual, se pudo observar que la simulación en 2D es representativa de una simulación

en 3D para este caso de estudio.

ANEXO A

78

(a) Configuración # 1 (b) Configuración # 2

(c) Configuración # 3 (d) Configuración # 4

Figura 5. Distribución de la velocidad del aire para las cuatro configuraciones.

ANEXO A

79

Figura 6. Esquema en 3D de la configuración seleccionada con malla aplicada.

(a) Distribución de velocidad del aire.

(b) Distribución de temperaturas.

Figura 7. Distribución de velocidad del aire y temperaturas en la configuración 3 modelada en 3D.

ANEXO A

80

4. CONCLUS IONES

Después de realizar las simulaciones presentadas en este trabajo y analizar los resultados, se puede concluir

lo siguiente:

- El diseño en 2D y 3D de la Configuración 3 presentaron un comportamiento similar, debido a que los

resultados determinados tanto de distribución de temperatura como de velocidad del aire presentaron

cambios poco significativos, por lo que, se puede utilizar como guía para la construcción física del

calorímetro solar.

- En este caso de estudio se encontró que una simulación en 2D es suficiente para predecir de forma

satisfactoria la distribución de velocidad y temperatura del flujo de aire.

- La ubicación de los componentes (ventilador y muestra) de un calorímetro solar es determinante para la

correcta distribución de temperatura y velocidad del aire en el interior, lo cual, propicia las condiciones

adecuadas para llevar a cabo la evaluación de flujos de calor.

- El uso de CFD ayuda a visualizar y optimizar un diseño, sin la necesidad de construir físicamente los

prototipos con lo que se pueden evitar complejos, prolongados y/o costosos ajustes.

5. RECONOCIMIENTOS

- A la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco por las facilidades para la realización de este trabajo, y por

su apoyo económico para la presentación del mismo.

- Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por su apoyo económico para la realización del proyecto de

tesis titulado “Evaluación del rendimiento térmico y óptico de materiales con películas de óxido de zinc y

óxido de titanio”.

6. REFERENCIAS

1. RODRÍGUEZ, E. La innovación del vidrio en la arquitectura alrededor del mundo. [en línea] Fieras de la Ingeniería.

[ref. de 23 de junio 2016]. Disponible en Web: http://www.fierasdelaingenieria.com/la-innovacion-del-vidrio-en-la-arquitectura-alrededor-del-mundo>.

2. MARINOSKI D. L.; GÜTHS S.; LAMBERTS R. “Development of a calorimeter for determination of the solar factor

of architectural glass and fenestrations”. Building and Environment, 2012, vol. 47, pp. 232-242.

3. MACÍAS-MELO E. V.; PRIETO-FLORES J. J. “Solar Calorimeter for Thermal Testing of Glazings”. Journal of

Enhanced Heat Transfer, 2013, vol. 20, núm. 6, pp. 499-509.

4. GAGLIANO, A.; NOCERA, F.; ANELI, S. “Thermodynamic analysis of ventilated façades under

different wind conditions in summer period”. Energy and Buildings, 2016, vol. 122, pp. 131 - 139.

5. HYUN-MOON, J.; WOON-LEE, J.; HO-JEONG, CHAN; HYUK-LEE, SEONG. “Thermal comfort

analysis in a passenger compartment considering the solar radiation effect”. International Journal of

Thermal Sciences, 2016, vol. 107, pp. 77-88.

ANEXO A

81

SOBRE LOS AUTORES

Enrique Hernández Garfias es Ingeniero Mecánico egresado del Instituto Tecnológico de Veracruz en 2012.

Su línea de investigación está enfocada en la caracterización térmica y óptica de materiales. Se encuentra

becado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología para la realización de sus estudios de Maestría en

Ciencias en Ingeniería en la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, México. Actualmente, se encuentra

iniciando su proyecto de tesis, titulado: “Evaluación del rendimiento térmico y óptico de materiales con

películas de óxido de zinc y óxido de titanio”.

Edgar Vicente Macías Melo es Doctor en Ciencias en Ingeniería Mecánica egresado del Centro Nacional de

Investigación y Desarrollo Tecnológico en 2013. Su línea de investigación principal está enfocada en la

caracterización térmica y óptica de materiales y sistemas relacionados. Actualmente, es miembro del

Sistema Nacional de Investigadores y es Profesor-Investigador en la División Académica de Ingeniería y

Arquitectura de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco , México.

Francisco David Ruiz Priego es Ingeniero Civil egresado de la Universidad Nacional Autónoma de México

en 2015. Su línea de investigación está enfocada en estudios de transferencia de calor y masa en materiales

de construcción de viviendas. Se encuentra becado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología para

la realización de sus estudios de Maestría en Ciencias en Ingeniería en la Universidad Juárez Autónoma de

Tabasco, México. Actualmente, se encuentra iniciando su proyecto de tesis , titulado: "Determinación

experimental de coeficientes de transferencia de calor y masa en paredes de vivienda en el Estado de

Tabasco".

Karla María Aguilar Castro obtuvo es Doctora en Ciencias en Ingeniería Mecánica egresado del Centro

Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico en 2013. Sus líneas de investigación están enfocadas

en el estudio de transferencia de calor y masa en materiales de construcción, y en el aprovechamiento de

energía solar. Actualmente, es miembro del Sistema Nacional de Investigadores y Profesora-Investigadora

en la División Académica de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco ,

México.

ANEXO B

82

Anexo B

Procedimiento para la

elaboración de las

muestras de estudio

ANEXO B

83

Desarrollo experimental

Para la síntesis de los recubrimientos de ZnO y los de ZnO impurificados

con Ag y Cu se prepararon soluciones, las cuales tenían como compuesto

precursor del óxido de zinc, acetato de zinc dihidratado y las sales precursoras

de Ag y Cu a base de nitratos de plata y cobre, respectivamente. Una vez

sintetizadas cada una de las soluciones se mezclaron en cantidades molares y

en volumen, según cada caso y se dejaron envejecer por 3 días para permitir la

nucleación y formación de las nanopartículas. Posteriormente, se depositó por el

método de aspersión sobre sustratos de vidrios común previamente limpiados.

Proceso de síntesis de ZnO y ZnO:Ag

Se prepararon dos soluciones, una de ZnO y la otra de Ag. Primero se

sintetizó una solución de ZnO con una concentración 0.804 mol/L y un pH de 6.

Se utilizó como reactivo precursor acetato de zinc dihidratado, el cual se disolvió

en alcohol isopropílico y posteriormente se agregó monoetanolamina (MEA)

como agente acomplejante, con una relación molar 1:1 con acetato de zinc

dihidratado. La MEA, se añadió gota a gota mientras la solución es encontraba

en agitación lenta, cuidando de no excederse. A continuación, se calentó la

solución a 60°C en agitación lenta por una hora y se dejó reposar durante un día.

Posteriormente, se preparó la solución de Ag con una concentración de 0.176

mol/L, utilizando como reactivo precursor el nitrato de plata que se disolvió en

alcohol etílico y acetonitrilo, con concentración 50% V/V con respecto al alcohol

etílico. Posteriormente, se sometió a agitación media a temperatura ambiente por

el lapso de una hora para disolver completamente las sales de plata. La solución

final de ZnO:Ag se preparó mezclando la solución de ZnO con la solución de Ag

con agitación lenta, la concentración de la solución de Ag fue 38.66% V/V con

respecto a la solución de ZnO o una relación de volumen 1:0.6.

ANEXO B

84

La concentración de la mezcla resultante fue la siguiente: [ZnO] = 0.5124

mol/L y [Ag] = 0.0638 mol/L. Obteniendo una mezcla homogénea y transparente

(Figura B.1).

Figura B.1 Apariencia de la solución de ZnO:Ag

Proceso de síntesis de solución de ZnO:Cu

Para el caso de la preparación de la solución de ZnO, se disolvieron 20.66

g de Acetato de Zinc (Zn(Ac)2) en 100 ml de isopropanol y se incorporaron 5.73

ml de MEA en agitación lenta a 60°C por 1 hora. De esta manera, se trabajó con

la relación molar 1:1 Zn(Ac)2: MEA y se dejó reposar durante 24 horas.

Para la preparación de solución de Cu, se disolvieron 0.66 g de CuNO3

en 20 ml de solución acomplejante (10 ml de acetonitrilo y 10 ml de etanol) con

agitación lenta durante 1 hora. Para la síntesis de la solución de ZnO:Cu, se

mezclaron ambas soluciones y se dejaron reposar durante 72 horas (Figura B.2).

ANEXO B

85

Figura B.2 Apariencia de la solución de ZnO:Cu

Método de limpieza de los sustratos de vidrio

Los sustratos de vidrio a recubrir son vidrios comunes de 15 × 15 cm y 6

mm de espesor de la marca Vitro ® con densidad de 2.5 g/cc, con estructura

amorfa, que genera astilla cuando se fractura y composición a base de SiO2,

principalmente.

Todos los sustratos fueron limpiados utilizando la siguiente metodología:

Se preparó una solución de agua desionizada con 5% en volumen de

jabón para material de vidrio, dicha solución se utilizó para limpiar de manera

cuidadosa y con una fibra suave para evitar ralladuras en la superficie del vidrio.

Se enjuagaron con agua desionizada y se procede a introducir los vidrios en el

equipo de baño ultrasónico por un lapso de 5 minutos. El equipo de ultrasonido

se llena con agua corriente hasta la línea de operación, para realizar el proceso

de limpieza por sonicado. Dicho nivel ya contempla la colocación de un recipiente

de plástico el cual contiene inmersos los sustratos de vidrio en una solución de

agua destilada con un 5% en volumen de ácido fluorhídrico, esto último, con la

finalidad de realizar un desgaste químico en la superficie del vidrio. Terminado el

sonicado de 5 minutos se repite la misma operación sustituyendo la solución

ácida por etanol, con un sonicado adicional de 15 minutos.

ANEXO B

86

Finalmente se retiraron del equipo de ultrasonido y se pusieron a secar a

flujo de aire (Figura B.3).

Figura B.3 Equipo de ultrasonido empleado para la limpieza y apariencia final de los vidrios.

Depositación de la solución

La deposición de las soluciones de ZnO, Zno:Ag y ZnO:Cu sobre los

sustratos de vidrio, se llevó a cabo por medio de la técnica de aspersión

utilizando una pistola mini de gravedad a base de aire marca ADIR conectada a

un compresor.

La deposición se realizó a una temperatura aproximada de 20°C muy por

debajo del punto de evaporación de los solventes en la solución a usar, y a

presión de 1 atmosfera, antes de proceder a utilizar el equipo de aspersión se

deben tomar ciertas consideraciones y cuidados:

Verificar que los componentes de la pistola que entraran en contacto con

la solución se encuentren limpios y secos.

Encender y poner en marcha la carga del compresor, teniendo precaución

de no rebasar el límite óptimo de presión y capacidad.

Conectar de manera correcta mediante una manguera la pistola y el

compresor, ajustando debidamente las uniones.

Una vez cargado el compresor y debidamente conectado realizar el ajuste

de la cantidad de aire a la salida y la cantidad de solución expedida por la

pistola, así como del grado de abertura del abanico de solución al accionar

ANEXO B

87

la pistola, realizar una prueba al aire usando isopropanol para ajustar

dichos parámetros.

Una vez listo el sistema de aspersión se procedió a colocar un volumen

de 4 a 5 ml de solución (ZnO, Zno:Ag o ZnO:Cu según sea el caso) por cada

vidrio a recubrir, y a una distancia de 15 cm entre el vidrio y la pistola se procedió

a accionar la pistola liberando la solución en forma de un fino y uniforme rocío. El

vidrio se colocó en posición perpendicular al suelo, el movimiento de aplicación

fue de manera horizontal y el abanico de salida con una apertura vertical. Se

realizó un drenado y lavado de la pistola con isopropanol entre cada cambio de

solución. Este procedimiento, se repite según sea el número de capas a depositar

después de cada tratamiento térmico de la muestra.

Secado y sinterización de los recubrimientos

Terminando los depósitos, los sustratos recubiertos se secaron a una

temperatura de 80°C durante una hora. Posteriormente, se sometieron a la etapa

de sinterización con un tratamiento térmico de 500°C durante 1 hora en una

mufla. Se utilizó una rampa de calentamiento la cual inició en los 40°C y en un

lapso de 120 minutos alcanzó una temperatura de 500°C, manteniéndose estable

durante 60 minutos para finalmente descender a una temperatura de 40°C. El

proceso anterior (Figura B.4) se repitió desde la depositación hasta el sinterizado

para cada una de las capas a aplicar.

Figura B.4 Fotografías del vidrio con recubrimiento.

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