ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÁTICAS
2S-2017 FÍSICA II
PROYECTO: “SISTEMA “SISTEMA DE REGULACIÓN REGULACIÓN DE TEMPERATURA EN CABINA” GRUPO 8 INTEGRANTES:
Alarcon Rubio Yarib Alejandro
Medina Sánchez Johann Eduardo
Merchán Mora Kenin Xavier
Pincay Jiménez Rosa María
Pincay Saldarriaga Melanie Crhisty
Quizhpe Avila Roberto Carlos
Saavedra Mosquera Giovanna Nicole
PARALELO 4 PROFESOR TITULAR: CARLOS VINICIO MORENO MEDINA GUAYAQUIL – ECUADOR
0
INDICE GENERAL RESUMEN.................................................................................................................................... 1 PROPUESTA DE SOLUCIÓN .................................................................................................... 2 OBJETIVOS ................................................................................................................................. 2 Objetivo principal...................................................................................................................... 2 Objetivos secundarios ............................................................................................................... 2 DIAGRAMA DE BLOQUES ....................................................................................................... 5 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO ................................................................................................... 6 MATERIALES ............................................................................................................................. 7 CONSIDERACIONES GENERALES ......................................................................................... 8 CÁLCULOS.................................................................................................................................. 8 Área total ................................................................................................................................... 9 Volumen de la cabina ................................................................................................................ 9 Volumen de los asientos........................................................................................................ 9 Volumen del aire a enfriar ..................................................................................................... 9 Masa y calor de los asientos .................................................................................................... 10 Parte interna del asiento ...................................................................................................... 10 Parte externa (cuero) ........................................................................................................... 10 Masa y calor de los vidrios ...................................................................................................... 11 Considerando el área total del vidrio................................................................................... 11 Calor total ................................................................................................................................ 11 Tiempo requerido para cambiar la temperatura de un objeto .................................................. 11 Vidrio .................................................................................................................................. 12 Asientos ............................................................................................................................... 12
1
Trabajo realizado ..................................................................................................................... 12 Potencia térmica del mecanismo ............................................................................................. 13 Alimentación de las Celdas Peltier .......................................................................................... 13 Potencia eléctrica suministrada a las celdas ............................................................................ 14 Cantidad de energía calorífica producida por las celdas ......................................................... 14 Potencia eléctrica entregada al mecanismo ............................................................................. 14 Calor generado por el Efecto Joule (Pérdida por unidad de tiempo) ...................................... 14 Calor liberado por la capa fría por unidad de tiempo .............................................................. 15 Calor liberado por la cara caliente por unidad de tiempo ........................................................ 15 Flujo de calor........................................................................................................................... 15 Estimaciones para el tiempo de descarga de la batería ........................................................... 16 Eficiencia de la máquina ......................................................................................................... 16 CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 17 RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 17 REFERENCIAS .......................................................................................................................... 18
2
RESUMEN El presente proyecto consiste en diseñar un sistema que permita regular la temperatura de la cabina de un automóvil, el cual es un problema que transcurre de manera habitual en la actualidad. Para ello, se aplican diferentes conceptos y nociones físicas, así como la utilización de distintos materiales, que contribuirán a su correcto funcionamiento. Este sistema comienza con la utilización de un panel solar que recolectará energía la cual será almacenada en una batería. Se va a captar el aire caliente de la cabina a través de un ventilador y luego será filtrado. Dentro del sistema se va a encontrar un tanque con el fluido refrigerante, el cual va a ser enfriado por medio de las células peltier. Cuando el fluido este enfriado, va a ser bombeado hacia el filtro. Por último, a través de la refrigeración por evaporación va a ser regulada la temperatura de la cabina del automóvil.
1
PROPUESTA DE SOLUCIÓN La propuesta de solución al problema de la elevada temperatura en las cabinas de los automóviles es el diseño del prototipo de un artefacto portátil que permita su regulación al interior de las mismas, este funcionará basado en el efecto de las celdas peltier (al existir un flujo de corriente entre las caras de un semiconductor, se da una diferencia de temperaturas) y además el efecto de refrigeración por evaporación, optimizando así el proceso de bombeo de calor al estar conectadas a unos ventiladores que serán los encargados de transportar el aire frio y caliente. (Sandoval G., Espinosa J., & Barahona A., 2017) El aire caliente ingresará por ventiladores, luego pasará por disipadores de calor hacia el filtro de refrigeración por evaporación que tendrá gotas de agua y todo esto conectado a un tanque de aluminio que tendrá pegadas las celdas peltier, las mismas que realizarán el proceso de conversión de temperaturas de tal modo que el agua del tanque de aluminio será el fluido que hará el intercambio de temperatura, este se enfriará al llegar al tanque conectado con las células, mientras el aire que pasa por el filtro tendrá una temperatura menor debido al intercambio de energía con el agua . Se propone también que la fuente de energía del mencionado sistema sea renovable, captada por medio de paneles solares y almacenada en baterías.
OBJETIVOS Objetivo principal Realizar un prototipo que nos ayude a regular la temperatura de una cabina que esté expuesta al sol, utilizando como principales componentes celdas peltier y disipadores de calor con ventiladores, de tal manera que disminuya su nivel a temperatura ambiente cómo si estuviera bajo sombra.
Objetivos secundarios
Controlar y reducir la humedad, la temperatura del medio creando un ambiente confortable aliviando las sensaciones de calor.
Identificar las partes y piezas del proyecto, para determinar que juntas se obtiene un prototipo que regule la temperatura siendo sencillo de usar y su implementación sea de bajo costo.
Probar la transferencia de calor de un medio (fluido) a otro, siendo este el caso la disminución de la temperatura con aire frío emitido al ambiente.
2
DIAGRAMA DE BLOQUES
SISTEMA DE REGULACIÓN DE TEMPERATURA
Captar energía solar
Almacenar energía de los paneles en batería recargable
Recepción del aire caliente que posee el automóvil mediante un ventilador
Distribución de la energía a todo el sistema mediante cableado
Filtración del aire caliente receptado
Enfriamiento de la célula peltier unida a tanque con el fluido refrigerante (agua)
Bombeo del fluido enfriado a través de mangueras hacia el filtro
Regulación de la temperatura de la cabina del automóvil mediante proceso de enfriamiento
5
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO Filtro Ventilador en sentido antihorario (absorbe)
Panel solar 12 V
Ventilador en sentido horario (expulsa)
Salida de aire frío Entrada de aire caliente
s e n o i x e n o C
C o n e x i o n e s
Refrigeración por evaporación
Conexiones
Batería 12 V
Celdas Peltier conectadas al tanque de agua
6
MATERIALES Cantidad
Material Células Peltier
Ventiladores Ángulos de aluminio Disipadores de aluminio Tubo de pasta térmica Tubo de pegamento epoxi
I mágenes
Características/Descripción Componente electrónico compuesto por placas de material semiconductor que puede generar calor o frío dependiendo de la polaridad que se aplique. Dimensiones: 80x80 mm Voltaje: 12V Función: Captar aire caliente y emanar corrientes del aire fresco Dimensiones: 16 cm de largo Color: negro (disipa por radiación) Dimensiones: 80x65 cm Utilizado en aparatos electrónicos para evitar un aumento de temperatura de algunos componentes. Ofrece una alta conductividad térmica. Su finalidad es de mover el calor de un componente a otro. Polímero termoestable que se endurece al combinarse con un catalizador. Función: Une piezas metálicas de alta resistencia
Tornillos
Medida: ½ pulg Función: ajustar las partes de los ventiladores a los disipadores de calor
Broca de hierro
Medida: 2mm
Panel solar
Capacidad: 12V
Batería Cable sólido Ficha de empalme Contenedor de aluminio
Bomba de agua
Capacidad: 12V Acumula y suministra energía eléctrica Dimensiones: 2mm Se encarga de unir los cables positivos y de tierra. Se usa este material debido a su alta conductividad y bajo precio Función: almacenar el líquido que será usado como refrigerante en este caso el agua. Su capacidad y potencia dependerá del volumen a enfriar. Función: hacer circular el agua por el sistema
7
CONSIDERACIONES GENERALES Se supone que la transmisión de calor por techos metálicos, puertas metálicas y calor del motor es despreciable, porque poseen aislante térmico en estos lugares lo cual dificulta el paso del calor al interior del vehículo. Se consideró vidrio para autos común sin elementos de sombra y transitividad solar alta. Para este proyecto se tomó como referencia la costa ecuatoriana (latitud -2.20538) específicamente la ciudad de Guayaquil donde la temperatura promedio anual, según la INAHIM es 29.5 a 35
℃, sin embargo, existen días en los que la temperatura cuando el sol está en su cenit llega
℃. A continuación, se puede observar una tabla de la temperatura anual en esta ciudad.
F igura 1. Tabla de temperatura promedio mensual en Guayaquil (Marila, 2017). Tomado de:
https://es.climate-data.org/location/2962/ Observando la tabla mostrada anteriormente podemos concluir que la temperatura es mayor en los primeros meses del año, esto debido a que, en este tiempo la tierra se encuentra muy cerca del sol (perihelio). Se toma temperatura ambiente de 28
℃ e Inicial (estimada): =60℃=333,15 CÁLCULOS
Área de los vidrios del auto: 4 puertas
= 40.6 ∗ 0.30 = 0.72 Área del vidrio delantero:
= 0.63 ∗ 1.20 =0.72 8
Área de vidrio posterior:
= 0.5 ∗1.10=0.55 Área total
= = 2 Volumen de la cabina
F igura 2. Dimensiones de un automóvil Citroën C5. Tomado de: www.roadsmile.com
= 1.9; ℎ = 1.5 ; = 1.1 =2∗1.5∗1.4=2.85 Volumen de los asientos
Volumen de asientos = 20.730.51.2 = 0.876 m³ Volumen del aire a enfriar
Volumen de aire a enfriar = V auto – V asientos = 2.85– 0.876 = 1.974 m³ 9
=1,0991 =1012 × = = = (1,0991 )1.97 = 2,17 = 2,172860(1012 ×) =87.79×10 Masa y calor de los asientos Para este análisis consideramos que los asientos están compuestos por un forro de cuero y en su interior contienen espuma de poliuretano.
Parte interna del asiento
= 28 =0,42 ×℃ =280,434 = 12,15 =12,150,4234,3 = 175,03 = 175032,9 → 732,6× 10 Parte externa (cuero)
=4,58×10− = 240 / 10
= = 240 = 2404,58×10− = 1,099 =0,337 ×℃ = 10,33734,3 = 11,56 →48,38×10 Masa y calor de los vidrios Considerando el área total del vidrio
= 2 =23×10− =6×10− =2500/ = = 25004.5×10− = 11.7 =11.775332 =281.9×10 → 50% → 140.9× 10 Calor total
= =87.79×10 732× 10 48,38× 10 140,7× 10 =1008.08×10 Se debe quitar 1008×10 para disminuir la temperatura de la cabina de un auto en 32ºC Tiempo requerido para cambiar la temperatura de un objeto Calculamos el flujo de energía que entra y sale de la cabina.
11
Vidrio
Flujo de energía por Radiación
= = 0.94 =∆ = 3,18 5.6710 80.94301 = 1391 Solo la mitad de este flujo de radiación contribuye al flujo dentro del carro entonces:
= 13912 = 695 Asientos
Aproximación del área de los asientos (Para flujo y radiación de calor):
=3.5 Flujo de calor (conducción):
=∆/ = 0.026 = 0.0263.532 0.5 = 5.82 = ó− 5.82695 =689.1 3 1008.08×10 = → = = 689 = 1463 = 0.41 ℎ ∴ á 0.41 ℎ Trabajo realizado 12
∆= ∆=∆ =20.78 ∗ →=
Se sabe además que
*Nota: se trabaja a presión atmosférica, con la temperatura inicial y tratando al aire como gas ideal.
1.97 101325 = = = 79.8 8.31 ∗301
∆=∆ = 79.820.782860 = 53063 Se tiene
∆; se calcula W:
∆= = ∆ =87.79 ×10 53063=140853.8 Potencia térmica del mecanismo
= 8 = 140853. 1463 = 96.2 Alimentación de las Celdas Peltier
Voltaje = 12 V Corriente = 4∗ 5 ∗ Corriente = 2∗1.20 5∗0.18 Corriente =3.3 A 13
12 = 3.63 ohm Resistencia = VI = 3.3 Potencia eléctrica suministrada a las celdas
P = Vi ∗I P = VI P = 61.2 = 14.4 W
Cantidad de energía calorífica producida por las celdas
Q = I ∗ Vint ∗tiempo Q = P∗tiempo Q =14.4∗0.91 Q =13.10 Potencia eléctrica entregada al mecanismo
P = V ∗I P = V∗ I P = 123.3 = 39.6 W Calor generado por el Efecto Joule (Pérdida por unidad de tiempo)
Q = I²R Q = 4.5² 2.67 = 54.07 J í = = ½ Coeficiente de Seebeck y conductividad eléctrica
: 500µ/ 1∗10− / 14
: 72µ/ 8.67 ∗ 10− / Calor liberado por la capa fría por unidad de tiempo
Q + = α ∙ ∙ I Donde:
α = Coeficiente de Seebeck = Temperatura de la cara fría I = Corriente Tk = 273.15 T fría K = 8ºC Tk = 281.15 K Q + = 281.151.250072 Q + = 144.39 10 [] Calor liberado por la cara caliente por unidad de tiempo
Q + = α ∙ ∙ I Donde:
α = Coeficiente de Seebeck = Temperatura de la cara caliente I = Corriente T calienteK = 37.5 ºC Tk = 310.65 Q + = 310.651.250072 Q + = 271.38 10 [] Flujo de calor Viaja por conducción interna desde la cara caliente hacia la cara fría
= – = 37.52.678 = 11.05 /ℎ 15
Estimaciones para el tiempo de descarga de la batería
í = 14 = 4.20 h = 3.33 Eficiencia de la máquina Para calcular la eficiencia de nuestro sistema consideramos la eficiencia de un refrigerador de Carnot y usamos la siguiente relación.
= ∗100 = 6028 60 ∗100 = 53.3 % ∴ é 53.3%
16
CONCLUSIONES Luego de desarrollar todo el proyecto, a través de cada paso se pudieron cumplir con los objetivos planteados, al realizar este prototipo que regula la temperatura en cabina aprovechando el calor del aire en el automóvil. Por medio de todos los procesos y los cálculos de diseño para cada paso en el prototipo y bajo todas las condiciones que el proyecto indicaba. Utilizando un panel solar que le brinda energía al sistema y dentro de él un tanque en el cual se contiene el fluido con el que trabaja el prototipo. Es posible concluir que el prototipo es eficiente teóricamente debido a que se consideraron procesos para ciclo de Carnot para el cual la eficiencia es máxima, por tanto, si se quisiera poner en práctica la eficiencia disminuiría. Además, de acuerdo con los cálculos realizados se logró enfriar el aire caliente en el interior del vehículo que estaba sometido a la luz solar aprovechando de las propiedades térmicas del agua para transferir o en nuestro caso absorber dicho calor.
RECOMENDACIONES
Tener en cuenta cada uno de los pasos a desarrollar en el problema, de forma ordenada y detallada, para que de esta manera pueda ser entendido.
Es importante el desarrollo del prototipo ya que ayuda a poder visualizar como es el aspecto del sistema.
Tomar en consideración, todas las condiciones que proporciona el problema, y así poder utilizar y desarrollar los correctos conceptos físicos.
Se recomienda utilizar termostato digital para poder tener mayor control y precisión en la temperatura dentro del vehículo.
Se podría usar un refrigerante químico en lugar de agua para optimizar el proceso termodinámico.
17
REFERENCIAS Discovery Max. (10 de Octubre de 2017). Como funciona el aparato de aire acondicionado. Obtenido de Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=f-bsG4JDhpY&t=1s Experimentar en casa. (10 de Octubre de 2017). Aire acondicionado casero. Obtenido de Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=B-rNesTTm_U Herranz Pindado, R. (Septiembre de 2008). PROYECTO FIN DE CARRERA. Obtenido de Climatización
mediante
células
Peltier:
https://www.iit.comillas.edu/pfc/resumenes/48c66604d0038.pdf Inside. (10 de Octubre de 2017). Aire acondiciondo casero a 12V . Obtenido de Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=IEiQMB4v0lM&t=156s Marila, E. (30 de Octubre de 2017). Clima: Guayaquil . Obtenido de CLIMATE-DATA.ORG: https://es.climate-data.org/location/2962/ Pérez Salgado , E. (23 de Febrero de 2006). Diseño de un sistema de aire acondicionado portátil. Obtenido de UPC: https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/3560/538451.pdf Sandoval G., A., Espinosa J., E., & Barahona A., J. (Octubre de 2017). Celdas Peltier: Una alternativa para sistemas de enfriamiento con base en semiconductor. Obtenido de Instituto de Electrónica. Universidad Tecnológica de la Mixteca. UTM: http://www.utm.mx/~mtello/Extensos/extenso020709.pdf Young , H., & Freedman, R. (2009). Física universitaria volumen 1. Decimosegunda edición. México: Pearson Educación.
18
