evaluación del sistema de conversión de energía...
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ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN 1 1.1 Objetivos 2 2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 2.1. Modificación ambiental 3 2.1.1. Temperatura 3 2.1.2. Energía lumínica 4 2.2 Transferencia de calor 5 2.2.1. Mecanismos de transferencia de calor 6 2.2.1.1 Conducción 6 2.2.1.2 Convección 7 2.2.1.3. Radiación 8 2.3. Comportamiento de la energía calórica en el suelo 8 2.3.1. Movimiento de calor en los suelos 10 2.3.2. Calor específico de los suelos 11 2.3.3. Conductividad térmica de los suelos 13 2.4. Aislamiento térmico 14 2.4.1. Propiedades de Poliestireno Expandido 15 2.4.1.1 Propiedades físicas 15 2.4.1.1. Aislante térmico 15 2.4.1.1. Estabilidad frente a la temperatura 15 2.4.1.1. Comportamiento frente factores atmosféricos 16 2.4.1.1. Resistencia mecánica 16 2.4.1.1. Comportamiento frente al agua 16 2.4.2. Propiedades biológicas 16
3. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1. Ubicación del experimento 18 3.2. Descripción de la estructura experimental 19 3.2.1. Construcción del modelo 19 3.2.1.1. Confección de la caja de madera 19 3.2.1.2. Construcción del invernadero modelo 20 3.2.1.3. Cubierta de polietileno 20 3.2.1.4. Suelo utilizado en las experiencias 21 3.2.1.5. Fuente luminosa 21 3.2.1.5. Ubicación de la fuente luminosa 21 3.2.1.5. Luz directa 22 3.2.1.6. Sensores 22 3.2.1.7. Mecanismo de aislación base 23
3.3. Monitoreo de temperaturas del modelo experimental 26 3.3.1. Descripción de ensayos realizados 28 3.3.1.1. Establecimiento de línea base de temperatura 28 3.3.1.2. Cuantificación de aislación máxima 28 3.3.1.3. Cuantificación de pérdidas por convección 31 3.3.1.4. Cuantificación de pérdidas por radiación 31 3.3.1.5. Cuantificación de pérdidas radiación y convección 36 3.3.1.6. Cuantificación de pérdidas por conducción 36 3.3.1.7. Cuantificación de pérdidas energéticas totales 41 3.4. Fórmulas matemáticas 42 4. PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 4.1. Conversión luz en calor en el modelo 43 4.2. Cuantificación de pérdidas energéticas 44 4.2.1. Cuantificación de pérdidas por radiación, convección
y conducción 44 4.2.2. Comprobación de valores de pérdidas por convección
y radiación 46 4.2.3. Conservación de la energía calórica 39 4.3. Comportamiento térmico diurno y nocturno 47 5. CONCLUSIONES 51 6. RESUMEN 52 7. ABSTRACT 53 8. LITERATURA CITADA 54
ANEXOS
1. INTRODUCCIÓN
El invernadero es un sistema o reactor físico adaptado para recibir una
gran cantidad de energía lumínica, la cual queda atrapada en su interior,
modificando así los factores climáticos hacia condiciones ideales para la
fructificación (CORVALÁN, 1997).
El control de las bajas temperaturas invernales, es un aspecto que cada
vez se le está dando más importancia en los cultivos, ya que se ha
comprobado que eleva la calidad y la cantidad de producción.
En invierno, se busca reducir al mínimo las pérdidas de calor en épocas
frías, se debe favorecer la captación de energía solar en las horas de
mayor radiación, ya que la radiación solar calienta la superficie del suelo
durante el día y ésta se enfría a lo largo de la noche. De acuerdo con lo
anterior, es posible establecer la importancia de la conservación de
energía calórica al interior de un invernadero.
En la presente investigación, se recurrirá al uso de un aislante térmico
(plumavit o poliestireno expandido), por la capacidad de este material
para retrasar la transferencia de calor, y por lo tanto, favorecer la
conservación de energía calórica a lo largo de la noche, con un bajo costo
de implementación, para adecuarse a la realidad productiva nacional.
Se espera que, al aislar el perímetro de suelo de un invernadero, se logre
incrementar el período de conservación de la energía calórica al interior
de dicha estructura.
1.1. Objetivos
Los objetivos planteados son los siguientes:
• Describir el patrón de comportamiento térmico del aire y suelo, al
interior de un modelo de simulación de un invernadero, durante el
día y la noche.
• Cuantificar las pérdidas por los diferentes mecanismos de
transferencia de calor (radiación, convección, conducción) al
interior de un modelo de simulación de invernadero.
• Evaluar la incidencia de la aislación del suelo perimetral de un
invernadero modelo, sobre la conservación de la energía calórica.
2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
2.1. Modificación ambiental en invernaderos:
Las consideraciones inherentes a la climatología definen las
características ambientales de una cierta zona y establecen su aptitud
para cultivos en invernaderos desde un punto de vista económico (ALPI,
1991).
2.1.1. Temperatura
Los invernaderos se construyen con la finalidad de regular principalmente
el efecto dañino de las bajas temperaturas, puesto que todos los procesos
biológicos de las plantas dependen del comportamiento de ésta. Además
debe reducir las oscilaciones diurnas y estacionales (OYANEDEL y
PEÑALOZA, 2001).
En relación con la temperatura de un invernadero, hay que distinguir entre
radiaciones de onda corta y onda larga.
Las de onda corta (visible, ultravioleta, nuclear), provienen desde el sol y
pasan por la atmósfera, de ahí en adelante traspasan el polietileno, el que
es transparente a estas radiaciones (WEBER, 1995).
Esta energía se convierte en calor cuando es absorbida por los cuerpos
que están dentro del invernadero. Durante la noche, no hay ganancia de
energía por parte de la estructura de conversión, pero los cuerpos que
están dentro de él siguen emitiendo radiación infrarroja, que es retenida
por el material de cubierta, demorándose así el enfriamiento, respecto la
temperatura externa (WEBER, 1995).
2.1.2. Energía lumínica
La cantidad de energía solar recibida por la superficie terrestre depende
de la época o estación del año, además del ambiente, afectando las
condiciones de humedad y luminosidad (OYANEDEL y PEÑALOZA,
2001). Según FRANCESCANGELI (1999), condiciones extremas de
humedad relativa por varias horas y valores muy altos o muy bajos de
radiación solar afectan la calidad comercial de muchas especies
hortícolas.
Las radiaciones solares que llegan a la superficie terrestre están
formadas, en su mayor parte, por radiaciones de longitud de onda corta,
situadas en la zona de la frecuencia visible o cerca de ella (SERRANO,
1994).
La radiación que se encuentra en el espectro visible, se denomina
iluminancia, se mide con un instrumento llamado luxómetro y su unidad es
el Lux (CORVALÁN, 1997).
De toda la energía recibida en forma de luz sobre el techo de un
invernadero, una buena parte (entre un 20 a 50%) se devuelve hacia la
atmósfera por reflejo sobre el polietileno; de la porción de luz que ingresa,
una pequeña parte es utilizada por la planta para su proceso fotosintético
y el resto es convertida en calor al chocar contra los cuerpos del interior
del invernadero (CORVALÁN, 1997).
2.2. Transferencia de calor:
Es definido como el proceso por el que se intercambia energía en forma
de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo
cuerpo que están a distinta temperatura (HOLMAN, 1996).
La transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de
calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor (KERN,
2001).
El calor pasa siempre de las regiones de mayor temperatura a las de
temperatura menor. De este modo dos objetos, aislados térmicamente
con respecto a otros, se aproximan gradualmente a una temperatura final
común (FIGUEROA, 2004).
El calor es sólo una de las formas de la energía y que es ésta, la que se
conserva de acuerdo a la primera ley de la termodinámica. Transferencia
de calor es la expresión usada para indicar el transporte de energía
originado en una diferencia de temperatura (BETANCOURT, 2003).
2.2.1. Mecanismos de transferencia de calor
Según VAN DE BRAACK (1995), en el balance de energía de un
invernadero, la tasa de cambio en el tiempo de la temperatura es dada
como una función de los flujos de ingreso, salida y de producción. Entre
los mecanismos de flujo se distinguen:
a).- Radiación: transporte directo de energía entre las superficies de
cuerpos opacos por ondas electromagnéticas, a través de un medio
transparente. Sólo la energía se transporta por este mecanismo.
b).- Conducción: transporte de energía, a través de un medio en reposo
sólido o líquido, que fluye en dirección del transporte considerado.
c).- Convección: pérdida de calor de un cuerpo a través de los
movimientos generados en un fluido, ya sea líquido o gaseoso.
El estado de estas variables en el interior de un invernadero, es
determinado por balances de energía y masa, en los cuales se involucra
la superficie, el aire, el cultivo y el suelo (VAN DE BRAAK, 1995).
2.2.1.1. Conducción
HOLMAN (1996) define conducción como la transferencia de calor de una
parte de un cuerpo a otra del mismo cuerpo, o bien, de un elemento a otro
que esté en contacto físico con él, sin desplazamiento apreciable de las
partículas del cuerpo.
Según PERRY (1982), en los sólidos, la principal forma de transferencia
de calor es la conducción, sostiene además que no se comprende en su
totalidad el mecanismo exacto, pero se cree que se debe, en parte al
movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe
una diferencia de temperatura.
La conducción, es debida a que las moléculas al recibir calor aumentan su
energía cinética de agitación térmica, lo que las hace vibrar más
rápidamente respecto a su posición media. Colisionan con las
adyacentes, a las que transfieren parte de su energía cinética, sin que
haya mezcla. Como resultado aumenta su temperatura (PORTA, 1994).
IRIARTE et. al., (2003), menciona que en un invernadero, al producirse un
incremento de la temperatura del suelo, éste intercambia calor por
conducción con el suelo circundante a la estructura de conversión.
2.2.1.2. Convección
Es la transferencia de calor de un punto a otro, dentro de un fluido, un gas
o un líquido, mediante la mezcla de una porción del fluido con otra, por la
existencia de diferencias de temperatura (KERN, 2001).
Según WEBER (1995), la transferencia de calor por corrientes de
convección en un líquido o en un gas, está asociada con cambios de
presión, debidos a variaciones locales de densidad, es decir, un aumento
de temperatura en un fluido va acompañado por un descenso de su
densidad. PORTA (1994), a su vez, define convección térmica, como el
proceso en que el calor se propaga de un lugar a otro por movimiento real
de un fluido caliente, que actúa como portador. Al absorber calor las
moléculas del fluido se expanden y con ello disminuye su densidad, lo que
origina el movimiento por convección natural o libre.
2.2.1.3. Radiación
La radiación es la transferencia de calor de un cuerpo a otro, que no se
encuentra en contacto con él, por medio del movimiento ondulatorio a
través del espacio (PERRY, 1982).
BUCKMAN (1993), la define como la transferencia de energía a través del
espacio, por medio de oleadas o pulsaciones, que se transforman en
valores de calor cuando se encuentran con un cuerpo que obstaculiza su
transmisión.
Todo cuerpo a una temperatura absoluta finita emite radiación
electromagnética. Esta radiación, cuando está en el rango de longitud de
onda comprendido entre los 0.2 y los 100 µm se denomina térmica.
Cualitativamente puede explicarse su origen a variaciones en los estados
electrónico, vibracional y rotacional de átomos o moléculas
(BETANCOURT, 2003).
2.3. Comportamiento de la energía calórica en el suelo:
El suelo posee como función primordial, la de servir de soporte a las
plantas y como medio a través del cual el agua y los nutrientes son
transportados hacia las raíces. Además de estas funciones, la masa de
suelo absorbe y almacena energía en forma de calor (GUARISMA, 1994).
FITZ (1996), menciona que la temperatura del suelo afecta los procesos
químicos y las actividades de los microorganismos que convierten los
nutrientes en formas disponibles para las plantas.
El suelo recibe las radiaciones procedentes del sol y se calienta. Su
temperatura depende de cómo lleguen las radiaciones a la superficie
(humedad atmosférica, transparencia, nubosidad, topografía, entre otros)
y de cómo el suelo las asimile (humedad, color, conductividad, calor
específico) (DORRONSORO, 2005). BUCKMAN (1993) por su parte,
afirma que la cantidad de radiación solar efectiva que incide sobre la tierra
depende particularmente del clima, pero que la cantidad de energía que
entra en el suelo viene afectada por el color de éste, la inclinación y la
cubierta vegetativa del lugar considerado.
Con respecto al color, suelos oscuros absorben más energía luminosa, de
forma que tienden a ser ligeramente más calientes que aquellos de color
pálido (PLASTER, 1997). FITZ (1996) por su parte, menciona que un
suelo de color oscuro y una arena de cuarzo pueden absorber,
respectivamente, alrededor del 80 y el 30% de la energía solar que
reciben. Según BUCKMAN (1993), se establece que los suelos rojos y
amarillos muestran un aumento más rápido de temperatura que los
blancos.
La temperatura del suelo y la del aire en contacto con él están
íntimamente relacionadas. El contenido de calor en el suelo es función de
las características y estado del sistema, flujo radiante que recibe,
propiedades térmicas que posee, contenido de agua en sus distintos
puntos. La temperatura de un compartimento del suelo viene
determinada por los intercambios energéticos con el medio exterior y las
transferencias de calor con los compartimentos contiguos (PORTA, 1994).
El calor absorbido por el suelo es perdido por evaporación del agua, por
calentamiento del aire que está sobre el suelo y por calentamiento de éste
(FOTH, 1997).
2.3.1. Movimiento del calor en los suelos
El suelo es un medio que contiene materias orgánicas y minerales
separadas por espacios o poros, que a su vez están ocupados por agua o
por aire; las proporciones relativas de estos dos últimos constituyentes
pueden variar mucho según la geometría de los espacios del suelo y el
contenido de agua de la masa edáfica (INZUNZA, 2004). BUCKMAN
(1993), afirma que el calor pasa del suelo al agua unas 150 veces más
fácilmente que del suelo al aire; por lo que a medida que el agua se ve
incrementada, el aire, por su parte, disminuye, y su resistencia a la
transferencia baja cada vez más. PLASTER (1997), comenta que se
necesita cinco veces más energía para calentar agua, que para aumentar
la temperatura de un volumen igual de partículas minerales, por lo que es
necesaria menos energía para calentar suelos secos.
GUARISMA (1994) comenta que se observa un efecto de atenuación de
la onda calórica a medida que aumenta la profundidad. FITZ (1996)
indica que la temperatura del suelo cambia con lentitud, también afirma
que por debajo de los 10 cm de profundidad se registra poca variación
diaria en la condición de temperatura del suelo. PLASTER (1997),
sostiene que bajo los 31 cm, la oscilación térmica diaria es baja. PORTA
(1994), considera que la parte del suelo situada a 50 cm o más sólo se ve
afectada por las oscilaciones estacionales de temperatura, pero no por los
cambios a lo largo del día.
INZUNZA (2004), por su parte, ha obtenido las siguientes observaciones
en un período limitado a un año: existe una variación diurna de la
temperatura en superficie, que se extiende hasta una profundidad de
alrededor de 1 metro, debajo de la cual las variaciones son demasiado
pequeñas como para medirlas con un equipo convencional; con el
aumento de profundidad los instantes en que se registran el máximo y el
mínimo se producen con retardo creciente respecto de los de la
superficie.
FOTH (1997), por su parte, menciona que en los horizontes inferiores
(entre 20 y 30 cm), la temperatura máxima diaria se presenta 12 horas
después de la temperatura máxima de la superficie. Durante el ciclo
anual, este retraso es aún mayor ya que los horizontes inferiores alcanzan
su máximo inclusive después de que la superficie ha comenzado a
enfriarse debido al cambio de estación.
INZUNZA (2004), dice que no es raro que la temperatura máxima de la
superficie se produzca más tarde que el mediodía local, durante la noche
por su parte, la superficie generalmente continua enfriándose hasta que el
descenso de temperatura se ve detenido por la aparición de la radiación
solar del amanecer, momento en que la curva de temperatura sube
nuevamente.
2.3.2. Calor específico de los suelos
BUCKMAN (1993), sostiene que el calor específico puede ser expresado
como una razón entre la cantidad de calor requerido para alcanzar la
temperatura de una sustancia dada, de 15º a 16º C , comparada con la
que se necesita a las mismas temperaturas para un peso igual de agua.
INZUNZA (2004), por su parte lo define como la cantidad de calor
necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una
sustancia en un grado.
Un factor importante que afecta las relaciones de temperatura de un suelo
es su calor específico o capacidad térmica comparada con la del agua
(BUCKMAN, 1993).
Una vez que la radiación llega al suelo, el calentamiento o el enfriamiento
del mismo será tanto más rápido cuanto menor sea su calor específico y
éste será función del material que lo constituye, pues como promedio los
constituyentes minerales tienen un calor específico que va de 0,1 en las
arenas a 0,2 en las arcillas y en el carbonato cálcico, mientras que los
compuestos orgánicos alcanzan valores cercanos a 0,5, todos ellos muy
por debajo del valor de 1 que posee el agua (GARCÍA, 2005). FITZ
(1996), por su parte, sostiene que el calor específico de las partículas de
suelo secas es de 0,2. Mientras que INZUNZA (2004), menciona que el
calor específico de los materiales del suelo se encuentra entre 0,1 a 1,0
(cal/ºC*cm3).
Según BUCKMAN (1993), la sola absorción de una cantidad dada de
calor por un suelo no asegura necesariamente un aumento rápido de
temperatura, de acuerdo con lo anterior, un suelo con un alto calor
específico desarrolla cambios de temperatura mucho menos acelerados
que lo haría otro que posee un calor específico bajo.
Cabe mencionar que resulta más preciso el relacionar valores de calor
específico en unidades de masa (cal/°C*kg), y no de volumen (cal/
°C*cm3), ya que éstos últimos varían mucho según la geometría de los
poros y el contenido de agua del suelo.
2.3.3. Conductividad térmica de los suelos
La conductividad térmica (W/mºC), se define como la magnitud que
representa la capacidad con la cual una sustancia conduce calor y
produce la consiguiente variación de temperatura. La conductividad de un
bloque de suelo no es constante, depende de: tamaño de las partículas
del suelo, conductividad de las partículas del material del suelo,
compactación de la mezcla, es decir la porosidad y el grado de contacto
entre partículas, la humedad del suelo (INZUNZA, 2004).
La capacidad del suelo para transferir calor por conductividad molecular,
tiene lugar cuando distintas partes del suelo se hallan a temperaturas
diferentes y el calor se transfiere de los puntos de mayor a los de menor
temperatura (PORTA, 1994).
Según INZUNZA (2004), no se puede desconocer que la conductividad
térmica se ve afectada, ya que el calor específico de una masa de suelo
seco aumenta con la adición de agua y sobre todo cuando el suelo se
encuentra saturado. GARCÍA (2005), menciona que la conductividad
térmica en las partículas del suelo es aproximadamente 3 veces mayor
que en el agua y unas 110 veces mayor que en el aire. De esta forma, los
suelos húmedos en los que hay un desplazamiento del aire por el agua,
conducen mejor el calor que los secos; si la humedad aumenta en forma
excesiva, las partículas sólidas pueden perder el contacto entre sí y
disminuir la conductividad térmica.
Valores de conductividad térmica (W/mºC) obtenidos por INZUNZA
(2004), revelan que para materiales medioambientales ordinarios la
variación que muestran es amplia: de 4 a 8 *10-3 para constituyentes
minerales del suelo; en el orden de 10-4 para materia orgánica seca.
ACEVEDO (2004), cifra valores para minerales del suelo de 2.5 (W/mºC),
y para materia orgánica 0.25 (W/mºC).
2.4. Aislamiento térmico:
Los materiales o las combinaciones de éstos que tienen bolsas de aire, o
bien, espacios vacíos que retrasan la transferencia de calor con una
eficiencia razonable, en condiciones ordinarias, se pueden considerar
como aisladores térmicos (PERRY, 1982).
La capacidad de un material para retrasar el flujo de calor se expresa
mediante su conductividad térmica. Por tanto, los aisladores térmicos se
caracterizan por sus bajos valores de conductividad térmica (PERRY,
1982).
2.4.1. Propiedades de Espuma de Poliestireno Expandido (EPS)
La Espuma de Poliestireno Expandido (EPS), es un termoplástico de
estructura rígida celular que contiene hasta un 98% de aire encapsulado
(ANAPE, 2003). En Anexo 1, se muestran resumidas, las propiedades
más importantes de este material.
2.4.1.1. Propiedades físicas
2.4.1.1. Aislante térmico
Una de sus propiedades más importantes, es su excelente poder aislante,
ya que, aproximadamente un 98% del volumen del material es aire y
únicamente un 2% materia sólida. Por lo que, debido a sus múltiples
celdillas que actúan como cámaras de aire independiente que van
reduciendo el paso del calor, permiten conservar los productos fríos o
calientes por largo tiempo, ventaja que es muy aprovechada para los más
diversos usos (ANAPE, 2003).
2.4.1.1. Estabilidad frente a la temperatura
El rango de temperaturas en el que este material puede utilizarse con total
seguridad sin que sus propiedades se vean afectadas no tiene limitación
alguna por el extremo inferior (excepto las variaciones dimensionales por
contracción). Con respecto al extremo superior el límite de temperaturas
de uso se sitúa alrededor de los 100ºC para acciones de corta duración, y
alrededor de los 80ºC para acciones continuadas y con el material
sometido a una carga de 20 KPa (ANAPE, 2003).
2.4.1.1. Comportamiento frente a factores atmosféricos
La radiación ultravioleta es prácticamente la única que reviste
importancia. Bajo la acción prolongada de la luz UV, la superficie del EPS
amarillea y se vuelve frágil, de manera que la lluvia y el viento logran
erosionarla (ANAPE, 2003).
2.4.1.1. Resistencia mecánica
La resistencia a los esfuerzos mecánicos de los productos de EPS se
evalúan generalmente a través de las siguientes propiedades: resistencia
a la compresión para una deformación del 10%; resistencia a la flexión;
resistencia a la tracción; resistencia al esfuerzo cortante (ANAPE, 2003).
2.4.1.1. Comportamiento frente al agua
No es un material higroscópico. Incluso al sumergirlo completamente en
agua los niveles de absorción son mínimos con valores oscilando entre el
1% y el 3% en volumen (ensayo por inmersión después de 28 días)
(ANAPE, 2003).
2.4.1.2. Propiedades biológicas
El poliestireno expandido no constituye sustrato nutritivo alguno para los
microorganismos. No se enmohece y no se descompone. Tampoco se ve
afectado por las bacterias del suelo (ANAPE, 2003).
No tiene ninguna influencia medioambiental perjudicial, no es peligroso
para las aguas. No se produce descomposición ni formación de gases
nocivos (ANAPE, 2003).
3. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. Ubicación del experimento:
El desarrollo de los ensayos, se llevó a cabo en Viña del Mar (V Región).
Éstos se realizaron en un recinto subterráneo con poca luz, es decir con
una iluminancia máxima registrada de 20 Lux; además con baja variación
térmica durante el día y la noche, 5ºC de diferencia entre la temperatura
máxima y mínima promedio (Anexo 2).
3.2. Descripción de la estructura experimental:
El criterio de construcción de la estructura experimental, fue el de imitar
un invernadero común, recreándose día y noche invernal, con el uso de
una fuente luminosa artificial.
Se confeccionó un invernadero modelo, el que se ubicó sobre una masa
de suelo conocida (contenida en una caja de madera), que captó en su
interior la luz aportada por un foco, la que penetraba a través de una
cubierta doble de polietileno, generándose un aumento de la temperatura
en el interior del invernadero modelo, por la conversión de energía
lumínica en calor, dejando así establecida la superficie que se determinó
como “zona de carga”, en este sector las pérdidas energéticas fueron
por convección y radiación. La estructura experimental, constó también
de un área de suelo contigua, la que se denominó “zona de pérdidas”,
estaba expuesta al ambiente, pero restringida de los rayos de luz directos
que recibía su contraparte (“zona de carga”) por una plancha de madera;
el mecanismo de transferencia de calor fue por conducción desde el
sector con mayor temperatura al más frío.
En la “zona de carga” se definió, un “período de carga” éste comenzaba
al encenderse el foco, finalizando con el apagado de la fuente de luz. El
“período de pérdidas” por su parte, se iniciaba de forma sucesiva del
anterior, es decir, a partir del apagado del foco hasta que éste fuera
encendido. La duración de cada período fue de cuatro horas, por ser más
notorias las variaciones de temperatura al interior del invernadero modelo
durante este lapso.
3.2.1 Construcción del modelo
El modelo experimental constó de lo siguiente:
3.2.1.1. Confección de caja de madera
Se construyó una caja de madera, con las siguientes dimensiones: 100
cm de largo, 50 cm de ancho y 10 cm de profundidad.
Se escogieron estas medidas considerando que al instalarse el
invernadero modelo sobre la caja de madera, las pérdidas de calor por el
suelo (conducción), fueran sólo desde la “zona de carga” hacia la “zona
de pérdidas”.
Se tuvo en cuenta además, que el área que ocuparía la “zona de carga”,
fuese equivalente a la “zona de pérdidas”, para así contar con la misma
masa (kg) de suelo en ambas superficies, entre las que se generaría una
transferencia de calor.
La profundidad de la caja se estableció de acuerdo a información
recopilada, donde se dice que existe un efecto de atenuación de la onda
calórica a medida que aumenta la profundidad del suelo (GUARISMA,
1994).
3.2.1.2. Construcción del invernadero modelo
Se confeccionó una estructura de madera de las siguientes dimensiones:
10 cm de alto, 50 cm de ancho; techo recto y sin pendiente.
La relación superficie de cubierta/superficie de suelo convencional es de
1,5, y en el invernadero modelo ésta fue de 1,8.
3.2.1.3. Cubierta de polietileno
El invernadero modelo fue recubierto con polietileno común de 150
micras, con una doble capa con una separación de 1 cm, carente de
estructuras de ventilación, para favorecer la conservación de energía
calórica.
3.2.1.4. Suelo utilizado en los ensayos
La caja de madera, se rellenó en toda su capacidad, con una mezcla de
suelo orgánico (tierra de hoja) con suelo de textura arcillosa. La
proporción usada de ambos elementos, fue equivalente. La masa
correspondió a 96 (kg) y el volumen de 500 (cm3) (Anexo 3).
3.2.1.5. Fuente luminosa
Se usó un foco halógeno denominado como de “alto rendimiento” de 150
watt, cuyas características se detallan en el Anexo 4.
Dicho foco permitió recrear la luz solar del período invernal.
3.2.1.5. Ubicación de la fuente luminosa
El foco se ubicó sobre el invernadero modelo, a 10 cm de distancia del
techo de éste. La altura a la que se dispuso estuvo directamente
relacionada con la luz medida en la superficie de suelo de la “zona de
carga”, ya que, se estableció como valor de radiación 10000 Lux, por ser
propio del invierno en la zona que se desarrollaron los ensayos (Anexo 5).
3.2.1.5. Luz directa
Se buscó que la incidencia de luz directa, fuera sólo sobre el “zona de
carga”, por lo que se usó una plancha de madera, para que no se viera
iluminado la superficie de suelo de la “zona de pérdidas”, y así tener la
seguridad que cualquier aumento de temperatura en ese sector se debió
a la transferencia de calor por conducción y no a la conversión de luz en
energía calórica.
3.2.1.6. Sensores
Los sensores electrónicos de temperatura utilizados, correspondieron a
termógrafos “data logger”, éstos arrojaron los resultados de sus registros
en ºC, con una frecuencia de diez minutos. Las características técnicas
que poseen, se encuentran detalladas en el Anexo 6.
La distribución de éstos, fue la siguiente:
*Sensor 1: dispuesto en el centro de la superficie de suelo en la “zona de
carga”, a una profundidad de 8-9 cm, para así registrar el aumento de
temperatura generado por la conversión de luz en calor.
*Sensor 2: ubicado en el suelo a una profundidad de 8-9 cm, en el límite
que divide la “zona de carga” de la “zona de pérdidas”, para registrar la
transferencia de calor por conducción.
*Sensor 3: dispuesto en el suelo (profundidad de 8-9 cm) en la “zona de
pérdidas”, alejado 15 cm del anterior, para registrar el flujo de calor por
conducción.
*Sensor 4: ubicado de forma colgante en el interior del invernadero
modelo, en el centro, para registrar el alza de temperatura generada por
la conversión de luz en calor.
*Sensor 5: dispuesto dentro del recinto en el que se desarrollaron los
ensayos, cuidando de que no recibiera luz directa, para registrar el
cambio de la temperatura en el exterior del modelo.
3.2.1.7. Mecanismo de aislación base
El aislante utilizado, fue poliestireno expandido (plumavit), para reducir las
pérdidas por convección.
La caja de madera fue recubierta con poliestireno expandido de 40 mm de
espesor, por toda su parte interna. También se forró con papel
aluminizado, para reducir las pérdidas por radiación.
Es posible apreciar en la Figura 1 , de forma esquemática la estructura
experimental base descrita y en la Figura 2, la visualización real de la
misma.
FIGURA 1. Esquema base de modelo de invernadero.
FIGURA 2. Visualización real de modelo de invernadero.
3.3. Monitoreo de temperaturas del modelo experimental:
En la totalidad de los ensayos se registraron las temperaturas en los
mismos puntos, y en iguales lapsos. El “período de carga” se extendió por
4 horas y el “período de pérdidas” por un lapso sucesivo de igual
duración.
Las variables experimentadas fueron: el cambio de aislante entre la “zona
de carga” y la “zona de pérdidas”, y también en la superficie de carga bajo
el invernadero modelo, para así discriminar las pérdidas por radiación,
convección y conducción. En el Cuadro 1, se muestra una breve
descripción de los ensayos.
No hubo variación en la metodología de carga.
Cada experiencia se repitió en tres oportunidades, con una frecuencia de
registro de 10 minutos, lo que se tradujo en 48 repeticiones, y 144 datos
por ensayo.
CUADRO 1. Metodología de aislación en los ensayos en el “período de carga y de pérdidas”.
Ensayo
Período de carga
Período de pérdidas
Sin cubierta aislante
Línea base de temperatura
No se encendió el foco Con aislante entre “zonas de carga
y de pérdidas” Cubierta aislante pérdidas por radiación
Pérdidas por convección
Metodología de carga de acuerdo a procedimiento descrito.
Con aislante entre “zonas de carga y de pérdidas” Cubierta aislante pérdidas por convección
Pérdidas por radiación
Metodología de carga de acuerdo a procedimiento descrito.
Con aislante entre “zonas de carga y de pérdidas” Sin cubierta aislante
Pérdidas por radiación y convección
Metodología de carga de acuerdo a procedimiento descrito.
Con aislante entre “zonas de carga y de pérdidas”
Cubierta aislante pérdidas por convección y radiación
Pérdidas por conducción
Metodología de carga de acuerdo a procedimiento descrito.
Sin aislante entre “zonas de carga y de pérdidas” Cubierta aislante pérdidas por convección y radiación
Aislación máxima
Metodología de carga de acuerdo a procedimiento descrito.
Con aislante entre “zonas de carga y de pérdidas” Sin cubierta aislante
Pérdidas totales
Metodología de carga de acuerdo a procedimiento descrito.
Sin aislante entre “zonas de carga y de pérdidas”
3.3.1. Descripción de los ensayos realizados
A continuación se detallará cada ensayo, los que fueron siete.
3.3.1.1. Establecimiento de línea base de temperatura
Se buscó establecer las condiciones base de temperatura del recinto
subterráneo en el que se ejecutaron los ensayos.
Se registraron las temperaturas en los puntos definidos para el modelo
experimental, pero sin encender el foco en la “zona de carga”.
3.3.1.2. Cuantificación de aislación máxima
Este ensayo, se centró en establecer el valor de aislación máxima del
modelo, considerando las pérdidas por convección, radiación y
conducción.
No hubo variación en la metodología de carga.
Al inicio del “período de pérdidas”, se mantuvo el aislante entre las “zonas
de carga y de pérdidas”, se cubrió la superficie de suelo bajo el
invernadero modelo, con una tapa de poliestireno expandido de 40 mm de
espesor (aislante convección), recubierta con papel aluminizado (aislante
radiación) (Figuras 3 y 4).
FIGURA 3. Esquema de máxima aislación en el modelo de simulación.
FIGURA 4. Visualización de máxima aislación en el modelo de simulación.
3.3.1.3. Cuantificación de pérdidas por convección
Este ensayo se realizó para cuantificar las pérdidas por convección en el
interior del invernadero modelo, en forma separada de las pérdidas por
radiación.
No hubo variación en la metodología de carga.
Al inicio del “período de pérdidas”, se mantuvo el aislante entre las “zonas
de carga y de pérdidas”, se cubrió la superficie de suelo bajo el
invernadero modelo, con papel aluminizado (aislante radiación) (Figuras 5
y 6).
3.3.1.4. Cuantificación de pérdidas por radiación
En este ensayo, fue posible cuantificar las pérdidas por radiación en el
interior del invernadero modelo, en forma separada de las pérdidas por
convección.
No hubo variación en la metodología de carga.
Al inicio del “período de pérdidas”, se mantuvo el aislante entre las “zonas
de carga y de pérdidas”, se cubrió la superficie de suelo bajo el
invernadero modelo, con poliestireno expandido de 40 mm de espesor
(aislante convección) (Figuras 7 y 8).
FIGURA 5. Esquema de aislación para cuantificar pérdidas por
convección en el invernadero modelo.
FIGURA 6. Visualización de aislación para cuantificar pérdidas por
convección en el invernadero modelo.
FIGURA 7. Esquema de aislación para cuantificar pérdidas por radiación
en el invernadero modelo.
FIGURA 8. Visualización de aislación para cuantificar pérdidas por
radiación en el invernadero modelo.
3.3.1.5. Cuantificación de pérdidas por radiación y convección
Este ensayo permitió cuantificar las pérdidas por radiación y convección
integradamente, y comparar este valor con la suma de los dos ensayos
anteriores, validando las mediciones.
No hubo variación en la metodología de carga.
Al inicio del “período de pérdidas”, se mantuvo el aislante entre las “zonas
de carga y de pérdidas”, no se cubrió la superficie de suelo bajo el
invernadero modelo (Figuras 9 y 10).
3.3.1.6. Cuantificación de pérdidas por conducción
En este ensayo, fue posible cuantificar las pérdidas por conducción.
No hubo variación en la metodología de carga.
Al inicio del “período de pérdidas”, se quitó el aislante entre las “zonas de
carga y de pérdidas”, se cubrió la superficie de suelo bajo el invernadero
modelo con una tapa de poliestireno expandido de 40 mm de espesor
(aislante convección), recubierta con papel aluminizado (aislante
radiación) (Figuras 11 y 12).
FIGURA 9. Esquema de aislación para cuantificar pérdidas por
convección y radiación en el invernadero modelo.
FIGURA 10. Visualización de aislación para cuantificar pérdidas por
convección y radiación en el invernadero modelo.
FIGURA 11. Esquema de aislación para cuantificar pérdidas por
conducción por el suelo en el modelo de simulación.
FIGURA 12. Visualización de aislación para cuantificar pérdidas por
conducción por el suelo en el modelo de simulación.
3.3.1.7. Cuantificación de pérdidas energéticas totales
Este ensayo permitió cuantificar las pérdidas energéticas totales, y
comparar la sumatoria de las mediciones de convección, radiación y
conducción, para validar de forma indirecta los datos.
No hubo variación en la metodología de carga.
Al inicio del “período de pérdidas”, se quitó el aislante entre las “zonas de
carga y de pérdidas”, no se cubrió la superficie de suelo bajo el
invernadero modelo.
3.4. Fórmulas matemáticas:
A continuación se detallan las fórmulas matemáticas utilizadas:
3.4.1. Potencia lumínica captada en el suelo al interior del simulado
invernadero
La potencia de entrada de luz, se calculó a partir de la conversión:
110 Lux = 0.86 (Kcal/h*m2) Para establecer la potencia de conversión de luz en calor en el área de
experimentación, se usaron las fórmulas siguientes:
Potencia de conversión (kcal/hr) = Potencia (kcal/hr*m2)*Área iluminada (m2) Área iluminada (m2) = largo (m)*ancho (m)
3.4.2. Pérdidas por radiación, convección y conducción
Para calcular las pérdidas por radiación, convección y conducción, se usó
la fórmula:
Energía (kcal) = masa (kg)*Calor específico(Kcal/ºC*kg)*dT(ºC) Potencia de conversión (kcal/h) = Energía (kcal) / tiempo (h)
4. PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1. Conversión de luz en calor al interior del modelo:
La potencia lumínica al interior del modelo de simulación de invernadero,
se muestra en el Cuadro 2.
CUADRO 2. Potencia conversión de luz en calor en modelo de invernadero.
Potencia lumínica (Kcal/hr*m2) 75,05 Energía conversión en superficie iluminada (Kcal) 76 Energía real convertida en superficie iluminada (Kcal) 72
El detalle del cálculo de estos valores se encuentra en el Anexo 8.
A partir de la energía aportada por el foco, 76 (Kcal), sobre el techo con
doble cubierta de polietileno del invernadero modelo, en una superficie de
exposición de 0,25 m2, aislada con poliestireno expandido y papel de
aluminio por todos los costados, excepto el expuesto a la luz, en una
masa de suelo de 48 kg; se convierten en calor 72 (Kcal), en un período
de 4 horas, de acuerdo con resultados promedio obtenidos a partir de los
diferentes ensayos (Anexo 10), lo que se traduce en que un 6% de luz se
disipó en diferentes direcciones, lo que equivale a decir que un 94% de la
radiación incidente penetra a través del polietileno, proporción que resulta
estar dentro de los parámetros aceptados, ya que según IGLESIAS
(2002), un buen material de cubierta debe tener una transmisión global de
la luz incidente por encima del 80%.
4.2. Cuantificación de pérdidas energéticas:
4.2.1. Cuantificación pérdidas por radiación, convección y conducción
En el Cuadro 3, se muestran los resultados que se obtuvieron a partir de
la puesta en marcha de los ensayos, junto con los valores de la sumatoria
de las pérdidas energéticas. El detalle de cálculo se encuentra en el
Anexo 11.
CUADRO 3. Cuantificación de pérdidas energéticas promedio en modelo de simulación de un invernadero.
Energía perdida
(Kcal) Potencia
perdida (Kcal/h) Ensayo cuantificación pérdidas por convección 12,8 3,2 Ensayo cuantificación pérdidas por radiación 12 3,0 Sumatoria radiación y convección 24,8 6,2 Ensayo cuantificación pérdidas por radiación y convección
28,8 7,2
Ensayo cuantificación pérdidas por conducción
8,0 2,0
Sumatoria pérdidas energéticas 33 8,2
Ensayo cuantificación aislación máxima 6,4 1,6 Ensayo cuantificación pérdidas totales 40 10 Sumatoria pérdidas totales (conducción+rad+convección+aislante)
43,2 10,8
A partir de los valores obtenidos (Cuadro 2), es posible afirmar lo
siguiente: de las 72 (Kcal) que se convierten en calor en el “período de
carga”, 40 (Kcal) son las que se pierden en las 4 horas sucesivas, a
través de los diferentes mecanismos de transferencia de calor
(convección, radiación y conducción).
El detalle de las pérdidas energéticas, es de 12,8 (Kcal) por convección,
12 (Kcal) por radiación, las que se generaron en la “zona de carga”, en
una superficie de exposición de 2500 cm2; 8 (Kcal) por conducción desde
un sector no compactado de suelo de 500 cm2 (“zona de carga”) hacia
una masa igual (48 kg), (“zona de pérdidas”).
Al igualar la superficie de exposición (1 cm2), los valores de pérdidas
energéticas fueron: 0,00512 (Kcal/cm2) por convección; 0,0048 (Kcal/cm2) por radiación; 0,016 (Kcal/cm2) por conducción.
Considerando los datos anteriores, a primera vista se podría decir que las
pérdidas por radiación y convección son más elevadas que las generadas
por conducción, pero esto ocurre en superficies de exposición diferentes;
por lo que al uniformizar el área, la transferencia de calor por el suelo
resulta ser más alta que por convección y radiación. Esto se explica
según GARCÍA (2005), porque la conductividad térmica en las partículas
de suelo es aproximadamente tres veces mayor que en el agua y unas
110 veces mayor que en el aire.
4.2.2. Comprobación de valores de pérdidas por convección y radiación
Con respecto al ensayo en que se buscó cuantificar las pérdidas por
convección y radiación de manera integrada, para compararlas con la
sumatoria de las experiencias realizadas por separado (Cuadro 3), los
registros mostraron 4 (Kcal) de diferencia. Esto se debe a que en el
ensayo de cuantificación de pérdidas por convección de forma
independiente, al iniciarse el “período de pérdidas”, y cubrir la superficie
de suelo bajo el invernadero con papel aluminio, la capa de aire virtual
entre éste y el suelo, ejerció un efecto aislante, retrasando la transferencia
de calor (2006)*.
4.2.3. Conservación de la energía calórica
Es posible afirmar que las pérdidas energéticas a través del aislante
(ensayo cuantificación pérdidas por el aislante) son de 6,4 (Kcal), (Cuadro
3), éstas se disipan hacia direcciones distintas de la “zona de pérdidas”
por conducción o hacia la “zona de carga” por convección y/o radiación
(2006)*.
El efecto aislante del poliestireno expandido (ensayo aislación máxima),
mostró una eficiencia en la conservación de la energía calórica en la
superficie de la “zona de carga” bajo el invernadero modelo de un 84%.
Esto se hizo posible gracias a los espacios de aire que posee el material
que retrasa la transferencia de calor (PERRY, 1982).
* Corvalán, C. 2006. Profesor Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Facultad de Agronomía. Comunicación personal.
Con respecto a la sumatoria de las pérdidas energéticas totales el valor
fue de 43,2 (Kcal), mientras que el ensayo de cuantificación de pérdidas
totales arrojó como resultado 40 (Kcal).
4.3. Comportamiento térmico en período diurno y nocturno:
A partir de los valores promedio de las tres repeticiones que se registraron
en el ensayo de cuantificación de pérdidas energéticas totales (Anexo 9),
se estableció el comportamiento térmico en el “período de carga” y en el
“período de pérdidas” en el modelo experimental. Se recurrió al uso de
estos registros, por ser los que más se asemejarían a un invernadero real.
Al interior del invernadero modelo (Figura 13), la temperatura del suelo
mostró un aumento de alrededor de 12ºC, mientras que la del aire subió
violentamente en cerca de 10ºC, ambos cambios en la temperatura se
generaron en el “período de carga”. Estas alzas se explican a partir de
que la radiación directa atraviesa la cubierta del invernadero y es
absorbida (además de reflejada y transmitida) por el suelo y estructura del
invernadero, estos cuerpos emiten parte de la energía, que no atraviesa el
material de cobertura, produciéndose un aumento de la temperatura
interna sobre la externa (GARIGLIO y BOUZO, 2000).
Al inicio del “período de pérdidas”, la temperatura del aire interior
experimentó un descenso, de 10ºC en los primeros 30 minutos, después
la baja continuó de forma más pausada, hasta llegar a un mínimo de
22ºC. Con respecto a la temperatura del suelo interior, ésta continuaba su
ascenso en cerca de 3ºC, por alrededor de 40 minutos, luego de esto
comenzaba a bajar paulatinamente hasta registrar 28ºC. Esto se explica
según GARIGLIO y BOUZO (2000), porque a partir de que se apaga el
foco, no hay ganancia de energía por parte del invernadero modelo, los
cuerpos al interior de él (en este caso el suelo) siguen emitiendo
radiación, que es retenida por el material de cubierta, demorando el
enfriamiento respecto a la temperatura externa.
FIGURA 13. Registro de temperaturas de suelo y aire promedio diario en
el interior del invernadero modelo.
En el exterior del invernadero modelo (Figura 14), fue posible observar
que en el “período de carga y el de pérdidas”, la temperatura ambiental
mostró un comportamiento con muy poca variación (alrededor de 4ºC).
Con respecto al suelo, éste sufrió una variación de alrededor de 1ºC entre
el “período de carga y el de pérdidas”, la explicación de esta alza es por la
transferencia de calor por conducción, generada por la diferencia de
temperatura, entre las “zona de carga y de pérdidas”.
FIGURA 14. Registro de temperaturas de suelo y aire promedio diario en
el exterior del invernadero modelo.
5. CONCLUSIONES
En el modelo de simulación de un invernadero, se registró un alto índice
de conversión de luz en energía calórica al interior de dicha estructura, un
94% de la radiación incidente penetró a través del polietileno (150
micras), el porcentaje restante (6%), se disipó en diferentes direcciones.
En el interior del modelo de simulación de un invernadero, las pérdidas
energéticas más altas por cm2 de superficie resultaron ser por conducción
0,016 (Kcal/cm2), mientras que por convección y radiación fueron
considerablemente más bajas, 0,00512 (Kcal/cm2) y 0,0048 (Kcal/cm2) respectivamente. De los datos anteriores se desprende que es relevante
recurrir al uso de todos los elementos aislantes disponibles que permitan
reducir las pérdidas de calor desde el interior del invernadero al ambiente
circundante externo; para disminuir convección y radiación el uso de
mallas aluminizadas o similares resulta ser una buena alternativa.
En el desarrollo de los diferentes ensayos, se llegó a establecer que el
uso de un aislante térmico como el poliestireno expandido (40 mm de
espesor) en el suelo, mostró un 84% de eficiencia en la conservación del
calor, a una profundidad de 10 cm, pero el coeficiente de transmisividad
sufre variaciones al modificar la profundidad, y no fue materia de este
estudio establecer alguna relación del cambio de este valor.
6. RESUMEN
La investigación consistió en estudiar las pérdidas de calor nocturnas por el suelo, al interior de un invernadero, en época invernal. La hipótesis planteada fue que al aislar el perímetro de suelo de un modelo de simulación con poliestireno expandido (plumavit), se logra incrementar el período de conservación de energía calórica al interior de dicha estructura. La construcción de la estructura experimental, se centró en imitar un invernadero común, éste se instaló sobre una caja de madera, que se rellenó con una mezcla de suelo (orgánico y de textura arcillosa). Se recreó el día (“período de carga”) por 4 horas y noche (“período de pérdidas”) durante un tiempo sucesivo de igual duración, se registraron las temperaturas en los mismos puntos. Con respecto al mecanismo de aislación, se usó poliestireno expandido (40 mm de espesor) aislante a pérdidas por convección, y papel aluminio como aislante a pérdidas por radiación. Las variables manejadas fueron el cambio de aislante entre la “zona de carga” y la “zona de pérdidas”, y también en la superficie de carga bajo el invernadero modelo, para así discriminar las pérdidas por radiación, convección y conducción, además de la aislación máxima y cuantificación de pérdidas energéticas totales. Al igualar la superficie de exposición (cm2), los valores de pérdidas energéticas fueron: 0,00512 (Kcal/cm2) por convección; 0,0048 (Kcal/cm2) por radiación; 0,016 (Kcal/cm2) por conducción. De los resultados anteriores se desprende que las pérdidas energéticas (convección, conducción y radiación) son elevadas en términos numéricos, por lo que es relevante recurrir al uso de todos los elementos aislantes disponibles.
7. ABSTRACT
The following investigation is based in the study of heat loss form the ground at night inside a greenhouse, throughout winter The study’s hypothesis was that by isolating the ground perimeter of a simulation model with expanded polystyrene would allow the conservation of caloric energy inside this structure for a longer period of time The construction of the structure used for the experiment was based in imitating a common greenhouse which was installed over a container box filled with a mixture of organic ground and clay. Day and night were recreated by turning the lights on for 4 hours (day) and off (night) for successive periods of time of equal duration where temperature was measure. Regarding the isolation method, expanded polystyrene was used (40 mm of thickness)and the variables under control were the insulator movement towards the upper and lateral sector of the structure to discriminate heat loss because either radiation, convection or conduction, maximum isolation and quantification of total energy loss. In equal areas of exposure (cm2), the results of heat loss are as follows: 0,00512 (Kcal/cm2) by convection; 0,0048 (Kcal/cm2) by radiation and 0,016 (Kcal/cm2) by conduction. According to the results that were obtained it is possible to say that the heat loss from the ground (convection, radiation and conduction) is high numerically speaking so it is important to use every isolating elements available.
8. LITERATURA CITADA
ACEVEDO, E. 2004. Flujo de calor en el suelo, (on line). http:// www.sap.uchile.cl/docencia/Biofisica%20ambiental/12.Flujo%20de%20calor%20en%20el%20suelo.pdf
ALPI, A. y TOGNONI, F. 1991. Cultivo en Invernadero. Madrid, Mundi- Prensa. 254 p.
ASOCIACIÓN NACIONAL DE POLIESTIRENO EXPANDIDO. 2003. La Espuma de Poliestireno Expandido, (on line). http://www.anape.es/index.htm
BETANCOURT, R. 2003. Fenómenos de transferencia, (on line). http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090013/links/PDF/cap_1.pdf/index.html.
BUCKMAN, H. 1993. Naturaleza y propiedades de los suelos. México, DF, Americana S.A de C.V. 590 p.
CORVALÁN, C. 1997. El sistema invernadero. Empresa y Avance Agrícola 19: 8-10.
DORRONSORO, C. 2005. Introducción a la edafología, (on line). http://edafologia.ugr.es/introeda/tema00/progr.htm.
FIGUEROA, D. 2004. Conducción y convección, (on line). http://www2.udec.cl/~dfiguero/curso/concon/concon.html
FITZ, P. 1996. Introducción a la ciencia de los suelos. México, DF, Trillas. 288 p.
FOTH, H. 1997. Fundamentos de la ciencia del suelo. México, DF, Continental. 433 p.
FRANCESCANGELI, N. 1998. Hortalizas protegidas. La cobertura del invernadero, (online). http://www.inta.gov.ar/sanpedro/info/doc/ hor/nf_001.htm
FRANCESCANGELI, N. 1999. Hortalizas protegidas. El microclima en el invernadero hortícola. Parte I. Características de las estructuras que permiten mejorar las condiciones ambientales de los cultivos, (online). http://www.inta.gov.ar/sanpedro/info/doc/hor/nf_005.htm
GARCÍA, A. 2005. Edafología. Ciencias Ambientales, (on line). http://www.unex.es/edafo/CAEdProgTeor.html.
GARIGLIO N. y BOUZO, C. 2000. Climatización de invernaderos en períodos fríos, (online). http://www.fca.unl.edu.ar/intensivos/exten2. htm
GUARISMA, R. y CORTEZ DE BENITEZ, I. 1994. Estimación del flujo calórico en base a observaciones de la temperatura del suelo cercanas a la superficie, (on line). http://redpav-fpolar.info.ve/fagro/v20_34/v203a040.html.
HOLMAN, J. 1996. Transferencia de calor. México, DF, Continental. 621 p.
IGLESIAS, N. 2002. Producción bajo invernadero, La transmisión de la radiación en el norte de la Patagonia, (on line). www.inta.gov.ar/altovalle/info/biblo/rompecabezas/pdfs/rompe41iglesias.pdf
INZUNZA, J. 2004. Temperatura y calor, (on line). http://www2.udec.cl/~jinzunza/biofisica/biofis4.pdf
IRIARTE, A., LUQUE, V., BISTONI, S y SARAVIA, L. 2003. Simulación de flujos energéticos y requerimientos de calefacción auxiliar en invernaderos solares, (on line). http://www.asades.org.ar/averma/averma7-2003/art097.pdf
KERN, D. 2001. Procesos de transferencia de calor. México, DF, Continental. 980 p.
OYANEDEL, E. y PEÑALOZA, P. 2001. El ambiente bajo invernadero y su efecto en el vegetal. In: DUIMOVIC, A., SAN MARTÍN, S., ROJAS, B., OYANDEL, E., PEÑALOZA, P. (eds). Curso-taller: Producción de hortalizas, Quillota, Universidad Católica de Valparaíso, Facultad de Agronomía. pp 3-17.
PERRY, H. 1982. Manual del Ingeniero Químico. Bogotá, Mc Graw-Hill. 800 p.
PLASTER, E. 1997. La ciencia del suelo y su manejo. Madrid, Parrinfo. 419 p.
PORTA, J. y LOPEZ, M., 1994. Edafología para la agricultura y el medio ambiente. Madrid, Mundi-Prensa. 807 p.
SERRANO, Z. 1994. Construcción de invernaderos. Madrid, Mundi-Prensa. 445 p.
VAN DE BRAACK, N. 1995. Physics of greenhouse climate. In: BAKKER, J., BOT, G. CHALLA, H., VAN DER BRAACK, N. (eds) (1995). Greenhouse climate control: an integrated approach Wageningen, Wageningen Pers. 279 p.
WEBER, R. 1995. Física para Ciencia e Ingenería. Madrid, Mc Graw-Hill. 350 p
ANEXOS
ANEXO 1. Tabla resumen de propiedades físicas de Espuma de Poliestireno Expandido (EPS).
PROPIEDADES NORMA UNE UDS. TIPOS EPS
TIPO I TIPO II TIPO III TIPO IV TIPO V TIPO VI TIPO
VII DENSIDAD Nominal EN-1602 kg/m³ 10 12 15 20 25 30 35
DENSIDAD Mínima kg/m³ 9 11 13.5 18 22.5 27 31.5 ESPESOR MÍNIMO mm 50 40 30 20 20 20 20 Tensión porCOMPRESIÓN condeformación del10%. (s10)
EN-826 KPa 30 40 65 100 150 200 250
Resistencia permanente a laCOMPRESIÓN conuna deformacióndel 2%
KPa - - 15-25 25-40 35-50 45-60 55-70
Resistencia a laFLEXION (sB)
EN-12089 KPa 50 60 100 150 200 275 375
Resistencia alCIZALLAMIENTO
EN-12090 KPa 25 35 50 75 100 135 184
Resistencia a laTRACCION
EN-1607 EN-1608 KPa - <100 110-290 170-350 320-410 300-480 420-580
Módulo deElasticidad KPa - <1.5 1.6-5.2 3.4-7.0 5.9-7.2 7.7-9.5 9-10.8
Indeformabilidad alcalor instantánea ºC 100 100 100 100 100 100 100
Indeformabilidad alcalor duradera con20.000 N/m2
ºC 75 75 75 80 80 80 80
Coeficiente dedilatación térmicalineal
1/K (xE-5) 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7
Capacidad TérmicaEspecífica J/(kgK) 1210 1210 1210 1210 1210 1210 1210
Clase de reacciónal fuego - M1 ó M4 M1 ó M4 M1 ó M4 M1 ó M4 M1 ó M4 M1 ó M4 M1 ó M4
Absorción de aguaen condiciones deinmersión al cabode 7 días
EN-12087
% (vol.) 0.5-1.5 0.5-1.5 0.5-1.5 0.5-1.5 0.5-1.5 0.5-1.5 0.5-1.5
Absorción de aguaen condiciones deinmersión al cabode 28 días
EN-12087
% (vol.) 1-3 1-3 1-3 1-3 1-3 1-3 1-3
Indice deresistencia a ladifusión de vaporde agua
92226 1 <20 <20 20-40 30-50 40-70 50-100 60-120
Fuente: ANAPE, 2003.
Valores de conductividad térmica de poliestireno expandido.
Densidad aparente (kg/m3) Conductividad térmica W/ (m*K) 10 0,0430 15 0,0413 20 0,0384 30 0,0361
Fuente: Instituto Nacional de Normalización, 1991.
ANEXO 2. Establecimiento línea base de temperatura.
A continuación se muestran los registros de temperatura promedio en el
modelo experimental, sin encender el foco.
Temperatura (ºC) Suelo exterior Suelo interior Aire exterior Aire interior
Máxima 24 20 19,1 19,6
Mínima 23,8 19,6 19 19,1
De acuerdo con los registros arrojados por los sensores, en el transcurso
del día, la temperatura máxima respecto a la mínima, varió 5 ºC,
considerándose este valor como bajo.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
20:00 22:00 0:00 2:10
Tiempo (hr)
Tem
pera
tura
(ºC
)
Suelo extSuelo intAire extAire int
Registro promedio de temperatura en el modelo experimental, sin
encender el foco.
ANEXO 3. Valores de masa y volumen de suelo en que se desarrollaron los ensayos.
La masa (kg), se obtuvo pesando el suelo que ocupa la totalidad de la
caja contenedora, con una balanza, el resultado fue de un total de 96 kg. El volumen de suelo en la caja contenedora (50cm ancho, 100 cm largo,
10 cm alto), se calculó de la siguiente manera:
50 (cm)*10 (cm)* 100 (mt) = 500 cm3
ANEXO 4. Especificaciones técnicas de foco halógeno “de alto rendimiento”
-La cubierta es una pieza de aluminio fundido a alta presión con
resistencia a la corrosión y durable uso.
- Diseño compacto, con un tamaño pequeño, bajo peso y bello contorno.
-Reflector de aluminio anodizado de alta pureza, cristal de 5 mm plano
endurecido, distribución de luz asimétrica, buena reflexión de la luz.
-Anillo sellado herméticamente, resistente al calor.
Aplicaciones: edificios, fábricas, jardines, tableros iluminados.
Curva de intensidad luminosa de foco halógeno “alto rendimiento”.
Dimensiones y visualización de foco halógeno “alto rendimiento” usado en
las experiencias de simulación.
ANEXO 5. Valores de radiación promedio en un día invernal.
A continuación se muestran los valores de radiación promedio obtenidos
en una estación meteorológica (La Palma, Quillota), el 23 de julio del año
2001, donde es posible apreciar que la máxima resulta ser entre las
13:00-14:00 h, en un día limitante en términos radiación, por ser baja.
Los valores de radiación promedio arrojados por la estación tienen como
unidad Watt/mt2, por lo que se recurrió al uso de la siguiente conversión:
1 Watt/mt2 = 110 Lux
HORA RADprom (w/m2) RADprom (Lux) 00:00 – 01:00 0,40 44,0 01:00 – 02:00 0,38 42,2 02:00 – 03:00 0,38 42,2 03:00 – 04:00 0,40 44,0 04:00 -0 5:00 0,40 44,0 05:00 – 06:00 0,40 44,0 06:00 – 07:00 0,40 44,0 07:00 – 08:00 0,50 55,0 08:00 – 09:00 8,53 938,7 09:00 – 10:00 32,47 3571,3 10:00 – 11:00 63,32 6964,8 11:00 -12:00 70,78 7786,2 12:00 – 13:00 68,63 7549,7 13:00 – 14:00 90,93 10002,3 14:00 – 15:00 77,05 8475,5 15:00 – 16:00 42,75 4702,5 16:00 – 17:00 23,55 2590,5 17:00 – 18:00 10,00 1100,0 18:00 – 19:00 1,40 154,0 19:00 – 20:00 0,35 38,5 20:00 – 21:00 0,40 44,0 21:00 – 22:00 0,32 34,8 22:00 – 23:00 0,38 42,2 23:00 – 00:00 0,38 42,2
ANEXO 6. Características técnicas de sensores.
Un iButton es básicamente un chip contenido dentro de una envoltura de
acero inoxidable de 16 mm de diámetro, ésta es lo suficientemente
robusta para resistir condiciones ambientales severas.
Es un sistema robusto y autosuficiente que mide y registra temperaturas.
La medición es efectuada con una periocidad definida por el utilizador,
guarda hasta 8192 registros de temperatura, medidos a intervalos
regulares configurables de 1 segundo hasta 273 horas.
Dentro de las especificaciones se pueden mencionar:
-Precisión: ±1°C de -30°C a +70°C
- Reloj interno con precisión de 2 minutos/mes (de 0°C a 45°C)
- Registra hasta 8192 lecturas consecutivas en una memoria no volátil
con acceso reservado
- Registra un histograma con la frecuencia de las temperaturas
medidas
- Límites de temperatura máxima y mínima admisible programables
- 512 Bytes de memoria no volátil disponible para el utilizador
- Batería con duración hasta 10 años
- Resistente a inmersión en agua: 30 días a 1mt y 25ºC
- Involucro de acero inoxidable con el número de identificación
grabado
- Soporta los ambientes más adversos
- Diversos accesorios de fijación disponibles
ANEXO 7. Sensores de temperatura utilizados en ensayos.
ANEXO 8. Potencia lumínica captada en el suelo al interior del modelo de invernadero.
Para establecer cuál es la potencia lumínica, se recurre al uso de la
siguiente conversión:
110 Lux = 0.86 (Kcal/h*m2)
En los ensayos realizados, se llegó a obtener una iluminancia máxima de
9600 Lux. El procedimiento matemático, se muestra a continuación:
110 Lux = 0.86 (Kcal/h*m2)
9600 Lux = X
De acuerdo con el desarrollo de la ecuación, la potencia lúmínica medida
en el suelo corresponde a: 75,05 (Kcal/hr*m2)
Para calcular la potencia de conversión en el área de experimentación, se
usaron las fórmulas siguientes:
Potencia de conversión (kcal/hr) = Potencia (kcal/hr*m2)*Área iluminada (m2) Área iluminada (m2) = largo (m)*ancho (m)
De acuerdo con lo expuesto, se llegó a obtener el siguiente resultado, en
relación con el área iluminada:
Potencia lumínica = 75,05 (Kcal/hr*m2)*0,25 (m2)
Potencia lumínica = 19 (Kcal/hr)
ANEXO 9. Registros de temperatura promedio de ensayos en el “período de carga” y en el “período de pérdidas”.
Registros promedio durante “período de carga” (foco encendido).
Hora Suelo ext Suelo int Aire ext Aire int
20:00 18,83 21,25 18,83 23,33 20:10 18,83 21,00 19,00 29,67 20:20 18,83 21,33 19,17 32,00 20:30 18,83 21,83 19,33 33,50 20:40 18,83 22,17 19,33 34,33 20:50 18,83 22,83 19,33 35,00 21:00 18,83 23,33 19,33 35,83 21:10 18,83 24,00 19,50 36,50 21:20 18,83 24,67 19,67 36,50 21:30 18,83 25,33 19,67 36,83 21:40 18,83 25,83 19,67 37,33 21:50 18,83 26,83 19,83 37,50 22:00 18,83 27,33 20,00 37,83 22:10 18,83 27,83 20,17 38,00 22:20 18,83 28,67 20,17 38,33 22:30 18,83 29,17 20,17 38,67 22:40 18,83 29,67 20,17 38,83 22:50 18,83 30,33 20,17 39,00 23:00 18,83 30,83 20,33 39,33 23:10 18,83 31,50 20,33 39,33 23:20 18,83 32,00 20,50 39,67 23:30 18,83 32,50 20,50 39,83 23:40 19,00 33,00 20,67 40,00 23:50 19,17 33,50 20,67 40,33
Registros promedio durante “período de pérdidas” (foco apagado).
Hora Suelo ext Suelo int Aire ext
Aire int 0:00 19,17 30,28 20,61 39,28 0:10 19,17 31,00 20,61 39,28 0:20 19,17 31,50 20,83 39,56 0:30 19,17 32,00 20,83 39,78 0:40 19,17 32,50 20,89 40,00 0:50 19,17 33,00 20,89 40,28 1:00 19,17 33,44 20,89 37,44 1:10 19,17 33,94 20,67 31,00 1:20 19,17 34,17 20,67 28,50 1:30 19,17 34,39 20,67 27,44 1:40 19,17 34,39 20,67 26,72 1:50 19,17 34,11 20,67 26,22 2:00 19,17 33,83 20,67 25,72 2:10 19,17 33,61 20,67 25,22 2:20 19,17 33,33 20,67 25,00 2:30 19,17 33,06 20,44 24,72 2:40 19,17 32,78 20,17 24,28 2:50 19,17 32,28 20,17 24,22 3:00 19,17 32,28 20,17 24,00 3:10 19,17 31,78 20,17 23,78 3:20 19,17 31,28 20,17 23,50 3:30 19,17 31,22 20,17 23,50 3:40 19,17 30,78 19,94 23,28 3:50 19,33 30,72 19,94 23,00 4:00 19,33 30,28 19,94 22,78
ANEXO 10. Valores promedio de energía convertida en calor al interior del modelo de simulación de invernadero.
Para calcular la conversión de luz en calor, se usó la fórmula siguiente:
Energía (kcal) = masa (kg)*Ce(Kcal/ºC*kg)*dT(ºC) Potencia de conversión (kcal/h) = Energía (kcal) / tiempo (h)
La masa (kg), se obtuvo al pesar el contenido de suelo dentro de la caja
contenedora, que ocupa el invernadero modelo, en una balanza, dando
como resultado 48 kg.
Para la obtención de diferencia de temperatura (dT), se hizo de la forma
siguiente para cada ensayo: se calculó el valor promedio de los datos,
tomando la temperatura máxima y mínima de suelo interior registrada en
el “período de carga”, se hizo una sustracción entre ellas.
El valor del calor específico (Ce) usado fue de 0,2 (Kcal/ºC*kg) (CORVALÁN, 1997).
Para llegar a resultados en unidades de potencia, se estableció como
tiempo (h), 4 horas, ya que éste corresponde al “período de carga” (20:00
PM a las 00:00 AM).
En las diferentes experiencias de simulación, se obtuvieron los siguientes resultados promedio:
Ensayo Tº final (ºC) Tº inicial (ºC) dT (ºC) masa (kg) Calor específico (Kcal/h*ºC*kg)
Energía (Kcal)
Potencia (Kcal/h)
Pérdidas por el aislante 28,67 21,17 7,5 48 0,2 72 18 Pérdidas por convección 30,17 22,8 7,37 48 0,2 70,75 17,69 Pérdidas por radiación 30,47 23 7,47 48 0,2 71,71 17,93 Pérdidas por radiación y convección 28,83 21,33 7,5 48 0,2 72 18 Pérdidas por conducción 32,35 24,9 7,45 48 0,2 71,52 17,88 Pérdidas totales 33,1 25,73 7,37 48 0,2 70,75 17,69 Promedio 71,5
ANEXO 11. Procedimiento matemático para calcular pérdidas energéticas en ensayos.
Para calcular las pérdidas energéticas promedio, se usó la fórmula
siguiente:
Energía (kcal) = masa (kg)*Ce(Kcal/ºC*kg)*dT(ºC) Potencia de conversión (kcal/h) = Energía (kcal) / tiempo (h)
La masa (kg), se obtuvo al pesar el contenido de suelo dentro de la caja
contenedora, que ocupa el invernadero modelo, en una balanza, dando
como resultado 48 kg.
Para la obtención de diferencia de temperatura (dT), se realizó de la
forma siguiente para cada ensayo: se calculó el promedio de los datos,
tomando la temperatura máxima y mínima de suelo interior registrada en
el “período de pérdidas”, se hizo una sustracción entre ellas. Se restó al
resultado obtenido el valor de aislación máxima.
El valor del calor específico (Ce) usado fue de 0,2 (Kcal/ºC*kg) (CORVALÁN, 1997).
Para llegar a resultados en unidades de potencia, se estableció como
tiempo (h), 4 horas, ya que éste corresponde al “período de pérdidas”
(00:10 AM a las 04:00 PM).
Los resultados obtenidos son los siguientes:
Ensayo Tº final (ºC) Tº inicial (ºC) dT (ºC) masa (kg) Calor específico (Kcal/h*ºC*kg) Energía (Kcal)
Potencia (Kcal/h)
Pérdidas por el aislante 29 28,33 0,67 48 0,2 6,4 1,6 Pérdidas por convección 30,67 28,67 2 48 0,2 19,2 - 6,4 12,8 3,2 Pérdidas por radiación 30,35 28,43 1,92 48 0,2 18,43 - 6,4 12 3 Pérdidas por radiación y convección 29,6 26 3,6 48 0,2 34,56 - 6,4 28,8 7,2 Pérdidas por conducción 32,85 31,35 1,5 48 0,2 14,4 - 6,4 8 2 Pérdidas totales 33,5 28,67 4,83 48 0,2 46,37 - 6,4 40 10