Diseño y construcción de una cámara de temperatura controlada

Abstract

Se diseñó y construyó una cámara de temperatura controlada para el laboratorio de Termofluidos de la Facultad de Ingeniería de la UNAM, esta cámara tiene una estructura hecha de acrílico y está cubierta en su interior con un aislante térmico para disminuir la pérdida de calor de las paredes hacia el exterior. Es capaz de mantener la temperatura en su interior dentro de un rango de temperatura, especificado por el usuario, mediante un sistema de control On-Off, el cual controla el encendido y apagado de cuatro dispositivos calefactores. Cada uno de estos dispositivos está compuesto de una resistencia de nicromel que calienta el aire y un ventilador que sirve para distribuir el aire y uniformizar su temperatura.

A partir de un análisis de necesidades y especificaciones, así como de las condiciones de operación de las cámaras de temperatura comerciales se generaron varios conceptos. Se realizó un ensamble virtual con las herramientas de un software de diseño mecánico donde se modelaron todos los componentes de la cámara, a partir de ahí se seleccionó el mejor concepto para fabricar. La cámara consta de dos sistemas; el sistema mecánico con diez elementos principales, y el sistema de control de temperatura de tipo On-Off el cual incluye una etapa de potencia para acondicionar las señales de control y sensores para la medición de temperatura, este control se programó en LabVIEW y cuenta con un panel de manejo de fácil compresión.

Los dispositivos calefactores fueron probados en una maqueta prototipo durante una hora y 10 minutos para verificar su correcto funcionamiento. Los termopares utilizados durante las pruebas fueron calibrados para reducir los errores en la exactitud de las lecturas de temperatura. Se realizó una prueba donde se monitoreó la temperatura en el interior de la cámara, a partir de los resultados de esta prueba se comparó el comportamiento experimental de la temperatura con los resultados del modelo teórico, el cual fue generado en un programa de Mathematica que resuelve la ecuación resultante del análisis de parámetros concentrados.

Al comparar los resultados se encuentra que la curva teórica presenta más ciclos de calefacción y enfriamiento que la experimental para el mismo periodo de tiempo, aproximadamente tres veces más, esto se debe a la incertidumbre en los valores del coeficiente convectivo interno y externo y que se desprecia el valor de la resistencia térmica de contacto entre los materiales que conforman las paredes de la cámara.

Finalmente, se entregó el dispositivo al laboratorio de Termofluidos para su uso.