Ingeniería Mecánica E-ISSN: Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría.

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1 Ingeniería Mecánica E-ISSN: Instituto Suerior Politécnico José Antonio Echeverría Cuba Andrade Gregori, Ma. D.; Hernández Rubio, R.; Piedra Díaz, M. Determinación exerimental de los coeficientes locales de transorte de humedad en almacenes soterrados Ingeniería Mecánica, vol. 9, núm. 2, mayo-agosto, 2006, Instituto Suerior Politécnico José Antonio Echeverría Ciudad de La Habana, Cuba Disonible en: htt:// Cómo citar el artículo Número comleto Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, Esaña y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

2 68 Ingeniería Mecánica, 2 (2006) Determinación exerimental de los coeficientes locales de transorte de humedad en almacenes soterrados. Ma. D. Andrade Gregori, R. Hernández Rubio, M. Piedra Díaz. Instituto Suerior de Tecnologias y Ciencias Alicadas Av. Salvador Allende y Luaces. Quinta de los Molinos Municiio: Plaza de la Revolución. Aartado Postal: 6163 Ciudad de la Habana. Cuba mdolores@rsch.isctn.edu.cu, miedra@rsch.isctn.edu.cu (Recibido el 20 de Noviembre de 2005, acetado el 15 de Febrero de 2006) Resumen. En el trabajo se fundamentan los mecanismos de transorte de humedad que tienen lugar en almacenes soterrados dadas las características climáticas y geohidrològicas de Cuba. Se establece una analogía con la ley de Fick y se roone un modelo teórico que describe este mecanismo de transorte hacia las cavidades. Se determinó exerimentalmente los coeficientes locales de transorte de humedad ara diferentes tios de recubrimiento en aredes y diferentes formas geométricas de los almacenes. Palabras claves: Almacenes, soterrado, humedad, conservación, coeficientes. 1. Introducción. Desarrollar un royecto de deshumidificación eficiente en una obra soterrada con el roósito de obtener un microclima que resonda a las condiciones mínimas de almacenamiento asivo de los medios que se conservan en las mismas tales como: Equios óticos y óticos electrónicos de alta sensibilidad a la humedad, requiere del conocimiento de los mecanismos básicos de transorte humedad que rigen el comortamiento climático de estos locales. Cualquier cavidad soterrada en ausencia de intercambio con el exterior osee unos arámetros de humedad y temeratura de equilibrio, que dadas las condiciones del subsuelo, ueden ermanecer constantes en diferentes éocas del año. Esto se cumle según [1] ara rofundidades sueriores a 2.40 m, en las que la influencia de la temeratura exterior se hace más sensible a medida que nos acercamos a la suerficie. Las articularidades climáticas y geohidrològicas de Cuba exlican la elevada humedad existente en estas cavidades soterradas, de manera que si se elimina el intercambio con el aire exterior la humedad tiende a ser suerior al 90 % de humedad relativa y la temeratura ermanece constante en rangos entre C. En Cuba más del 65% del territorio está constituido or macizos cársticos carbonatados, redominando el escurrimiento subterráneo sobre el suerficial. Si no fuera or la humedad que aorta el subsuelo, las condiciones de temeratura existente en una obra soterrada, harían de él un lugar ideal ara el almacenamiento asivo de la técnica a conservar. Los royectos de deshumidificación se llevan a cabo en los almacenes soterrados que se encuentran dentro de las obras soterradas. Estos almacenes son locales de gran volumen ubicados dentro de la obra, se aíslan comletamente del asillo central, utilizando uertas y conductos hermetizados, y se encuentran enclavados en un manto rocoso con una elevada tensión de vaor de agua. Estos tienen las mismas articularidades climáticas de toda cavidad soterrada con rofundidades mayores a 2,40 m y desde el unto de vista constructivo no se destinan materiales imermeabilizantes o barreras de vaor que eviten las condensaciones internas en aredes no siendo esto factible ni técnica ni económicamente. El agua que roviene del manto rocoso se evacua a través de canales de desagüe que circulan or la obra. En el trabajo se muestran los modelos de ronóstico que describen los mecanismos de transorte de humedad hacia las cavidades y se hace una comaración con los modelos que se utilizan en la literatura tradicional [1,2,3], estableciendo las limitaciones que imosibilitan su alicación en condiciones de soterramiento. Se determinan los coeficientes locales de transorte de humedad, obtenidos exerimentalmente ara diferentes tios de recubrimiento en aredes y forma geométrica de los almacenes Ediciones MECANICA

3 Ma. D. Andrade Gregori, R. Hernández Rubio, M. Piedra Díaz. 69 Se dan criterios a tener en cuenta durante la etaa de royecto constructivo de una obra en cuanto a la generalización de los modelos ara ser alicados a diferentes obras con diferentes formas geométricas y su influencia en el transorte de humedad. 2. Fundamentación teórica. Las características climáticas, constructivas y geohidrològicas de estos almacenes soterrados en Cuba condicionan los valores de humedad mínima en los mismos, es decir, la contribución de humedad a los locales no es la misma en almacenes con aredes de hormigón armado con acabado o sin acabado, con gunitaje o simlemente sin revestimiento de hormigón. Por lo que un royecto de deshumidificación en estas obras está condicionado a la humedad mínima que uede roorcionar el local y los niveles de tolerancia establecidos ara la técnica que se retende conservar. El conocimiento detallado de ambas condicionantes evitaría trabajar inútilmente contra esta elevada carga de humedad que aorta el manto rocoso a la cavidad que ara vencerla requeriría un tiemo de deshumidificación ilimitado lo cual sería inalcanzable desde el unto de vista técnico e incosteable desde el unto de vista económico. Los modelos teóricos que se emlean en los métodos tradicionales de diseño de climatización dados en [2], están definidos ara el caso de una ared de esesor finito y exresados en función de las emisiones de vaor a ambos lados de la ared, de la forma siguiente: xi J = α ( e1 e2 ) x 0 e 1 y e 2 : Tensión de vaor a ambos lados de la ared (Pa) Xi : esesor de la ared ara el coeficiente de ermeancia reortado en la literatura (m) X o : esesor de la ared ara la cuál se quiere hacer el cálculo (m). α : Coeficiente de ermeancia (Kg /m 2 h Pa). [Para hormigón armado (X =0.025m) α = 0.66x10-6 Kg/hm 2.Pa)] J : Flujo de vaor de agua que se transfiere or unidad de área erendicular a la dirección de transferencia de humedad or unidad de tiemo a través de una ared de esesor finito, en Kg /m 2 h. 3. Desarrollo. Este modelo teórico no se ajusta totalmente a las condiciones de soterramiento, su limitación fundamental está dada en el cálculo exerimental del coeficiente de ermeancia, que como conceto no uede ser utilizado a estas condiciones. Los almacenes soterrados se encuentran enclavados dentro de un manto rocoso con un esesor de ared no definido y sometido a una elevada tensión de vaor dada la cantidad de agua que se acumula en el mismo, sin intercambio con el medio exterior osee unos arámetros de humedad y temeratura de equilibrio. Teniendo en cuenta esta limitación se hace una analogía con la ley de Fick [4] ara determinar la cantidad de vaor que se difunde or unidad de suerficie y de tiemo desde las aredes hacia el interior de los almacenes, exresada or [5, 6]: ( ρ ρ ) J = α Modelo teórico (I) V V ρ : Densidad de vaor asociada a la ared, a las V condiciones climáticas de equilibrio en Kg. / m 3 ρ V : Densidad de vaor en el local en Kg. / m 3 α: Constante de roorcionalidad en m /s. J Flujo de vaor de agua que se transfiere or unidad de área erendicular a la dirección de transferencia de humedad or unidad de tiemo, en Kg. / m 2 h. El coeficiente α es un coeficiente local de transorte de humedad que deende de la rugosidad de las aredes, del movimiento del aire alrededor de las mismas, de su temeratura, así como de las características geométricas del local. El gradiente que romueve el transorte de humedad en los almacenes está dado or la diferencia de densidades de vaor asociada a la ared y a la del local. La densidad de vaor asociada a la ared queda determinada or las condiciones climáticas de equilibrio en cada local. En esta modelo se emlea la densidad del vaor como magnitud física ara facilitar la automatización de la carta sicométrica. Cada almacén soterrado tiene un coeficiente de forma que caracteriza la forma geométrica de las cavidades que viene dada or: S ξ = V Cuando la longitud de las cavidades es L > 10 ξ como sucede en la mayoría de los almacenes se cumle que: ξ = Pt S t

4 70 Determinación exerimental de los coeficientes locales de transorte de humedad en almacenes soterrados. Modelo de ronóstico (Ib) Hr : humedad relativa del local; (%) Hr P: humedad relativa asociada a la ared; (%) Hr o: humedad relativa inicial en el local; (%) Figura 1. Reresentación esquemática de un almacén soterrado. El diferente grado de humectación del revestimiento de la cavidad hace que la exresión analítica sea comleja, no obstante, en una rimera aroximación se considera a esta magnitud como constante. La masa de vaor que se incorora al volumen en la unidad de tiemo viene dado or: dρ V Pt = J dt St La ecuación anterior toma la forma: dρv = β dt ( ρ ρ ) v v Siendo β = αξ β: Coeficiente de transiración de las aredes que se determina exerimentalmente (h -1 ) Considerando que inicialmente la densidad del vaor en el recinto es ρ ov, entonces la solución de la ecuación diferencial anterior es simle, y tiene la forma: ρ = ρ + ( ρ ρ ) Modelo de ronóstico (Ia) v v ov t v e β En el caso de que la densidad de vaor asociada a la ared sea mayor que la del aire, entonces estamos en resencia de un aumento de la densidad de vaor en el local que tiende asintóticamente al de la ared. Si existe equilibrio térmico entre la ared y el recinto, entonces la razón de mezcla de saturación es la misma ara ambas, y en general, se cumle la relación: ρ v = ms H R ρ as ρ as : densidad del aire seco (Kg./ m 3 ) m s : razón de mezcla en Kg. de vaor de agua/ Kg. de aire. H R : humedad relativa (%). Entonces el modelo de ronóstico (Ia) se reduce a: βt Hr = Hr + Hr Hr ) e ( 0 Para comrobar el modelo teórico (I) se llevó a cabo un estudio exerimental en 10 obras soterradas del aís con diferentes condiciones climáticas y en almacenes con diferentes tios de aredes, que ermitió validar los modelos de ronóstico (Ia) y (Ib) anteriormente exuestos, que describen los mecanismos de transorte de humedad hacia las cavidades y el cálculo de los coeficiente locales de transorte de humedad. 3.1 Determinación de los coeficientes de transorte de humedad en almacenes soterrados. Se utilizaron los datos registrados en cartas higrotermográficas durante la conexión y desconexión de los equios de deshumificación instalados en los almacenes soterrados ara validar los modelos de ronóstico (Ia) y (Ib), y se rocedió de la forma siguiente: Se deshumidificó el local hasta una humedad relativa dada, deteniéndose la misma y eserando que el sistema llegue al equilibrio como se muestra en la figura 2, donde se muestra el comortamiento de la humedad relativa en el tiemo durante la desconexión del deshumidificador en un almacén soterrado y su curva de tendencia corresondiente al modelo de ronóstico (Ib). Con los datos de humedad relativa en el tiemo y utilizando el modelo de ronóstico (Ib) se determinaron los coeficientes del transorte de humedad en los almacenes soterrados: ln( Hr Hr ) = ln( Hr 0 Hr ) β del modelo de ronóstico (Ib) Siendo: y = ln( Hr Hr ) x = t Siendo: m = β : Pendiente de la recta b = ln( Hr0 Hr ) : interceto Al alicar un ajuste or mínimos cuadrados utilizando el rograma Origin versión 5.0 a la ecuación linealizada del modelo (Ib) se obtienen los valores de endiente e interceto, siendo β = -m (endiente). En la figura 3 se reresenta las líneas de tendencia de datos exerimentales ara evaluar los coeficientes de transiración de las aredes de hormigón armado con y sin acabado. t

5 Ma. D. Andrade Gregori, R. Hernández Rubio, M. Piedra Díaz. 71 Humedad relativa (%) R 2 = mediciones trihorarias datos exerimentales Logarítmica (datos exerimentales) Figura 2. Carta higrotermogràfica donde se refleja el comortamiento de la humedad relativa en el tiemo durante la desconexión del deshumidificador en un almacén soterrado. Figura no. 3. Líneas de tendencia de datos exerimentales ara evaluar los coeficientes de transiración. Se tabulan los valores de β estimados ara diferentes tios de aredes en los almacenes. Tabla no 1. Valores de coeficientes de transiración estimados ara diferentes tios de aredes en almacenes soterrados. Tio de ared en los almacenes Paredes de hormigón armado con acabado Paredes de hormigón armado sin acabado Coeficiente β (h -1 ) Error (%) % % Los almacenes soterrados con gunitaje o sin revestimiento de hormigón aortan una carga de humedad tan elevada imosible de controlar con un simle sistema de deshumidificación. Por lo que en estos casos no queda otra alternativa que el emleo de costosos contenedores de olietileno que recubran toda la técnica que se retende conservar ara realizar la deshumidificación. 3.2 Cantidad de vaor que se difunde or unidad de suerficie y de tiemo desde la ared hacia el interior de los almacenes soterrados. A la hora de seleccionar el equiamiento necesario ara realizar la deshumidificación en los almacenes soterrados es imortante calcular la cantidad de vaor que se difunde del manto rocoso hacia las cavidades soterradas. Los rinciales factores que determinan este flujo de vaor (J) son: el gradiente de humedad entre las aredes del almacén y la del aire contenida en el local (ρ v -ρ v ) y los coeficientes locales de transorte de humedad ( α).

6 72 Determinación exerimental de los coeficientes locales de transorte de humedad en almacenes soterrados. En la tabla número 2 se muestran los coeficientes locales de transorte de humedad y el flujo de vaor que se difunde teniendo en cuenta las diferentes secciones tíicas de los almacenes soterrados en el aís, con su coeficiente de forma característico (ξ). Este cálculo se realizó utilizando el modelo teórico I alicado ara locales con aredes de hormigón armado sin acabado y cuyo gradiente está dado ara un intervalo de HR entre 60 y 80% con T = 298 ªK. Los resultados obtenidos muestran que aquellas secciones con mayores coeficientes de forma, es decir, mayor suerficie de transorte de humedad or metro cúbico de volumen, tienen un mayor intercambio de humedad, lo cuál no es conveniente desde el unto de vista climático. Criterio este a tener en cuenta si se quiere desarrollar un royecto de deshumidificación eficiente. Para iguales gradientes de humedad la sección T-32 transmite 5 veces más humedad que la T-15 or m 2 de suerficie, quedando demostrada la imortancia del elemento constructivo en el transorte de humedad y en la eficiencia del roceso de secado en los almacenes soterrados. 4. Conclusiones. Los mecanismos de transorte de humedad en almacenes soterrados dadas las articularidades constructivas, climáticas y geohidrológicas de los mismos quedan fundamentados a artir del modelo teórico I validado exerimentalmente y que se ajusta a las condiciones de soterramiento. Para su comrobación se llevó a cabo un estudio exerimental en 10 obras soterradas del aís con diferentes condiciones climáticas y en almacenes con diferentes tios de aredes, que ermitió validar los modelos de ronóstico (Ia) y (Ib) y el cálculo de los coeficientes locales de transorte de humedad. A la hora de seleccionar el equiamiento necesario ara realizar la deshumidificaciòn en estos almacenes soterrados es imortante conocer la cantidad de vaor que se difunde del manto rocoso hacia las cavidades soterradas y sólo esto se hace osible con la determinación exerimental de los coeficientes locales de transorte de humedad. 5. Bibliografía. 1. ASHRAE Handbook on Fundamentals, Chater 20, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Harriman I.; Lewis G.; The Dehumidification Handbook Segunda edición. Editorial Mason - Grant Comany. 3. Carrier Handbook of air Conditioning System Design. 4. Icroera Frank.P, DeWitt David P. Fundamentos de la transferencia de calor Cuarta edición. 5. Andrade, M.D Diseño de climatización de locales soterrados. Tesis de Maestría ISPJAE. CETER. 6. Hernández.R Consideraciones reliminares sobre la actividad climática en una obra soterrada. Presentado en XII Forum de Ciencia y Técnica. 7. Norma ASTM C Determinación de la transmisión de vaor de agua en materiales gruesos utilizados como aislamiento. Tabla no. 2. Coeficientes locales de transorte de humedad y flujo de vaor que se difunde hacia los almacenes teniendo en cuenta el coeficiente de forma característico de cada sección. Secc. S (m 2 ) ξ(m 2 /m 3 ) β (h -1 ) J (Kg/dìa) Secc. S (m 2 ) ξ(m 2 /m 3 ) β (h -1 ) J(Kg/dìa) T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 T E-02 Exerimental determination of local humidity transort coefficients in underground warehouses. Abstract. In this aer the mechanisms of humidity transort are exlained. These mechanisms have lace in underground warehouses according to the climatic and geohydrological characteristics of Cuba. An analogy with the Fick s law is stated and it intends a theoretical model that describes this mechanism of transort toward the cavities. It was determined the local coefficients of transort of humidity exerimentally for different recover tyes in walls and different geometric forms of the warehouses. Key words: Store, buried, humidity, conservation, and coefficients.