Un nuevo artículo dedicado a la energía térmica de los invernaderos, y en esta ocasión nos centramos en las
transferencias convectivas y de ventilación. La transferencia incluye las
transferencias de calor y masa entre las superficies sólidas y el aire
(paredes, raíces, hojas) junto con aire, calor, vapor de agua y transferencia
de gas del trazador a o desde el aire interior.
La transferencia radiativa y
convectiva son los principales procesos de intercambio directamente influyendo
la producción del cultivo a través de fotosíntesis y transpiración. Sus
resultados combinados también actúan en el microclima del invernadero y
sucesivamente afectan el crecimiento y desarrollo del cultivo. La cantidad y
calidad de radiación que el material que cubre el invernadero permite entrar ha
sido estudiado desde hace años.
Ya que la industria de los
invernaderos migró gradualmente desde regiones norteñas hacia latitudes menores
la ventilación comenzó a ser importante.
La compresión exacta de los
mecanismos de intercambio de aire puede usarse para controlar la temperatura
del aire, el enriquecimiento de CO2, el calentamiento del aire y el suelo, el uso de la energía solar y el suministro de
nutrientes. Un proceso esencial es el intercambio de aire entre el interior y
exterior del invernadero. Esto directamente afecta al transporte de calor
sensible, vapor de agua y CO2 a o desde el aire interior. Por lo tanto, una
comprensión exacta de los mecanismos de intercambio de aire puede usarse para
controlar la temperatura del aire y la concentración de CO2 y disminuir la
humedad excesiva causada por la transpiración de la planta.
Varias aproximaciones teóricas y
experimentales se han usado, y asociadas con los balances de transferencia de
masa y calor, ayudan a determinar el clima del invernadero y a dimensionar los
sistemas de controla climático tales como calefacción, enfriamiento,
humidificación, deshumidificación y enriquecimiento de CO2.
Ecuaciones del flujo de fluidos basado en las hipótesis de homogeneidad
Macro-modelo
Las ecuaciones del caudal del
fluido constituyen un micro-modelo que ayuda a describir con precisión el
comportamiento dinámico de cada punto en el fluido. En situaciones de
ventilación del invernadero, pueden tomarse en cuenta algunas asunciones para
determinar un modelo que acopla el dominio espacial de interés. Estas
asunciones son:
a) Caudal
en estado estacionario.
b) Caudal
no viscoso.
c) Caudal
homogéneo.
d) Caudal
gravitacional.
Ecuación de Bernoulli
Tomando en cuenta las asunciones
anteriores, la ecuación de impulso para el fluido de cada localización en el
flujo del fluido llega a ser:
La energía de un fluido en
cualquier momento consta de tres componentes:
- Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido;
- Potencial o gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea;
- Energía de presión: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.
- La siguiente ecuación conocida como "ecuación de Bernoulli" consta de estos mismos términos.
donde:
- V = velocidad del fluido en la sección considerada.
- ρ = densidad del fluido.
- P = presión a lo largo de la línea de corriente.
- g = aceleración gravitatoria
- z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
La determinación experimental de
las pérdidas de presión se hace generalmente por mediciones de presión.
Una caída de presión ∆PAB
entre dos puntos nos proporciona las dos siguientes ecuaciones:
La determinación experimental de
las pérdidas de altura se hace generalmente por mediciones de presión.
Se usa una caída de presión ∆PAB
que da las siguientes ecuaciones:
Esta caída de presión ∆PAB
puede estar relacionada a la energía cinética desechable con
Donde Ϛ es el valor del coeficiente de caída de
presión (adimensional) del cual dependen las condiciones de flujo (régimen de
flujo, geometría, etc.).
Transferencia de masa y calor entre superficies y caudal
En las condiciones del
invernadero, ocurren dos tipos de superficies sólidas: las paredes del
invernadero, generalmente hechas de vidrio o plástico, y las hojas del cultivo.
En la vecindad de estas superficies, el flujo de fluido no puede considerarse
sea no viscoso. Los efectos viscosos son responsables para la creación de una
capa límite dinámica donde el momento se disipa por fricción. Si hay una
deferencia de temperatura entre las paredes o las hojas y el flujo, una capa
límite está cercanamente unida a la capa límite dinámica.
Técnicas y modelos experimentales
Los métodos experimentales son
esenciales para comprender el intercambio de aire entre interior y exterior del
invernadero y validad los resultados de los cálculos teóricos. Unas cuantas
técnicas de medición se han desarrollado tales como el método del gas trazador,
métodos de medición de velocidad del viento y campo de presión mientras el uso
de métodos computacionales han llegado a ser populares debido al rápido
desarrollo de técnicas numéricas. Los métodos computacionales incluyen cálculos
fundamentales, modelos de regresión múltiple de mediciones indirectas, y
métodos de distribución de presión y balance de energía.
Determinación de intercambios
convectivos
La transferencia de calor por
convección es uno de los mecanismos más importantes de la pérdida de calor en
invernaderos. El intercambio convectivo ocurre entre cubierta, suelo, la
vegetación y el aire interior y entre la cubierta y el aire exterior. Está
claro que el proceso de transferencia de calor está gobernado por una
combinación de convección forzada (debido a la presión del viento) y convección
libre, debido a fuerzas buoyancy causadas por las diferencias de temperatura
entre las superficies sólidas de las paredes, el suelo, las plantas y el aire.
Estos dos modos de convección son dependientes del tipo de invernadero, clima
exterior y condiciones de ventilación. En invernaderos bien ventilados, la
convección forzada es dominante, debido al fuerte movimiento de aire. En
invernaderos muy cerrados, debido a las velocidades del aire interior muy
bajas, la convección libre es el proceso más común.
La densidad del flujo de calor
convectiva es proporcional a la diferencia de temperatura ∆T entre superficies
(ej. la cubierta) y el aire hc. La expresión para la densidad del flujo de
calor convectiva q así llega a ser.
Una estimación experimental de un
flujo de transferencia de calor convectiva puede ser extremadamente complicada
y no es posible realizarla para muchas formas de superficies.
Cálculo fundamental de la
transferencia de calor por convección
El coeficiente de transferencia
de calor hc depende de los modos de convección y tipos de flujo
(laminar, o turbulento) y es deducido del número de Nusselt apropiado. Un de
acuerdo con la teoría de la capa límite:
Donde L es la longitud
característica de la superficie del sólido y k es la conductividad térmica del
aire. La longitud característica está relacionada con la forma del objeto y
mide la longitud de la superficie cubierta por el flujo laminar.
Intercambios aire-cubierta y
suelo-aire
El intercambio de calor
convectivo entre la superficie de la cubierta y el aire exterior se considera
generalmente que es transferencia de calor turbulenta y forzada, influido
principalmente por la velocidad externa del viento. Varios estudios
experimentales para determinar el coeficiente convectivo en la cubierta
exterior fueron llevados a cabo en diferentes invernaderos bajo condiciones
específicas in situ.
El cálculo de la ventilación
natural en invernaderos está ahora bien definido. La velocidad del aire
interior puede ser determinada de acuerdo con el modelo de caudal de aire en el
invernadero estudiado. Una ecuación utilizada para estimar la velocidad de aire
interior U en un invernadero con doble plástico es:
Donde S es el área de sección de
invernadero perpendicular a la dirección del flujo de ventilación media Q. La
velocidad de aire promedio calculada coincide en gran medida con el valor
experimental medido por un sistema de anemómetro.
Bajo condiciones de ventilación
natural, pueden emplearse varios minutos antes de conseguir una mezcla
razonablemente homogénea de gas en el espacio.
Modelos de ventilación
La cantidad de calor fluyendo a
través de un venteo puede calcularse por la pérdida de altura con la ayuda de
la ecuación de Bernoulli. Si la velocidad de aire u es constante a través de
una apertura, la caída de presión ∆P a través de esta apertura es dado por la
ecuación
El coeficiente de descarga Cd
está directamente definido del coeficiente de caída de presión por:
Este coeficiente es muy útil para
la determinación de las condiciones de flujo en situaciones de ventilación: Si
la caída de presión ∆P se determina entre dos puntos a ambos lados de un
venteo, la velocidad media u puede ser directamente deducida de:
Donde el signo del ratio
Da la dirección del caudal a
través de la apertura.
Todos los fenómenos de
ventilación pueden ser modelados usando la ecuación anterior. Las diferencias
de presión que producen los flujos de ventilación pueden ser causados (i) por una diferencia de temperatura entre
el aire interior y exterior que crea una diferencia de presión, comúnmente
conocido como efecto chimenea o (ii) por el viento que crea una diferencia de
presión sobre el invernadero.
Efecto chimenea
Cuando considerando un campo de
temperatura no uniforme en el dominio de interés caracterizado por una apertura
entre ambas partes del dominio, ocurrirá un flujo entre las partes calientes
del fluido incluso en ausencia de un gradiente de presión debido a las
condiciones externas (viento).
Bibliografía
- Convective and Ventilation Transfers in Greenhouses, Part 1: the Greenhouse considered as a Perfectly Stirred Tank. Biosystems Engineering (2002) 83 (1), 1–20
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