La Tierra gira en torno al Sol describiendo una órbita elíptica (eclíptica) con dicho astro en uno de sus focos. Esta situación excéntrica provoca que la distancia entre la Tierra y el Sol varíe según la época del año.
Debido a esto, la radiación solar alcanza la superficie de la atmósfera terrestre transportando un flujo de 1353 W/m2 conocido como “Constante Solar”, y que varía a lo largo del año entre un 0,97 y un 1,03.
Pero este hecho no es el que provoca la existencia de las estaciones, dado que esa pequeña variación (±3%) de la radiación solar que alcanza la Tierra en las diferentes épocas del año apenas resulta apreciable, de no ser porque explica la mayor severidad climática del hemisferio sur.
Pero, si no es la posición de la Tierra respecto al Sol lo que determina la variación de las temperaturas a lo largo del año, ¿qué es?
Lo que determina la existencia de las estaciones y la variación de duración del día y la noche a lo largo del año es la desviación del eje de rotación de la Tierra respecto al plano de la eclíptica. Esta inclinación de 23,5º, y no la cercanía al Sol, provoca que cuando en el hemisferio Norte es verano, debido a que los rayos solares inciden preferentemente en él, en el Sur es invierno.
La razón de la mayor severidad climática en el hemisferio Sur se debe a que el afelio, punto más alejado, y el perihelio, punto más cercano al Sol, se alcanzan en invierno y verano en este hemisferio, respectivamente. Con lo que, en el hemisferio Norte en verano se estará más alejado del Sol y se recibirá menos radiación, mientras que en invierno se estará más cerca, con lo que la intensidad de radiación solar fuera de la atmósfera será mayor. Así, el afelio se alcanza en torno al 4 de Julio, mientras que el perihelio se alcanza en torno al 3 de Enero.
La inclinación del eje de la Tierra respecto al plano de la eclíptica determina unos paralelos
lustración 6: Las estaciones
Equinoccio de Otoño (23 de septiembre) Equinoccio de Primavera (21 de marzo) Solsticio de Invierno (21 de diciembre) Solsticio de Verano (21 de junio) N S 23,5º Perihelio (12 de enero) Afelio (4 de julio) SOL eclíptica TIERRA
denominados trópicos. De tal modo que en el solsticio de verano, durante el mediodía, los rayos solares caen verticalmente sobre los lugares situados en el trópico de Cáncer, mientras que en el solsticio de invierno lo hacen sobre el trópico de Capricornio.
6.1 Irradiación sobre captadores
De toda la radiación que alcanza la atmósfera, la mayor parte la atraviesa de forma directa alcanzando la superficie con toda su intensidad, pero una parte será dispersada, transformándose en difusa (independiente de la dirección), con lo que perderá intensidad. Así, en días nublados, la radiación difusa podrá representar hasta un 50% de la radiación total recibida, pero en días soleados sólo representará en torno a un 15% de la energía recibida del Sol.
De este modo, se tiene que dado que la principal aportación de energía se debe a la radiación directa, la orientación e inclinación de los colectores dependerá fundamentalmente de la ubicación y posición de la instalación. Ya que mientras que dependiendo de la ubicación de la instalación se tendrán unos determinados valores medios de radiación solar, la posición de los colectores determinará el grado de captación de esa radiación.
6.1.1 Orientación e inclinación
La irradiación es la cantidad de radiación que incide sobre una superficie, y su valor más representativo es el de irradiación global diaria media sobre superficie horizontal (Gdm(0) [J/m2]). Así, dependiendo de la ubicación de la instalación (datos por provincias), de la orientación, que viene dada por el ángulo de azimut ( ), y de la inclinación, que viene dada por el ángulo de inclinación ( ), se determina la irradiación sobre la superficie de los captadores (Gdm(α,β)).
Para obtener el máximo rendimiento, los colectores se orientan hacia el sur geográfico con una inclinación determinada por la latitud del lugar.
De este modo se tiene que la inclinación óptima estará en 10º en torno a la latitud del lugar de la instalación, dado que levantando el captador (+10º) se tendrá una captación preferente en invierno, y tumbándolo (-10º) se tendrá una captación preferente en verano.
Debido a que la
orientación óptima (máxima Ilustración 7: Orientación e inclinación
Trópico de Cáncer 23,5º N Ecuador 0º Trópico de Capricornio 23,5º S eje Plano horizontal N S E O λ
Radiación solar
captación de energía) es en dirección Sur, cualquier desviación (
) restará eficiencia al sistema, provocando unas pérdidas que no deben superar los valores establecidos por el CTE.Debido a que los datos de irradiación vienen dados para una superficie horizontal, y el captador se sitúa con una inclinación en torno a la latitud de la ubicación de la instalación, habrá que corregirlos por medio del coeficiente de corrección denominado como factor k, que viene definido en función de la latitud y del ángulo de inclinación.
Así, se definen unas pérdidas por orientación e inclinación respecto a los ángulos óptimos, a las que habrá que sumar las
pérdidas producidas por sombras, teniéndose que deben respetar los límites establecidos por el CTE.
Ilustración 8: Inclinación β Ilustración 9: Orientación N S α E O Captador
7. El aire
7.1 Introducción
El aire atmosférico está formado por una mezcla de gases prácticamente constante y una cantidad variable de vapor de agua. Debido a esto último, en el mundo técnico se lo conoce como aire húmedo (AH), pues se trata de una mezcla formada por aire seco (AS) y vapor de agua (VA).
AH = AS + VA
7.2 Humedad
7.2.1 Humedad absoluta
La humedad absoluta (
X
) mide la cantidad de vapor existente en el aire.X =m
vm
a[kg vapor/kg aire seco]
m
v : masa de vaporm
a : masa de aire secoPor cumplirse la ley de los gases ideales también se puede expresar como:
X =0,622⋅
p
vp
T– p
vp
v : presión parcial del vapor6p
T=p
ap
v : presión total o atmosférica 7.2.2 Humedad de saturaciónLa humedad de saturación (
X
s ) es aquella a la que el aire no admite más vapor de agua, dado que a partir de ese momento se empezarán a formar gotas de agua.X
s=0,622⋅
p
sp
T– p
sp
s : presión de saturación 7.2.3 Humedad relativaLa humedad relativa (
HR
[%]) es la relación existente entre la presión de vapor y la presión de saturación (p
s ) a la temperatura a la que se encuentra el aire húmedo.6 La presión parcial es aquella que ejercería un gas de una mezcla si ocupase el volumen en ausencia de los demás. Así, se tiene que la presión total de una mezcla de gases viene dada por la suma de las presiones parciales de sus componentes:
p
t=∑
p
ies la presión parcial del vapor de agua a la que se produce la saturación y es función de la temperatura, encontrándose sus valores tabulados.
El aire
HR=p
vp
sPor tanto, la humedad relativa expresa el grado de saturación del aire a cualquier temperatura, desde el aire perfectamente seco, sin contenido de vapor de agua, 0% de humedad relativa, hasta el aire saturado, con el máximo contenido de vapor de agua, 100% de humedad relativa.
7.3 Temperatura
7.3.1 Temperatura de rocío
La temperatura de rocío (
T
r ) es aquella a la que el vapor contenido en el aire empieza a condensar en forma de pequeñas gotas de agua, produciéndose lo que conocemos como rocío.Así, dado que cuando enfriamos aire sin extraer humedad llega un momento en que se satura alcanzándose la temperatura de rocío:
X
s=X
yp
s=p
v =>T
r 7.3.2 Temperatura húmedaLa temperatura húmeda (
T
h ) es la temperatura de saturación adiabática, o sea, aquella a la que el aire se satura de forma isoentálpica, sin aportar ni retirar calor, sólo mediante la variación de humedad.7.4 Entalpía
La entalpía de un aire húmedo (
i
T [kcal]) indica el calor total contenido y se expresa en función de la entalpía específica respecto al aire seco (i
[kcal/kg de aire seco]), siendo por tanto la suma del calor sensible más el calor latente del agua evaporada, de tal modo que:i
T=m
a⋅i
Dado que estará formada por la entalpía del aire seco (
i
a ) más la del vapor de agua (i
v ), se tiene que:i=i
ai
vi
a=c
p⋅T =0,24⋅T
i
v=X5950,45 T
7.5 Diagrama psicométrico
Para obtener todos estos valores se utiliza el diagrama psicométrico del aire húmedo o diagrama de Mollier.
En el se representa la entalpía frente a la humedad, de tal modo que al bajar por una vertical se enfría y al subir se calienta, mientras que al bajar por una isoentálpica se humedece y al subir se
La entalpía del vapor consta de una parte debida al calor latente (X·595) y la otra al calor sensible (0,45·X·T), donde se tomará como temperatura de referencia 0 ºC.
deshumedece.
7.6 Problema
Un recipiente de paredes planas, construido de acero inoxidable, contiene agua a 3 ºC y se encuentra en un ambiente a presión normal, temperatura de 30 ºC y humedad relativa de 60%.
Siendo los coeficientes de película interior y exterior, 18 y 7 kcal/h·m²·ºC, y las conductividades térmicas del acero inoxidable y del aislamiento, 25 y 0,03 kcal/h·m·ºC.
a) Calcular el espesor de aislamiento necesario para evitar condensaciones en la superficie exterior si el espesor del acero inoxidable es de 2 mm.
La condensación se produce cuando la temperatura de un vapor cae por debajo de su temperatura de saturación. Así, cuando un vapor entra en contacto con una superficie a una temperatura inferior a su temperatura de saturación el vapor condensa sobre la superficie.
Por tanto, dado que se pretende evitar la condensación, hay que determinar a que temperatura se produce. Para lo cual se recurre al diagrama psicométrico (Diagrama de Mollier). Teniéndose que para un aire húmedo que se encuentra a 30 ºC y presenta una humedad relativa del 60%, la temperatura de saturación es Ts = 22 ºC.
Así, 22 ºC será la mínima temperatura que podrá presentar la pared exterior del recipiente aislado sin que se produzca condensación, de modo que el espesor de aislamiento vendrá dado por:
˙
Q
S
=h
e⋅T
e– T
s=
T
s– T
i
e
aisK
ais
e
acK
ac1
h
ie
ais=K
ais⋅
T
s– T
i
h
e⋅T
e– T
s−
e
acK
ac
1
h
i
= 5,73 mm¿Cuándo se empañan las gafas?
En invierno, al entrar en un local, el cristal frío se encuentra con un aire a mayor temperatura y con mayor contenido en humedad, con lo que se forma una película de condensado sobre la superficie de las gafas.
Climatización