Análisis de desempeño de un colector solar de la empresa Futuro Solar para determinar la eficiencia térmica

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(1)1. Análisis de desempeño de un colector solar de la empresa Futuro Solar para determinar la eficiencia térmica.. Diego Orlando Duarte Baquero 20121074069 Diego David Prieto Moyano 20121074071. Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica Proyecto Curricular Tecnología Mecánica Bogotá 2016.

(2) 2. Análisis de desempeño de un colector solar de la empresa Futuro Solar para determinar la eficiencia térmica.. Diego Orlando Duarte Baquero 20121074069 Diego David Prieto Moyano 20121074071. Monografía. Camilo Andrés Arias Henao Ingeniero Mecánico y Magíster en Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes (Bogotá-Colombia). Diplomado en Edumatica, Universidad Autónoma (Bogotá - Colombia). Especialista en Bioingeniería, Universidad Distrital F.J.C. (Bogotá - Colombia).. Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica Proyecto Curricular Tecnología Mecánica Bogotá 2016.

(3) 3. Contenido Listado de Tablas -------------------------------------------------------------------------------------------- 5 Listado de Figuras. ------------------------------------------------------------------------------------------ 6 Listado de Graficas ------------------------------------------------------------------------------------------ 7 Listado de Anexos ------------------------------------------------------------------------------------------- 8 1. Resumen ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 2. Introducción ------------------------------------------------------------------------------------------------ 9 3. Objetivos --------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 3.1. Objetivo General ----------------------------------------------------------------------------------- 10 3.2. Objetivos específicos ------------------------------------------------------------------------------ 10 4. Marco Teórico. -------------------------------------------------------------------------------------------- 11 4.1 Sol y la tierra ----------------------------------------------------------------------------------------- 11 4.2. Captador Solar Térmico--------------------------------------------------------------------------- 14 4.3. El captador Solar plano. -------------------------------------------------------------------------- 15 4.4.1. Componentes ---------------------------------------------------------------------------------- 16 4.4. Transmisión de calor. ------------------------------------------------------------------------------ 20 4.5. Norma EN12975-2 --------------------------------------------------------------------------------- 21 4.6 .Banco de pruebas. --------------------------------------------------------------------------------- 21 4.7. Componentes del banco. ------------------------------------------------------------------------- 21 5. Pruebas importantes en el banco. ------------------------------------------------------------------- 22 6. Instrumentación. ----------------------------------------------------------------------------------------- 22 6.1. Mediciones. ----------------------------------------------------------------------------------------- 22 6.1.1. Medida de la radiación solar---------------------------------------------------------------- 22 6.1.2. Medidas de temperaturas. ------------------------------------------------------------------ 23 6.1.3. Medida de caudal. ---------------------------------------------------------------------------- 23 6.1.4. Medida de velocidad de Aire. -------------------------------------------------------------- 24 6.1.5. Tiempo ------------------------------------------------------------------------------------------- 24 6.1.7 Áreas. --------------------------------------------------------------------------------------------- 25 7. Metodologías y Ensayos al exterior.----------------------------------------------------------------- 25 7.1.. Selección del lugar de pruebas simulada e intemperie. -------------------------------- 25. 7.1.1. Estructura de montaje del captador --------------------------------------------------- 25. 7.1.2. Ángulo de inclinación --------------------------------------------------------------------- 25. 7.1.3. Orientación del captador al exterior --------------------------------------------------- 25.

(4) 4 7.1.4. Irradiación directa, difusa, reflejada e irradiación térmica ------------------------ 25. 7.1.5. Velocidad del aire -------------------------------------------------------------------------- 26. 7.2.. Montaje del captador ---------------------------------------------------------------------------- 26. 7.3.. Ensayo de rendimiento en estado estacionario al exterior ----------------------------- 26. 7.3.1. Pre acondicionamiento del captador.----------------------------------------------------- 26 7.3.2. Condiciones de ensayo. --------------------------------------------------------------------- 26 7.3.3. Procedimiento. --------------------------------------------------------------------------------- 27 7.3.4. Medidas.----------------------------------------------------------------------------------------- 27 7.3.5. Periodo de ensayo. --------------------------------------------------------------------------- 27 7.3.6. Resultados. ------------------------------------------------------------------------------------- 28 7.4 Ensayo de eficiencia en estado estacionario usando un simulador de irradiación solar. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 28 7.4.1. Colector de energía solar de placa plana RE550 ------------------------------------- 28 7.4.2. Montaje. ----------------------------------------------------------------------------------------- 30 7.4.3. Pre acondicionamiento. ---------------------------------------------------------------------- 31 7.4.4. Procedimiento. --------------------------------------------------------------------------------- 32 7.4.5. Medidas ----------------------------------------------------------------------------------------- 32 7.4.5.1. Medida de irradiación solar. ----------------------------------------------------------- 33 7.4.5.2. Medida de irradiación térmica. ------------------------------------------------------- 33 7.4.5.3. Temperatura del aire ambiente. ------------------------------------------------------ 33 7.4.6. Periodo de ensayo. --------------------------------------------------------------------------- 34 7.4.7. Condiciones de ensayo. --------------------------------------------------------------------- 34 7.4.8. Cálculo y presentación de resultados. ------------------------------------------------------ 34 7.5. Determinación de caída de presión. -------------------------------------------------------------- 48 7.6 .Determinación de la constante de tiempo ---------------------------------------------------- 49 8. Conclusiones---------------------------------------------------------------------------------------------- 53 Bibliografía ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 54.

(5) 5. Listado de Tablas Tabla 1. Desviación permitida de parámetros medidos durante un periodo de medida .................................................................................................................. 29 Tabla 2. Datos y Resultados Día 28 de octubre 2 2015 ........................................ 41 Tabla 3. Toma de Datos Día 28 de octubre 2 2015 .............................................. 43 Tabla 4. Datos y Resultados Día Septiembre 3 del 2015 ...................................... 47 Tabla 5. Toma de Datos Día Septiembre 3- 2015. ................................................ 48 Tabla 6. Resultados de la constante de tiempo 24/09/2015. ................................. 51 Tabla 7. Resultados de la constante de tiempo14/09/2015 ................................... 52.

(6) 6. Listado de Figuras.. Figura 1. Ángulos solares. Imagen tomada de la presentación de Relojes de Sol por Luis H. Triana.. ................................................................................................ 14 Figura 2 Colector solar térmico de placa plana de la empresa Futuro Solar ......... 15 Figura 3. Componentes colector solar. Tutorial Nº 188 http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn188.html ................................... 16 Figura 4 Piranómetro ubicado a la mitad del colector solar en la prueba al exterior. .............................................................................................................................. 23 Figura 5. Caudalimetro del banco al exterior. ........................................................ 24 Figura 6. Montaje en la estructura del colector al exterior .................................... 26 Figura 7. Instrumentación del banco de pruebas al exterior .................................. 27 Figura 8. Balance energético colector solar ......................................................... 28 Figura 9. Banco de pruebas simulado del laboratorio de ciencias térmicas de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. ................................................... 30 Figura 10. Instalación del colector solar en el banco de pruebas. ........................ 31 Figura 11. Operación del colector en condiciones normales al exterior ensayadas en una prueba simulada ........................................................................................ 32 Figura 12. Localización del piranómetro encerrada en el círculo rojo. .................. 33 Figura 13. Termopares montadas en la consola de control. ................................. 34 Figura 14. Montaje para la determinación de la constante de tiempo. .................. 50.

(7) 7. Listado de Graficas Gráfica 1. Eficiencia Vs Diferencia de temperatura reducida día 28 de octubre 22015 ...................................................................................................................... 44 Gráfica 2. Eficiencia Vs Diferencia de temperatura reducida septiembre 3del 2015 .............................................................................................................................. 48 Gráfica 3. Constante de tiempo ............................................................................. 52.

(8) 8. Listado de Anexos Anexo 1. Resultados de la prueba realizada en el laboratorio de Ciencias Térmicas de la Facultad Tecnológica.................................................................................... 55 Anexo 2. Resultados de la prueba realizada al exterior de la Facultad Tecnológica .............................................................................................................................. 89 Anexo 3. Resultados de la Constante de tiempo................................................ 113.

(9) 9. 1. Resumen En el siguiente proyecto de grado se busca dar solución a un problema de la empresa Futuro Solar, el cual es determinar el desempeño térmico bajo diferentes condiciones de funcionamiento de los colectores solares de placa plana, por lo tanto se realizó un estudio y una serie de pruebas a un colector solar de placa plana. En primera instancia la empresa suministró uno de los colectores de los cuales fabrica y comercializa, luego se continúa a llevarlo a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas para estudiar el comportamiento del panel en condiciones de radiación al exterior y radiación simulada en el laboratorio. En las condiciones exteriores se instaló el colector en la cubierta de la cafetería de funcionarios de la Facultad Tecnológica, en la que se encuentra El banco de Medición para Captadores Solares Térmicos Planos de Agua Caliente Sanitaria desarrollado por los estudiantes Dayan Slendy Buitrago Reyes, Luis David Cortes Alarcón, por lo tanto se adecuo de acuerdo a la geometría del colector suministrado por la empresa y se controló para que el banco cumpla las condiciones de montaje dadas en la norma UNE-EN 129752, la cual es guía de cómo debe ser el banco de pruebas y la toma de datos. Luego de haber realizado las pruebas al exterior el colector es trasladado e instalado en el laboratorio de ciencias térmicas de la Facultad Tecnológica donde se encuentra el banco del colector de energía solar de placa plana RE550. Por lo tanto el colector es expuesto a condiciones simuladas de radiación y se procede a la toma de datos suministradas por banco: Temperatura ambiente. Temperatura de entrada y de salida del colector solar de placa plana, Radiación, Caudal, Velocidad de viento. Los datos tomados en ambos bancos de pruebas se analizan y se desarrollan pertinentemente para la determinación del desempeño térmico del colector en estado estacionario en condiciones exteriores y en el laboratorio.. 2. Introducción En la actualidad existen una serie de normas: UNE-EN 12975-1, ISO 9806, UNE-EN 12976, ISO 9060 que rigen en torno a la homologación y estudio del comportamiento de colectores solares en diferentes aspectos, estas establecen condiciones de funcionamiento y de parámetros tecnológicos en la realización de pruebas en el rendimiento del sistema, dichas normas son establecidas por entidades especializadas con laboratorios en condiciones óptimas para realizar dichos ensayos; por las implicaciones técnicas y tecnológicas para la realización de las pruebas. Es por eso que en Colombia es poco común que empresas se encarguen en la ejecución de las pruebas. Por consecuencia, la certificación de un colector solar en Colombia se torna costosa, porque se tienen que regir bajo parámetros internacionales y locales calificados para cumplir la labor anteriormente mencionada. Sin embargo, se puede realizar.

(10) 10 un estudio de la eficiencia de los colectores solares bajo parámetros establecidos por normas internacionales. En el caso de la Compañía Nacional Futuro Solar, es una empresa que se encarga en la fabricación e instalación de colectores solares placa plana para agua caliente sanitaria, dicha empresa no cuenta con un estudio del comportamiento de sus colectores solares, ya que no tiene la información necesaria, por lo tanto se plantea este proyecto, buscando una caracterización del colector solar de tal forma que se logre tener unas especificaciones adecuadas, realizando un estudio de funcionamiento según la norma: “Sistemas solares térmicos y componentes. Captadores solares. Parte 2: Métodos de ensayo. UNE-EN 129752”. La cual determina el comportamiento de paneles solares en diferentes aspectos, esta establece condiciones de funcionamiento y de parámetros tecnológicos en la realización de pruebas en el rendimiento del sistema.. Finalmente, se desarrolla el análisis de los resultados obtenidos en las pruebas que se realizan al colector solar de placa plana, para determinar la eficiencia, verificando si los resultados en comparación con datos empíricos de eficiencia que maneja la empresa gracias a su experiencia en la realización de instalaciones de colectores solares, y se desarrolla gráficas de comportamiento para caracterizar el colector. Además, toda la información y análisis obtenidos en este proyecto se presenta a la empresa para que haga uso de estos resultados.. 3. Objetivos 3.1. Objetivo General Desarrollar un estudio para determinar el desempeño térmico bajo diferentes condiciones de funcionamiento de un colector solar de placa plana. 3.2. Objetivos específicos a) Determinar la norma para el estudio de la eficiencia térmica. b) Identificar uno de los paneles que cuenta la compañía de tal forma que podamos realizar los estudios de funcionamiento. c) Especificar los parámetros de funcionamiento. d) Identificar los climas de prueba. e) Desarrollar simulación en estado transitorio. f) Realizar el funcionamiento en el banco de pruebas del laboratorio de ciencias térmicas y motores de combustión. g) Obtener gráficas para métricas del funcionamiento del panel..

(11) 11. 4. Marco Teórico. Es necesario entender una serie de conceptos antes de abordar el proyecto de una forma más sencilla con temas relacionados con el uso de la energía solar y el comportamiento con los elementos que lo relacionan con dicha interacción. 4.1 Sol y la tierra Sol Se estima que la temperatura en el interior del Sol debe ser del orden de 107 𝐾, pero en la fotosfera, es decir, es la superficie externa del Sol, la temperatura “Efectiva del cuerpo negro” es de 5.762K. Existen, sin embargo otras formas de calcular la temperatura de la fotosfera, que dan como resultado alrededor de 6.300K. Es claro que nadie ha colocado un termómetro en la superficie del Sol. Su temperatura se mide por métodos indirectos, basados en diversos modelos. De ahí no coincidan todas las estimaciones de la temperatura. Mucho se ha discutido acerca de si el Sol emite un flujo de energía constante, o se trata de una estrella variable. Algunos estudios parecen indicar que la variación de la emisión de la energía, por parte del Sol, es menor al 1% a lo largo de un ciclo solar, que dura 22 años. Sin embargo para su aplicación en el campo de la ingeniería, la emisión de energía en el Sol puede considerarse constante. El recurso energético solar está mucho más ligado, en la superficie terrestre, a las variaciones meteorológicas, que a las solares. La radiación emitida por el Sol, junto con sus condiciones geométricas respecto de la Tierra, dan por resultado que, sobre la atmósfera terrestre, incide una cantidad de radiación solar casi constante. Esto ha dado lugar a la definición de la llamada constante solar. La radiación solar que recibe una superficie horizontal e es del orden de 1 Kw/m^2 al mediodía variando según la latitud del lugar, nubosidad, humedad y otros factores, pero su principal problema es su intermitencia. [1] Energía Solar La energía solar como fuente energética presenta como características propias una elevada calidad energética con nulo impacto ecológico e inagotable a escala humana. Como dificultades principales asociadas al aprovechamiento de este tipo de energía cabe destacar la variabilidad con la que esta energía llega a la tierra como consecuencia de aspectos geográficos, climáticos y estacionales. La energía solar, como recurso energético terrestre, está constituida simplemente por la posición de luz que emite el Sol y que es interceptada por la Tierra. Colombia…… Existen varios tipos de energía solar: ● Energía Solar Directa. Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación de recintos. En este sentido, cualquier.

(12) 12 ventana es un colector solar. Otra aplicación directa, muy común, es el secado de la ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple. ● Energía Solar Térmica. Se denomina térmica a la energía solar cuyo aprovechamiento se logra por medio del calentamiento de algún medio. La climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, etc., son aplicaciones térmicas. ● Energía Solar Fotovoltaica. Se llama fotovoltaica a la energía solar aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la luz n un potencial eléctrico, sin que tenga lugar un efecto térmico. [1]. Ángulos básicos: Se definirán algunos parámetros básicos que intervienen cuando se estudia la posición relativa del Sol y de la Tierra. Es necesario conocer estos parámetros si deseamos calcular la radiación solar que incide sobre una superficie con una determinada inclinación y orientación. [2] ●. ●. ●. ●. ●. Latitud φ Es la distancia angular, medida sobre el meridiano, entre una localización terrestre y el plano del Ecuador. Varia de 0° a 90°, siendo positiva en el hemisferio norte y negativa en el hemisferio sur. Longitud λ Es la distancia angular, medida sobre el plano del Ecuador, entre el meridiano correspondiente y el meridiano de origen. Dicho meridiano origen es el de Greenwich (meridiano 0). Los puntos situado en al Este del meridiano de Greenwich tienen valor positivo, mientras que los sitiados al Oeste tiene valor negativo. Altura Solar 𝛼𝑠 Es el ángulo formado por la recta que une el Sol con el punto considerado (rayo incidente) y el plano tangente a la superficie terrestre que pasa por dicho punto. En el ocaso y el alba, α=0°; al medio día, α=90°. El ángulo complementario de 𝛼𝑠 se representa por 𝜉𝑠 y se denomina cenit solar. Ángulo horario ω Es el ángulo formado por las proyecciones, sobre el plano del Ecuador, del meridiano del punto considerado y la recta que une los centros de la Tierra y el Sol en aquel momento. Cada hora equivale a 15° de longitud. Al mediodía solar, ω=0; por la mañana el ángulo horario es negativo, por la tarde es positivo. Por ejemplo, para las 9:00 horas (hora solar), ω=45°, y en la tarde 17:00 horas (hora solar), ω=75°. Azimut Solar 𝛾𝑠.

(13) 13 Es el ángulo que forma la proyección del rayo incidente sobre el plano tangente a la superficie terrestre, con la dirección Norte-Sur. Al medio día 𝛾 = 0; por la mañana el valor es positivo, y por la tarde, negativo. ●. Declinación δ Es el ángulo formado por el rayo incidente y el plano del Ecuador. La declinación varía según el día del año. Puede determinarse a partir de la siguiente expresión: 284 + 𝑛 𝛿 = 23,45 ∗ 𝑠𝑒𝑛 (360 ) 365 Donde n es el día del año. Sus valores extremos son +23° 27’ y -23°27’ en los solsticios de verano e invierno, respectivamente. En los equinoccios su valor es nulo. En estos cuatro puntos de declinación coincide con la oblicuidad de la eclíptica.. Los ángulos anteriores se relacionan entre ellos a través de las siguientes expresiones: 𝑠𝑒𝑛𝛼𝑠 = 𝑠𝑒𝑛 ϕsen δ + cosϕ 𝑐𝑜𝑠𝛿 𝑐𝑜𝑠𝜔 𝑠𝑒𝑛𝛾𝑠 =. 𝑐𝑜𝑠𝛿 𝑐𝑜𝑠𝜔 cos 𝛼𝑠. La salida y la puesta del Sol pueden determinarse a partir de: 𝛼𝑠 = 0 ⇒ 0 = 𝑠𝑒𝑛 ϕsen δ + cosϕ 𝑐𝑜𝑠𝛿 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑠 Donde 𝜔𝑠 es el ángulo horario de salida (o puesta) del sol, que depende de la declinación y de la latitud 𝜔𝑠 = arccos(−𝑡𝑎𝑔𝜙𝑡𝑎𝑔𝛿) La duración del día (𝑇𝑑 ) es dos veces el ángulo horario de salida (o puesta) de Sol: 2 𝑇𝑑 = 𝜔 15 𝑠 Donde𝑇𝑑 viene dado en horas..

(14) 14. Figura 1. Ángulos solares. Imagen tomada de la presentación de Relojes de Sol por Luis H. Triana... 4.2. Captador Solar Térmico El elemento fundamental de la instalación solar es el captador solar que, en la mayoría de los casos, cuando se encuentra cubierto por una cubierta transparente, basa su principio de funcionamiento en el efecto invernadero. Una primera clasificación podría establecerse en función del tipo de cubierta que incorpore el captador solar, distinguiendo entre captadores vidriados y no vidriados. Los captadores no vidriados son aquellos que no presentan cubierta que aísle al captador plano del exterior. Por tanto, las pérdidas de calor de estos captadores son elevadas, siendo indicado su uso en aplicaciones de muy baja temperatura, como el calentamiento de piscinas al aire libre. Los captadores vidriados están limitados por una cubierta, generalmente de cristal, que propicia que se produzca en su interior el efecto invernadero, presentando un coeficiente de pérdida menor, y, por tanto siendo susceptibles de ser empleados en aplicaciones que requieren de un nivel energético superior, como pueden ser la preparación de agua caliente sanitaria, el apoyo de calefacción o el aporte de calor en procesos industriales y refrigeración. En esta clasificación se encuentran los captadores solares planos, los CPC y los tubos de vacío. [3].

(15) 15. Figura 2 Colector solar térmico de placa plana de la empresa Futuro Solar. 4.3. El captador Solar plano. Los captadores solares son encargados de convertir la energía del Sol en calor, que se transporta al fluido de trabajo del circuito primario solar (también llamado fluido caloportador). En los captadores solares planos el fluido de trabajo circula por el interior de los mismos, a través de un circuito interno formado, usualmente, por tuberías o por los huecos que dejan entre si un par de placas electro soldadas. El principio físico que rige la transferencia de calor en el interior de los captadores vidriados es el efecto invernadero, que tiene lugar cuando la radiación solar incidente atraviesa la cubierta transparente del captador y queda retenida en el interior del mismo. El efecto invernadero tiene lugar en el interior de los captadores solares vidriados al incidir sobre ellos la radiación solar, haciéndose transparentes a la radiación de onda corta, correspondiente a la radiación solar, y opacos a la radiación de onda larga, que corresponde con emisiones de energía con forma de calor (infrarrojo). De este modo, cuando la mayor parte de la radiación solar atraviesa el vidrio, una parte es reflejada por la placa absorbedora, volviendo a incidir sobre el vidrio, pero por su cara interior, y siendo conducida, de nuevo, hacia la placa absorbedora. El mecanismo de transferencia de energía al interior del captador solar debe ser lo más eficiente posible, minimizando las pérdidas, por lo que habrá que disponer del aislamiento suficiente. Y la radiación solar debe incidir sobre un elemento que capte, de forma eficiente, la energía radiante que incide sobre ella a través de la placa absorbedora. El fluido de trabajo de estar confinado en unas tuberías interiores y conectarse al exterior por medio de los distribuidores. Lógicamente, todos estos elementos deberán estar confinados en una caja. [3].

(16) 16 4.4.1. Componentes Los principales componentes de un captador solar plano.. Figura 3. Componentes colector solar. Tutorial Nº 188 - http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn188.html.  La cubierta transparente. Debe tratarse de un material que sea transparente a la radiación solar incidente y opaco a la radiación de onda larga emitida por el absorbedor, de modo que se pueda producir el efecto invernadero en el interior del captador solar. Al mismo tiempo, reduce las pérdidas del captador hacia el ambiente provocada por los mecanismos de radiación por convección. Las principales características de la cubierta de los captadores planos deben ser las siguientes: ● ● ● ●. Durabilidad, que propicie una larga vida del producto y resista los agentes atmosféricos y las variaciones de temperatura en el captador. Buena capacidad de aislamiento de modo que minimice la emisión de energía desde el captador hacia el exterior Protección, para que se proteja a los elementos que se encuentran en el interior del captador. Alta absortividad y baja reflectividad, de modo que la mayor parte de la radiación incidente pueda ser transferida en forma de calor al fluido de trabajo.. Las cualidades físicas más importantes de una cubierta son: ● Alto coeficiente de transmisión en el intervalo de (0.3-3 µm). ● Bajo coeficiente de transmisión para la longitud de onda >0.3 µm. ● Bajo coeficiente de conductividad térmica..

(17) 17 Actualmente, la mayor parte de los fabricantes emplean vidrios templados de bajo contenido en hierro, de modo que las propiedades de resistencia mecánica de los materiales templados añaden unas magníficas fracciones de absortividad de los materiales como. Unas cualidades que podemos mencionar de las ventajas del templado son las siguientes: ● ● ● ●. Mayor resistencia a la rotura. Mayor resistencia a la flexión. Mayor resistencia a las contracciones de origen térmico. Fragmentación de seguridad (rotura en pequeños trozos).. Además, las cubiertas que se emplean habitualmente en los captadores solares tienen índices de reflexión, tanto en la cara superior como en la inferior, de aproximadamente el 4% en cada cara y si además tenemos en cuenta el coeficiente de absorción de la cubierta (del 1% aproximadamente) supone que la radiación que penetra en el captador es el 91% de la incidente. Para aumentar ese coeficiente existen tratamientos químicos sobre la cubierta que aumentan su rugosidad y, por tanto, disminuyen su coeficiente de reflexión lo que implica un aumento de la radiación que penetra en el captador hasta valores del orden del 96%. [3]  El aislamiento térmico. La función principal del aislamiento en un captador térmico es reducir las pérdidas de calor al exterior. En consecuencia, hay que proveer aislamiento en todas aquellas zonas del captador que no necesiten ser transparentes a la radiación solar, es decir, los laterales y el fondo. Los principales materiales que se emplean actualmente son la lana de roca, las espumas de poliuretano, las resinas de melanina, lana de vidrio, corcho expandido, poliestireno. Para seleccionar adecuadamente el aislamiento a emplear en un captador plano deben tenerse en cuenta las siguientes características principales: ● Comportamiento con la temperatura. En verano con la instalación parada se puede alcanzar temperaturas comprendidas entre 130 y 200°C (temperatura de estancamiento). El aislante debe ser capaz de resistir sin deteriorarse. ● Desprendimiento de vapores. Bajo la acción del calor puede que el aislante desprenda vapores, con el riesgo de condensarse sobre la cubierta transparente. ● Envejecimiento. Verificar que no se degrada por su uso en el transcurso del tiempo. ● Humedad. Algunos aislantes pierden sus características cuando están húmedos, por ejemplo la lana de vidrio. Los aislantes deben protegerse contra la penetración accidental de agua o las condensaciones..

(18) 18. De especial interés es el sellado entre las diferentes capas de aislamiento, de modo que se eviten puentes térmicos en el interior del captador. Para ello, habrá que usar adhesivos que no sufran con la elevada temperatura y no degraden el aislamiento. [3]  Absorbedor. En absorbedor es el elemento encargado de recoger la radiación solar transferir el calor, de forma eficiente, al fluido de trabajo que circula por el interior del captador solar. Al mismo tiempo, el fluido caloportador debe estar confinado en el interior del captador, y conducido de forma que recorra la mayor parte de la superficie absorbedora. Los primero desarrollos de captadores solares planos solían utilizar chapas de acero inoxidable electro soldadas, que dejan en su interior una serie de canales por los que circulaba el fluido caloportador. Con este tipo de configuración se aumenta considerablemente el rendimiento del equipo, pues se favorece el régimen turbulento de circulación en el interior del captador. Presenta inconveniente de una elevada pérdida de caga y de no poder soportar presiones medias en el interior de la parrilla del captador. Con el paso del tiempo se avanzó hacia la construcción de circuitos de tuberías interiores de cobre, siendo esta configuración la más empleada actualmente por la mayoría de fabricantes. Es posible disponer cobre en los circuitos de tuberías que discurren por el interior del captador cuando el fluido caloportador tenga un pH comprendido entre 7,2 y 7,6. No debe emplearse hierro, y en caso de que se utilice aluminio, será necesario emplear un inhibidor de los iones de cobre y hierro. En esta tecnología se distinguen, principalmente, dos tipos de configuraciones: parrilla de tubos o serpentines. La configuración más empleada es la de parrilla de tubos verticales, dispuestos paralelamente entre sí, que comienzan y terminan en dos tubos de mayor diámetro, llamados distribuidores. En cuanto a la forma en que la placa absorbedora se une a la parrilla de tubos se encuentran, principalmente, tres configuraciones: 1. Una única placa absorbedora dispuesta sobre los tubos de la parrilla: Esta configuración es muy elevada en la actualidad por los fabricantes de captadores solares térmicos, puesto que permiten, de forma sencilla, la soldadura por ultrasonidos. El contacto entre la placa absorbedora y el tubo se produce sobre la franja muy estrecha del tubo vertical del captador. 2. Una única placa absorbedora situada sobre los tubos del captador, rodeando en parte el perímetro de estos tubos: Esta.

(19) 19 configuración permite un contacto entre el tubo y la banda absorbedora en una superficie mayor en el caso anterior, si bien plantea la complejidad de tener que disponer de una laminadora muy ancha y no ser una disposición favorable para la soldadura por ultrasonido. 3. Por cada tubo se dispone una aleta, que puede abrazar, o no, al perímetro de los tubos verticales: Esta configuración, junto a la primera, es la más empleada actualmente. Con una pequeña laminadora se puede obtener fácilmente las aletas, que se dispondrán individualmente sobre cada uno de los tubos para ser soldados. Hay que evitar que quede un hueco libre entre aletas contiguas, para eliminar los flujos convectivos en el interior del captador. Por otra parte, el absorbedor tiene gran importancia en la eficiencia del captador, entre las características y propiedades que debe tener un buen absorbedor hay que destacar: ●. ● ●. ●. ●. ●. ● ●. Pérdida de carga: En termosifón (circulación en la instalación sin existencia de bomba) la perdida de carga no debe superar a los 3mm de columna de agua por 𝑚2 de captador. En circulación forzada (el fluido circula en la instalación mediante bomba) la pérdida de carga no es un factor crítico. Corrosión interna: No utilizar uniones cobre-hierro a fin de evitar la corrosión del hierro. Capacidad del absorbedor: La inercia térmica está ligada a la capacidad del absorbedor. Interesa absorbedores con baja inercia térmica. Homogeneidad de la circulación del fluido caloportador en el absorbedor: Las irregularidades en la circulación de fluido influyen mucho en el rendimiento del absorbedor. El caudal debe ser el mismo en todas partes del absorbedor. Transmisión de calor entre la placa absorbente y el fluido caloportador: Dependiendo del diseño del absorbedor la transmisión varia. Entradas y salidas de fluido en el absorbedor: Cuidar las pérdidas de carga en los conductos de entrada y salida. Zonas frágiles de los captadores, se pueden producir roturas. Puentes térmicos: Zonas donde la transmisión de calor por conducción puede ser muy elevada Resistencia a la presión: El absorbedor debe ser capaz de soportar la presión de la red. Dotar a la instalación de elementos de seguridad que eviten sobrepresiones. [3].  La carcasa.

(20) 20 La misión de la caja o carcasa es la de contener todos los elementos que forman el captador solar, y dar rigidez al mismo tiempo, permitiendo que el captador sea fijado a un soporte para su correcta fijación. Debe estar realizada en un material que soporte la acción de los agentes atmosféricos y de la radiación solar, impidiendo si rápido deterioro con el paso del tiempo. En la actualidad, la mayor parte de fabricantes de quipos solares térmicos emplean aluminio anodizado para formar la caja del captador. La conexión de la caja con el cristal debe realizarse mediante el empleo de materiales que posean propiedad elásticas, no degradables por los agentes atmosféricos, y que permitan absorber las dilataciones del material metálico y de la cubierta transparente, garantizando la estanqueidad del captador solar. Suelen emplearse, principalmente, dos tipos de configuraciones: una única caja, obtenida a base de chapa prensada o varios perfiles metálicos que unen entre si con una chapa, que suele ser de PVC o material metálico, y que se coloca en la parte posterior del captador. [3] 4.4. Transmisión de calor. Desde un punto de vista termodinámico, el calor no algo que exista o se pueda acumular. Solo existe y se puede acumular la energía que poseen las sustancias debidas a su estado o nivel térmico determinado. Es precisamente el intercambio energético que se produce entre dos cuerpos o sustancias que posean temperaturas diferentes, a lo que llamamos transmisión de calor, calor a secas. Por tanto, para que exista esta trasmisión de calor es fundamental que haya una diferencia de temperatura entre ambos cuerpos, y esta pérdida o ganancia será más rápida cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas. La importancia de transmisión de calor en los procesos de refrigeración o calefacción es evidente y ejerce una influencia decisiva. El proceso de transmisión de calor se produce por conducción, convección y radiación. Intercambiador de calor. El intercambio de calor entre dos corrientes de fluidos distintos es uno de los procesos más importantes y que encontramos habitualmente en calderas, calentadores, refrigeradores, etc., produciéndose el intercambio de calor entre un fluido caliente y otro frio. Los dispositivos en donde se produce este intercambio de calor, sin mezcla de ambos fluidos, se conocen como “intercambiadores de calor”. Los materiales del intercambiador de calor resistirán la temperatura máxima de trabajo del circuito primario y serán compatibles con el fluido de trabajo. Los intercambiadores de calor utilizados en circuitos de agua sanitaria serán de acero inoxidable o cobre. Cuando los dos.

(21) 21 fluidos entran por extremo distintos y circulan en dirección contraria, se conoce como “intercambiadores de calor a contracorriente”. [2] 4.5. Norma EN12975-2 Esta norma proporciona métodos de ensayo y procedimientos de cálculo para la determinación de los parámetros del rendimiento térmico en estado estacionario así como del diario para captadores de calentamiento de líquido, bajo condiciones climáticas cambiantes. Contiene métodos para la realización de ensayos al exterior durante días completos y bajo condiciones de temperatura de entrada estacionaria e irradiancia solar real y condiciones de viento reales y/o simuladas. Se tiene en cuenta los efectos importantes para el rendimiento diario del captador, tales como la dependencia del ángulo de incidencia, velocidad del viento, fracción difusa de la irradiación solar, radiación térmica del cielo y la capacidad térmica. [4] 4.6 .Banco de pruebas. Se tienen dos bancos los cuales se van hacen las pruebas uno a la intemperie que consta de una estructura completamente en acero, tiene una guía para darle la inclinación al captador en la parte inferior y el método de sujeción es de dos garras fijas y dos móviles en la parte superior. Además cuenta con unos accesorios que se describen más adelante. (Ver figura 5) El otro banco que permite realizar los ensayos bajo parámetros de simulación de radiación consta de un bastidor con ruedas para facilitar el uso del panel, unas mordazas de soporte para ajustar el ángulo de inclinación y además con unos accesorios que se explicarán más adelante. (Ver Figura 7) 4.7. Componentes del banco. El banco que se encuentra en la intemperie consta de dos termopares (entrada y salida del colector), con un manómetro para indicar la presión de entrada en el colector, un caudalímetro en la entrada del mismo, un piranómetro en la parte superior del colector, y un Dataloggers que es un sensor de temperatura. El banco cuenta con un tanque de almacenamiento, luego es conectado por medio de una tubería en la entrada a una bomba y en la salida está una válvula para controlar el paso del fluido para no tener inconvenientes en la toma de datos y seguido es conectado una manguera especial a los instrumentos de medición que cuenta el banco de pruebas. Para finaliza el ciclo, en la salida del colector se conecta un sensor de temperatura y una conexión por medio de una manguera a la torre de enfriamiento que luego pasa al tanque de almacenamiento. (Ver figura 5) El banco que permite realizar los ensayos bajo parámetros de simulación tiene un solarímetro montado en la parte superior del colector solar, está conectado con un suministro de agua, un regulador de presión ajustable para que no supere 1,5 Bar en el indicador, un punto de purga de aire en la parte superior del panel que permite el llenado completo del mismo. El agua circula por medio de una bomba que dispone de tres ajustes de velocidad. El agua del panel se recircula de manera continua y por el caudalimetro del.

(22) 22 panel hasta abrir ligeramente una válvula de control de caudal de purga, cuenta también con una válvula de alivio de presión para cuando no se aplique la refrigeración al agua ya que entraría en ebullición y aumentaría la presión en el sistema. La temperatura del agua fría que entra en el sistema, la temperatura del agua recirculada que entra y que sale del panel, y la temperatura ambiente se miden mediante termopares. (Ver Figura 8) Para simular la radiación solar en las pruebas, el banco posee un simulador solar que está constituido por 2 bancos de 6 proyectores de 500W dispuestos en dos bancos de 6 focos que proporcionan una salida de 2x3 Kw. (Ver figura 9). 5. Pruebas importantes en el banco. En el banco donde se monta el captador solar de placa plana permite evaluar el rendimiento térmico bajo distintos parámetros meteorológicos, todo esto se puede demostrar por medio de unos ensayos importantes que se deben realizar como por ejemplo: 1. El ensayo de rendimiento térmico en estado estacionario al exterior y condiciones simuladas en el laboratorio. 2. Determinación de la caída de presión a lo largo del captador. 3. Calculo de la constante de tiempo del colector. Todos estos ensayos (se analizan con detalles y mostrando los resultados más adelante en la sección 7.4.8. Cálculo y presentación de resultados.) determinan las características fundamentales que debe tener un captador solar de acuerdo con la norma EN-12975-2. [4]. Para ello se necesita de una instrumentación adecuada la cual se explica en la sección 6. Instrumentación, para la toma de datos que determinen las variables necesarias para el cálculo de la eficiencia del colector solar.. 6. Instrumentación. La instrumentación es una parte esencial en la toma de datos y de análisis de resultados, ya que su disposición y calibración permite encontrar variables por las cuales se va a evaluar el sistema. Para ello se recurrirá a la norma para observar cuáles son esas variables y determinar qué instrumentos son los más óptimos para que nos midan dichas variables. 6.1. Mediciones. 6.1.1. Medida de la radiación solar Se utiliza un piranómetro de clase I o superior, como se especifica en la Norma ISO 9060 [5], para medir la radiación global de onda corta desde el Sol y el cielo. Se recomienda que antes de realizar los ensayos correspondientes verificar el estado.

(23) 23 del piranómetro para no tener fallas en las lecturas, para ello se debe colocar en una posición de ensayo típica y permitir que se equilibre durante al menos 30 minutos antes de comenzar la toma de datos. Además, al momento de montar el instrumento no debe proyectar sombra en la apertura del captador en ningún momento.. Figura 4 Piranómetro ubicado a la mitad del colector solar en la prueba al exterior.. Para ensayos al exterior y simulado, debe montarse el piranómetro a la mitad de la altura del captador. (Ver figura 10) 6.1.2. Medidas de temperaturas. Se requieren tres medidas de temperatura para el ensayo del captador solar. Estas son la temperatura del fluido a la entada y salida del captador y la temperatura ambiente del aire. Para medir estas temperaturas se requiere montar en el captador solar unos sensores a una distancia de 200mm a la entrada del colector solar y debe colocarse un aislamiento alrededor de la tubería tanto aguas arriba como aguas abajo del sensor.. 6.1.3. Medida de caudal. Los caudales másicos pueden medirse directamente o alternativamente, si se conoce la densidad del agua, pueden determinarse a través de medidas del caudal volumétrico y la temperatura. Debe calibrase el caudalimetro en todo el rango de caudales de fluido y temperaturas que se usen durante el ensayo del captador..

(24) 24. Figura 5. Caudalimetro del banco al exterior.. 6.1.4. Medida de velocidad de Aire. Las pérdidas de calor de un captador aumentan cuando aumenta la velocidad del aire sobre el captador, pero no está bien definida la influencia de la dirección de velocidad de aire. Bajo condiciones al exterior, la velocidad del aire circundante rara vez es constante. Se requiere, por lo tanto, la medida del promedio de la velocidad del aire durante el periodo de ensayo. Durante los ensayos al interior, la velocidad del aire puede variar de un extremo a otro. Por tanto, deben tomarse una serie de medidas de la velocidad del aire, a una distancia de 10mm a 50mm en frente de la apertura del captador. Debe determinarse entonces un valor medio. Tomando medidas de la velocidad del aire al interior antes y después de los puntos de ensayo de rendimiento para evitar ocultar la apertura del captador. 6.1.5. Tiempo La constante de tiempo del colector es el tiempo necesario para que el fluido utilizado en este caso agua salga del colector en un %63.2 de su estado estacionario, este representa el tiempo de respuesta del colector a fin determinar los intervalos de tiempo apropiados para las pruebas de eficiencia después de un cambio drástico en la irradiancia incidente. La constante de tiempo es una medida de tiempo para que se cumpla la siguiente ecuación: Tst − Te/Tsi − Te = 0,368.

(25) 25 Donde: Tst: temperatura del fluido a la salida del colector al cabo de un cierto tiempo. Tsi: temperatura inicial del fluido a la salida del colector. Te: temperatura del fluido a la entrada del colector.. 6.1.7 Áreas. Se debe tomar las medidas del colector para determinar: ● ● ●. Área de absorbedor Área de apertura. Área total.. 7. Metodologías y Ensayos al exterior. 7.1. Selección del lugar de pruebas simulada e intemperie. El lugar en donde se deben realizar las pruebas debe de cumplir ciertos criterios para una correcta evaluación de rendimiento térmico un colector solar, estos son mencionados en la norma UNE-EN 12975-2; en los cuales se hace énfasis en ciertas generalidades que se mencionan a continuación. 7.1.1. Estructura de montaje del captador. La estructura de montaje del captador no debe obstruir la apertura del colector, ésta de be permitir que el aire circule por debajo del colector, para nuestro caso usaremos la estructura realizada en el proyecto “Banco de Medición para Captadores Solares Térmicos Planos de Agua Caliente Sanitaria”; la cual tiene características que cumplen con las especificaciones de la norma. 7.1.2. Ángulo de inclinación. El Ángulo de inclinación es parte importante para algunos colectores por lo tanto se debe ensayar a diferentes ángulos de incidencia, aunque por recomendación del fabricante se debe ser menor a 20⁰. 7.1.3. Orientación del captador al exterior. La orientación del colector debe ser preferiblemente mirando hacia el sur debido a lo posición geográfica del sitio del ensayo limitando así el tiempo del mismo. 7.1.4. Irradiación directa, difusa, reflejada e irradiación térmica. La ubicación que se escogió para el montaje es la adecuada ya que no se genera ninguna sombra sobre el colector durante el ensayo; en la cual no hay edificios que reflejen.

(26) 26 radiación significativa lo cual minimizará los errores; en este sitio también no hay una fuente de radiación térmica ya que puede generar errores en la toma de datos. 7.1.5. Velocidad del aire. La velocidad del viento es algo importante a la hora de evaluar el rendimiento de un colector debido a las pérdidas que se generen al pasar alrededor del mismo, ya sea el vidrio, laterales, y la parte posterior. 7.2. Montaje del captador Al momento de realizar las pruebas al colector se debe considerar ciertos aspectos descritos anteriormente, y se debe seguir las consideraciones descritas en la normativa seguida como el ángulo de inclinación, ubicación de los sensores de temperatura, piranómetro, Dataloggers, manómetros, caudalímetro; el colector se ubicó a una distancia de los muros pertinente para que de tal forma no caiga ninguna sombra sobre el, se dispuso en dirección al sur debido a la latitud del lugar de las pruebas (Bogotá).. Figura 6. Montaje en la estructura del colector al exterior. 7.3. Ensayo de rendimiento en estado estacionario al exterior 7.3.1. Pre acondicionamiento del captador. Para realizar las pruebas del colector en el exterior se deberá seguir un análisis visual del mismo y registrar cualquier daño, y se limpiara la cubierta para que no se encuentre ninguna impureza al realizar la prueba, se debe purgar el circuito hidráulico para extraer aire. 7.3.2. Condiciones de ensayo. Al practicar las pruebas en el exterior se deben cumplir ciertas condiciones para tener resultados óptimos, como por ejemplo la radiación solar inicial debe ser en lo posible superior 700 Wm-2, según el fabricante la inclinación de instalación es de 10 a 20 grados.

(27) 27 por lo cual las pruebas las realizaremos a una inclinación de 10º, se adecua el caudalimetro en 20 gs-1 encada periodo de ensayo. 7.3.3. Procedimiento. Después de la inspección inicial del estado físico del colector, y esperar las condiciones de cielo despejado, se procede a dar apertura a la cubierta del colector y del circuito hidráulico, y se purga el sistema por medio de la válvula de ventosa ubicada en la parte superior izquierda, se calibra el caudalímetro a medida requerida, se verifica la parte de los sensores térmicos y su conexión eléctrica, y completado esto se da inicio a la prueba.. Figura 7. Instrumentación del banco de pruebas al exterior. 7.3.4. Medidas. Las medidas necesarias para poder determinar a la eficiencia del colector son las siguientes ● ● ● ●. Caudal del fluido del captador Radiación Temperaturas entrada, salida y ambiente presiones antes y después del captador 7.3.5. Periodo de ensayo.. El tiempo en el cual se realizan las pruebas fue de 4 puntos cada 10 minutos los cuales fueron por no conocer la constante de tiempo recomendación dada por la norma..

(28) 28 7.3.6. Resultados. Los datos obtenidos mediante los ensayos en condiciones ambientales serán desarrollados mediante un balance energético con una potencia incidente, potencia útil, potencia perdida, estos resultados son presentados en el apartado 6.5.8. Cálculo y presentación de resultados.. Figura 8. Balance energético colector solar. ● ● ● ● ●. Qi →Potencia calorífica que incide en el captador. Qop→ Pérdidas ópticas (reflexión). Qa→ Potencia calorífica absorbida por el captador. Qp→ Pérdidas térmicas por conducción y convección, se producen a través de la cubierta, la cara posterior y los laterales del captador. Qu→ Potencia calorífica absorbida por el fluido calo-portador (potencia útil).. 7.4 Ensayo de eficiencia en estado estacionario usando un simulador de irradiación solar. El rendimiento de la mayoría de los captadores es mejor con radiación solar directa que con difusa y, actualmente, la experiencia con simulación solar difusa es pequeña. Por lo tanto, se diseña este método de ensayos para usarlo sólo en simuladores donde se pueda dirigir al captador un rayo de radiación solar simulada de incidencia casi-normal. 7.4.1. Colector de energía solar de placa plana RE550 El simulador el cual se va a utilizar en esta prueba se describió anteriormente, sin embargo debe ser óptimo para realizar este tipo de ensayos y debe tener las siguientes características:.

(29) 29 Las lámparas deben ser capaces de producir una irradiancia media sobre la apertura del captador de, al menos, 700 𝑊𝑚−2. Se pueden usar también valores en el rango de 300 𝑊𝑚−2 a 1000 𝑊𝑚−2 para ensayos especiales, con tal que se puedan alcanzar los requisitos de precisión dados en la tabla 1 y los valores de irradiancia sean anotados en el informe de ensayo.. Parámetro. Desviación permitida del valor medio ±50wm−2. Irradiancia solar (global) de ensayo. Temperatura interior). del aire. circundante. (al. ±1K. Temperatura exterior). del aire. circundante. (al. ± 1.5 K. Caudal másico del fluido Temperatura del fluido a la entrada del captador.. ±1 % ± 0.1 K. Tabla 1. Desviación permitida de parámetros medidos durante un periodo de medida. En todo momento, la irradiancia en un punto de la apertura del captador no debe diferir de la irradiancia media sobre la apertura en más de ± 15%..

(30) 30. Figura 9. Banco de pruebas simulado del laboratorio de ciencias térmicas de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.. 7.4.2. Montaje. La instalación del captador solar en pruebas de simulación es la misma que en las pruebas al exterior, sin embargo se dirán algunas de las especificaciones más importantes. Debe montarse el captador de forma que el borde inferior no esté a menos de 0,5m sobre la superficie del suelo. El captador debe ensayarse a ángulos de incidencia tales que el modificador del ángulo de incidencia del captador no varié ± 2% de su valor en condiciones de incidencia normal. Puede montarse el captador al exterior en una posición fija mirando hacia el sur. La localización del banco de ensayo debe ser tal que ninguna sombra se proyecte sobre el captador durante el ensayo. Todas estas condiciones las cumple el lugar en donde se va a realizar las pruebas simulado en estado estacionario en el laboratorio de ciencias térmicas por lo cual se procede a montar el colector..

(31) 31. Figura 10. Instalación del colector solar en el banco de pruebas.. 7.4.3. Pre acondicionamiento. Para el pre acondicionamiento de nuestro captador se debe inspeccionar visualmente que no tenga ninguna fisura ni otro daño. Se debe limpiar la superficie muy bien. Luego se debe circular agua aproximadamente a 80°C para poder secar el aislamiento y la carcasa del captador todo esto para evitar que los componentes no presenten humedad. Por último se debe exponer el captador vacío a irradiación durante cinco horas a un nivel mayor de 700 𝑊/𝑚−2 ..

(32) 32 7.4.4. Procedimiento. En primera instancia se debe purgar el sistema, seguidamente se procede a prender las lámparas con una irradiación constante, todo para que el captador funcione sobre su rango de temperaturas de operación bajo condiciones normales al exterior para determinar su característica de rendimiento. Deben obtenerse los puntos de datos que satisfagan los requisitos dados más abajo para al menos 4 temperaturas de entrada del fluido espaciadas uniformemente sobre el rango de temperaturas de operación del captador. Al menos debe obtenerse ocho puntos de ensayo en simuladores solares con tal que al menos se hayan utilizado cuatro temperaturas de entrada diferentes, y se haya permitido el tiempo adecuado para que las temperaturas se estabilicen.. Figura 11. Operación del colector en condiciones normales al exterior ensayadas en una prueba simulada. 7.4.5. Medidas Se deben tener en cuenta las siguientes medidas para la realización del ensayo en condiciones simuladas..

(33) 33 7.4.5.1. Medida de irradiación solar. Se puede usar piranómetro para medir la irradiancia de la radiación solar simulada. Por lo tanto se localiza el instrumento a la mitad del colector solar ya que es ahí en donde la medida de la radiación es igual en todos los puntos del colector.. Figura 12. Localización del piranómetro encerrada en el círculo rojo.. 7.4.5.2. Medida de irradiación térmica. La irradiancia térmica en un simulador solar es probable que sea mayor que la que típicamente ocurre al exterior. Por lo tanto, la irradiancia térmica en el plano de apertura del captador no debe exceder la de una cavidad de cuerpo negro a temperatura ambiente en más del 5% de la irradiación global. Se debe registrar con los resultados de ensayos del captador la irradiancia térmica media en el plano de ensayo del captador y la fecha de la última medida. 7.4.5.3. Temperatura del aire ambiente. Debe medirse la temperatura del aire ambiente en simuladores tomando la medida de varios valores. Los sensores deben protegerse para minimizar el intercambio de la radiación por lo que se cubren con un aislante térmico..

(34) 34. Figura 13. Termopares montadas en la consola de control.. 7.4.6. Periodo de ensayo. El periodo de ensayo puede determinarse de la misma forma que la para los ensayos en condiciones estacionarias al exterior. 7.4.7. Condiciones de ensayo. Las condiciones de ensayo con radiación simulada varían un poco con respecto a las pruebas al exterior, como por ejemplo el simulador de viento no debe diferir en la medida de temperaturas ambiente en ± 1K. 7.4.8. Cálculo y presentación de resultados. La eficiencia del colector se calcula por medio de la siguiente expresión:. 𝜂 = 𝜂0 − 𝑎1 ∗ 𝑇𝑚∗ − 𝑎2 ∗ 𝐺 ∗ (𝑇𝑚∗ 2 ) En Donde 𝜂0 :Eficiencia óptica 𝑎1: Coeficiente de pérdidas térmicas. 𝑇𝑚∗: Diferencia de temperatura reducida. 𝑎2: Coeficiente de pérdidas térmicas cuadráticas..

(35) 35 Por consiguiente debemos sacar unas pérdidas del colector para poder calcular la eficiencia.. 𝑈𝑙 = 𝑈𝑏 + 𝑈𝑡 + 𝑈𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑈𝑏 =. 𝐾 𝐿. 𝑈𝑏 : Pérdida de la base 𝑤. 𝐾: Conductividad térmica del material (𝑚 °𝐾) 𝐿: Grosor del aislante (𝑚𝑚 𝑜 𝑚). 𝑈𝑡 = (. 1 1 + ) ℎ𝑐−𝑝 + ℎ𝑟𝑐−𝑝 ℎ𝑣 + ℎ𝑟𝑐−𝑠. 𝑈𝑡 =pérdida por la parte superior.. ℎ𝑐−𝑝 =. 𝑁𝑢 𝐾 𝐿. ℎ𝑐−𝑝 : Coeficiente de convección entre placas paralelas. 𝑁𝑢 : Número de Nusselt 1. 1708 ∗ 1708 sin(1.8𝛽)1.6 𝑅𝑎 cos 𝜃 3 𝑁𝑢 = 1 + 1.44 [1 − ] (1 − ) + [( ) − 1] 𝑅𝑎 cos 𝜃 𝑅𝑎 cos 𝜃 5830 𝑅𝑎 =. 𝑅𝑎 :Número de Rayleigh 1. 𝛽 = 𝑇𝑓 Coeficiente de expansión térmica 𝜈: Viscosidad cinemática 𝑔:Aceleración de la gravedad 𝜃:Ángulo de inclinación. 𝑔𝛽𝐿3 𝑃𝑟 (Δ𝑇) 𝑣∗𝛼. ∗.

(36) 36 𝐿:Longitud característica.. ℎ𝑟𝑐−𝑝. 𝜎(𝑇𝑃2 + 𝑇𝑐2 )(𝑇𝑝 + 𝑇𝑐 ) = 1 1 + −1 𝜀𝑝 𝜀𝑐. ℎ𝑟𝑐−𝑝 :Coeficiente de transferencia por radiación entre el absorbedor y la cubierta 𝜎:5.57*10−8. 𝑤 𝑚2 𝐾4. constante de Stefan Boltzmann.. 𝑇𝑝 : Temperatura del absorbente “suposición”. 𝑇𝑐 :. 𝑇𝑝 +𝑇𝑎 2. Temperatura cubierta. 𝑇𝑎 :Temperatura de ambiente máxima. 𝜀𝑝 :Emitancia del absorbedor 𝜀𝑐 : Emitancia del vidrio.. ℎ𝑣 = 2.8 + 3𝑉 ℎ𝑣 :Coeficiente convectivo del viento 𝑉: Velocidad del viento.. ℎ𝑟𝑐−𝑠 = 𝜀𝑐 𝜎(𝑇𝑐2 + 𝑇𝑎2 )(𝑇𝑐 + 𝑇𝑎 ). ℎ𝑟𝑐−𝑠 : Coeficiente de transferencia por radiación. 𝜎:5.57*10−8. 𝑤 𝑚2 𝐾4. constante de Stefan Boltzmann.. 𝜀𝑐 : Emitancia del vidrio. 𝑇𝑐 :. 𝑇𝑝 +𝑇𝑎 2. Temperatura cubierta.. 𝑇𝑎 :Temperatura de ambiente máxima..

(37) 37. 𝑈𝑒 =. 𝐾 ∗ 𝐴𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐿 ∗ 𝐴𝑏𝑎𝑠𝑒. 𝑈𝑒 : Pérdida de los lados 𝑤. 𝐾: Conductividad térmica del material (𝑚 °𝐾) 𝐿: grosor del aislante (𝑚𝑚 𝑜 𝑚) 𝐴:Área transversal.. 𝐹:Eficiencia estándar de la placa. 𝑈𝑙 :Pérdidas totales del colector 𝐾: Conductividad térmica del absorbente. 𝛿:Espesor de la lámina. 𝑤:Distancia entre tubos. 𝐷:Diámetro interno.. 1 𝑈𝐿. 𝐹𝐸 = 𝑤[. 1 1 1 + + ] 𝑈𝐿 [𝐷 + [𝑤 − 𝐷𝑒 ]]𝐹 𝐶𝑏 𝜋𝐷𝑖 ℎ𝑓𝑖. 𝐹𝑒 : Factor de eficiencia 𝑈𝑙 :Pérdidas totales del colector 𝐷𝑒 :Diámetro exterior. 𝐷𝑖 :Diámetro interior. 𝑤:Distancia entre tubos. 𝐹:Eficiencia estándar de la placa. 𝐶𝑏 :Conductancia térmica de las uniones..

(38) 38 𝜋:Número pi. ℎ𝑓𝑖 :Coeficiente de transferencia de calor entre el tubo y el fluido.. 𝐹𝑅 =. 𝑚̇𝐶𝑝 (1 − 𝑒 −(𝑈𝐿𝐹𝐸/𝑚̇𝐶𝑝 ) ) 𝑈𝐿. 𝐹𝑟 :Factor de remoción 𝑚∙ :Flujo másico del fluido. 𝑈𝑙 :Pérdidas totales del colector 𝐶𝑝 :Calor específico del fluido 𝑒:Número de euler. 𝜂0 = 𝐹𝑒 ∗ 𝜏 ∗ 𝛼 𝜂0 : Eficiencia óptica 𝐹𝑒 : Factor de eficiencia 𝜏:Transmitancia. 𝛼:Absortancia. 𝑎1 = 𝐹𝑒 ∗ 𝑈𝑙 𝑎1: Coeficiente de pérdidas térmicas. 𝐹𝑒 : Factor de eficiencia 𝑈𝑙 :Pérdidas totales del colector Se procede a reemplazar en las ecuaciones anteriores las variables correspondientes y se tiene la siguiente tabla de resultados en la prueba del laboratorio. Tabla de Datos y Resultados Día 28 de octubre 2 -2015 Caudal (kg/s). 0,02. Cp (KJ/kg*K). 4,188. Área absorbedor (m^2). 1,8. Área de apertura (m^2). 1,867. α *10^6 (m^2/sg). 2,16E-05.

(39) 39. Tf (K). 323,059. Tp (temperatura absorbente suposición.)(K). 333. Tc(temperatura de cubierta) (K). 307,382. Ta (temperatura ambiente máxima) (K). 293,239. Ep (Emitancia del absorbedor). 0,9. Ec(Emitancia del vidrio). 0,88. σ (constante de Stephan) (W/m^2*K^4). 5,6797E-08. Ra(número de Rayleigh). 1,50E+05. β (coeficiente de Expansión térmica). 0,0030. v*10^6(m^2/sg) (viscosidad cinemática). 1,53E-05. G (gravedad) (m/sg^2). 9,81. θ (ángulo de inclinación). 10. L (longitud característica) (m). 0,04. Pr (número de Prandtl). 0,708. ΔT (K). 19,880. 𝑇̅ (K). 323,059. Hrp-c (W/m^2*K). 5,987. Hrc-s (W/m^2*K). 5,417. Hpc (W/m^2*K). 2,664. N-u. 4,440. K (conductividad térmica del aire a la TF) (W/(K*m). 0,024. Hv (coeficiente convectivo del viento) (W/m^2*°K). 11,21. Ut (w/m^2°K) Perdida por la parte superior. 5,574. Ub (w/m^2°K) pérdida de la base. 0,476.

(40) 40. K (W/m*K) conductividad térmica del material. 0,03. L(m) grosor del aislante (fibra de vidrio). 0,063. Ue (w/m^2°K) Pérdida de los lados. 0,291. K (conductividad térmica del material) (W/m*K). 0,03. L (grosor del aislante) (m). 0,03. Área lados (m^2). 0,54. Área base (m^2). 1,8525. Ul (pérdidas totales) (W/m^2*°K). 6,342. Fe (factor de eficiencia). 0,925. De (diámetro exterior) (m). 0,0158. Di (diámetro interno ) (m). 0,012. w (distancia entre tubos) (m). 0,125. F (eficiencia estándar de la placa). 0,945. Cb (conductancia térmica de las uniones) (w/m°K). 50. Hfi (coeficiente de transferencia de calor entre el tubo y el fluido (w/m²°K). 1500. K(conductividad térmica del absorbente) (W/m*K). 385. ϭ (espesor de la lámina). 0,0003. Fr (factor de remoción de calor). 0,894. 𝑚̇(flujo másico del fluido). 0,02. Ul pérdidas totales (W/m^2*°K). 6,452. Cp (calor específico del fluido) (J/kg*K). 4188. Temperatura de salida (Te) °C. 31,692. Temperatura media (tm) (°C). 0,011.

(41) 41. Temperatura ambiente (Ta) °C. 19,722. G (radiación)( W/m^2). 480,9375. Fe (Factor de eficiencia). 0,925. Ul (pérdidas totales) (W/m^2*°K). 6,452. τ (transmitancia del vidrio) (W/m^2K). 0,78. a (absortancia de la placa). 0,95. no (eficiencia óptica). 0,686. a1. 5,872. a2. 1E-10. Tabla 2. Datos y Resultados Día 28 de octubre 2 2015. NO .. Hora. Temperatu ra de entrada (Tin) °C. Temperatu ra de salida (Te) °C. Temperatu ra ambiente (Ta) °C. Radiación Diferencia de (W/m^2) temperatura reducida T*m (°K/(W/m^2)). 1. 17:38:16. 17,96319. 22,921. 19,41398. 439,4814. 2. 17:38:46. 17,94757. 23,1046. 19,52334. 439,9139. 3. 17:39:16. 18,02179. 23,52647. 19,44913. 441,1907. 4. 17:39:47. 18,03741. 24,21398. 19,76553. 442,9976. 5. 17:40:17. 18,01398. 25,15928. 19,46866. 443,8627. 6. 17:40:47. 18,02961. 26,17101. 19,70693. 444,2046. 7. 17:41:17. 18,00616. 27,18272. 19,58194. 445,1534. 8. 17:41:48. 18,00616. 28,1671. 19,38272. 444,7209. n Eficiencia. 0,002339382. 0,667476292. 0,002279412. 0,667828406. 0,003003236. 0,663489365. 0,003070367. 0,663063666. 0,004771678. 0,652886567. 0,005388013. 0,649190323. 0,00676733. 0,640933913. 0,008328617. 0,631603257.

(42) 42. 9. 17:42:18. 18,02961. 29,03429. 19,4843. 442,9976. 10. 17:42:48. 18,03741. 29,73789. 19,51553. 445,3278. 11. 17:43:18. 18,04524. 30,4332. 19,44913. 445,2371. 12. 17:43:49. 18,06085. 30,89414. 19,39054. 443,2627. 13. 17:44:19. 18,06866. 31,26914. 19,57024. 444,7209. 14. 17:44:49. 18,05304. 31,62852. 19,62881. 443,9534. 15. 17:45:19. 18,03351. 31,9254. 19,43741. 445,9278. 16. 17:45:50. 18,17805. 32,21447. 19,60147. 443,6883. 17. 17:46:20. 18,16632. 32,47227. 19,61709. 441,0302. 18. 17:46:50. 18,20928. 32,68321. 19,6835. 444,2883. 19. 17:47:20. 18,19758. 32,82383. 19,7499. 444,4697. 20. 17:47:51. 18,18975. 33,03478. 19,66397. 443,4302. 21. 17:48:21. 18,21318. 33,18322. 19,53898. 444,6371. 22. 17:48:51. 18,221. 33,31602. 19,871. 443,6883. 23. 17:49:21. 18,19366. 33,4332. 19,746. 443,3464. 24. 17:49:52. 18,27569. 33,51133. 19,90225. 441,1907. 25. 17:50:22. 18,26397. 33,65196. 19,74209. 438,707. 26. 17:50:52. 18,36553. 33,67539. 19,74209. 439,8232. 27. 17:51:22. 18,2874. 33,82383. 19,76553. 440,0814. 0,009136957. 0,626780655. 0,009817757. 0,622685942. 0,010758515. 0,617060734. 0,011476163. 0,612787382. 0,011464854. 0,612836814. 0,011739903. 0,611196956. 0,012428122. 0,607066687. 0,012609731. 0,605996695. 0,012929285. 0,604109409. 0,012970733. 0,603829348. 0,012961075. 0,603883667. 0,013414276. 0,601184523. 0,01385224. 0,598556575. 0,013292012. 0,60190801. 0,013685529. 0,599560445. 0,013579751. 0,600209253. 0,014168625. 0,596714121. 0,014274759. 0,596068761. 0,014293004. 0,595956577.

(43) 43. 28. 17:51:53. 18,29131. 33,94884. 19,746. 439,0488. 29. 17:52:23. 18,31475. 33,97228. 19,79678. 440,0814. 30. 17:52:53. 18,33037. 34,01134. 19,75772. 439,9139. 31. 17:53:23. 18,36162. 34,09728. 19,93741. 442,8302. 32. 17:53:54. 18,26787. 34,1754. 19,76944. 443,5209. 33. 17:54:24. 18,33428. 34,14415. 19,91397. 442,0488. 34. 17:54:54. 18,36553. 34,26915. 20,01553. 441,9651. 35. 17:55:24. 18,35381. 34,33166. 20,00772. 442,4814. 36. 17:55:55. 18,34991. 34,4332. 20,00772. 440,7581. 37. 17:56:25. 18,36553. 34,54258. 19,96866. 433,8861. 38. 17:56:55. 18,44757. 34,5504. 19,72647. 438,0093. 39. 17:57:25. 18,42803. 34,53477. 19,85537. 441,8813. 40. 17:57:56. 18,43584. 34,6129. 20,08975. 442,4814. 41. 17:58:26. 18,38897. 34,6207. 20,07022. 442,9139. 42. 17:58:56. 18,44757. 34,67539. 19,94913. 442,6628. 43. 17:59:26. 18,49444. 34,67539. 20,07413. 442,5651. Tabla 3. Toma de Datos Día 28 de octubre 2 2015. 0,014517919. 0,594621353. 0,01442173. 0,59518571. 0,014578159. 0,594252554. 0,014208697. 0,596430523. 0,014547668. 0,594400712. 0,014308929. 0,595838889. 0,014258615. 0,596137967. 0,01431702. 0,595783929. 0,014483761. 0,594802689. 0,014947229. 0,592096053. 0,015462035. 0,588984031. 0,014995045. 0,591737602. 0,014542125. 0,594435134. 0,014527914. 0,594516592. 0,014937668. 0,592070968. 0,014711474. 0,593421691.

(44) 44 Eficiencia Óptica del absorbedor 𝜂0. Factor Térmico de dispersión del absorbedor 𝑊. 0,685. 𝑊. 𝑎1 (𝑚2 ∗𝐾). 𝑎2 (𝑚2 ∗𝐾2 ). 5,970. 1E-10. 𝛈 vs T*m 0,68 0,67. 𝛈 (eficiencia). 0,66. y = 0,9791x2 - 5,9997x + 0,6815 R² = 1. 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,6 0,59 0,58 0,001. 0,003. 0,005. 0,007. 0,009. 0,011. 0,013. 0,015. T*m (diferencia de temperatura reducida) Gráfica 1. Eficiencia Vs Diferencia de temperatura reducida día 28 de octubre 2-2015. Para ver más resultados de los datos obtenidos en la prueba del colector en el laboratorio dirigirse al Anexo 1. Resultados de la prueba realizada en el laboratorio de Ciencias Térmicas de la Facultad Tecnológica. Resultados Pruebas al exterior. Se procede a reemplazar en las ecuaciones anteriores las variables correspondientes y se tiene la siguiente tabla de resultados en la prueba al exterior. Día Septiembre 3- 2015 Caudal (kg/s). 0,02. Cp (KJ/kg*K). 4,188. 0,017.

(45) 45. Área absorbedor (m^2). 1,8. Área de apertura (m^2). 1,867. α *10^6 (m^2/sg). 2,20E-05. Tf (K). 318,330. Tp (temperatura absorbente suposición.) (K). 333. Tc(temperatura de cubierta) (K). 295,545. Ta (temperatura ambiente máxima) (K). 274,322. Ep (Emitancia del absorbedor). 0,9. Ec(Emitancia del vidrio). 0,88. σ (constate de Stephan). 5,6797E-08. Ra(número de Raleigh). 2,16E+05. β (coeficiente de Expansión térmica). 0,0031. v*10^6(m^2/sg) (viscosidad cinemática). 1,56E-05. G (gravedad) (m/sg^2). 9,81. θ (ángulo de inclinación). 10. L (longitud característica) (m). 0,04. Pr (número de Prandtl). 0,7079. ΔT (K). 29,338. 𝑇̅ (K). 318,330. Hrp-c (W/m^2*K). 5,673. Hrc-s (W/m^2*K). 4,631. Hpc (W/m^2*K). 2,899. N-u. 4,832. K(conductividad térmica del aire a la TF). 0,024. Hv (coeficiente convectivo del viento). 10,4975.

(46) 46. Ut (w/m^2°K)Perdida por la parte superior. 5,471. Ub (w/m^2°K) pérdida de la base. 0,476. K (W/m*K) conductividad térmica del material. 0,03. L(m) grosor del aislante (fibra de vidrio). 0,063. Ue (w/m^2°K) Pérdida de los lados. 0,291. K (conductividad térmica del material) (W/m*K). 0,03. L (grosor del aislante) (m). 0,03. Área lados (m^2). 0,54. Área base (m^2). 1,8525. Ul (pérdidas totales) (W/m^2*°K). 6,239. Fe (factor de eficiencia). 0,927. De (diámetro exterior) (m). 0,01588. Di (diámetro interno) (m). 0,012. w (distancia entre tubos) (m). 0,125. F (eficiencia estándar de la placa). 0,946. Cb (conductancia térmica de las uniones) (w/m°K). 50. Hfi (coeficiente de trasferencia de calor entre el tubo y el fluido (w/m²°K). 1500. K(conductividad térmica del absorbente) (W/m*K). 385. ϭ (espesor de la lámina). 0,0003. Fr (factor de remoción de calor). 0,895. 𝑚̇ (flujo másico del fluido). 0,02. Ul pérdidas totales (W/m^2*°K). 6,092. Cp( calor especifico del fluido) (J/kg*K). 4188. Temperatura de salida (Te) °C. 43,75. Temperatura media (tm) °C. 0,011.

(47) 47. Temperatura ambiente (Ta) °C. 12,559. G (radiación W/m^2)). 480,937. Fe (Factor de eficiencia). 0,927. Ul (W/m^2*°K). 6,239. τ (transmitancia). 0,78. a (absortancia). 0,95. no (eficiencia óptica). 0,686. a1. 5,784. a2. 0,000000002. Tabla 4. Datos y Resultados Día Septiembre 3 del 2015. NO.. Hora. Temperatura de entrada (Tin) °C. Temperatura de salida (Te) °C. Temperatura ambiente (Ta) °C. Radiación (W/m^2). Diferencia de temperatura reducida T*m (°K/(W/m^2)). n eficiencia. 1. 12:20:00. 22. 41. 23,9. 951. 0,007991588. 0,640742039. 2. 12:30:00. 21. 44. 22,6. 943,2. 0,010496183. 0,626253947. 3. 12:40:00. 22. 36. 21,9. 793,2. 0,008951084. 0,635191733. 4. 12:50:00. 21. 35. 21,8. 768,4. 0,008068714. 0,640295894. 5. 13:00:00. 24. 44. 22,8. 963,2. 0,011627907. 0,619707373. 6. 13:10:00. 25. 49. 23,6. 1233. 0,010867802. 0,624104279. 7. 13:20:00. 25. 45. 23,5. 900. 0,012777778. 0,613055826. 8. 13:30:00. 25. 49. 22,9. 956,6. 0,014739703. 0,601706865. 9. 13:40:00. 21. 31. 22,7. 402,4. 0,008200795. 0,639531857. 10. 13:50:00. 23. 39. 23,8. 1039,8. 0,006924409. 0,646915249. 11. 14:00:00. 26. 50. 23,7. 951,8. 0,015024165. 0,600061367. 12. 14:10:00. 26. 54. 24,8. 1153,2. 0,013180715. 0,610724997. 13. 14:20:00. 22. 39. 24,2. 585,4. 0,010761872. 0,624717041. 14. 14:30:00. 26. 46. 24,3. 1039,8. 0,011252164. 0,621880898.