Obtención de la eficiencia térmica de un calentador solar de agua de nuevo diseño

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(1)IM-2004-I- 43. i. Obtención De La Eficiencia Térmica De Un Calentador Solar De Agua De Nuevo Diseño. Por: Carmen L. Villamil Boscan. Profesor Asesor: Rafael Beltrán Pulido Ingeniero Mecánico. Bogota, Colombia julio de 2004.

(2) IM-2004-I-43. ii. Obtención De La Eficiencia Térmica De Un Calentador Solar De Agua De Nuevo Diseño. Por. Carmen L. Villamil Boscan. Tesis presentada a La Universidad de los Andes Como requisito parcial de grado Programa de Pregrado En Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia, 2004. © (Carmen L. Villamil Boscan), 2004.

(3) IM-2004-I- 43. iii. Tabla de Contenido Capítulo 1 ......................................................................................................................................... 1 Energía Solar .................................................................................................................................... 1 1.1 Energía solar fotovoltaica (PV) ................................................................................................ 2 1.1.1 Beneficios......................................................................................................................... 3 1.1.2 Aplicaciones ..................................................................................................................... 4 1.2 Energía solar térmica ............................................................................................................... 5 1.2.1 Beneficios......................................................................................................................... 5 1.2.2 Aplicaciones ..................................................................................................................... 7 Capítulo 2 Calentamiento De Agua Por Energía Solar ....................................................................... 8 2.1 Tipos de colectores .................................................................................................................. 8 2.1.1 Colector solar de vacío...................................................................................................... 9 2.1.2 Colector solar. Concentrador Parabólico.......................................................................... 10 2.1.3 Colector solar de placa plana........................................................................................... 13 2.2 Clasificación.......................................................................................................................... 15 2.2.1 Clasificación de acuerdo al modo de circulación del agua................................................ 15 2.2.2 Clasificación de acuerdo al uso de energía auxiliar .......................................................... 17 2.2.3 Clasificación de acuerdo al tipo de agua que circula ........................................................ 18 Capítulo 3 Nueva Propuesta Y Manufactura .................................................................................... 19 3.1 Relevancia económica ........................................................................................................... 19 3.2 Objetivos del proyecto ........................................................................................................... 19 3.3 Diseño propuesto................................................................................................................... 20 3.4 Manufactura y materiales....................................................................................................... 21 3.4.1 Colector solar.................................................................................................................. 23 3.4.2 Datos de operación recomendados................................................................................... 24 3.4.3 Cubierta transparente ...................................................................................................... 24 3.4.4 Absorbedor ..................................................................................................................... 24 3.4.5 Aislamiento .................................................................................................................... 24 3.4.6 Caja ................................................................................................................................ 24 Capítulo 4 Norma Técnica Colombiana ........................................................................................... 25 4.1 Evaluación de colectores solares de placa plana para calentamiento de agua de uso domestico25.

(4) IM-2004-I- 43. iv. 4.1.1 Inspección inicial ............................................................................................................26 4.1.2 Ensayo de presión del sistema. ........................................................................................26 4.1.3 Ensayo de choque térmico interno. ..................................................................................26 4.1.4 Ensayo de caída de presión del colector...........................................................................27 4.1.5 Ensayo de estanqueidad de los colectores al agua lluvia...................................................27 4.1.6 Ensayo de envejecimiento del colector. ...........................................................................27 4.1.7 Eficiencia térmica del colector.........................................................................................27 4.1.8 Inspección final...............................................................................................................29 4.2 Requisitos generales para el montaje del sistema. ...................................................................31 4.2.1 Montaje...........................................................................................................................31 Capítulo 5 Banco De Pruebas Y Experimentación............................................................................32 5.1 Definición de ensayo a realizar...............................................................................................32 5.2 Ubicación de banco de pruebas ..............................................................................................33 5.3 Montaje Experimental............................................................................................................34 5.3.1 Angulo de inclinación (β) y orientación. ..........................................................................34 5.3.2 Circulación del agua........................................................................................................35 5.3.3 Ubicación del tanque. ......................................................................................................35 5.4 Ejecución del ensayo..............................................................................................................36 5.4.1 Variables a medir e instrumentación. ...............................................................................36 5.4.2 Acondicionamiento previo ..............................................................................................37 5.5 Datos experimentales y análisis de datos ................................................................................39 Capítulo 6 Conclusiones ..................................................................................................................46 6.1 Comentarios ..........................................................................................................................46.

(5) IM-2004-I- 43. v. Lista de Figuras Titulo. Pagina. FIGURA 1.1 PLANTA DE ENERGÍA SOLAR EN CALIFORNIA ................................................................................... 1 FIGURA1.2 APLICACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA AL ALUMBRADO PUBLICO ....................................... 3 FIGURA 1.3 APLICACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ............................................................................. 4 FIGURA 1.4 APLICACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA............................ 7 FIGURA 2.1 COLECTOR SOLAR VACÍO; A) TUBO CRISTAL CRISTAL, B) COLECTOR SOLAR. ...................................... 9. FIGURA 2.2 TUBO CRISTAL METAL. ................................................................................................................. 10 FIGURA 2.3 COLECTOR CONCÉNTRICO DE UN EJE KRAMER JUNCTION OPERATING COMPANY ............................ 11 FIGURA 2.4 COLECTOR CONCÉNTRICO DE DOS EJES. ......................................................................................... 12 FIGURA 2.5 COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA. ............................................................................................. 13 FIGURA 2.5 SISTEMA ACTIVO. LA CIRCULACIÓN DEL AGUA SE HACE CON UNA BOMBA....................................... 16 FIGURA 2.6 SISTEMA DE CIRCULACIÓN PASIVO. ............................................................................................... 16 FIGURA 3.1 CONFIGURACIONES CLÁSICAS DE COLECTORES SOLARES DE PLACA PLANA. .................................... 20 FIGURA 3.2 PLACA ABSORBEDORA. NUEVO DISEÑO. ........................................................................................ 21 CONDUCTOS DE AGUA SOBRE LAMINA ABSORBEDORA...................................................................................... 21 FIGURA 3.3 COLECTOR SOLAR DE NUEVO DISEÑO. ........................................................................................... 23 FIGURA 5.1 MONTAJE BANCO DE PRUEBAS ...................................................................................................... 34 FIGURA 5.3 VISTA DE MONTAJE DEL TANQUE................................................................................................... 36 FIG. 5.4 EFICIENCIA TÉRMICA DEL SISTEMA ŊVS(TM-T A) ................................................................................. 41 FIG. 5.5 EFICIENCIA TÉRMICA DEL SISTEMA. Ŋ VS. (TM – T A)/G ....................................................................... 42 FIGURA 5.6 COEFICIENTE DE PERDIDAS GLOBALES UL ...................................................................................... 43 FIGURA 5.7 PERDIDAS DE POTENCIA ................................................................................................................ 44 FIGURA. 5.7 COMPORTAMIENTO (TIN –TS) DURANTE EL DÍA............................................................................. 45 FIG.6.1 EFICIENCIA TERMICA COLECTOR SOLAR DE VACIO APRICUS ................................................................. 47 FIG. 6.2 EFICIENCIA TÉRMICA COLECTOR SOLAR PLANO. CHROMAGEN ............................................................. 48.

(6) IM-2004-I- 43. vi. Tabla de anexos ANEXO A DIMENSIONAMIENTO. CALENTADOR ................................................................................................ 50. ANEXO B GRAFICAS OBTENIDAS POR DÍA ........................................................................................................ 52.

(7) IM-2004-I- 43. vii. Lista de tablas Titulo. Pagina. TABLA 3.1 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS MATERIALES METÁLICOS .................................................. 21 TABLA 3.2 ESPESOR MÍNIMO PERMITIDO PARA PLACA ABSORBEDORA. NTC 4368 ............................................. 22 TABLA 4.1 DESCRIPCIÓN DE POSIBLES DAÑOS DESPUÉS DE LAS PRUEBAS.NTC 4368 ......................................... 30 TABLA 5.1 FRECUENCIA DE TOMA DE DATOS. NTC 4368.................................................................................. 38.

(8) IM-2004-I- 43. viii. Lista de símbolos Nombre. Símbolo. Unidades. Área de la superficie frontal del colector. Aa. m2. Capacidad térmica especifica. Cp. J/kg/ºK. Irradiancia solar global. Gt. W/m2. Irradiancia solar difusa. Gd. W/m2. Irradiancia solar directa. Gb. W/m2. Flujo de masa de transferencia. m. kg/s. Temperatura ambiente. Ta. ºC. Temperatura entrada al colector. Tin. ºC. Tempera salida al colector. Ts. ºC. Temperatura media (tin+ts)/2. Tm. ºC. Diferencia de temperatura. ∆T. ºC. Eficiencia térmica del colector. η. Eficiencia térmica una diferencia 0 con el ambiente. η0. Potencia perdida. QL. Tiempo solar verdadero. TSV. Declinación solar. δ. rad/rad. Angulo de inclinación. β. grad/rad.

(9) IM-2004-I- 43. ix. Introducción En el curso de los últimos años se ha despertado un corriente de interés por el desarrollo e investigación de la energía solar, debido a las crisis energéticas mundiales, aunque sin lograr una participación importante en la solución del problema debido al alto costo de capital que se requiere para su aplicación. En. determinadas. aplicaciones,. por. ejemplo. obtención. de. agua. caliente,. desalinización de agua de mar, calefacción de viviendas, secado de alimentos y motores solares entre otros, la energía solar es ya una realidad comercial y en este aspecto en algunas regiones, compite perfectamente con otros tipos de energía. El calentamiento de agua por energía solar, es un área de trabajo en el que se ha concentrado gran parte del desarrollo de la energía solar, ya que es un campo de gran importancia económica, teniendo en cuenta que esta principalmente enfocado al mercado de las casas de familia en donde el consumo de energía tiene un gran impacto en la economía. Este trabajo cubre el proceso de manufactura, diseno banco de pruebas y experimentación de un calentador solar de placa plana de nuevo diseño propuesto por una empresa nacional, que desea incursionar en esta área..

(10) IM-2004-I- 43. 1. Capítulo 1 Energía Solar. Figura 1.1 Planta de energía solar en California. El sol es la estrella mas próxima a la tierra y se encuentra a una distancia promedio de 150 millones de kilómetros, posee una masa de 1.99 x 103 y un radio. de. aproximadamente 695.000 km. Es una estrella corriente clase G, ni demasiado grande ni muy brillante, al parecer de mediana edad; ha cambiado muy poco en los últimos tres mil millones de años y se estima no cambiara mucho en los próximos tres mil millones de años. Por esta razón se considera que su radiación es una fuente inagotable de energía. La radiación solar alcanza la superficie de la tierra con una potencia aproximada de 1 kWh/m2. La cantidad que puede usarse depende de la ubicación geográfica, nubosidad y horas de luz diarias. La radiación solar llega a la parte superior de la atmósfera de la tierra en forma de un rayo directo que va siendo dispersado a medida que va pasando la atmósfera.

(11) IM-2004-I- 43. 2. terrestre por el smog, las nubes, y el polvo. Por lo tanto nosotros recibimos radiación solar tanto de manera directa como difusa dependiendo de las condiciones atmosféricas. Tanto la radiación directa como la difusa, son útiles y aprovechables, con la diferencia que la radiación solar difusa no puede ser concentrada para su uso. El Sol es el origen directo o indirecto de todas las fuentes de energía renovables, desde la solar, eólica y mareomotriz. En el caso de la energía solar, ésta aprovecha directamente la energía que recibimos del Sol (inicialmente más de 1.350 W/m2), dando lugar a dos modalidades: la energía solar térmica y la energía solar fotovoltaica. La fotovoltaica utiliza la radiación solar para generar electricidad aprovechando las propiedades físicas de ciertos materiales semiconductores. La energía térmica utiliza directamente la energía que recibimos del Sol para calentar un fluido. 1.1 Energía solar fotovoltaica (PV). La energía solar fotovoltaica esta basada en la teoría de los materiales semiconductores, para convertir la radiación solar en electricidad que puede ser utilizada o almacenada en una batería. La transformación directa de la radiación solar en electricidad por conversión fotovoltaica, es una de las formas más promisorias de su aprovechamiento a largo plazo. Su sostenido desarrollo internacional permite ya aplicarla con una mayor rentabilidad que la del resto de las fuentes convencionales, en diferentes aplicaciones. La energía solar fotovoltaica es una forma de energía que cada vez esta ganando mas popularidad como una forma de generación de electricidad confiable para.

(12) IM-2004-I- 43. 3. Figura1.2 Aplicación de energía solar fotovoltaica al alumbrado publico. lugares que se encuentran por fuera de las redes eléctricas existentes, gracias a que cada vez son mas técnica y económicamente viables proyectos desarrollados con esta tecnología, teniendo en cuenta las recientes reducciones en costos de producción y el incremento en la eficiencia de conversión de las celdas todo esto por el mejoramiento en los materiales utilizados para su producción. 1.1.1 Beneficios Sistemas confiables Fácil mantenimiento. La operación y requerimientos de mantenimiento son simples. Larga vida útil. Si se protegen debidamente las partes mas sensibles a daños, una celda se espera pueda trabajar alrededor de 15 años o mas. Beneficios económicos. No es necesario ningún tipo de combustible..

(13) IM-2004-I- 43. 4. No producen ningún daño ambiental. No produce ni ruido ni polución. 1.1.2 Aplicaciones La energía solar fotovoltaica se ha dividido en dos sectores básicos, dos aplicaciones bien diferenciadas: uno para la producción de electricidad en zonas geográficas aisladas donde no llega la red eléctrica, por ejemplo en islas, zonas rurales, casas de campo, etc. En estos sitios se utilizan las horas solares para cargar las baterías que luego son utilizadas. La otra aplicación que actualmente se esta imponiendo es el denominado sistema de energía solar fotovoltaico conectado a la red.. Figura 1.3 Aplicación de energía solar fotovoltaica. A continuación se nombran algunas de las aplicaciones que hoy en día se le da a la energía solar fotovoltaica. En conclusión, su uso es ideal donde se requiera un suministro de energía continuo y confiable que no este conectado a una red existente. •. Electrificación de viviendas rurales.

(14) IM-2004-I- 43. 5. •. Bombeo de agua a sitios aislados. •. Riego de cultivos. •. Tratamiento de agua: Desalinización y floración. •. Señalización (área, marítima, férrea y terrestre) y alumbrado publico.. •. Telecomunicaciones: telefonía rural y móvil, antenas repetidoras. •. Refrigeración de vacunas y sangre.. 1.2 Energía solar térmica El uso de la energía solar térmica ha sido históricamente uno de los más utilizados por la humanidad. Esta energía es la que aprovecha la radiación del sol para generar calor que se destina, principalmente, a la producción de agua caliente. El uso mas común para la energía solar térmica es el calentamiento de agua para uso domestico. En la actualidad una gran cantidad de calentadores de agua por energía solar son utilizados. en el mundo, especialmente en el Mediterráneo y. Australia donde la radiación solar es alta. Con la variación de los precios de los combustibles fósiles, es una tecnología que cada vez adquiere mas aceptación como un método para el ahorro de energía y dinero no solo a nivel domestico sino también industrial. 1.2.1 Beneficios. La utilización de un calentador solar de agua, reduce la cantidad de combustible que se requiere para calentar agua, ya que este absorbe la energía gratis que proviene del sol. La utilización de la energía solar térmica tiene un impacto positivo sobre la economía, ya que disminuye la utilización de combustibles fósiles en algunas aplicaciones. Su aplicación no produce sustancias contaminantes al ambiente..

(15) IM-2004-I- 43. 6. Aunque la inversión inicial para hacer un montaje de energía solar térmica puede llegar a hacer costoso, los ahorros en energía se verán reflejados a largo plazo..

(16) IM-2004-I- 43. 1.2.2 Aplicaciones. Figura 1.4 Aplicación de la energía solar térmica para el calentamiento de agua.. •. Las principales aplicaciones de la energía solar térmica son:. •. Calentamiento de agua para uso domestico o industrial. •. Calentamiento de agua para piscinas. •. Calefacción. •. Sistemas de refrigeración. •. Secado de cosechas. 7.

(17) IM-2004-I- 43. 8. Capítulo 2 Calentamiento De Agua Por Energía Solar La tecnología solar térmica permite el aprovechamiento de la radiación solar para la producción de energía a través del calentamiento de un fluido sin producir residuos contaminantes. Así como los sistemas fotovoltaicos aprovechan la energía electromagnética del sol que nos llega en forma luz, para después transformarla en energía eléctrica, los sistemas de colector solar utilizan su potencia calorífica para calentar un líquido. Existen sistemas de colector solar con y sin concentración. Los que no utilizan concentración reciben el Sol directamente,. aunque con menor rendimiento, tienen sin embargo la ventaja de su simplicidad, facilidad de construcción y menor mantenimiento.. 2.1 Tipos de colectores Un colector solar consta de una absorbedora de calor que, gracias a su geometría y a las características de su superficie, absorbe energía solar y la convierte en calor . Esta energía es enviada a un fluido que circula dentro del colector. La característica principal que identifica la calidad de un colector solar es su eficiencia, entendida como capacidad de conversión de la energía solar incidente en energía térmica. Fundamentalmente existen tres tipos de colectores solares: planos, de vacío y de concentración. ..

(18) IM-2004-I- 43. 9. 2.1.1 Colector solar de vacío Los colectores al vació se componen de filas de tubos de cristal paralelos, transparentes. Hay dos tipos de tubos: Los tubos del tipo 1 (Cristal-Cristal) consisten en un tubo interno y externo de cristal. El tubo interno se cubre con una capa selectiva que absorbe la energía solar e impide la pérdida de calor por radiación. Se retira el aire del espacio entre los dos tubos de cristal para formar un vacío, que elimina las pérdida de calor por convección o conducción. Estos tubos funcionan muy bien en lugares que presente clima con bajas temperaturas.. a). b). figura 2.1 Colector solar vacío; a) tubo cristal cristal, b) colector solar.. El tipo 2 tubos (de Cristal-Metal) consiste en un solo tubo de cristal. Dentro del tubo se encuentra una placa de cobre curvada o plana, La placa de cobre está cubierta generalmente con Tinox, u otra capa selectiva. Éste tipo de tubos son muy eficientes pero pueden tener problemas relacionados con la pérdida de vacío; Esto debido al hecho de que su sellamiento se hace entre cristal y el metal y Los.

(19) IM-2004-I- 43. 10. coeficientes de expansión térmica de estos dos materiales son diferentes así que después de algunos años de contracción y expansión el sellamiento puede fallar y como consecuencia perderse el vació. Los tubos cristal-metal son generalmente más confiables y mucho más baratos que los tubos cristal – cristal, pero estos resultan mas eficientes.. Figura 2.2 Tubo cristal metal.. 2.1.2 Colector solar. Concentrador Parabólico En los sistemas con concentración, como su nombre indica, se concentra la luz solar sobre la zona que se desea calentar. Esto se realiza mediante espejos o lentes apoyados en materiales selectivos, que calientan el líquido que circula por el interior de un tubo, en el que incide la radiación concentrada del Sol, permitiendo un mejor rendimiento que los colectores sin concentración. Los modelos más simples de colectores con concentración son los de uno y dos ejes, aunque existe otro sistema más complejo utilizado en generación de grandes potencias, y que permite su transformación en energía mecánica..

(20) IM-2004-I- 43. 11. El sistema de concentración de un eje consiste en un tubo, por el que circula el líquido que se desea calentar, y que se encuentra ubicado delante de una superficie parabólica reflectante. La energía reflejada por el elemento parabólico incide sobre el tubo y cuya concentración es cincuenta veces superior a otro sistema similar sin lentes, permitiendo temperaturas no inferiores a 100ºC, pero que pueden llegar a alcanzar los 350ºC. El tubo debe ser fabricado con un material muy selectivo (generalmente óxido de cobre sobre níquel). Los espejos se construyen con vidrios bajos en contenido de hierro o con metales esmerilados de gran pureza, para proporcionar el máximo de rendimiento.. Figura 2.3 Colector concéntrico de un eje Kramer Junction Operating Company. El sistema de colector de un eje precisa que la superficie perpendicular de la parabólica esté siempre posicionada hacia la máxima radiación del Sol. Para ello se.

(21) IM-2004-I- 43. 12. disponen sistemas que utilizan sensores de posición, para mover el conjunto y mantenerlo siempre orientado hacia el Sol. El detector de posición consiste en una serie de fotodiodos o fototransistores, que generan una corriente eléctrica proporcional a la luz que les incide. Si la radiación disminye, la señal eléctrica emitida por el detector disminuirá también, entonces el computador activará los motores de posición para modificar y reorientar el colector hacia el punto de mayor radiación del Sol. Este sistema, al ser de un único eje, solo permite el seguiemeinto del sol de este a oeste. El problema del colector de un eje radica en que el Sol se mueve realmente en dos ejes, uno Este-Oeste y otro Norte-Sur. El eje Este-Oeste es diario, y puede ser seguido con el colector de un único eje. Sin embargo, conforme nos alejamos del Ecuador y según la estación del año, desde nuestro punto de observación el Sol acusa más el movimiento sobre el eje Norte-Sur. Para poder corregir esta variación se han diseñado los colectores de dos ejes, que realizan un seguimiento del Sol sobre ambos mediante dos motores, el de acimut y el de elevación, todo ello situado sobre una torre vertical. El sistema presenta complejidades mecánicas que no compensan el rendimiento obtenido, por lo que son poco utilizados.. Figura 2.4 Colector concéntrico de dos ejes..

(22) IM-2004-I- 43. 13. 2.1.3 Colector solar de placa plana El colector plano es el de mayor uso por su sencillez de fabricación. Consta básicamente de cinco elementos: conductos para la conducción del agua, placa absorbedora, una cubierta transparente que puede ser doble o simple, aislante térmico y una caja que encierra todos estos elementos. La ausencia de partes móviles le da una característica de gran durabilidad.. Figura 2.5 Colector solar de placa plana.. La tubería de conducción del agua consiste en un serpentín de tubos metálicos por donde circula el agua que se quiere calentar. Su diámetro es muy pequeño para que el nivel de líquido que circula por el tenga tiempo a calentarse en todo su recorrido. Los tubos se fabrican con materiales que transmitan la temperatura, como cobre, aluminio o acero, y se les pinta de color negro para que absorban el calor. El intercambiador de calor se encuentra montado sobre una placa absorbedora encargada de captar el calor y conducirlo a los tubos, esta placa al igual que los tubos puede ser hecha de cobre, aluminio o acero y se pinta de negro con el fin de maximizar la absorción de calor..

(23) IM-2004-I- 43. 14. La cubierta transparente debe ser resistente al impacto, a la degradación química y a la producida por la exposición de la componente ultravioleta del espectro solar, así mismo ser estable a los efectos ambientales producidos por la lluvia, granizo, contaminantes atmosféricos y medios utilizados para su limpieza. Puede estar conformada por una o mas laminas de vidrio crudo o templado. La cubierta debe cerrar la caja del colector, ajustándose firmemente a esta y debe tener una junta sellante de material flexible, estable y resistente al calor que permita la dilatación y contracción térmica de la cubierta y la caja. La caja de protección debe ser una caja rígida, construida en materiales livianos, resistentes a la corrosión o cualquier tipo de deterioro en las condiciones climáticas prevalecientes en el lugar. La caja y la cubierta transparente no sólo protegen físicamente todo el conjunto sino que sirven de aislante térmico, impidiendo que la energía captada y transferida al agua que circula por los tubos se pierda a través de sus paredes. Para ello se coloca un aislante térmico, como la fibra de vidrio, espuma de poliuretano u otros aislantes que resistan por lo menos temperaturas de al menos 100ºC. u otro. material que mantenga el calor en su interior. El colector. solar así construido juega un papel análogo al de un radiador de. calefacción, pero justamente a la inversa. Así como el radiador tiene una superficie metálica diseñada para emitir el máximo de potencia calorífica a través de sus elementos, el colector solar tiene sus elementos diseñados para captar el máximo de calor y transferirlo a los tubos. El funcionamiento del colector se basa en el efecto invernadero. La radiación solar que entra a través de la cubierta transparente, incide directamente sobre el sistema de conducción de agua (conectados al suministro de agua fría) y la placa absorbedora,. de la energía entrante sólo una décima parte es reflejada a la. atmósfera. Al principio, cuando el colector entra en funcionamiento (entrada de agua fría por primera vez), el sistema absorbe gran cantidad de energía, ya que precisa.

(24) IM-2004-I- 43. 15. calentar todos los elementos y el agua del interior del serpentín, pero una vez llegado al punto denominado de equilibrio dinámico, es la propia placa la que emite calor, del cual sólo una pequeña parte inferior al 10% se perderá por radiación a través de la cubierta de vidrio. Es entonces cuando se mantiene un efecto invernadero en el interior de la caja colectora, que es preciso mantener mediante un buen aislamiento de las paredes, evitando las pérdidas por convección. Todo el sistema tiene un rendimiento que varía en función de la intensidad de luz que recibe y la temperatura interior, pero es siempre inferior a un 60%; generalmente se aprovechan entre 30 y 50 vatios por cada 100 que se recibe 2.2 Clasificación 2.2.1 Clasificación de acuerdo al modo de circulación del agua Los sistemas de calentamiento por energía solar se pueden clasificar en dos tipos: sistemas activos o de circulación forzada, y sistemas pasivos o de circulación natural. Los sistemas activos o de circulación forzada utilizan bombas eléctricas, válvulas y reguladores para circular el agua o el fluido de trabajo a través del colector. Son más costosos que los sistemas pasivos pero generalmente más eficientes. Los sistemas activos son a menudo más fáciles de adaptar que los sistemas pasivos porque sus tanques de almacenamiento no necesitan ser instalados sobre o cerca de los colectores. Si se utiliza un panel fotovoltaico para hacer funcionar la bomba, un sistema activo puede funcionar incluso durante una interrupción en el servicio de energía..

(25) IM-2004-I- 43. 16. Figura 2.5 Sistema activo. La circulación del agua se hace con una bomba.. Los sistemas pasivos mueven el fluido de trabajo a través del sistema sin bombas. Los sistemas pasivos tienen como ventaja que si hay un corte en el servicio eléctrico pueden seguir trabajando, Esta característica hace a los sistemas pasivos más confiables, más fáciles de mantener. Los sistemas pasivos son menos costosos que los sistemas activos, pero son también menos eficientes debido a que no se puede controlar el caudal a través del sistema.. Figura 2.6 Sistema de circulación pasivo..

(26) IM-2004-I- 43. 17. Dentro de los sistemas pasivos existe un tipo de configuración llamado termosifón, es quizás la forma mas simple de calentar el agua con el sol, utiliza un proceso conocido como conveccion natural para circular el agua a través de los colectores y el tanque, este proceso funciona haciendo calentar el agua que sube naturalmente a través del colector, al llegar al tanque ejerce presión sobre el agua fría que se encuentra en la parte baja del tanque obligándola a salir a circular por el colector. El montaje de este tipo de configuración permite que el tanque sea colocado sobre el colector o horizontalmente cerca del colector.. 2.2.2 Clasificación de acuerdo al uso de energía auxiliar Los sistemas de calentamiento por energía solar se pueden clasificar de acuerdo al tipo de energía auxiliar que requieran para cumplir con las necesidades de trabajo. Sistema solar dedicado. Este es un sistema diseñado para calentamiento de agua empleando exclusivamente energía solar. Sistema de precalentamiento solar. Sistemas diseñados para precalentar agua y suministrarla a un calentador convencional eléctrico o de gas, el cual esta separado del calentador solar y no forma parte del sistema de calentamiento por energía solar. Sistema solar con energía suplementaria. Sistemas diseñados para calentamiento de agua con energía solar y/o auxiliar..

(27) IM-2004-I- 43. 18. 2.2.3 Clasificación de acuerdo al tipo de agua que circula Los calentadores de agua por energía solar también se pueden clasificar como sistemas de circuito abierto o directo y sistemas de circuito cerrado o indirecto. Un sistema de circuito abierto circula agua potable a través del colector. Un sistema de circuito cerrado utiliza agua o un fluido que transfiera calor y un intercambiador de calor para que una vez calentado transfiera calor a alguna aplicación. Los sistemas activos también pueden clasificarse como sistemas activos de circuito cerrado y sistemas activos de circuito abierto; lo mismo ocurre con los sistemas pasivos..

(28) IM-2004-I- 43. 19. Capítulo 3 Nueva Propuesta Y Manufactura Una. empresa nacional dedicada a la venta y manufactura de vidrios. termoacusticos, que desea incursionar en el área del calentamiento de agua por energía solar se acerco a la universidad, con el fin de caracterizar un nuevo diseño de calentador solar del tipo placa plana. 3.1 Relevancia económica A pesar de que la inversión inicial para adquirir un calentador solar de agua es bastante alto en comparación a adquirir uno que funcione con gas o electricidad, los calentadores solares son cada vez mas comunes, gracias a el aumento de los precios en los combustibles y la electricidad, y a que no provocan ningún daño al ambiente y un gran punto a su favor es que pueden ser instalados donde otros no pueden ya sea porque es un lugar alejado, fuera de las redes de interconexión de electricidad o gas. En países Desarrollados y en desarrollo el mercado para calentadores solares se encuentra en crecimiento, y hoy en día existe un gran numero de fabricantes ofreciendo múltiples opciones en tecnología. La población principal a la que se dirige esta tecnología son los edificios y casas residenciales donde la demanda de agua caliente tiene un impacto grande en los costos. de energía. Los usos comerciales incluyen los lavaderos, cocinas y. empresas que en general para algún proceso requieran grandes cantidades de agua caliente.. 3.2 Objetivos del proyecto La nueva propuesta de calentador ha sido concebida teniendo en cuenta los siguientes puntos. Reducir el costo de fabricación y ensamble de la caja colectora o cuerpo negro..

(29) IM-2004-I- 43. 20. Reducir el costo de fabricación y ensamble del intercambiador de calor sin sacrificar la eficiencia de absorción de calor; Desarrollar un método para fabricar el intercambiador de calor eficiente y económico. La revisión de las patentes existentes ha mostrado que el diseño propuesto no ha sido patentado. Igualmente, la revisión de los productos que se encuentran actualmente en el mercado indica que el diseño puesto a prueba no se encuentra disponible. 3.3 Diseño propuesto En la actualidad existen básicamente 4 configuraciones distintas de colector solar de placa plana. como se muestra en la siguiente figura. Cada una de estas. configuraciones consiste en una lámina y tubería independientes.. Figura 3.1 Configuraciones clásicas de colectores solares de placa plana.. El nuevo diseño propone utilizar dos laminas para hacer de la lamina absorbedora y del conducto para conducción del agua un solo elemento. Una de estas láminas lleva dibujado un serpentín y otra lámina del mismo material es soldada a la anterior con el fin crear un ducto cerrado para que circule el agua. Este diseño tiene como fundamento que la misma área que absorbe calor la transfiera al fluido..

(30) IM-2004-I- 43. 21. Figura 3.2 Placa absorbedora. Nuevo diseño. Conductos de agua sobre lamina absorbedora.. 3.4 Manufactura y materiales El primer paso a tener en cuenta para la manufactura del intercambiador de calor fue el material. Se selecciono entre los materiales comúnmente utilizados para los conductos de agua y placa absorbedora como son el cobre, acero y aluminio porque ya es conocida su capacidad de conducir el calor, además de dejarse trabajar fácilmente. Tabla 3.1 Conductividad térmica de algunos materiales metálicos Material. Conductividad w/ m ⋅C. Cobre. 385. Aluminio. 211. Acero. 47.6. térmica.

(31) IM-2004-I- 43. 22. El segundo parámetro a tener en cuenta fue el precio, El cobre es el material mas costoso de los tres, 1m2 de lamina de cobre calibre calibre 26 cuesta en el mercado nacional alrededor de 65.000, mientras una lamina de aluminio de la misma área del mismo calibre cuesta alrededor de 25.000, el precio del acero a pesar de encontrarse costoso por un fenómeno económico fue de 20.000/m2. Tabla 3.2 Espesor mínimo permitido para placa absorbedora. NTC 4368 Metal. Espesor mínimo de la placa (mm). Cobre. 0.2. Aluminio. 0.4. Acero. 0.5. Teniendo en cuenta la tabla anterior donde se especifica el calibre mínimo permitido según la norma para las laminas utilizadas como placa absorbedora, y el precio en el mercado, se opto por escoger entre aluminio y acero, ya que para la manufactura del colector el precio del material total (2m2) en cobre era de aproximadamente 175.000 y además el cobre se encontraba escaso en el mercado. Antes de escoger un solo material se definió como iba a ser la manufactura del colector. Siguiendo el proceso de manufactura de los pisos de los carros, se determino utilizar acero. La geometría de los pisos de los carros es muy parecida al diseño propuesto con la diferencia de que los ductos van en forma paralela y no en forma de serpentín. En Bogota hay personas que trabajan las láminas artesanalmente para los carros llamados “latoneros”. Estos utilizan martillos y prensas hidráulicas para darle la forma deseada a la lamina, el acero permitía ser trabajado de esta manera sin.

(32) IM-2004-I- 43. 23. perder su geometría, a diferencia del aluminio, además el aluminio tiene la dificultad de que no puede ser soldado entre el por los métodos disponibles., Una vez hecho el serpentín sobre la lámina se sello con otra plana del mismo material (no esta deformada), con un epoxico y algunos puntos de soldadura, para crear el intercambiador el calor. Para probar que no hubiera fugas se sumergió en una piscina para probar radiadores. Y por ultimo se le aplico una pintura negra mate anticorrosiva. El intercambiador de calor se ensamblo dentro de una caja de madera pintada en negro que se encontraba forrada en su interior con espuma de poliuretano (aislamiento térmico). Para cerrar la caja se coloco vidrio crudo de 4 mm de espesor. (Cubierta transparente).. Figura 3.3 Colector solar de nuevo diseño.. A continuación se presenta la descripción de cada componente. 3.4.1 Colector solar Fabricante. Epitec.

(33) IM-2004-I- 43. Dimensiones externas: Ancho 960 mm Alto 100 mm Largo 910 mm Peso del colector vació:45.8kg Volumen del fluido de transferencia de calor: 3.4.2 Datos de operación recomendados Fluido de transferencia de calor: Agua Flujo: 0.02 Kg/s 3.4.3 Cubierta transparente Material: Vidrio crudo Numero de capaz transparentes: 1 Espesor: 4mm Área transparente:0.86 m2 Distancia entre cubierta transparente y absorbedor: 40 mm 3.4.4 Absorbedor. Tipo de diseño: Puesto a prueba Material: Acero CR Recubrimiento de la superficie: pintura negra mate anticorrosiva. Área de la superficie: 0.81 m2 Peso vacío: 22.5 kg 3.4.5 Aislamiento Material: Poliuretano Espesor: 30 mm Conductividad térmica: 0.0245 W/m C 3.4.6 Caja Material de la caja: Madera Material del marco: Madera. 24.

(34) IM-2004-I- 43. 25. Capítulo 4 Norma Técnica Colombiana La normatividad relacionada con los ensayos a los que deben ser sometidos los calentadores solares de placa plana en el país, es expedida con el INSTITUTO TECNICO COLOMBIANO DE NORMAS TECNIAS Y CERTIFICACION (ICONTEC). Las normas relacionadas con este tema son las siguientes: NTC 736: 1976, Definiciones y nomenclatura NTC 2461: 1988, Colectores solares de placa plana para calentamiento de agua de consumo domestico. NTC 4368: 1997, Eficiencia energética. Sistemas de calentamiento de agua con energía solar y componentes. Algunas de las normas internacionales que aplican para la evaluación de estos sistemas son las siguientes. ASHRAE 95 “Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Domestic Water Heating Systems”, Standard ASHRAE 95-1981, American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (1981) Atlanta, USA. ASHRAE 9593-77 “Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.. 4.1 Evaluación de colectores solares de placa plana para calentamiento de agua de uso domestico •. Inspección inicial. •. Ensayo de presión del sistema.. •. Ensayo de choque térmico interno.. •. Ensayo de caída de presión del colector. •. Ensayo de estanqueidad de los colectores al agua lluvia.

(35) IM-2004-I- 43. 26. •. Ensayo de envejecimiento del colector.. •. Eficiencia térmica del colector. •. Inspección final.. 4.1.1 Inspección inicial El propósito de esta inspección es establecer el estado inicial del sistema de tal manera que después del ensayo se puedan establecer los cambios debidos al procedimiento. Se debe inspeccionar detalladamente el total del colector especialmente aquellas partes sensibles a corrosión o a daños, tales como soldaduras, conexiones, vidrios, empaques y aislantes. Toda la información debe registrarse para que pueda ser comparada con los resultados de la inspección final.. 4.1.2 Ensayo de presión del sistema. Este ensayo consiste en someter el colector solar a 1.5 veces la presión de diseño proporcionada por el fabricante por al menos 15 minutos, con el fin de apreciar como se comporta el sistema a la presión máxima sugerida. Se espera que el sistema no presente separaciones, rupturas, grietas o deformación después de este ensayo.. 4.1.3 Ensayo de choque térmico interno. El propósito de este ensayo es. establecer. si el sistema y los colectores son. capaces de soportar cambios debido a la expansión o contracción térmica y que estos no afecten la integridad del sistema..

(36) IM-2004-I- 43. 27. 4.1.4 Ensayo de caída de presión del colector. Este ensayo consiste en medir la diferencia de presiones estáticas entre la entrada y la salida del colector, medidas perpendicularmente a la dirección del flujo. El resultado puede ser graficado en una curva caída de presión vs. Caudal. 4.1.5 Ensayo de estanqueidad de los colectores al agua lluvia. Se trata de determinar la capacidad del colector para retener el agua de lluvia. Se pesa el colector antes de colocarlo en el banco de ensayo, y es regado con agua por todas sus caras con agua con un caudal de 2 L/ min m2 durante un periodo de 4 Horas, se pesa de nuevo el colector y la diferencia entre los dos valores no debe ser mayor a 50g/m2. 4.1.6 Ensayo de envejecimiento del colector. Se somete el colector a condiciones naturales de envejecimiento en condición de estancamiento, sin fluido. Este ensayo consiste en someter a condiciones severas de radiación solar y temperatura, el colector para determinar la propensión de los materiales a la degradación y fallas de diseño. Este proceso de envejecimiento debe ser seguido diariamente para así tener información detallada de cómo ocurren cambios en el colector, que van a ser de gran utilidad para la inspección final 4.1.7 Eficiencia térmica del colector Este ensayo consiste en observar como depende la energía en forma de agua caliente obtenible del sistema de la energía solar incidente y de la diferencia de temperatura ambiente y la del agua fría de entrada. El propósito de este ensayo es obtener la eficiencia térmica del colector, para su realización es necesario medir las siguientes variables. •. Radiación solar directa y difusa.

(37) IM-2004-I- 43. •. Temperatura ambiente. •. Temperatura de entrada del agua al colector. •. Temperatura de salida del agua al colector. •. Caudal. 28. Velocidad del viento Para la ejecución de cálculos se ha desarrollado el siguiente modelo matemático: La eficiencia térmica del colector es la relación del calor ganado por el fluido a través del colector, a la radiación total incidente (directa + difusa) sobre el colector.. η=. QU G ⋅ Aa. La energía útil (Qu) transferida al fluido, en régimen cuasiestacionario por el colector plano se expresa, mediante la siguiente expresión. •. QU = m⋅ Cp ⋅ (Te − Ts ). La potencia útil extraída por el fluido de transferencia térmica es por lo tanto. QU = QT − Q L La eficiencia η o , se define como:. ηo =. QT G ⋅ Aa. La potencia útil esta dada por: QU = η o ⋅ G ⋅ Aa − Q L Y la eficiencia del colector puede ser expresada como:. η = ηo −. QL Aa ⋅ G. Introduciendo el coeficiente de perdida efectiva UL, las perdidas se pueden expresar como. QL = U L ⋅ Aa ⋅ (Tm − Ta ).

(38) IM-2004-I- 43. 29. Se ha encontrado empíricamente que U L es aproximadamente una función lineal de la temperatura diferencial con respecto al ambiente (Tm − Ta ) esto es:. U L = K 0 + K 1 ⋅ (Tm − Ta ) Donde K 0 y K 1 son constantes. La eficiencia es entonces: QL G ⋅ Aa U ⋅ Aa ⋅ (Tm − Ta ) η = η0 − L G ⋅ Aa. η = η0 −. η = η 0 − [K 0 + K 1 ⋅ (Tm − Ta )] ⋅. (Tm − Ta ). G (T − Ta ) (T − Ta )2 − K1 ⋅ m η = η0 − K 0 ⋅ m G G. Si definimos T ∗ =. Tm − Ta podemos expresar la eficiencia como un polinomio de G. segundo orden así:. η = η0 − K 0. (T − Ta ) − K ⋅ m G. η = η 0 − K 0 ⋅ T ∗ − K1 ⋅ T ∗. ⎡ (Tm − Ta ) ⎤ 1 ⋅G ⋅ ⎢ ⎥ ⎣ G ⎦. 2. 2. Donde η 0 , K 0 y K 1 se determinan a partir de una regresión polinomial de segundo orden. Los coeficientes K 0 y K 1 representan coeficientes de perdidas mientras η 0 se define como la eficiencia térmica del colector para una diferencia de temperatura 0 con el medio ambiente. 4.1.8 Inspección final. El propósito de esto es inspeccionar visualmente los principales componentes del sistemas después de terminados los ensayos. No se considera aprobado si presenta evidencia de degradación acelerada, penetración de agua en el colector y tanque, corrosión o fallas potenciales en partes o componentes..

(39) IM-2004-I- 43. 30. El sistema y sus componentes deben inspeccionarse detalladamente especialmente aquellas partes que puedan haber resultado afectadas. Toda la información debe registrarse para compararse con los resultados de la inspección inicial. La siguiente tabla muestra ejemplos típicos de deteriores que presentan los colectores. Tabla 4.1 Descripción de posibles daños después de las pruebas.NTC 4368 Materiales. Descripción del deterioro. Cubierta. Agrietamiento, rajaduras o severa condensación.. Absorbedor. Severa deformación de la placa absorbedora, severa deformación de los conductos del fluido , perdida de unión entre los conductos y la placa absorbedora, goteo o fugas del fluido en los conductos o conexiones, perdida de integridad en el montaje y severa corrosión u otro deterioro causado por acción química.. Marco del colector. Agrietamiento o alabeo o combadura de los materiales que conforman la caja del colector.. Aislamiento. Inflamación y otro cambio que afectan las propiedades del aislamiento en el colector y de manera adversa inciden en el funcionamiento del colector.. Empaques y sellos. Agrietamiento, perdida de elasticidad o perdida de adhesión. Conectores. Fugas, goteo o deterioro de los conectores al interior del colector o fugas en las conexiones mecánicas..

(40) IM-2004-I- 43. 31. 4.2 Requisitos generales para el montaje del sistema. El sistema se debe instalar de tal manera que garantice la seguridad del personal. Se debe prestar especial atención a la posible rotura de vidrios y al derramamiento de agua caliente. El sistema debe soportar ráfagas de viento en la localidad. 4.2.1 Montaje El sistema debe montarse sobre una estructura suministrada por el fabricante a menos que existan otras especificaciones, se recomienda un montaje en campo abierto. Debe ser especificado por cada prueba el Angulo de inclinación, o utilizar el indicado por el fabricante. La localización del tanque debe hacerse según instrucción del fabricante. La tubería entre el tanque y los colectores debe estar aislada con los elementos suministrados por el fabricante, debe ser resistente a la corrosión y adecuada para operar a temperaturas de hasta 95ºC. Las acometidas deben mantenerse lo mas cortas posibles en especial la de la salida de la red y la entrada del tanque para reducir los efectos del medio ambiente sobre la temperatura de entrada al colector. El sistema debe estar ubicado en un sitio donde no existan sombras ni radiación solar reflejada por edificaciones alrededor sobre los colectores durante el periodo de ensayo. En los alrededores debe procurarse que no haya chimeneas, torres de enfriamiento o tubos de escape caliente, esto con el fin de que se encuentre lo más cercano a la temperatura ambiente. El medidor de flujo debe ser instalado a la entrada del agua fría con el fin de que las lecturas no sean afectadas por los cambios de temperatura..

(41) IM-2004-I- 43. 32. Capítulo 5 Banco De Pruebas Y Experimentación Para el diseño y montaje del banco de pruebas se quiso que este semejara lo más posible a condiciones reales de trabajo. Con el fin de poder hacerse a una idea mas acertada acerca de cómo seria el comportamiento del colector en la realidad, por esto se opto por hacer un montaje a campo abierto. 5.1 Definición de ensayo a realizar. En el capitulo anterior se enunciaron los ensayos que según la normatividad técnica nacional e internacional. deben ser realizados para colectores solares de placa. plana para calentamiento de agua de consumo domestico. Si se analiza con detalle estos ensayos, la mayoría a excepción del ensayo para obtener la eficiencia térmica del sistema, son ensayos que están enfocados en garantizar la seguridad del usuario y la reacción de los materiales que componen el sistema al medio ambiente; por esta razón solamente se realizo el ensayo para obtener la eficiencia térmica del sistema ya que es el que nos va a permitir analizar el comportamiento térmico del intercambiador de calor propuesto. No se realizo el ensayo de presión, porque el fabricante no reporto el dato de la presión de trabajo máxima que puede soportar el sistema,. y podría resultar. destructivo para el colector, teniendo en cuenta las debilidades en manufactura. El ensayo para obtener la eficiencia térmica del sistema según la norma debe realizarse de la siguiente manera.

(42) IM-2004-I- 43. 33. 5.2 Ubicación de banco de pruebas Para seleccionar la ubicación del banco de pruebas fue necesario tener en cuenta varios aspectos. •. Lugar libre de sombra que recibiera la luz solar todo el día.. •. No hubieran grandes construcciones alrededor.. •. Posibilidad de un punto eléctrico.. •. Posibilidad de un punto hidráulico.. •. No hubieran chimeneas, o torres de enfriamiento que pudieran afectar la temperatura ambiente de los alrededores del montaje.. En las instalaciones de la Universidad fue permitido el espacio ubicado en la terraza del edificio Franco o “G” para la ubicación del banco de pruebas, ya que cumplía todos los requerimientos nombrados anteriormente y era posible su utilización..

(43) IM-2004-I- 43. 34. 5.3 Montaje Experimental. Figura 5.1 Montaje banco de pruebas. 5.3.1 Angulo de inclinación (β) y orientación. Mediante la inclinación y orientación del colector es posible mejorar la radiación solar sobre el colector. La inclinación para maximizar la radiación solar durante el año es igual a la latitud del lugar en el caso de Bogota la latitud es. de 4º35¨56”, lo que significa una. inclinación de 4.6º para el colector. Como bogota se encuentra en el hemisferio norte, el colector se orienta hacia el sur mirando hacia el ecuador. En el caso de poblaciones ubicadas en el hemisferio sur.

(44) IM-2004-I- 43. 35. que no es el caso de Colombia, la orientación del colector es hacia el norte mirando el ecuador.. 5.3.2 Circulación del agua Con el fin de evitar un daño prematuro del colector, por exceso de presión se opto por hacer un montaje de circulación pasiva o libre por termosifón. Teniendo en cuenta que se quería trabajar el sistema en condiciones próximas a las reales la entrada del agua viene con la presión del acueducto. Se utilizo un tanque de 15 gal para almacenar el agua del colector y recircularla para ir aumentando la temperatura a la entrada del colector.. 5.3.3 Ubicación del tanque. La configuración de termosifón puede hacerse de dos maneras con el tanque vertical ubicado sobre el colector o con el tanque horizontal en la parte trasera del colector. Como en la terraza no hay posibilidad de ubicar el tanque en altura, se opto por el tanque horizontal..

(45) IM-2004-I- 43. 36. Figura 5.3 Vista de montaje del tanque. 5.4 Ejecución del ensayo 5.4.1 Variables a medir e instrumentación. Para la realización de este ensayo la norma recomienda hacer las siguientes mediciones: •. Radiación solar directa y difusa. •. Temperatura ambiente. •. Temperatura de entrada del agua al colector.. •. Temperatura de salida del agua del colector.. •. Velocidad del viento.. •. Caudal.. •. Mes, día y hora exacta de mediciones.. Todas las variables fueron medidas, a excepción de la velocidad del viento debido a que no se disponía del anemómetro del laboratorio de ingeniera mecánica de la universidad porque se encontraba en mal estado. El no tener este dato no influye en el desarrollo del modelo matemático para obtener la curva de eficiencia térmica..

(46) IM-2004-I- 43. 37. 5.4.1.1 Radiación solar La radiación solar global se debe medir con un piranometro montado en el plano del colector, esta medición se realizo con un piranometro marca eppley, disponible en el laboratorio de ingenierita mecánica de la universidad. con las siguientes. características. •. Variación de la respuesta con la temperatura ambiente ±1%. •. Variación de la sensibilidad del sensor a las diferentes regiones del espectro de la radiación solar. ±2%. •. Linealidad de respuesta ±1%. •. Constante de tiempo < 5 s. •. Variación de la respuesta con el ángulo de incidencia ±1%. •. Constante del piranometro 8.67E-6. 5.4.1.2. Medida de temperatura La temperatura ambiente, la de salida y entrada del colector se tomaron mediante termocuplas tipo J disponibles en el laboratorio. Los sensores se colocaron lo más cerca posible a la salida y a la entrada del colector orientados en la dirección del flujo. 5.4.1.3 Medida del tiempo. Se debe ser riguroso con la medida de la hora, día y mes en el que se realiza las mediciones. Se realizaron las mediciones con la ayuda de un reloj de alarma.. 5.4.2 Acondicionamiento previo EL colector se expuso al sol durante tres días sin circulación de agua para así permitir que salieran los restos de humedad del sistema..

(47) IM-2004-I- 43. 38. Antes de iniciar las mediciones se deja circular el agua por un periodo de 10 a 15 minutos para permitir que el sistema se estabilice térmicamente, esto se debe a que cuando se pone a circular agua por el colector por primera vez luego de estar inactivo la temperatura de salida de agua es muy alta y empieza bajar muy rápidamente hasta que se estabiliza. La norma especifica que el ensayo debe realizase media hora, 15 minutos para preacondionamiento del sistema y se toman datos los 15 minutos restantes. Especificando la frecuencia de toma de datos como se muestra en la siguiente tabla. Tabla 5.1 Frecuencia de toma de datos. NTC 4368 Variable. Frecuencia. de. toma. de. datos. (segundos) Radiación solar. 60. Velocidad del aire. 300. Temperatura aire ambiente. 300. Diferencia de temperatura. 15. Tasa de flujo del agua. 15. Debido a la falta de la tarjeta de adquisición de datos adecuada para realizar este tipo de montaje, se decidió medir manualmente cada 15 minutos para dar tiempo al sistema de estabilizarse de 9:00 a.m. a 4:00 p.m, para determinar el comportamiento del sistema..

(48) IM-2004-I- 43. 39. 5.5 Datos experimentales y análisis de datos Se realizaron mediciones durante 18 días entre el 25 de mayo y el 25 de julio, de 9:00 a.m. a 4:00 p.m. Durante estos días la temperatura ambiente se mantuvo en un rango entre los 15ºC a 20ºC. Hubo la necesidad de instalar una válvula cheque entre el tanque y el colector para evitar que el agua en vez de entrar al colector entrara al tanque. La información medida, nos permite hacer una caracterización sobre el rendimiento térmico del sistema,. obtenemos parámetros que nos permiten conocer cuanta. energía absorbe el colector y cuanta pierde. Los meses de mayo y Junio presentan el promedio de radiación mas bajo del año para Bogota, por lo que se puede pensar que el rendimiento que se obtiene en estas curvas puede mejorar si se efectúa el ensayo en un lugar en el que la radiación solar sea mayor. Para determinar la radiación solar total. absorbida por el colector se utilizo el. modelo de Liu – Jordan (1963), en el que la radiación solar esta compuesta por tres componentes, un componente directo, un componente difuso mas un componente reflejado por la tierra, este modelo permite hacer una corrección a los datos experimentales obtenidos para radiación solar total teniendo en cuenta el ángulo de inclinación del colector, la latitud del lugar, el ángulo horario, y la declinación del sol. Este modelo se define así:.

(49) IM-2004-I- 43. 40. ⎛ 1 + cos β ⎞ ⎛ 1 − cos β ⎞ I t = Gb ⋅ Rb + Gd ⋅ ⎜ ⎟ + I ⋅ ρ ⋅⎜ ⎟ 2 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ I representa los datos obtenidos experimentalmente. Rb se define como la razón de la radiación solar total que es directa y se calcula. dependiendo de si el lugar geográfico se encuentra en el hemisferio norte o en el hemisferio sur. Para Bogota se calcula así:. Rb =. cos(φ − β ) ⋅ cos δ ⋅ cos ω + seno(φ + β ) ⋅ senoδ cos φ ⋅ cos δ ⋅ cos ω + senoφ ⋅ senoδ. Id se determina a partir de la obtención del factor de kt =. correlación de Erbs, para estimar. I que permite utilizar la I0. la fracción difusa de la radiación solar total. obtenida experimentalmente.. 1 − 0.09 ⋅ kt ⎧ Gd ⎪ = ⎨0.9511 − 0.1604 ⋅ kt + 4.388 ⋅ kt 2 − 16.638 ⋅ kt 3 + 12.336 ⋅ kt 4 G ⎪ ⎩0.165 kt > 0.8. kt ≤ 0.22 ⎫ ⎪ 0.22 < kt ≤ 0.8⎬ ⎪ ⎭. El valor de kt obtenido según los datos experimentales y la estimación hecha para. I 0 , se encuentra en el rango comprendido. 0.22 < kt < 0.8 durante los días de. mediciones, esto significa días con momentos de nubosidad y momentos de cielo despejado. La radiación solar promedio del mes obtenida de los datos experimentales es 496 W/m2. Una vez obtenida la radiación solar total absorbida por el colector solar se hicieron las cálculos y graficas correspondientes para la obtención de la eficiencia térmica del sistema. La eficiencia térmica se grafico de dos formas:.

(50) IM-2004-I- 43. 41. la primera haciendo una grafica de eficiencia (ŋ) vs. Tm − Ta , en la que se obtuvo una curva que se puede aproximar a la siguiente forma.. η = η0 −. K0 K ⋅ (Tm − Ta ) − 1 ⋅ (Tm − Ta ) Gt Gt n vs (Tm-Ta). 60,0%. Eficiencia. 50,0% 40,0% 30,0%. 2. y = -1E-05x - 0,0026x + 0,5095 2 R = 0,9445. 20,0% 10,0% 0,0% 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. (Tm-Ta) ºC. Fig. 5.4 Eficiencia térmica del sistema ŋvs(Tm-Ta). η = 0.5095 − 0.0026 ⋅ (Tm − Ta ) − 1 ⋅ 10 −5 ⋅ (Tm − Ta )2. η 0 = 0.5095 W m 2 ⋅º C W K1 = −1 ⋅ 10 −5 ⋅ 2 Gt m ⋅º C K0. Gt. = −0.0026 ⋅. La segunda haciendo una grafica de eficiencia vs.. Tm − Ta en la que la curva que se Gt. obtiene se puede aproximar a una curva de la forma..

(51) IM-2004-I- 43. 42. ⎛T −T η = η 0 − K 0 ⋅ ⎜⎜ m a ⎝ Gt. ⎞ ⎟⎟ − K 1 ⋅ I t ⎠. ⎛ T − Ta ⋅ ⎜⎜ m ⎝ Gt. ⎞ ⎟⎟ ⎠. 2. n vs (tm-ta)/G 0,6. Eficiencia. 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1. 2. y = -3,7352x - 1,2899x + 0,5104 2 R = 0,9246. 0,0 0,00. 0,02. 0,04. 0,06. 0,08. 0,10. (tm-ta)/G (m2 ªC/ W) Fig. 5.5 Eficiencia térmica del sistema. Ŋ vs. (Tm – Ta)/G. ⎛T −T ⎞ ⎛T −T ⎞ η = 0.5104 − 1.2899 ⋅ ⎜⎜ m a ⎟⎟ − 3.7352 ⋅ ⎜⎜ m a ⎟⎟ ⎝ Gt ⎠ ⎝ Gt ⎠ η 0 = 0.5104 = 51.04%. 2. W m 2 ⋅º C W K1 ⋅ Gt = −3.7352 ⋅ 2 m ⋅º C K 0 = −1.2899 ⋅. En los dos casos η 0 se encuentra alrededor del 50%, los coeficientes Ko y K1 como su signo lo indica representan coeficientes de perdida, son dependientes del valor de la radiación solar, por lo que estos coeficientes solo son validos para radiación solar entre 400w/m2 y 500 W/m2 según los datos experimentales obtenidos correspondientes al mes de mediciones..

(52) IM-2004-I- 43. 43. En las dos graficas se observa que entre menor es el cambio de temperatura la eficiencia es mayor, esto muestra que tanto puede calentar el colector consumiendo poca energía, seria importante hacer un ensayo disminuyendo la temperatura de entrada del agua, no aumentándola como se hizo en nuestro caso. Con los datos experimentales obtenidos de radiación solar , se obtuvo un promedio mensual de radiación de 490 ⋅ W. m2. . Estas curvas son para este valor de G, es. necesario hacer otras curvas para otros valores de G en diferentes épocas del año, porque como se ve los coeficientes son independientes de la temperatura pero dependientes de G. Se puede además obtener la curva para el coeficiente de perdidas globales UL en función de (Tm − Ta ) . ULvs (Tm-Ta) 17,5. Ul (W/m2 ºC). 17 16,5 16 15,5 15. y = 0,0731x + 14,356 2 R = 0,9059. 14,5 14 0. 5. 10. 15. 20. 25. (Tm-Ta) ºC Figura 5.6 Coeficiente de perdidas globales UL. 30. 35.

(53) IM-2004-I- 43. 44. El coeficiente de perdidas globales se comporta como una línea recta, como se había supuesto en el desarrollo del modelo matemático para la obtención de la eficiencia térmica. Las perdidas de potencia (QL) también puede graficarse en función de (Tm-Ta). QL = Ko ⋅ (Tm − Ta ) + K 1 ⋅ (Tm − Ta ) 2 Aa. QL vs (Tm-Ta) 50. QL (W). 40. y = 0,013x 2 + 1,1379x + 0,0059 R2 = 0,9984. 30 20 10 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. (Tm-Ta) ºC. Figura 5.7 Perdidas de potencia. Q L = 1.1379 ⋅ (Tm − Ta ) + 0.013 ⋅ (Tm − Ta ) K 0 = 1.1379 ⋅ W K 1 = 0.013 ⋅ W. 2. ºC. ºC 2. La diferencia de temperatura lograda por el colector estuvo en el rango entre 1ºC y 40ºC, el menor cambio de temperatura entre la entrada y la salida se registro durante las 11:00 a.m. y 1: 00 p.m. y el mayor cambio entre las 3:00 p.m. y 4 p.m..

(54) IM-2004-I- 43. 45. EL delta de temperatura se comportaba durante el dia como lo muestra la siguiente grafica. (Tin-ts) vs t 50. (Tin-Ts) ºC. 40 30 20 10 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. t (min). Figura. 5.7 comportamiento (Tin –Ts) durante el día.. El comportamiento general del colector durante los días de mediciones es muy similar, el rango de temperatura se encuentra entre lo que actualmente se ha logrado, diferencias de temperatura entre los 20ºC y 70ªC para aplicaciones de consumo domestico. Al final de la etapa de mediciones el colector no presento ningún daño pero empezó a presentar condensación en su interior, y algunas fugas..

(55) IM-2004-I- 43. 46. Capítulo 6 Conclusiones. 6.1 Comentarios El diseño propuesto, es el resultado de poner dos ideas con las que se ha venido trabajando juntas, el serpentín utilizado para la transferencia de calor y la placa absorbedora. Los materiales que se estudiaron para la manufactura del intercambiador de calor nos dan una idea aproximada de lo que podría llegar a costar el colector, ya que en el intercambiador se calor se gasta 50% del dinero necesario para su manufactura. Mientras 1 m2 de cobre cuesta mas o menos tres veces lo que puede llegar a costar 1 m2 de aluminio o acero, el coeficiente de conductividad térmica del cobre no es tres veces el coeficiente de conductividad térmica del aluminio, sin contar con que el aluminio es mas difícil de conseguir en el mercado en las dimensiones requeridas a diferencia del aluminio o el acero. El acero resulto un buen material para el trabajo artesanal al que fue sometido, mientras con el aluminio no se tuvieron buenos resultados pues perdía la forma muy fácilmente, para su producción seria apropiado pensar en un molde para prensa hidráulica, sea cual sea el material escogido para su producción. Actualmente a nivel mundial la tendencia en materiales para calentadores solares de agua son los materiales poliméricos aunque no se han logrado materiales con coeficientes de conducción térmica mejores a los del cobre se, esta investigando en esta área con el fin de reducir los costos de producción, seria bueno pensar en el desarrollo de un colector polimérico, ya que el diseño permite ser manufacturado con un material polimérico con facilidad. El intercambiador de calor presenta un problema en la manufactura al momento de sellar las dos laminas, ya que de alguna manera las superficies que quedan juntas.

(56) IM-2004-I- 43. 47. deben estar completamente pegadas para asegurar que el fluido que pasa por su interior sigue el recorrido del serpentin, el epoxico resulto una solución de ultimo momento pero no puede pensarse en su aplicación si se llega a una producción en masa. Los resultados obtenidos de la eficiencia térmica se encuentran dentro del rango de lo que se ha logrado hasta hoy, cambios de temperatura entre 20ºC y 60ºC. En la siguientes dos graficas se muestran graficas de dos calentadores solares que se encuentran actualmente en el mercado. La primera es una curva de eficiencia para colectores solares de vació, del tipo cristal – cristal, estos colectores tienen una eficiencia η 0 de aproximadamente 70%.. Fig.6.1 Eficiencia termica colector solar de vacio Apricus. La segunda grafica es una curva de eficiencia par colectores solares planos en cobre y caja de aluminio que tienen una eficiencia η 0 de aproximadamente 80%..

(57) IM-2004-I- 43. 48. Fig. 6.2 Eficiencia térmica colector solar plano. Chromagen. El colector probado tiene una eficiencia η 0 de aproximadamente 50% se encuentra por debajo de los anteriores, pero se encuentra dentro del rango de lo que hay actualmente. Este primer prototipo deja varios problemas, definir un material y forma de manufactura del colector es solo uno de ellos, también queda la construcción de la caja colectora y tener en cuenta que el diseño de un calentador solar, lleva además el diseño de un tanque apropiado y de un soporte adecuado para su montaje. Es muy importante hacer un ensayo de presión al intercambiador de calor, porque es muy sensible a daños y fugas. Valdría la pena hacer un nuevo prototipo con aluminio y una caja metálica del mismo material, con doble cubierta de vidrio y ver de que manera se mejora su comportamiento..

(58) IM-2004-I- 43. 49. Bibliografía Duffie, J.A. y Beckman, W.A. Solar engineering of Thermal Processes. New York; Jhon Wiley & Sons. 919p 1991 Areata Andreani Adolfo. Plantas de Colectores Solares Planos.Valparaiso. Universidad Catolica de Valparaíso. 275p 1987 Ministerio. de. Minas. y. Energia;. Instituto. Colombiano. de. Hidrología,. Meteorología y Adecuación de Tierras; INEA; HIMAT. Atlas de radiación solar de Colombia. Bogota INEA – HIMAT. 85P 1993. NTC 736: 1976, Definiciones y nomenclatura NTC 2461: 1988, Colectores solares de placa plana para calentamiento de agua de consumo domestico. NTC 4368: 1997, Eficiencia energética. Sistemas de calentamiento de agua con energía solar y componentes..

(59) IM-2004-I- 43. 50. Anexo A Dimensionamiento calentador. Vista superior. Vista superior Medidas en milímetros..

(60) IM-2004-I- 43. Medidas en milímetros. 51.

(61) IM-2004-I- 43. 52. Anexo B Graficas obtenidas por día Mayo 25 n vs (tm-ta) 0,6. eficiencia. 0,5 0,4 0,3 y = -0,3465x2 - 1,3495x + 0,5308 R2 = 0,9999. 0,2 0,1 0,0 0,00. 0,05. 0,10. 0,15. 0,20. 0,25. 0,20. 0,25. (Tm-Ta) ºC. n vs (Tm-Ta)/G 0,6 0,5 Eficiencia. •. 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,00. y = -0,347x 2 - 1,3432x + 0,5307 R2 = 0,9999. 0,05. 0,10. 0,15. (Tm-Ta)/G.

(62) IM-2004-I- 43 Mayo 26. n vs (tm-ta) 0,60 0,50. n. 0,40 0,30. 2. y = -7E-05x - 0,0018x + 0,4768 2 R = 0,9963. 0,20 0,10 0,00 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. Tm-Ta. n vs (tm-Ta)/G 0,6 0,5 0,4 n. •. 53. 0,3 0,2 2. 0,1 0,0 0,00. y = -0,6644x - 1,9149x + 0,4863 2 R = 0,9999 0,05. 0,10. 0,15. (Tm-Ta)/G. 0,20. 0,25.

(63) IM-2004-I- 43. Mayo 27. n vs (Tm-Ta) 0,60 0,50. n. 0,40 0,30 0,20. y = -7E-05x2 - 0,0018x + 0,4785 R2 = 0,9962. 0,10 0,00 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. (Tm-Ta) ºC. n vs (Tm-Ta)/G 0,60 0,50 0,40 n. •. 54. 0,30 0,20 0,10 0,00 0,00. y = -0,4347x 2 - 1,9144x + 0,4889 R2 = 0,9999 0,05. 0,10. 0,15. (Tm-Ta)/G. 0,20. 0,25.

(64) IM-2004-I- 43 Mayo 28. n vs (Tm-Ta) 0,6 0,5. n. 0,4 0,3. 2. y = -0,0001x - 0,0009x + 0,4929 2 R = 0,9907. 0,2 0,1 0,0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. (Tm-Ta) ºC. n vs (Tm-Ta)/G 0,6 0,5 0,4 n. •. 55. 0,3 0,2 0,1 0,0 0,00. 2. y = -0,5455x - 1,7631x + 0,5037 2 R = 0,9999. 0,05. 0,10. 0,15. (Tm-Ta)/G. 0,20. 0,25.