ESTUDIO DE UN MODELO DE CALENTADOR SOLAR PARA UN
HOGAR EN LA CIUDAD DE MÉXICO
Presentan:
Jerónimo Alatorre Ibargüengoitia, estudiante en ingeniería mecánica, jeroalatorre_i@hotmail.com
Jesús Vicente González Sosa, profesor de asignatura DCB, DIMEI, jessglez@yahoo.com.mx
Facultad de Ingeniería de la UNAM
RESUMEN
En este trabajo se describe el funcionamiento de un modelo de colector solar, mediante el análisis de la temperatura en diferentes medios.
Al comparar las temperaturas de: el tanque de almacén, el ambiente, del agua a ambiente al sol y la del agua a la sombra, durante un cierto periodo de tiempo, nos podemos dar cuenta de la eficiencia del sistema.
En base a los resultados y a la literatura disponible, podemos proponer mejoras al sistema para aprovechar al máximo la radiación solar. Y obtener un modelo confiable, hecho con materiales accesibles y de bajo costo, y que funcione de manera eficiente en un hogar ubicado en la ciudad de México.
INTRODUCCIÓN
La aplicación más práctica y sencilla de la energía solar sobre la base de casa por casa, es la del calentamiento de agua.
Un calentador de agua diseñado y construido de modo cuidadoso puede proporcionar cantidades adecuadas de agua caliente durante todo el año.
En los procesos térmicos los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en una placa de absorción por la que pasa el llamado fluido portador. En este caso se estudiara solo el caso de un colector solar como precalentador de agua para una casa en la ciudad de México.
Se realizo un estudio a un primer modelo experimental para poder analizarlo y plantear algunas mejoras en base a los resultados y a lo que proponen otros autores.
El colector de placa plana está constituido por cuatro elementos principales que son: el absorbedor, la carcasa, el aislamiento, y la cubierta transparente, los cuales se describen a continuación:
Cubierta transparente
Sus funciones principales son:
• Provocar el efecto invernadero y reducir al mismo tiempo las pérdidas por convección, mejorando así el rendimiento del colector.
• Asegurar la estanquidad del colector al agua y al aire, en unión con la carcasa y las juntas.
• Permitir el paso de radiación solar.
Esta cubierta puede ser simple o doble según se requiera. Cubierta simple:
Utiliza únicamente un vidrio. La ventaja es que permite una mayor cantidad de radiación solar hacia el colector solar, sin embargo tiene la desventaja de permitir una mayor cantidad de perdidas por convección en el sistema.
Cubierta doble:
Las ventajas de los vidrios dobles es el acrecentar el efecto invernadero, reducir las pérdidas por convección, y en consecuencia, aumentar la temperatura que puede alcanzar agua en el absorbedor. Sin embargo, las pérdidas ópticas de las cubiertas dobles (reflexión y absorción) son mayores y por tanto, la energía recibida por el absorbedor es menor.
El absorbedor
Tiene por misión recibir la radiación solar, transformarla en calor y trasmitirla al agua.
Existen diferentes modelos de absorbedores. Pero solo mencionaremos los de tipo serpentín ya que son los mas accesibles, baratos y fáciles de fabricar. Para un colector solar se proponen los siguientes tipos de serpentín:
Serpentín tipo “S”
Se muestra en la fig. 1 tienen las siguientes características:
Desventajas
• Se tienen muchos espacios libres entre tubería.
• Las tuberías son muy grandes por lo que no permiten una buena transferencia de calor de las tuberías al agua.
• El agua solo llega al tanque de almacén cuando hay flujo de agua.
• Se desperdicia mucha energía cuando el agua queda atrapada en las tuberías por perdidas de convección y conducción.
Ventajas
• Se maneja una gran cantidad de agua dentro del colector.
• El agua se sigue calentando mientras fluye por el colector.
Este tipo de serpentín puede ser muy útil para usos a mayor escala y flujo continuo como en el caso de albercas.
Serpentin tipo “T”
Un serpentín tipo “T” como el que se muestra en la fig. 2 tiene las siguientes características:
Fig. 2: Serpentín “T” Desventajas
• Se maneja poca cantidad de fluido dentro del colector.
• El calor recogido directamente por las tuberías es poco.
• La tubería de menor diámetro es menos resistente. Ventajas
• Se tiene una mejor transferencia de calor entre la tubería y el agua.
• El agua se encuentra en constante movimiento por convección ya que el agua caliente tiende a subir al tanque de almacén de manera natural y el
agua fría de la parte inferior del tanque regresa al colector para ser calentada nuevamente y se tiene un ciclo constante.
• Se disminuyen perdidas de calor por convección y conducción en el colector.
• Se utiliza una placa absorbente para aprovechar los espacios libres entre tuberías y absorber mayor radiación solar.
Aislamiento
El absorbedor está protegido en su parte posterior contra las pérdidas térmicas por un aislamiento que debe ser muy eficaz.
Algunas de las características que deben poseer los aislantes para colectores son:
• Comportamiento con la temperatura. Ya que con una instalación parada en verano la temperatura puede llegar a 150°C.
• Desprendimiento de vapores. Bajo la acción del calor puede que el aislante desprenda vapores y con el riesgo de condensarse sobre la cubierta transparente.
• Envejecimiento. Conviene igualmente verificar que el aislamiento posterior no se degrada por envejecimiento u otro fenómeno.
• Humedad. Ya que los aislantes pueden humedecerse por la condensación que se produce en el interior del colector, o por rotura de la cubierta.
Carcasa
La misión de esta es doble: proteger y soportar los diversos elementos que constituyen el colector y actuar de enlace con el conjunto del edifico sobre el cual se sitúa el colector, a trabes de los elementos de anclaje necesarios.
Tanque de almacén
Debe de estar bien aislado del exterior para minimizar las perdidas de temperatura al máximo. Para lograr esto se necesitan 2 capas: la interior de aislamiento térmico y la exterior que sirve para proteger al tanque del viento y la lluvia principalmente.
La capacidad de este depende del la cantidad de agua caliente que se requiera y la cantidad de colectores solares que se tengan.
ANÁLISIS DE LA PRESENTACIÓN
El modelo que se esta proponiendo en este artículo consta de los siguientes elementos:
• Carcasa: de lamina de acero galvanizado calibre 22 con las siguientes dimensiones: 1.4 x 0.7 x .0.11 m.
• Aislamiento: solo en la base de poliuretano de ¾ de pulgada (1.9 cm) de espesor.
• Cubierta transparente: dos vidrios simples de 3mm de espesor, tipo claro y sin tratamiento.
• Colector: Tubería de cobre de 2 pulgadas (5.08cm) de diámetro, pintadas con pintura negro mate.
• Tanque de almacén: calentador de rehúso de 37 lts, aislado con poliuretano de ¾ de pulgada (1.9cm) y cubierto con lámina de acero galvanizado calibre 26.
• Conexiones: manqueras flexibles de hule vulcanizado.
Fig. 3: Tanque de almacén y colector solar.
Para poder analizar dicho modelo se siguió el siguiente método experimental:
En verano se colocaron 3 termistores marca HOBO, que son termómetros electrónicos con memoria, registrando la temperatura cada 30 segundos durante 18 días en el periodo de 26 de mayo al 17 junio de 2007. La ubicación se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 1: Ubicación de termistores verano
No Termistor Ubicación
1 Tanque Tanque de almacén
2 Intemperie a la sombra Intemperie a la sombra 3 Intemperie al sol Intemperie al sol
En invierno se colocaron otros 3 termistores en diferentes lugares como se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 2: Ubicación de los termistores para invierno.
No TERMISTOR UBICACIÓN
1 1 Intemperie a la sombra
2 2 Cubeta de agua a la sombra
3 3 Tanque de almacén
Se dejaron los termistores durante 13 días seguidos y estos automáticamente registraban y guardaban las temperaturas cada minuto. Las temperaturas se tomaron en febrero del 2006 que es cuando mas se necesita el agua caliente en un hogar.
No se coloco ninguno dentro del colector debido a que la temperatura máxima en la que se pueden colocar los termistores es de 60 °C y en el colector se alcanzan temperaturas mayores a los 60 °C. Sin embargo el agua contenida en el tanque de almacén es la que se utiliza, por lo que es válido realizar un análisis en base en la temperatura de este.
Por otro lado también se colocó un termistor dentro del tinaco de la casa para tener una idea del comportamiento térmico que tiene el agua en dicho lugar. Sin embargo solo se guardaron datos de este termistor en fechas diferentes a la de los demás termistores. Sin embargo, utilizaremos dichos datos en este artículo ya que lo que se plantea es obtener de este, el comportamiento del térmico en un lugar con gran cantidad de agua.
RESULTADOS
A continuación presentamos los resultados en gráficas y un pequeño análisis de estos datos, para poder hacer las conclusiones correspondientes en base a este análisis.
En verano se obtuvieron los resultados mostrados en la figura 4 que se presenta a continuación. -5 5 15 25 35 45 55 65 05/ 26/ 07 05/ 27/ 07 05/ 28/ 07 05/ 29/ 07 05/ 31/ 07 06/ 01/ 07 06/ 02/ 07 06/ 03/ 07 06/ 04/ 07 06/ 05/ 07 06/ 06/ 07 06/ 08/ 07 06/ 09/ 07 06/ 10/ 07 06/ 11/ 07 06/ 12/ 07 06/ 13/ 07 06/ 14/ 07 06/ 16/ 07 06/ 17/ 07 Fecha Te m p ° c Tanque Intemperie a la sombra Intemperie al sol
Fig. 4: Comparación de perfiles de temperaturas de los diferentes termistores en verano.
En la fig. 4 apreciamos que el efecto invernadero del colector no esta funcionando tan bien como se espera ya que la temperatura del agua es muy semejante a la temperatura ambiente al sol. Por otro lado, observamos que se tienen muchas perdidas por convección por causa del viento ya que días nublados como el periodo entre el 06/14/07 al 06/17/07 la temperatura exterior al sol es mayor que la temperatura alcanzada por el agua dentro del tanque.
Para el invierno se obtuvieron los resultados mostrados en las figuras 5 y 6:
TINACO 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 11 /1 7/ 05 11 /1 8/ 05 11 /1 9/ 05 11 /1 9/ 05 11 /2 0/ 05 11 /2 1/ 05 11 /2 1/ 05 11 /2 2/ 05 11 /2 2/ 05 11 /2 3/ 05 11 /2 4/ 05 11 /2 4/ 05 11 /2 5/ 05 11 /2 6/ 05 11 /2 6/ 05 11 /2 7/ 05 11 /2 8/ 05 11 /2 8/ 05 11 /2 9/ 05 11 /3 0/ 05 11 /3 0/ 05 12 /0 1/ 05 12 /0 1/ 05 12 /0 2/ 05 Fecha Te m p ° C
Fig 5: Perfil de temperaturas del agua dentro del tinaco respecto al tiempo. Analizando la grafica podemos decir que la temperatura de el agua dentro del tinaco no varía aunque se gaste aproximadamente un tinaco diario, la temperatura solo cambia 2°C aproximadamente. Esto se debe a que siempre hay un rango controlado de agua dentro del mismo y a la gran capacidad calorífica del agua.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 01/ 22/ 06 17 :13: 50,0 01/ 23/ 06 03 :53: 50,0 01/ 23/ 06 14 :33: 50,0 01/ 24/ 06 01 :13: 50,0 01/ 24/ 06 11 :53: 50,0 01/ 24/ 06 22 :33: 50,0 01/ 25/ 06 09 :13: 50,0 01/ 25/ 06 19 :53: 50,0 01/ 26/ 06 06 :33: 50,0 01/ 26/ 06 17 :13: 50,0 01/ 27/ 06 03 :53: 50,0 01/ 27/ 06 14 :33: 50,0 01/ 28/ 06 01 :13: 50,0 01/ 28/ 06 11 :53: 50,0 01/ 28/ 06 22 :33: 50,0 01/ 29/ 06 09 :13: 50,0 01/ 29/ 06 19 :53: 50,0 01/ 30/ 06 06 :33: 50,0 01/ 30/ 06 17 :13: 50,0 01/ 31/ 06 03 :53: 50,0 01/ 31/ 06 14 :33: 50,0 02/ 01/ 06 01 :13: 50,0 02/ 01/ 06 11 :53: 50,0 02/ 01/ 06 22 :33: 50,0 02/ 02/ 06 09 :13: 50,0 02/ 02/ 06 19 :53: 50,0 02/ 03/ 06 06 :33: 50,0 02/ 03/ 06 17 :13: 50,0 Fecha Te mp °C En aire a la sombra En agua a la sombra Dentro del calentador
Fig 6: Comparación de perfiles de temperatura de los diferentes termistores durante el invierno
Analizando la fig. 6 deducimos que los picos mostrados en la grafica se deben seguramente a días soleados ya que aunque la temperatura exterior estuviera en un rango de 10 °C las temperaturas dentro del calentador se disparan dentro de un amplio rango de mas de 30° entre pico y pico.
También se observa que el agua en la cubeta tiene un ligero desfasamiento con respecto a las temperaturas del medio ambiente, cosa que no sucede con el agua en el tanque que esta muy ligada a la temperatura exterior.
CONCLUSIONES
A continuación se analizará cada una de las partes que conforman el colector solar y basándose en la literatura, el análisis de resultados y en las funciones de cada componente, se propondrán las mejoras al sistema.
Cubierta transparente
Según la literatura se recomienda una cubierta doble cuando hay temperaturas exteriores bajas y con vientos fuertes la mayor parte del tiempo. En nuestra ciudad es más recomendable utilizar cubiertas sencillas para aprovechar al máximo la radiación solar ya que no se tiene tan bajas temperaturas ni fuertes vientos la mayor parte del tiempo. Por estas razones se recomienda reducir la cubierta transparente a solo un vidrio de 3 mm.
Por otro lado, como se analizó, en la fig. 4 no se tiene un buen efecto invernadero por lo que es necesario revisar y mejorar los sellos de la cubierta transparente con la carcasa para evitar que el aire caliente escape.
Absorbedor
Se propone utilizar un serpentín del tipo “T” con cabezales de ¾ de pulgada (1.9 cm) de diámetro y con tubos transversales de 3/8 de pulgada (0.95 cm) de diámetro para tener un flujo natural continuo y una mejor transferencia de calor entre el colector y el agua. Por lo que se observa en la fig. 4 se debe aumentar la superficie de absorción, lo que se logra implementando aletas soldadas a los tubos transversales de cobre.
Aislamiento
Actualmente el colector esta aislado en la parte inferior únicamente, por lo que convendría aislarlo en los costados también para disminuir las perdidas por convección las cuales son significativas, como se observa en la fig. 6, ya que aunque no hay mucho cambio en la temperatura del ambiente ni del agua en la cubeta, la temperatura del tanque tiene varios sumideros que solo se explican por la acción del viento.
También es necesario poner una cubierta protectora ya que el poliuretano utilizado se deforma y descompone con la radiación solar, perdiendo sus propiedades aislantes. Es por esto que en la fig. 4 la temperatura del agua dentro del tanque colector es muy parecida a la temperatura ambiente.
Por otro lado revisando el calentador se observo que tiene algunas fugas de agua de lluvia lo que también afecta las propiedades aislantes del material. Debido a estas posibles fugas es que no se eligió aislante de fibra de vidrio ya que al mojarse pierde todas sus propiedades aislantes y es muy difícil secarlo.
Todas estas fallas en el aislante han provocado los cambios tan abruptos y las pendientes tan elevadas que se aprecian en las figuras 4 y 6.
Carcasa
En base a la fig. 2 se aprecia una rápida perdida de calor debido, principalmente, a las transferencias por conducción y convección, esto se puede disminuir, reduciendo la altura de la carcasa. Esto también ayudaría a mejorar el efecto
invernadero, siempre y cuando se tenga espacio entre el vidrio y los tubos del absorbedor. Como en este trabajo se propone disminuir el tamaño de las tuberías, no es necesario mantener los 11 cm de espesor que se tiene actualmente y se propone disminuirlo a 6, de esta manera se reduce el área expuesta al viento, pero se mantiene una distancia considerable para tener un efecto invernadero suficiente.
Varios problemas detectados en otras partes del calentador se deben a un sellado deficiente entre la carcasa y el vidrio, la carcasa y las tuberías y en la carcasa misma, lo que implica poner especial atención en este punto para futuros modelos. Tanque de almacén
Como se observa en las figuras 4 y 6 la temperatura pico se alcanza a medio día, donde normalmente no se utiliza el agua caliente por lo que es necesario lograr la temperatura no descienda tan rápidamente y aun sirva de algo en la noche que es cuando mas se necesita en un hogar. Observando en la fig. 5 la línea del tinaco se observa que es la mas constante debido a la cantidad de agua que almacena aun a pesar de que no este aislado y se este renovando el agua en el tinaco. Basándose en estas observaciones se concluye que se necesita tener un tanque de mayor capacidad, ya que al aumentar el volumen de agua, se lograra equilibrar las temperaturas alcanzadas durante la tarde, gracias a la capacidad calorífica del agua.
Sin embargo al aumentar el volumen de agua, se necesitara mayor cantidad de energía para poder calentar la cantidad de agua necesaria. Esto se puede lograr haciendo más colectores implementando las mejoras que se proponen en este trabajo.
REFERENCIAS
1. CONSOLAR. “Instalaciones de Energía Solar”, Progensa, Tomo III, Sevilla España. 1992. 2. Almanza Salgado, Rafael, Muñoz Gutiérrez, Felipe. “Ingeniería de la Energía Solar”, El
Colegio Nacional, Mexico, 1994 3. www.censolar.es
