evaluaciones preliminares de un tubo de vacio para terma solar

EVALUACIONES PRELIMINARES DE UN TUBO DE VACIO PARA TERMA SOLAR

MSc. Ing. Pedro Bertín Flores Larico Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética de la U.N.S.A. (CER-EE- UNSA)

TEORIA HEAT PIPE

TUBO DE CALORLos tubos de calor se consideran

dispositivos de acoplamiento térmico automodulados, que emplean el fenómeno de cambio de fase como mecanismo de transferencia de calor.

Tubo de Calor y sus componentes

Componentes principales

Un contenedor hermético de buena conductividad térmica.

Una pequeña cantidad de un fluido de trabajo que pueda cambiar de fase (por ejemplo agua, alcohol, etilenglicol, propilenglicol, amoníaco, etc.), sin gases no condensables.

Componentes principales

Un mecanismo de “bombeo interno de líquido”, por ejemplo una mecha o estructura capilar en el caso de un tubo de calor.

Un sistema de interconexión con el medio ambiente, con delimitación de zonas de transferencia de calor de entrada, de salida y zona adiabática

FUNCIONAMIENTO

Un extremo del tubo de calor (el evaporador) se calienta, el fluido de trabajo de esta zona se vaporiza absorbiendo un calor latente e incrementando localmente la presión que impulsa este vapor a través de la zona adiabática, hasta el otro extremo del tubo (el condensador)

FUNCIONAMIENTO

La temperatura es ligeramente inferior, produciéndose la condensación y la reducción local de presión favoreciendo el flujo másico del vapor en el núcleo del tubo y liberando el calor latente de cambio de fase induciendo el calentamiento del condensador.

FUNCIONAMIENTO

El liquido condensado fluye hacia el otro extremo del tubo (el evaporador) bombeado por efectos de la gravedad o efecto de fuerzas capilares.

COLECTORES DE VACÍO CON TUBO DE CALOR

COLECTORES DE VACÍO

El tubo de vacío es un cilindro de vidrio, con dos capas coaxiales entre las que se ha practicado el vacío. Está hecho de una única pieza, de forma que uno de sus extremos es cerrado y el otro abierto, siendo totalmente estanco. En su extremo inferior dispone de un soporte metálico entre ambas capas de vidrio, que le permiten absorber vibraciones.

COLECTORES DE VACÍO

Por el extremo abierto se introduce el Heat-Pipe, que queda así totalmente envuelto por el tubo de vacío, salvo por un extremo, lo que le permite su conexión al depósito.

Esta tecnología permite reducir en gran medida las pérdidas por convección y conducción al quedar el Heat-Pipe envuelto por el tubo de vacío.

COLECTORES DE VACÍO CON TUBO DE CALOR

COLECTORES DE VACÍO CON TUBO DE CALOR

En este tipo de colectores el intercambio de calor se realiza mediante la utilización de un tubo de calor, que conceptualmente consiste en un tubo hueco cerrado por los dos extremos, sometido a vacío y con una pequeña cantidad de fluido vaporizante (mezcla de alcohol) en su interior.

RECUBRIMIENTO SELECTIVO DEL TUBO DE VIDRIO INTERIOR

El tubo interior está tratado con recubrimientos selectivos, que proporciona la más alta eficiencia (95%) y estabilidad térmica, al tiempo que evita pérdidas térmicas inferiores al 5%. La técnica del tratamiento selectivo del tubo interior se realiza en tres etapas:

RECUBRIMIENTO SELECTIVO DEL TUBO DE VIDRIO INTERIOR

RECUBRIMIENTO SELECTIVO DEL TUBO DE VIDRIO INTERIOR

Primera capa: Capa de cobre de alta pureza de baja emisión de radiación y reflexión hacia el evaporador del heat pipe.

Segunda capa: Capa de acero inoxidable ionizado mezclada con gases de Argón y Nitrógeno.

Tercera capa: Nitrato de Aluminio con muy baja emisión (5%) y alta absorción (95%).

PROCESO DE FABRICACION

Los tubos de vacío son de material vidrio borosilicato 3.3 marca “SCHOTT “. Para realizar el tubo de vacío hemos hecho uso de los siguientes diámetros comerciales:

-Diámetro externo: 46 mm -Diámetro interno: 37 mm.

TUBO VIDRIO INTERIOR

Para el diámetro interior se utiliza el sulfato de cobre para el cobreado y será recubierto por una película de nitrato de aluminio en concentración saturada,

TUBOS DE VIDRIO

TUBO INTERIOR TRATADO

SEPARACION ENTRE TUBOS DE VIDRIO

TUBO DE COBRE O HEAT PIPE

Seleccionamos la longitud, y los diámetros para el tubo absorbedor y el condensador.

- Tubo absorbedor: ½ pulg. - Condensador: ¾ pulg. - Longitud del absorbedor: 1.15 mts. - Longitud del condensador: 14 cm.

HEAT PIPE

CONDENSADOR

REFRIGERANTE

En el interior del tubo de cobre va depositado el fluido caloportador, para este caso se optó usar una mezcla de agua + propilenglicol. El propilenglicol cumple la función de refrigerante, esto ayuda a que el agua no se congele en épocas de heladas.

HEAT PIPE

Los porcentajes de agua + propilenglicol, son calculados en base a la temperatura mínima histórica existida en Arequipa.

Los datos históricos indican que la temperatura mínima existida en arequipa ha sido de -2 ºC

A este valor se le añade un valor de -5ºC Tdiseño = -2+(-5) = -7 º C

HEAT PIPE

Porcentaje de propilenglicol= 20 % en peso. Entonces la mezcla será: 20% propilenglicol +

80% agua. La mezcla tiene que llegar aproximadamente

hasta un 30% del volumen total de la tubería de cobre, esto se hace con la finalidad de que quede un espacio libre en el cual pueda darse la evaporación del fluido caloportador y su posterior condensación en la parte superior.

HEAT PIPE

Dcon = 5/8”, Lcon = 0.14m. Dabs=3/8”, Labs=1.15m

Vol total = 146.7 cm3 Volmezcla = Voltotal*0.3 = 44 cm3 Volagua = Vol mezcla*0.8 = 35.2 cm3 Volpropi = Volmezcla*0.2 = 8.8 cm3

44

22absabsconcon

total

LDLDVol

HEAT PIPE INYECTANDOLE MEZCLA

HEAT PIPE HACIENDO VACIO

CONCENTRADOR COMPUESTO PARABÓLICO Los CPC son estáticos y presentan una superficie

reflectante cuya sección es una curva compuesta por dos curvas que para el caso de un absorbedor cilíndrico, son una parábola y la envoluta del absorbedor transparente

CPC

Radio interno del captador: 42.8 mm Radio externo del captador: 46 mm

GEOMETRIA CPC

CPC

CPC TERMINADO

CPC Y TUBO DE CALOR

ECUACIONES UTILIZADAS PARA CONVECCIÓN LIBRE Tα: Temperatura del fluido adyacente,ºC, Tw: Temperatura de la superficie, ºC Tf: Temperatura de película, ºC

To, Ti: Temperaturas exterior e interior, ºC Tp: Temperatura promedio, ºC

Tα en ºK

Numero de Grashof Lc: Longitud característica, Do tubo, m; Lc = (Do-Di)/2, para

tubos concéntricos, m; ν: viscosidad cinemática m2/s; K: Conductividad Térmica W/m-ºK; Pr: Numero de Prandtl

2w

f

TTT

2oi

p

TTT

T

1

2

3

cw

r

LTTgG

ECUACIONES

Numero Rayleigh

Numero Nusselt

h: Coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2- ºK

rra PGR

k

hLN c

u

ECUACIONES CONVECCION LIBRE Para superficie exterior cilíndrica

2

16

9

6

1

27

8

Pr

559.01

387.06.0

au

RN

owwc TThAQ

Qc: Calor por convección, W; Aw = πDoL Área de transferencia de calor, m2

ECUACIONES CONVECCION LIBRE

Para superficies concéntricas

5

5

3

5

3

4

ln

oic

i

o

cil

DDL

D

D

F

4

14

1

861.0386.0 acil

r

ref RFP

P

K

K

i

o

oiefc

D

DLn

TTLKQ

2

Fcil: Factor geométrico

Si Fcil*Ra ≤ 100 → Kef = K

Do, Di: diámetros exterior e interior, m

Kef: Conductividad térmica efectiva

L: Longitud tubería, m

ECUACIONES UTILIZADAS PARA RADIACIÓN Superficie exterior cilíndrica

44 TTAQ wwwr

Tw, Tα: Temperaturas de superficie y del aire en ºK

εw: Emisividad de la superficie, σ=5.67x10-8 W/m2-ºK4

ECUACIONES DE RADIACIÓN

Superficies Concéntricas

o

i

o

o

i

oiir

D

D

TTAQ

11

44

Ai: Área interior; Qr: Calor por radiación, W

εi, εo: Emisividad interior y exterior; Di, Do: Diámetro interior y exterior;

Ti, To. Temperatura interior y exterior , ºK

CALOR TOTAL Y EFICIENCIA

CALOR TOTAL PERDIDO Qt=Qc+Qr Qt: Calor total ,W

EFICIENCIA

AI

QAI t

*

*

RESULTADOS EXPERIMENTALES CÁLCULO TUBERÍA DE COBRE EXPUESTA A LA RADIACIÓN CON UNA

INCLINACIÓN 20º Tα=18ºC, Tw=35ºC, Do=.010m, L=1.15m, εo=0.1 Calor pérdido por convección libre Para Tf=26.5ºC=299.5ºK K=0.025695 W/m-ºK, ν =1.585x10-5 m2/s,

Pr=0.7289 Gr =2216.5, Ra =1615.6 Ra≤1012 Nu = 2.9 h = 7.45 W/m2-ºK Qc = 6.86W Calor pérdido por radiación Tα = 291ºK, Tw = 308ºK Qr = 0.562W Calor total perdido Qt = 7.43W Radiación Solar 800W/m2, Área apertura = Do*L=0.0115m2 I = 800*0.0115 = 9.2 W Qu = 1.77 W , η = 19.24%

RESULTADOS EXPERIMENTALES CONCÉNTRICOS DE VIDRIO (VIDRIO TRATADO NEGRO

INTERIOR Y NORMAL b) TUBOS EN EL EXTERIOR) CON HEAT PIPE

- Cálculo Tubo Exterior de vidrio y Ambiente

Tw = 28ºC = 301ºK, Tα = 18ºC = 291ºK →Tf = 23ºC = 296ºK ν = 1.544*10-5 m2/s

K = 0.0256W/m2-ºK Pr = 0.73015 Convección Lc=Do = 0.046m Gr = 135318.2, Ra = 98802.6, Nu = 7.78, h = 4.33 W/m2-ºK Qc = 7.2 W Radiación εw = 0.8 Aw = 0.1662m2 Qr = 7.82 W Qt = 15.02 W I = 800 W/m2*AaCPC = 800*0.15*1.15 = 138 W Qu = 138-15.02 = 123 W º → η = 89.13%

RESULTADOS EXPERIMENTALES Cálculo Tubo vidrio negro y tubo vidrio exterior concéntricos Ti = 37ºC = 310ºK, To =28ºC = 301ºK, Tp = 32.5ºC = 305.5ºK

→ ν = 1.6315*10-5 m2/s K = 0.026065W/m-ºK

Pr = 0.7275 Convección Do = 0.0428m, Di = 0.037m → Lc = 2.0*10-3m

→ Fcil = 0.036136 Gr = 26.48, Ra = 19.26, Fcil*Ra = 0.69 ≤100 → Kef = K Qc = 11.64 W Radiación εo = 0.8, εi = 0.4 , Ai =3.1416*0.037*1.15 =

0.1337m2 Qr = 2.87 W Qt = 14.51 W

RESULTADOS EXPERIMENTALES Cálculo tubo de cobre y parte interior tubo vidrio tratado To = 37ºC = 310ºK, Ti = 28ºC=301ºK, Do = 0.035m, Di = 0.010m

Tp = 32.5ºC = 305.5ºK K = 0.02665W/m-ºK, ν =1.6315*10-5m2/s, Pr = 0.7275 Convección Lc = 0.0125m, Fcil = 0.1827 Gr = 2120.59, Ra = 1542.7 , Fcil*Ra = 281.86 > 100 → Kef =

0.03467 Qc = 1.8 W Radiación εo = 0.9, εi = 0.2, Ai = 3.1416*0.010*1.15 =

0.036m2 Qr = 0.42 W

Qt = 2.22 W Calor que llega al tubo de cobre del tubo de vidrio

tratado quimicamente

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La eficiencia es alta cuando se coloca los tubos

concentricos , η = 89.13 % Efectuar evaluación sin tubos tratados Efectuar evaluación experimental para la

determinación de la razón de condensación i/o evaporación

cer-ee@unsa.edu.pe

GRACIAS