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SEP SElT DGiT
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO
cenidet Caracterización térmica de un colector
solar plano para agua de uso domestico aplicando el anteproyecto de norma
m ex¡ ca na exis ten te.
T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN
INGENIERíA MECANICA
P R E S E N T A
RAFAEL CASTILLO RINCÓN
0 5 - o 3 0 2 CO-DIRECTOR: DR. LEONEL LIRA CORTES - CUERNAVACA, MORELOS. JUNIO, 2005.
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cenídet Centm Nacional de Investigación
y üesarmllo Tecnológico IYBYCSfTWADf L w c * C I w S IWIrGuONXCMLO(iIC*I ---
M10 - ACEFTACI~N DEL DOCUMENTO DE TESIS -.
Cuemavaca, Mor., a 29 de abril de 2005
C. M.C. CLAUDIA COR*S GARCÍA Jefe del departamento de Ing. Mecánica Presente.
At'n C. Dr. Enrique S. Gutiér~ez Wing Presidente de la Academia de hg. Mecánica
I Nos es gato comunicarle, que conforme a los lineamientos para la obtención del grado de h4aectro en Ciencias de este Centro, y después.de haber sometido a revisión académica la tesis titulada:" CARACTERIZACIÓN TÉRMlCA DE UN COLECTOR SOLAR PLANO PARA AGUA DE USO DOMÉSTICO APLICANDO EL ANTEPROYECTO DE NORMA MEXICANA EXISTENTE", realizada por el C. Rafael Castillo Rincón, y dirigida por: Dr. J. Jassón Flores Pneto y Dr. Leone1 Lira Coités y habiendo realizado las correcciones que le fueron indicadas, acordamos ACEPTAR el documento 6nal de tesis, así mismo le solicitamos tenga a bien extender el correspondiente oficio de autorización de impresión.
Atentamente . La Comisión de Revisión de Tesis
Dr. Oscar A. Jaramillo Salgado Nombre y firma Revisor
Nombre y firma Nombre y firma Revisor Revisor
C.C.P. Subdiración Acad6mica DepaRBmento de %vicios Escolares Directores de tesis Estudiante .,
PROLONGACIÓN AV. PALMIRA ESQ. APATZINGAN, COL. P A M I R A , A.P. 5-164. CP. 62490. CUERNAVACA. MOR. - MEXICO TELSIFAX: (777) 314 0637 y312 7613
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“WC4 I ‘u‘s. cenídet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
M1 i AUTORIZACI~N DE IMPRESI~N DE TESIS
Cuemavaca, Mor., a 09 de mayo de 2005
C. RAFAEL CASTILLO RlNC6N Candidato al grado de Maestro en Cienciis en ingeniería Mecánica Presente.
Después de haber atendido las indicaciones sugeridas por la Comisión Revisora de la Academia de Ingenieria Mecánica, en relación a su trabajo de tesis cuyo titulo es: “CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE UN COLECTOR SOLAR PLANO PARA AGUA DE USO DOMÉSTICO APLICANDO EL ANTEPROYECTO DE NORMA MEXICANA EXISTENTE”, me es grato comUnicarle que conforme a los linmientos establecidos para la obtención del grado de Marsüo en Ciencias en este centro se le concede la autunzación para que proceda con la impresión de su tesis.
C. M.C. Claudia Cortés Garcia Jefa del Departamento de Ing. Mecánica,
S. E. P CENTRO NACIONAL Di
INVESTIGACIOI,~ Y DESARROLLO
TECNOLOGlio DEPARTAMENTU 0,
IFtG. ME(.Ahrn
c c p Subdirección AcadQnica Residente de la Academia de Ing M&ca Departamento de SeMciosEscolares Expediente
PROLONGAC16N AV, PALMIRA ESQ. APATZINGAN. COL PALMIRA , A.P. 5164. CP.62490, CUERNAVACA. MOR: MtX ICO TELS/FAX:(777)3140637y3127613
--
Dedicatorias
Primeramente a Dios por darme la vida y la fortaleza para salir adelante en cada etapa de mi vida.
A mis padres el Señor Maximino Castillo Carrasco y la Señora Rafaela Rincón Giles, por todo su apoyo, amor y comprensión para poder culminar mis
estudios y siempre darme el buen ejemplo de ser una persona de bien.
A mis hermanos José Luis, Víctor y Samuel, y de manera muy especial a mis hermanas Maribel y Luz Maria por todo el apoyo y cariño que aunque lo
ocultan, siempre están conmigo.
A mi novia y futura esposa Silvia Balderas Salazar por darme tanto amor, cariño y mucha comprensión. Te dedico este trabajo por que te amo y formas
parte todo lo que soy. Te amo preciosa.
A mi sobrino y hermano Alexis que aunque eres demasiado pequeño para
darte cuenta de lo que pasa, para mí siempre serás parte importante de nuestra
familia.
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Agradecimientos
Al Consejo del Sistema Nacional de Educación Tecnológica (CoSNET) por el apoyo de proporcionarme una beca-crédito a lo largo mi Posgrado de
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica.
Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) por darme la oportunidad de continuar mi formación académica.
A la Secretaría de Educación Pública (SEP) por el apoyo en general y por proporcionarme una beca durante el periodo de extensión que se necesitó para
poder culminar este trabajo.
A todos mis profesores M.C. Claudia Cortés M.C. José Manuel Morales Dra. Sara Lilia Moya
Dr. Alejandro Salcido
Dr. Gustavo Urquiza Dr. José Jassón Flores Dr. Leone1 Lira Dr. Jesús Perfecto Xaman Por toda su sabiduría y profesionalismo que los caracteriza.
Al Dr. José Jassón Flores director de este trabajo de tesis por todo sus apoyos, tiempo y paciencia para dirigir por buen camino la realización de este proyecto.
A los integrantes del Jurado revisor: Dra. Gabriela Álvarez Garcia, Dr. Claudio Estrada Gasca, Dr. Oscar Jaramillo Salgado, Dr. José Jassón Flores Prieto. Por su dedicación, observaciones y sugerencias que proporcionaron
para el mejoramiento de este trabajo.
A doña lupita por ser tan amable en atendernos en el centro de información y escucharnos como estudiantes a lo largo de la maestría. Así como también a Raquel.
A Ramón Tovar por proporcionar el colector solar plano que se evaluó en esté proyecto.
A todos y cada uno de mis amigos de generación 2002: Onesimo Meza, Felipe Noh, Jorge Olarte, Omar Benítez, Ramón Ramos, Vicente Torres, Arturo Abundez, José Navarro, Mario Villanueva, Gerard0 Ortega, Wadie Sosa.
A mis compañeros que me apoyaron en la construcción del la plataforma móvil, José Navarro, Mario Villanueva, Arturo Abundes.
A Jaime Rosas, Eduardo Velasco y David Chávez por el apoyo técnico en la construcción de banco de pruebas.
A todos mis demás compañeros del Cenidet y del Tec. de Zacatepec que de alguna u otra manera brindaron su apoyo para la realización de este trabajo: Manuel Arjona, José Banda, Moisés Elías, Carlos Mho, Jesús Arce, Efraín Sima, Emanuel y Gabriel.
Índice
Resumen.
Abstract. Lista de figuras.
Lista de tablas. Nomenclatura.
Glosario
Capítulo 1 Introducción. 1 . 1 Colectores solares planos. 1.2 Antecedentes.
1.2.1 Métodos de pruebas para colectores solares planos.
1.2.2 Calibración del instrumento para medir flujo másico.
1.2.3 Calibración del piranómetro. 1.2.4 Calibración de sensores de temperatura.
1.3 Objetivo general.
1.4 Alcance. 1.5 Estructura de la tesis.
Capítulo 2 Metodologías de pruebas. 2.1 Norma ANSUASHRAE 93-1986.
2.1.1 Requerimientos generales de la norma ANSUASHRAE 93-1986.
2.1.2 Procedimiento para determinar la constante de tiempo. 2.1.3 Procedimiento para determinar la eficiencia térmica. 2.1.4 Procedimiento para determinar el ángulo de incidencia modificado.
2.2 Anteproyecto de Norma Mexicana ANM-ANES 2002.
2.2.1 Requerimientos generales del ANM-ANES 2002.
2.2.2 Procedimiento para determinar la constante de tiempo.
2.2.3 Procedimiento para determinar la eficiencia térmica.
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2.2.4 Procedimiento para determinar el ángulo de incidencia modificado.
2.3 Comparativo del ANM-ANES 2002 con ANSVASHRAE 93-1986.
Capítulo 3 Diseño del banco de pruebas. 3.1 Criterios de diseño del banco de pruebas. 3.2 Componentes del banco de pruebas.
Capítulo 4 Construcción del banco de pruebas. 4.1 Construcción del sistema de acondicionamiento del colector solar.
4.2 Construcción del sistema de acondicionamiento de temperatura y control de flujo para agua.
4.3 instrumentación del banco de pruebas.
4.4 Operación del banco de pruebas.
Capítulo 5 Resultados de la caracterización del colector solar. 5.1 Descripción del colector solar a caracterizar.
5.2 Prueba de constante de tiempo. 5.3 Prueba de eficiencia térmica.
5.4 Prueba del ángulo modificado. 5.5 interpretación de los resultados.
Capítulo 6 Conclusiones y recomendaciones para trabajos futuros. 6.1 Conclusiones. 6.2 Recomendaciones.
Bibliografía.
Apéndice A: Cálculo del ángulo modificado. Apéndice B: Pasos de prueba del ANM-ANES 2002.
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Apéndice C: Esquemas y configuraciones válidos para el diseño
de un banco de pruebas.
Apéndice D: Planos de construcción del soporte móvil.
Apéndice E: Cálculo del tiempo solar.
Apéndice F: Cálculo de incertidumbre.
Apéndice G: Ajuste de una línea por mínimos cuadrados.
Apéndice H: Reporte de caracterización del colector solar.
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Resumen.
La evaluación y caracterización de sistemas de aprovechamiento de energía solar y en
general de cualquier producto que se comercializa, permite comparar y dimensionar con
certidumbre io que se requiere. Por lo que caracterizar en el país colectores solares planos
permite que los consumidores conozcan los parámetros al comparar los colectores solares planos que fabrica y comercializa la industria solar mexicana. El mercado nacional de
colectores solares planos ha incrementado sus ventas de manera considerable desde 1999 al 2002 (Balance Nacional de Energía, 1999, 2000, 2001 y 2002), y se estima que en los Últimos
dos años la tendencia es semejante, esto se ha debido principalmente al incremento del interés
de la sociedad por la ecología, permaneciendo rezagados los beneficios económicos. Los
colectores solares que se han venido instalando en el país en gran parte no han sido caracterizados, por lo que la oportunidad de incrementar la certidumbre del funcionamiento de
los colectores solares y la competitividad en el mercado están latentes.
En el año 2002 la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES) publicó una
propuesta de anteproyecto de norma para caracterizar colectores solares planos y en el mes de
Febrero de 2005 la Sociedad de Normalización y Certificación S.C. publicó en el Diano Oficial de la Federación el aviso de consulta pública del Proyecto de Norma PROY-NMX-
001-NORMEX-2005. El proyecto de norma se basa en las normas ANSUASHRAE 93-1986 y ISO-9806-1, en los procedimientos de prueba de FSEC-GP-5-80 y del Anteproyecto de Norma
Mexicana.
En este trabajo se presenta el diseño, la construcción y la puesta en operación de un banco de pruebas para caracterizar colectores solares planos, considerando los procedimientos del Anteproyecto de Norma Mexicana (ANM-ANES 2002) y los procedimientos de la norma internacional ANSUASRHAE 93-1986. El banco de pruebas se realizó desarrollando herramientas para cumplir los requerimientos y procedimientos de las pruebas térmicas para
caracterizar colectores solares que se enuncian en ambos documentos. Las pruebas térmicas son: prueba de constante de tiempo, prueba de la eficiencia térmica y prueba de eficiencia ai ángulo modificado. Los resultados de estas pruebas, en su conjunto permiten conocer la
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energía que proporciona el colector solar plano conociendo la temperatura ambiente, la
radiación solar y la temperatura del agua de suministro.
El banco de pruebas se diseñó en tres secciones. La primera sección consta de una
plataforma móvil que permite orientar el colector durante las pruebas con la finalidad de reducir tiempo y movimientos durante la caracterización. La segunda sección es un circuito
cerrado y continuo que trabaja a presión atmosférica, de tal manera que se reducen los costos
del banco de pruebas. En la tercera sección se miden y registran por computadora las variables
involucradas en lo que se considera tiempo real.
En el banco de pruebas se caracterizó un colector solar plano encapsulado para
calentamiento de agua, y se aplicó el ANM-ANES 2002 y la norma ANSUASHRAE 93-1986.
En las pruebas de caracterización se obtuvieron: la constante de tiempo, la curva de la
eficiencia térmica y la curva de la eficiencia al ángulo modificado. En los resultados se
muestra que para el colector de la fábrica Thermosol, Encapsulado-01, el factor FR(?a), es de
0.542 10.008, el factor FRUL es de 6.411 ~0.51W/mZ0C, la constante bo es de 0.460 y la
constante de tiempo es de dos minutos con quince segundos aplicando los procedimientos del ANM-ANES 2002. Aplicando los procedimientos de la norma ANSUASHRAE 93-1986 se
obtuvieron los mismos resultados de los factores FR(ra), FRUL y bo; sin embargo, la constante
de tiempo es de un minuto con cincuenta y ocho segundos.
Durante el desarrollo de la caracterización del colector solar se cumplieron los
requerimientos de prueba, excepto el requerimiento de medición de la incertidumbre del flujo de agua que entra al colector solar que fue del *2% del total de la medición, siendo este valor
el doble de la incertidumbre que recomienda el ANM-ANES 2002 y la norma ANSUASHRAE 93-1986. Como consecuencia de esta excepción el valor de la incertidumbre de la eficiencia térmica cambio de k0.023 a i0.025.
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Abstract.
The evaluation and characterization of solar energy advantage in general of any
product that is commercialized, allowed us to compare and determine the proportions with the required certainty. The reason for making these evaluations in the country, allows the
consumers to know the parameters to compare 'different flat solar collectors which are
fabricated and commercialized by the' Mexican solar industries. The national market of flat
solar collectors has increased sales considerably since 1999 to the 2002 (National Balance of Energy 1999, 2000,2001 y 2002). In the last two years the trend is similar, this has been due mainly to the increase of the interest of the society by the ecology, leaving behind the
economic benefits. The solar collectors which have been installed in the country to a large extent have not been characterized, thus, it is latent the opportunity to increase the certainty of
the operation of the solar collectors and the competitiveness in the market.
In 2002 the National Association of Solar Energy (ANES) published a first draft of proposal of norm to characterize flat solar collectors and in February, 2005 the society of
normalization and certification S.C. published in the official newspaper of the Mexican
federation, the announcement of public consultation of the project of norm PROY-NMX-001-
NORMEX-2005. The norm project is based on the norms ANSVASHRAE 93-1986 and ISO-
9806-1, on the procedures of test FSEC-GP-5-80 and on the first draft of the Mexican norm.
It is presented in this work the design, the construction and operation of a experimental
stand to Characterize flat solar collectors, considering the procedures of the first draft of the
Mexican norm (ANM-ANES 2002) and the procedures of international norm (ANSVASHRAE 93-1986). The experimental stand was developed using tools to fulfill the requirements and procedures of the thermal tests. The thermal tests are: test of constant time, test of thermal efficiency and test of efficiency to the modified angle. The results of these
tests, as a whole, allow us to know the energy that the flat solar collectors provide knowing the ambient temperature, the solar radiation and the temperature of the provision water.
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The experimental stand was designed in three sections. The first section consists of a movable platform that allows orienting the collectors during the test with the purpose of
reducing the time and movements during the characterization. The second section is a closed and continuous circuit that works to atmospheric pressure in such a way that the costs of the
experimental stand are reduced. In the third section the involved variables are measured and
register by computer in which real time is considered.
In the experimental stand, a flat encapsulation solar collector for water heating was characterized, and it was applied the ANM-ANES 2002 and norm ANSVASHRAE 93-1986.
In the characterization test they were obtained: the constant of time, the curve of the thermal
efficiency and the curve of the thermal efficiency to the modified angle. In the results shows that the collector of the thermos01 factory, encapsulated-01, factor FR (sa), is 0.542 iO.008,
factor FRUL is 6.411 *0.51W/m2"C, the la constant bo is 0.460 and the time constant is two
minutes with fifteen seconds, applying the procedures of ANM-ANES 2002. Applying the procedures of norm ANSVASHRAE 93-1986, the same results were obtained for factor
F R ( T ~ ) ~ , FRUL and bo; however, the time constant is a minute with fifty and eight seconds.
During of the development of characterization of the plane solar collector the test
requirements were achieved, with exception of the requirement of maturation of the
uncertainty of the flow of water that enters to the solar collector that was of i 2 % of the total of
the measure being this value double the uncertainty recommended by the ANM-ANES 2002
and the norm ANSVASHRAE 93-1986. As a consequence of this exception, the value of the uncertainty of the thermal efficiency change of i0.023 to i0.025.
iv
Lista de figuras
Figura 1.1
Figura 1.2
Figura 3. I
Figura 3.2
Figura 3.3
Figura 3.4
Figura 3.5
Figura 4. I
Figura 4.2
Figura 4.3
Figura 4.4
Figura 4.5
Figura 4.6 a)
Figura 4.6 b)
Figura 4.7
Figura 5. I
I Figura 5.2
Figura 5.3
Descripción Circuito tipo parrilla. Sistema de calentamiento para agua con energía solar
termosifónico.
Esquema del banco de pruebas para la evaluación térmica de
colectores solares planos.
Soporte móvil propuesto.
Diagrama del sistema de acondicionamiento para el agua. Diagrama del mezclador de flujo de agua.
Configuración de la instrumentación empleada en el banco de Pruebas.
Poste principal de la base móvil. Poste móvil.
Bastidor para el montaje y sujeción del colector. Sopote móvil.
Montaje y sujeción del colector solar. Sistema de acondicionamiento de temperatura y control de flujo de
agua.
Sistema de acondicionamiento de temperatura y control de flujo de
agua. Diagrama de flujo para la operación del banco de pruebas.
Comportamiento de la temperatura de entrada y salida del colector así como la temperatura ambiente durante la prueba de la constante de tiempo.
Comportamiento de la radiacibn solar global durante la prueba de la constante de tiempo. Comportamiento delflujo másico del agua en el colector durante la prueba de la constante de tiempo.
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V
Figura 5.4
Figura 5.5
Figura 5.6
Figura 5.7
Figura 5.8
Figura 5.9
Figura 5. I O
Figura 5. I I
Figura 5.12
Figura 5. I3
Figura C. I
Figura C.2
Figura C.3
Figura C.4
Comportamiento de la temperatura de entrada y salida del colector así como la temperatura ambiente durante la prueba de la eficiencia térmica.
Comportamiento de la radiación solar global durante la prueba de
la eficiencia térmica.
Comportamiento del flujo de agua en el colector durante la prueba de la eficiencia térmica. Comportamiento de la eficiencia conforme cambia la temperatura
de entrada al colector.
Comportamiento de la temperatura de entrada y salida del colector
así como la temperatura ambiente para la prueba del ángulo modificado.
Comportamiento de la radiación solar global durante la prueba del
ángulo modificado. Comportamiento del flujo másico del agua en el colector durante la
prueba del ángulo modificado.
Comportamiento de la eficiencia conforme se modifica el ángulo de incidencia.
Comportamiento del ángulo modificado versus ~ - Lo: B 11
Comportamienio del ángulo modifcado K m versus ángulo de
incidencia solar 0 Configuración del banco de pruebas tipo ciclo abierto
(Fuente ANM-ANES 2002). Configuración del banco de pruebas tipo circuito cerrado fuente ANSI-ASHRAE 93-1986)
Configuración del banco de pruebas tipo circuito abierto
fuente A NSI-ASHRA E 93- 1986).
Conjiguración del banco de pruebas tipo circuito abierto con el fluido de transferencia de calor continuamente suministrado (fuente ANSI- ASHRAE 93-1986).
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Figura B. I Figura B.2
Figura B.3
Figura G. I
Figura G.2
Dibujo: Base cuadrada. Dibujo: Poste móvil
Dibujo: Bastidor
?ita 1 Representación gráfica de la il versus
Tabla 2.1
Tabla 4.2
Tabla 5. I
Tabla 5.2
Tabla 5.3
Tabla 5.4
Tabla 5.5
Tabla 5.6
Tabla 5.7
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Representacien gráfica de la q versus [ "'G " ) con desviación 124
, Tabla 5.8
122
estándar.
Lista de tablas
Descripción
Cuadro comparativo de la instrumentación que deberá de emplear
el banco de pruebas
Instrumentación empleada en el banco de pruebas. Cumplimiento de las condiciones durante la prueba de constante de
tiempo. Resultados de la prueba de la constante de tiempo aplicando
ANM-ANES 2002.
Resultados de la prueba de la constante de tiempo aplicando
ANWASHRAE 93-1 986.
Cumplimiento de las condiciones durante la prueba de eficiencia termica. Resultados de la prueba de eficiencia termica aplicando el ANM- ANES 2 0 0 2 ~ ANSIASHRAE 93-1986. Cuniplimiento de las condiciones durante la prueba del ángulo
modiJicado. Resultados de la prueba del ángulo modificado aplicando el ANM-
ANES 2002 y ANSI/ASHRAE 93-1986. Comportamiento del angulo modificado.
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Tabla B.1
Tabla B.2
Tabla B.3
Símbolo
A,
A, B
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bo e, d, e', d'
CA
CP
e. f F'
F"
FR
G,
K,
Llm
L,, m
m n
E
Condiciones de prueba y metodologia para determinar la constante
de tiempo. I04
Condiciones de prueba y metodologia para determinar la eficiencia térmica de colectores solares planos. I o5
Condiciones de prueba y metodologia para determinar el valor del
ángulo de incidencia modificado.
Nomenclatura
Descripción
Area frontal transparente del colector.
Area gruesa del colector.
Ordenada al origen de la ecuación de la linea recta. Constante del ángulo incidente modijkado. Constantes experimentales de la ecuación del ángulo incidente
modificado.
Capacidad de calor efectivo en el colector.
Calor especifico del fluido de transferencia de calor.
Ecuación del tiempo. Constantes del polinomio cuadrático. Factor de eficiencia de la placa absorbedora.
Factor delflujo de masa delfluido de transferencia de calor.
Factor de remoción del colector.
Radiación solar global incidente sobre el plano del colector. Factor del Bngulo de incidencia modificado.
Meridiano local.
Meridiano estándar. Pendiente de la ecuación de la línea recta.
Razón delflujo de masa delfluido de transferencia de calor. Número de dia del año.
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Unidad
m2 2 m
Adimensional
Adimensional
JPC
J/kg"C hr:min:s
Adimensional
Adimensional Adiinensional
W/m2
Adimensional o
o
o
kg/s Adimensional
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Número de muestras. Calor útil.
Formula en función de sus variables independientes.
Razón entre elflujo másico de uso y elflujo másico de prueba.
Radiación solar que absorbe la placa colectora. Desviación estándar de la ordenada al origen.
Desviación estándar de la pendiente. Desviación estándar de la eficiencia térmica.
Tiempo.
Tiempo inicial yfinal.
Temperatura promedio del aire ambiente. Temperatura promedio del fluido de transferencia de calor.
Temperatura delfluido de transferencia de calor en la salida
del colector. Temperatura delfluido de transferencia de calor en la salida
del colector al comenzar la prueba de la constante de tiempo.
Temperatura delfluido de transferencia de calor en la salida del colector para un tienpo especifico. Temperatura delfluido de transferencia de calor en la entrada
al colector.
Coeficiente global de pérdidas de calor.
Variables independientes de la formula R.
W
Adimensional
W Adimensional
Adimensional Adimensional
S
S
"C "C
"C
"C
"C
"C
W/(m2T)
Unidad Adimensional
Factor transmitancia-absortancia normal incidente. Adimensional
Eficiencia del colector. Adiinensional
Ángulo de incidencia entre los rayos del sol directos y la normal de la superficie de apertura del colector.
! Letras Griegas Descripción
(sa), Factor transmitancia-absortancia.
íra)e,,
e Grados
QR Incertidumbre total de la formula R Adimensional-
ix
Glosario
Absorbedor: Es la superficie en la cual se recibe la energía solar y se transforma en energia térmica.
A’ngulo de incidencia: Es el ángulo entre la dirección de la radiación solar y la linea normal
al plano de apertura.
A’rea del absorbedor: Es el área total del absorbedor.
Área de apertura: Es la máxima proyección de área de un colector solar a través del cual la
energía solar no concentrada es admitida.
Área gruesa: Es la máxima proyección de área de un colector completo incluyendo el módulo
y la estructura integral.
Colector solar plano: Es un colector no concentrador en el cual el área de absorción es
plana.
Colector solar: Es un dispositivo diseñado para absorber radiación sofar y transferirfa a un
fluido quepasa a través éste.
Constante de tiempo de un colector: Es el tiempo requerido para que el fluido a la salida del
colector alcance el 63.2% del estado permanente después de un cambio en la radiación solar.
I Cubierta del colector: Es el material que’ cubre el área de apertura del colector solar plano y i
permite el paso de la radiación solar reduciendo las pérdidas de calor.
I Eficiencia térmica instantánea: Es la relación de energía removida por el jluido de transferencia de calor por unidad de brea gruesa del colector durante un periodo de tiempo
X
específico y el total de radiación solar global incidente sobre el colector por unidad de área
gruesa durante el mismo periodo de tiempo, bajo estado casi-permanente o permanente.
Estado permanente o casi-perinanerite: Describe las condiciones de prueba de un colector
cuando la razón deflujo, la radiación solar, y la temperatura ambiente se han estabilizado, de tal forma que estas condiciones pueden ser consideradas no cambiantes en un periodo de
prueba.
Exactitud: La capacidad del instrumento de medición para indicar el valor real de la cantidad medida.
Fluido de iransferencia de calor: Es un medio tal como el aire, agua u otro fluido. el cual al
pasar por el colector se le transfiere la energía térmica captada en el absorbedor. También se le conoce como fluido de trabajo.
Periodo de prueba: Es el tiempo total en el cual las condiciones en estado permanente o casi-
permanente son mantenidas para cada punto de eficiencia medido.
Piranómetro: Es un radiómetro utilizado para medir la radiación solar global incidente sobre
una superficie por unidad de Brea. Su medición incluye la radiación solar directa, la
radiación solar dijiusa y la radiación solar reflejada desde los alrededores.
Precisión: Proximidad de los datos medidos en forma repetida de la misma cantidadfísicn
Radiación solar global: Es la cantidad de energía solar incidente sobre la unidad de superficie. en unidad de tiempo a través de una unidad hemisférica sobre la superficie.
\ Radiación solar directa: Es la cantidad de energía solar incidenfe sobre la unidad de superficie sin que haya sido dispersada por la ntmósfera, en unidad de tiempo a través de una unidad hemisférica sobre la superficie.
xi
Radiación solar difusa: Es la cantidad de energía solar sobre la unidad de superficie después
de que su dirección ha sido cambiada por la refracción de la atmósfera, en unidades de tiempo a iravks de una unidad hemisférica sobre la superficie.
Temperatura del aire ainbierite: Es la temperatura del aire en los alrededores del colector al comenzar la prueba.
xii
En el presente capítulo se muestra la importancia de aplicar
la caracterización térmica en nuestro país a los colectores solares
planos. También se presentan los antecedentes de la
caracterización térmica de colectores solares planos, el objetivo
general y los alcances del presente proyecto.
1.1 Colectores solares planos.
Los colectores solares planos son dispositivos que permiten captar y convertir la
energía solar en energía térmica. El medio de captación de la radiación solar es una placa colectora donde la radiación solar que se absorbe se convierte en calor. El calor se conduce
hacia los tubos adheridos a la placa colectora, de ahí, la energía térmica se transfiere a algún
fluido de transferencia de calor (agua, aire, aceite, salmuera, etc.) que circula a través de los
tubos. El fluido, una vez calentado puede dirigirse hacia algún tanque de almacenamiento o
directamente a uso final.
Actualmente en México se estima que las ventas de los colectores solares planos se han
venido incrementando en los últimos años. La Asociación Nacional de Energía Solar (ANES,
2004) reportó que en el año 1999 se instalaron 35000 m2 de colectores solares planos, en el año 2000 se instalaron 44,883 m2 de colectores solares, en el año 2001 se instalaron 74,609 m2
y en el año 2002 se instalaron 50,911 m2. Siendo el sector residencial, hotelero y clubes deportivos los principales consumidores.
Los colectores solares planos se pueden dividir en tres tipos: colectores solares planos
sin cubierta, colectores solares planos con cubierta y colectores solares planos al vacío. Los colectores solares planos sin cubierta son aquellos que sólo están integrados por una placa absorbedora, la placa absorbedora consiste en una serie de tuberías con aletas conectadas en paralelo y unidas en los extremos por dos cabezales formando un circuito tipo pardla (ver Figura 1.1). Los tubos aletados se fabrican con materiales como cobre, aluminio y plástico, y se les pintan de color negro para aumentar la absorción. Estos funcionan calentando agua a
10°C por arriba de la temperatura ambiente en general. Su característica principal es que los
rayos del sol calientan directamente la placa absorbedora y cuando se hace circular el fluido de trabajo dentro se obtiene agua caliente en la salida del colector solar. Este tipo de colector
solar es adecuado para calentar agua para piscinas, para proporcionar agua caliente a las duchas de las instalaciones de balnearios, en cabañas, etc.
2
Entrada del fluido de trabajo -
- Salida del fluido de trabajo
Figura 1.1 Circuito tipo parrilla
Otro tipo de colector solar plano es el encapsulado también conocido colector solar con cubierta, definido así debido a que está integrado por la placa de absorción y una caja con
cubierta, la placa absorbedora es semejante a la de un colector solar sin cubierta. Los materiales de la caja protectora pueden ser de aluminio o lámina galvanizada. La cubierta
puede ser de vidrio o policarbonato entre otros materiales. El objetivo de colocar la placa
absorbedora dentro de una caja con cubierta es reducir las pérdidas de calor por convección y
radiación de la placa absorbedora hacia el medio ambiente.
En el colector solar plano encapsulado la placa absorbedora recibe la radiación solar
que entra a través de la cubierta transparente, de la radiación solar que llega ai colector solar, la mayor parte de esta se transmite por la cubierta hacia la placa absorbedora, y sólo un pequeña parte de la energía solar se absorbe en la cubierta la cual se pierde ai medio ambiente
por convección y radiación. Los colectores solares encapsulados generalmente se utilizan para calentar fluidos con moderadas temperaturas, por debajo de los 100°C, y sus aplicaciones principales son para el calentamiento de agua de uso doméstico.
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3
El tercer tipo de colector solar plano es el tipo evacuado o al vacío, el colector solar
tipo que funciona de manera similar al colector solar plano encapsulado y lo integran la
misma cantidad de elementos, con la diferencia de que en el sistema de tubo evacuado las pérdidas de calor por convección al medio ambiente se reducen considerablemente al tener prácticamente ausencia de transferencia de calor por convección debido a que el aire en el
entorno de la placa absorbedora es mínimo. Con este tipo de colectores solares se pueden
alcanzar de manera eficiente temperaturas de 120°C. La desventaja de este tipo de colectores
solares radica en el costoso proceso de vacío para su fabricación. Los colectores solares tipo
evacuado tienen aplicaciones en sistemas de calentamiento de agua, para procesos industriales,
entre otros.
La principal aplicación de los colectores solares planos en nuestro país se destina al
calentamiento de agua doméstico a temperaturas menores de 80°C. Los colectores solares
planos se incluyen en sistemas de calentamiento de agua por convección natural ó por
convección forzada. Los sistemas por convección natural, conocidos como sistemas termosifónicos. En la Figura 1.2 se muestra que el sistema termosifónico esta formado por un
colector solar y un termotanque interconectados entre sí. El colector solar y el tanque de
almacenamiento o termotanque tienen agua en su interior y la fuerza impulsora que mueve al
agua contenida en el sistema surge debido a la disminución de densidad del agua provocada
por absorción de energía a lo largo del colector, provocando un empuje del agua caliente hacia
la parte alta del colector solar, y del agua fría hacia la parte baja de colector solar. El sistema
por convección forzada es similar al sistema por convección natural (colector solar plano,
termotanque, medios de interconexión entre ellos), la diferencia entre ambos sistemas es que
en el sistema de convección forzada tiene una bomba hidráulica para hacer circular el agua
entre el colector solar y el termotanque.
r
4
Figura 1.2. Sistema de calentamientopara agua con energia solar
iermosifónico.
Actualmente en México la caracterización térmica de los diseños de colectores solares
planos ha venido siendo escasa y por consiguiente se ha inhibido la realización de cálculos
para dimensionar los sistemas. Lo anterior ha llevado a permanecer con un mercado de
colectores solares con reducido nivel de competitividad y con poca certidumbre. Por lo que
realizar la Caracterización térmica a los colectores solares planos que se producen en nuestro
país puede conducir a que la industria solar Mexicana acceda a tener una mayor competitividad en el mercado, una mayor certidumbre acerca de los colectores solares que
comercializan y por lo tanto un mayor crecimiento como indusíria.
Detectado que la industria solar nacional tiene interés de caracterizar los colectores solares que producen, en el año 2002 se inició el desarrollo un anteproyecto de norma que
muestra requerimientos y procedimientos para la evaluación térmica de colectores solares planos. La propuesta indica los procedimientos para evaluar el comportamiento térmico de colectores solares que utilizan agua como fluido de trabajo y que cuentan con encapsulado
para reducir las pérdidas de calor. Este documento fue realizado por la Asociación Nacional de Energía Solar, (www.anes.org) y se basó en las normas internacionales (IS0 9806-1, IS0
9806-3 y ANSUASHRAE 93-1986).
5
Con el fin de conocer la viabilidad de las pruebas que propone el Anteproyecto de Norma Mexicana para determinar el desempeño térmico de colectores solares planos, en el
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) se desarrolló un
banco de pruebas para evaluar térmicamente colectores solares planos siguiendo los
requerimientos y procedimientos de evaluación del Anteproyecto de Norma Mexicana y los
resultados se compararon con los resultados obtenidos aplicando la norma internacional
ASNWASHRAE 93-1986.
1.2 Antecedentes.
En trabajos publicados referentes a la caracterización térmica de colectores solares
planos se encontró que se han propuesto diferentes metodologías y requerimientos, tales son los casos que se presentan a continuación:
1.2.1 Métodos de pruebas para colectores solares planos.
En el año 1986 la sociedad americana de ingenieros en calentamiento, refrigeración y aire acondicionado publicó la norma internacional ANSVASHRAE 93-1 986 para determinar
el desempeño térmico de colectores solares. La norma establece los requerimientos, los
procedimientos y la instrumentación necesaria que se deben cumplir para normalizar
colectores solares. La norma está dirigida hacia colectores solares concentradores y no
concentradores, que utilizan agua como fluido de trabajo y para colectores solares que utilizan
aire. Los procedimientos que propone la norma son:
a) procedimiento para determinar la constante de tiempo en interiores y exteriores, b) procedimiento para determinar la eficiencia térmica en interiores Ó exteriores y c) procedimiento para determinar el ángulo de incidencia modificado en interiores Ó
í exteriores.
6
Quintana et al. (1993), presentaron un trabajo acerca del diseño, construcción y
evaluación de un sistema para la normalización de colectores solares. El sistema tiene como
finalidad comparar simultáneamente el funcionamiento de dos colectores solares que utilizan un mismo líquido como fluido de transferencia de calor, evaluando la eficiencia térmica
individualmente para cada colector solar, aplicando la norma ANSUASHRAE 93-77. En el
trabajo se evaluó: a) la constante de tiempo, b) la eficiencia térmica y c) la constante del
ángulo modificado de incidencia solar.
Simá (1999) presentó un estudio de caracterización de un colector solar plano para
calentar aire. El colector solar se fabricó con ductos construidos con latas de aluminio y
recubiertos superficialmente con pintura negro mate y sus dimensiones fueron de 2.0 m de
largo por 1.5 m de ancho. La caracterización térmica se realizó con la metodología de la
norma ANSUASHRAE 93/1986. Las pruebas se realizaron cumpliendo los requerimientos mediante un banco de pruebas con montura fija. Las pruebas desarrolladas fueron: a) constante
de tiempo, b) eficiencia térmica y c) constante del ángulo modificado de incidencia solar. Los resultados que reporta son el valor de la constate de tiempo del colector solar, la curva de la
eficiencia térmica como función de la temperatura del aire en la entrada del colector solar, la
temperatura ambiente y la radiación solar incidente. También en su trabajo reporta la curva de
eficiencia térmica y la curva del ángulo modificado de incidencia solar en el colector.
Arce (ZOOZ), presentó el diseño, construcción y caracterización de un colector solar de
aire para abastecer un sistema de secado. Arce reporta que después de haber rediseñado y construido un nuevo colector solar tomando como base el utilizado por Sima (1999), realizó la
caracterización térmica aplicando la norma ANSUASHRAE 93-1 986. Las pruebas
desarrolladas fueron: a) constante de tiempo, b) eficiencia térmica, c) constante del ángulo modificado de incidencia solar. Los resultados que muestra el autor son: comportamiento de la
eficiencia del colector solar, y menciona que la eficiencia es mayor que la reportada por Simá (1999). Las pruebas se llevaron a cabo al exterior en el banco de pruebas construido por Sima (1 999).
7
Álvarez et al. (2004), evaluaron el desempeño térmico de un colector solar para aire que tiene una placa construida con latas de aluminio reciclado. La evaluación térmica se
realizó aplicando los procedimientos de pruebas que se enuncian en la norma ANSYASHRAE 93-1986. Las pruebas a las que se sometió el colector solar son: a) prueba para determinar la
constante de tiempo en exteriores, b) prueba para determinar la eficiencia térmica en exteriores
y c) prueba para determinar el ángulo de incidencia solar modificado en exteriores. Los
resultados que muestran los autores son: la curva de la constante de tiempo del colector solar,
la curva del comportamiento de la eficiencia térmica del colector solar en función de la
temperatura de entrada del aire ai colector, de la temperatura ambiente y de la radiación solar
global, también se reporta la curva del ángulo de incidencia solar modificado. Los autores
también presentan un comparativo de los resultados de las curvas de caracterización térmica
aplicada al colector solar, con respecto a los resultados de las curvas de caracterización
térmica reportados por otros autores de la literatura consultada.
En el año 2002 la Asociación Nacional de Energía Solar (www.anes.org) publicó la síntesis de un Anteproyecto de Normalización de colectores solares planos con cubierta y sin cubierta, pruebas mecánicas y pruebas térmicas (ANM-ANES 2002) para evaluar el
comportamiento térmico de colectores solares planos, que utilizan agua como fluido de
trabajo, tomando como base principalmente las normas internacionales IS0 9806-1 e IS0
9806-3 referentes a métodos de pruebas para colectores solares y la norma internacional
ANSYASHRAE 93-1986 referente a métodos de pruebas para determinar el desempeño
térmico de colectores solares. Los tipos de colectores solares que pueden ser evaluados con
ANM-ANES 2002 son con Ó sin encapsulado y que trabajan con bajas temperaturas (45°C) y medianas temperaturas (80°C). Los procedimientos de pruebas propuestos, pueden realizarse
en exteriores bajo condiciones climatológicas del lugar ó en interiores utilizando un simulador de radiación solar. La evaluación térmica de colectores solares consiste en aplicar los tres procedimientos de prueba que también especifica la norma ANSUASHRAE 93-1986, que son:
. 8
a) procedimiento para determinar la constante de tiempo en exteriores ó interiores,
b) procedimiento para determinar la eficiencia térmica en exteriores ó interiores y
c) procedimiento para determinar el ángulo de incidencia modificado en exteriores ó
interiores.
En el año 2002 el grupo de trabajo de Florida Solar Energy Center (FSEC, 2002) publicó el documento FSEC-CP-5-80 referente a métodos de pruebas y normas mínimas para
la certificación de colectores solares. Los colectores solares que toman en cuenta son
colectores solares encapsulados y colectores solares no encapsulados que se destinan para
calentamiento de albercas, calentamiento de espacios, y calentamiento de agua. El fluido de
trabajo es agua o aire, dependiendo del tipo de colector solar. Los métodos de prueba que
propone FSEC-CP-5-80 para la obtención del desempeño térmico de los colectores solares son
referidos a los propuestos por ANSVASHRAE 93-1 986. Adicionalmente, FSEC-CP-5-80
indica pruebas mecánicas aplicables a colectores solares. Los procedimientos que presentan
para la evaluación térmica coinciden con los especificados en la norma ANSVASHRAE 93-
1986, que son:
a) procedimiento para determinar la constante de tiempo en interiores y exteriores,
b) procedimiento para determinar la eficiencia térmica en exteriores Ó interiores y c) procedimiento para determinar el ángulo de incidencia modificado en exteriores Ó
interiores.
Las pruebas mecánicas propuestas por FSEC-GP-80 son:
a) revisión e inspección del colector solar, b) pruebas de presión, c) pruebas de exposición y
d) prueba de choque térmico.
9
!
En el año 2005 la Sociedad de Normalización y Certificación S.C (NORMEX) publicó
en el Diario Oficial de la Federación el aviso de consulta pública del proyecto de norma
PROY-NMX-001-NORMEX-2005 para evaluar el rendimiento térmico y las características de funcionalidad de los colectores solares que utilizan agua como fluido de trabajo y que se comercializan en los Estados Unidos Mexicanos. Este proyecto de norma fue elaborado por el
Subcomité de Calentadores Solares; del Comité Técnico de Normalización Nacional para
Energía Solar NESO- 13, tomando como base principalmente la norma internacional IS0 9806-1, la norma FSEC-GP-5-80, y la norma internacional ANWASHRAE 93-1986 referente
a métodos de pruebas para determinar el desempeño térmico y funcionalidad de colectores solares. Los tipos de colectores solares que pueden ser evaluados son: 1) colector solar
metálico con cubierta, 2) colector solar metálico descubierto, 3) colector solar de plástico
cubierto, 4) colector solar de plástico descubierto y 5) cualquier colector solar que presente
cualquier innovación tecnológica propuesta. Los procedimientos de prueba que se presentan
en esta norma son para evaluar la funcionalidad y e¡ comportamiento térmico de colectores
solares y pueden realizarse en exteriores bajo condiciones climatológicas del lugar.
I
i
La evaluación de funcionalidad de colectores solares consiste en aplicar 8
procedimientos de prueba en exteriores bajo las condiciones climatológicas del lugar. Las
pruebas de funcionalidad son:
!
a) inspección a la recepción del colector solar, b) presión estática previa a la prueba de exposición de treinta días, c) exposición de treinta días,
d) exposición a la radiación solar,
e) choque térmico con rocío de agua fría, f ) choque térmico con circulación de agua fria, g) presión estática posterior a la prueba de exposición de treinta días y
h) desarmado e inspección final de los componentes el colector solar.
10
La evaluación térmica de colectores solares consiste en aplicar los tres procedimientos de prueba en exteriores bajo condiciones climatológicas del lugar Ó en interiores utilizando un simulador de radiación solar. Las pruebas térmicas son:
a) procedimiento para determinar la constante de tiempo, b) procedimiento para determinar la eficiencia térmica y
c) procedimiento para determinar el factor modificador por efectos del ángulo de incidencia
de la radiación solar directa sobre el colector solar.
El ANM-ANES 2002, la norma internacional ANSUASHRAE 93-1986, FSEC-GP-80
y el PROY-NMX-001-NORMEX-2005 coinciden en los tres tipos de pruebas para la
evaluación térmica de colectores solares al exterior, sólo existen diferencias notorias del
ANM-ANES 2002 con respecto a la norma ANSVASHRAE 93-1986 y la norma PROY-
NMX-O0 1-NORMEX-2005 en tolerancias de medición, requerimiento de incidencia de energía solar al momento de la pruebas, intervalo de velocidad de viento y tolerancia de
medición de la temperatura diferencial.
1.2.2 Calibración del instrumento para medir flujo másico.
En el año 2001 el grupo de trabajo de Florida Solar Energy Center (FSEC, 2001)
publicó el documento No. 200., revisión 1, en donde se describen las pruebas de calibración de
flujo másico de agua que circula en un colector solar plano por medio de un medidor tipo turbina. El objetivo de este documento es proporcionar una metodología para obtener
mediciones de flujo másico de agua en el colector solar con un valor constante y con
repetitividad.
1.2.3 Calibración del piranómetro.
IS0 9847, en 1992, presentó una metodología experimental para calibrar piranómetros en campo mediante la comparación con un piranómetro de referencia. En el documento se
11
0 5 - 0 3 0 2
presentan dos metodologías que son: método al medio ambiente utilizando la energía solar y el método al interior utilizando un simulador de radiación solar como fuente.
La norma indica que el piranómetro de referencia debe ser de tipo clase uno y mostrar
una alta estabilidad. La metodología para realizar la prueba de calibración del piranómetro en
exteriores señala se debe realizar al medio día solar, el piranómetro de referencia y el
piranómetro a calibrar deben de ser colocados sobre una tabla de referencia y orientados al medio día solar. También, la norma indica que la prueba debe realizarse con cielo claro y que
las mediciones de voltaje en ambos instrumentos deben realizarse cada 10 Ó 20 minutos,
durante dos ó tres días. Posteriormente, se desarrolla el análisis de los resultados para corregir
el valor de la constante del piranómetro a calibrar.
1.2.4 Calibración de sensores de temperatura.
ANSVASHRAE, en 1986, presentó la norma 41.1-1986 dirigida a los métodos para
medición de temperatura. En esta norma se presentan metodologías para la realización de la
medición de temperatura en componentes de equipos para calentamiento, refrigeración y aire
acondicionado. Los instrumentos que recomienda esta norma para la realización de medición
para la temperatura son: a) termómetro de líquido en vidrio, b) termopares y c) termómetros de
resistencia eléctrica incluyendo termistores. Esta norma contiene técnicas generales para la
medición de temperatura en flujo de fluidos como son aire, agua ó refrigerantes no volátiles.
Esta norma recomienda que el sistema de registro de las mediciones de temperaturas
deba tener un tiempo de respuesta menor que 2.5 segundos. Para el caso de medición de
temperaturas en fluidos como agua y refrigerante no volátiles, la norma establece que la exactitud del instrumento debe ser de &O.l"C, la precisión del instrumento de %O.O5"C, la
tolerancia recomendada durante las pruebas es 0.3"C y la tolerancia recomendada para las
condiciones de prueba es de 0.1"C. Todas estas recomendaciones son aplicables en un intervalo de medición de temperaturas de 1 a 43°C. Para el caso de la medición de temperatura diferencial en fluidos como agua y refrigerante no volátiles, la norma establece que la exactitud del instrumento debe ser de *O.l"C, la precisión del instrumento de *O.OS"C, la
12
tolerancia recomendada durante las pruebas es 0.2"C. Todas estas recomendaciones son
aplicables en un intervalo de medición de temperaturas de 3 a 1 4 T . También, la norma recomienda que los elementos o sensores de medición de temperaturas deben ser insertados dentro de un dispositivo de mezclado y en contacto directo con el fluido para poder ser realizar
la medición de temperaturas. La calibración de estos sensores se debe realizar por
comparación con un instrumento previamente calibrado por algún instituto de estandarización
y realizar la compensación necesaria en la medición de temperaturas.
1.3 Objetivo general.
Diseñar, construir y poner en operación un banco de pruebas para caracterizar
colectores solares planos para el calentamiento de agua, y caracterizar un colector solar
cumpliendo los procedimientos y requerimientos del ANM-ANES 2002 y de la norma
ANSUASHRAE 93-1986.
1.4 Alcance.
Caracterizar térmicamente un colector solar plano aplicando los tres procedimientos de pruebas que se presentan en el ANM-ANES 2002 cumpliendo conjuntamente los
procedimientos y los requerimientos de la norma ANSUASHRAE 93-1986.
1.5 Estructura de la tesis.
En el Capítulo 2 se presentan los procedimientos, requerimientos y las metodologías de
pruebas para determinar la constante de tiempo, la curva de la eficiencia térmica y el valor de la constante del ángulo modificado, que propone la norma ANSUASHRAE 93-1986 y el
ANM-ANES 2002. En el Capítulo 3 se muestra el diseño experimental, el diseño del banco de
pruebas y se describe cada uno de los sistemas que integran al banco de pruebas. En el
Capítulo 4 se presenta la construcción del banco de pruebas, haciendo la separación de la construcción de la plataforma de pruebas y del sistema acondicionador de temperatura de agua y del sistema de control de flujo másico. También, en el Capítulo 4 se muestra la
13
instrumentación para medir y registrar las variables fisicas involucradas en la valuación de la
eficiencia térmica del colector solar, además se muestra la metodología para la operación del banco de pruebas. En el Capítulo 5 se reportan los resultados de la aplicación de la metodología experimental del ANM-ANES 2002 al colector solar modelo O1 -encapsulado de
la fabrica Thermosol, se presenta el valor de la constante de tiempo, la curva de la eficiencia
térmica y el valor de ángulo modificado. También, en el Capítulo 5 se presenta un ejercicio
para realizar ajustes a los parámetros característicos en el caso de tener flujo másico diferente al especificado en el ANM-ANES 2002 y ANSVASHRAE 93-1986. Por último, en el Capitulo
6 se presentan las conclusiones de este trabajo y las recomendaciones para trabajos futuros.
14
i
i
capítulo 2
En el presente capítulo se describen los requerimientos, los
procedimientos, la instrumentación y el modelo matemático para la
evaluación térmica de colectores solares planos.
La norma ANSUASHRAE 93-1986 se ha utilizado en los Estados Unidos de América
para la caracterización de colectores solares planos, y ha servido como base para el desarrollo
de normas para caracterizar térmicamente colectores solares planos en otros países. Los
procedimientos de las normas para caracterizar colectores solares planos, en general son similares, en algunos casos pueden variar en algunos requerimientos, tolerancias y parámetros
de prueba, tal es el caso del ANM-ANES 2002.
2.1 Norma ANSUASHRAE 93-1986.
La norma ANSYASHRAE 93- I986 describe una metodología para caracterizar colectores solares planos que utilizan fluidos en una sola fase y que su masa térmica no se toma en cuenta. La norma se aplica a colectores solares concentradores y no concentradores,
en los que el fluido de transferencia de calor se suministra al colector solar por un ducto de
entrada, y el mismo fluido después de pasar por el colector solar sale por un ducto. La
evaluación térmica de colectores solares se basa en un balance de energía global en donde el colector solar se considera que está contenido en un volumen de control, a este tipo de
evaluación también se denomina estudio tipo caja negra.
Las pruebas para evaluar térmicamente al colector solar plano son tres:
a) prueba de la constante de tiempo, con esta prueba se identifica el tiempo de respuesta
térmica de un colector solar, con el resultado se obtiene el lapso de tiempo que toma realizar las pruebas térmicas restantes;
b) prueba de eficiencia térmica, con esta prueba se obtiene la curva de eficiencia térmica como función de la temperatura ambiente, temperatura de suministro del fluido y radiación solar global incidente normal al plano del colector;
C) prueba de ángulo de incidencia solar modificado, con esta prueba se obtiene el factor de corrección de la energía ganada por el colector solar como función del ángulo de incidencia solar sobre el plano del colector.
16
2.1 . I Requerimientos generales de la norma ANSUASHRAE 93-1986.
Para el cumplimiento de la norma ANSVASHRAE 93-1986 se debe cumplir lo
siguiente:
a) el colector solar debe ser colocado de tal forma que la energía reflejada del medio
ambiente y de las superficies de los alrededores representen una reflectancia difusa menor
al 20% del total de la radiación solar global incidente en el colector, tomando como
consideración que el albedo es despreciable,
b) sobre el plano del colector solar no deben incidir sombras de construcciones de los
alrededores durante el desarrollo de las pruebas,
c) en el lugar donde se realice la evaluación térmica del colector solar no deben existir
fuentes de calor cercanas al colector solar,
d) el fluido de transferencia de calor que se utilice en el desarrollo de la pruebas debe ser el
recomendado por el fabricante del colector solar, i
e) la razón del flujo de fluido de trabajo debe permanecer constante durante el desarrollo de
las pruebas y
f) la velocidad del viento sobre el plano paralelo del colector solar debe estar en el intervalo de 2.2 a 4.5 d s .
2.1.2 Procedimiento para determinar la constante de tiempo.
La prueba de la constante de tiempo permite determinar el tiempo de respuesta del colector solar, para evaluar el comportamiento transitorio y seleccionar los intervalos de tiempo de prueba para el estado permanente.
17
Modelo matemático
La constante de tiempo se define como el tiempo requerido para que la temperatura del
fluido en la salida del colector solar en estado permanente cambie de un valor inicial a un
valor cercano de la temperatura del fluido que entra en el colector solar, como consecuencia de impedir la incidencia de la radiación solar global sobre el plano del colector. La constante
de tiempo ( K ) podemos definirla de manera matemática como la razón de cambio de la temperatura del fluido de transferencia de calor a la salida del colector solar (qe) en relación
con la razón de cambio de la temperatura promedio del fluido de transferencia de calor (9) a
través del tiempo (r) . Esto se puede expresar con la siguiente ecuación (ANSVASHRAE 93-
1986):
donde K = , y depende de los parámetros fisicos como son el flujo másico
( m ), la capacidad calorífica del fluido de transferencia de calor (CJ, el área frontal transparente del colector solar (Aa), del coeficiente global de pérdidas de calor (UL), del factor
de remoción de calor del colector solar (FR) y del factor de eficiencia de la placa absorbedora
del colector solar (F’).
Para calcular la constante de tiempo en esta prueba se utiliza la ecuación 2.2
(ANSVASHRAE 93-1986) como la ecuación gobernante del comportamiento transitorio de los colectores solares.
donde CA es la capacidad de calor efectivo en el colector solar, A, es el área frontal
transparente del colector solar, t/ es la temperatura promedio del fluido de transferencia de
18
calor, FR es el factor de remoción del colector solar, G, es la radiación solar global sobre el
plano del colector solar, (sa), es el factor transmitancia-absortancia, UL es el coeficiente global
de pérdidas de calor, fri es la temperatura del fluido de transferencia de calor en la entrada al
colector solar, to es la temperatura del.aire ambiente, fre es la temperatura del fluido de
transferencia de calor en la salida del colector solar, ni es la razón de flujo de masa del fluido de transferencia de calor y C,, es el calor específico del fluido de transferencia de calor.
!
La ecuación 2.3 (ANSVASHRAE 93-1986) muestra la solución de la ecuación 2.2
(;,lic;aj) y considerando constantes G,, (ta),, UL, considerando como condiciÓn;inicial tie T =
ra, k y el C,,.
(2.3)
donde ker es la temperatura del fluido de transferencia de calor en la salida del colector solar
para un tiempo específico, t/,+no/) es la temperatura del fluido de transferencia de calor en la
KC" salida del colector solar al comenzar la prueba de la constante de tiempo y la cantidad - m CP
es conocida como la constante de tiempo, que es equivalente al tiempo necesario para que el resultado de la ecuación (2.3) cambie de 1 a 0.368.
Requerimientos
Para realizar la prueba de la constante de tiempo, es necesario que la velocidad del flujo de fluido de trabajo se mantenga constante en 0.02 kg/sm2 con una variación no mayor de 50.0002 kg/sm2 en el estado permanente o casi-permanente, la incidencia de radiación solar debe ser mayor que 790 W/m2 con una variación menor que k32 W/m2 y la temperatura de
19
entrada al colector solar y la temperatura ambiente que se registran se ajustan a una misma
temperatura con una variación no mayor de f l o c . Cabe mencionar que la temperatura
ambiente no debe de ser mayor que 30°C.
Procedimiento
La metodología de la prueba de la constante de tiempo que presenta la norma ANSUASHRAE 93-1986 indica que el colector solar después de llegar al estado permanente, bajo las condiciones de incidencia de radiación mayor que 790 Wlm’, súbitamente la
incidencia de radiación solar se interrumpe, reduciéndola a cero utilizando una cubierta y
dejando circular aire por encima del plano del colector solar. La temperatura del fluido en la
entrada del colector solar y en la salida del colector solar se registra continuamente como
función del tiempo, hasta que la diferencia entre la temperatura de entrada y salida del fluido en el colector entre la diferencia de la temperatura inicial y la temperatura final, indiquen un
valor menor que 0.368. El tiempo que toma llegar a este valor se le denomina la constante de tiempo.
2.1.3 Procedimiento para determinar la eficiencia térmica.
Mediante esta prueba se conoce el comportamiento de la eficiencia térmica de un colector solar como función de la temperatura de entrada del agua al colector solar, de la
temperatura ambiente y de la radiación solar global que incide normal al plano del colector
solar. El resultado que se obtiene al realizar esta prueba es la curva de la eficiencia térmica
considerando al menos cuatro condiciones diferentes de temperaturas de entrada al colector
solar. Con los cuatro datos de la eficiencia se obtiene la curva de la eficiencia térmica y al aplicar una regresión lineal a los cuatro pares ordenados de la eficiencia como función de las
condiciones ambientales se obtendrá el producto FR (sa), y el producto FRUL.
La eficiencia térmica de un colector solar se determina con la relación de la energía ganada entre la energía solar que incide en el plano del colector solar. La energía ganada en el colector solar es el calor sensible que el fluido gana al circular por el colector solar y la
20
energía que incide en el colector solar es la radiación solar global normal sobre el área gruesa del colector.
Modelo matemático
La eficiencia térmica instantánea se determina con la ,siguiente ecuación
(ANSYASHRAE 93-1986):
donde QU es el calor útil y G, es la radiación solar global incidente sobre el área gruesa del
colector A,.
Otra ecuación para evaluar el calor útil depende de la temperatura de entrada del fluido
de trabajo al colector, de la temperatura ambiente y de la radiación solar (Duffie y Beckman,
1991). j
(2.5)
si se considera que S = G, (?a), , en donde G, es la radiación solar global y (sa), es el factor
del producto de la transmitancia-absoriancia, y se sustituye en la ecuación (2.5) se obtiene
siguiente ecuación:
(2.6)
Considerando que al evaluar el calor Útil del colector durante los lapsos de prueba las condiciones son casi-permanentes, entonces podemos sustituir la ecuación (2.6) en la ecuación (2.4) para obtener la ecuación de la eficiencia térmica (ANSYASHRAE 93-1986):
21
I
(2.7)
y agrupado términos se tiene que:
La ecuación (2.8) es una expresión matemática lineal del tipo y = m + b , donde y a lo
largo de la abscisa representa al valor de la eficiencia térmica, m es la pendiente e indica el
producto del factor de remoción con el coeficiente global de perdidas de calor y la razón de
áreas del colector (AJAJFR UL, x es la ordenada y representa la variable independiente (t/, - t,J/G,, b es la ordenada al origen y representa el producto del factor de remoción con el factor
de transmitancia-absortancia y la razón de áreas del colector (AJAJFR (ra), .
Otra manera de representar la eficiencia térmica es mediante una aproximación
polinomial de segundo orden, en este caso se considera que el coeficiente global de pérdidas
de calor UL no es constante por que depende de la temperatura del colector, de la temperatura
ambiente, de la radiación solar incidente y de la velocidad del aire ambiente (Cooper y Dunkle, 1981).'Por lo anterior, la eficiencia térmica del colector solar puede expresarse de la siguiente manera (Cooper y Dunkle, 1981):
en donde reordenando términos se tiene que:
(2.10)
Con la ecuación (2.10) se puede obtener el valor de la eficiencia térmica de un colector solar plano de manera más cercana al valor real, en comparación con la ecuación (2.8).
22
Con los factores FR(ra)=y FRUL que se puedan deducir de las ecuaciones (2.8) o (2.10) se
calcula la cantidad de calor Útil que puede proporcionar el colector solar cuando se conoce el
valor del ángulo de incidencia solar sobre el colector, la radiación solar, la temperatura
ambiente, la temperatura de sumistro y el flujo másico.
Requerimientos
Para obtener experimentalmente el comportamiento de la eficiencia térmica del
colector solar plano, durante la prueba se mantiene constante el valor de ángulo de incidencia
de radiación solar considerando que la variación no debe ser mayor que 2% del valor del
ángulo incidente, la velocidad del flujo de agua se debe mantener constante a 0.02 kg/sm2 con
una variación no mayor que *0.0002 kg/sm2 y la radiación solar global debe ser mayor que
790 W/m2 con una variación no mayor que 532 W/m2. También, la temperatura de entrada al colector debe mantener una diferencia de temperatura con respecto a la temperatura ambiente con una variación no mayor que *l"C y la temperatura ambiente no debe ser mayor que 30°C
Procedimiento
El procedimi6nto de la prueba indica que la temperatura en la entrada del colector debe ser la mínima temperatura de trabajo recomendada por el fabricante, manteniendo una diferencia de
temperaturas de +1"C con respecto a la temperatura ambiente durante al menos 5 minutos, o bien lo equivalente a dos constantes de tiempo. La primera condición de temperatura de entrada
al colector y las condiciones de prueba restantes deben ser evaluadas por medio de la ecuación
(2.4). AI integrar el calor útil en el periodo de tiempo de T, a T2, entre la integral de la radiación
solar que llega al colector en el mismo periodo de tiempo de prueba, se obtiene el valor de la eficiencia promedio para la primera condición. Después se debe aumentar la temperatura de entrada al colector 30,60 y 90% del valor del intervalo de temperaturas de trabajo del colector y se repite la prueba para evaluar la eficiencia correspondiente para cada porcentaje de temperaturas del agua a la entrada del colector. De esta forma, se obtienen cuatro valores de la eficiencia promedio, los cuales se deben representar gráficamente como función de las variables
independientes, que son la temperatura ambiente, la temperatura del fluido de trabajo en la
I
I t
I ?
23
entrada del colector y la radiación solar global incidente en el plano del colector. Después se
debe realizar una regresión lineal y una polinomial de segundo orden para obtener las
ecuaciones de la eficiencia térmica a incidencia de radiación solar normal como io representa la
ecuación (2.8) y la ecuación 2.9 respectivamente.
2.1.4 Procedimiento para determinar el ángulo de incidencia modificado.
Esta prueba es para obtener un factor de corrección del (sa),,, para determinar el
comportamiento de la eficiencia térmica de un colector solar piano conforme el ángulo de
incidencia de radiación solar sobre el plano del colector cambia de O" a 60". El resultado que
se obtiene con el desarrollo de esta prueba es el factor de corrección denominado ángulo de
incidencia modificado K ,
Modelo matemático
El cálculo de la eficiencia para cada ángulo de incidencia solar sobre el plano del
colector solar se realiza considerando el procedimiento de la sección anterior, pero el factor
transmitancia-absortancia (sa), se remplaza por un valor normal incidente de la transmitancia-
absortancia(m), y por otro factor denominado ángulo de incidencia modificado K,, . La
cantidad de calor útil obtenida con el colector solar varia con respecto al ángulo de incidencia
de radiación solar considerando que rue = Km, (sa)=" la ecuación 2.8 puede escribirse de la
siguiente manera (ANSUASHRAE 93-1986):
(2.11)
Tomando como base la ecuación (2.11) e igualando el valor de la temperatura de
( 5 . i -to ) entrada al colector con respecto a la temperatura ambiente con +l"C, el término U, G,
24
es prácticamente igual a cero debido a la condición de que r / i - t , se aproxima a cero, por lo
que la ecuación 2.8 se simplifica de la siguiente manera (ANSUASHRAE 93-1986):
(2.12)
Por otro lado, experimentalmente la eficiencia térmica tiene un comportamiento tendiente a ser lineal conforme se modifica el inverso del coseno del ángulo de incidencia 6’
(Ver Apéndice A) y se puede representar por medio de la siguiente ecuación (ANSUASHRAE 93-1986):
(2.13)
donde en el eje vertical representa el valor de la eficiencia para los diferentes ángulos de
incidencia, el eje horizontal representa los valores del inverso del coseno del ángulo incidente,
a ’ y b ’ son parámetros que dependen del producto de la razón de áreas del colector (AJA,, y
el factor de remoción de calor del colector solar FR conforme 6’ cambia. I
Aplicando una regresión lineal a los cuatro valores de eficiencia correspondientes a
cada ángulo de incidencia se obtienen los valores de a’y b’, con los cuales se puede obtener el
factor bo de la siguiente forma:
d’ (c’-d’)
bo =- (2.14)
t
I
El factor bo determina el valor del parámetro de la curva del ángulo modificado por
medio de la siguiente ecuación:
(2.15)
25 I
Calculando el valor de Km para un ángulo de incidencia solar específico e
introduciendo este valor en la ecuación (2.1 1) se calcula la eficiencia correspondiente.
Siguiendo la metodología del modelo matemático de la Sección anterior, también se pueden
calcular los factores FR (ra), y FR UL que caracterizan al colector solar plano y la cantidad de
calor uti1 que proporciona el colector.
Requerimientos
Para obtener experimentalmente el valor de la constante del ángulo modificado es necesario evaluar la eficiencia térmica para ángulos de incidencia solar de O", 30" 45" y 60
con una variación no mayor que f2.5", la temperatura en la entrada al colector solar y la
temperatura ambiente se deben de ajustar al mismo valor con una variación no mayor que
* I T y la temperatura ambiente no debe ser mayor que 30°C. Durante la prueba, se debe mantener la velocidad del flujo de agua constante a 0.02 kg/sm2 con una variación no mayor
que i0.0002 kg/sm2, también la radiación solar debe ser mayor que 790 W/m2 con una
variación menor que 532 W/m2.
Procedimiento
Los procedimientos que se proponen en la norma ANSUASHRAE 93-1986 para
determinar experimentalmente el ángulo modificado son dos:
Procedimiento 1.
Es aplicable para el desarrollo de las pruebas en condiciones ambientales utilizando posicionamiento del colector respecto al sol de manera modificable. La primera condición indica que el colector debe ser orientado en dirección normal a la radiación solar. La segunda condición es que la radiación solar global deber ser mayor que 790 W/mZ y la tercera condición es que la temperatura del agua en la entrada del colector debe ser igual a la temperatura ambiente con 51°C de tolerancia. Después de alcanzar el estado permanente o casi permanente manteniendo las condiciones anteriormente mencionadas al menos durante 10
26
minutos, se procede a realizar la prueba con una duración mínima de durante cinco minutos o lo equivalente a dos constantes de tiempo, donde no debe variar las condiciones anteriormente
mencionadas, finalmente se calcula el valor promedio de la eficiencia térmica mediante la
ecuación (2.4). El procedimiento se repite ubicando al colector solar para que incidan los rayos solares a un ángulo de 30", 45", y 60", y se calcula el valor promedio de la eficiencia
correspondiente a cada ángulo de incidencia de radiación solar sobre el plano del colector. De
esta forma, se obtienen cuatro valores de la eficiencia promedio, los cuales se debe de
representar gráficamente como función del inverso del coseno del ángulo de incidencia solar
en el plano del colector, después se debe realizar una regresión lineal para obtener la ecuación
de la eficiencia térmica como función del inverso del coseno del ángulo de incidencia solar.
Finalmente, se identifican los valores de las constantes a' y b' como lo indica en el modelo
matemático para calcular el factor bo y para calcular el valor del ángulo modificado Ka,.
I Procedimiento 2.
Es aplicable para el desarrollo de las pruebas en condiciones ambientales utilizando un banco de pruebas fijo, donde el montaje, sujeción y posicionamiento del colector con respecto al sol
no pueden ser modificados. La primera condición que se debe de cumplir es que la
temperatura del agua en la entrada del colector debe ser igual con la temperatura ambiente en
un intervalo de tolerancia de *loc. La segunda condición señala que la radiación solar global al medio día solar debe ser mayor que 790 W/m2. La tercera condición señala que la primer
prueba se debe desarrollar cuatro horas antes del medio día solar, que corresponde a un ángulo
de incidencia sobre el plano del colector de 60", manteniendo las condiciones antes
mencionadas al menos por 10 minutos, después se desarrolla la prueba justo a la hora indicada
manteniendo las condiciones anteriormente mencionadas durante cinco minutos o dos
constantes de tiempo. Las pruebas posteriores se deben realizar de igual manera que la anterior pero para tres horas antes del medio día solar (453, dos horas antes del medio día solar (30") y al medio día solar (O"). Se repite el mismo procedimiento pero ahora para dos, tres y cuatro horas posteriores del medio día solar. Para cada par de valores correspondientes a cada ángulo
de incidencia se obtiene el valor de la eficiencia con la ecuación (2.4), de esta forma, se obtienen siete valores de la eficiencia promedio, los cuales se deben representar gráficamente como función del inverso del coseno del ángulo de incidencia solar en el plano del colector.
27
Posteriormente se debe realizar una regresión lineal para obtener la ecuación de la eficiencia
térmica como función del inverso del coseno del ángulo de incidencia solar. Finalmente, se identifican los valores de las constantes a ’ y b’ como lo indica en el modelo matemático para
calcular el factor bo y para calcular el valor del ángulo modificado Kar.
2.2 Anteproyecto de Norma Mexicana ANM-ANES 2002.
El ANM-ANES 2002 es un anteproyecto de norma elaborado por la Asociación Nacional de Energía Solar en colaboración con el Comité Técnico de la Norma de Equipos y
Servicios de Sistemas de Calentamiento Solar de Agua (COTENSOL), que fue conformado con personal de agrupaciones de México que se dedican al estudio, comercialización y fomento de las energías renovables. La propuesta fue elaborada con el fin de establecer procedimientos para determinar la evaluación térmica de colectores solares planos que
actualmente produce la industria solar en nuestro país.
El ANM-ANES 2002 tiene como bases las normas IS0 9806-01 e IS0 9806-03,
referentes a métodos de pruebas para colectores solares y la norma ANSUASHRAE 93-1986,
referente a métodos de prueba para determinar el desempeño térmico de colectores solares
planos. Los procedimientos de prueba están dirigidos a colectores solares planos con cubierta
y sin cubierta, que utilizan agua en estado liquido como fluido de trabajo y que sólo tienen un
ducto de entrada y un ducto de salida, tal como lo considera ANSUASHRAE 93-1986.
El ANM-ANES 2002 propone procedimientos tanto para pruebas en exteriores o al
medio ambiente, como también para pruebas en interiores. El ANM-ANES 2002 no contempla
procedimientos para evaluar térmicamente a colectores en los que el tanque de almacenamiento forma parte del colector.
Los procedimientos de pruebas experimentales para la evaluación térmica de colectores solares planos coinciden con los especificados por la norma ANSUASHRAE 93-1986, que se presentan en este capitulo. A diferencia de lo que indica la norma ANSUASHRAE 93-1986, el
28
I
ANM-ANES 2002 recomienda que la masa del fluido que entra en el colector solar plano se
pese de manera continua.
2.2.1 Requerimientos generales del ANM-ANES 2002.
Para el cumplimiento del anteproyecto de norma ANM-ANES 2002 en la realización de las pruebas térmicas se debe cumplir lo siguiente:
a) en el lugar y momento en que se realice la evaluación térmica del colector, la energía
reflejada por el medio ambiente no debe ser mayor que 20% de la radiación solar global
considerando que el albedo es despreciable,
b) el colector debe ser expuesto a un flujo de calor mayor que 790 W/m2 durante el medio día
solar y durante tres días antes de comenzar las pruebas,
C) el colector debe estar orientado hacia el ecuador,
d) el colector debe estar situado al menos 0.5 m con respecto al nivel del piso,
e) el ángulo de inclinación del colector debe ser el valor de la latitud del lugar donde
se evalúa con * 5 O y
f) durante el periodo de pruebas, la velocidad del viento de los alrededores sobre el plano del colector debe oscilar como máximo entre los 2 y 4 m i s con una precisión de *0.8 mis.
2.2.2 Procedimiento para determinar la constante de tiempo.
En el ANM-ANES 2002 se indica que la prueba de la constante de tiempo se realiza para determinar el tiempo de respuesta térmica del colector, lo anterior con el fin de conocer los intervalos de tiempo apropiados para alcanzar el estado casi-permanente o permanente, y de esta forma seleccionar el tiempo de duración de cada una de las pruebas térmicas. La
29
ecuación gobernante se basa en el modelo presentado por ANSVASHRAE 93-1986 que se muestra en la Sección 2.1.2 .
Requerimientos
Para realizar la prueba de la constante de tiempo, la orientación del colector debe
mantener un ángulo de incidencia solar normal con variaciones no mayores que k2.5".
También, deben de realizar mediciones de radiación solar y elegir el lapso de tiempo donde
esta medición sea mayor que 790 W/m2, con variaciones no mayores que k32 W/m2. El flujo
de agua a través del colector se debe mantener constante o casi constante con un valor de 0.02
kg/sm2 con una variación no mayor que k0.0002 kg/sm2: La velocidad del viento debe oscilar
entre 2 y 4 d s , y debe controlarse de ser necesario. Por Último, la temperatura del fluido de
trabajo en la entrada del colector se debe acondicionar con una variación no mayor de k1"C
con respecto a la temperatura ambiente.
Procedimiento
El procedimiento de pruebas para obtener la constante de tiempo señala que después de
cumplir con los requerimientos necesarios y de llegar al estado casi-permanente o permanente,
se interrumpe inmediatamente la radiación solar, reduciéndola a cero, colocando una cubierta
que permita proyectar sombra sobre el plano del colector y circular aire libremente por encima
de la cubierta. En ese momento, se deben registrar continuamente las mediciones de
temperatura de entrada al colector, temperatura de salida del colector, temperatura ambiente,
radiación solar global incidente y flujo másico hasta que se cumpla con la siguiente condición:
(2.16)
En este procedimiento el valor de la condición de la ecuación (2.16) difiere en 68
centésimas con respecto con lo que presenta la norma ANSVASHRAE 93-1986. En la Tabla E. I del Apéndice B se presentan los pasos para realizar la prueba de constante de tiempo.
30
!
Otro procedimiento de prueba que propone el ANM-ANES 2002 señala que el colector se sombrea de forma semejante al procedimiento anterior o probándolo durante la noche. El procedimiento indica que la temperatura del fluido de trabajo en la entrada del colector se fija
a 30"C, con un flujo másico de 0.02 kg/sm2 con una variación no mayor que *0.0002 kg/sm2.
Todo esto, se realiza en un período de tiempo suficiente para obtener una temperatura de
salida constante. Después de alcanzar el estado permanente, la temperatura del fluido de
trabajo en la entrada se reduce abruptamente a la temperatura ambiente con una variación menor o igual que *loc. Las temperaturas del fluido de trabajo en la entrada y salida del
colector se registran continuamente como función del tiempo hasta que se cumple con la
ecuación (2.16).
2.2.3 Procedimiento para determinar la eficiencia térmica.
En el ANM-ANES 2002 se indica que la prueba de la eficiencia térmica permite
conocer el desempeño tkrmico de colectores solares planos en condiciones controladas y estándares de temperatura de agua en la entrada al colector, temperatura ambiente y radiación
solar global incidente. El resultado que se obtiene al realizar esta prueba es la curva de la
eficiencia considerando al menos cuatro condiciones de temperaturas en la entrada al colector. Con los cuatro datos de la eficiencia térmica se obtiene la curva de la eficiencia térmica, y al
aplicar una regresión lineal a los cuatro pares ordenados de eficiencia como función de las
condiciones ambientales se obtendrá el producto del factor de remoción con el factor
transmitancia-absortancia característico FR(ra)e y el producto factor de remoción con ei
coeficiente global de pérdidas de calor ( F R U ~ . El procedimiento matemático para conocer las
curvas de la eficiencia térmica, es semejante al mostrado en la norma ANSVASHRAE 93-
1986 que se presenta en la Sección 2.1.3.
Requerimientos
Para obtener la eficiencia térmica del colector solar se hace incidir la radiación solar de manera normal con una incertidumbre no mayor que i2.5", el flujo de agua se mantiene constante a 0.02 kg/sm2 con una incertidumbre no mayor que i0.0002 kg/sm2, la
31
radiación solar global debe pehanecer durante la prueba igual o mayor que 630 W/mz con
una incertidumbre menor o igdal que *32 W/m2 y la temperatura ambiente no debe ser mayor
de 30°C. I
L
Procedimiento ,
El procedimiento indica que la temperatura del agua en la entrada del colector debe
estar en el intervalo de trabajo recomendado por el fabricante. También, durante el mismo
lapso de tiempo, la radiación solar global debe ser mayor de 630 Wlm'. El primer punto de la
curva se calcula utilizando la ecuación (2.12) fijando la temperatura del agua en la entrada del colector al valor mínimo de operación que recomienda el fabricante y manteniendo una
diferencia de temperaturas con respecto a la temperatura ambiente con una variación no mayor
que h1"C durante al menos 5: minutos o lo equivalente a dos constantes de tiempo. Para
obtener el segundo punto de la burva se debe incrementar la temperatura de entrada al colector
en un 30% del valor del intervalo de temperaturas trabajo. Posteriormente, se realiza la prueba
para el 60% y el 90%,del valor del intervalo de temperaturas de trabajo, de esta manera, se obtienen los cuatro valores de eficiencia. El procedimiento para la obtención de la eficiencia del colector se resume en la Tadla B.2 del Apéndice B.
I
2.2.4 Procedimiento para determinarel ángulo de incidencia modificado.
En el ANM-ANES 2002 se indica que la prueba para determinar el ángulo de
incidencia solar modificado permite conocer el comportamiento de la eficiencia térmica como función del ángulo de incidencia de los rayos solares en el plano del colector. El resultado de
esta prueba es la determinación de la función del ángulo modificado incidente K , que se obtiene conociendo la eficiencia térmica para ángulos incidencia solar de O", 30", 45" y 60".
Requerimientos I
I. 32
Para obtener el valor del ángulo modificado del colector solar, es necesario mantener el flujo del agua constante a 0.02 kg/sm2 con una variación menor o igual queque *0.0002
kg/sm2, la radiación solar global debe ser igual o mayor que 630 W/m2 con variaciones
menores que 532 W/m2, el valor del ángulo de incidencia solar sobre el plano del colector no
debe de variar mas que 12.5", la temperatura entre la entrada al colector y la temperatura
ambiente se ajustan al mismo valor con un margen de variación de *l"C, y la temperatura
ambiente no debe ser mayor de 30°C.
Procedimientos
El ANM-ANES 2002 propone dos procedimientos experimentales para realizar la prueba de ángulo modificado:
Procedimiento 1.
Es aplicable para el desarrollo de las pruebas en condiciones ambientales utilizando
posicionamiento del colector respecto al sol ajustable. El procedimiento consiste en realizar
cuatro pruebas de eficiencia térmica para cuatro ángulos de incidencia de radiación solar. La
primera prueba se realiza con incidencia de radiación solar normal al plano del colector,
manteniendo los requerimientos mencionados en estado permanente o casi-permanente al
menos durante 10 minutos, posteriormente se procede a realizar la prueba durante 5 minutos o lo equivalente a 'dos constantes de tiempo. La prueba se realiza tres veces mas ubicando al
colector solar para que incidan los rayos solares a ángulos de 30", 45", y 60" respectivamente,
el posicionamiento del colector se realiza moviendo la posición del colector respecto al sol. De
esta forma se obtienen los cuatro valores promedio de eficiencia térmica, para obtener la curva
de la eficiencia como función del ángulo de incidencia solar, obteniendo como resultado el valor de la constante bo (Ver Apéndice A). El procedimiento para la obtención del valor del ángulo modificado del colector se presenta en la Tabla B.3 del Apéndice B.
33
Procedimiento 2.
Es aplicable para el desarrollo de las pruebas en condiciones ambientales utilizando montaje del colector fijo. El procedimiento es semejante al utilizado con posicionamiento ajustable del
colector, pero en este caso los ángulos de incidencia solar 'dependen del movimiento del sol
respecto al plano del colector solar. Para esto, la primera prueba se debe desarrollar cuatro
horas antes del medio día solar; que corresponde a un ángulo de incidencia solar sobre el plano
del colector de 60". Las pruebas posteriores se realizan de igual manera que la anterior, pero
tres horas antes del medio día solar (45"), dos horas antes del medio día solar (30") y al medio
día solar (O"). Posteriormente, se repite el procedimiento, pero ahora para dos, tres y cuatro
horas después del medio día 'solar. De esta forma se obtienen siete valores promedio de
eficiencia térmica, para obtener la curva de la eficiencia como función del ángulo de
incidencia solar, obteniendo como resultado el valor de la constante bo (Ver Apéndice A).
2.3 Comparativo del ANM-ANES 2002 con ANSVASHRAE 93-1986.
Como ya se mencionó en el Capítulo 1, los procedimientos y requerimientos que
presenta el ANM-ANES 2002 se basan en los procedimientos y requerimientos de la norma
ANSVASHRAE 93- 1986. Sin embargo, la instrumentación que recomienda cada documento
difiere en algunos aspectos.
En la Tabla 2.1 se muestra en la primera columna las variables a medir y las
características que debe de presentar cada instrumento de medición, en la segunda columna se
muestra la instrumentación que recomienda el ANM-ANES 2002 y en la tercer columna se
muestra la instrumentación que recomienda la norma ANSUASHRAE 93-1986, cada casilla contiene información acerca del objetivo de instrumento de medición, nombre del instrumento de medición, tipo, precisión, exactitud, frecuencia de calibración y la ubicación en el banco de pruebas. En la cuarta columna se presentan las diferencias que existen en la instrumentación que propone el ANM-ANES 2002 con respecto a la instrumentación que presenta la norma ANSVASHRAE 93-1986.
34
I
Después de analizar y,comparar la información de la columna 2 con respecto a la columna 3, se encontró que existen diferencias en el criterio de la medición de la temperatura
ambiente, temperatura de entrada y salida del colector, así como de la temperatura diferencial, con respecto a precisión y exactitud que proponen el ANM-ANES 2002 con respecto a la
norma ANSUASHRAE 93-1986.
Tabla 2.1. Cuadro comparaiivo de la insirutneniacibn que deberá de emplear el banco de
pruebas.
Variables Radiación solar global instrumento:
Tipo: Exactitud: Calibración:
Ubicación:
Temperatura ambiente
Sensor: Tipo: Precisión: Exactitud: Calibración:
Ubicación:
Temperatura en la entrada y salida del colector Sensor: Tipo: Precisión: Exactitud Calibración: Ubicación:
Instrumentación
ANM-ANES 2002.
Piranómetro clase 1 +I% Cada 12 meses
Paralelo al plano del colecto1
Termopar T i0.5"C No especifica No especifica 1.25 m de altura con respecto i
nivel del piso en una caja bien ventilada con la puerta que abra al
norte y que coincida radiación solar
Termopar T i0.1"C
No especifica No especifica Entrada y salida del colcclor
ANSUASRAHE 93-1986.
Piranómetro Tipo: Clase 1
*I%
Cada 12 meses Paralelo al plano del colector
Termo par T *0.2"C *0.5"C No especifica 1.25 m de altura con respecto i nivel del piso en una caja bien
ventilada con la puerta que abra al
norte y que no incida radiación solar
Termopar T *0.2"C i0.5"C No especifica Entrada y salida del colector
Dif.
(inguna
'recisión 5xactitud
'recisión Zxactitud
35
Temperatura diferencial Sensor: Tipo: Precisión: Exactitud: Calibración
Ubicación:
Flujo de agua en el interior del colector Instrumento: Tipo:
Precisión: Exactitud calibración:
Ubicación
Velocidad del viento
Instrumcnto: Tipo: Precisión:
Exactitud:
Calibración: Ubicación:
Técnicas digitales e integradores electrónicos Instrumento:
Tipo: Precisión:
Exactitud: Calibración: Ubicación: Registradores digitales y analógicos Instrumento: Tipo: Precisión:
Exactitud:
Termopar T
*O.IT
No especifica No especifica Entrada y salida del colector
Rotámetro No especifica No especifica *I% del valor de la medición
cada 12 meses Entrada del colector
Anemómetro No especifica 10.8 d s
No especifica No especifica
A la mitad de la altura del colector
Sistemas electrónicos de acondicionamiento de señal No especifica
No especifica *I% dei valor de la medición No especifica No especifica
Sistema de adquisición de datos No especifica No especifica * O S % de la escala total de
Termopar T *O.l"C I0.I"C
No especifica Entrada y salida del colector
Rotámetro No especifica
No especifica *I% del valor de la medición
Cada 12 meses Entrada del colector
No especifica No especifica No especifica *0.8 d s
No especifica A la mitad de la altura del colector
Sistemas electrónicos de acondicionamiento de señal
No especifica No especifica *I% del valor de la medición No especifica No especifica
Sistema de adquisición de datos No especifica No especifica +0.5% de la escala total de lectura
Exactitud
Ninguna
Instrum.
Ninguna
Ninguna
36
Constante de tiempo: Calibración:
Ubicación:
Presión Instrumento: Tipo:
Rango:
Precisión:
Exactitud: Calibración:
Ubicación:
k e a del colector. Instrumento: Tipo: Rango: Precisión: Exactitud
Calibración: Ubicación:
Tiempo Instrumento: Tipo: Rango:
Precisión:
Exactitud:
No especifica No especifica No especifica *O.]%
No especifica
No especifica No especifica
No especifica No especifica
No especifica 10.2%
No especifica
lectura I No mayor que 1 segundo
No especifica No especifica No especifica No especifica No especifica No especifica No especifica
No especifica
No especifica No especifica
+0.2%
No especifica
No mayor que 1 segundo No especifica
No especifica
No especifica Ubicación: No especifica
Manómetro diferencial Diferencial
O lbta 10 Ibf 10.5 Ibf
No especifica No especifica Salida del colector
Manómetro diferencial No especifica No especifica
No especifica f 3.5 Kpa No especifica Entrada del colector
Tipo Precisión Exactitud
Precisión
Ninguna
37
I '
En este capítulo se presentan los criterios que se consideraron en el diseño
del banco de pruebas. También se presenta un desglose por secciones del banco de pruebas propuesto y se muestra su funcionamiento.
3.1 Criterios de diseño del banco de pruebas. I
La caracterización térmica de colectores solares planos se realiza con un banco de
pruebas que cumple con los requerimientos que se enuncian en las Secciones 2.1.1 y 2.2.1, que corresponden a los requerimientos de pruebas del ANM-ANES 2002 y de la norma
internacional ANSVASHRAE 93-1986. El diseño del banco de pruebas que se propone en este
trabajo se realizó considerando la configuración del banco que presenta el ANM-ANES 2002
y las tres configuraciones que se presentan en ANSVASHRAE 93-1986. Las configuraciones
que proponen ambos documentos se presentan en el Apéndice C de este trabajo.
La configuración del banco de pruebas que propone el ANM-ANES-2002 se presenta
en la Figura C.l del Apéndice C. En esta figura se muestra que el colector solar tiene una
entrada y una salida de fluido de trabajo, y para su funcionamiento es expuesto a la radiación
solar global y en condiciones ambientales. La salida del agua del colector se encuentra conectada a un homogenizador de temperaturas con una válvula hidráulica. Posteriormente
aguas abajo del homogenizador se conecta a un contenedor donde se pesa la masa de agua para después hacerla circular hacia un segundo contenedor. En el segundo contenedor el agua
se impulsa mediante una bomba a un tercer contenedor ubicado a un nivel mayor que el colector solar, la función del tercer contenedor es abastecer de agua a la entrada del colector
dejando pasar la cantidad de flujo de agua que se necesite por efecto de la gravedad. El agua
antes de entrar al colector pasa por un calentador-enfriador para el control primario de las
temperaturas, por un filtro, por un flujómetro y por otro regulador de temperaturas hasta llegar
a un dispositivo de homogenización de temperaturas que conecta la entrada del colector con los dispositivos anteriormente mencionados. Este tipo de configuración se denomina en
circuito abierto ya que en algún punto del sistema se pueden hacer extracciones del agua a presión atmosférica, Su característica principal es que el flujo de agua que entra al colector solar circula por gravedad de forma continua. Este banco de pruebas por no depender de las
fuerzas de gravedad y los elementos que los integran pueden ser ubicados a un mismo nivel con respecto al piso.
39
A diferencia del ANM-ANES-2002, la norma ANSUASHRAE 93-1986 presenta tres
configuraciones de banco de pruebas. En la Figura C.2 del Apéndice C se presenta la primera
configuración, donde se muestra el colector solar expuesto a condiciones ambientales durante
el día. La salida del colector se encuentra conectada al homogenizador de temperaturas, a una
válvula hidráulica de vente0 y posteriormente a un intercambiador de calor. El intercambiador
de calor se conecta con tres válvulas hidráulicas que permiten regular el flujo del agua hacia
un tanque de almacenamiento cerrado, donde en la salida de este tanque se succiona el agua
por medio de una bomba hidráulica, de este punto el agua se dirige a la entrada del colector. El
ciclo hidráulico indica que el agua pasa primeramente por un filtro, un regulador de temperaturas y.finalmente por un flujómetro hasta llegar a la entrada de otro dispositivo de
homogenización de temperaturas que conecta a un medidor de presión con la entrada del
colector. Este tipo de configuración se denomina tipo circuito cerrado, su característica
principal es que el sistema no depende de la fuerza de gravedad, el flujo de agua que entra al
colector solar circula por medio de una bomba hidráulica de forma continua. Este banco de
pruebas por no depender de las fuerzas de gravedad y los elementos que los integran pueden
ser ubicados a un mismo nivel con respecto al piso.
En la Figura C.3 del Apéndice C se presenta la segunda configuración del banco de
pruebas de la norma ANSVASHRAE 93-1986. En esta configuración se presenta al colector
solar expuesto en condiciones ambientales, la salida del colector se encuentra conectado a un dispositivo homogenizador de temperaturas y a una válvula hidráulica. Posteriormente el agua
que sale del homogenizador se dirige al intercambiador de calor. En el intercambiador de calor se encuentran conectadas dos válvulas hidráulicas que permiten regular el flujo de agua hacia
un primer contenedor y posteriormente a una tercera válvula hidráulica que regula el flujo de
agua hacia un segundo contenedor. En la parte inferior del segundo contenedor se encuentra una bomba hidráulica que impulsa el agua a un tercer contenedor que se ubica a una altura mayor con respecto al nivel del colector. La parte inferior del tercer contenedor se conecta a
la entrada del colector, de esta forma el paso del flujo de agua se realiza por gravedad , pasando primeramente por un filtro, un segundo regulador de temperaturas, un flujómetro y un
dispositivo homogenizador de temperaturas que se conecta a la entrada del colector. El flujo de agua que sobra en el tercer contenedor se recircula por gravedad hacia el segundo
40
!
I
contenedor. Este tipo de configuración se denomina en circuito abierto ya que en algún punto del sistema se pueden hacer extracciones del agua a presión atmosférica, Su característica
principal es que el flujo de agua que entra al colector solar circula por gravedad de forma
continua. Este banco de pruebas por depender de las fuerzas de gravedad y los elementos que los integran deben ser ubicados a un mismo nivele con respecto al piso
I
En la Figura C.4 del Apéndice C se presenta la tercera configuración de un banco de pruebas de la norma ANSVASHRAE 93-1986. En esta configuración se presenta al colector
solar expuesto a condiciones ambientales, la salida del colector se conecta a un dispositivo
homogenizador de temperaturas. La manera de abastecer agua al colector es de forma directa
mediante una bomba hidráulic' que succiona agua de la red hidráulica. El agua pasa por un
calentador de resistencia eléctnlca se dirige a la entrada del colector, pasando por un flujómetro y un dispositivo homogenizador de temperaturas. En la salida del colector se dispone de un
segundo homogenizador y a&as abajo se dirige el agua hacia un sumidero. Este tipo de configuración se denomina en circuito abierto ya que en algún punto del sistema se pueden
hacer extracciones del agua a presión atmosférica, Su característica principal es que el flujo de
agua que entra al colector solar circula por medio de una bomba hidráulica de forma no continua. Este banco de pruebas no depende de las fuerzas de gravedad y los elementos que
los integran pueden ser ubicados a diferentes niveles con respecto al piso I
De los esquemas presentados por el ANM-ANES 2002 y por parte de la norma
ANSVASHRAE 93-1986, se puede concluir que el esquema C.3 y el esquema C. 1 son iguales
en cuanto a los elementos que Pl izan para el control del flujo y temperaturas del agua en la entrada del colector. También sbn iguales en cuanto a la manera de ubicar a los elementos con
respecto al colector. La princip/4 diferencia que existe entre ambas configuraciones radica en que en la configuración C.l se realiza el proceso de pesar el agua de manera continua mediante una báscula. También se identifica que la configuración C.2 difiere del resto de las configuraciones debido a que se considera como un sistema cerrado a la presión atmosférica. Además, se requiere de equipo para despresurizar el sistema para poder operar. Por ultimo, la configuración C.4 es tipo circuito abierto y difiere del resto de las configuraciones en la
circulación no continua del agua hacia el colector solar, además la velocidad del flujo de agua
I
I
~ 41
en la entrada del colector depende de la velocidad de la bomba hidráulica y no requiere de
sistemas de presurización para operar.
Considerando que el ANM-ANES-2002 recomienda utilizar la configuración C. 1 y
debido a que la norma ANSVASHRAE 93-1986 recomienda utilizar la configuración C.2, se
tomó como base para el diseño del banco de pruebas las configuraciones C.l y C.2. La configuración C. 1 es un circuito tipo abierto y la configuración C.2 es un circuito tipo cerrado,
ambas configuraciones pueden dividirse tres secciones, la primera sección debe de
acondicionar las temperaturas 'y la velocidad del flujo de agua, la segunda sección debe de
acondicionar al colector para que reciba la radiación solar sobre su plano, y la tercera sección
considera la instrumentación necesaria. Una de las ventajas de utilizar la configuración C.2 es
debido a que los elementos que lo integran pueden ser colocados de manera compacta. Esto
facilita las conexiones con el colector y permite que la unidad sea móvil. Sin embargo su desventaja se presenta en que se necesita de medios de almacenamiento presurizados. En
cambio la configuración C. 1 no necesita de medios de almacenamiento presurizados y puede
trabajar a presión atmosférica. A pesar de esto, su desventaja es que requiere de
construcciones adicionales en el lugar donde se realicen las pruebas y sus medios de almacenamiento deben mantener un nivel fijo de altura con respecto al piso. Considerando las ventajas de colocar a los medios de almacenamiento de agua, control de temperaturas y flujo
como lo presenta C.2 y adicionalmente utilizando la configuración de ser un circuito abierto a
la presión atmosférica como lo presenta C.1, se diseñó un banco de pruebas que implementa las ventajas de ser un equipo ¡ compacto y que en un punto específico se pueden realizar
extracciones del agua a presión atmosférica.
Con base en lo anterior se optó por la configuración de circuito abierto y el esquema del banco de pruebas que se propuso se muestra en la Figura 3.1. El banco de pruebas se presenta de manera general en tres secciones, en la parte central de la figura se muestra la sección de acondicionamiento del colector, en la parte derecha de la figura se muestra la sección del sistema de acondicionamiento para las temperaturas y flujo del agua, y en la parte izquierda de la figura se muestra la sección donde se registran las variables fisicas involucradas para evaluar el rendimiento térmico del colector.
42
El banco de pruebas propuesto permite suministrar agua a una temperatura y velocidad
de flujo especificado por medio del sistema de acondicionamiento para las temperaturas y control de flujo másico. Pohteriormente, ai pasar el agua por el interior del colector intercambia el calor con la plica absorbedora, provocando que la temperatura del agua en la
salida del colector sea mayor. El agua que sale del colector nuevamente es dirigida al sistema
de acondicionamiento de las temperaturas y control de flujo para el agua a presión
forma se completa el ciclo de recirculación de agua entre el colector y los sistemas de
acondicionamiento de temperaturas y control de flujo de agua. Este diseño del banco de
atmosférica, donde es nuevamente I
pruebas se considera un circuito I . abierto a la presión atmosférica.
reacondicionada para poder entrar al colector. De esta I
.... ... . . . . . . . . . . . . . .... ...... - , - ........ -. -.
, I temoeratllra 1 Sensor de i I
1 1 1 I... : I - . .......... ............. .................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Figura 3. I Esquema del banco de pruebas para la evaluación térmica de colectores
solares planos. I
43
Las ventajas que ofrece el diseño del banco de pruebas que se presenta en la Figura 3.1,
es que los elementos que integran la sección de acondicionamiento para las temperaturas y
flujo pueden tener un mejor control de las temperaturas y flujo del agua en un solo módulo.
También, el diseño del banco de pruebas que se propone presenta un seguimiento solar del colector y facilidad para almacenar y visualizar las mediciones de las variables fisicas
involucradas en el rendimiento térmico del colector solar. Adicionalmente se puede facilitar el
transporte del equipo si esté se coloca en diferentes platafonnas. Esta ventaja facilita el manejo
del banco y permite realizar la evaluación térmica de un colector solar en tiempo real.
3.2 Componentes del banco de pruebas.
Como ya se mencionó,, el banco de pruebas esta seccionado en tres partes que son:
sección de acondicionamiento del colector solar, sección de acondicionamiento de
temperaturas y control de flujo para agua y sección de instrumentación. A continuación se describen cada una de ellas.
Sección de acondicionamiento del colector.
De acuerdo con los requerimientos que establece el procedimiento de prueba para
evaluar la eficiencia con respecto al ángulo modificado, el colector solar plano a evaluar debe
ser colocado sobre un dispositivo que permita sujetarlo y posicionarlo de tal forma que reciba
radiación solar global con ángulos de incidencia de O", 30", 45" y 60" sobre su plano. Además,
el colector debe estar ubicado hacia el sur y mantener una altura mínima con respecto al nivel
del piso de 0.5 m. De acuerdo' con estos requerimientos, se realizó el diseño de un soporte
móvil con los siguientes criterios de diseño:
Soporte móvil que permita realizar pruebas continuamente entre las 1O:OO y las 15:OO
horas de forma continua y en tiempo real.
Área máxima del colector a evaluar de 2.20x1.20 m.
Base que permita movilidad para orientar al colector hacia el Sur.
Base que permita el movimiento del colector en el eje de Norte-Sur.
44
i
I Base que permita el movimiento del colector en el eje Este-Oeste.
Base rígida con capacibad para soportar el heso del colector con agua, y que además
pueda ser nivelada. ~
Base que permita posic/onar manualmente al colector, se sugiere también la opción de
poder controlar el posicionamiento mediante computadora para trabajos futuros.
Base que permita posicionar al colector 0.5 m por arriba del nivel del piso.
Considerando los cntirios de diseño mencionados, se proponen las siguientes
I
I
8 !
I I soluciones: I
Para cumplir con movilidad y orientación del colector solar hacia el sur, se propone
que el colector sea soportado sobre una base que cuente con cuatro rodamientos en sus
esquinas para proporcidnar movilidad y facilite la orientación del colector. Además se
propone que la base cuente con cuatro apoyos roscados y cercanos a los rodamientos
para nivelar la base (Ver Figura 3.2, elemento 6).
Para que el colector se ubique a una altura mínima de 0.5 m sobre el nivel del piso, se
propone colocar un poste fijo de 1 m de altura, en el centro de la base cuadrada (Ver Figura 3.2, elemento 2).1 I
I
Para posicionar el colector solar en un eje que le permita obtener movimiento Norte-
Sur, se propone colocar un poste móvil acoplado al poste fijo a manera de extensión,
pero con la característica de poder girar el colector en dirección Norte-Sur. El poste móvil puede inclinarse hacia el Sur 45" máximo y hacia el Norte -15" respecto a la línea azimutal o vertical ver Figura 3.2, elemento 3).
I
I .
Para posicionar ai colector en un eje que le permita obtener movimiento Este-Oeste, se
propone colocar un bastidor con eje de movimiento en la parte superior del poste
móvil, permitiendo tener una movilidad de Este-Oeste de 60" a -60" respecto de la linea azimutal (Ver Figura 3.21, elemento 4).
I
45 I
I
Para sujetar al colectdr se propone colocar extensiones en forma de cruz sobre el
bastidor a fin de sujetar al colector por medio de prensas mecánicas en los cuatro puntos extremos de la cruz (Ver Figura 3.2, elemento 4). El área máxima que
proyectaran estas extenkiones será de 2.31x1.28 m.
Tomando en considerdción las soluciones de los requerimientos de diseño de los puntos anteriores, se presenta en la Figura 3.2 el diseño de la plataforma móvil que cumple
con los requerimientos expuestos anteriormente. I
i
x
rf ) EjeNorte-Sur
~ .,.. ..' I / ' ', 17:- 1 Base cuadrada ( I ) ~
I Rodamientos (6)
~ Figura 3.2 Soporte mbvil propuesto.
46
En la Figura 3.2 se muestra el diseño del soporte móvil, la primer parte es una base cuadrada ( I ) apoyada sobre cuatro rodamientos (6) con opción a que cada esquina del soporte sea nivelada; la segunda parte es el poste principal (2), que se ubica en el centro de la base de
forma rígida, la tercer parte es un poste móvil en forma de L (3) en la parte inferior y en forma
de T en la parte superior, y la cuarta parte es el bastidor (4) en forma de cruz donde se sujetará
al colector solar.
El poste principal se encuentra unido al centro de la base y en la parte superior se
encuentra acoplado al poste móvil por medio de un pemo, formando un brazo mecánico que
tiene movilidad de Norte a Sur de -15" a 45" con respecto a la vertical. El poste móvil se desplaza impulsado por un mecanismo de tomillo, y el mecanismo de tornillo se une al poste
móvil mediante un soporte, formando un brazo mecánico, (ver Figura 3.2) El giro positivo del
mecanismo de tomillo posiciona al colector hacia el Sur y en sentido contrario lo posiciona
hacia el Norte.
El poste móvil se encuentra unido al bastidor en la parte superior mediante un tomillo, una tuerca y una contra tuerca, formando un brazo mecánico que tiene movilidad de Este-
Oeste de 60" a -60" con respecto a la vertical. El bastidor gira aplicando una fuerza de empuje
en un extremo del bastidor, y el frenado se realiza mediante la fricción generada por la unión
del tomillo con la tuerca y contra tuerca, en conjunto con la reacción de un amortiguador
mecánico que se ubica en el extremo de bastidor (ver Figura 3.2). El giro positivo del bastidor se realiza aplicando una fuerza extema en extremo derecho de la cruceta, ubicando al bastidor hacia el Este, y en sentido contrario posiciona al bastidor hacia el Oeste.
El bastidor tiene un soporte en forma de cruz, el soporte esta formado por postes
extensibles ubicados en el plano del bastidor y cuenta con prensas mecánicas que sujeten rígidamente al colector solar plano. La función que realiza la cruceta es la de soportar y fijar el
colector solar plano con dimensiones no mayores de 2.31x1.28 m. Los dibujos técnicos de la base cuadrada, el poste móvil y el bastidor se muestran en el Apéndice D.
41
Sección de acondicionamiento de temperatura y control de flujo para agua.
!
Como se mencionó en las Secciones 2. I . 1 y 2.2.1, la temperatura y velocidad de flujo del agua en la entrada del colector se debe de mantener en valores constantes y específicos
según la prueba térmica a realizar. Debido a esta necesidad se propuso una sección de
acondicionamiento para las temperaturas y control de flujo del agua como se muestra en la
Figura 3.1. En la parte derecha de la Figura 3.1 se muestra una torre de enfriamiento conectada hidráulicamente en serie a un baño térmico. El baño térmico dispone de una bomba hidráulica
que se conecta a un sistema de control de flujo de agua formado por tres válvulas en conexión
hidráulica serie paralelo, y aguas abajo del baño térmico se dispone de un filtro con un
medidor de flujo que conectan en serie al baño térmico con la entrada del colector.
De acuerdo con el diseño que se presenta en la sección izquierda de la Figura 3.1 y considerando los requerimientos de las Secciones 2.1.1 y 2.2.1, se realizó el diseño del sistema
de acondicionamiento de temperaturas y control de flujo con los siguientes criterios de diseño:
El sistema debe de abastecer de agua a en la entrada del colector con una temperatura
especificada en el intervalo de 20°C a 55°C y con una incertidumbre de *0.2 "C.
El sistema debe permitir la circulación del agua en el interior del colector con una velocidad de flujo especificado y con una incertidumbre de *I% del total de la
medición.
Considerando los criterios de diseño que satisfacen las necesidades de los procedimientos de prueba anteriormente mencionados, se propusieron las siguientes soluciones:
Para obtener el abastecimiento de agua en la entrada del colector considerando el
intervalo de temperatura y la incertidumbre anteriormente dichas, se propone utilizar un baño térmico con capacidad de enfriamiento hasta 15°C y de calentamiento de 60°C
y que cuente con una bomba hidráulica integrada como parte del baño térmico con
48
capacidad de 0.0450 kg/s. Considerando que el agua después de pasar por el colector, sufre un incremento en, la temperatura, es necesario reacondicionar su temperatura, por tal razón se propone el uso de una torre de enfriamiento formada por un intercambiador de calor y una unidad condensadora. El objetivo es reacondicionar la temperatura del
agua con una incertidumbre de I3"C en un primer paso, y en un segundo paso en el
baño térmico conseguir la incertidumbre de *0.2"C.
. .
: J , l r
Para obtener un control de flujo de agua en el interior del colector, se propone utilizar tres válvulas hidráulicas conectadas en serie y en paralelo al baño térmico, con la
finalidad de formar un sistema de bypass que sólo deje pasar el flujo de agua necesario
en la entrada del colector y con una incertidumbre de il% de la medición requerida en
el colector, el resto del flujo debe de recircularse en el baño térmico para evitar el
forzamiento de la bomba.
Tomando en consideración las soluciones propuestas en los puntos anteriores, en la Figura 3.3 se presenta un diagrama hidráulico del sistema de acondicionamiento de
temperatura y control de flujo para el agua que cumple con los criterios de diseño
mencionados anteriormente.
I
Agua proveniente del colector
. -. . Válvula M 1
Sensor de de paso
aeua W.2T Baño térmico
Agua al colector Filtro
Temperatura del ama *3"C
Figura 3.3 Diagrama del sistema de acondicionamiento para el agua. 49
El sistema está formado por un intercambiador de calor, una unidad condensadora, un baño térmico, tres válvulas hidráulicas, un filtro, un medidor de flujo másico y un sistema de
tuberías. En la parte superior 'de la Figura 3.3 se muestra que la tubería en rojo conecta la
salida del colector con la entrdda del intercambiador de calor, posteriormente otra tubería en
color azul conecta la salida dellintercambiador con la válvula de paso No 3 y en seguida con el
baño térmico, la salida del baño térmico se conecta con la válvula de paso No 1, en este punto
se conecta la válvula de paso No 2 en paralelo al baño térmico. La salida de la válvula de paso
No 1 se conecta en serie a un filtro de agua, a un medidor de flujo másico y finalmente con la
entrada del colector solar. 1
I
El sistema funciona de ¡a siguiente manera: Primeramente se debe abastecer de agua al
tanque de almacenamiento del baño térmico. Posteriormente 'se debe activar la bomba hidráulica que impulsa el agua~hacia la entrada del colector y se programa la temperatura del
agua del baño térmico. Entonces para obtener una velocidad de flujo específico, es necesario abrir parcialmente la válvula No 1 y la válvula No 2, dejando pasar la cantidad de flujo de
agua necesario hacia el colecto)r, el agua antes de que llegue al colector pasa por un filtro y posteriormente por un medidor'de flujo másico. De esta manera se envía agua al colector con
un valor específico de temperaturas con una incertidumbre de i0.2"C, y flujo específico con
una incertidumbre de *l% del v'alor del flujo másico.
!
!
i El agua ai pasar por el interior incrementa su temperatura por lo que el agua a la salida
colector es dirigida al intercambiador de calor donde por medio de una unidad condensadora y un refrigerante que circula dentro del intercambiador de calor reacondicionan la temperatura
del agua a un valor específico 4on una certidumbre de *3"C. Posteriormente, el agua que sale del intercambiador de calor regresa al baño térmico regulando nuevamente la velocidad de flujo por medio de la válvula de paso No 3. De esta manera se obtiene un ciclo cerrado entre el sistema de acondicionamiento bars la temperatura y el control del flujo del agua con respecto al colector manteniendo el valor de temperatura y velocidad de flujo del agua constantes.
! I !
t ! I
I , i
I I i 50
Otros elementos que forman parte de la sección de acondicionamiento para las
temperaturas del colector son los dispositivos homogenizadores que se encuentran ubicados en
la entrada y la salida del colector (ver Figura 3.1). Los dispositivos homogenizadores son
utilizados debido a que la temperaturas del agua en la entrada y salida del colector no es uniforme ya que en la tubería se presenta un perfil de temperaturas tipo parabólico, por lo que
es necesario minimizar el error de la medición de temperaturas de agua por medio de la
colocación de un dispositivo que homogenice la temperatura dentro de la sección transversal
del tubo antes de la entrada del colector y después en la salida de tubo del colector.
Debido a lo anterior, se diseñó un dispositivo de mezclado con tubenas conectadas en forma de serpentín con el fin de que permita romper el perfil de temperaturas en el interior de
la tubería mediante los cambios en la dirección del agua. Los mezcladores tienen tubería de
igual diámetro que el ducto de entrada y salida del colector, y con longitud no mayor que 20
cm. En la Figura 3.4 se muestra el dispositivo homogenizador que consta de un sistema de dos
tuberías de % de pulgada en forma de serpentín con una longitud en cada tubo de 20 cm.
Además estos dispositivos deben estar protegidos con paredes de material aislante que permita
minimizar las pérdidas de calor hacia los alrededores.
Termopar
Entrada del agua al mezclador
Figura 3.4 Diagrama del mezclado defrujo de agua.
51
Como se muestra en la Figura 3.4, el agua entra en la parte inferior y se realiza la medición de temperaturas mediante el termopar No 1, posteriormente el agua se conduce por
el interior del serpentín tenidndo cuatro cambios de dirección que rompen con el perfil parabólico de las temperaturas kn el interior de la tubería llegando'a la parte superior donde se
mide también las temperaturls del agua mediante el termopar No 2. La función de los termopares es medir las temperaturas del agua cuando entra y sale del homogenizador. La
utilización de termopares tipo $ para medir temperatura corresponde a que cumplen con los
requerimientos que especifica ia norma ANSUASHRAE 41.1-1986 (RA 91) para la medición'
de temperatura cuando se utiliza agua como fluido de transferencia de calor. El resultado que
se debe tener al usar este tipo de sistema es que las mediciones de temperaturas deben tener el
I
~
mismo valor con una incertidumbre de f0.2"C cuando se utilice la medición de temperaturas
en forma referenciada a una junta fría, y cuando se utilice la medición de temperatura de
manera diferencial la incertidumbre debe ser de iO.1"C. <
Sección de instrumentación. ~
I I
La instrumentación se basa en los requerimientos mencionados en la Sección 2.3 y en .la estrategia de instrumentación de la Figura 3.1, en esta figura se muestra que un piranómetro
debe ser colocado a un costado~paralelo del colector para medir la cantidad de radiación solar
de tal manera que no proyecte sombra sobre el plano del colector, también en la Figura 3.1 se muestra que un anemómetro debe ser colocado a un costado paralelo del colector para medir la
velocidad del viento. En la Fig&a 3.1 se muestra que para medirlas temperaturas del agua en
la entrada y salida del colector se colocan dos sensores de temperatura situados en el dispositivo homogenizador de la entrada del colector y otros dos sensores de temperatura
situados en el dispositivo homogenizador de la salida del colector. En la Figura 3.1 se muestra que se debe de utilizar un sensor para medir la temperatura ambiente y también se debe de utilizar un medidor de flujo imásico para medir el flujo de agua que entra al colector.
Finalmente, en la Figura 3.1 SI muestra que todas las mediciones que se realizan con los instrumentos mencionados deben ser grabadas y visualizadas en tiempo real por medio de un acondicionador de señal y una computadora personal.
',
I
I
$
I t
~
L,
52
La instrumentación que se propone utilizar en el banco de pruebas de la Figura 3.1 debe de cumplir con los requerimientos descritos la Tabla 2.1 en la Sección 2.3. Para cumplir
los requerimientos de instrumentación se deben considerar los siguientes criterios:
Medir y registrar la temperatura ambiente cada segundo y con una incertidumbre de
iO.5"C.
Medir y registrar la temperatura de entrada y salida del agua en el colector cada segundo y con una incertidumbre de iO.2"C.
Medir y registrar la diferencia de temperaturas entre la entrada y salida del colector
cada segundo y con una incertidumbre de *O.l"C.
Medir y registrar la radiación solar global sobre el plano del colector cada segundo y con una incertidumbre del *I% del valor de la medición la medición.
Medir y registrar el flujo de agua que entra al colector cada segundo y con una incertidumbre de *l% de valor de la medición,
Medir y registrar la velocidad del viento sobre el plan del colector cada 30 segundos y con una incertidumbre de IO.8 d s .
Medir y registrar la temperatura diferencial en los dos dispositivos homogenizadores.
Considerados los criterios de medición que satisfacen las necesidades de los
procedimientos de prueba anteriormente mencionados, se proponen las siguientes soluciones:
Para realizar las mediciones de la temperatura ambiente, temperaturas del agua en la
entrada y salida del colector, se propone el uso de un termopar tipo T, son adecuados para el intervalo de temperatura a medir y son recomendados por el ANM-ANES-2002
y por la norma ANSVASHRAE 93-1986.
Para realizar la medición de la radiación solar global sobre el plano del colector, se
propone el uso de una base con poste fijo al piso y con una plataforma móvil que permita ubicar a un piranómetro de primera clase con la incertidumbre de medición de *l% en un plano paralelo al plano del colector solar.
53
Para realizar la medición del flujo de agua que entra en el colector, se propone el uso
de un medidor de flujo de agua tipo turbina, ya que cumple con la incertidumbre de
medición de *I%.
Para realizar la medición de la velocidad del viento sobre el plano del colector, se
propone el uso de un anemómetro de hilo caliente, ya que cumple con una
incertidumbre de medición de f 0.8 d s .
Para realizar el registro y visualización de las mediciones de la temperatura del agua
que entra y sale del colector, temperaturas ambiente, temperaturas diferencial en los
homogenizadores, flujo de agua que pasa en el interior del colector y la radiación solar
global que incida al colector, se propone el uso de un sistema acondicionador de señal
y de una computadora personal.
Tomando en consideración las soluciones propuestas en los puntos anteriores, se
presenta en la Figura 3.5 el diseño de la configuración para la instrumentación a emplear en el
banco de pruebas experimental.
54
90 1
60 < -
40 j
O ' - I 20 f
Sensor de temp. ambiente M.2T
I Acondicionador de señal
Sensor de radiación solar+i%de la medición
Sensor de flujo Sensor de másico i I % de la medición viento j.O.1 mls
velocidad de
Figura 3.5 Configuración de la instrumentación empleada en el banco de
pruebas.
En la Figura 3.5 se muestra en la parte superior los cinco sensores de temperatura, los dos sensores que se emplean para medir las temperaturas del agua en la entrada del colector,
los dos sensores de temperatura que se emplean para medir las temperaturas del agua a la salida del colector y el sensor de temperatura que se emplea para medir las temperaturas ambiente. En la parte inferior de la Figura 3.5 se muestra el sensor de radiación solar (piranómetro) para medir la cantidad de radiación solar global que incide en el colector, el
sensor de velocidad de flujo másico que mide la cantidad de agua que circulara en el colector,
y el sensor de velocidad de viento (anemómetro) que se emplea para medir la velocidad del viento sobre el plano del colector.
55
También en la Figura 3.5 se muestra que todos los sensores y aparatos de medición a excepción del sensor de velocidad de viento, son conectados en líneas rojas a un sistema de
acondicionamiento de señal y a una computadora personal. La función del acondicionador de
señal y de la computadora es el monitoreo en tiempo real y el almacenamiento y visualización
de las mediciones de los sensores e instrumentos de medición.
La propuesta del diseño del banco de pruebas presentado en la Figura 3.1 y de los diseños que se presentan en las secciones de acondicionamiento del colector,
acondicionamiento de la temperatura, control de flujo para agua y de la instrumentación
mencionada cumplen con los requerimientos de las pruebas térmicas para evaluar el
desempeño térmico de colectores solares planos que requieren las normas ANSWASHME
93-1986 y el ANM-ANES 2002.
\
56
Capítulo 4
Construcción deC6anco de pm6a.s. Este capítulo está dedicado a la descripción de la construcción y puesta en
operación del banco de pruebas para la caracterización térmica de colectores solares planos. En el presente capítulo se muestra la materialización de las estrategias de diseño
mencionadas en el Capítulo 3.
En la Sección 3.2 del Capítulo 3 se presentaron los criterios de diseño del banco de pruebas. El banco de pruebas esta dividido en tres secciones: I ) acondicionamiento del
colector, 2) acondicionamiento de temperaturas y control de flujo para el agua, y 3)
instrumentación. A continuación se describe la construcción y funcionamiento de cada
sección anteriormente mencionada.
4.1 Construcción del sistema de acondicionamiento del colector
solar.
De acuerdo con los criterios de diseño y las soluciones propuestas en la sección 1 del
punto 3.2, se construyó un soporte móvil que sirve para sujetar y posicionar al colector solar
como se requiere en los procedimientos de pruebas descritos en el Capítulo 2. La construcción
del soporte móvil se dividió en cuatro secciones:
Base cuadrada
En el dibujo técnico No 1/3 que se presenta en el Apéndice D se muestran las vistas
lateral, frontal y superior del diseño para la construcción de la base cuadrada que sirve para
soportar a un colector solar. La base cuadra tiene dimensiones de 1.5x1.5 m con cuatro
rodamientos de 15.25 cm de diámetro que le permiten desplazamiento sobre el piso. La
construcción del bastidor de la base esta formada por cuatro elementos periféricos de perfil tubular rectangular (PTR) de 3x1 % pulgada, dos elementos de soporte interior de 142.38 cm
construidos en PTR de 2 %x2 % pulgada, 12 soportes de ángulo de acero de % pulgada y una placa para soportar el poste principal de 16x16 cm de 1/8 pulgada. El bastidor está forrado
con lámina antiderrapante calibre 16. Todos los elementos de la base cuadrada fueron unidos con soldadura de arco eléctrico tipo 6013.
También en el dibujo técnico No 1/3 se muestra que en el centro de la base cuadrada se ubica un poste de 1.12 m, de dimensiones de 2.20x1.20 m. El poste principal de la base cuadrada es de PTR de 4 pulgadas con una longitud de 1 m como se muestra en la Figura 4.1.
Este poste se encuentra unido por soldadura en la parte inferior con la placa central de la base
58
de sujeción como se muestra en la Figura 4.1, y en la parte superior tiene dos placas de acero
de 73x12 cm situadas opuestamente como lo muestra el dibujo de taller No 1/3 del Apéndice D. Todas las partes que forman la base móvil fueron unidas mediante soldadura de arco eléctrico tipo 6013.
Placas de unión
Base cuadrada
Figura 4.1 Poste principal de la base móvil.
Poste m6vil
En el dibujo de técnico No 2/3 que se presenta en el Apéndice D se muestran las
vistas lateral, frontal y superior del diseño para la construcción de un poste móvil que sirve para soportar y posicionar a un colector solar plano en un eje de giro Norte-Sur. El poste
móvil es una estructura metálica en forma de L en la parte inferior y en forma de Ten la parte superior. El poste principal de esta estructura es de acero PTR de 4x4 pulgadas y la parte en forma de L y de T son de acero PTR de 2 %x 2 % pulgada. En la Figura 4.2 se muestra una
vista fiontal del poste móvil, donde la parte inferior del poste principal se ensambla con el poste principal de la base cuadrada. Este ensamble se logra mediante las placas de unión que tiene el poste principal y un tomillo 5/8 de pulgada de diámetro con 5 pulgadas de longitud
que atraviesa tanto a las placas como al poste móvil.
I
I I
I 59
i
Estnictura en forma de herradura
Poste principal
, APOYO No 2
No I
.- Extremidad inferior
Figura 4.2 Poste mevil.
Como se muestra en la Figura 4.2 el poste principal cuenta con una extremidad en la parte inferior de 25 cm de longitud. En el centro de esta extremidad se encuentra un apoyo
donde se soportará al tornillo mecánico que realizará la función de girar al brazo móvil en el
eje de Norte a Sur, con intervalo de -15" a 45" respecto a la vertical del plano horizontal del
piso.
También en la Figura 4.2 se muestra que el poste móvil tiene en la parte superior una
estructura metálica en forma de herradura, esta estructura es de acero PTR de 2 %x2 %
pulgada con 35 cm de longitud. Cada poste de la herradura es de 20~5 .19 cm y esta maquinado de tal manera que cuenta con un espaciamiento en la parte superior de 3 cm de longitud en dirección vertical y de 4.88 cm en dirección horizontal formando dos placas paralelas en cada poste. La función que realizan estas placas es la de servir de apoyo para
colocar un eje de giro que une al bastidor del porta colector con el poste móvil a través de un espárrago de 40 cm de longitud y de % pulgada de diámetro. También, en la figura 4.2 se muestra que el poste móvil tiene un apoyo ubicado a 19.4 cm en dirección vertical. Este apoyo tiene la función de soportar a un amortiguador hidráulico que frenará el movimiento
60
del bastidor y del porta colector en dirección Este-Oeste. Todas las partes que integran ai
poste móvil fueron unidas con soldadura de arco éiéctrico tipo 6013. ..
Bastidor
En el dibujo técnico No 313 que se presenta en el Apéndice D se muestran las vistas
lateral, frontal y superior del diseño para la construcción del bastidor que sirve para soportar y sujetar a un colector solar plano. El bastidor es una estructura de acero en ángulo de
1 % pulgada, que tiene la forma rectangular de 50x35 cm (ver Figura 4.3). La finalidad del
bastidor es la de soportar la estructura metálica llamada porta colector, el porta colector es de
acero PTR de 1 %xl % pulgada en forma de cruceta de 2.31x1.28 m y se encuentra unido por medio de soldadura por arco eléctrico tipo 6013. En la Figura 4.3 se muestra que el porta
colector esta unido al bastidor para formar un espaciamiento efectivo de 2.23x1.20 m donde
se montará al colector, cada extremo del porta colector cuenta con un apoyo que permite
colocar una prensa mecánica para sujetar ai colector.
3 Porta colector
Figura 4.3 Bastidor para el montaje y sujeción del colector.
El bastidor se debe ensamblar con la estructura en herradura del poste móvil. Este
ensamble se logra mediante la colocación del bastidor en los espacios de las placas de unión
61
que tienen los postes de la herradura. El bastidor como la estructura en herradura deben ser
unidos mediante un espárrago de 40 cm, el espárrago atraviesa las paredes de la herradura
como del bastidor, y por medio tuercas y contratuercas generan una fricción en la unión para
impedir que el colector gire por su propio peso. La finalidad de este ensamble es generar un
eje de giro de -60" a 60" en dirección Este-Oeste.
El ensamble final del soporte móvil se muestra en la Figura 4.4, donde se presenta en
funcionamiento el montaje, sujeción y posicionamiento del colector solar plano como lo
indica el ANM-ANES 2002 y la norma ANSVASRAHE 93-1986.
Figura 4.4 Sopote móvil.
62
Como se indica en el Capítulo 2, la prueba para obtener el valor de la constante del ángulo modificado indica que sobre el plano del colector solar deberán de incidir los rayos
solares a O, 30 ,45 y 60". Por tal razón se propuso colocar un sistema que indique la medición
de la dirección de los rayos solares. Este sistema se muestra en la parte inferior de la Figura
4.5 Este sistema esta formado por una rueda que indica la dirección del rayo del sol. Esta
rueda esta colocada en el centro del colector y tiene una aguja móvil que indica la dirección
del rayo del sol, cuando se ubica a la plataforma móvil de tal forma que en el plano de la
aguja no se proyecte ninguna sombra es entonces cuando se puede medir la dirección del rayo
del sol en el colector ya que el plano del colector tiene la misma dirección de giro que el plano
de la aguja.
Sistema indicador
incidencia solar f l del ángulode
Figura 4.5 Montaje y sujeción del colector solar.
63
4.2 Construcción del sistema de acondicionamiento de
temperatura y control de flujo para agua.
De acuerdo con los criterios de diseño y las soluciones propuestas en la sección 2 del
punto 3.2, se construyó un sistema de acondicionamiento de temperatura y control de flujo de
agua para suministra agua al colector solar con velocidades de flujo y temperaturas
constantes, de acuerdo con los requerimientos de las pruebas térmicas a realizar. Este sistema
fue construido para cumplir con los valores de incertidumbre en las mediciones de
temperatura y flujo másico del agua que se establecen en el ANM-ANES 2002 y en la norma
ANSWASHME 93-1896.
La construcción del acondicionamiento de temperatura se realizó mediante la conjunción de una torre de enfriamiento y un baño térmico. La torre de enfriamiento esta
constituida por un intercambiador de calor con capacidad de 35 litros de agua y una unidad de condensado con capacidad de 5000 Watts de enfriamiento a una temperatura de 18°C. La
temperatura del agua que proporciona la torre de enfriamiento se controla por medio de un dispositivo electrónico que permite programar la temperatura del agua a un valor constante
con incertidumbre de i3"C. El baño térmico que se utiliza es modelo 9601 de la marca
PolyScience (www.Polyscience.com). Tiene una capacidad de 28 litros de agua, el intervalo de enfriamiento-calentamiento es de -25 a 150 OC con una incertidumbre de i0.2"C con 700
Watts de enfriamiento, contiene una potencia de calentamiento de 500 Watts y una bomba hidráulica para impulsar a agua al interior del colector con una velocidad máxima de 3.40 Wmin. La construcción del sistema de control del flujo del agua se realizó mediante la
conexión hidráulica de dos válvulas en serie al baño térmico y otra válvula en paralelo al baño térmico.
De acuerdo con el disefio del sistema de acondicionamiento de la temperatura y control del flujo de agua que se presenta en la Figura 3.3 a), se construyó un intercambiador de calor colocando dos unidades evaporadoras en el interior de un cilindro de 8 pulgadas de diámetro y 78 cm de longitud. Este intercambiador contiene dos tuberías por donde entrará y
64
saldrá el agua que se acondiciona, también el intercambiador tiene dos ductos por donde salen
las tuberías que conectan a las unidades evaporadoras con la unidad de condensado. El
intercambiador de calor es totalmente sellado y contiene termopares que miden la temperatura
del agua cuando el agua sale del intercambiador el control de temperatura se realiza por medio
de un control remoto que activa y desactiva a la unidad condensadora. El agua que sale del
intercambiador de calor es conducida hacia el baño térmico y posteriormente se reenvía a la
entrada del colector solar a través de una bomba mecánica integrada al baño térmico.
Para realizar el control de flujo de agua que suministra el baño térmico se conectó en
forma paralelo dos válvulas hidráulicas al baño térmico y en forma serie una válvula
hidráulica al baño térmico con el fin de dejar pasar la cantidad de agua necesaria al colector
solar y dejar recircular el agua que no es necesaria en el colector solar al baño térmico para
evitar el forzamiento de la bomba. De esta manera, la salida del baño térmico se conecta en
serie con el colector solar plano pasando primeramente el agua por un filtro de agua, después
por la válvula de control de flujo No 1, se deja pasar una cantidad de agua específica a un medidor de flujo y posteriormente el agua llega al dispositivo bomogenizador que se conecta al colector
En la Figura 4.6 a) y b) se muestra la construcción final del sistema hidráulico que ha
sido utilizado para el diseño del banco de pruebas, también esta configuración cumple con los
requerimientos para la aplicación del anteproyecto de norma mexicana y para la aplicación de la norma internacional ASHRAE 93-1986.
65
lntercambiador de calor -
Control electrónico de la torre de enfriamiento
..- .., . ., - .
Control electrónico del baño térmico
Unidad condensadora
Figura 4.6 a) Sistema de acondicionamiento de temperatura y control deflujo de agua.
Válvula No 3
conecta la torre de enfriamiento
Válvula No 2 Filtro
Tubería de entrada a1 . colector solar
- VálvulaNo I
Flujómetro
Figura 4.6 b) Sistema de acondicionamiento de temperatura y control de flujo de agua.
66
4.3 Instrumentación del banco de pruebas.
La instrumentación a utilizar en el banco de pruebas experimental que menciona el
Capítulo 3 se muestra en la Tabla 4.2. En la primera columna se muestra la cantidad de
instrumentos que se emplean para medir las variables físicas, en la segunda columna se
describe el tipo de sensor o instrumento de medición, en la tercer columna se indica la
variable física a medir, y finalmente en la cuarta columna se indica si el instrumento de
medición que se emplea cumple con los requerimientos mínimos que se.establecen en la
Sección 2.3.
Tabla 4.2 Instrumentación empleada en el banco de pruebas.
Sensor o instrumento de medición Termopar tipo T (cobre constantan) calibre No 24
Termopar tipo T (cobre constantán) calibre No 24
Termopar tipo T (cobre constantán) calibre No 24
Piranómetro marca KiPP & ZONEN modelo CMS
No de serie 752728 con fecha de recalibración 4 de marzo del 2004. Valor constante de respuesta instrumental de 11.77
pV/(w/m’)
Sensor de flujo tipo turbina Peltón Modelo GI 11-8
de 200 mYmin a 5000 mümin. Con fecha de calibración 12 de agosto del 2003.
Anemómetro de hilo caliente Copuflow Marca ALNOR INSTRUMENT Modela 8525
Bloque conector de acondicionamiento de señal modelo SC-2345 marca National inswmet
Sistema de adquisición de datos DAQ PAQ Modelo SC-2345 De National Instrumet.
Computadora personal Pentium IV y Sofwre Lab
View.
Variable física a medir remperatura del agua a la entrada del colector
remperatura del agua a la salida del colector
Temperatura del aire ambiente en los
alrededores
Radiación solar global y difusa que incide sobre el plano del colector solar plano
plano
Flujo de aire ambiente en los alrededores del plano del colector
Señales analógicas generadas por los transductores he instrumentos de medición son acondicionadas y convertidas en señal digital. Señales digitales previamente acondicionadas son direccionadas hacia un bus de salida serial de una computadora personal
Señal digital dirigidas por el puerto serial para ser visualizada y registrada
67
4.4 Operación del banco de prueba
alivio
La operación del banco de pruebas puede realizarse mediante la aplicación de una
metodología que describa paso a paso la postura que debe de tener cada elemento del banco
de pruebas, antes y durante su operación. A continuación en la Figura 4.7 se muestra el
diagrama de flujo para la operación del banco de pruebas que se propuso en la Figura 3.1 del
Capítulo 3.
alivio hasta que el intercambiador de calor y el colector estén Cerrar la válvula
de alivio
n
Abrir la v á l v u l a p la válvul No 1 No2
existen burbujas de aire en las mangueras
Inicio
Conectar la salida del olector con la entrada d intercambiador de calor entrada del colector
f Visualizar si existen
burbujas de aire en las mangueras hidráulicas dirección Este-Oeste hidráulica No I. No2 v No3
Inclinar al colector en Desactivar la bomba Cerrar las válvulas
I I A t
Abrir la válvula de Continúan burbujas?
Drenar el aire del colector vcnteo suministrando agua en la
válvula de alivio
~~ ~
Ajustar la velocidad de flujo másico del agu por medio de la apettura parcial de las
vtílvulas No 1 y 2
Ajustar la temperatura del agua a trave de los controles electrónicos del baño térmico y de la torre de enfriamiento.
Figura 4.7 Diagrama defrujo para la operacien del banco de pruebas.
68
Qsuhdos dé lit caracterizadn
délcolictor sol it^ En este capítulo se presentan la descripción del colector a caracterizar,
los resultados de la evaluación de la prueba de la constante de tiempo del colector solar, los resultados de las pruebas de eficiencia térmica que se realizó
al colector solar, los resultados de las pruebas del ángulo modificado que se
realizó al colector solar y finalmente la interpretación de los resultados
obtenidos de la caracterización térmica aplicada al colector solar.
5.1 Descripción del colector solar a caracterizar.
El colector solar plano que se caracterizó es el modelo 01-encapsulado de la fabrica
Thermosol. El colector solar mide 2.16 m de largo por 1.15 m de ancho, resultando un área
gruesa de 2.48 m2, y un área transparente de 2.25 m2, la placa absorbedora esta constituida
por 6 tubos aletados de cobre formando un área efectiva de 2.15 m2. Cada tubo aletado es conectado a un tubo cabezal principal de cobre ubicado en cada extremo, de esta manera
los seis tubos aletados funcionan como seis colectores conectados en paralelo. El intervalo de temperaturas de trabajo que recomienda el fabricante es de 20°C a 55°C. Las partes
principales del colector mencionado en el párrafo anterior son las siguientes:
a) Cubierta de vidrio de 4mm. b) Marco en perfil en acero galvanizado.
c) Placa absorbente de cobre de 12 mm ( !h pulgada) con aleta de cobre calibre 32. d) Tubo o cabezal de 19 mm ( Yí pulgada) en cobre.
e) Aislante posterior de fibra de vidrio. f) Cubierta posterior de lámina de acero galvanizado.
5.2 Prueba de constante de tiempo.
Condiciones de prueba
En la Tabla 5.1 se presentan las condiciones con las que se realizó la prueba para
determinar la constante de tiempo. Las condiciones cumplen con los requerimientos de ANM-ANES, 2002, y con la norma ANSVASHRAE 93-1986, excepto la velocidad de viento que se registró durante la prueba, que fue en el intervalo de 1 a 3 m/s. En la tabla se muestra en la primera columna el requerimiento de la prueba, en la segunda columna el valor promedio y en la tercera columna se indica el cumplimiento de cada uno de los
requerimientos.
70
Condiciones de prueba 1. Incidencia de radiación global solar mayor que 790 Wím'
2. La irradiación solar no debe variar más de f32 Wlm'
3. La radiación difusa no debe exceder el 20% de la radiación total hemisférica
Registro Cumplimiento 958.6 W/m2 J *io Wím' J 200 Wím' .I
4. La prueba se lleva acabo durante los periodos de cielo claro I si .I 5. La temperatura ambiente no deberá ser mayor que los3O"C 25.4"C J
Desarrollo de la prueba
6. La temperatura ambiente no debe variar mas que fl.5"C I *0.2oc
El día 12 de Noviembre del 2004 se realizó a las 13:31:02 horas (tiempo solar, Ver
Apéndice E) la prueba para determinar el valor de la constante de tiempo. En la Figura 5.1
se muestra el comportamiento de las variables que determinan el valor de la constante de tiempo. En la gráfica se muestra la temperatura del agua a lo largo de la prueba en la
entrada del colector en línea azul, la temperatura ambiente en línea verde y la temperatura del agua en la salida del colector en linea roja. Como se menciona el procedimiento de la norma ANM-ANES, 2002, y ANSUASHRAE 93-1986, se llegó al estado permanente 10
minutos antes de iniciar la prueba. Posteriormente, a las 13:40:44 horas se colocó una cubierta que impidió que el colector recibiera radiación solar. En la gráfica se observa
como la temperatura de salida del colector comenzó a disminuir hasta que alcanzó un valor
J
71
7. El promedio de la velocidad del viento debe ser entre 2.2 y 4.5 m/s , 1 1 a 3 m/s X con una incertidumbre de IO.8 mis, Durante un periodo mínimo de 10 minutos o 2 constantes de tiempo
8. La velocidad del flujo debe ser 0.0449 kg/s con una incertidumbre de 0.0449 kg/s .I *0.0005 kgh
9. El ángulo de incidencia debe ser normal con una incertidumbre de
f2%
10. Temperatura de entrada del fluido al colector igual con la
temperatura ambiente con f l"C
11. Estado permanente o casi-permanente 10 minutos antes de realizar la prueba
*0.0005 kg/s
I2" J
25.5"C J *0.2"C
10 min. J
en el cual la constante de tiempo es váiida de acuerdo con el criterio de ANh4-ANES 2002
y ANSUASHRAE 93-1986.
33.0
32.0
31.0
30.0
29.0
c> 28.0
c 27.0
% 26.0
b 25.0
2
E 24.0
23.0
22.0
21.0
20.0
- Temp. de entrada - Temp. de salida - Temp. ambiente
Tiempo solar (hr:min:s)
Figura 5.1 Comportamiento de la temperatura de entrada y salida del colector así
como la temperatura ambiente durante la prueba de la constante de
tiempo.
En la Figura 5.2 se muestra el comportamiento de la radiación solar durante la
prueba para la constante de tiempo. La gráfica muestra la radiación solar global a lo largo del tiempo de prueba. También, en la gráfica se puede observar que la variación de la radiación solar se encuentra dentro del margen que señala el punto 1 y 2 de la Tabla 5.1.
72
1090.0 1 - -
(j 990.0 - - m O M
a
3 940.0 - s: :o
- E
0 m 890.0 -
-
-
Figura 5.2 Comportamiento de la radiación solar global durante la prueba de la
constante de tiempo.
En la Figura 5.3 se muestra el comportamiento del flujo másico de agua que entra al
colector durante la prueba de la constante de tiempo, en la gráfica se representa el flujo
másico a lo largo del tiempo. También, en la Figura 5.3 se muestra la variación de las mediciones del flujo másico representado por las barras de error en el eje vertical, se encontró que 15 mediciones estuvieron fuera del margen de I 0.0005 kgk, que señala el punto 8 de la Tabla 5.1.
73
PL
c 1 1 Y . I 1 I I I 1 I . , I . w- I
OSIO'O 2 O
- oozo'o 3 iz - oszoo 6' -
OOEOO 5 - OSE00
- OOPOO
OSPOO
-"-A oos00 \.
Tabla 5.2 Resultados de la prueba de la constante de tiempo aplicando
ANM-ANES 2002.
El resultado que se obtuvo en la prueba de la constante de tiempo aplicando el
procedimiento propuesto por ANM-ANES 2002, señala que el tiempo necesario para llegar
a obtener un valor menor o igual de la constante de tiempo de 0.30 es de dos minutos con
quince segundos. En la Tabla 5.3 se muestran las mediciones obtenidas para la prueba de
la constante de tiempo, aplicando el procedimiento descrito por ANSUASHRAE 93-1 986.
Tabla 5.3 Resuliados de la prueba de la constante de tiempo aplicando
ANSI/ASHRAE 93-1986.
El resultado que se obtuvo aplicando el procedimiento propuesto ANWASHME
93-1986 señala que el tiempo necesario para llegar a obtener un valor menor o igual de la constante de tiempo de 0.368 es de un minuto con cincuenta y ocho segundos.
75
5.3 Prueba de eficiencia térmica.
* 1 0 wim2
200 wim'
si
29.1"C
i1"C
I a 3.5 m i s
0.0442 kg/s i0.0009kgís
I2"
Condiciones de prueba
4 4
4
4
4
4
X
.I
En la Tabla 5.4 se muestra el reporte de las condiciones en las que se realizaron las
pruebas para determinar la curva de la eficiencia térmica. Las condiciones de la prueba
cumplen con los requerimientos de ANM-ANES 2002, y con la norma ANSVASHRAE 93-1986. La velocidad de viento que se registró durante las pruebas fue en un intervalo de
1 a 3.5 m/s, que es un intervalo 50% por debajo a lo solicitado en ambos documentos.
Tabla 5.4 Cumplimiento de las condiciones durante la prueba de eficiencia térmica.
si
Condiciones de prueba I . Incidencia de radiación global solar mayor que 630 Wlm' para el
ANM-ANES 2002, y 790 W/m2 para la norma ANSVASHRAE
d
93-1986.
2. La irradiación solar no debe variar más de f32 Wim2.
3. La radiación difusa no debe exceder el 20% de la radiación total
hcmisférica.
4. La prueba se lleva acabo durante los periodos de cielo claro.
S. La temperatura ambiente no deberá será mayor que los 30°C
6. La temperatura ambiente no debe variar mas que f1.5'C.
7. El promedio de la velocidad del viento debe ser entre 2.2 y 4.5 m i s
durante un periodo mínimo de 10 minutos o 2 constantes de tiempo.
8. La velocidad del flujo debe ser de 0.0449 kgís con un incertidumbre de *O.OOOS kgís.
9. El ángulo de incidencia debe ser normal con una incertidumbre de
i 2%.
10. Estado permanente o casi permanente.
76
Desarrollo de la prueba
-,." 48.0 .
46.0 41.0 - 45.0 - M.O 43.0 42.0 5 41.0 -
a 38.0
6 36.0
34.0 n "
2 39:: 37.0 -
+ 35.0
El día 18 de Noviembre del 2004 se realizó a las 12:11:56 horas la prueba para la
eficiencia térmica del colector. En la Figura 5.4 se muestra el comportamiento de la
temperatura del agua en la entrada del colector a lo largo del tiempo, en la salida del
colector, y la temperatura ambiente en cada periodo de prueba. La temperatura del agua de
entrada ai colector se muestra en línea azul, la temperatura ambiente se muestra en línea verde y la temperatura del agua en la salida del colector se muestra en línea roja.
'- PruebaNo4 - ~
T,, = 5 5 . X 10.2'C ~
- . Prueba No 2 T,,=31.0°C +0.2"C -
-
:- --
E T f , =20.4"C 50.2"C ~- PNeba No I
Prueba No 3 T,, = 42.0"C f O 2OC 52 o
51 o
~~" 32 O I I 31 O - 30 O 29 O 7 s 0 -===r,- 26.0 25.0 24.0 23.0 22.0 21.0 20 o
- - - - - Tiempo solar (hr:min:s)
Figura 5.4 Comportamienfo de la temperatura de enirada y salida del colector, así
como la iemperaíura ambiente duranie In prueba de la eficiencia térmica.
En la Figura 5.4 se muestran los cuatro periodos de prueba, y se observa que se
mantiene constante la temperatura del agua que entra al colector como lo mencionan las Secciones 2.1.3 y 2.2.3 del Capitulo 2, de acuerdo ai intervalo de temperaturas de trabajo
del colector de 20°C a 55'C que indicó el fabricante. Para el primer periodo de prueba la
77
temperatura de entrada del agua al colector fue de 20.4"C, para el segundo periodo de prueba la temperatura de entrada del agua al colector fue de 3 I T , para el tercer periodo de
prueba la temperatura de entrada del agua al colector fue de 42"C, y para el cuarto periodo de prueba la temperatura de entrada del agua al colector fue de 51.5"C. También, se
observa que la diferencia de temperaturas del agua que entra al colector con respecto a la
temperatura del agua en la salida del colector en el primer periodo prueba es de ET, para
el segundo periodo de prueba es de 7.6"C, para el tercer periodo de prueba es de 6.7"C y
para el cuarto periodo de prueba es de 4.4"C. La temperatura ambiente no fue mayor que
30°C y la variación de temperatura fue menor que *I .5"C para cada prueba.
En la Figura 5.5 se muestra el comportamiento de la radiación solar global durante
cada periodo de prueba, para obtener la curva de la eficiencia térmica del colector. En la
gráfica se muestra cada periodo de prueba, se puede observar que en cualquier periodo de
prueba se cumple con las condiciones de radiación mínima e intervalo de variación que señala la Tabla 5.4. También se puede observar que la radiación solar global disminuye en cada periodo de prueba, pero permanece en un valor mayor que 630 W/m2 como se
especifica en los requerimientos del ANM-ANES 2002, y en un valor mayor que 790
W/m2 como se especifica en la norma ANSUASHRAE 93-1986.
78
6 L
0,0500 0,0480 0.0460 0,0440 0,0420 0,0400 0.0380 0.0360 0.0340 0,0320 0,0300 0,0280 0,0260 0,0240 0.0220 0.0200 0.0180 0.0 I60 0.0 I 4 0 0 . 0 I 2 ~ I 0,0 I O0 0.0080 0,0060 0,0040 0,0020 0,0000
__ I I
Figura 5.6 Coinporiainietrto deljiujo inhsico del ugun en el colector dwrciizle Itr pruebo de
lu eficieiicia teriiiica.
Los resultados para trazar la curva de la eficiencia térniica aplicando los
procedimiento del ANM-ANES 2002, y ANSUASHRAE 93-1986 descritos eii el Capittilo 2, se muestran en la Tabla 5.5. Donde en la primera columna se iiitiestra el número de
prueba. En la segunda columna se muestran las mediciones de la temperatura del agua de
entrada al colector con una incertidumbre de medición de =kO.2"C: En la tercera columna se
muestran las inedicióii de la temperatura del agua a la salida del colector con iina
incertidumbre de medición de +0.2"C. En la cuarta columna se muestra las niedición de la
temperatura ambiente con una incertidumbre de inedición de i0.2"C. En la quinta coliiniiia se muestra la medición del flujo de agua que entra al colector con una incertidumbre de niedición de 50.0005 kg/s en la prueba No1 y en la prueba No 2. Sin embargo en la prueba No 3 y No 4 se muestra una incertidumbre de * 0.0009 kgis. Eii la sexta colunina se
muestra la medición de la radiación solar global con una incertidumbre de medición de A10 W/mz. En la séptima columna se muestra la evaluación de la condición de que la
temperatura del agua a la entrada del colector debe ser igual a la temperatura ambiente en
el intervalo de *l"C, la incertidumbre de medición que se obtuvo fue de i0.1"C. En la
octava columna se muestra la razón de la diferencia de temperaturas del agua que entra al colector y la temperatura ambiente, respecto a la radiación solar global para cada prueba. Por Último, en la novena columna se muestra el valor de la eficiencia promedio de cada
prueba con una incertidumbre de medición de i0.025.
Tabla 5.5 Resultados de la prueba para la eficiencia térmica aplicando el
ANM-ANES 2002 y ANSIASHRAE 93-1986. No de prueba
1 '
2
3
4
ki 11.
f0.2 i 0 . 2 "C O C
20.4 28.4
31.0 38.6
42.0 48.7
51.5 55.9
io.0009
986.1
976.8
919.7
838.7
T -4.7 -0.0047 0.62 i 0.023
2.7 0.0028 0.59 f 0.024
13.7 0.015 0.51 f 0.023
22.3 0.027 0.40 k 0.023
" i 0.025
En la Figura 5.7 se muestran las curvas obtenidas por mínimos cuadrados de la
eficiencia térmica respecto a la temperatura del agua a la entrada del colector, temperatura ambiente y radiación solar global incidente al medio día solar. La curva está formada por las cuatro condiciones de temperatura de entrada al colector establecidas en la metodología experimental y de acuerdo con el intervalo de trabajo que es de 20°C a 55°C especificado
por el fabricante del colector.
81
Y.,""
y = -129 .113~~ - 4.159~ + 0.601
-0.0100 -0.0050 0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250 0.0300
(Tent-Tamb)/Gt
Figura 5.7 Comportamiento de la eficiencia conforme cambia la temperatura de
entrada al colector.
Las ecuaciones que representan las curvas de la eficiencia térmica se obtienen por
medio de una regresión lineal de primer orden (Ver apéndice G) y polinomial de segundo
orden:
Regresión lineal: y = -0.068 *O.Sl)x + (0.598 f 0.0080) (5.1)
(5.2) Regresión polinomial de segundo orden: y = -129.1132 - 4. I59x + O. 601
Comparando la ecuación (5.1) de la eficiencia con la ecuación (2.7) se obtienen los
I siguientes factores:
[ 2) FR (r& = 0.59810.0080
FRUL = 7.068 W/m2 "C *0.5 1 W/m2 "C
82
Debido a que UL no es siempre constante, ya que depende de la temperatura del colector y de las condiciones del agua a temperatura ambiente, como se mencionó en el Capítulo 2, se puede comparar la ecuación (5.2) con la ecuación (2.11) con lo cual se
obtienen los siguientes factores:
Condiciones de prueba Registro I. incidencia de radiación global solar mayor que 630 W/mZ para el
ANM-ANES 2002, y 790 W/m2 para la norma A N W A S H U E 93-1986
960.5 W/m2
2. La irradiación solar no debe variar más de I32 W/m2.
3. La radiación difusa no debe exceder el 20 % de la radiación total
*io w/m2
200 w/m2
c=4.159
d = 129.113
donde c y d son valores constantes para el intervalo de velocidad de viento de 1 a 3.5 d s
cumplimiento J
J J
5.4 Prueba del ángulo modificado.
hemisfénca.
4. La prueba se lleva acabo durante los periodos de cielo claro.
5. La temperatura ambiente no deberá será mayor de los 30°C.
Condiciones de prueba
si J 28.6"C J
En la Tabla 5.6 se presentan el reporte de las mediciones en las que se realizaron las
pruebas para determinar el valor del ángulo modificado. La velocidad de viento que se
registró durante la prueba fue en el intervalo de 1 a 3 d s , que es un intervalo 30% por debajo a lo solicitado en ambos documentos.
6. La temperatura ambiente no debe variar más que I1 S"C.
7. Temperatura de entrada del fluido al colector igual a la temperatura
í 1°C J * 0.1"C J
I ambiente con I l 0 C I I I 83
8. El promedio de la velocidad del viento debe ser entre 2.2 y 4.5 m / s
durante un periodo mínimo de IO minutos o 2 constantes de tiempo.
9. La velocidad del flujo por unidad de área debe ser de 0.0449 kg/s
IO. El ángulo de incidente deberá se de O", 30", 45" Y 60" con una
*0.0005 kg/s
incertidumbre de f2%.
11. Estado permanente o casi permanente.
Desarrollo de la prueba
1 a 3.5 m / s J
0.0451 kg/s X
*20 .I zt0.0006
si 4
El día 16 de Noviembre del 2004 a las 11:54:21 horas se realizó la prueba para determinar la curva de la eficiencia térmica del colector. En la Figura 5.8 se muestra el
comportamiento de la temperatura del agua en la entrada del colector, en la salida del
colector y la temperatura ambiente en cada periodo de prueba para determinar el ángulo modificado. En la gráfica se muestra la temperatura del agua de entrada al colector en línea azul, temperatura ambiente en línea verde y la temperatura del agua en la salida del
colector en línea roja.
84
34.0 I -Temp dd agua uue entra ai cowor I
33.0
32.0
31.0
9 5 30.0
E 29.0
c
28.0
27.0
26.0
. . -Temp del agua uue sale de4 mkda -Temp amtiente
t+~27.3"C -
25.0
I Tiernuo solar (hr:min:s) I
Figura 5.8 Comportamiento de la temperatura de entrada y salida del colector así
como la temperatura ambiente para la prueba del ángulo modificado.
En la Figura 5.8 se muestran los cuatro periodos de prueba y se muestra que en
cada periodo de prueba se mantiene constante la temperatura del agua que entra ai colector, como se menciona en las Secciones 2.1.4 y 2.2.4 del Capítulo 2. En la gráfica se puede
observar que para el ángulo de incidencia solar de O" sobre el plano del colector la temperatura promedio del agua a la entrada es 25.SoC, para el ángulo de incidencia solar de 30" sobre el plano del colector la temperatura promedio del agua a la entrada es 26.4OC, para el ánguio de incidencia solar de 45' sobre el plano del colector la temperatura
promedio del agua a la entrada es 27.3"C, y para el ánguio de incidencia solar de 60" sobre el plano del colector la temperatura promedio del agua a la entrada es 28.5"C. También se observa que la diferencia de temperaturas del agua que entra al colector con respecto a la
temperatura del agua en la salida del colector es para el primer periodo prueba de 7.4OC,
85
para el segundo periodo de prueba de 6.6"C, para el tercer periodo de prueba de 5.7"C, y
para el cuarto periodo de prueba de 3.7"C. La temperatura ambiente no fue mayor que 30°C
con una variación inferior a i1.5"C en cada periodo de prueba.
En la Figura 5.9 se muestra el comportamiento de la radiación solar global durante
cada periodo de prueba para obtener el valor del ángulo modificado del colector. También
en la gráfica se muestra que en cualquier periodo de prueba se cumple con las condiciones de radiación solar mínima e intervalo de variación que señala la Tabla 5.6. También se
puede observar que la radiación solar global disminuye en cada periodo de prueba, pero permanece con un valor mayor que 630 W/m2 como lo especifican los requerimientos del
ANM-ANES 2002, y en un valor mayor que 790 W/m2 como lo especifican la norma
ANSUASHRAE 93-1986.
10900
1040.0
2 990.0 OI
O M
5: 940.0
n
2
:o
- - G
u m
890.0
840.0
1w o
Prueba No I G,=1035.8W/m2
- Prueba No 2 C, = 987.2W/m2
_< - Prueba No 4 C, = 960.5W/m2
Prueba No 3 C,= 985.7W/m2
Figura 5.9 Comportamiento de la radiación solar global durante la prueba del
cingulo modificado.
86
En la Figura 5. i O se muestra e1 comportamiento del flujo niásico del agua que entra
al colector solar plano durante las pruebas del ángulo de incidencia solar modificado
sobre el plano del colector, corres;oiidientes a O", 30", 45" y 60. En la figura se puede observar que la razón de flujo de agua que entra al colector para el ángulo de incidencia
solar de 0" en promedio es de 0.0452 kgis , para 30" en promedio es de 0.0452 kg i s , para 45" en promedio es de 0.0451 kgk, y para 60" en promedio es de 0.045 I kgis. La variación
del flujo másico en'cada periodo de prueba es de f 0.0006 kgís, por lo que no se cumple la
condición S de la Tabla 5.4, que especifica * 0.0005 kgis. Por lo anterior, la iiicertiduinbre de la eficiencia térmica para cada prueba cambia de ?c0.023 a 10.025.
m o o n.04xn n.u4011 0.0440 0 04211 0.0400 o.ni80
0.0340 n . n m
n . 0 2 ~
U.031>(i
U.03i111
O 0260 íi 02411 n 0220
0.0 I nu 0.0160 o n 1 4 0 00120 n.nioo ~ . I U I X O
11.02110
0 U060 0.0040 11 nl1211 n 0000
~- ~ _ _ _ _ - - -_ _--
. . ~ ~
_
~ Prueba No1 Flujo i i iásico 0.0452 keis
Tiempo solor (hr:tnin:s)
Figiii-u 5 io Coinpoi-taniretilo deij7ujo de agun eii ei coíectoi- durailte in pruebli del ui1giiio
Illodlficnclo
s7
En la Tabla 5.7 se muestran los resultados de las cuatro pruebas realizadas para obtener el comportamiento del ángulo modificado aplicando el procedimiento del ANM-
ANES, 2002 y ANSiíASHRAE 93-1986 descritos en el Capítulo 2. En la primera columna se presenta el número de prueba. En la segunda columna se presentan las mediciones de la temperatura del agua a la entrada del colector con una incertidumbre de medición de
i0.2"C. En la tercera columna se presentan las mediciones de la temperatura del agua
salida del colector con una incertidumbre de medición de i0.2"C. En la cuarta columna se muestran las mediciones de la temperatura ambiente con una incertidumbre de medición de k0.2"C. En la quinta columna se presenta la medición del flujo de agua que entra al
colector con una incertidumbre de medición de *0.0006 kgís. En la sexta columna se muestra la medición de la radiación solar global al medio día solar con una incertidumbre de medición de *10 W/m2. En la séptima columna se presenta la evaluación de la
condición de que la temperatura del agua en la entrada al colector debe ser igual a la temperatura ambiente, en la que se observa una variación no mayor que *loc. En la octava
columna se presenta el ángulo de incidencia solar, con una incertidumbre de i2.5". En la novena columna se muestra el valor inverso del coseno del ángulo de incidencia solar. Por último, en la décima columna se muestra la eficiencia promedio de cada prueba con una
incertidumbre de medición de * 0.030.
No. de pnib.
1
2
3
4
Tabla 5.7 Resultados de la prueba del ángulo modificado aplicando el
ANM-ANES 2002, y ANSIASHRAE 93-1986.
I / ¡ I/. L
*0.2 í0 .2 *0.2
"C "C "C
25.8 33.2 25.7
26.4 33.0 26.4
21.3 33.0 27.5
28.5 32.2 28.6
m *0.0006
0 1 I / , -f. G, - íO.1"C í2.5" cose
*lo
0.0452
0.0452
0.0451
0.0451
0.545
0.504
0.435
0.295
1035.8 o. 1 O" 1
987.2 o. 1 3 O" 1.155
985.7 -0.1 450 1.414
960.5 -0.1 60' 2
88
La representación gráfica de los resultados obtenidos que se muestran en las columnas 9, y 10 de la Tabla 5.7 se presentan en la Figura 5.1 1, en la tabla se muestra el
comportamiento de la eficiencia térmica como función del inverso del coseno del ángulo
de incidencia solar para O", 30", 45" y 60"
0.700
0.600
g 0.500
-2 0.400 m U 8 0.300 U r;:
'fl .-
.- 0.200
0.100
0.000
I y = -0.25ox + o. 793
1 .o0 1.20 1.40 I .60 1.80 2.00 2.20
1 cos e
Figura 5. I I Comportamiento de la eficiencia conforme se modijica el ángulo de
incidencia.
Se observa en la Figura 5.1 1 que el comportamiento de la eficiencia como función
del inverso del coseno del ángulo de incidencia solar es una curva con tendencia lineal,
por lo que realizado una regresión lineal se obtiene la siguiente ecuación:
y = -(0.250 i0.004)~ +( 0.793iO.006) = r] = a'-b - (co ie )
donde:
a' = 0.793
b' = 0.250
89
Aplicando los valores de a' y b' en la ecuación (A-6) del Apéndice A se obtiene que el valor de bo de 0.460, y aplicando el valor de bo en la ecuación (2.15) que se presenta
en el Capítulo 2 se obtiene la ecuación que representa a K,:
o" 30"
45"
60"
K,, = 1 - O.460( - 1)
O 1
0.155 0.929
0.414 0.809
I 0.540
En la Tabla 5 . 8 . ~ muestran los valores Kar para cada ángulo de incidencia solar
con que el que el colector fue probado
Tabla 5.8 Coniportamiento del ángulo inodijicado.
Finalmente, en la Figura 5.12 se muestra el comportamiento del ángulo modificado
como función del ángulo de incidencia en la forma (cole -- 1)y en la Figura 5.13 se
muestra el comportamiento del ángulo modificado como función del ángulo de incidencia
solar 8. En el Apéndice H se presenta el repote de la caracterización térmica aplicada al
colector solar modelo 01-encapsulado de la fabrica Thermosol.
90
I
I
08.
06 -
1 0.4000
(C
y = -0,0002~ + O, 0040x + O, 997
I
0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000 1.0000
Figura 5.12 Comportamiento del ángulo modificado versus -- Lo: 0 1)
I I
0 2 I’ O
O 10 20 30 so 60 40
Ángulo de incidencia (e) Figura 5.13 Comportamiento del ángulo modificado K, versus angulo de
incidencia solar ü
91
5.5 Interpretación de los resultados. t
Los resultados obtenidos al someter al colector solar plano a la caracterización
térmica son los siguientes:
Área gruesa del colector: 2.48 m2.
Área del colector transparente: 2.25 m2. Intervalo de trabajo del colector: 20°C a 55°C.
(2) = 0.907
[ $)FR (sa),,= 0.598 *0.0080
- F R U ~ = 7.068 W/m2"C *0.51 W/m2"C I: 1 FR (taje= (0.598)/( 0.907) = 0.542 *0.0080
FRUL = (7.068)/( 0.907) = 6.41 1 W/m2"C i0.51 W/m2 "C
Como ejemplo, se puede calcular el calor útil que proporciona el colector bajo las
condiciones de radiación solar global normal incidente de 800 W/m2, temperatura de
entrada del agua al colector de 20T, y temperatura ambiente de 28"C, de la siguiente forma:
92
El colector se caracterizó con un flujo másico de 0.0449 kg/s como se ejemplifica
en las normas, sin embargo, puede ser utilizados con un flujo másico diferente, pero para
esto es necesario realizar una corrección de los factores FR(T& y FRUL de ia siguiente
manera:
Paso 1: Calcular el factor F'UL con las condiciones con las que fue evaluado el colector,
que son: radiación normal incidente solar global de 800 W/m2, temperatura de entrada del
agua al colector de 20"C, y temperatura ambiente de 28"C, despejando el producto de los factores F'UL en la siguiente ecuación (Duffie y Beckman, 1991):
Se obtiene que: r ,
(5.1)
Duffie y Beckcman (1991), suponen que el factor F'UL en condiciones estándares
es aproximadamente igual al factor F'ULpara el uso específico del colector. Por lo tanto el
factor F'UL para ambos casos es:
F'U, = 6.647W/mZoC
Paso 2: Se calcula la razón de flujo másico de uso y el flujo másico de prueba; r
considerando los factores FRULY F~(tn) de uso y de prueba mediante la siguiente ecuación
(Duffie y Beckman, 199 I):
93
Duffie y Beckman, (1991) señalan que con la ecuación (5.1) se puede representar
gráficamente el comportamiento de FR, sin embargo para nuestro caso es más conveniente
representar a FR como una razón de flujo denominado F”, debido a que el valor flujo
másico de prueba puede ser un valor diferente al flujo másico de uso del colector solar.
Entonces se debe de calcular el factor de flujo para la condición de prueba y el factor de
flujo para la condición de uso, mediante la siguiente ecuación (Duffe y Beckman, 1991):
A manera de ejemplo la razón de flujo másico en condiciones de uso es 0.0224 kg/s
por lo tanto, aplicando el factor de flujo como una razón entre el factor de flujo en
condiciones de prueba y el factor de flujo en condiciones de uso, tenemos (Duffe y
Beckman, 1991):
I;-Iu-. FR r =
F’
r = 0.958
Paso 3: Corregir los factores FR(rf& y FRUL, para las condiciones de uso normal
del colector mediante la ecuación (5.3).
Los nuevos valores de FR (ra), y FRUL pueden ser utilizados para calcular el calor útil que proporciona el colector bajo condiciones de uso con la ecuación (2.6) del Capítulo 2.
94
Concl ines y recomendácbnes
para tra6ajosjÚturos. En este capítulo se presentan las conclusiones de este trabajo de tesis y las
recomendaciones para trabajos futuros acerca de la evaluación térmica de colectores solares
planos con el banco de pruebas desarrollado en el presente trabajo.
!
6.1 Conclusiones
Se diseñó y construyó un banco de pruebas para caracterizar térmicamente colectores solares planos cumpliendo los requerimientos del ANM-ANES 2002, y
ANSVASHRAE 93-1986.
Se obtuvo el valor de la constante de tiempo del colector solar modelo O1 encapsulado
del fabricante Thermosol aplicando el procedimiento de prueba que presentan el
ANM-ANES 2002 y la norma ANSVASHRAE 93-1986.
Se obtuvieron los valores de caracterización del producto del factor de remoción de
calor por el factor transmitancia-absortancia FR(r& y del valor del producto del factor
de remoción de calor por el coeficiente global de pérdidas de calor FRUL del colector
solar modelo O1 encapsulado del fabricante Tbermosol, aplicando el procedimiento de prueba que presentan el ANM-ANES 2002 y la norma ANSVASHRAE 93-1986.
Se obtuvo el valor de la constante del ángulo modificado bo del colector solar modelo
O1 encapsulado del fabricante Thermosol, aplicando el ANM-ANES 2002 y la norma
ANSVASHRAE 93-1 986. Los resultados muestran que al aplicar ambas metodologías
el factor bo tiene el mismo valor.
Se cumplieron las condiciones de prueba de acuerdo con se especificado en el ANM-
ANES 2002 y en la norma ANWASHME 93-1986. Excepto para la incertidumbre de
medición del flujo másico durante las pruebas de eficiencia térmica y de ángulo de
incidencia solar modificado, con esto se cambo la incertidumbre de la eficiencia térmica del colector de I0.023 a *0.025
Los resultados muestran que los valores de FR(rc& y FRUL aplicando el ANM-ANES
2002, y aplicando la norma ANSUASHRAE 93-1986 son iguales. Existen diferencias en la evaluación de la constante de tiempo de 17 segundos.
96
La viabilidad de realizar la caracterización térmica de un colector solar plano aplicando
los procedimientos de prueba que propone el ANM-ANES 2002 con el banco de
pruebas diseñado y construido en el CENIDET es posible .implementando al banco de
pruebas un generador de viento y reduciendo la incertidumbre de medición del flujo
másico mediante la eliminación más eficiente de las burbujas de aire.
6.2 Recomendaciones.
Se recomienda disminuir la incertidumbre del flujo másico para temperaturas mayores
o iguales a 42°C por medio de un mecanismo que permita tener una mayor precisión en la apertura y cierre de la válvula de control del flujo másico, así como en la bomba
hidráulica utilizada y con la válvula de liberación de presión.
j Se recomienda adecuar la velocidad de viento que circula paralelo al plano del
colector.
Se recomienda colocar sistemas que permitan el desalojo de burbujas de aire más
eficientemente, con el fin de reducir el tiempo de adecuación de las pruebas
Se recomienÍia extender el uso del banco de pruebas para caracterizar colectores
solares planos sin cubierta adicionando un sistema para controlar la velocidad del
viento.
Se recomienda extender el uso del banco de pruebas para realizar las pruebas mecánicas que recomienda el ANM-ANES 2002 para colectores solares planos con cubierta con el fin de cumplir el PROY-NMX-001-NORMEX-2005.
Se recomienda realizar la caracterización térmica a un colector solar plano que
previamente haya sido caracterizado en un laboratorio de certificación solar, con la finalidad de comparar los resultados de la caracterización y evaluar la reproducibilidad de los resultados.
91
Bibliografia
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un sistema de secado de grano, Tesis de maestría en ciencias de la Ingeniería Mecánica, CENIDET-SEP, Cuemavaca Morelos, 2002.
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4.- American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc.,
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5.- American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc;
ANSYASHRAE 93-1971, Methods of Testine to Determine the Thermal Perfortnance o f Solar
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de Energía Solar, A.C. (RDWLH) Anteurovecto de Normalización de colectores solares planos con cubierta v sin cubierta, uruebas mecánicas v uruebas térmicas. 2002. /
8.- Cooper, P.1 y Dunkle, R.V., A Non-Linear flat plate collector model ... Solar energy 26, 133,1981.
98
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11.- Florida Solar Energy Center, FSEC No 200, Revision 1, Calibración de.fluio, March
2001.
12.-Holman J.P, Experimental Methods For Enpineers. Editorial McGraw-Hill Book
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14.- Quintana J , Pilatoswky I, Diseño, construcción y evaluación de un sistema uara la
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15.- Sima, E, Estudio. caracterización y evaluación de un secador solar de pranos de tiuo indirecto, Tesis de maestría en ciencias de la ingeniería Mecánica, CENIDET-SEP,
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16.- Subcomité de Calentadores Solares; del comité Técnico de Normalización Nacional para Energía solar, NESO- 13, Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.C, NORMEX, Centro de Investigaciones de Energía, CIE-UNAM, Grupo Ovonics, Heliocol de México, IIC-Universidad de Guanajuato. PROY-NMX-001 -NORh4EX-2005, Enerpía solar- Rendimiento térmico y funcionalidad de colectores solares para calentamiento de ama-
Métodos de urueba v etiauetado. Febrero del 2005.
99
Apéndice A
Cálculo del ángulo modificado.
La norma ANSUASHRAE 93-1986, establece que un colector solar plano tiene una
relación de simetría con respecto al ángulo de incidencia solar y también tiene una relación de
simetría del factor transmitancia-absortacia (ra), . Esta relación experimental con el ángulo de
incidencia solar se determina mediante la siguiente ecuación:
d (ra), = c - - cose
También ANSUASHRAE 93-1986 indica que se pueden obtener los efectos del ángulo de incidencia de radiación solar con la ecuación (2.7) que se presenta en el Capítulo dos,
substituyendo los efectos del factor transmitancia- absortancia (ra)e por un valor normal
incidente de la transmitancia-absortancia (fa), y por otro factor llamado ángulo de incidencia
modificado K,, , resultando la siguiente ecuación:
1 O0
donde
(A-2)
(A-3)
despejando %,. de la ecuación (A-3) y substituyendo el valor de (fa), que se expresa en la
igualdad de la ecuación (A-I) obtenemos una ecuación del factor ángulo modificado incidente
de radiación br sobre el plano del colector en función del coseno inverso del ángulo de
incidencia solar. La ecuación queda de la manera siguiente:
b
c
coso0
la ecuación (A-4) puede ser representada por la ecuación de la recta en la forma:
d' bo = - d donde bo = - (c - d ) (e'-d')
(A-4)
(A-5)
(A-6)
Durante el desarrollo experimental de cada prueba para un ángulo de incidencia solar
desde O", 30", 45", 60°, necesariamente se cumple la condición de mantener una diferencia de temperaturas entre la entrada al colector y la temperatura ambiente de tf.i - ta = O, aplicando este criterio en la ecuación de la eficiencia térmica siguiente:
I
101
se observa que el término [$hRCJL ('I.' - 'O ) i-: O , debido a lo anterior la ecuación de la
eficiencia se puede expresar de la siguiente forma:
Gt
Utilizando la ecuación (A-I) en la ecuación (A-7), se obtiene la siguiente ecuación:
(A-7)
donde:
Por lo tanto la eficiencia queda expresada como una ecuación en la forma lineal de la
siguiente forma:
17 = a'-b'(-) 1 cos 6
(A-9)
Entonces mediante la ecuación (A-9) podremos identificar los valores de las constantes a 'y b ' que se necesitan para calcular el valor de bo, y que a su vez servirán para determinar el
valor la constante del ángulo modificado K,
102
Apéndice B
Pasos de prueba del ANM-ANES 2002.
Los procedimientos de prueba que presenta el ANM-ANES 2002, se muestran en las
Tablas 1, 2 y 3, donde cada tabla contiene la información referente a las condiciones de prueba, una serie de pasos a seguir para realizar la prueba y el tipo de variable que se conocerá
durante la prueba. La Tabla B.l muestra una metodología referente a la prueba de la constante de tiempo, la Tabla B.2 muestra una metodología referente a la prueba de la eficiencia térmica
y la Tabla B.3 muestra una metodología referente a la prueba de ángulo modificado.
103
Tabla B. I Condiciones de prueba y metodologia para determinar la constante de tiempo
Condiciones de prueba 4). incidencia de radiación
global solar mayor que 790 W h 2 .
3). Temperatura de
entrada del fluido al colector igual a la
temperatura ambiente
con IIT.
J). La velocidad del flujo por unidad de área
debe ser de 0.02
kg/(s m2).
3). Estado permanente o casi permanente al menos durante diez minutos antes de realizar la prueba.
Procedimiento de prueba Paso Nol. - Se alcanza el estado permanente.
Paso No 2.- Se registra la temperatura de entrada al colector (ki) y la temperatura de salida (kJ cada segundo.
Paso No 3.- Se reduce a cero la radiación solar al tiempo i
mediante la colocación de una cubierta que impida la
penetración de los rayos solares al colector
Paso No 4.- Se registra la temperatura de salida en función del tiempo (T) cada segundo
Paso No 5.- Se calcula el valor de la constante de tiempo ( 1 )
mediante la siguiente operación
Paso No 6.- Se finaliza la prueba hasta que se cumple la siguiente condición.
a evaluar riempo lecesario para lue la
)peración
f,m- ( I I
I,< - l l r
)ase del valor nicial de I iasia el final le 0.30
104
Tabla B.2 Condiciones de prueba y metodologia para determinar la eficiencia térmica de
colectores solares planos.
Condicione de prueba.
i) incidencia de radiación global solar mayor que 630 W h 2 .
3) La irradiación solar no
debe variar más de f32
W/m2.
:) La radiación difusa no debe exceder el 20% de la radiación total bemisférica.
1) La prueba se lleva acabo durante los periodos de cielo claro.
Z ) La temperatura ambiente no deberá ser mayor que los 30°C.
2 ) La temperatura ambiente no debe variar mas que
f 1.5"C.
5) El promedio de la velocidad del viento debe ser entre 2.2 y 4.5mis
durante un periodo minimo de IO minutos o 2
constantes de tiempo.
Procedimiento de prueba
Paso Nol.- Se alcanza el estado permanente cumpliendo todas las condiciones de prueba.
Paso No 2.- Se registran los valores de temperatura de entrada al colector (kJ, temperatura de salida (kJ, temperatura ambiente (I.) cada segundo. La radiación solar global incidente (G,).sobre el plano
del colector se mide cada 30 segundos.
Paso No 3.- Se ajusta la temperatura del fluido a la entrada al colector a la temperatura minima de trabajo del colector manteniendo una diferencia con
respecto a la temperatura ambiente durante al menos IO minutos. Si la temperatura ambiente sube o baja
fl.S"C, la temperatura a la entrada del colector se
ajustara a estas variaciones
Paso No 4.- Se registran los nuevos valores de temperatura de entrada al colector (kJ, temperatura
de salida (be), temperatura ambiente (IJ y radiación
solar global incidente (G,) sobre el plano del colector y se debe de mantener constantes durante los IO minutos de estabilización y posteriormente durante los al menos 5 minutos que durara la prueba.
Paso No 5.- Se realiza el cálculo de la eficiencia instantánea correspondiente a cada valor de (r/i - IJ /G, durante los 10 minutos que dure la prueba
a evaluar
Se encuentra la xuación que :aracteriza ala :ficiencia térmica de
In colector solar plano le la forma
I05
I) La velocidad del flujo por unidad de área debe ser de 0.02 Kp/(sm2).
) El ángulo dc incidente deberá estar en un rango de
f 2%.
) O= cero grados
:) Estado permanente ó casi permanente.
Paso No 6.- Se obtiene el correspondiente a las condiciones de operación
punto de la curva
Paso No 7.- Se incrementa la temperatura de la agua a la entrada del colector un 30% del valor del rango de trabajo del colector y se repiten los pasos 4, 5 y
6.
Paso N 8 Se incrementa la temperatura del agua a la entrada del colector un 60% del valor rango de trabajo del colector y se repiten los pasos 4, 5 y 6.
Paso N 9 Se incrementa la temperatura del agua a la entrada del colector un 90 % del valor rango de
trabajo del colector y se repiten los pasos 4, 5 y 6 .
Paso No 10.- Graficar los cuatro puntos de la curva
t / . i - 1 ,
G, correspondientes 7 vs
Paso No 11.- Obtener la ecuación de la curva característica mediante regresión lineal.
Paso No 12.- Determinar con la ordenada al origen
(x + o) y la pendiente m.
106
Tabla 8 .3 Condiciones de prueba y nietodologia para determinar el ángulo modificado de
colectores solares planos.
Condiciones de prueba Se deben de cumplir las
condiciones desde A hasta
H que se establecen para la prueba de la eficiencia
térmica.
Para cada periodo de prueba la orientación del
colector se mantendrá fija con una certidumbre de
i2.5" con respecto al
ángulo de incidencia.
Estado permanente ó casi permanente.
Procedimiento de prueba 'aso No 1.- Se repiten los pasos I al 12 del
rocedimiento de prueba para obtener el desempefio
érmico para un ángulo O de 30" , 45" y 60" formado
:nire la incidencia normal del colccior y la dirección de a radiación solar .
a evaluar ;e encuentra la :urva del
:omporiamiento iel ángulo dc ncidencia nodificado.
107
Apéndice C
Esquemas y configuraciones válidos para el diseño de un banco de pruebas.
Los siguientes esquemas son diseños de configuraciones que recomiendan tanto la
ANM-ANES 2002, así como la norma ANSI-ASHRAE 93-1986, para el diseño de un banco
de pruebas que pueden ser utilizados en la caracterización térmica de colectores solares.
108
Anernómetro
Sensor de
Mirilla u . ” ..,
. .
’ Calentadorlenfriador * para el control primario de
Filtro temperatura (200 um)
Figura C1 Configuración de un banco depruebas tipo ciclo abierto
(Tomado de ANM-ANES, 2002).
109
Sensor de
Sensores de
Fuente de A.C
Fluido
Figura C.2 Configuración de un banco de pruebas tipo circuito cerrado
(Tomado de ANSI-ASHRAE 93-1986).
110
A Sensorde
Cubierta ambiente 6 $ tempcranira
I 2 D i
1 :eT constante
Flujo
Bomba
Flujo hacia abajo
lntcrcambiador
LemDeratura temDeranira Dispositivo para medir
la presión diferencial
mezclador
Flujo hacia abajo
lntcrcambiador
LemDeratura temDeranira Dispositivo para medir
la presión diferencial
mezclador
Figura C.3 Configuración de un banco de pruebas tipo circuito abierto
(Tomado de ANSI-ASHRAE 93-1986).
111
temoeratura
Indicador de
Sensores de
lujómetro Calentador eléctrico
Flujo
7
Filtro
Fuente A.C
Figura C.4 Configuracibn de un banco depruebas tipo circuito abierto cuando el
fluido de transferencia de calor es continuamente suministrado
(Tomado de ANSI- ASHRAE 93-1986).
112
Apéndice D Planos de construcción del soporte móvil.
En este apéndice se presentan dibujos de los diseños que se emplearon para la
consirucción del soporte móvil del banco de pruebas para colectores solares planos.
113
in a d O
l--t-
3
d
H I
Revisor: Aprov: Dibujo:
Dr. Ing. J. Jassón Flores P. Rafael Castillo R.
I I' I
Bastidor
~~~
V i s t a L a t e r a l
Cuernavaca, Mor. Fecha 6 Diciembre 04
Acot: cm CENIDET
i::. Dibujo No: 1/3
Escala SE
-50- J V i s t a super ior
I 1 I6
I
i
Apéndice E Cálculo del tiempo solar.
El tiempo solar se utiliza para calcular los ángulos de incidencia solar en la prueba del
ángulo modificado, y no necesariamente coincide con el tiempo estándar local donde se realizan las pruebas de caracterización térmica de colectores solares planos. Por lo que
convertir el tiempo estándar a tiempo solar se hacen dos correcciones, la primera de ellas es
determinar la diferencia entre el meridiano estándar con respecto al meridiano local, la
segunda es la corrección de la ecuación del tiempo. La diferencia entre el tiempo solar y el tiempo estándar se determina mediante la siguiente ecuación (Duffie y Beckman, 1991)
Tiempo solar - Tiempo estdndar = 4(Ls, - L,m) + E (E-])
donde L,, es el meridiano estándar de la región ,L/, es el meridiano local de la región y E es la ecuación del tiempo (Duffie y Beckman, 1991):
E = 229.2(0.000075+ 0.001868cosB -0.032077sinB -0.014615cos2B -0.04089sin28)
360 365
donde B = (n - 1)- , y n es el número de día.
117
Apéndice F
Cálculo de incertidumbre
El método para estimar la incertidumbre en los resultados experimentales ha sido
presentado por Kline y McClintock (Holman 1980).
El error de incertidumbre de la formula R es una función de las variables
independientes XI . x2, xj. . . hasta x,, así,
R = R(xI. XZ, xj. . . , XJ
La incertidumbre de Resta dada por la siguiente formula:
118
I
Aplicando la ecuación (F-2) para obtener la incertidumbre de medición de un
experimento para el cálculo de la eficiencia térmica en base a sus variables independientes:
El cálculo de la incertidumbre de medición para un punto de la curva de la eficiencia,
donde la incidencia solar es de O', la temperatura de entrada del agua al colector es de 20.4"C
con una incertidumbre de medición de *0.2"C, la temperatura ambiente es de 25°C con una incertidumbre de medición de *0.2"C, un flujo másico de 0.0449 kg/s con una incertidumbre de medición de *0.0009 kg/s y la radiación solar global incidente de 986.1 W/m2 con una
incertidumbre de medición de *lo W/m2 es desarrollado de la siguiente forma:
t
119
I
1
I
i
I
I
I I
!
I
i
wq = [0.000152 + O + 0.0002358 + 0.0002358 + 0.0000007786 11’’ = 0.025
120
Apéndice G Ajuste de una línea por mínimos cuadrados.
Para el caso de la representación de los resultados experimentales de la eficiencia
térmica del colector solar, con relación a las condiciones de temperatura de entrada del agua al
colector t ~ i , temperatura ambiente to, y radiación solar global G,, se obtuvieron los siguientes
pares ordenados que se muestran en la Tabla (3.1:
Tabla G. 1
I
-0.0047 I 0.62
0.0028
0.015
0.027 0.40
La representación gráfica de los pares ordenados se presenta en la Figura 1. En la
figura se muestra una tendencia lineal en la distribución de los pares ordenados y representa la ecuación del comportamiento al realizar el ajuste de la línea recta por medio de mínimos cuadrados.
121
k
0.04 0.w5 o 0.W5 0.01 0.045 0.02 0.025
Pita 1 Figura G.1 Representacibn gráfica de la q versus
El criterio de mínimos cuadrados, en el cual se minimiza la suma de los cuadrados de
la desviaci6n vertical de cada uno de los pares ordenados desde la linea trazada se puede
aplicar para obtener los valores de m y 6, por medio de las siguientes ecuaciones:
3
122
donde N es el número de pares ordenados.
Los resultados del cálculo de m y b son los siguientes
m = 7.068 b = 0.598
La desviación estándar de m, b, q y pueden ser calculados por medio de las
siguientes ecuaciones:
s, = (4)
Los resultados de las desviaciones estándar para rn, b, y q son:
s, = 0.51
s, = 0.0080
s, = 0.012
123
i
Por io tanto la ecuación que representa el comportamiento lineal de la eficiencia térmica del colector es:
q = (0.598 5 0.0080)- (7.068 f O . 5 ( 7 )
A continuación en la Figura G.2 se muestran de forma gráfica la desviación estándar
en la representación grafica de los pares ordenados de la Tabla G. 1 . -
n
n
. ".. . . .. "... .. . . ". -. " ........ . . . .
y = 6.99X + 0.6
4.015 -0P1 4.005 O 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
Figura G.2 Representación grájca de la q versus [ ' O ) con desviación estándar.
124
Apéndice H
Concepto
Fabricante
Modelo Tipo
Longitud
Reporte de caracterización del colector solar.
Datos
Thermosol de México S.A de C.V
O00 1
Encapsulado.
2.16 m
La siguiente información es el reporte técnico acerca del colector solar plano evaluado
por medio del banco de pruebas diseñado y construido en el CENIDET. El colector solar que
se sometió a la evaluación térmica tomando como base los procedimientos de prueba propuestos por ANM-ANES 2002 y con la norma ANSUASHRAE 93-1986.
Alto
Area gruesa
0.15 m
2.48 mz
I
Ancho I 1 . 1 5 ~ 1
125
i Area frontal transparente
Area de la placa
Capacidad volumétrica
Intervalo de trabajo
Fluido de trabajo
Patrón de flujo
2.25 m2
2.136 m2
2.1 Its
20°C a 55°C
Agua potable
Paralelo
Concepto
Caja
No de cubiertas
Tipo de cubierta
absorbedor
Aislamiento lateral
Aislamiento inferior
Resultado de la caracterización
Datos
Marco y fondo en lamina galvanizada
1
Vidrio claro no templado de 4mm Tubo de cobre sueldado a lamina de cobre, con recubrimiento
de pintura negra mate
No aplicable
Fibra de vidrio
Concepto
Ecuación de la eficiencia de
primer orden
Ecuación de la eficiencia de
primer orden
Valor de la constante del ángulo modificado
Valor de la constante de
tiempo
Datos
6, = 0.460
02:15 mm:s (ANM-ANES 2002)
01:58 mm:s (ANSVASHRAE 93-1986)