INSTITUTO POLITECNICO NACIONALEscuela Superior de Ingeniera Qumica e Industrias Extractivas

Transferencia de calor solarAnlisis Trmico

Grupo: 2IV51.Osvaldo Almazn HernndezLoyola Gonzlez GerardoProfesor:

1 INTRODUCCIN1.1 Origen de la energa solar

En la dcada de 1970, cuando los pases productores de petrleo elevaron su valor a cifras nunca previstas, los pases consumidores de petrleo comprendieron que era de vital importancia buscar fuentes de energa alternativas a aquellas que se extinguirn eventualmente, las no renovables. Asimismo se comenz a hacer hincapi en un mejor aprovechamiento de la energa, mediante el uso racional y cuidadoso de la misma. De esta forma, se lleg a la conclusin de que la energa obtenida directamente del Sol era la que presentaba mayores posibilidades de aprovechamiento de entre todas las energas renovables.

1.2 Obtencin de la energa solar

Captando de forma adecuada la radiacin solar puede obtenerse calor y electricidad. El calor se logra mediante los captadores o colectores trmicos, y la electricidad, a travs de los denominados mdulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre s, ni en cuanto a su tecnologa ni en su aplicacin

1.3 Ventajas e inconvenientes de la energa solar

Pueden enumerarse las siguientes ventajas de la energa solar frente a otras no renovables: Es energa no contaminante. No hay emisin de dixido de carbono a la atmsfera y los impactos ambientales por la contaminacin de aire y agua son bajos. Proviene de una fuente de energa inagotable. El Sol ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de aos, y se calcula que todava no ha llegado ni a la mitad de su existencia. Es un sistema de aprovechamiento de energa idneo para zonas donde el tendido elctrico no llega (campo, islas), o es dificultoso y costoso su traslado. La tecnologa est bien desarrollada y puede instalarse con rapidez.

2. Radiacin solar

La radiacin solar es el flujo de energa que se recibe del Sol en forma de ondas electromagnticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Aproximadamente la mitad de ellas, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que se denomina como luz visible. Existen tres tipos de radiaciones que alcanzan la superficie de la Tierra:

Radiacin directa: llega a la Tierra en lnea recta desde el crculo solar, sin haber sufrido cambio alguno en su direccin. Este tipo de radiacin se caracteriza por proyectar una sombra definida de los objetos opacos que interceptan.

Radiacin difusa: se difunde y dispersa al chocar con la atmsfera. Va en todas direcciones como consecuencia de las reflexiones y absorciones tanto de las nubes como de las partculas de polvo atmosfrico, montaas, rboles, edificios, el propio suelo, etc.

Radiacin de albedo: procede de cuerpos cercanos. La cantidad de radiacin de este tipo depende del coeficiente de reflexin de la superficie, denominado albedo. Generalmente no se considera a efectos de clculo debido a las dificultades para determinar su valor, pues depende de los objetos visibles por los captadores solares por encima de la lnea del horizonte.

3. DESCRIPCIN DEL EMPLAZAMIENTO

Los colectores solares deben tener una orientacin e inclinacin adecuada para poder recibir los rayos solares en forma perpendicular. En el anexo V del Cdigo Tcnico se recoge la forma de determinar los lmites en la inclinacin y orientacin de los colectores de acuerdo a las prdidas mximas permisibles.

Las prdidas por este concepto se calculan en funcin de: ngulo de inclinacin, , definido como el ngulo que forma la superficie de los colectores con el plano horizontal.La inclinacin vara segn la latitud del lugar y la poca del ao. La inclinacin ptima es igual a la latitud del lugar menos la declinacin. Como sta ltima es variable a lo largo del ao en un intervalo de 23.5, la inclinacin tambin lo es.

4. SISTEMA DE CAPTACIN SOLAR

El componente principal del sistema de captacin de una instalacin de energa solar es el colector. En este elemento, tambin denominado captador, tiene lugar la transferencia de calor al fluido trmico que circula por el colector.

El principal parmetro de diseo de la instalacin es el rea de colectores necesaria para producir el calor demandado por la instalacin, que depende de la radiacin solar interceptada y de las prdidas de calor del propio colector y del resto de la instalacin

Principio de funcionamiento del colector

La radiacin solar, de longitud de onda corta (0.2 - 3mm) atraviesa la cubierta transparente e incide sobre el absorbedor, aumentando su temperatura y la de todos los elementos de su entorno. El absorbedor, al calentarse, emite radiacin de onda larga (7 -14mm) que no puede salir al exterior debido a que la cubierta transparente es opaca frente a esta radiacin infrarroja de onda larga.

5. Mezcla de anticongelante

Las mezclas de agua con anticongelante se caracterizan por disminuir la temperatura de congelacin e incrementar ligeramente la temperatura de ebullicin del fluido de trabajo respecto del agua pura.

En la siguiente figura obtenida del DTIE 8.03 se muestra cmo disminuye la temperatura de congelacin de una mezcla agua-propilenglicol al aumentar el porcentaje en peso de propilenglicol en la mezcla.

Las propiedades termo fsicas de una disolucin del 30 % en peso de propilenglicol (=0.3) en agua, que circula en una instalacin que trabaja a 30 C, se obtiene de las siguientes grficas:

6. SISTEMA DE INTERCAMBIO

Componentes de un intercambiador de calor de placas

Un intercambiador de placas consiste en una pila de placas de metal, corrugadas, que se mantienen unidas mediante presin en un bastidor y selladas por medio de una junta, de manera que se forma una serie de pasillos interconectados a travs de los cuales se hacen circular los fluidos de trabajo. Un intercambiador de placas tpico se compone de dos secciones principales: el bastidor y las placas.

El bastidor

Los componentes del bastidor son de acero al carbono salvo los que se encuentran en contacto con los fluidos, como las conexiones de entrada y salida. En las esquinas del bastidor se encuentran las conexiones que permiten la entrada y salida de los fluidos. La funcin principal del bastidor es mantener la pila de placas unidas, proporcionando un buen sellado y formando una estructura rgida mediante una serie de barras horizontales que soportan las barras

Las placas

Las placas se construyen con materiales de baja resistencia trmica para conseguir un mejor intercambio de calor. Se fabrican prensando lminas delgadas de gran variedad de aleaciones y metales, resistentes a la corrosin. El espesor de las placas est comprendido entre 0.5 mm y 0.9 mm.

7. Funcionamiento de los intercambiadores de placas

Los fluidos fro y caliente se introducen por los orificios de conexin y circulan por los canales que se forman entre placas de manera alternativa. Un fluido es conducido por los canales impares mientras que el otro es conducido por los canales pares, de forma que los dos fluidos se encuentran separados por una delgada placa a travs de la cual se produce la transferencia de calor. La distribucin de los fluidos por sus canales correspondientes se hace mediante una serie de juntas:

Las juntas de los canales impares no permiten la entrada del fluido que ha de circular por los pares. Las juntas de los canales pares no permiten la entrada del fluido que ha de circular por los impares.

Generalmente, el flujo de ambos fluidos se hace en contracorriente, tal y como se muestra en la siguiente figura:

8. Dimensionamiento del sistema de intercambio

El dimensionamiento del sistema de intercambio consiste en determinar el nmero de placas de cada uno del intercambiador.

Mtodo de la diferencia efectiva de temperaturas

El objetivo de este mtodo es calcular el valor del coeficiente global de transferencia de calor del intercambiador (U ).

Este mtodo establece que el flujo total de calor transferido entre los fluidos fro y caliente al pasar a travs de un intercambiador de placas puede expresarse como:

Donde: U es el coeficiente global de transferencia de calor( / ) 2 m K W A es el rea total de transferencia ( 2 m ). F es el factor que tiene en cuenta que los extremos del intercambiador presentan la mitad de superficie y transfieren menos calor ( Fcontracorriente = 1). Tm es la temperatura media logartmica porque la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos no es constante a lo largo del intercambiador ( K ).

El coeficiente global de transferencia de calor viene dado por la expresin:

Donde: hc Coeficiente de transferencia de calor por conveccin del fluido caliente ( / ) 2 W m K . hf Coeficiente de transferencia de calor por conveccin del fluido fro ( / ) 2 W m K . placa e espesor de la placa del intercambiador (m) . placa k conductividad trmica del material de la placa (W / mK). Rsuciedad resistencia trmica originada por los contaminantes de los fluidos que se depositan en las superficies de las placas (K /W ).El clculo de los coeficientes de conveccin se realiza mediante la siguiente expresin:

Mtodo de la efectividad y el nmero de unidades de transmisin Consiste en determinar el intercambio de calor por cada grado de diferencia de temperatura, es decir:

Para ello se utiliza el parmetro adimensional NTU (nmero de unidades de transmisin) que se define como:

La efectividad del intercambiador se define como:

Dimensionamiento de las tuberas El dimensionamiento de las tuberas consiste en determinar la longitud y el dimetro de tubera apropiado en cada uno de los tramos. Bsicamente se distinguen: Un tramo de tubera por el que circula fluido fro desde el intercambiador de calor solar situado en la planta baja del edificio hasta un punto de la cubierta. Un tramo de tubera por el que circula el fluido fro desde el punto anterior a cada una de las bateras de colectores. Un tramo de tubera por el que circula el fluido caliente desde cada una de las bateras de colectores hasta el punto comn de bajada. Un tramo de tubera por el que circula fluido caliente desde el punto anterior hasta el intercambiador de calor solar de la planta baja.A partir de este dato y del caudal es posible calcular el dimetro de cada tramo de tubera:

Donde: v es la velocidad a la que circula el fluido en la tubera ( m/s ). Q es el caudal de fluido que circula por la tubera ( m /s 3 ). Dint es le dimetro interno de la tubera ( m ).

9. Tipos de sistema de intercambioEn funcin del mecanismo de circulacin del fluido trmico, la mayora de los equipos que utilizan la tecnologa termosolar se puede clasificar en dos grandes grupos: Sistemas por termosifn Sistemas por circulacin forzada

9.1 Sistemas por termosifn:Los sistemas por termosifn son los sistemas termosolares ms conocidos (tpicamente se ven sobre las viviendas unifamiliares que disponen el depsito de acumulacin sobre los colectores solares), ya que es el ms econmico y de fcil montaje. En contraprestacin es menos eficiente que el de circulacin forzada. En este tipo, el movimiento del fluido de trabajo por el circuito primario se produce por el principio de conveccin natural, donde el fluido al calentarse a su paso por la placa captadora solar se dilata aumentando su volumen, y por tanto disminuye su densidad. Al pesar menos, dicho fluido asciende hacia la parte alta del circuito donde est el acumulador, mientras que el fluido ms fro contenido en el acumulador, con mayor densidad, se desplaza hacia la parte baja de la instalacin por la tubera de entrada a los captadores.As se genera una circulacin natural del fluido, que se mantiene siempre que exista un gradiente de temperaturas entre el fluido de los captadores y el que se encuentra en la parte alta de la instalacin dentro del acumulador. Y es ah, dentro del acumulador, donde se produce la transferencia de calor desde el fluido de trabajo del circuito primario al agua de la red contenida en el depsito acumulador. Para ello se emplea un intercambiador (serpentn de tubos de cobre) que se encuentra dentro del depsito acumulador. Esta agua del acumulador una vez calentada, pasa al circuito interno, en este caso circuito secundario, para ser consumida en los puntos de consumo de la vivienda (duchas, lavabos, lavadoras, lavavajillas, etc.).Este sistema, de flujo natural, hace que los termosifones sean fciles de instalar (slo tenemos que conectarlos a una toma de agua de la red y al circuito de ACS de la vivienda), adems de ser muy econmicos, por lo que son los ms implantados en nuestras ciudades. No obstante, en los sistemas por termosifn la fuerza impulsora del movimiento es pequea y, por lo tanto, se debe prestar especial atencin al diseo y montaje de la instalacin para favorecer siempre el movimiento natural del fluido. Para ello, el depsito de acumulacin debe colocarse siempre en un nivel superior al de los colectores solares para permitir la conveccin natural por diferencia de temperatura.De hecho, para facilitar en todo lo posible el movimiento del fluido caloportador debe haber una diferencia suficiente de temperatura entre el fluido que est dentro de los colectores solares y el del acumulador, adems de la mencionada diferencia de altura entre el acumulador y los colectores, que se recomienda sea mayor de 30 centmetros.En estos sistemas es difcil controlar la temperatura que pueda alcanzarse en el interior del acumulador, sobre todo en periodos de mxima radiacin solar (en verano durante las horas centrales del da). Para evitar el riesgo de alcanzar temperaturas elevadas en el depsito acumulador, ste se dimensiona con ratios de volmenes mayores de 70 l/m2de panel colector.Los sistemas termosifn no consumen energa elctrica, ya que no necesitan bomba para la circulacin del fluido, lo que los hace muy atractivos por su autonoma. Como contrapartida, al ser necesario la instalacin del equipo en una unidad compacta (captadores solares y depsito deben ir juntos) es necesario comprobar la resistencia del tejado del edificio donde se vaya a instalar el equipo.9.2 Sistemas por circulacin forzada:El sistema por circulacin forzada es ms eficiente que el de termosifn, pero tambin ms caro. El movimiento del fluido caloportador se realiza a travs de una bomba circuladora que es capaz de establecer un caudal determinado segn las necesidades trmicas de cada momento y de vencer las prdidas de carga del circuito.

Al emplear una bomba para la circulacin del fluido de trabajo, ya no es necesario que el intercambiador de calor se site en la parte alta de los captadores, por lo que el depsito de acumulacin, que contiene en su interior el intercambiador, no tiene por qu estar junto a los captadores solares a la intemperie sobre el tejado de la casa. De este modo, el depsito acumulador se puede situar en un lugar protegido del interior del edificio sobre el suelo, lo que permite emplear depsitos acumuladores de mayor capacidad y por tanto ms pesados (que pueden ser de hasta 500-750 kg). Los sistemas por circulacin forzada, adems de la energa elctrica para activar la bomba de circulacin, necesita de una centralita para la regulacin y control del sistema, que active la bomba de circulacin cuando exista un diferencial de temperaturas entre el fluido que sale de los captadores y el que se encuentra en el acumulador, que permita que exista la posibilidad de una ganancia de energa trmica en el intercambiador.Por tanto, la unidad de control constar de un termostato diferencial que tendr la misin de arrancar la bomba cuando la temperatura en los paneles solares sea de un determinado margen mayor que la registrada en el depsito de acumulacin. Por otro lado, la unidad de control deber parar la bomba cuando la temperatura en los paneles y en el acumulador sea aproximadamente la misma. Para conseguir esto, el termostato diferencial tendr, al menos, 2 sensores trmicos. Uno de los sensores estar instalado en la parte superior del ltimo panel solar, es decir, a la salida de los captadores (punto de mayor temperatura del sistema) y el otro sensor estar instalado en la parte inferior del depsito acumulador, cerca del serpentn (punto de referencia de la temperatura del acumulador solar).El control diferencial de temperatura deber funcionar automticamente, y podr ser programable por el usuario, controlando tambin el funcionamiento de la caldera de apoyo (elctrica, de gasleo o de gas), pero siempre de manera que sea la energa solar la predominante. Normalmente, la centralita de control estar situada en el interior de la vivienda en lugar fcilmente accesible para el usuario, y constar de un display donde el usuario podr consultar informacin relevante en el suministro de agua caliente del sistema. Asimismo, este control inteligente deber disponer de proteccin contra sobrecalentamientos, control automtico del caudal en los paneles solares e indicacin extensiva de alarmas.En estos sistemas, como el depsito acumulador e intercambiador suelen estar a una altura inferior que los paneles de captacin solar que estn en la cubierta del edificio, habr que incluir tambin en el circuito primario una vlvula antirretorno para evitar el posible efecto termosifnico nocturno del fluido caloportador.

10.- componentes del sistema de intercambioEn toda instalacin solar trmica de baja temperatura se pueden distinguir los siguientes componentes principales:

Sistema de captacin: formado por uno o varios colectores o captadores solares que se sitan en la parte exterior y ms alta del edificio, convenientemente orientados a los rayos solares. Es la parte de la instalacin que transforma la radiacin solar incidente en energa trmica del fluido que circula por su interior.

Sistema de acumulacin o acumulador: encargado de almacenar el agua caliente obtenida para su posterior uso.

Sistema de intercambio o intercambiador: realiza la transferencia de calor entre los fluidos que circulan por circuitos diferentes. Puede ir instalado dentro o fuera del acumulador. En la instalacin mostrada en la figura el intercambiador de calor es externo al depsito acumulador.

Sistema de transporte o de circulacin: formado por las tuberas dotadas de aislamiento trmico y de los elementos de impulsin (bomba de agua) y otros accesorios, como vaso de expansin, purgadores de aire, vlvulas, etc.

Sistema auxiliar de apoyo: para complementar el aporte de calor en aquellos periodos de escasa radiacin solar, o bien, cuando la demanda de agua caliente sea superior a la que el sistema solar pueda proporcionar por su diseo.

Sistema de control y regulacin: asegura el correcto funcionamiento del conjunto de componentes que conforman el sistema termosolar.

9.3 Captador solar trmicoEs el componente de la instalacin encargado de recibir la radiacin solar y de transferir esta energa a un fluido trmico que circula por su interior. Se pueden distinguir dos grandes grupos: captadores solares vidriados y no vidriados.

Los captadores solares no vidriados no disponen de una cubierta que asle al captador del exterior, por lo que las prdidas de calor en este tipo de captador suelen ser muy elevadas. Suelen fabricarse de material plstico, conformado por una multitud de microtubos por donde circula el agua que se calienta al recibir la radiacin solar. Tienen aplicacin en aquellos casos donde no se requiera alcanzar una temperatura excesivamente alta, como pueda ser el calentamiento del agua de piscinas al aire libre.En el otro grupo se encuentran los captadores vidriados. Estos disponen de una cubierta de cristal por su parte frontal que lo asla del ambiente exterior, reducindose as las prdidas de calor. Adems, la cubierta de cristal va a favorecer que se produzca en el interior del colector el llamado efecto invernadero, lo que hace aumentar la temperatura que se alcance en su interior. Dentro de este grupo se encuentran los captadores solares planos, los cilindro-parablicos (CPC) y los de tubo de vaco.

En un panel solar plano, tras la cubierta de cristal, se encuentra lo que se llama la placa absorbedora. Se trata de una placa metlica en color oscuro con objeto de mejorar su capacidad absorbedora de la radicacin solar.La radiacin solar que incide sobre el colector solar, atraviesa la cubierta de cristal, debido a que son radiaciones electromagnticas de onda corta, e incide sobre la superficie de la placa absorbedora, la cual parte la absorbe aumentando su temperatura y parte de la radiacin la vuelve a reflejar. Dentro de la placa absorbedora circula el fluido trmico de trabajo, constituido por un lquido anticongelante especial para resistir las temperaturas extremas durante el invierno sin congelarse.A continuacin, y a modo de resumen explicativo, se indicarn por separados los componentes principales que conforman el conjunto del panel de un captador solar plano:

Cubierta exterior: es el elemento transparente que cubre la placa absorbedora, generalmente de vidrio templado de bajo contenido en hierro para dotarle de resistencia y a la vez buena capacidad de aislamiento.

Placa absorbedora: es el elemento que absorbe la radiacin solar, para luego transmitir esta energa al fluido trmico que circula por su interior. Constituida por una lmina metlica, normalmente de cobre o aluminio, bajo la que se dispone de un circuito de tuberas de cobre por donde circula el fluido trmico de trabajo. A esta lmina metlica se le suele someter a un tratamiento con pinturas negras especiales, con objeto de mejorar su capacidad de absorcin de radiaciones.

Aislamiento: para reducir las prdidas de calor hacia el exterior, se coloca un material aislante en el fondo de la carcasa y por los laterales que son las partes opacas del captador por donde no se necesita que entre radiacin solar. Los materiales ms empleados como aislantes son las espumas de poliuretano y las resinas de melamina.