obtencion de la eficiencia termica de un calentador solar de
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IM-2004-I- 43 i
Obtención De La Eficiencia Térmica De Un Calentador Solar De Agua De Nuevo Diseño
Por:
Carmen L. Villamil Boscan
Profesor Asesor:
Rafael Beltrán Pulido
Ingeniero Mecánico
Bogota, Colombia julio de 2004
IM-2004-I-43 ii
Obtención De La Eficiencia Térmica De Un Calentador Solar De Agua De Nuevo Diseño
Por
Carmen L. Villamil Boscan
Tesis presentada a
La Universidad de los Andes
Como requisito parcial de grado
Programa de Pregrado
En Ingeniería Mecánica
Bogotá, Colombia, 2004
© (Carmen L. Villamil Boscan), 2004
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Tabla de Contenido
Capítulo 1 ......................................................................................................................................... 1 Energía Solar .................................................................................................................................... 1
1.1 Energía solar fotovoltaica (PV)................................................................................................ 2 1.1.1 Beneficios......................................................................................................................... 3 1.1.2 Aplicaciones ..................................................................................................................... 4
1.2 Energía solar térmica ............................................................................................................... 5 1.2.1 Beneficios......................................................................................................................... 5 1.2.2 Aplicaciones ..................................................................................................................... 7
Capítulo 2 Calentamiento De Agua Por Energía Solar ....................................................................... 8 2.1 Tipos de colectores .................................................................................................................. 8
2.1.1 Colector solar de vacío...................................................................................................... 9 2.1.2 Colector solar. Concentrador Parabólico.......................................................................... 10 2.1.3 Colector solar de placa plana........................................................................................... 13
2.2 Clasificación.......................................................................................................................... 15 2.2.1 Clasificación de acuerdo al modo de circulación del agua................................................ 15 2.2.2 Clasificación de acuerdo al uso de energía auxiliar .......................................................... 17 2.2.3 Clasificación de acuerdo al tipo de agua que circula ........................................................ 18
Capítulo 3 Nueva Propuesta Y Manufactura .................................................................................... 19 3.1 Relevancia económica ........................................................................................................... 19 3.2 Objetivos del proyecto ........................................................................................................... 19 3.3 Diseño propuesto................................................................................................................... 20 3.4 Manufactura y materiales....................................................................................................... 21
3.4.1 Colector solar.................................................................................................................. 23 3.4.2 Datos de operación recomendados................................................................................... 24 3.4.3 Cubierta transparente ...................................................................................................... 24 3.4.4 Absorbedor ..................................................................................................................... 24 3.4.5 Aislamiento .................................................................................................................... 24 3.4.6 Caja ................................................................................................................................ 24
Capítulo 4 Norma Técnica Colombiana ........................................................................................... 25 4.1 Evaluación de colectores solares de placa plana para calentamiento de agua de uso domestico25
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4.1.1 Inspección inicial ............................................................................................................26 4.1.2 Ensayo de presión del sistema. ........................................................................................26 4.1.3 Ensayo de choque térmico interno. ..................................................................................26 4.1.4 Ensayo de caída de presión del colector. ..........................................................................27 4.1.5 Ensayo de estanqueidad de los colectores al agua lluvia...................................................27 4.1.6 Ensayo de envejecimiento del colector. ...........................................................................27 4.1.7 Eficiencia térmica del colector.........................................................................................27 4.1.8 Inspección final. ..............................................................................................................29
4.2 Requisitos generales para el montaje del sistema. ...................................................................31 4.2.1 Montaje...........................................................................................................................31
Capítulo 5 Banco De Pruebas Y Experimentación............................................................................32 5.1 Definición de ensayo a realizar...............................................................................................32 5.2 Ubicación de banco de pruebas ..............................................................................................33 5.3 Montaje Experimental............................................................................................................34
5.3.1 Angulo de inclinación (β) y orientación. ..........................................................................34 5.3.2 Circulación del agua........................................................................................................35 5.3.3 Ubicación del tanque. ......................................................................................................35
5.4 Ejecución del ensayo..............................................................................................................36 5.4.1 Variables a medir e instrumentación. ...............................................................................36 5.4.2 Acondicionamiento previo ..............................................................................................37
5.5 Datos experimentales y análisis de datos ................................................................................39 Capítulo 6 Conclusiones ..................................................................................................................46
6.1 Comentarios ..........................................................................................................................46
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Lista de Figuras
Titulo Pagina FIGURA 1.1 PLANTA DE ENERGÍA SOLAR EN CALIFORNIA ................................................................................... 1 FIGURA1.2 APLICACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA AL ALUMBRADO PUBLICO ....................................... 3 FIGURA 1.3 APLICACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ............................................................................. 4 FIGURA 1.4 APLICACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA............................ 7 FIGURA 2.1 COLECTOR SOLAR VACÍO; A) TUBO CRISTAL CRISTAL, B) COLECTOR SOLAR. ...................................... 9 FIGURA 2.2 TUBO CRISTAL METAL. ................................................................................................................. 10 FIGURA 2.3 COLECTOR CONCÉNTRICO DE UN EJE KRAMER JUNCTION OPERATING COMPANY ............................ 11 FIGURA 2.4 COLECTOR CONCÉNTRICO DE DOS EJES. ......................................................................................... 12 FIGURA 2.5 COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA. ............................................................................................. 13 FIGURA 2.5 SISTEMA ACTIVO. LA CIRCULACIÓN DEL AGUA SE HACE CON UNA BOMBA....................................... 16 FIGURA 2.6 SISTEMA DE CIRCULACIÓN PASIVO. ............................................................................................... 16 FIGURA 3.1 CONFIGURACIONES CLÁSICAS DE COLECTORES SOLARES DE PLACA PLANA. .................................... 20 FIGURA 3.2 PLACA ABSORBEDORA. NUEVO DISEÑO. ........................................................................................ 21 CONDUCTOS DE AGUA SOBRE LAMINA ABSORBEDORA...................................................................................... 21 FIGURA 3.3 COLECTOR SOLAR DE NUEVO DISEÑO. ........................................................................................... 23 FIGURA 5.1 MONTAJE BANCO DE PRUEBAS ...................................................................................................... 34 FIGURA 5.3 VISTA DE MONTAJE DEL TANQUE................................................................................................... 36 FIG. 5.4 EFICIENCIA TÉRMICA DEL SISTEMA ŊVS(TM-TA) ................................................................................. 41 FIG. 5.5 EFICIENCIA TÉRMICA DEL SISTEMA. Ŋ VS. (TM – TA)/G ....................................................................... 42 FIGURA 5.6 COEFICIENTE DE PERDIDAS GLOBALES UL...................................................................................... 43 FIGURA 5.7 PERDIDAS DE POTENCIA................................................................................................................ 44 FIGURA. 5.7 COMPORTAMIENTO (TIN –TS) DURANTE EL DÍA............................................................................. 45 FIG.6.1 EFICIENCIA TERMICA COLECTOR SOLAR DE VACIO APRICUS ................................................................. 47 FIG. 6.2 EFICIENCIA TÉRMICA COLECTOR SOLAR PLANO. CHROMAGEN ............................................................. 48
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Tabla de anexos
ANEXO A DIMENSIONAMIENTO CALENTADOR ................................................................................................ 50 ANEXO B GRAFICAS OBTENIDAS POR DÍA........................................................................................................ 52
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Lista de tablas
Titulo Pagina TABLA 3.1 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS MATERIALES METÁLICOS .................................................. 21 TABLA 3.2 ESPESOR MÍNIMO PERMITIDO PARA PLACA ABSORBEDORA. NTC 4368 ............................................. 22 TABLA 4.1 DESCRIPCIÓN DE POSIBLES DAÑOS DESPUÉS DE LAS PRUEBAS.NTC 4368 ......................................... 30 TABLA 5.1 FRECUENCIA DE TOMA DE DATOS. NTC 4368.................................................................................. 38
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Lista de símbolos
Nombre Símbolo Unidades
Área de la superficie frontal del colector Aa m2
Capacidad térmica especifica Cp J/kg/ºK
Irradiancia solar global Gt W/m2
Irradiancia solar difusa Gd W/m2
Irradiancia solar directa Gb W/m2
Flujo de masa de transferencia m kg/s
Temperatura ambiente Ta ºC
Temperatura entrada al colector Tin ºC
Tempera salida al colector Ts ºC
Temperatura media (tin+ts)/2 Tm ºC
Diferencia de temperatura ∆T ºC
Eficiencia térmica del colector η
Eficiencia térmica una diferencia 0η 0 con el ambiente
Potencia perdida QL
Tiempo solar verdadero TSV
Declinación solar δ rad/rad
Angulo de inclinación β grad/rad
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Introducción
En el curso de los últimos años se ha despertado un corriente de interés por el
desarrollo e investigación de la energía solar, debido a las crisis energéticas
mundiales, aunque sin lograr una participación importante en la solución del
problema debido al alto costo de capital que se requiere para su aplicación.
En determinadas aplicaciones, por ejemplo obtención de agua caliente,
desalinización de agua de mar, calefacción de viviendas, secado de alimentos y
motores solares entre otros, la energía solar es ya una realidad comercial y en este
aspecto en algunas regiones, compite perfectamente con otros tipos de energía.
El calentamiento de agua por energía solar, es un área de trabajo en el que se ha
concentrado gran parte del desarrollo de la energía solar, ya que es un campo de
gran importancia económica, teniendo en cuenta que esta principalmente enfocado
al mercado de las casas de familia en donde el consumo de energía tiene un gran
impacto en la economía.
Este trabajo cubre el proceso de manufactura, diseno banco de pruebas y
experimentación de un calentador solar de placa plana de nuevo diseño propuesto
por una empresa nacional, que desea incursionar en esta área.
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Capítulo 1
Energía Solar
Figura 1.1 Planta de energía solar en California
El sol es la estrella mas próxima a la tierra y se encuentra a una distancia promedio
de 150 millones de kilómetros, posee una masa de 1.99 x 103 y un radio de
aproximadamente 695.000 km. Es una estrella corriente clase G, ni demasiado
grande ni muy brillante, al parecer de mediana edad; ha cambiado muy poco en los
últimos tres mil millones de años y se estima no cambiara mucho en los próximos
tres mil millones de años. Por esta razón se considera que su radiación es una
fuente inagotable de energía.
La radiación solar alcanza la superficie de la tierra con una potencia aproximada de
1 kWh/m2. La cantidad que puede usarse depende de la ubicación geográfica,
nubosidad y horas de luz diarias.
La radiación solar llega a la parte superior de la atmósfera de la tierra en forma de
un rayo directo que va siendo dispersado a medida que va pasando la atmósfera
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terrestre por el smog, las nubes, y el polvo. Por lo tanto nosotros recibimos
radiación solar tanto de manera directa como difusa dependiendo de las
condiciones atmosféricas. Tanto la radiación directa como la difusa, son útiles y
aprovechables, con la diferencia que la radiación solar difusa no puede ser
concentrada para su uso.
El Sol es el origen directo o indirecto de todas las fuentes de energía renovables,
desde la solar, eólica y mareomotriz. En el caso de la energía solar, ésta aprovecha
directamente la energía que recibimos del Sol (inicialmente más de 1.350 W/m2),
dando lugar a dos modalidades: la energía solar térmica y la energía solar
fotovoltaica. La fotovoltaica utiliza la radiación solar para generar electricidad
aprovechando las propiedades físicas de ciertos materiales semiconductores. La
energía térmica utiliza directamente la energía que recibimos del Sol para calentar
un fluido.
1.1 Energía solar fotovoltaica (PV)
La energía solar fotovoltaica esta basada en la teoría de los materiales
semiconductores, para convertir la radiación solar en electricidad que puede ser
utilizada o almacenada en una batería.
La transformación directa de la radiación solar en electricidad por conversión
fotovoltaica, es una de las formas más promisorias de su aprovechamiento a largo
plazo. Su sostenido desarrollo internacional permite ya aplicarla con una mayor
rentabilidad que la del resto de las fuentes convencionales, en diferentes
aplicaciones.
La energía solar fotovoltaica es una forma de energía que cada vez esta ganando
mas popularidad como una forma de generación de electricidad confiable para
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Figura1.2 Aplicación de energía solar fotovoltaica al alumbrado publico
lugares que se encuentran por fuera de las redes eléctricas existentes, gracias a
que cada vez son mas técnica y económicamente viables proyectos desarrollados
con esta tecnología, teniendo en cuenta las recientes reducciones en costos de
producción y el incremento en la eficiencia de conversión de las celdas todo esto
por el mejoramiento en los materiales utilizados para su producción.
1.1.1 Beneficios
Sistemas confiables
Fácil mantenimiento. La operación y requerimientos de mantenimiento son simples.
Larga vida útil. Si se protegen debidamente las partes mas sensibles a daños, una
celda se espera pueda trabajar alrededor de 15 años o mas.
Beneficios económicos. No es necesario ningún tipo de combustible.
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No producen ningún daño ambiental. No produce ni ruido ni polución.
1.1.2 Aplicaciones
La energía solar fotovoltaica se ha dividido en dos sectores básicos, dos
aplicaciones bien diferenciadas: uno para la producción de electricidad en zonas
geográficas aisladas donde no llega la red eléctrica, por ejemplo en islas, zonas
rurales, casas de campo, etc. En estos sitios se utilizan las horas solares para
cargar las baterías que luego son utilizadas. La otra aplicación que actualmente se
esta imponiendo es el denominado sistema de energía solar fotovoltaico conectado
a la red.
Figura 1.3 Aplicación de energía solar fotovoltaica
A continuación se nombran algunas de las aplicaciones que hoy en día se le da a la
energía solar fotovoltaica. En conclusión, su uso es ideal donde se requiera un
suministro de energía continuo y confiable que no este conectado a una red
existente.
• Electrificación de viviendas rurales
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• Bombeo de agua a sitios aislados
• Riego de cultivos
• Tratamiento de agua: Desalinización y floración
• Señalización (área, marítima, férrea y terrestre) y alumbrado publico.
• Telecomunicaciones: telefonía rural y móvil, antenas repetidoras
• Refrigeración de vacunas y sangre.
1.2 Energía solar térmica
El uso de la energía solar térmica ha sido históricamente uno de los más utilizados
por la humanidad. Esta energía es la que aprovecha la radiación del sol para
generar calor que se destina, principalmente, a la producción de agua caliente.
El uso mas común para la energía solar térmica es el calentamiento de agua para
uso domestico. En la actualidad una gran cantidad de calentadores de agua por
energía solar son utilizados en el mundo, especialmente en el Mediterráneo y
Australia donde la radiación solar es alta. Con la variación de los precios de los
combustibles fósiles, es una tecnología que cada vez adquiere mas aceptación
como un método para el ahorro de energía y dinero no solo a nivel domestico sino
también industrial.
1.2.1 Beneficios
La utilización de un calentador solar de agua, reduce la cantidad de combustible
que se requiere para calentar agua, ya que este absorbe la energía gratis que
proviene del sol.
La utilización de la energía solar térmica tiene un impacto positivo sobre la
economía, ya que disminuye la utilización de combustibles fósiles en algunas
aplicaciones.
Su aplicación no produce sustancias contaminantes al ambiente.
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Aunque la inversión inicial para hacer un montaje de energía solar térmica puede
llegar a hacer costoso, los ahorros en energía se verán reflejados a largo plazo.
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1.2.2 Aplicaciones
Figura 1.4 Aplicación de la energía solar térmica para el calentamiento de agua.
• Las principales aplicaciones de la energía solar térmica son:
• Calentamiento de agua para uso domestico o industrial
• Calentamiento de agua para piscinas
• Calefacción
• Sistemas de refrigeración
• Secado de cosechas
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Capítulo 2
Calentamiento De Agua Por Energía Solar
La tecnología solar térmica permite el aprovechamiento de la radiación solar para la
producción de energía a través del calentamiento de un fluido sin producir residuos
contaminantes.
Así como los sistemas fotovoltaicos aprovechan la energía electromagnética del sol
que nos llega en forma luz, para después transformarla en energía eléctrica, los
sistemas de colector solar utilizan su potencia calorífica para calentar un líquido.
Existen sistemas de colector solar con y sin concentración. Los que no utilizan
concentración reciben el Sol directamente,. aunque con menor rendimiento, tienen
sin embargo la ventaja de su simplicidad, facilidad de construcción y menor
mantenimiento.
2.1 Tipos de colectores
Un colector solar consta de una absorbedora de calor que, gracias a su geometría y
a las características de su superficie, absorbe energía solar y la convierte en calor .
Esta energía es enviada a un fluido que circula dentro del colector.
La característica principal que identifica la calidad de un colector solar es su
eficiencia, entendida como capacidad de conversión de la energía solar incidente en
energía térmica.
Fundamentalmente existen tres tipos de colectores solares: planos, de vacío y de
concentración. .
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2.1.1 Colector solar de vacío
Los colectores al vació se componen de filas de tubos de cristal paralelos,
transparentes. Hay dos tipos de tubos:
Los tubos del tipo 1 (Cristal-Cristal) consisten en un tubo interno y externo de
cristal. El tubo interno se cubre con una capa selectiva que absorbe la energía solar
e impide la pérdida de calor por radiación. Se retira el aire del espacio entre los
dos tubos de cristal para formar un vacío, que elimina las pérdida de calor por
convección o conducción. Estos tubos funcionan muy bien en lugares que presente
clima con bajas temperaturas.
a) b)
figura 2.1 Colector solar vacío; a) tubo cristal cristal, b) colector solar.
El tipo 2 tubos (de Cristal-Metal) consiste en un solo tubo de cristal. Dentro del tubo
se encuentra una placa de cobre curvada o plana, La placa de cobre está cubierta
generalmente con Tinox, u otra capa selectiva. Éste tipo de tubos son muy
eficientes pero pueden tener problemas relacionados con la pérdida de vacío; Esto
debido al hecho de que su sellamiento se hace entre cristal y el metal y Los
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coeficientes de expansión térmica de estos dos materiales son diferentes así que
después de algunos años de contracción y expansión el sellamiento puede fallar y
como consecuencia perderse el vació. Los tubos cristal-metal son generalmente
más confiables y mucho más baratos que los tubos cristal – cristal, pero estos
resultan mas eficientes.
Figura 2.2 Tubo cristal metal.
2.1.2 Colector solar. Concentrador Parabólico
En los sistemas con concentración, como su nombre indica, se concentra la luz
solar sobre la zona que se desea calentar. Esto se realiza mediante espejos o
lentes apoyados en materiales selectivos, que calientan el líquido que circula por el
interior de un tubo, en el que incide la radiación concentrada del Sol, permitiendo un
mejor rendimiento que los colectores sin concentración.
Los modelos más simples de colectores con concentración son los de uno y dos
ejes, aunque existe otro sistema más complejo utilizado en generación de grandes
potencias, y que permite su transformación en energía mecánica.
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El sistema de concentración de un eje consiste en un tubo, por el que circula el
líquido que se desea calentar, y que se encuentra ubicado delante de una superficie
parabólica reflectante. La energía reflejada por el elemento parabólico incide sobre
el tubo y cuya concentración es cincuenta veces superior a otro sistema similar sin
lentes, permitiendo temperaturas no inferiores a 100ºC, pero que pueden llegar a
alcanzar los 350ºC. El tubo debe ser fabricado con un material muy selectivo
(generalmente óxido de cobre sobre níquel). Los espejos se construyen con vidrios
bajos en contenido de hierro o con metales esmerilados de gran pureza, para
proporcionar el máximo de rendimiento.
Figura 2.3 Colector concéntrico de un eje Kramer Junction Operating Company
El sistema de colector de un eje precisa que la superficie perpendicular de la
parabólica esté siempre posicionada hacia la máxima radiación del Sol. Para ello se
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disponen sistemas que utilizan sensores de posición, para mover el conjunto y
mantenerlo siempre orientado hacia el Sol.
El detector de posición consiste en una serie de fotodiodos o fototransistores, que
generan una corriente eléctrica proporcional a la luz que les incide. Si la radiación
disminye, la señal eléctrica emitida por el detector disminuirá también, entonces el
computador activará los motores de posición para modificar y reorientar el colector
hacia el punto de mayor radiación del Sol. Este sistema, al ser de un único eje, solo
permite el seguiemeinto del sol de este a oeste.
El problema del colector de un eje radica en que el Sol se mueve realmente en dos
ejes, uno Este-Oeste y otro Norte-Sur. El eje Este-Oeste es diario, y puede ser
seguido con el colector de un único eje. Sin embargo, conforme nos alejamos del
Ecuador y según la estación del año, desde nuestro punto de observación el Sol
acusa más el movimiento sobre el eje Norte-Sur. Para poder corregir esta variación
se han diseñado los colectores de dos ejes, que realizan un seguimiento del Sol
sobre ambos mediante dos motores, el de acimut y el de elevación, todo ello situado
sobre una torre vertical. El sistema presenta complejidades mecánicas que no
compensan el rendimiento obtenido, por lo que son poco utilizados.
Figura 2.4 Colector concéntrico de dos ejes.
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2.1.3 Colector solar de placa plana
El colector plano es el de mayor uso por su sencillez de fabricación. Consta
básicamente de cinco elementos: conductos para la conducción del agua, placa
absorbedora, una cubierta transparente que puede ser doble o simple, aislante
térmico y una caja que encierra todos estos elementos. La ausencia de partes
móviles le da una característica de gran durabilidad.
Figura 2.5 Colector solar de placa plana.
La tubería de conducción del agua consiste en un serpentín de tubos metálicos por
donde circula el agua que se quiere calentar. Su diámetro es muy pequeño para
que el nivel de líquido que circula por el tenga tiempo a calentarse en todo su
recorrido. Los tubos se fabrican con materiales que transmitan la temperatura, como
cobre, aluminio o acero, y se les pinta de color negro para que absorban el calor. El
intercambiador de calor se encuentra montado sobre una placa absorbedora
encargada de captar el calor y conducirlo a los tubos, esta placa al igual que los
tubos puede ser hecha de cobre, aluminio o acero y se pinta de negro con el fin de
maximizar la absorción de calor.
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La cubierta transparente debe ser resistente al impacto, a la degradación química y
a la producida por la exposición de la componente ultravioleta del espectro solar,
así mismo ser estable a los efectos ambientales producidos por la lluvia, granizo,
contaminantes atmosféricos y medios utilizados para su limpieza. Puede estar
conformada por una o mas laminas de vidrio crudo o templado. La cubierta debe
cerrar la caja del colector, ajustándose firmemente a esta y debe tener una junta
sellante de material flexible, estable y resistente al calor que permita la dilatación y
contracción térmica de la cubierta y la caja.
La caja de protección debe ser una caja rígida, construida en materiales livianos,
resistentes a la corrosión o cualquier tipo de deterioro en las condiciones climáticas
prevalecientes en el lugar.
La caja y la cubierta transparente no sólo protegen físicamente todo el conjunto sino
que sirven de aislante térmico, impidiendo que la energía captada y transferida al
agua que circula por los tubos se pierda a través de sus paredes. Para ello se
coloca un aislante térmico, como la fibra de vidrio, espuma de poliuretano u otros
aislantes que resistan por lo menos temperaturas de al menos 100ºC u otro
material que mantenga el calor en su interior.
El colector solar así construido juega un papel análogo al de un radiador de
calefacción, pero justamente a la inversa. Así como el radiador tiene una superficie
metálica diseñada para emitir el máximo de potencia calorífica a través de sus
elementos, el colector solar tiene sus elementos diseñados para captar el máximo
de calor y transferirlo a los tubos.
El funcionamiento del colector se basa en el efecto invernadero. La radiación solar
que entra a través de la cubierta transparente, incide directamente sobre el sistema
de conducción de agua (conectados al suministro de agua fría) y la placa
absorbedora, de la energía entrante sólo una décima parte es reflejada a la
atmósfera. Al principio, cuando el colector entra en funcionamiento (entrada de agua
fría por primera vez), el sistema absorbe gran cantidad de energía, ya que precisa
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calentar todos los elementos y el agua del interior del serpentín, pero una vez
llegado al punto denominado de equilibrio dinámico, es la propia placa la que emite
calor, del cual sólo una pequeña parte inferior al 10% se perderá por radiación a
través de la cubierta de vidrio. Es entonces cuando se mantiene un efecto
invernadero en el interior de la caja colectora, que es preciso mantener mediante un
buen aislamiento de las paredes, evitando las pérdidas por convección. Todo el
sistema tiene un rendimiento que varía en función de la intensidad de luz que recibe
y la temperatura interior, pero es siempre inferior a un 60%; generalmente se
aprovechan entre 30 y 50 vatios por cada 100 que se recibe
2.2 Clasificación
2.2.1 Clasificación de acuerdo al modo de circulación del agua
Los sistemas de calentamiento por energía solar se pueden clasificar en dos tipos:
sistemas activos o de circulación forzada, y sistemas pasivos o de circulación
natural.
Los sistemas activos o de circulación forzada utilizan bombas eléctricas, válvulas y
reguladores para circular el agua o el fluido de trabajo a través del colector. Son
más costosos que los sistemas pasivos pero generalmente más eficientes. Los
sistemas activos son a menudo más fáciles de adaptar que los sistemas pasivos
porque sus tanques de almacenamiento no necesitan ser instalados sobre o cerca
de los colectores. Si se utiliza un panel fotovoltaico para hacer funcionar la bomba,
un sistema activo puede funcionar incluso durante una interrupción en el servicio de
energía.
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Figura 2.5 Sistema activo. La circulación del agua se hace con una bomba.
Los sistemas pasivos mueven el fluido de trabajo a través del sistema sin bombas.
Los sistemas pasivos tienen como ventaja que si hay un corte en el servicio
eléctrico pueden seguir trabajando, Esta característica hace a los sistemas pasivos
más confiables, más fáciles de mantener. Los sistemas pasivos son menos
costosos que los sistemas activos, pero son también menos eficientes debido a que
no se puede controlar el caudal a través del sistema.
Figura 2.6 Sistema de circulación pasivo.
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Dentro de los sistemas pasivos existe un tipo de configuración llamado termosifón,
es quizás la forma mas simple de calentar el agua con el sol, utiliza un proceso
conocido como conveccion natural para circular el agua a través de los colectores y
el tanque, este proceso funciona haciendo calentar el agua que sube naturalmente
a través del colector, al llegar al tanque ejerce presión sobre el agua fría que se
encuentra en la parte baja del tanque obligándola a salir a circular por el colector. El
montaje de este tipo de configuración permite que el tanque sea colocado sobre el
colector o horizontalmente cerca del colector.
2.2.2 Clasificación de acuerdo al uso de energía auxiliar
Los sistemas de calentamiento por energía solar se pueden clasificar de acuerdo al
tipo de energía auxiliar que requieran para cumplir con las necesidades de trabajo.
Sistema solar dedicado. Este es un sistema diseñado para calentamiento de agua
empleando exclusivamente energía solar.
Sistema de precalentamiento solar. Sistemas diseñados para precalentar agua y
suministrarla a un calentador convencional eléctrico o de gas, el cual esta separado
del calentador solar y no forma parte del sistema de calentamiento por energía
solar.
Sistema solar con energía suplementaria. Sistemas diseñados para calentamiento
de agua con energía solar y/o auxiliar.
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2.2.3 Clasificación de acuerdo al tipo de agua que circula
Los calentadores de agua por energía solar también se pueden clasificar como
sistemas de circuito abierto o directo y sistemas de circuito cerrado o indirecto.
Un sistema de circuito abierto circula agua potable a través del colector. Un sistema
de circuito cerrado utiliza agua o un fluido que transfiera calor y un intercambiador
de calor para que una vez calentado transfiera calor a alguna aplicación.
Los sistemas activos también pueden clasificarse como sistemas activos de circuito
cerrado y sistemas activos de circuito abierto; lo mismo ocurre con los sistemas
pasivos.
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Capítulo 3
Nueva Propuesta Y Manufactura
Una empresa nacional dedicada a la venta y manufactura de vidrios
termoacusticos, que desea incursionar en el área del calentamiento de agua por
energía solar se acerco a la universidad, con el fin de caracterizar un nuevo diseño
de calentador solar del tipo placa plana.
3.1 Relevancia económica
A pesar de que la inversión inicial para adquirir un calentador solar de agua es
bastante alto en comparación a adquirir uno que funcione con gas o electricidad,
los calentadores solares son cada vez mas comunes, gracias a el aumento de los
precios en los combustibles y la electricidad, y a que no provocan ningún daño al
ambiente y un gran punto a su favor es que pueden ser instalados donde otros no
pueden ya sea porque es un lugar alejado, fuera de las redes de interconexión de
electricidad o gas.
En países Desarrollados y en desarrollo el mercado para calentadores solares se
encuentra en crecimiento, y hoy en día existe un gran numero de fabricantes
ofreciendo múltiples opciones en tecnología.
La población principal a la que se dirige esta tecnología son los edificios y casas
residenciales donde la demanda de agua caliente tiene un impacto grande en los
costos de energía. Los usos comerciales incluyen los lavaderos, cocinas y
empresas que en general para algún proceso requieran grandes cantidades de
agua caliente.
3.2 Objetivos del proyecto
La nueva propuesta de calentador ha sido concebida teniendo en cuenta los
siguientes puntos.
Reducir el costo de fabricación y ensamble de la caja colectora o cuerpo negro.
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Reducir el costo de fabricación y ensamble del intercambiador de calor sin sacrificar
la eficiencia de absorción de calor;
Desarrollar un método para fabricar el intercambiador de calor eficiente y
económico.
La revisión de las patentes existentes ha mostrado que el diseño propuesto no ha
sido patentado. Igualmente, la revisión de los productos que se encuentran
actualmente en el mercado indica que el diseño puesto a prueba no se encuentra
disponible.
3.3 Diseño propuesto
En la actualidad existen básicamente 4 configuraciones distintas de colector solar
de placa plana como se muestra en la siguiente figura. Cada una de estas
configuraciones consiste en una lámina y tubería independientes.
Figura 3.1 Configuraciones clásicas de colectores solares de placa plana.
El nuevo diseño propone utilizar dos laminas para hacer de la lamina absorbedora y
del conducto para conducción del agua un solo elemento. Una de estas láminas
lleva dibujado un serpentín y otra lámina del mismo material es soldada a la anterior
con el fin crear un ducto cerrado para que circule el agua. Este diseño tiene como
fundamento que la misma área que absorbe calor la transfiera al fluido.
IM-2004-I- 43 21
Figura 3.2 Placa absorbedora. Nuevo diseño.
Conductos de agua sobre lamina absorbedora.
3.4 Manufactura y materiales
El primer paso a tener en cuenta para la manufactura del intercambiador de calor
fue el material. Se selecciono entre los materiales comúnmente utilizados para los
conductos de agua y placa absorbedora como son el cobre, acero y aluminio porque
ya es conocida su capacidad de conducir el calor, además de dejarse trabajar
fácilmente.
Tabla 3.1 Conductividad térmica de algunos materiales metálicos
Material Conductividad térmica
Cmw ⋅/
Cobre 385
Aluminio 211
Acero 47.6
IM-2004-I- 43 22
El segundo parámetro a tener en cuenta fue el precio, El cobre es el material mas
costoso de los tres, 1m2 de lamina de cobre calibre calibre 26 cuesta en el mercado
nacional alrededor de 65.000, mientras una lamina de aluminio de la misma área
del mismo calibre cuesta alrededor de 25.000, el precio del acero a pesar de
encontrarse costoso por un fenómeno económico fue de 20.000/m2.
Tabla 3.2 Espesor mínimo permitido para placa absorbedora. NTC 4368
Metal Espesor mínimo de la
placa (mm)
Cobre 0.2
Aluminio 0.4
Acero 0.5
Teniendo en cuenta la tabla anterior donde se especifica el calibre mínimo permitido
según la norma para las laminas utilizadas como placa absorbedora, y el precio en
el mercado, se opto por escoger entre aluminio y acero, ya que para la manufactura
del colector el precio del material total (2m2) en cobre era de aproximadamente
175.000 y además el cobre se encontraba escaso en el mercado.
Antes de escoger un solo material se definió como iba a ser la manufactura del
colector. Siguiendo el proceso de manufactura de los pisos de los carros, se
determino utilizar acero. La geometría de los pisos de los carros es muy parecida al
diseño propuesto con la diferencia de que los ductos van en forma paralela y no en
forma de serpentín.
En Bogota hay personas que trabajan las láminas artesanalmente para los carros
llamados “latoneros”. Estos utilizan martillos y prensas hidráulicas para darle la
forma deseada a la lamina, el acero permitía ser trabajado de esta manera sin
IM-2004-I- 43 23
perder su geometría, a diferencia del aluminio, además el aluminio tiene la dificultad
de que no puede ser soldado entre el por los métodos disponibles.,
Una vez hecho el serpentín sobre la lámina se sello con otra plana del mismo
material (no esta deformada), con un epoxico y algunos puntos de soldadura, para
crear el intercambiador el calor. Para probar que no hubiera fugas se sumergió en
una piscina para probar radiadores. Y por ultimo se le aplico una pintura negra mate
anticorrosiva.
El intercambiador de calor se ensamblo dentro de una caja de madera pintada en
negro que se encontraba forrada en su interior con espuma de poliuretano
(aislamiento térmico). Para cerrar la caja se coloco vidrio crudo de 4 mm de
espesor. (Cubierta transparente).
Figura 3.3 Colector solar de nuevo diseño.
A continuación se presenta la descripción de cada componente.
3.4.1 Colector solar
Fabricante. Epitec
IM-2004-I- 43 24
Dimensiones externas: Ancho 960 mm Alto 100 mm Largo 910 mm
Peso del colector vació:45.8kg
Volumen del fluido de transferencia de calor:
3.4.2 Datos de operación recomendados
Fluido de transferencia de calor: Agua
Flujo: 0.02 Kg/s
3.4.3 Cubierta transparente
Material: Vidrio crudo
Numero de capaz transparentes: 1
Espesor: 4mm
Área transparente:0.86 m2
Distancia entre cubierta transparente y absorbedor: 40 mm
3.4.4 Absorbedor
Tipo de diseño: Puesto a prueba
Material: Acero CR
Recubrimiento de la superficie: pintura negra mate anticorrosiva.
Área de la superficie: 0.81 m2
Peso vacío: 22.5 kg
3.4.5 Aislamiento
Material: Poliuretano
Espesor: 30 mm
Conductividad térmica: 0.0245 W/m C
3.4.6 Caja
Material de la caja: Madera
Material del marco: Madera
IM-2004-I- 43 25
Capítulo 4
Norma Técnica Colombiana
La normatividad relacionada con los ensayos a los que deben ser sometidos los
calentadores solares de placa plana en el país, es expedida con el INSTITUTO
TECNICO COLOMBIANO DE NORMAS TECNIAS Y CERTIFICACION (ICONTEC).
Las normas relacionadas con este tema son las siguientes:
NTC 736: 1976, Definiciones y nomenclatura
NTC 2461: 1988, Colectores solares de placa plana para calentamiento de agua de
consumo domestico.
NTC 4368: 1997, Eficiencia energética. Sistemas de calentamiento de agua con
energía solar y componentes.
Algunas de las normas internacionales que aplican para la evaluación de estos
sistemas son las siguientes.
ASHRAE 95 “Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar
Domestic Water Heating Systems”, Standard ASHRAE 95-1981, American Society
of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (1981) Atlanta, USA.
ASHRAE 9593-77 “Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of
Solar Collectors. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers.
4.1 Evaluación de colectores solares de placa plana para calentamiento de agua de uso domestico
• Inspección inicial
• Ensayo de presión del sistema.
• Ensayo de choque térmico interno.
• Ensayo de caída de presión del colector
• Ensayo de estanqueidad de los colectores al agua lluvia
IM-2004-I- 43 26
• Ensayo de envejecimiento del colector.
• Eficiencia térmica del colector
• Inspección final.
4.1.1 Inspección inicial
El propósito de esta inspección es establecer el estado inicial del sistema de tal
manera que después del ensayo se puedan establecer los cambios debidos al
procedimiento.
Se debe inspeccionar detalladamente el total del colector especialmente aquellas
partes sensibles a corrosión o a daños, tales como soldaduras, conexiones, vidrios,
empaques y aislantes. Toda la información debe registrarse para que pueda ser
comparada con los resultados de la inspección final.
4.1.2 Ensayo de presión del sistema.
Este ensayo consiste en someter el colector solar a 1.5 veces la presión de diseño
proporcionada por el fabricante por al menos 15 minutos, con el fin de apreciar
como se comporta el sistema a la presión máxima sugerida.
Se espera que el sistema no presente separaciones, rupturas, grietas o deformación
después de este ensayo.
4.1.3 Ensayo de choque térmico interno.
El propósito de este ensayo es establecer si el sistema y los colectores son
capaces de soportar cambios debido a la expansión o contracción térmica y que
estos no afecten la integridad del sistema.
IM-2004-I- 43 27
4.1.4 Ensayo de caída de presión del colector.
Este ensayo consiste en medir la diferencia de presiones estáticas entre la entrada
y la salida del colector, medidas perpendicularmente a la dirección del flujo.
El resultado puede ser graficado en una curva caída de presión vs. Caudal.
4.1.5 Ensayo de estanqueidad de los colectores al agua lluvia.
Se trata de determinar la capacidad del colector para retener el agua de lluvia. Se
pesa el colector antes de colocarlo en el banco de ensayo, y es regado con agua
por todas sus caras con agua con un caudal de 2 L/ min m2 durante un periodo de 4
Horas, se pesa de nuevo el colector y la diferencia entre los dos valores no debe
ser mayor a 50g/m2.
4.1.6 Ensayo de envejecimiento del colector.
Se somete el colector a condiciones naturales de envejecimiento en condición de
estancamiento, sin fluido.
Este ensayo consiste en someter a condiciones severas de radiación solar y
temperatura, el colector para determinar la propensión de los materiales a la
degradación y fallas de diseño. Este proceso de envejecimiento debe ser seguido
diariamente para así tener información detallada de cómo ocurren cambios en el
colector, que van a ser de gran utilidad para la inspección final
4.1.7 Eficiencia térmica del colector
Este ensayo consiste en observar como depende la energía en forma de agua
caliente obtenible del sistema de la energía solar incidente y de la diferencia de
temperatura ambiente y la del agua fría de entrada.
El propósito de este ensayo es obtener la eficiencia térmica del colector, para su
realización es necesario medir las siguientes variables.
• Radiación solar directa y difusa
IM-2004-I- 43 28
• Temperatura ambiente
• Temperatura de entrada del agua al colector
• Temperatura de salida del agua al colector
• Caudal
Velocidad del viento
Para la ejecución de cálculos se ha desarrollado el siguiente modelo matemático:
La eficiencia térmica del colector es la relación del calor ganado por el fluido a
través del colector, a la radiación total incidente (directa + difusa) sobre el colector.
AaGQU
⋅=η
La energía útil (Qu) transferida al fluido, en régimen cuasiestacionario por el colector
plano se expresa, mediante la siguiente expresión.
( )TsTeCpmQU −⋅⋅=•
La potencia útil extraída por el fluido de transferencia térmica es por lo tanto.
LTU QQQ −=
La eficiencia oη , se define como:
AaGQT
o ⋅=η
La potencia útil esta dada por:
LoU QAaGQ −⋅⋅=η
Y la eficiencia del colector puede ser expresada como:
GAaQL
o ⋅−=ηη
Introduciendo el coeficiente de perdida efectiva UL, las perdidas se pueden
expresar como.
( )amLL TTAaUQ −⋅⋅=
IM-2004-I- 43 29
Se ha encontrado empíricamente que LU es aproximadamente una función lineal
de la temperatura diferencial con respecto al ambiente ( )am TT − esto es:
( )amL TTKKU −⋅+= 10
Donde 0K y 1K son constantes.
La eficiencia es entonces:
( )
( )[ ] ( )
( ) ( )G
TTK
GTT
K
GTTTTKK
AaGTTAaU
AaGQ
amam
amam
amL
L
2
100
100
0
0
−⋅−
−⋅−=
−⋅−⋅+−=
⋅−⋅⋅
−=
⋅−=
ηη
ηη
ηη
ηη
Si definimos G
TTT am −
=∗ podemos expresar la eficiencia como un polinomio de
segundo orden así:
( ) ( )
2100
2
100
∗∗ ⋅−⋅−=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −⋅⋅−
−⋅−=
TKTK
GTT
GKG
TTK amam
ηη
ηη
Donde 0η , 0K y 1K se determinan a partir de una regresión polinomial de segundo
orden. Los coeficientes 0K y 1K representan coeficientes de perdidas mientras 0η se
define como la eficiencia térmica del colector para una diferencia de temperatura 0
con el medio ambiente.
4.1.8 Inspección final.
El propósito de esto es inspeccionar visualmente los principales componentes del
sistemas después de terminados los ensayos. No se considera aprobado si
presenta evidencia de degradación acelerada, penetración de agua en el colector y
tanque, corrosión o fallas potenciales en partes o componentes.
IM-2004-I- 43 30
El sistema y sus componentes deben inspeccionarse detalladamente especialmente
aquellas partes que puedan haber resultado afectadas. Toda la información debe
registrarse para compararse con los resultados de la inspección inicial.
La siguiente tabla muestra ejemplos típicos de deteriores que presentan los
colectores.
Tabla 4.1 Descripción de posibles daños después de las pruebas.NTC 4368
Materiales Descripción del deterioro
Cubierta Agrietamiento, rajaduras o severa condensación.
Absorbedor Severa deformación de la placa absorbedora, severa
deformación de los conductos del fluido , perdida de
unión entre los conductos y la placa absorbedora, goteo
o fugas del fluido en los conductos o conexiones, perdida
de integridad en el montaje y severa corrosión u otro
deterioro causado por acción química.
Marco del colector Agrietamiento o alabeo o combadura de los materiales
que conforman la caja del colector.
Aislamiento Inflamación y otro cambio que afectan las propiedades
del aislamiento en el colector y de manera adversa
inciden en el funcionamiento del colector.
Empaques y sellos Agrietamiento, perdida de elasticidad o perdida de
adhesión
Conectores Fugas, goteo o deterioro de los conectores al interior del
colector o fugas en las conexiones mecánicas.
IM-2004-I- 43 31
4.2 Requisitos generales para el montaje del sistema.
El sistema se debe instalar de tal manera que garantice la seguridad del personal.
Se debe prestar especial atención a la posible rotura de vidrios y al derramamiento
de agua caliente. El sistema debe soportar ráfagas de viento en la localidad.
4.2.1 Montaje
El sistema debe montarse sobre una estructura suministrada por el fabricante a
menos que existan otras especificaciones, se recomienda un montaje en campo
abierto.
Debe ser especificado por cada prueba el Angulo de inclinación, o utilizar el
indicado por el fabricante.
La localización del tanque debe hacerse según instrucción del fabricante.
La tubería entre el tanque y los colectores debe estar aislada con los elementos
suministrados por el fabricante, debe ser resistente a la corrosión y adecuada para
operar a temperaturas de hasta 95ºC. Las acometidas deben mantenerse lo mas
cortas posibles en especial la de la salida de la red y la entrada del tanque para
reducir los efectos del medio ambiente sobre la temperatura de entrada al colector.
El sistema debe estar ubicado en un sitio donde no existan sombras ni radiación
solar reflejada por edificaciones alrededor sobre los colectores durante el periodo de
ensayo. En los alrededores debe procurarse que no haya chimeneas, torres de
enfriamiento o tubos de escape caliente, esto con el fin de que se encuentre lo más
cercano a la temperatura ambiente.
El medidor de flujo debe ser instalado a la entrada del agua fría con el fin de que
las lecturas no sean afectadas por los cambios de temperatura.
IM-2004-I- 43 32
Capítulo 5
Banco De Pruebas Y Experimentación
Para el diseño y montaje del banco de pruebas se quiso que este semejara lo más
posible a condiciones reales de trabajo. Con el fin de poder hacerse a una idea mas
acertada acerca de cómo seria el comportamiento del colector en la realidad, por
esto se opto por hacer un montaje a campo abierto.
5.1 Definición de ensayo a realizar.
En el capitulo anterior se enunciaron los ensayos que según la normatividad técnica
nacional e internacional deben ser realizados para colectores solares de placa
plana para calentamiento de agua de consumo domestico.
Si se analiza con detalle estos ensayos, la mayoría a excepción del ensayo para
obtener la eficiencia térmica del sistema, son ensayos que están enfocados en
garantizar la seguridad del usuario y la reacción de los materiales que componen el
sistema al medio ambiente; por esta razón solamente se realizo el ensayo para
obtener la eficiencia térmica del sistema ya que es el que nos va a permitir analizar
el comportamiento térmico del intercambiador de calor propuesto.
No se realizo el ensayo de presión, porque el fabricante no reporto el dato de la
presión de trabajo máxima que puede soportar el sistema, y podría resultar
destructivo para el colector, teniendo en cuenta las debilidades en manufactura.
El ensayo para obtener la eficiencia térmica del sistema según la norma debe
realizarse de la siguiente manera
IM-2004-I- 43 33
5.2 Ubicación de banco de pruebas
Para seleccionar la ubicación del banco de pruebas fue necesario tener en cuenta
varios aspectos.
• Lugar libre de sombra que recibiera la luz solar todo el día.
• No hubieran grandes construcciones alrededor.
• Posibilidad de un punto eléctrico.
• Posibilidad de un punto hidráulico.
• No hubieran chimeneas, o torres de enfriamiento que pudieran afectar la
temperatura ambiente de los alrededores del montaje.
En las instalaciones de la Universidad fue permitido el espacio ubicado en la
terraza del edificio Franco o “G” para la ubicación del banco de pruebas, ya que
cumplía todos los requerimientos nombrados anteriormente y era posible su
utilización.
IM-2004-I- 43 34
5.3 Montaje Experimental
Figura 5.1 Montaje banco de pruebas
5.3.1 Angulo de inclinación (β) y orientación.
Mediante la inclinación y orientación del colector es posible mejorar la radiación
solar sobre el colector.
La inclinación para maximizar la radiación solar durante el año es igual a la latitud
del lugar en el caso de Bogota la latitud es de 4º35¨56”, lo que significa una
inclinación de 4.6º para el colector.
Como bogota se encuentra en el hemisferio norte, el colector se orienta hacia el sur
mirando hacia el ecuador. En el caso de poblaciones ubicadas en el hemisferio sur
IM-2004-I- 43 35
que no es el caso de Colombia, la orientación del colector es hacia el norte mirando
el ecuador.
5.3.2 Circulación del agua
Con el fin de evitar un daño prematuro del colector, por exceso de presión se opto
por hacer un montaje de circulación pasiva o libre por termosifón.
Teniendo en cuenta que se quería trabajar el sistema en condiciones próximas a
las reales la entrada del agua viene con la presión del acueducto.
Se utilizo un tanque de 15 gal para almacenar el agua del colector y recircularla
para ir aumentando la temperatura a la entrada del colector.
5.3.3 Ubicación del tanque.
La configuración de termosifón puede hacerse de dos maneras con el tanque
vertical ubicado sobre el colector o con el tanque horizontal en la parte trasera del
colector. Como en la terraza no hay posibilidad de ubicar el tanque en altura, se
opto por el tanque horizontal.
IM-2004-I- 43 36
Figura 5.3 Vista de montaje del tanque
5.4 Ejecución del ensayo
5.4.1 Variables a medir e instrumentación.
Para la realización de este ensayo la norma recomienda hacer las siguientes
mediciones:
• Radiación solar directa y difusa
• Temperatura ambiente
• Temperatura de entrada del agua al colector.
• Temperatura de salida del agua del colector.
• Velocidad del viento.
• Caudal.
• Mes, día y hora exacta de mediciones.
Todas las variables fueron medidas, a excepción de la velocidad del viento debido a
que no se disponía del anemómetro del laboratorio de ingeniera mecánica de la
universidad porque se encontraba en mal estado. El no tener este dato no influye en
el desarrollo del modelo matemático para obtener la curva de eficiencia térmica.
IM-2004-I- 43 37
5.4.1.1 Radiación solar
La radiación solar global se debe medir con un piranometro montado en el plano
del colector, esta medición se realizo con un piranometro marca eppley, disponible
en el laboratorio de ingenierita mecánica de la universidad con las siguientes
características.
• Variación de la respuesta con la temperatura ambiente ±1%
• Variación de la sensibilidad del sensor a las diferentes regiones del espectro
de la radiación solar. ±2%
• Linealidad de respuesta ±1%
• Constante de tiempo < 5 s
• Variación de la respuesta con el ángulo de incidencia ±1%
• Constante del piranometro 8.67E-6
5.4.1.2. Medida de temperatura
La temperatura ambiente, la de salida y entrada del colector se tomaron mediante
termocuplas tipo J disponibles en el laboratorio.
Los sensores se colocaron lo más cerca posible a la salida y a la entrada del
colector orientados en la dirección del flujo.
5.4.1.3 Medida del tiempo.
Se debe ser riguroso con la medida de la hora, día y mes en el que se realiza las
mediciones. Se realizaron las mediciones con la ayuda de un reloj de alarma.
5.4.2 Acondicionamiento previo
EL colector se expuso al sol durante tres días sin circulación de agua para así
permitir que salieran los restos de humedad del sistema.
IM-2004-I- 43 38
Antes de iniciar las mediciones se deja circular el agua por un periodo de 10 a 15
minutos para permitir que el sistema se estabilice térmicamente, esto se debe a que
cuando se pone a circular agua por el colector por primera vez luego de estar
inactivo la temperatura de salida de agua es muy alta y empieza bajar muy
rápidamente hasta que se estabiliza.
La norma especifica que el ensayo debe realizase media hora, 15 minutos para
preacondionamiento del sistema y se toman datos los 15 minutos restantes.
Especificando la frecuencia de toma de datos como se muestra en la siguiente
tabla.
Tabla 5.1 Frecuencia de toma de datos. NTC 4368
Variable Frecuencia de toma de datos
(segundos)
Radiación solar 60
Velocidad del aire 300
Temperatura aire ambiente 300
Diferencia de temperatura 15
Tasa de flujo del agua 15
Debido a la falta de la tarjeta de adquisición de datos adecuada para realizar este
tipo de montaje, se decidió medir manualmente cada 15 minutos para dar tiempo al
sistema de estabilizarse de 9:00 a.m. a 4:00 p.m, para determinar el
comportamiento del sistema.
IM-2004-I- 43 39
5.5 Datos experimentales y análisis de datos
Se realizaron mediciones durante 18 días entre el 25 de mayo y el 25 de julio, de
9:00 a.m. a 4:00 p.m.
Durante estos días la temperatura ambiente se mantuvo en un rango entre los 15ºC
a 20ºC.
Hubo la necesidad de instalar una válvula cheque entre el tanque y el colector para
evitar que el agua en vez de entrar al colector entrara al tanque.
La información medida, nos permite hacer una caracterización sobre el rendimiento
térmico del sistema, obtenemos parámetros que nos permiten conocer cuanta
energía absorbe el colector y cuanta pierde.
Los meses de mayo y Junio presentan el promedio de radiación mas bajo del año
para Bogota, por lo que se puede pensar que el rendimiento que se obtiene en
estas curvas puede mejorar si se efectúa el ensayo en un lugar en el que la
radiación solar sea mayor.
Para determinar la radiación solar total absorbida por el colector se utilizo el
modelo de Liu – Jordan (1963), en el que la radiación solar esta compuesta por tres
componentes, un componente directo, un componente difuso mas un componente
reflejado por la tierra, este modelo permite hacer una corrección a los datos
experimentales obtenidos para radiación solar total teniendo en cuenta el ángulo de
inclinación del colector, la latitud del lugar, el ángulo horario, y la declinación del sol.
Este modelo se define así:
IM-2004-I- 43 40
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −⋅⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +⋅+⋅=
2cos1
2cos1 βρβ IGRbGI dbt
I representa los datos obtenidos experimentalmente.
Rb se define como la razón de la radiación solar total que es directa y se calcula
dependiendo de si el lugar geográfico se encuentra en el hemisferio norte o en el
hemisferio sur. Para Bogota se calcula así:
( )δφωδφ
δβφωδβφsenoseno
senosenoRb⋅+⋅⋅
⋅++⋅⋅−=
coscoscos)(coscoscos
Id se determina a partir de la obtención del factor de 0IIkt = que permite utilizar la
correlación de Erbs, para estimar la fracción difusa de la radiación solar total
obtenida experimentalmente.
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
>≤<⋅+⋅−⋅+⋅−
≤⋅−=
8.0165.08.022.0336.12638.16388.41604.09511.0
22.009.01432
ktktktktktkt
ktkt
GGd
El valor de kt obtenido según los datos experimentales y la estimación hecha para
0I , se encuentra en el rango comprendido 8.022.0 << kt durante los días de
mediciones, esto significa días con momentos de nubosidad y momentos de cielo
despejado.
La radiación solar promedio del mes obtenida de los datos experimentales es 496
W/m2.
Una vez obtenida la radiación solar total absorbida por el colector solar se hicieron
las cálculos y graficas correspondientes para la obtención de la eficiencia térmica
del sistema.
La eficiencia térmica se grafico de dos formas:
IM-2004-I- 43 41
la primera haciendo una grafica de eficiencia (ŋ) vs. am TT − , en la que se obtuvo
una curva que se puede aproximar a la siguiente forma.
( ) ( )TaTGKTT
GK
mt
amt
−⋅−−⋅−= 100ηη
n vs (Tm-Ta)
y = -1E-05x2 - 0,0026x + 0,5095R2 = 0,9445
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
0 5 10 15 20 25 30 35(Tm-Ta) ºC
Efic
ienc
ia
Fig. 5.4 Eficiencia térmica del sistema ŋvs(Tm-Ta)
( )25101)(0026.05095.0 amam TTTT −⋅⋅−−⋅−= −η
CmW
GK
CmW
GK
t
t
º101
º0026.0
5095.0
251
20
0
⋅⋅⋅−=
⋅⋅−=
=
−
η
La segunda haciendo una grafica de eficiencia vs. t
am
GTT − en la que la curva que se
obtiene se puede aproximar a una curva de la forma.
IM-2004-I- 43 42
2
100 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −⋅⋅−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −⋅−=
t
amt
t
am
GTT
IKG
TTKηη
n vs (tm-ta)/G
y = -3,7352x2 - 1,2899x + 0,5104R2 = 0,9246
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
(tm-ta)/G (m2 ªC/ W)
Efic
ienc
ia
Fig. 5.5 Eficiencia térmica del sistema. Ŋ vs. (Tm – Ta)/G
En los dos casos 0η se encuentra alrededor del 50%, los coeficientes Ko y K1 como
su signo lo indica representan coeficientes de perdida, son dependientes del valor
de la radiación solar, por lo que estos coeficientes solo son validos para radiación
solar entre 400w/m2 y 500 W/m2 según los datos experimentales obtenidos
correspondientes al mes de mediciones.
CmWGK
CmWK
GTT
GTT
t
t
am
t
am
º7352.3
º2899.1
%04.515104.0
7352.32899.15104.0
21
20
0
2
⋅⋅−=⋅
⋅⋅−=
==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −⋅−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −⋅−=
η
η
IM-2004-I- 43 43
En las dos graficas se observa que entre menor es el cambio de temperatura la
eficiencia es mayor, esto muestra que tanto puede calentar el colector consumiendo
poca energía, seria importante hacer un ensayo disminuyendo la temperatura de
entrada del agua, no aumentándola como se hizo en nuestro caso.
Con los datos experimentales obtenidos de radiación solar , se obtuvo un promedio
mensual de radiación de 2490m
W⋅ . Estas curvas son para este valor de G, es
necesario hacer otras curvas para otros valores de G en diferentes épocas del año,
porque como se ve los coeficientes son independientes de la temperatura pero
dependientes de G.
Se puede además obtener la curva para el coeficiente de perdidas globales UL en
función de )( am TT − .
ULvs (Tm-Ta)
y = 0,0731x + 14,356R2 = 0,9059
14
14,5
15
15,5
16
16,5
17
17,5
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta) ºC
Ul (
W/m
2 ºC
)
Figura 5.6 Coeficiente de perdidas globales UL
IM-2004-I- 43 44
El coeficiente de perdidas globales se comporta como una línea recta, como se
había supuesto en el desarrollo del modelo matemático para la obtención de la
eficiencia térmica.
Las perdidas de potencia (QL) también puede graficarse en función de (Tm-Ta).
21 )()( amam
L TTKTTKoAaQ
−⋅+−⋅=
QL vs (Tm-Ta)
y = 0,013x2 + 1,1379x + 0,0059R2 = 0,9984
0
10
20
30
40
50
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta) ºC
QL
(W)
Figura 5.7 Perdidas de potencia
( ) ( )
21
0
2
º013.0º1379.1
013.01379.1
CWK
CWK
TTTTQ amamL
⋅=
⋅=
−⋅+−⋅=
La diferencia de temperatura lograda por el colector estuvo en el rango entre 1ºC y
40ºC, el menor cambio de temperatura entre la entrada y la salida se registro
durante las 11:00 a.m. y 1: 00 p.m. y el mayor cambio entre las 3:00 p.m. y 4 p.m.
IM-2004-I- 43 45
EL delta de temperatura se comportaba durante el dia como lo muestra la siguiente
grafica.
(Tin-ts) vs t
0
10
20
30
40
50
0 100 200 300 400 500
t (min)
(Tin
-Ts)
ºC
Figura. 5.7 comportamiento (Tin –Ts) durante el día.
El comportamiento general del colector durante los días de mediciones es muy
similar, el rango de temperatura se encuentra entre lo que actualmente se ha
logrado, diferencias de temperatura entre los 20ºC y 70ªC para aplicaciones de
consumo domestico.
Al final de la etapa de mediciones el colector no presento ningún daño pero empezó
a presentar condensación en su interior, y algunas fugas.
IM-2004-I- 43 46
Capítulo 6
Conclusiones
6.1 Comentarios
El diseño propuesto, es el resultado de poner dos ideas con las que se ha venido
trabajando juntas, el serpentín utilizado para la transferencia de calor y la placa
absorbedora.
Los materiales que se estudiaron para la manufactura del intercambiador de calor
nos dan una idea aproximada de lo que podría llegar a costar el colector, ya que en
el intercambiador se calor se gasta 50% del dinero necesario para su manufactura.
Mientras 1 m2 de cobre cuesta mas o menos tres veces lo que puede llegar a costar
1 m2 de aluminio o acero, el coeficiente de conductividad térmica del cobre no es
tres veces el coeficiente de conductividad térmica del aluminio, sin contar con que el
aluminio es mas difícil de conseguir en el mercado en las dimensiones requeridas a
diferencia del aluminio o el acero.
El acero resulto un buen material para el trabajo artesanal al que fue sometido,
mientras con el aluminio no se tuvieron buenos resultados pues perdía la forma
muy fácilmente, para su producción seria apropiado pensar en un molde para
prensa hidráulica, sea cual sea el material escogido para su producción.
Actualmente a nivel mundial la tendencia en materiales para calentadores solares
de agua son los materiales poliméricos aunque no se han logrado materiales con
coeficientes de conducción térmica mejores a los del cobre se, esta investigando en
esta área con el fin de reducir los costos de producción, seria bueno pensar en el
desarrollo de un colector polimérico, ya que el diseño permite ser manufacturado
con un material polimérico con facilidad.
El intercambiador de calor presenta un problema en la manufactura al momento de
sellar las dos laminas, ya que de alguna manera las superficies que quedan juntas
IM-2004-I- 43 47
deben estar completamente pegadas para asegurar que el fluido que pasa por su
interior sigue el recorrido del serpentin, el epoxico resulto una solución de ultimo
momento pero no puede pensarse en su aplicación si se llega a una producción en
masa.
Los resultados obtenidos de la eficiencia térmica se encuentran dentro del rango de
lo que se ha logrado hasta hoy, cambios de temperatura entre 20ºC y 60ºC. En la
siguientes dos graficas se muestran graficas de dos calentadores solares que se
encuentran actualmente en el mercado.
La primera es una curva de eficiencia para colectores solares de vació, del tipo
cristal – cristal, estos colectores tienen una eficiencia 0η de aproximadamente 70%.
Fig.6.1 Eficiencia termica colector solar de vacio Apricus
La segunda grafica es una curva de eficiencia par colectores solares planos en
cobre y caja de aluminio que tienen una eficiencia 0η de aproximadamente 80%.
IM-2004-I- 43 48
Fig. 6.2 Eficiencia térmica colector solar plano. Chromagen
El colector probado tiene una eficiencia 0η de aproximadamente 50% se encuentra
por debajo de los anteriores, pero se encuentra dentro del rango de lo que hay
actualmente.
Este primer prototipo deja varios problemas, definir un material y forma de
manufactura del colector es solo uno de ellos, también queda la construcción de la
caja colectora y tener en cuenta que el diseño de un calentador solar, lleva además
el diseño de un tanque apropiado y de un soporte adecuado para su montaje.
Es muy importante hacer un ensayo de presión al intercambiador de calor, porque
es muy sensible a daños y fugas.
Valdría la pena hacer un nuevo prototipo con aluminio y una caja metálica del
mismo material, con doble cubierta de vidrio y ver de que manera se mejora su
comportamiento.
IM-2004-I- 43 49
Bibliografía
Duffie, J.A. y Beckman, W.A. Solar engineering of Thermal Processes. New York;
Jhon Wiley & Sons. 919p 1991
Areata Andreani Adolfo. Plantas de Colectores Solares Planos.Valparaiso.
Universidad Catolica de Valparaíso. 275p 1987
Ministerio de Minas y Energia; Instituto Colombiano de Hidrología, Meteorología y Adecuación de Tierras; INEA; HIMAT. Atlas de radiación solar de
Colombia. Bogota INEA – HIMAT. 85P 1993.
NTC 736: 1976, Definiciones y nomenclatura
NTC 2461: 1988, Colectores solares de placa plana para calentamiento de agua de
consumo domestico.
NTC 4368: 1997, Eficiencia energética. Sistemas de calentamiento de agua con
energía solar y componentes.
IM-2004-I- 43 50
Anexo A
Dimensionamiento calentador
Vista superior
Vista superior
Medidas en milímetros.
IM-2004-I- 43 51
Medidas en milímetros
IM-2004-I- 43 52
Anexo B
Graficas obtenidas por día
• Mayo 25
n vs (tm-ta)
y = -0,3465x2 - 1,3495x + 0,5308R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta) ºC
efic
ienc
ia
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,347x2 - 1,3432x + 0,5307R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
Efic
ienc
ia
IM-2004-I- 43 53
• Mayo 26
n vs (tm-ta)
y = -7E-05x2 - 0,0018x + 0,4768R2 = 0,9963
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 5 10 15 20 25 30
Tm-Ta
n
n vs (tm-Ta)/G
y = -0,6644x2 - 1,9149x + 0,4863R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 54
• Mayo 27
n vs (Tm-Ta)
y = -7E-05x2 - 0,0018x + 0,4785R2 = 0,9962
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta) ºC
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,4347x2 - 1,9144x + 0,4889R2 = 0,9999
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 55
• Mayo 28
n vs (Tm-Ta)
y = -0,0001x2 - 0,0009x + 0,4929R2 = 0,9907
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30
(Tm-Ta) ºC
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,5455x2 - 1,7631x + 0,5037R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 56
• Junio 3
n vs (Tm-Ta)
y = -8E-05x2 - 0,0007x + 0,4892R2 = 0,9924
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta) ºC
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,3625x2 - 1,4255x + 0,4991R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 57
• Junio 4
n vs (Tm-Ta)
y = -9E-05x2 - 0,0012x + 0,4862R2 = 0,9906
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30
(Tm-Ta) ºC
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,5144x2 - 1,627x + 0,494R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 58
• Junio 7
n vs (Tm-Ta)
y = -7E-05x2 - 0,001x + 0,5086R2 = 0,9914
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta) ºC
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,2185x2 - 1,4635x + 0,517R2 = 1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 59
• Junio 8
n vs (Tm-Ta)
y = -1E-04x2 - 0,0007x + 0,5137R2 = 0,9909
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta)
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,5057x2 - 1,7267x + 0,5277R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 60
• Junio 9
n vs (Tm-Ta)
y = -1E-04x2 - 0,0006x + 0,4739R2 = 0,9936
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta) ºC
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,4941x2 - 1,686x + 0,4879R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 61
• Junio 10
n vs (Tm-Ta)
y = -0,0001x2 - 0,0005x + 0,4782R2 = 0,9932
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta)
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,4517x2 - 1,9x + 0,4967R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 62
• Junio 15
n vs (Tm-Ta)
y = -0,0001x2 - 0,0005x + 0,5084R2 = 0,9921
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00
(Tm-Ta)
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,5033x2 - 1,7443x + 0,5249R2 = 0,9999
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,0000 0,0500 0,1000 0,1500 0,2000 0,2500
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 63
• Junio 16
n vs (Tm-Ta)
y = -8E-05x2 - 0,001x + 0,5085R2 = 0,9899
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta)
n
Serie1 Polinómica (Serie1)
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,3919x2 - 1,6197x + 0,5183R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
(Tm-Ta)/G
n
Serie1 Polinómica (Serie1)
IM-2004-I- 43 64
• Junio 17
n vs (Tm-Ta)
y = -1E-04x2 - 0,0008x + 0,4727R2 = 0,9928
0,00,10,10,20,20,30,30,40,40,50,5
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta)
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,5229x2 - 1,7785x + 0,4863R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 1
• Junio 18.
n vs (Tm-Ta)
y = -7E-05x2 - 0,0007x + 0,5067R2 = 0,9926
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-ta)
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,5144x2 - 1,3278x + 0,5154R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 1
• Junio 19
n vs (Tm-Ta)
y = -8E-05x2 - 0,0009x + 0,5195R2 = 0,9922
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta)
n
n vs (tm-Ta)/G
y = -0,5173x2 - 1,444x + 0,5285R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 2
• Junio 22
n vs (Tm-Ta)
y = -7E-05x2 - 0,0007x + 0,527R2 = 0,9922
0,42
0,44
0,46
0,48
0,50
0,52
0,54
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta)
n
n vs (tm-Ta)/G
y = -0,5305x2 - 1,4439x + 0,5285R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 3
• Junio 24
n vs (Tm-Ta)
y = -7E-05x2 - 0,001x + 0,5243R2 = 0,991
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30
(Tm-Ta)
n
n vs (Tm-Ta)/G
y = -0,5138x2 - 1,4478x + 0,5322R2 = 0,9999
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
(Tm-Ta)/G
n
IM-2004-I- 43 4
• Junio 25
n vs (Tm-Ta)
y = -8E-05x2 - 0,0009x + 0,508R2 = 0,9931
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20 25 30 35
(Tm-Ta) ºC
n
n vs (Tm - Ta)/G
y = -4,086x2 - 1,2545x + 0,5142R2 = 1
0,40,40,50,50,50,50,50,50,50,5
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
(Tm-Ta)/G
n