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PROCESOS TERMICOS I

1. INTRODUCCIÓN

Una de las aplicaciones de la energía solar que ha tenido mayor uso y divulgación es de la calefacción de agua para consumo doméstico. Las primeras patentes de calentadores solares aparecieron en Estados Unidos hacia finales del siglo XIX.

En los lugares con buen clima y buena insolación, los calentadores solares pueden ahorrar una fracción considerable del combustible para uso doméstico. En las condiciones de nuestro País es posible que gran cantidad del consumo de energía eléctrica se deba al calentamiento de agua para baños. El resto se usa para cocinar. Por otro lado, en lugares con clima extremoso no basta el calentador solar para tener un ahorro tan significativo, dado que el principal consumo de energía se debe al aire acondicionado en verano y a la calefacción en invierno.

Este diseño es de gran importancia tanto en la tecnología como en el mejoramiento del planeta ya que es un buen avance para evitar el bastante consumo de energía eléctrica y nos ayuda a darnos de cuenta que hay energía en nuestro entorno que no utilizamos, además este proyecto intenta evitar los accidentes caseros más comunes debido a la electricidad.

Además debemos planear la sustitución de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas), que han llegado a ser tan vitales para la civilización moderna que consideramos.

No sería racional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras o, simplemente, contaminantes.

1 DISEÑO DE UNA TERMA SOLAR

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1.1. ENERGIA SOLAR TERMICA

En forma directa o indirecta, el trabajo diario de complejos y elegantes colectores solares, como son las hojas de las plantas y árboles, nos proporciona alimento y produce combustible para que millones de hogares en el mundo entero puedan cocinar, al igual que ha creado todas nuestras reservas de combustibles fósiles en el pasado.

En el presente manual estudiaremos la generación de calor a partir de la energía solar, aprovechando

la radiación infrarroja. En el método de conversión a calor, la luz solar es absorbida por una superficie de color negro, que por ende se calienta. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, también se calentarán. De esta forma, el calor podrá ser transportado a donde sea necesario. Este es, en resumen, el principio de conversión de la energía solar térmica.

1.2. APLICACIONES

En el caso de la energía solar térmica, la radiación solar es convertida directamente en calor y puede ser empleada para el calentamiento de agua, aire u otros elementos. Las aplicaciones más conocidas son:

Destiladores solares de agua. Secadores solares. Termas solares.

1.2.1. Destilador solar de agua

El destilador solar de agua purifica el agua evaporándola y luego condensándola. El destilador no contiene sales, minerales ni impurezas orgánicas. El agua obtenida puede ser utilizada tanto para consumo directo, en hospitales, como agua para baterías, entre otros.

Se aconseja su uso en áreas en los lugares donde haya abundante agua contaminada o salobre y, naturalmente, donde haya abundante sol. Por último, los materiales básicos, es decir, el vidrio o las láminas transparentes y resistentes a los rayos ultravioletas, deberán obtenerse fácilmente y tener un costo moderado.

Como parámetro base, un destilador solar razonablemente funcional produce cuatro litros diarios de agua destilada por metro cuadrado de superficie útil.

Las principales características operativas son las mismas para todos los destiladores solares. A continuación encontrará la descripción de cómo opera un destilador.


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FIGURA N° 01DESTILADOR SOLAR DE AGUA

El agua que será destilada es colocada en un recipiente dentro de una caja con cubierta inclinada de vidrio. El agua ingresa al destilador solar a través de la entrada. La radiación solar penetra a través de la cubierta de vidrio y calienta el fondo del recipiente, es decir, la radiación solar es absorbida al igual que el calor, por la superficie negra ubicada bajo el agua almacenada. El agua sobre la superficie es calentada por el sol y convertida en vapor de agua. El vapor se condensa en la cubierta de vidrio, cuya temperatura es baja debido al contacto con el ambiente. El agua condensada baja por el vidrio hasta un canal que va al tanque de almacenamiento. Todo el destilador deberá ser lo más hermético posible para evitar pérdidas de vapor.

De la descripción se deduce fácilmente que un destilador con esas características puede ser construido en forma artesanal. Cualquier mecánico o carpintero con experiencia podría construirlo.


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1.2.2. Secador solar

Todos los secadores solares cuentan con los mismos componentes básicos:

Una cubierta transparente que permita el paso de la luz solar y limite las pérdidas de calor (vidrio o plástico).

Una superficie absorbente, de color oscuro, que recoge la luz solar y la convierte en calor, para luego liberarlo en forma de aire. El aire caliente absorbe más agua que el frío, de modo que el aire caliente y seco es llevado a través del producto que se quiere secar .

Una capa de aislamiento por debajo

Una entrada y una salida de aire, a través de las cuales el aire húmedo puede ser reemplazado por aire fresco y más seco.

Los secadores solares pueden ser de dos clases:

a) Secadores en las que la luz solar se utiliza directamente. En este tipo de secadores, la absorción de calor la realiza principalmente el producto mismo.

FIGURA N° 02SECADOR SOLAR, UTILIZADO DIRECTAMENTE

Fuente: www.alternative-technology.de

b) Secadores en las que la luz solar se utiliza indirectamente. En este tipo de secadores, el aire de secado se calienta en un espacio distinto de donde se coloca el producto. Los productos no son expuestos directamente a la luz solar.


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FIGURA N° 02SECADOR SOLAR, UTILIZADO INDIRECTAMENTE

Fuente: www.terra.org

1.2.3. Terma solar

Una terma solar consta de uno o más colectores, así como de un tanque de almacenamiento aislado; está diseñada para ser utilizada en casas, hospitales, lavanderías, etc. El mecanismo de operación de una terma solar es el siguiente:

La luz solar es absorbida por una superficie de color negro cubierta por láminas de vidrio, que por ende se calientan. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, éstos también se calentarán. De esta forma, el calor podrá ser transportado a donde sea necesario. Este es, en resumen, el principio de una terma solar.

El sistema de una terma solar está formado básicamente por un colector plano y un tanque de almacenamiento de agua. La Figura 5 ilustra el diseño más simple para una terma solar.


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FIGURA N° 03VISTA GENERAL DE LAS PARTES PRINCIPALES DE UNA TERMA SOLAR

1.3. Posibilidades y limitaciones.

La fuente de energía, es decir, la radiación solar, no cuesta; sin embargo, el equipo necesario para poder aprovechar los rayos solares puede ser caro, y, por lo general, requiere mantenimiento. Además, el usuario deberá tener nociones básicas sobre su funcionamiento. Una de las características de las termas solares es que las hay de distintos grados de perfección y con un amplio rango de costos y tamaños. La tabla 1 presenta un listado de ventajas y desventajas del uso de termas solares.

CUADRO N° 01VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE UNA TERMA SOLAR


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2. COMO OPERA UNA TERMA SOLAR

Tal como figura N°03, una terma solar consta principalmente de un colector y un tanque de almacenamiento de agua. A continuación detallamos el principio de circulación natural del agua en el sistema.

2.1. Terma solar con circulación natural: Efecto termosifón

La Figura N°04 describe el principio de circulación natural en una terma solar.

FIGURA N° 04CIRCULACIÓN NATURAL DEL AGUA

Cuando la radiación solar golpea la superficie del absorbente, se convierte rápidamente en calor. Las pérdidas de calor se reducen gracias a la cubierta y al aislamiento, de modo que el calor es recogido y transferido al agua en los tubos (ver 1). El agua se calienta y sube por el conducto superior (vea 2) hacia el tanque de almacenamiento (vea 3).

El agua caliente es más ligera que el agua fría, por lo que siempre encuentra su camino hacia el punto más alto del circuito.

Entonces, habrá un flujo que va desde el colector hacia el tanque de almacenamiento. A su vez, el agua caliente que sube desde el colector es sustituida por agua fría, vía el conducto inferior (ver 4). Por lo tanto, el agua fluirá desde la parte más baja del tanque de almacenamiento hacia la parte más baja del colector. De este modo se genera una


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circulación natural: el agua caliente sube desde el colector y, simultáneamente, el agua fría fluye del tanque de agua al colector. El agua fría en el colector será calentada nuevamente por la radiación solar, cerrando así el circuito. Un sistema basado en el principio de circulación natural es denominado sistema de efecto termosifón; es decir, sistema donde el sol constituye la fuente de energía. Dependiendo de la temperatura del medio ambiente y del grado de aislamiento del sistema, éste alcanzará temperaturas entre los 40º C y 90º C.

2.2. Terma solar de circulación forzada

El sistema de efecto termosifón es el más simple y adecuado para ser construido y utilizado en nuestro medio y a un costo mínimo. Por el hecho de trabajar sin una bomba eléctrica, no requiere conexión a la red de alumbrado público, cosa que es muy ventajosa en el Perú, ya que hay lugares que no cuentan con dicha conexión.

FIGURA N° 05CIRCULACIÓN FORZADA DEL AGUA

Por otro lado, en los lugares donde hay electricidad, es posible instalar un sistema de circulación forzada (vea la Figura N°05), es decir, un sistema en el que se emplea una bombaeléctrica para hacer circular el agua en el sistema. En un sistema de circulación forzada, los sensores de temperatura prenden la bomba eléctrica en el momento en que detectan una diferencia de temperatura mayor de 4º C entre la parte más baja del tanque de almacenamiento y la parte superior del panel. En comparación con el sistema de efecto termosifón, este sistema es ligeramente más eficiente en términos de energía. En términos de costos, el sistema de circulación forzada es más caro. Además del aumento de eficiencia, el sistema de circulación forzada permite, por lo general, colocar


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el tanque de almacenamiento más abajo que el panel, en el interior de los edificios, por ejemplo.

Otra razón por la que se utilizan sistemas de circulación forzada, es porque hacen del sistema una instalación resistente a la congelación. En climas muy fríos, cuando la temperatura baja de cero grados, el colector deberá estar vacío, o de lo contrario, deberá agregarse anticongelante al fluido del colector. En el primer caso, el tanque de almacenamiento es colocado más abajo que el colector y, sólo en caso de que haya suficiente luz solar, la bomba se pondrá en funcionamiento y el colector se llenará de agua. En el segundo caso, el circuito del colector y el circuito de agua deberán estar separados por un intercambiador de calor que reducirá la eficiencia de la terma solar.

Una terma solar consta de uno o más colectores, tuberías y un tanque de almacenamiento aislado. En las próximas secciones describiremos en forma detallada sus diferentes componentes.

2.3. El colector La parte más importante de una terma solar es el colector (vea la Figura 13). La función del colector es convertir la radiación solar en calor y conducirlo al fluido del colector, es decir, al agua en la mayoría de los casos. El colector consta de:

Un absorbente pintado de negro, del cual se extrae el calor mediante el fluido del colector, es decir, el agua.

Una cubierta transparente

Aislamiento en la parte posterior y a los lados del absorbente

Una cubierta de protección para el absorbente y su aislamiento.

FIGURA N° 06COLECTOR SOLAR


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El absorbente deberá tener las siguientes características:

Alta eficiencia de absorción; Bajo nivel de pérdidas de calor, es decir, un buen aislamiento; Un buen sistema de tuberías; Una buena conducción de calor entre la placa del absorbente y el fluido del

colector.

Existen tres tipos de absorbentes eficientes:

Absorbente de serpentín (vea la Figura 14) Absorbente de registro tubular (vea la Figura 15) Absorbente de placa (vea la Figura 16)

El Cuadro N°02 presenta las diferencias entre los tres tipos de absorbentes. Hay que resaltar que esta tabla registra los resultados de un estudio limitado, y sólo presenta información general sobre los siguientes parámetros: calor absorbido, eficiencia, costos y horas de trabajo. En cada prueba, el tanque contenía 60 litros de agua. El ingreso de energía durante todo el periodo de medición fue de 5 kWh, es decir, el ingreso de energía medida e integrada por computadora. Se midió entonces la temperatura final del tanque, y a partir de ésta, se calculó el calor recogido. Todas las demás condiciones fueron idénticas.


FIGURA N° 07ABSORBENTE DE SERPENTIN

FIGURA N° 08ABSORBENTE DE REGISTRO TUBULAR

FIGURA N° 09ABSORBENTE DE PLACA

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CUADRO N° 02PRUEBA DE COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ABSORBENTE

2.3.1. Material Absorbente

El absorbente puede ser de diferentes metales, como cobre, aluminio y acero. La característica más importante del material empleado para la construcción de un absorbente es la conductividad del calor, la que deberá ser la mayor posible. Si se compara al aluminio con el cobre como material estándar, se puede decir que un absorbente hecho de aluminio es aproximadamente 4% menos eficiente, sin embargo, el aluminio es más fácil de usar. El acero es más barato en comparación con los otros dos materiales, pero es más difícil de utilizar y además, un absorbente de acero es aproximadamente 10% menos eficiente.


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CUADRO N° 03RESULTADOS DE UNA PRUEBA DE COMPARACIÓN DE DIFERENTES MATERIALES

ABSORBENTES

Además del tipo de material, la eficiencia del colector se ve afectada por los siguientes factores: el grosor de la placa absorbente, el diámetro de la tubería y el método de conexión de la placa y la tubería.

Grosor de la placa absorbente. Una placa absorbente gruesa tiene un nivel de eficiencia más elevado, en comparación con una placa delgada. Esto se ilustra en el siguiente cuadro:

CUADRO N° 04PRUEBA DE COMPARACIÓN DEL GROSOR DE UNA PLACA ABSORBENTE DE ALUMINIO

En este ejemplo, una placa absorbente gruesa de aluminio es 8% más eficiente que una placa de 0.5 mm. Por supuesto, habrá un incremento en los costos de materiales y mano de obra.

Efecto del método de conexión de la placa y la tubería En la conexión entre la placa y la tubería, la conducción de calor tiene lugar desde la placa absorbente hasta la tubería, e incluso hasta el fluido. La conexión entre la placa y la tubería es muy importante para lograr un eficiente transporte de calor. Existen varios métodos para conectar la placa y la tubería:


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Vueltas de alambre; sólo hay contacto en ciertos puntos (vea la Figura 10)

Entretejido con tiras de metal; hay contacto en forma de líneas

Soldadura; se logra un contacto muy efectivo (vea la Figura 11)

La soldadura logra muy buen contacto entre la tubería y la placa; se aconseja utilizar absorbentes soldados tanto como sea posible.

Revestimiento del absorbente Un metal puro refleja mucha luz. Por esta razón, es necesario pintar o revestir el absorbente para aumentar su porcentaje de absorción de calor. El absorbente puede ser pintado con brocha o soplete y con pintura mate simple de color negro, cuyo porcentaje de absorción es, por lo general, de 90 - 95 (es decir, convierte en calor el 90-95% de la energía que absorbe). Por un lado, el absorbente mismo irradia calor al aumentar la temperatura. Por otro lado, las pinturas negras normales no impiden la radiación (es decir, la emisión de calor) al entorno; por el contrario, las superficies negras también tienen una emisión muy elevada (90) (vea la Figura 12).


FIGURA N° 10SERPEMTIN

FIGURA N° 11SOLDADURA


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Sin embargo, utilizando revestimientos selectivos se logra minimizar las pérdidas de calor originadas por alzas de temperatura en las superficies negras. Tales revestimientos ayudan a la absorción de radiación solar (onda corta) y, al mismo tiempo, impiden la emisión de calor (onda larga). Los revestimientos selectivos pueden reducir la emisión de las superficies negras a porcentajes tan bajos como un 10% (vea la Figura 13).

Resulta difícil fabricar un revestimiento selectivo espectral, por lo que la mayoría de fabricantes de termas solares adquieren piezas absorbentes completas, donde el revestimiento ya haya sido aplicado sobre un tubo y una aleta de cobre. También se pueden comprar revestimientos selectivos-espectrales en forma de láminas, que pueden ser adheridas al absorbente.

Para obtener una conexión efectiva y durable entre el revestimiento y el absorbente, es muy importante limpiar la placa de metal y las tuberías antes de sopletear, pegar o pintar. Utilice lija y solventes.

2.3.2. Cubierta transparente El colector cuenta con una cubierta transparente que ayuda a reducir las pérdidas de calor y a proteger la superficie del absorbente de la contaminación, alargando así la durabilidad del revestimiento. Se pueden utilizar los siguientes materiales:

vidrios láminas de plástico vidrio acrílico



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El siguiente cuadro presenta las ventajas y desventajas de estos tres materiales:

CUADRO N° 05VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DIFERENTES MATERIALES PARA CUBIERTAS

TRANSPARENTES

2.3.3. Caja del colector.La función principal de esta caja (vea la Figura 13) es proteger las diferentes partes del colector de elementos externos como la lluvia, la humedad y el viento. Puede ser construida de madera, metal y plástico.

La ventaja de utilizar madera es que dicho material es aislante, por lo que no será necesario aislar el interior del colector. La madera debe revestirse con una capa de pintura, pues tiende a malograrse bajo los efectos del agua y la luz solar.

Si la caja es de metal será necesario aplicar una capa de pintura protectora, excepto cuando se utiliza una lámina galvanizada o de aluminio. Los lados de la caja de metal deberán ser aislados para evitar las pérdidas de calor.

El aislamiento servirá para minimizar la pérdida de calor desde la parte posterior y los lados del colector, y deberá ser resistente a temperaturas mayores a 100ºC. Los materiales aislantes más comunes son el tecno por y la lana de vidrio. El


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colocar una lámina de aluminio entre el absorbente y el aislante permite una mayor reducción de pérdida de calor.

Conexión de varios colectores En el caso de sistemas más grandes que operen con varios colectores, es muy importante que éstos estén conectados en forma eficiente, con el fin de obtener una óptima circulación de agua. Hay varias formas de hacerlo. La Figura 14 presenta las conexiones recomendables y no recomendables para los sistemas de calentadores solares.


FIGURA N° 13CAJA DE COLECTOR

FIGURA N° 13CAJA DE COLECTOR

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2.4. Tanque de almacenamiento, uso del agua y abastecimiento de agua caliente.

Basándose en el contenido de las secciones anteriores, ya tiene una idea del funcionamiento del colector y de sus componentes. Esta sección describe los puntos referentes al almacenamiento de agua, la conexión del tanque y el colector, y el abastecimiento y uso del agua.

2.4.1. Tanque de almacenamiento.

Por lo general, el agua calentada por el colector no se utiliza inmediatamente, por lo que debe ser almacenada en un tanque. Puede construirlo o comprarlo (nuevo o usado). Para los sistemas más pequeños hasta los sistemas de 1000 litros, se pueden utilizar cilindros de aceite o contenedores de plástico en buenas condiciones. Existen dos tipos de tanques de almacenamiento (y de termas solares):

Tanques no presurizados (vea la Figura 15) Tanques presurizados (vea la Figura 16)


FIGURA N° 14Conexiones recomendables y no recomendable

Para diferentes colectores

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Los tanques no presurizados son más simples y baratos (se pueden emplear materiales más ligeros) que los tanques presurizados. Un tanque presurizado soporta altas presiones causadas por el aumento de temperatura (el agua se expande cuando se calienta) y por la misma presión del agua.

La Figura 15 ilustra las diversas entradas y salidas de un tanque de almacenamiento. En un sistema de calentamiento, es imprescindible que tanto la entrada de agua caliente que viene desde el colector como la salida hacia el usuario estén ubicadas por debajo del nivel de agua.

En el sistema de la Figura 15, el usuario sólo puede obtener agua caliente cuando hay un flujo simultáneo de entrada de agua fría. La entrada de agua fría se encuentra cerca del fondo del tanque con el fin de minimizar la alteración de los patrones de los flujos de agua en el sistema. Observe que la entrada de agua fría al colector está ubicada a varios centímetros sobre el fondo del tanque para evitar que la suciedad y las partículas entren en los tubos del colector (vea la Figura 17).


FIGURA N° 15

Tanque no presurizado

FIGURA N° 16

Tanque presurizado

FIGURA N° 17

Posición de la tubería de salida

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Puede encontrar tanques de almacenamiento de agua caliente de forma horizontal y vertical (vea la Figura 18). La estratificación del agua (agua caliente en la parte superior del tanque, agua fría en el fondo) es mejor en un tanque vertical que en un tanque horizontal. Ésta mejora el funcionamiento de la terma solar.

2.4.2. Aislamiento.

El tanque de almacenamiento de agua deberá ser aislado apropiadamente, con el fin de evitar pérdidas de calor durante la noche. Al colocar el aislamiento, es importante asegurarse de que no haya pérdidas de calor a través de las tuberías de entrada y salida. El mejor método para ello es aislar las conexiones de las tuberías de entrada y salida del tanque. Asimismo, el tanque de almacenamiento deberá ser colocado en un lugar más alto que el colector (por lo menos 30 cm más alto) para evitar la circulación natural invertida. El material aislante utilizado para el tanque deberá estar protegido contra la lluvia y la humedad, ya que pierde su poder al mojarse. Como material de protección se puede utilizar láminas de plástico o de metal galvanizado delgado.

2.5. Conexión entre el tanque de almacenamiento y el colector.

2.5.1. Tuberías de conexión.Las tuberías de conexión deben ser lo más cortas posible para ahorrar en materiales y para reducir las pérdidas de calor.

Las tuberías de conexión entre el colector y el tanque de almacenamiento deberán estar inclinadas ligeramente hacia arriba, en un ángulo de por lo menos 1º; es decir: una inclinación de 2 cm para 1 m de largo. Esta inclinación es necesaria para evitar la formación de burbujas de aire.


FIGURA N° 18

Tanques de almacenamiento vertical y horizontal

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Se debe evitar el uso de codos entre el tanque y el colector. Cada doblez angular aumenta la resistencia a la circulación y reduce el porcentaje de flujo que pasa por el absorbente, disminuyendo así la eficiencia.

El aire entra en el sistema con el primer flujo de agua, y en cada uno de los flujos posteriores. Al calentarse, el aire y los gases que están disueltos en el agua se liberan y tienen que ser extraídos del sistema. Si hay una burbuja de aire, la circulación puede paralizarse completamente, evitando que el agua caliente llegue al tanque.

2.5.2. Materiales adecuados para las tuberías.La temperatura de salida del colector rara vez excede los 90° C, por lo que es factible instalar tuberías de metal o plástico. Sin embargo, es importante verificar si la textura de las tuberías de plástico no se deforma debido a las altas temperaturas. Vale decir, que las tuberías de plástico tienen mayores desventajas. Cuando el colector está vacío por un lapso determinado (problemas en el abastecimiento de agua), su temperatura puede alcanzar los 100°C, 120°C o más y, cuando el agua empieza a fluir nuevamente, se produce vapor. El plástico en tuberías o material aislante no puede resistir estas temperaturas. Por esta razón, es preferible colocar tuberías de metal que son más durables bajo cualquier circunstancia.

2.5.3. Diámetro de las tuberías.

Una tubería de diámetro muy pequeño, reducirá el flujo debido al aumento de resistencia por fricción. El efecto de un flujo más pequeño es que el agua caliente permanece en el sistema de tuberías y en los colectores, lo que origina una constante pérdida de calor. Una tubería de diámetro demasiado grande también ocasiona una reducción en el flujo, y subsecuentemente, una mayor pérdida de calor. Para un sistema pequeño con un solo panel de 1 m2 y un tanque de almacenamiento de 60 litros, es suficiente utilizar tuberías de 16 mm de diámetro. Para sistemas más grandes, consulte el Cuadro, que contiene sugerencias acerca del diámetro interior de las tuberías de conexión en proporción al área de la superficie de panel.

CUADRO N° 06Sugerencias para el diámetro interior de las tuberías de conexión (mm)

En proporción al área de la superficie de panel (m2)


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2.5.4. Aislamiento de las tuberías.El aislamiento de las tuberías de conexión que van hacia y desde el tanque de almacenamiento al colector, tiene como finalidad aumentar la eficiencia de las termas solares. El mejoramiento de la eficiencia depende de la calidad del aislamiento y de los materiales utilizados.

2.5.5. Abastecimiento de agua.

Para garantizar el abastecimiento de agua al tanque de almacenamiento, el tanque de la terma solar puede ser conectado a uno de agua fría o a la red de servicio público (si es lo suficientemente confiable). Cuando el colector está vacío, es esencial contar con un continuo suministro de agua fría para evitar daños ocasionados por altas temperaturas. El tanque de agua fría debe ser colocado a un nivel más alto que el de agua caliente para que el agua fluya con facilidad (vea la figura 19). Para regular el nivel del agua en el tanque de agua fría, se coloca una válvula de flotador.


FIGURA N° 19

Válvula de flotador para la regulación del suministro de agua

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2.5.6. Superar las pérdidas nocturnas de calor.Por lo general, las tuberías de conexión de un sistema de efecto termosifón son colocadas fuera del tanque y del colector, y son aisladas (vea la Figura 20). Ligeros efectos tipo termosifón invertido se producen en las tuberías conectadas a la parte superior del tanque. Esto ocurre en periodos con ausencia de radiación y temperaturas externas más frías. De esta forma, se extrae calor del tanque de almacenamiento.

Esto puede evitarse aislando todas las conexiones de las tuberías del tanque, especialmente aquellas que se encuentran en la parte superior del mismo.

3. DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE UNA TERMA SOLAR.

3.1. Cálculo del consumo de agua caliente y del patrón de demanda.

Para establecer el tamaño óptimo de una terma solar para determinados clientes, primero necesita conocer la demanda de agua caliente. Para calcular el consumo de agua caliente y el patrón de demanda de una casa, hotel o empresa, es preferible utilizar medidores de energía (para medir el flujo y la temperatura del agua fría y caliente) durante un periodo de un año aproximadamente.

El resultado de esta medición permite un cálculo detallado de la demanda y del patrón de demanda (por día, por mes y por año). Si no fuera posible usar medidores de energía, por lo menos se puede medir el consumo de agua caliente de una semana, con lo cual se podrá calcular el consumo por mes y por año.

Otra opción para calcular el uso de agua caliente en un hogar es analizar mensualmente los recibos de agua. Para el promedio de familias, la cantidad de agua caliente utilizada constituye aproximadamente 25% del consumo total de agua.


FIGURA N° 20

Tuberías de conexión aisladas

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Si ninguno de estos métodos es factible, la demanda será calculada mediante reglas básicas, utilizando el siguiente cuadro para demanda de agua caliente (LPD = litros por día) a 60°C.

CUADRO N° 07CANTIDAD DE AGUA CALIENTE USADA POR DIFERENTES SECTORES

3.2. Diseño de una terma solar.

La energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia es una propiedad física conocida como el “calor específico” de dicha sustancia. El calor específico del agua (Cp) es 4200 J/kg.°C. Eso significa que se necesitan 4200 joules de energía para elevar en un grado centígrado la temperatura de un kilogramo de agua. Tomando como base los siguientes parámetros, se puede diseñar el colector de una terma solar:

Cp : calor específico del agua (4200 J/kg.°C)I : radiación solar de Lambayeque (4.9 kWh/m2); M : cantidad de agua caliente requerida (250 litros); T1 : temperatura del agua caliente requerida (60 °C); T2 : temperatura del agua fría (25 °C);Eeff : eficiencia de la terma solar (35%).

Figura N° 02Balance energético en un colector solar de placa plana


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Adaptaremos nuestro diseño de la terma solar a las necesidades de vivienda de alquiler de estudiantes universitarios de la UNPRG ubicada entre Libertadores y Solif Muro N°384 – Santa Rosa – Lambayeque.

El uso de agua caliente será exclusivamente para bañarse, teniendo en cuenta que el consumo promedio por persona será de 25 litros por día.

La vivienda en la que habitan 10 personas, consta de tres pisos y tiene las siguientes características:

Primer piso:Una sala de comedor, un espacio para tender ropa, cuatro habitaciones, y un baño. En este piso viven cuatro personas (estudiantes) ocupando una habitación cada uno.

Segundo piso:Tres habitaciones, un espacio para tender ropa, y un baño.En este piso viven tres personas (estudiantes) ocupando una habitación cada uno.

Tercer piso:Tres habitaciones, un espacio para tender ropa, y un baño.En este piso viven tres personas (estudiantes) ocupando una habitación cada uno.

El consumo diario de agua caliente (M) en esta vivienda a 42 °C será:

M=Npersonas ×ConsumoDiario PersonaM=10×25=250 litrosdiarios .

En primer lugar, se debe calcular la energía necesaria basándose en la diferencia de temperatura requerida entre el agua fría y caliente. La fórmula está dada en la siguiente ecuación (1). En el ejemplo 1 se realiza un cálculo basado en dicha fórmula.

Q=M ×C p (T1−T 2 )

Q=250 Litrosdia

×4200Jkg

. ° C (42−20 )=23.1MJ=6.42KWh

Una vez calculada la energía necesaria, se puede calcular el área de la superficie del colector, tomando en cuenta la radiación solar (I) y la eficiencia del sistema (Eef).


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Areadel colector requerida= QI× Eef

Areadel colector requerida= 6.424.9×0.35

=3.74m2

La radiación global varía durante el día, durante el año y también según la altitud y latitud. Para realizar los cálculos, puede utilizar el índice de radiación registrado para el Perú (ver anexos)

La eficiencia del colector depende, entre otras cosas, del tipo de colector, el aislamiento, la instalación, etc. Por lo general, la eficiencia de un sistema completo (colector y tanque), si se utiliza adecuadamente (!), está entre 25 - 50%. Podemos decir, como regla básica, que se puede utilizar un promedio de 35 - 40%.

Entonces, se necesita un área de superficie de paneles total de 3.74 m2para calentar 250 litros de agua a 42° C.

3.3. Tamaño del tanque de almacenamiento.

El tamaño del tanque deberá ser proporcional al requerimiento diario de agua. (250 litros). Si se instala un tanque más grande, el agua estará a una temperatura más baja durante los días de menor radiación. Un tanque más pequeño proporcionará agua caliente a temperatura más alta. Si un tanque es demasiado pequeño, se presentarán pérdidas de calor debido a la alta temperatura del flujo deentrada y probablemente, no pueda satisfacer la demanda completa de agua caliente. En días de mayor radiación, el tamaño del tanque deberá ser tal que la temperatura no exceda los 65 – 70° C.

3.4. Eficiencia de un sistema.

Se puede comparar la calidad de las termas solares y de los diversos tipos de colectores en base a su eficiencia. La eficiencia depende de cuánto de la energía suministrada se convierte en energía útil.

Eficiencia(% )=Energíaútil(Qu)

EnergíaSuministrada¿¿

La energía suministrada por las termas solares es la radiación solar que cae sobre la superficie del colector. La energía útil es la energía sustraída de la terma solar en forma de agua caliente.

La eficiencia de una terma solar está determinada, por supuesto, por la calidad de un sistema pero también, en gran medida, por su uso. En teoría, la eficiencia del sistema puede estar entre 0 y 100%, dependiendo del uso de agua caliente, que fluctúa entre 0


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litros/día hasta una suma infinita por día. Esta es la razón por la que es más útil y común hablar de la capacidad de una terma solar expresada en litros por día, que hablar de eficiencia.

Ahora, si Ud. desea comparar diferentes sistemas, puede ser útil medir la eficiencia de los mismos. Sin embargo, las circunstancias deberán estandarizarse y, al hablar de eficiencia, siempre deberán tomarse en cuenta los siguientes parámetros:

Temperatura del agua fría; Radiación; Temperatura del ambiente; Consumo de agua caliente (por ejemplo 100 litros/día).

Entonces, es posible calcular la salida de energía de la terma solar:

Qsalida=m×C p×(T 1−T 2)Qsalida=250×4200× (42−20 )=23.1MJ=6.42KWh

La entrada de energía es:

Qentrada=I × A

Qentrada=4.9KWh

m2×3.74m2=18.326KWh

Y la eficiencia es la relación entre las dos:

Eef=Qsalida

Qentrada

= 6.42KWh18.326KWh

=0.3274

3.5. Pérdida de calor en una terma solar

Si deseamos medir la capacidad del colector para permanecer caliente,puede llevar a cabo la prueba descrita en esta sección.

Nota: Estaprueba no mide la capacidad del sistema para absorber el calor del sol.Para medir la pérdida de calor en el tanque de una terma solar, se dejaenfriar poco a poco un tanque con agua caliente durante varias horas(de 8 a 24 horas). Durante ese lapso se mide la baja de temperatura delagua en el interior del tanque. Por lo general, un tanque de altoaislamiento tiene un valor de pérdida de calor de 1 - 2 W/°C.

Entonces, es posible calcular la salida de energía de la terma solar:

Qsalida=m×C p× (T 1−T2 )


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La entrada de energía es:

Qentrada=I × A

La eficiencia es la relación entre las dos:

Eef=Qsalida

Qentrada

Para nuestro caso calcularemos las pérdidas máximas que pueda tener.Las pérdidas máximas que pueda tener el agua del tanque es a la hora de la 12 am a 8am es hasta a 32°C, cuando la temperatura del exterior enfria su entorno.

La pérdida de temperatura en el tanque: supongamos que en el peor de los casos que luego de 8 horas la temperatura me registre en 34 °C.

Entonces la pérdida de temperatura es de 8°C.Las pérdidas de energía:

Q perdiadas=m×C p× (T 1−T 2 )

Q perdiadas=250×4200× (8 )

Q perdiadas=8.4MJ

La diferencia entre las temperaturas del ambiente y del agua en el tanque en un inicio, es de 32°C. El tiempo en el que el tanque se enfría (t) es de 8 horas, es decir 8 x 3600 segundos.

R=Q perdidas

t ×(T 2−T 1)

R= 8.40000008×3600×32

R=9.1 W°C


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4. INSTALACIÓN DE UNA TERMA SOLAR

4.1. Instalación de una terma solar A pesar de parecer una acción simple y rápida, la instalación de una terma solar es, quizás, la parte más complicada de todo el proceso. Se cometen fallas y errores con mucha facilidad, y está comprobado que tales errores (por lo general pequeños) son la causa de la mayoría de problemas de funcionamiento. No importa cuán pequeños puedan ser, pero si podemos decir que estos errores pueden acarrear graves consecuencias. La primera posibilidad, obviamente, es que el sistema no funcione adecuadamente después de la instalación; por ejemplo, que haya filtraciones en el sistema o que el agua no se caliente, son signos de que hay una avería. En consecuencia, el cliente protestará. Si bien el problema puede ser arreglado, esto le dará una mala reputación tanto al técnico que realizó la instalación, como a la compañía que hizo la venta. Este tipo de fallas puede ser evitado o detectado con una inspección visual del sistema completo inmediatamente después de la instalación (ver lista de verificación para la inspección de termas solares).Otra posibilidad es que, no obstante el sistema aparentemente funciona bien (es decir, no presenta fallas detectables a simple vista, por lo que el cliente no protestará), no lo hace óptimamente. Por ejemplo, si en un sistema de efecto termosifón, la red de tuberías del colector no ha sido construida adecuadamente, la resistencia en el circuito será muy alta y, por ende, el sistema no funcionará óptimamente. Si bien suministrará agua caliente, no utilizará toda su capacidad. Otro ejemplo es el de las termas con sistema de apoyo, con los cuales hay que ser especialmente cuidadoso. En esos casos, es posible que las termas no estén suministrando ni una gota de agua caliente, pero nadie se dará cuenta debido a la presencia del sistema de apoyo. A largo plazo, esto tampoco satisfará las necesidades del usuario final. Este tipo de errores sólo puede ser detectado realizando mediciones (ver la lista de verificación): hay que comparar la radiación con la salida del sistema. Esto es muy difícil pero puede ser bastante provechoso.

Ambas situaciones deben evitarse y pueden evitarse, si el técnico pone atención durante la instalación. Los errores más comunes son:

Errores de instalación: Los más comunes (pequeños) durante la instalación son:

Filtraciones en las tuberías y conexiones entre las tuberías, el tanque de almacenamiento y el colector.

Un trabajo de aislamiento inadecuado. Rotura de la cubierta de vidrio del colector. Error de inclinación de las tuberías del colector.


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Errores en los sensores de temperatura (cables equivocados, sensor “caliente” y “frío” prendido, conexiones eléctricas erradas).

Esto son errores pequeños que pueden ser evitados si el técnico realiza la instalación con cuidado y si inspecciona su trabajo.

Errores en el diseño: Entre estos errores encontramos:

Orientación completamente equivocada del colector Posición inadecuada del tanque de almacenamiento con respecto al colector Tuberías demasiado largas o de un diámetro muy grande entre el colector, el

tanque y los caños de agua caliente Mala conexión de las tuberías Tamaño inadecuado del tanque en comparación con el colector Conexión inadecuada de los colectores (en el caso de los sistemas con más de

un colector) Bombas demasiado pequeñas o demasiado grandes (en sistemas de circulación forzada).

En realidad, estos errores son más serios porque evidencian que quien diseñó/instaló el sistema no conoce bien el funcionamiento de una terma solar. En la parte práctica de este módulo, se instalará una terma solar simple. Esto le servirá de práctica. Pero tenga en cuenta de que cada marca de termas solares tiene sus propios requerimientos de instalación. El fabricante deberá especificar claramente sus requerimientos especiales en el manual de instalación. Por lo tanto:

¡Siempre lea el manual de instalación antes de empezar el trabajo!.

4.2. Inspección de una terma solar instalada Después de instalar una terma solar, el sistema y su instalación deben ser inspeccionados para asegurar un buen funcionamiento por un periodo prolongado. Si se instala un sistema comercial, el distribuidor deberá inspeccionar el sistema después de realizada la instalación. El Anexo 1 presenta un ejemplo de lista de verificación detallada, comúnmente usada para la inspección de sistemas hechos en casas y sistemas de termas solares disponibles en el mercado. La lista de verificación consta de las siguientes partes:

Información general Inspección visual Prueba y medición Opinión del usuario Lista de acción

Utilizando la lista de verificación es posible inspeccionar la correcta instalación y funcionamiento de todas las partes principales del sistema, y asegurarse de que haya sido bien instalado y funcione apropiadamente.


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4.3. Mantenimiento de una terma solar (qué hacer y qué no hacer)

Esta sección contiene un resumen sobre mantenimiento de termas solares, basado en un manual de operación y mantenimiento para los usuarios de termas solares.

Las termas solares de efecto termosifón requieren escaso mantenimiento, o en algunos casos, ningún tipo de mantenimiento. Debido al principio termosifón, no hay piezas móviles ni unidades de control que puedan fallar. El sistema trabajará automáticamente; pero hay ciertos procedimientos básicos que pueden ser llevados a cabo para mejorar el funcionamiento de la terma solar.

Las termas solares con bombas eléctricas y unidades de control requieren un mayor cuidado. El funcionamiento de la bomba y del colector deberá ser inspeccionado cada año.


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5. CONCLUSION.

Las termas solares, son dispositivos que transforma directamente la radiación solar en agua caliente, el uso más común es el doméstico y que permiten lograr ahorro de energía haciendo aprovechando lo que nos brinda la naturaleza y lo más importante no contaminando el planeta.

Aprovechamiento de la energía solar


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6. BIBLIOGRAFIA Y LINKOGRAFÍA.

Transferencia de calor J.P. Holman Transferencia de calor Junus A. Cengel http://www2.uacj.mx/publicaciones/colectores2.pdf http://energiaverde.pe/wp-content/uploads/2010/06/Manual_ES_termica.pdf http://www.construccion.org.pe/normas/rne2012/rne2006.htm http://perusolar.org/16-spes-cursosytalleres/LPTS_NTP-399405-rendimiento.pdf http://perusolar.org/16-spes-cursosytalleres/LPTS_399.400.2001_Eficiencie-

colectores.pdf.


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Consta de las siguientes partes:

1. El colector constituido por la placa absorbente y la caja térmica. La placa absorbente es la unidad receptora de la radiación solar que calienta el agua, y está formada por una plancha de fierro a la cual se adhieren una serie de tubos paralelos dentro de los cuales circula el agua. La caja térmica lleva en su interior la placa absorbente con un colchón de aislamiento.

2. El tanque de almacenamiento almacena el agua caliente hasta su utilización y está aislado para conservar el calor.

3. Las conexiones, que se usan para la circulación del agua entre el colector y el tanque durante las horas de sol, y de éste hacia la tubería de uso.

El agua fría ingresa por la parte inferior al colector y se calienta por el efecto de la radiación solar a medida que asciende por la placa absorbente. El agua caliente, que sale del colector, ingresa al tanque por la parte superior, mientras por la parte inferior sale el agua más fría hacia el colector, para circular continuamente durante las horas de sol.

La construcción de la terma solar es bastante sencilla y se presta a adaptaciones según los materiales disponibles.

La caja térmica es de 198 cm de largo x 15 cm de alto x 83 cm de ancho, recubierto de un vidrio grueso o dos en la Sierra. El fondo es de fierro o calamina plana, encima de la cual va el aislamiento (aserrín, lana, paja, tecknoport), luego otra plancha de fierro o calamina (pintada de negro); luego los tubos de fierro galvanizado o de plástico o una manguera de 3/4 pulgada de color negro (fijados a la plancha metálica), y encima el o los vidrios. Si son dos deben estar separados unos 2 cms. Todo debe estar bien cerrado para que no ingrese el agua de lluvia.

El tanque de almacenamiento puede ser un cilindro de 25 galones, con cuatro niples galvanizados (dos de 1 pulgada y 2 de 1/2 pulgada) y una boya de nivelación o flotador como el de los tanques sanitarios. El ingreso del agua fría de la red es por la parte lateral superior (niple de 1/2 pulgada), con el flotador y un tubo hasta casi el fondo del


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tanque, para que el agua fría entre al fondo. El ingreso del agua del calentador es por la parte lateral superior (niple de 1 pulgada). La salida del agua al calentador es por la parte lateral inferior (niple de 1 pulgada). La salida del agua caliente a la red de uso es por la parte lateral media del tanque (niple de 1/2 pulgada).

Los tubos de conexión del tanque con el calentador son de jebe o mangueras aisladas. El tanque y la tubería deben ser aislados con un forro de unos 8 cm de los mismos materiales indicados para la caja térmica. El mantenimiento debe ser constante: limpieza del vidrio de la caja térmica; sellado de los vidrios con masilla; repintado de las partes de madera; verificar el funcionamiento de la boya o flotador; inspección de la pintura interior del tanque; y control de cualquier filtración.

La terma solar se ubica en el techo de la casa al igual que el tanque. Si la casa tiene techo a dos aguas el tanque puede estar debajo del techo siempre que esté unos 60 cm más alto que la terma o calentador.


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