02 disec3b1o y construccic3b3n de un calentador solar con materiales de bajo costo

7/25/2019 02 Disec3b1o y Construccic3b3n de Un Calentador Solar Con Materiales de Bajo Costo

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Resumen

La implementacin de calentadores solares para el calentamiento de agua comienza a tener unmayor auge en nuestro pas por el alto costo de los combustibles fsiles, estos dispositivos reducenhasta un 80% el uso de estos combustibles, reflejando as no solo un ahorro econmico sino tambinun menor dao ambiental. En el mercado existen dos tipos de calentadores solares; los de tubo alvaco que alcanzan temperaturas hasta de 200C y los calentadores planos que alcanzantemperaturas de 80C. Actualmente la adquisicin de estos calentadores solares resulta un tantodifcil, ya que por ser considerados nueva tecnologa su costo es elevado. El principal objetivo fue laelaboracin de un calentador solar plano de bajo costo,para esto los materiales con lo que seconstruy son reciclados, buscando siempre que la eficiencia de este, sea equivalente a loscomerciales. En esta primera etapa se realizuna evaluacin tanto terica como experimental al

colector de placa plana para determinar las prdidas de calor que podran presentarse y as

Diseo y Construccin de un Calentador Solar con

Materiales de Bajo CostoR. Mendoza-Rojas, B. Ruiz-Camacho, O. Martnez-Alvarez.*

Ingeniera en Energa. Universidad Politcnica de Guanajuato. Avenida Universidad Norte s/n, Juan Alonso Cortzar, Gto.

Palabras clave:calentador solar, colector de placa plana, materiales reciclados.

Introduccin.

El calentamiento de agua constituye un gasto energtico importante en el hogar teniendo diversos usoscomo la higiene personal y la limpieza de la casa. A nivel internacional existen algunos estudios referentes aeste consumo. En general se considera que un consumo medio tpico es del orden de los 40 litros al da porpersona. En los pases en desarrollo este consumo constituye entre el 30 y el 40% del gasto de energa de

un hogar, este porcentaje es mayor que en los pases desarrollados, donde el consumo de energa paraproducir agua caliente sanitaria, se supone del 26% del consumo total de la vivienda [1]. A nivel mundial, seha convertido en el segundo uso energtico domstico en importancia despus de la calefaccin y larefrigeracin. Por esta razn, el calentamiento de agua mediante energa solar, ms all de ser unaalternativa ecolgica, se ha convertido en una tecnologa econmicamente atractiva y competitiva enmuchos pases.

En los ltimos aos se est produciendo un aumento notable de instalaciones de energa solar trmica enel mundo; los avances tecnolgicos permiten la fabricacin de sistemas de mejor calidad, menor costo y lasociedad est concibiendo la necesidad de sustituir los combustibles fsiles.

Los colectores solares son dispositivos utilizados para colectar, absorber y transferir energa solar a unfluido, que puede ser agua o aire. La energa solar, puede ser utilizada para calentar agua, para sistemas decalefaccin o para climatizacin de piscinas. Desde su primera invencin, hace 120 aos, se handesarrollado diversas formas de colectores solares trmicos, que van desde los colectores planos a loscolectores parablicos y helistatos. Se estima que en todo el mundo, el rea instalada de colectores

solares supera los 58x106

m2. En Amrica Latina el uso de colectores solares con este fin es muy bajo en

contraste con otros pases como los europeos y China [2]. Para calentar agua a temperatura media, para


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calefaccin de espacios y para procesos industriales, las aplicaciones ms utilizadas son los colectoresplanos, en los cuales el rea de la superficie absolvedora es la misma que el rea total del colector; otubulares, en los que el absorbedor se encuentra dentro de un tubo de vidrio al vaco. Estos ltimospueden incluir, ya sea dentro o fuera del tubo, espejos cilindros-parablicos para centrar la energa solar enel absorbedor. Temperaturas de 40 a 70 C son alcanzadas fcilmente por los colectores planos; el uso desuperficies selectivas y reflectores junto a la retencin de calor, hace que los colectores de tubos de vacoalcancen temperaturas significativamente ms elevadas que van de 70 a 177 C.

Un colector necesita ser seleccionado cuidadosamente de acuerdo a la temperatura del fluido que debeproporcionar, para la aplicacin prevista y de acuerdo al clima del lugar en el cual va a estar emplazado.Con la finalidad de contribuir en el tema y siendo el colector de placa plana la parte en donde la energasolar incide de forma directa, se llev a cabo el diseo y construccin de dicho colector (Fig. 1) y suutilizacin en un calentador solar plano, como el que se muestra en la figura 2, fue construido de materialesreciclados, con la finalidad de disminuir hasta un 50%de su costo. Los materiales empleados para laconstruccin fueron, madera, aluminio, vidrio templado, lamina, tubo y conexiones de pvc hidrulico,pintura negra mate y unicel. Para la eleccin de la tubera se evaluaron tres distintos materiales: cpvc,

cobre y latas de aluminio, los cuales fueron pintados de color negro y expuestos a radiacin solar, lastemperaturas obtenidas en los diferentes materiales son presentadas en la figura 3, en donde se observaque el aluminio presenta una ligera temperatura mayor que los otros materiales evaluados incluso sobre elcobre que presenta una mayor conductividad trmica, sin embargo las latas dealuminio al tener paredesms delgadas que la tubera de cobre aumenta la conduccin de calor y se manifiesta en un ligero aumentode temperatura mayor que el de cobre.

Figura 1.Colector de placa plana construido de materiales reciclados.

Figura 2.Calentador solar de placa plana [3].


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Figura 3.Temperaturas obtenidas en la evaluacin de distintos materiales y radiacin solar.

Primero se llev a cabo la construccin de la base donde se ubica el vidrio, al ser de un automvil y tenerfigura de trapecio estar definiendo la forma y dimensiones del colector, las medidas son 2.17 m. x 1.89 m. y

con un ancho de 0.5m, formando as la cubierta del dispositivo. Las latas de Aluminio fueron unidas consilicn para altas temperaturas formando as pequeas secciones de la tubera, posteriormente seacoplaron codos de pvc hidrulico de 1 in pues coincide su dimetro exterior con el dimetro interior delas latas, de esta forma la tubera adquiere una configuracin en serpentn. La tubera est unida a la placade lmina metlica utilizando abrazaderas constituidas con las mismas latas de Aluminio evitando asmovimientos, dando mayor soporte y rigidez, para que la tubera no pueda separase. Con la finalidad deevitar prdidas de calor por los lados y la parte de abajo del colector se colocaron hojas de unicel comoaislante con un espesor de 0.05m que a su vez est cubierto por lmina tratando de mantener un equilibriode temperaturas. Para los clculos tericos de prdidas de temperatura es importante definir lascaractersticas de los materiales. Espesor del aislante en el fondo y a los lados de 0.05 m. Distancia entre

placa y cubierta 0.08 m. Emitancia de la placa de absorcin (pelcula selectiva) y del vidrio, 0.12 y 0.88respectivamente. Inclinacin del colector 22. Temperatura promedio de la placa de absorcin 70.0 CAltura del colector 0.16m. Conductividad trmica del aislante 0.06 W/m C. teniendo en cuenta lascondiciones de temperatura y velocidad de viento promedio en lugar donde se instalara el colector,temperatura ambiente de 23.8 C y una velocidad de 1.8m/s.

Para evaluar la prdida global de calor se sigui la metodologa establecida por diferentes autoresacoplando las caractersticas de nuestros materiales [4-7]. Se determin el coeficiente de prdidassuperiores considerando una temperatura promedio en la placa absolvedora de 70 C. utilizando lasiguiente ecuacin:

achrhwcphrcphc

Ut

,

1

,,

11 (1)

Se determin el coeficiente convectivo.

0

200

400

600

800

1000

1200

20

30

40

50

60

70

80

7:12 9:36 12:00 14:24 16:48

Temperatura(C)

Tiempo (h)

Aluminio

Cobre

cpvc

Radiacin

Radiacin

(W/m2)


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CmWvhw 2

/54.12)8.1(8.37.58.37.5 (2)

La temperatura promedio de placa Tp, suponiendo una temperatura de cubierta, Tc inicial, igual a 45 C(restando 30 C a la temperatura de placa).

TaTc

TsTcTsTcTsTcachr c

22

, (3)

Se considera que la temperatura del firmamento Ts, es igual a la temperatura ambiente Ta, as la ecuacinanterior se reduce a:

22, TsTcTsTcachr (3.1)

KmW

xachr

222

8

/774.515.29515.318

15.29515.31888.01067.5,

Despus, hr, p-c se calcula por la ecuacin

111

,22

cp

TcTpTcTpcphr

(4)

KmWcphr

xcphr

2

228

/992.0,

188.0

1

012

1

15.31815.34815.31815.3481067.5,

Nmero de Rayleigh

va

TLgRa

3

(5)

5

25

3

1019.21088.115.333

7.0)31815.348(81.9x

xRa

El nmero de Nusselt es el coeficiente convectivo entre la placa y cubierta

KmWL

KNucphc 2/382.3, (6)

Se obtiene el coeficiente de perdidas


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KmWUt 2

/436.3

774.5241.10

1

992.0382.3

1

1

Ahora se determina una nueva temperatura de la cubierta la cual es:

K

cphrcphc

TaTpUtTpTc 84.306

,,

(7)

Se calcul las prdidas de borde e inferiores

CmWL

KUb 2/2.1

05.0

06.0 (8)

El permetro exterior fue usado para calcular las prdidas del borde:

Ac

PGcL

K

Ue

(9)

CmWUe 2/735.0

015.1

09.091.62.1

Finalmente el coeficiente global de prdidas del colector es

UeUbUtUL

(10)

CUL 25.565W/m0.7351.23.629

Conclusiones.

La finalidad de utilizar materiales reciclados fue disminuir costos y evaluar con un material diferente a loque usualmente se utiliza, el cobre. Este material reciclado es de aluminio, donde las caractersticas detransferencia de calor son menores a las del cobre, sin embargo el espesor que se utilizaconvencionalmente es mayor al utilizado en este proyecto y esta es una ventaja clara bien utilizada en laparte de conductividad del metal al fluido. El colector de placa plana es la parte esencial en un calentador

solar, en esta parte del proyecto se evalu la perdida de calor en dicho colector y presenta una buenaeficiencia, sin embargo las prdidas del colector se pueden reducir an ms al tener un mejor aislante, enuna segunda etapa se evaluara y construir el termo tanque, el cual se acoplara al colector, paradeterminar las prdidas totales del sistema y por consiguiente su eficiencia global.


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Agradecimientos.

A la Universidad Politcnica de Guanajuato mediante el Programa de Fortalecimiento Institucional (PIFI),por su apoyo en la presentacin de este trabajo en este foro. Tambin a Juan Manuel Rojas Pea por suapoyo para realizar este proyecto.

Referencias

[1]

White Paper ISES (Internacional Solar EnergySociety)- Un Futuro Para el Mundo en Desarrollo Basada enlas Fuentes Renovables de Energa. DieterHolm, D.Arch. 2005.

[2] C. Placco. L. Saravia. C. Cadena. Colectores solares para agua caliente. INENCO, UNas CONICET.[3] http://www.alternativaenergetica.com.mx/calentador-solar-hipotecas-verdes.html[4] C. A. Flores barrios. M. M. Ruiz amelio Evaluacin tcnica y experimental de un colector solar plano instalado

en la uam-i Mxico, D.F. abril 2005.[5] Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente rea de Desarrollo Sostenible y Salud

Ambiental Organizacin Panamericana de la Salud. Oficina Sanitaria Panamericana Oficina Regional de laOrganizacin Mundial de la Salud. Teora para el diseo de calentadores solares de agua.

[6]

C. Agustn. L. Martnez Daz. V Sousa Santos. Clculo de una instalacin solar trmica y fotovoltaica.[7] A. C. Gonzlez. P. A. Rodrguez Aumente. Diseo de una instalacin solar trmica multipropsito para unedificio de viviendas en granada.

*Corresponding author: [email protected]

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