cálculo de un sistema de calentamiento de agua

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA – ENERGIA

ESCUELA DE INGENIERIA EN ENERGIA

EFICIENCIA ENERGETICA

“CALCULO DE SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA POR MEDIO DE

COLECTORES SOLARES PARA UNA VIVIENDA UNIFAMILIAR”

Asesor:

Ing. Oscar Tacza Casallo

Integrante:

Angel J. Yacila Alvarado

BELLAVISTA – CALLAO

2015

Dedicatoria

Le dedico primeramente mi trabajo a Dios que fue el creador de todas las

cosas, el que me ha dado fortaleza para continuar cuando a punto de caer he

estado; por ello, con toda la humildad que de mi corazón puede emanar.

De igual forma, a mis Padres, a quien le debo toda mi vida, les agradezco el

cariño y su comprensión, a ustedes quienes han sabido formarme con buenos

sentimientos, hábitos y valores, lo cual me ha ayudado a salir adelante

buscando siempre el mejor camino

Agradecimiento

Primero y antes que nada, dar gracias a Dios, por estar conmigo en cada paso

que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y por haber puesto en

mi camino a aquellas personas que han sido mi soporte y compañía durante

todo el periodo de estudio.

Agradecer hoy y siempre a mi familia por el esfuerzo realizado por ellos. El

apoyo en mis estudios, de ser así no sería posible. A mis padres y demás

familiares yaqué me brindan el apoyo, la alegría y me dan la fortaleza

necesaria para seguir adelante.

A mis maestros, gracias por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría

que me transmiten en el desarrollo de mi formación profesional, en especial al

Profesor Jaime Flores, por haber guiado el desarrollo de este trabajo y llegar a

la culminación del mismo.

INDICE

INTRODUCCION.......................................................................................................................6

RESUMEN..................................................................................................................................8

CAPITULO I...............................................................................................................................9

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................................9

OBJETIVOS.........................................................................................................................10

Objetivos generales.........................................................................................................10

Objetivos específicos......................................................................................................10

Justificación......................................................................................................................10

CAPITULO II............................................................................................................................12

MARCO TEORICO..............................................................................................................12

CAPITULO III...........................................................................................................................16

METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE COLECTORES SOLARES...........................16

Cálculos para el dimensionado del sistema termo solar................................................16

Obtención de datos de partida.......................................................................................16

Cálculo del volumen necesario de agua para las duchas..........................................16

Cálculo de la cantidad de energía necesaria para generar ACS..............................17

Determinación del área necesaria de colectores solares planos..............................18

Selección superficie colectora y número de paneles a utilizar...............................................18

Cálculos de pérdidas de carga del sistema de captación de calor..........................................19

Cálculo de volumen económico del estanque acumulador de ACS........................................23

Cálculo para el dimensionado del tanque de expansión........................................................23

CAPITULO IV...............................................................................................................................25

Análisis e interpretación de resultados.............................................................................25

Conclusiones........................................................................................................................25

Recomendaciones...............................................................................................................25

REFERENCIAS..............................................................................................................................26

ANEXOS...................................................................................................................................27

Anexo 1: Energía solar incidente diaria............................................................................28

Anexo 2: Calor que se necesita para eleva la temperatura al agua.............................29

Anexo 3: Calculo del área del colector.............................................................................30

Anexo 4: Porcentaje de generación de energía Anual..............................................31

Anexo 5: Cálculo de Perdidas de carga para el sistema termosolar.........................32

Anexo 6: Volúmenes del acumulador para cada mes del año..................................36

Anexo 7: Comparación de diferentes sistemas de calentamiento de agua...............37

INTRODUCCION

La irradiación solar es una de las variables más importantes, por ser la fuente

de energía utilizada en la gran mayoría de los procesos en nuestro planeta. No

obstante la importancia de esta variable, su medición es escasa debido a los

altos costos del instrumental de precisión requerido así como de su

mantenimiento, por lo que la red de medición en el Perú, como en muchos

otros países, es limitada. De otro lado, la gran variabilidad topográfica y

climática del territorio peruano obliga a tener que considerar redes más densas

y bien distribuidas a nivel nacional para una evaluación más precisa y

detallada de este recurso.

En este contexto se hace necesario utilizar herramientas para la generación de

datos de irradiación solar en zonas que no disponen de éstos, recurriendo a

diferentes métodos que permitan estimar esta variable en función de otras

variables o parámetros conocidos o de más fácil medición, como son la

heliofanía y temperaturas, las cuales son regularmente medidas en las

estaciones meteorológicas más comunes.

El agua caliente constituye un consumo energético importante en una casa

teniendo diversos usos como la higiene personal y la limpieza de la casa. A

nivel internacional existen algunos estudios de medida de este consumo. En

general se considera que un consumo medio típico es del orden de los 40

litros por día y persona. En los países en desarrollo este consumo constituye

entre el 30 y el 40% del consumo de energía de un hogar, este porcentaje es

mayor que en los países desarrollados, donde el consumo de energía para

producir agua caliente sanitaria (ACS) se supone del 26% del consumo total

de la vivienda. Pero, en general, a nivel mundial, se ha convertido en el

segundo uso energético doméstico en importancia después de la calefacción

y la refrigeración. Por esta razón, el calentamiento de agua mediante energía

solar, más allá de ser una alternativa ecológica, se ha convertido en una

tecnología económicamente atractiva y competitiva en muchos países.

En los últimos años se está produciendo un aumento notable de instalaciones

de energía solar térmica en el mundo; los avances tecnológicos permitieron la

fabricación de sistemas de mejor calidad y a menor costo y la sociedad está

entendiendo la necesidad de sustituir los combustibles fósiles.

Los colectores solares son dispositivos utilizados para colectar, absorber y

transferir energía solar a un fluido, que puede ser agua o aire. La energía

solar, puede ser utilizada para calentar agua, para sistemas de calefacción o

para climatización de piscinas.

Desde su primera invención, hace 120 años, se han desarrollado diversas

formas de colectores solares térmicos, que van de los colectores planos a los

colectores parabólicos y helióstatos. Se estima que en todo el mundo, el área

instalada de colectores solares supera los 58 x 106 m2. En Perú el uso de

colectores solares con este fin es muy bajo en contraste con otros países

como los europeos y China

Un colector necesita ser seleccionado cuidadosamente de acuerdo a la

temperatura del fluido que debe proporcionar, para la aplicación prevista y de

acuerdo al clima del lugar en el cuál va a estar emplazado. Un colector

diseñado para aplicaciones en las que se necesitan fluidos a alta temperatura

no resulta más eficiente cuando operan a bajas temperaturas.

RESUMEN

Actualmente, los equipos de energía solar no son accesibles para muchas

personas de bajos recursos. Con el objetivo de desarrollar colectores solares

para agua caliente de uso doméstico que puedan ser adquiridos por la mayor

parte de la población,el presente trabajo consiste en un estudio de factibilidad

técnico económico de un sistema termo solar para la generación de agua

caliente sanitaria para establecer energéticamente a los hogares (viviendas

unifamiliares ) a través de las duchas , en el cual mediante la utilización de

herramientas matemáticas y físicas dimensiona el sistema termo solar, para

posteriormente cuantificar de manera económica cada una de las partes

constituyentes de dicho sistema, entonces sólo así se obtienen conclusiones,

en relación a la generación de energía por el sistema y el costo de desarrollo

del proyecto, las cuales serán la herramienta fundamental en la toma de la

decisión de la viabilidad de la ejecución del proyecto.

En resumen, se ha encontrado que es recomendable usar un financiamiento no

superior a 10 años para adquirir los equipos y que el costo de los mismos sea

accesible a la mayoría de la población y así contribuir a mejorar la calidad de

vida en hogar.

CAPITULO I

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente nos encontramos sufriendo una crisis energética global, cada día

se puede observar como los precios de la electricidad aumentan. El principal

factor del aumento de los mismos es el hecho de que cada vez es más difícil

generar energía a partir de fuentes tradicional (petróleo) lo cual hace que esta

sea producida de forma más costosa.

En poco tiempo es probable que sea necesario recurrir a racionamiento de

electricidad ya que la demanda está en constante crecimiento y llegara a un

punto en que la oferta no logre satisfacerla, por lo tanto es necesario tener

presente las necesidades a cubrir, tomar en cuenta, que el ahorro de energía

(sea o no renovable), es parte de un consumo responsable y amigable al

medio ambiente, además de que beneficia a la economía familiar, además es

necesario buscar formas de producción de energía que sean amigables con el

medio ambiente ya que actualmente se está teniendo un serio impacto sobre el

mismo con la producción de electricidad.

Ante este escenario surge la necesidad de evaluar proyectos para las familias

de clase media peruana en el cual en su vivienda puedan ahorrar energía a

través de los colectores solares.

Pues bien, el problema que aquí se plantea está dado por el elevado consumo

de energía eléctrica y el costo que resulta de esta, junto con la dependencia de

centrales hidroeléctricas o de aquellas que utilizan combustibles para la

generación de electricidad, para lo cual es necesario buscar una forma

alternativa como los COLECTORES SOLRES el cual es económicamente

viable en comparación con otros dispositivos cuyo elevado consumo energético

provoca un alto costo económico para calentar el agua en una vivienda.

OBJETIVOS

Objetivos generales

Diseñar una instalación solar térmica de agua caliente sanitaria estándar

para una vivienda tipo unifamiliar.

Ser capaz de analizar y proponer una solución al problema de la

creciente demanda energética.

Desarrollar un proyecto que permita determinar la conveniencia de la

utilización de energías no convencionales para sistemas termo solares,

utilizando colectores solares.

Objetivos específicos

Aplicar los conocimientos aprendidos en clase y que estos permitan

hacer uso de las tecnologías existentes, para dar solución a un problema

observado

Evaluar la factibilidad técnica de la instalación de colectores solares en

una vivienda.

Al termino del trabajo ser capaz de mostrar las ventajas que tiene el uso

de dispositivos de alto consumo de energía, con sistemas de

alimentación termo solar.

Justificación

Podremos marcar los beneficios económicos; con la instalación de un

calentador solar, se pueden satisfacer la mayor parte de las necesidades

de agua caliente en una casa, sin tener que pagar combustible; aunque

la inversión inicial para adquirir una calentador solar es mayor a la de un

boiler convencional, el dinero invertido se recupera a corto plazo.

Cuidando el medio ambiente; ya que el uso de calentadores solares

ayuda al mejoramiento del entorno ambiental, pues los problemas de

contaminación en zonas urbanas y rurales no se deben únicamente a las

actividades industriales, sino también a la quema de gas LP (licuado del

petróleo) en miles de hogares.

Tanto el aire como el agua absorben el calor por contacto pero

cualquiera de ellos debe estar en movimiento para transmitir la

temperatura, como en el caso de los calentadores solares utilizando la

convección en un calentador solar la temperatura máxima del que he

obtenido a la salida de un colector es de 65°C.

CAPITULO II

MARCO TEORICO

El colector solar plano trabaja haciendo pasar un líquido a través de él,

convirtiendo la energía luminosa del sol en calor y elevando la temperatura del

líquido que fluye. Puede usarse agua pura, pero es mejor una solución

anticongelante.

Para atrapar la energía solar y convertirla en calor se utiliza un proceso que por

todos es entendido. Toda superficie negra expuesta al sol se pondrá más

caliente que una de cualquier otro color. Una pintura negra mate no brilla y por

lo tanto no pierde energía por reflexión. Por consiguiente, si una superficie se

pinta de negro mate y se pone un líquido en contacto con la parte posterior, el

líquido se calentará eficientemente. Este simple aparato es llamado el

“absorbente”. Usualmente es una lámina de metal con pasajes para el líquido

los cuales están pintados de negro mate por un lado.

Una vez que la energía solar se convierte en calor y que se absorbe por el

líquido, se debe aislar el absorbente térmicamente para prevenir pérdidas de

calor. La parte posterior del absorbente así como los lados deben aislarse con

fibra de vidrio o espuma de uretano. Sin embargo, en el caso del uretano, se

debe usar una cobija de una pulgada de fibra de vidrio para protegerlo de las

altas temperaturas. Las pérdidas de calor por el lado soleado del absorbente se

reducen con una cubierta de vidrios. El vidrio transmite la radiación solar de

alta energía (pequeñas longitudes de onda) hacia el absorbente y retarda la

radiación de pequeña energía (grandes longitudes de onda) que es emitida por

el absorbente caliente hacia el exterior, también evita que las corrientes de aire

lo enfríen.

En sí, las partes del colector solar son las siguientes: (1) el absorbente, para

convertir la radiación solar en calor, (2) la cubierta de vidrios para detener la

pérdida de éste hacia afuera, (3) el aislamiento de los lados y de la parte

inferior para impedir también la pérdida de calor. Todo esto se mantiene junto

por (4) el marco del colector.

Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar, en la mayoría de los

sistemas de calentamiento de un líquido por el sol se necesita un tanque de

almacenamiento para tenerlo disponible cuando se necesite. Este tanque debe

alimentar al colector solar y éste al primero.

El sistema que ayuda a la circulación del líquido puede ser una bomba con

controles automáticos o bien, dentro de un sistema propiamente diseñado y

construido esta circulación ocurrirá automáticamente por acción termosifónica

(llamada también convección natural o circulación por gravedad).

Si se aplica calor al lado izquierdo de un recipiente en forma de U con agua, la

densidad de él decrecerá considerablemente (véase Figura 1). El balance

entonces en el tubo se ve afectado y el agua fría más pesada en el lado

derecho fluirá para balancear la situación. Ésta a su vez se calentará y subirá;

por lo tanto un flujo se establece. El flujo continuará hasta que la fuente de

calor se retire o que la temperatura de todo el sistema sea la misma. En este

momento las densidades de las dos partes del tubo en U son iguales y el flujo

termina.

Estos principios de flujo por termosifón pueden ser usados con excelentes

resultados en un calentador solar (véase Figura 2). En tanto la energía solar

incida en el absorbente del colector y caliente el líquido que contiene, este

líquido (liviano) sube. Éste es empujado por el líquido frío (más pesado) en la

entrada del colector. En tanto que el líquido frío llega al absorbente, se calienta,

sube y más líquido frío empuja de la parte inferior del colector. Así se establece

FIGURA 1: MOVIMINETO DEL AGUA CUANDO SE LE ENTREGA CALOR

el flujo y continuará hasta que el líquido deje de ganar calor del sol, esto es,

hasta que ya no haya suficiente calor para subir la temperatura del fluido en su

paso por el absorbente. Nótese que no son necesarios ni termostatos, ni

relevadores, ni motores, ni bombas, ni electricidad.

Cuando el líquido que circula por los colectores es una solución anticongelante,

deberá usarse un intercambiador de calor dentro del tanque de

almacenamiento para sacar el calor de éste y poder utilizarlo para calentar

agua para uso doméstico o para calentar el aire de una habitación (véase

Figura 3).

FIGURA 2: SISTEMA BASICO DE COLECTOR SOLAR

El tipo de intercambiador de calor conveniente para un sistema

termosifónico, es el formado por unos 6 metros de tubo de cobre de ½

pulgada con forma de serpentín. Éste debe colocarse en la tercera parte

superior del tanque de almacenamiento del líquido (véase Figura 4).

FIGURA 3: SISTEMA DE COLECTOR SOLAR

CAPITULO III

METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE COLECTORES SOLARES

La solución propuesta es la utilización de un calentador solar de tipo placa

plana cerrado, elaborado con materiales y procesos de fabricación accesible.

FIGURA 4: SISTEMA DE COLECTOR SOLAR (MOVIMIENTO

POR TEMOSIFON)

Como en este caso con el calentador efecto invernadero; el efecto invernadero

es tan fácil como que el calor solar que entra a un lugar cerrado, se mantiene

porque al no circular el aire, este no se disipa.

El panel del calentador solar está cubierto con un vidrio que permite la entrada

de la luz solar, pero evita que el aire, por lo que la temperatura al interior de la

caja del calentador solar es mayor que la del medio ambiente.

Cálculos para el dimensionado del sistema termo solar.

Obtención de datos de partida.

Tomaremos como dato importante la Radiación incidente en el territorio

peruano (Anexo1), estos datos serán de suma importancia para el inicio de

todos los cálculos.

Cálculo del volumen necesario de agua para las duchas.Para determinar el volumen de agua necesario se establece una velocidad del

agua de las duchas del departamento o casa donde se realizara la instalación

del ACS que será de 1 m/s, como también un tiempo de 10 minutos de

utilización de las duchas. Las el diámetro de la tubería para la instalación serán

de 1/2 pulgada.

Entonces con estos datos calculamos el volumen de agua requerido para que

10 personas puedan ducharse con agua temperada.

El volumen de agua para 5 personas está dado por la siguiente expresión:

V̇ ( m3

día )=v (ms )× A (m2 )× t ( s)×n Ec .1

Donde:

A1 /2=π ×r2

4Ec .2

Sustituyendo el radio y queda:

A1 /2=π ×0,01272

4

A1 /2=0,000126677m2

Sustituyendo A en “Ec. 1” nos queda:

V̇ ( m3

día )=1(ms )×0,000126677 (m2 )×600 ( s)×5( personasdía )

V̇ ( m3

día )=0.38( m3

día )Cálculo de la cantidad de energía necesaria para generar ACS.

Considerando el volumen aproximado diario de 0.38m3 para la ducha de

5 personas con una duración de 10 minutos cada una. Se considerarán las

siguientes temperaturas medias de la red de agua:

Enero, Febrero, Marzo: 12(° C)

Abril y Mayo: 10(° C)

Junio, Julio, Agosto: 8(°C)

Septiembre, Octubre: 9(°C)

Noviembre, Diciembre: 10(° C)

Considerando que la temperatura deseada es de 45°C se presenta la siguiente

expresión para el cálculo de la energía necesaria para elevar la temperatura a

la deseada.

Qagua (Kcalmes )=Cagua ( Kcal¿×°C )×∆T (°C )×V̇ ( ¿

día )×N ( díames )Ec .3Donde:

∆T=(T deseada−T agua) ° C

Cagua=1Kcal

¿×°C

N=númerode díascorrespondiente al mes.

Sustituyendo las variables antes mencionadas en la ecuación se obtienen los

valores mensuales de energía necesarios para elevar su temperatura, desde la

temperatura mínima promedio del agua de red, hasta la temperatura de 45°C

necesaria para generar agua caliente sanitaria (Anexo 2).

Determinación del área necesaria de colectores solares planos.

No hay una regla general para seleccionar el área óptima de una instalación,

raramente el sistema se diseña para cubrir el 100% de las necesidades de

energía. Por lo tanto, se obtendrá el valor del área óptima por medio del

método del rendimiento promedio del colector, donde los rendimientos

aproximados promedio de los colectores solares planos varían desde 30% a

55%

Dicho concepto se establece en la expresión de energía disponible dado por:

E( Kcalmes )=ET ( Kcalm2×día )×η× Acol (m

2 )×N ( díames )Ec .4

Utilizando la energía necesaria para generar agua caliente sanitaria a 45 ° C,

como energía disponible en la expresión, obtenemos un valor para “Acol” para

cada mes del año dado por la siguiente expresión:

Acol (m2 )=

E( Kcalmes )ET ( Kcal

m2×día)×η× N ( díames )Ec .5

Asumiendo un rendimiento medio de un 50% para el colector se obtiene los

siguientes valores para Acolpara los diferentes meses del año como se ve en

Anexo 3.

Selección superficie colectora y número de paneles a utilizar.Como se observa en el Anexo 3, la cantidad de m2de superficie colectora para

las estaciones de invierno es extremadamente grande entonces se debe elegir

un área colectora de manera que entregue resultados considerables de

generación de energía en relación a un área colectora razonable. Según la

expresión (Ec.4) se desarrolla las tablas que podemos observar en el anexo 4

que mostrarán el ahorro de energía mensual y su correspondiente porcentaje

promedio de ahorro anual. El criterio decide que el área seleccionada debe

%Ahorro=E ( kcal

mes)

Qagua (kcalmes

)×100 Ec .6

presentar sobre un 40% de ahorro de energía promedio anual. El porcentaje de

ahorro estará dado por la expresión:

Las áreas colectoras con las que se confeccionan las tablas del Anexo 4 serán las siguientes:

A1=8m2

A2=10m2

A3=9m2

Entonces es necesario hacer mención, que el promedio de los porcentajes

fueron realizados sólo para 9 meses, de Abril a Diciembre, señalando con rojo

en la tabla los meses no considerados, debido a la alta radiación durante los

meses de vacaciones de verano.

En el Anexo 4 puede apreciarse que el porcentaje de ahorro para A1=8m2 es

del orden del 35.58% , porcentaje que está bajo el criterio considerado que

espera rendimientos del 40% de ahorro de energía anual.

También se puede apreciarse que el porcentaje de ahorro para A2=10m2 es del

orden del 44.48% , porcentaje que está por encima del criterio considerado que


En el tercer cuadro puede apreciarse que el porcentaje de ahorro para A3=9m2

es del orden del 40% , porcentaje que está en el criterio considerado que


Dado lo anterior, la alternativa escogida es A2 debido a que se encuentra en el

límite en cuanto al porcentaje de ahorro de energía, costos de operación, y

costos de construcción. Si el colector seleccionado anteriormente es de 2m2, el

número total de paneles a utilizar es de 4.5, pero por razones de construcción

se realizaran 5 colectores.

Cálculos de pérdidas de carga del sistema de captación de calor.El análisis de pérdidas de carga por escurrimiento del agua por las cañerías, se

efectúa a través de la expresión de Darcy – Weisbach para las pérdidas

primarias y la expresión de pérdidas secundarias, entrega los valores para las

pérdidas generadas por los accesorios del sistema termo solar.

La pérdida de carga por metro, se supone constante y se le determina sobre la

base de una velocidad máxima del agua en el interior del serpentín del panel

solar, donde el caudal recomendado es de 0,5<¿min por cada metro cuadrado

de superficie colectora. Lo que para un panel de 2m2 se traduce en 60<¿h, con

el fin de lograr una circulación lo suficientemente eficiente para la transmisión

del calor, y donde las pérdidas de cargas no sean excesivas como para obligar

a sobredimensionar y obtener por esa vía un mejor rendimiento del sistema.

Entonces el caudal de circulación para los 5 paneles de 2m2corresponde a

300<¿h .

La figura 2-14 muestra las medidas generales del serpentín del colector solar

plano. El número de tubos y accesorios del sistema de 5 paneles, es de 13

tubos de 1/2 pulgada de diámetro. El número de accesorios correspondiente es

de 10 codos de 90° de 1/2 pulgada.

Además de las pérdidas de carga producidas por los 5 paneles solares planos,

se debe considerar las pérdidas generadas por el circuito que une a los 5

paneles con el estanque, la bomba impulsora y el estanque de expansión. El

circuito de unión de los paneles con la bomba y el tanque de expansión consta

de 12mt de tubería de cobre y los accesorios corresponden a 3 codos de 90°, 4

válvulas de bola 1/2” , como se muestra en la figura 2-15.

FIGURA 5: SERPENTIN CAPTADOR DE CALOR

Las pérdidas primarias h fhf tanto para los 5 paneles como para el sistema de

tuberías de unión del circuito están dadas por la expresión de Darcy –

Weisbach.

h f=f ×L(m)v2(m

s)

D(m)×2 g(m2/s )Ec .7

El factor de fricción f es un factor adimensional que se requiere para hacer que

la ecuación (23) produzca valores correctos de las pérdidas, f no es constante y

dependerá de la velocidad, de la densidad, de la viscosidad y de la rugosidad

``e``, y se determina con el diagrama de Moody o por la siguiente expresión,

con las siguientes restricciones, 106≤ є/D ≥10-2, y 5000≤ R ≥108.

f= 1.325

( ln ( e (m )3.7×D (m )

+5.7ℜ0.9 ))

2 Ec .8

Donde ´´Re`` es el número de Reynolds y se determina de la siguiente forma:

FIGURA 6: SISTEMA DE COLECTOR SOLAR CON 5 PANELES

ℜ=4×Q(m3/s )

π ×D(m)×μ(N . sm2 )

Ec .9

El número de Reynolds crítico es alrededor de 2000, y la zona crítica donde el

flujo puede ser tanto laminar como turbulento va de 2000 a 4000.Si él flujo es

laminar el factor ƒ toma la siguiente forma:

f=64ℜ Ec .10

El cálculo de las pérdidas secundarias h e han sido obtenidas por medio del

método cinético, para el cual se usa la siguiente expresión:

he=k × v2

2×gEc .11

Donde la velocidad está dada por la expresión Ec. 12 sustituyendo el diámetro

de la tubería de en la expresión Ec. 2 se obtiene el área de la sección para el

diámetro de tubería y con esta área se obtiene la velocidad de circulación de la

siguiente expresión:

V=Q (m3 /s)/ A(m2)Ec .12

Para poder realizar los cálculos de pérdida de carga se asume que el caudal de

0.3m3 /h se distribuirá de manera que, para cada una de los 5 paneles el

caudal sea de 0,06 m3 / h el cual permitirá que en cada panel circule un caudal

de 0,06 m3 / h. Para que esta distribución de caudal se apegue a la realidad la

instalación debe estar bien construida y nivelada. Entonces solo así los

cálculos de pérdida de carga serán lo más exactos posible. Además de la

pérdida de los accesorios también, se suman a las pérdidas secundarias, la

pérdida del intercambiador de calor. Los cálculos de pérdidas primarias y

perdidas secundarias se muestran en los anexos 5.

Las pérdidas totales son:

H m=hf (m.c .a .)+hs (m.c .a .)

H m=16m.c .a .

La bomba a utilizar debe levantar 16 m.c.a. y funcionar con un caudal de 300

lt/h.

Cálculo de volumen económico del estanque acumulador de ACS.El volumen del tanque acumulador ACS es en función del calor entregado por

los 10 m2 de superficie colectora, si bien éste presenta un ahorro de un 40%

anual del total de la energía necesaria, durante Noviembre y Diciembre este

ahorro de energía llega hasta 80% para el volumen total de suministro de ACS

para 4 personas, ver Anexo 4, entonces el volumen económico del acumulador

es calculado en función de este máximo valor de calor entregado por los 10 m2

de colector, permitiendo obtener un volumen del acumulador en el cual los

paneles calienten el ACS, de manera que el ahorro sea del 100%, según la

expresión Ec. 6 y de la Ec. 3 podemos despejar el valor del volumen del

acumulador obteniendo la siguiente expresión:

V acum. ( ¿día )=

Qagua (kcalmes

)

Cpagua(kcal¿ . °C

)×∆T (° C)×N ( diasmes

)Ec .13

El Anexo 5, muestra los distintos volúmenes del estanque acumulador para los

diferentes meses del año.

Como se observa en el Anexo 5 el volumen escogido es el correspondiente al

mes de Noviembre con un valor aproximado de 390 Lt, durante este mes la

instalación termo solar tendrá su máximo rendimiento que corresponde al 100%

del ahorro de energía.

Cálculo para el dimensionado del tanque de expansión.En instalación se emplea un vaso de expansión cerrado, que dimensionaremos

mediante la siguiente expresión:

Vexp=Vt (0,2+0,01h ) Ec .14

El volumen de líquido dentro de los 25 paneles y el circuito de unión de los

paneles con el resto de los elementos del circuito, estará dado por la siguiente

expresión:

Vt=A (m2 )× L (m ) Ec .15

Donde los 5 paneles están compuesto de un serpentín de tuberías de 1/2” que

en su total suman 15.6m y el circuito de unión está formado por tuberías de

1/2“de 10m de largo, y considerando un volumen dentro del acumulador de 6lt

entonces con estos valores calculamos el volumen total del circuito.

Vt=[0,000126677m2×15.6m]+[0,000126677m2×10m+0,006m3]

Vt=9.243<.

Para un h= 1,2 (m) el volumen del vaso de expansión es:

Vexp=9.243<×(0,2+0,01×1,2)

Vexp=1.96<.

Debemos aproximar o sobredimensionar el tanque de expansión sobre 1.96 lt.

De acuerdo a volúmenes que encontremos en el mercado.

CAPITULO IV

Análisis e interpretación de resultados

Se está haciendo el cálculo para la instalación del sistema de calentamiento

solar por medio de placas planas, el número de placas que se necesitan para

calentar 380 litros es 5. Ahora se está asumiendo un tiempo de utilización de

10 minutos, lo cual podría variar, porque el agua se estime que se caliente a

45°C, este se podría mezclar con agua de la red y así poder temperarla,

haciendo que nuestro sistema ACS quede sobredimensionado, podríamos

hacer el cálculo estimando un tiempo de 5 o hacer el cálculo para trabajar con

un solo colector, pero esto dependerá de la conciencia en la utilización del

consumo del agua caliente.

Existe en el mercado ACS de poco consumo (ver anexo 8), en este trabajo se

brinda la metodología para así dimensionar grandes demandas de agua

caliente, proporcionando un Excel (programa CAS), donde ve varían algunos

parámetros, y obtendremos el área colectora para la demanda de agua caliente

requerida.

Pocas personas le dan importancia a la eficiencia energética, porque los

resultados no se ven en corto tiempo, con este trabajo se da a conocer cuánto

se podría ahorrar en comparación de un CAS con respecto a una terma

eléctrica, ducha eléctrica y terma a gas.

Conclusiones

Se diseña un sistema de calentamiento de agua por medio de colectores

solares para una vivienda unifamiliar, y se crea programa para cálculos

de otras demandas de agua caliente.

Las familias podrían tener un gran ahorro con este sistema.

Recomendaciones

Impulsar el conocimiento del manejo de las energías renovables, para

así hacer un gran impulso haciendo uso de una herramienta practica que

se denomina eficiencia energética.

Impulsar y dar a conocer el ahorro que se podría generar haciendo la

utilización de colectores solares.

REFERENCIAS

Colectores solares planos, Jenaro Carlos Paz Gutiérrez

EcoSolar CIR

Panapex SA

Cengel, 6tha Edición

Irvin Shames, 5tha Edicion

ANEXOS

Anexo 1: Energía solar incidente diaria

FIGURA 7: ENERGIA SOLAR INCIDENTE DIARIA

Anexo 2: Calor que se necesita para eleva la temperatura al agua

MES

ESVO

LUM

EN(L

T/DI

A)Cp

(kca

l/lt.

°C)

T(pr

omed

ia)

T(re

quer

ida)

∆T(°

C)N

(dia

s/m

es)

Qag

ua(k

cal/

mes

)EN

ERO

380

112

4533

3138

8740

FEBR

ERO

380

112

4533

2835

1120

MAR

ZO38

01

1245

3331

3887

40AB

RIL

380

110

4535

3039

9000

MAY

O38

01

1045

3531

4123

00JU

NIO

380

18

4537

3042

1800

JULI

O38

01

845

3731

4358

60AG

OST

O38

01

845

3730

4218

00SE

TIEM

BRE

380

19

4536

3142

4080

OCT

UBRE

380

19

4536

3041

0400

NO

VIEM

BRE

380

110

4535

3141

2300

DICI

EMBR

E38

01

1045

3530

3990

00

TABLA1: CALOR QUE SE NECESITA PARA ELEVA LA TEMPERATURA AL

AGUA

Anexo 3: Calculo del área del colector

MES

ESDI

AS/M

ESQ

agua

(kca

l/m

es)

nEt

(kca

l/m

2.m

es)

A(m

2)EN

ERO

3138

8740

0.5

7904

6.09

659

9.83

5779

8FE

BRER

O28

3511

200.

563

612.

9583

611

.039

2602

MAR

ZO31

3887

400.

558

055.

1031

213

.392

1044

ABRI

L30

3990

000.

531

819.

2740

325

.079

1391

MAY

O31

4123

000.

514

257.

1374

57.8

3769

75JU

NIO

3042

1800

0.5

7707

.553

556

109.

4510

72JU

LIO

3143

5860

0.5

1025

7.12

1884

.986

804

AGO

STO

3142

1800

0.5

2523

2.48

527

33.4

3309

19SE

PTIE

MBR

E30

4240

800.

542

068.

4163

620

.161

4435

OCT

UBRE

3141

0400

0.5

5438

5.26

463

15.0

9232

34N

OVI

EMBR

E30

4123

000.

575

774.

2533

310

.882

3243

DICI

EMBR

E30

3990

000.

567

535.

6507

311

.815

9815

TABLA2: CALCULO DEL ÁREA DEL COLECTOR

Anexo 4: Porcentaje de generación de energía Anual.

MESES DIAS/MES Qagua(kcal/mes) Et(kcal/m2.mes) A1(m2) E(kcal/mes) %AhorroENERO 31 388740 79046.09659 8 316184.386 81.33569644FEBRERO 28 351120 63612.95836 8 254451.833 72.46862424MARZO 31 388740 58055.10312 8 232220.412 59.73669097ABRIL 30 399000 31819.27403 8 127277.096 31.89902158MAYO 31 412300 14257.1374 8 57028.5496 13.83180927JUNIO 30 421800 7707.553556 8 30830.2142 7.309202045JULIO 31 435860 10257.1218 8 41028.4872 9.413226082AGOSTO 31 421800 25232.48527 8 100929.941 23.92838812SEPTIEMBRE 30 424080 42068.41636 8 168273.665 39.67969851OCTUBRE 31 410400 54385.26463 8 217541.059 53.00708054NOVIEMBRE 30 412300 75774.25333 8 303097.013 73.51370684DICIEMBRE 30 399000 67535.65073 8 270142.603 67.70491301



TABLA 3: PORCENTAJE DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ANUAL



Anexo 5: Cálculo de Perdidas de carga para el sistema termosolar.El cálculo de pérdidas es en base a una distribución de caudales por tramo, como el mostrado en las figuras 17 a la 22, correspondiente a cada panel y el circuito de distribución. Para obtener hf según la Ec. 7, se debe determinar el factor f según la Ec. 8 y 10, el cual se obtiene mediante la determinación del valor de “Q”, “v”, y “R”.

Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 8.33333E-05 0.6578418 8354.57065 0.03267195 0.819114362 8.09444E-05 0.638983669 8115.07296 0.03293722 0.779099613 7.85833E-05 0.620344818 7878.36012 0.03321067 0.740407044 7.62222E-05 0.601705967 7641.64729 0.03349619 0.702571515 7.38611E-05 0.583067116 7404.93445 0.0337947 0.665598396 0.0000715 0.564428265 7168.22162 0.03410728 0.629493267 6.91389E-05 0.545789414 6931.50878 0.03443509 0.59426196

TOTAL 4.93054612

FIGURA 8: DISTRIBUCION PANEL 1

TABLA 6: PERDIDAS EN EL PANEL 1


Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 6.66111E-05 0.525834879 6678.08681 0.03480443 0.557519192 6.42222E-05 0.506976747 6438.58912 0.03517258 0.523729283 6.18611E-05 0.488337896 6201.87628 0.03555645 0.491231094 0.0000595 0.469699045 5965.16345 0.03596216 0.459633545 5.71389E-05 0.451060194 5728.45061 0.03639193 0.428944076 5.47778E-05 0.432421343 5491.73778 0.03684832 0.399170537 5.24167E-05 0.413782492 5255.02494 0.03733428 0.37032122

TOTAL 3.23054892

Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 4.98889E-05 0.393827958 5001.60296 0.03789126 0.340469852 0.0000475 0.374969826 4762.10527 0.03845692 0.31325193 4.51389E-05 0.356330975 4525.39244 0.03905852 0.287309164 4.27778E-05 0.337692124 4288.6796 0.03970818 0.262330295 4.04167E-05 0.319053273 4051.96677 0.04041288 0.238326756 3.80556E-05 0.300414422 3815.25393 0.0411811 0.215310927 3.56944E-05 0.281775571 3578.5411 0.04202329 0.19329617

TOTAL 1.85029505




Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 3.31667E-05 0.261821036 3325.11912 0.04302178 0.170853562 3.07778E-05 0.242962905 3085.62143 0.04407556 0.150731623 2.84167E-05 0.224324054 2848.90859 0.0452447 0.131900344 2.60556E-05 0.205685203 2612.19576 0.04656957 0.11413925 2.36944E-05 0.187046352 2375.48292 0.04808909 0.097470136 2.13333E-05 0.168407501 2138.77009 0.04985737 0.081917897 1.89722E-05 0.14976865 1902.05725 0.05195235 0.06751085

TOTAL 0.8145236




Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 1.66667E-05 0.13156836 1670.91413 0.05442515 0.054579442 1.42778E-05 0.112710228 1431.41644 0.05761803 0.042404473 1.19167E-05 0.094071377 1194.7036 0.06172041 0.031642474 9.55556E-06 0.075432526 957.990768 0.06735831 0.022204195 7.19444E-06 0.056793675 721.277933 0.07582059 0.014168176 4.83333E-06 0.038154824 484.565098 0.09065828 0.007645987 2.47222E-06 0.019515973 247.852263 0.12776961 0.00281926

TOTAL 0.17546398

Perdida por la línea de alimentación

Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion PerdidaL.A. 8.33333E-05 0.6578418 8354.57065 0.03267195 27.3038118

hp=11m.c .a

Perdidas Secundarias

Aproximadamente

hs=5m.c . a .


TABLA 11: PERDIDA LINEA PRINCIPAL

Anexo 6: Volúmenes del acumulador para cada mes del año

MES

ESDI

AS/M

ESAc

olEh

(kca

l/m

es)

Vol.e

stnq

(lt/d

ía)

ENER

O31

1039

5230

.483

386.

3445

581

FEBR

ERO

2810

3180

64.7

918

344.

2259

652

MAR

ZO31

1029

0275

.515

628

3.74

9282

1AB

RIL

3010

1590

96.3

702

151.

5203

525

MAY

O31

1071

285.

687

65.7

0109

401

JUN

IO30

1038

537.

7677

834

.718

7097

1JU

LIO

3110

5128

5.60

944

.712

8238

9AG

OST

O31

1012

6162

.426

410

9.99

3397

SEPT

IEM

BRE

3010

2103

42.0

818

194.

7611

869

OCT

UBRE

3110

2719

26.3

232

243.

6615

799

NO

VIEM

BRE

3010

3788

71.2

667

360.

8297

778

DICI

EMBR

E30

1033

7678

.253

732

1.59

8336

8

TABLA 12: VOLÚMENES DEL ACUMULADOR

Anexo 7: Comparación de diferentes sistemas de calentamiento de agua

FIGURA 13: COMPARACIÓN DE DIFERENTES SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA

cálculo de un sistema de calentamiento de agua

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