colectores solares clcr.uns.edu.ar/fae/images/fae2019_clase15... · colectores con tubos evacuados...
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COLECTORES SOLARES
Colectores con tubos evacuados o de vacío
Buscan aumentar la eficiencia (producción de calor útil)
Para reducir las pérdidas térmicas por convección (reducción de la transmitancia térmica UL) se produce vacío entre el absorbedor y la cubierta transparente.
Por razones constructivas (resistencia mecánica a la implosión y estanqueidad) se utilizan tubos cilíndricos de vidrio.
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COLECTORES CON TUBOS EVACUADOS O DE VACÍO
Rendimiento
El análisis del rendimiento es similar al de colectores planos.
Disminuyen el coeficiente UL , menor pendiente.
Para colectores planos , para vacío
Son más eficientes para mayores diferencias de temperaturas (climas fríos o procesos industriales) y menor radiación.
26 W/m KLU 21 W/m KLU
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COLECTORES CON TUBOS EVACUADOS O DE VACÍO
Aspectos constructivos
Compromiso al determinar la separación óptima entre los tubos.
Tubos muy juntos bloquean la radiación unos a otros con ángulos de incidencia grandes.
Tubos muy separados ocupan mucho espacio y disminuyen el rendimiento global del colector.
La separación óptima es del orden del diámetro del tubo. Suelen alcanzarse relaciones de área total de absorbedor respecto al colector de 0,6.
Puede emplearse una superficie reflectora difusa por debajo.
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COLECTORES CON TUBOS EVACUADOS O DE VACÍO
Aspectos constructivos (cont.)
Vacío en los tubos
Para eliminar la convección y minimizar la conducción se requieren niveles de vacío del orden de 1 Pa (10-5 atm.)
Para tener una vida útil razonable es necesario emplear materiales de alta calidad (más costosos).
Se debe mantener la estanqueidad por largo tiempo en condiciones de intemperie y ciclados térmicos (contracciones y dilataciones).
Existen dos clases de tubos
Sin sello metal-vidrio: utilizan el vaso de Dewar.
Con sello metal-vidrio: son más proclives a tener pérdidas debido a las diferentes tasas de dilatación de los materiales.
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COLECTORES CON TUBOS EVACUADOS O DE VACÍO
Tecnologías sin sellos metal-vidrio
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COLECTORES CON TUBOS EVACUADOS O DE VACÍO
Tecnologías con sellos metal-vidrio
Sellos en ambos
extremos
Ambos sellos en
un extremo
Único sello en
un extremo
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COLECTORES CON TUBOS EVACUADOS O DE VACÍO
Tecnologías con sellos metal-vidrio (cont.)
Heat-pipe
Se basa en el cambio de fase del fluido en el tubo interior de cobre (heat-pipe)
Absorbe calor en la parte inferior, se evapora y sube hacia el extremo que está en contacto con el fluido de trabajo.
Cede calor al fluido en la parte superior, se condensa y desciende por gravedad.
Debe estar inclinado / Sello único
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COLECTORES CON TUBOS EVACUADOS O DE VACÍO
Tecnologías con sellos metal-vidrio (cont.)
Heat-pipe (cont.)
Contacto seco con fluido de trabajo (simple de reemplazar).
Vitosol 300-T
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SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Producción de agua caliente sanitaria (ACS)
Es la aplicación más difundida, sencilla y económica de la energía solar térmica.
Para aplicaciones residenciales el costo del sistema es aún relativamente alto frente al costo de un sistema convencional.
Para que el mercado se desarrolle se necesitan incentivos o imposiciones reglamentarias del Estado.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Elementos principales
Captadores o colectores
Reciben la energía del sol y la transfieren al fluido.
Intercambiador de calor
Separa los circuitos hidráulicos(depende del fluido utilizado)
Acumulador
Almacena el calor proveniente de los colectores para el uso posterior.
Fuente auxiliar o apoyo
Complementa el aporte solar en los períodos en los que no se produce suficiente calor con el sistema solar térmico.
CAPTACIÓN INTERCAMBIO ACUMULACIÓN APOYO
CIRCUITO
PRIMARIO
CIRCUITO DE
CONSUMO
CIRCUITO
SECUNDARIO
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
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CAPTACIÓN INTERCAMBIO ACUMULACIÓN APOYO
CIRCUITO
PRIMARIO
CIRCUITO DE
CONSUMO
CIRCUITO
SECUNDARIO
Elementos complementarios
Circuitos hidráulicos
Interconectan los distintos subsistemas y permiten transportar el calor (tuberías, bombas, válvulas, tanque deexpansión, intercambiador de calor, etc.).
Circuito primario: circulación del fluido por colectores y conexión con el intercambiador.
Circuito secundario: circulación del fluido del intercambiador al acumulador.
Circuito de consumo: transporte de agua potable de consumo desde la acometida (ingreso agua fría), pasando por el acumulador y sistema de apoyo, y distribución a los puntos de consumo.
Sistema eléctrico y de control
Se encarga de la operación del sistema (arranque y parada de bombas, control de temperatura, etc.)
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Colectores
Es la parte más importante del sistema.
Debe resistir las condiciones de intemperie (lluvia, granizo, polvo, etc.) y las variaciones de temperaturas .
Normalmente se utilizan colectores planos con una superficie aprox. de 2 m2
por colector y un peso de 15 a 25 Kg/m2.
En los casos que la diferencia de temperaturas sea importante se justifica el empleo de colectores con tubos evacuados.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Intercambiador de calor
Transfiere calor de un circuito hidráulico a otro y permite separar circuitos con distintos fluidos
Pueden usarse mezclas de agua con anticongelante en el circuito de captadores, como por ejemplo propilenglicol (no tóxico, no inflamable, 40% para ~-20°C).
Elimina sarro y disminuye el riesgo de corrosión en el circuito primario.
Pueden ser externos (figura) o internos (en el acumulador)
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Acumulador
Es necesario contar con un acumulador debido a la imposibilidad de sincronizar el recurso con la demanda.
Debe mantener la calidad sanitaria del agua, colaborar en la eficiencia del sistema y evitar las pérdidas térmicas.
De acuerdo a la posición del eje mayor pueden ser horizontales o verticales.
Pueden incorporar intercambiadores de calor en su interior.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Acumulador (cont.)
A medida que el agua se calienta, disminuye su densidad y asciende.
El agua caliente se acumula naturalmente en la parte superior del tanque y si no hay circulación interna se produce un gradiente vertical de temperaturas (estratificación). Es afectado por la orientación.
Horizontal: temperatura del agua más homogénea, poca estratificación, se requiere más energía para alcanzar temperaturas altas.
Vertical (preferible): mayor estratificación, temperaturas más altas en la parte superior y más bajas en la inferior.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Acumulador (cont.)
Con intercambiadores de calor incorporados.
Normalmente son de tipo serpentín, de cobre o acero inoxidable (figura). También existen de doble envolvente o haz de tubos.
Se ubica en la parte inferior del tanque, donde el agua está más fría. Favorece la estratificación y los colectores operan con menordiferencia de temperatura (mejor rendimiento).
Puede tener otros intercambia-dores: para salida de calefacción y/o apoyo externo.
El agua de consumo ingresa por la parte inferior y egresa por la superior (sobre un costado).
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Acumulador (cont.)
Sin intercambiadores de calor
La estratificación es afectada por el agua del circuito secundario (calor proveniente de colectores). Debe evitarse el flujo entre capas de agua a distinta temperatura.
Tomas del intercambiador externo
La entrada de agua debe ubicarse entre el 50 y el 75% de la altura. Si el agua está más caliente que la del tanque se irá hacia arriba y si está más fría irá hacia abajo y no se mezcla con la de la parte superior.
La salida de agua hacia el intercambiador externo debe ubicarse entre el 5 y el 10% de la altura.
Tomas del agua de consumo
Ingresa por la parte inferior (10%) a través de un difusor (para evitar la destrucción de la estratificación)
Egresa por la parte superior (90-100%). Deben evitarse volúmenes no útiles.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Fuente auxiliar o de apoyo
Consisten en fuentes de energía térmica convencionales, tales como calderas o calefones que funcionan con electricidad, gas natural o licuado, leña, etc.
Aseguran la continuidad en el abastecimiento
Se dimensiona como si no existiera el sistema termosolar.
Se acoplan de diferente manera.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Circuitos hidráulicos
Incluye los componentes para completar todos los circuitos
Intercambiadores
Bomba de circulación
Válvulas (de paso, de seguridad, antirretorno, mezcladoras)
Tuberías
Vaso de expansión: absorbe variaciones de presión y volumen del fluido, normalmente de tipo diafragma (compatible con fluido).
Purgador de aire
Sensores (manómetros, termómetros,caudalímetros)
Grupos de transferencia prearmados
FLUIDO
MEMBRANA
GAS
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Sistemas eléctricos y de control
Se encargan del funcionamiento del sistema
Activación de las bombas cuando la temperatura del agua en colectores es mayor a la del acumulador (mayor a 7°C, detenido con menos de 2°C)
Temperatura del acumulador
Control de válvulas mezcladoras
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Esquema típico
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Clasificación según el tipo de fuente auxiliar
En línea o instantáneo
En acumulador auxiliar
Integrado en acumulador
INSTANTÁNEO EN ACUMULADOR
AUXILIARINTEGRADO
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Clasificación según el circuito de intercambio
Sistemas abiertos o directos
El fluido de los colectores se almacena en forma directa.
No hay intercambiador.
Riesgo de congelamiento e incrustaciones.
Sistemas cerrados o indirectos
Circuitos separados para colectores y carga.
Se evita congelamiento e incrustaciones en el circuito de colectores.
Se puede presurizar el circuito de consumo.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Clasificación según la forma de circulación del fluido
Circulación natural o termosifón
El movimiento se produce por la diferencia de densidades del fluido.
Más compactos.
Menor mantenimiento.
Saltos de temp. de 15 a 25°C entre colector y tanque.
Circulación forzada
La bomba (centrífuga) se encuentra en el circuito primario.
Mayor flexibilidad en la instalación.
Más eficientes.
Más elementos.
Mayor caudal y menor saltode temperatura 8 a 15°C.
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Clasificación según acoplamiento de sistemas
Compacto
Integrado
Partido
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Instalaciones
Criterios básicos
Para más de 10 m2 de colectores se requiere circulación forzada y sistema indirecto. Para más de 50 m2 se recomienda intercambiador externo.
De acuerdo al tamaño se recomienda modular baterías de colectores y agruparlas. Cada grupo debe tener el mismo número de baterías para que el sistema esté equilibrado.
El rendimiento de la instalación aumenta con el volumen de acumulación.
Para el dimensionamiento del acumulador suele tomarse como guía
O en función del consumo medio diario
Se recomienda tomar caudales en el circuito primario entre 30-60lt/h, siendo más habituales 40-50 lt/h por m2 de colectores.
2 260lt/m 120lt/mACU
COL
V
A
0.8 ACS ACU ACSV V V
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Diseño del sistema solar térmico
El diseño es un proceso iterativo. Se busca determinar la mejor instalación para un uso específico en un lugar determinado.
El comportamiento térmico depende de muchos factores pero se pueden agrupar en tres grupos principales de parámetros:
De uso: determinan la demanda de energía térmica.
Volumen de consumo, temperaturas de consumo y de agua fría.
Climáticos: determinan la energía disponible para transformar en calor
Irradiación global diaria media mensual sobre el colector, temperatura ambiente media diaria mensual.
Funcionales: dependen de la instalación solar propiamente dicha.
Colectores (cantidad, rendimiento, etc.), acumulador (volumen, aislación, etc.), intercambiador (eficiencia), fluido (caudales, tipo), sistema de control.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Diseño del sistema solar térmico (cont.)
El proceso incluye los siguientes pasos
Definición y valoración de los parámetros de uso.
Selección de la configuración básica.
Cálculo de la demanda y consumo de energía térmica.
Obtención de los parámetros climáticos.
Selección de los parámetros funcionales.
Cálculo de las prestaciones energéticas.
Si el resultado no es el buscado se puede cambiar la configuración o modificar los parámetros funcionales.
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Determinación de los parámetros de uso
Volumen de consumo diario de agua caliente VACS
Se calcula utilizando valores medios diarios de referencia de acuerdo al tipo de edificio (vivienda, hospital, residencia, etc.)
Existen valores estándares para una temperatura de agua caliente de referencia (normalmente 45°C).
Se usa una temperatura de referencia porque en una instalación se puede requerir agua caliente a diferentes temperaturas.
Para una vivienda se toman 40 lt/día/persona (valores en general menores que los utilizados tradicionalmente 50 o 60 lt.)
Para otra temperatura (T ) diferente a la de referencia se corrige con
45 C
45 C AFACS ACS
AF
TV T V
T T
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Determinación de los parámetros de uso (cont.)
Temperatura del agua fría de entrada TAF
En conexiones a red se toma la media mensual.
Temperatura del agua caliente T
Se diferencian tres temperaturas de acuerdo al lugar de la instalación
De preparación (Tp): temperatura de salida del acumulador
De distribución (Td): temperatura a la que se envía el agua a los puntos de consumo.
De uso (Tu): temperatura requerida en el punto de consumo.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Cálculo del consumo de energía térmica
Demanda diaria de energía térmica DEACS
Una vez definidos los parámetros de uso se obtiene la energía necesaria para aumentar la temperatura del volumen de agua de consumo VACS desde la temperatura de entrada TAF hasta la de uso TU
El perfil del consumo a lo largo del día va variando pero en general los efectos son de segundo orden respecto al consumo medio.
Con los valores medios diarios para cada mes se obtiene la demanda media diaria para cada mes y luego la demanda de energía anual.
Pérdidas térmicas asociadas a la demanda PTDEM
Se deben considerar todas las pérdidas (circuitos de alimentación, distribución y recirculación, y preparación).
ACS P U AF ACS UDE C T T V T
Agua
ρ = 1000 kg/m3
Cp = 4.186 kJ/kg K
DEM ALI DIS REC ACUPT PT PT PT PT
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Cálculo del consumo de energía térmica (cont.)
Consumo diario de energía térmica CEACS
Es la cantidad de energía térmica que es necesario emplear para poder abastecer la demanda:
Es necesario evaluar las pérdidas térmicas para diferentes condiciones de demanda (±50% del valor de diseño).
ACS ACS DEMCE DE PT
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Determinación de los parámetros climáticos
Para el proceso de cálculo se necesita conocer
Radiación global diaria (media mensual) sobre el plano de los colectores.
Temperatura ambiente diaria (media mensual).
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Selección de los parámetros funcionales
Para calcular las prestaciones energéticas se necesita conocer
Superficie de captación útil Ac (m2)
Número de colectores
Superficie de apertura del colector.
Rendimiento del colector
Volumen específico de acumulación VACU/Ac (lt/m2)
Caudales e intercambiador
Caudal másico específico en circuitos primario y secundario (kg/s m2)
Calor específico en circuitos primario y secundario (J/kg K)
Eficiencia del intercambiador ε
y R R LF F U
1 2
1pC 2pC
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Cálculo de las prestaciones energéticas
Capacidad del sistema para aportar energía térmica a la demanda en las condiciones climáticas dadas.
La evaluación se hace cuantificando el porcentaje de la demanda que es cubierto por el sistema solar, denominado fracción solar f
ASA: aporte solar anual. Energía que aporta el sistema termosolar a la demanda (kWh o MJ) al año.
DEA: demanda de energía anual
ASAf
DEA
La diferencia entre la curva azul y la roja
debería ser aportado por la fuente auxiliar
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Método de cálculo f-chart
Permite estimar la fracción solar, es decir la producción anual de calor útil, de una determinada instalación
Es aplicable al calentamiento de ambientes (agua y aire) y producción de agua caliente.
Es un método empírico derivado a partir de numerosas simulaciones numéricas (programa TRNSYS).
Suficientemente preciso y muy utilizado para estimaciones medias mensuales, pero no es válido para períodos de menor duración.
Se desarrollaron para tres configuraciones típicas
Calefacción y producción de ACS con almacenamiento en agua.
Calefacción y producción de ACS con almacenamiento en piedra.
Producción de ACS con almacenamiento en agua.
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Método de cálculo f-chart
Esquema considerado por el método para producción de ACS
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Método de cálculo f-chart (cont.)
Para cada mes, se obtiene la fracción de ahorro solar f a partir de dos parámetros adimensionales X e Y.
Relación pérdidas del colector/demanda total
Relación energía absorbida/demanda total
R L REF a cF U FIC T T t CV CT AX
DE
R n n cF FIC H N AY
DE
2
: corrección por intercambiador de calor
: 100 C
: temperatura ambiente media mensual
: cantidad de segundos en el mes
: área de colectores (m )
REF
a
c
FIC
T
T
t
A
: demanda a abastecer por el sistema (J)
: promedio de la eficiencia óptica real/normal (0.94 planos,
0.97 tubos vacío con abs. plano y 1 con cilíndrico)
: radiación media mensual sob
n
DE
H
2re la superficie (J/m )
: cantidad de días del mesN
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Método de cálculo f-chart (cont.)
Factor de corrección por el intercambiador de calor (FIC)
Donde ε es la eficiencia del intercambiador, es la capacidad calorífica específica del fluido del circuito primario, es el caudal másico específico y
el calor específico de la mezcla anticongelante.
1
11 1R L
P
FICF U
nC
PnC
2
Caudal por colector lt/skg/lt
mmezcla
C
nA
n
PC
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Método de cálculo f-chart (cont.)
Corrección por volumen del tanque de almacenamiento
El método considera una capacidad estándar de 75 litros/m2 de colectores. Para otras capacidades se corrige el parámetro X con el factor CV
En el caso que se use también para calefacción se puede corregir Y para considerar el intercambiador de calor.
0.25
275 lt/m
ACU CV ACV
0.5 4CV
Rango de validez
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Método de cálculo f-chart (cont.)
Corrección por temperatura del agua caliente
La temperatura de referencia es de 100°C, para considerar otra temperatura de preparación se corrige el coeficiente X mediante
11.6 1.18 3.86 2.32
100
P f a
a
T T TCT
T
: temp. mínima de preparación agua caliente
: temp. del agua fría (de red)
: temp. ambiente media
P
f
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T
T
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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Método de cálculo f-chart (cont.)
Fracción de ahorro solar para cada mes
2 2 31.029 0.065 0.245 0.0018 0.0215f Y X Y X Y
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