estos dos pesos se calcula la cantidad necesaria de...
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4-50
estos dos pesos se calcula la cantidad necesaria de nanopartículas.
3. De igual manera se pesan las nanopartículas de óxido de aluminio en la balanza
analítica hasta tener el peso calculado.
4. Con el agitador magnético se realiza la primera dispersión por 15 minutos.
5. Se divide en dos volúmenes iguales y se intercala entre los dos mezcladores
ultrasónicos durante 30 minutos hasta completar 3 horas de agitación.
6. Repetir el procedimiento hasta producir los 6 litros de nanofluido.
En la tabla 4.1 se muestran las especificaciones de los equipos e instrumentos utilizados
para la preparación de nanofluidos.
TABLA 4.1 Instrumentos utilizados para preparar los nanofluidos
INSTRUMENTO DESCRIPCIÓN IMAGEN
Nanopartículas Marca: Sky Spring
Tipo: Nanopartículas de óxido de
aluminio
Tamaño de partícula: 5 nm
Pureza: 99.9%
Morfología: Fibrosa Balanza de brazo
triple
Marca: OHAUS
Modelo: TJ611
Capacidad: 610 g
Sensibilidad: 0.1 g
Balanza analítica Marca: Cole-Parmer Symmetry
Modelo: PA220
Capacidad: 220 g
Legibilidad: 0.0001 g
Mezclador ultrasónico Marca: Branson
Modelo: 1510R-DTH
Potencia: 70W
Sonicador Marca: Hielscher
Modelo: UP200S
Potencia: 200W
Volúmenes de trabajo: 0.1 a 2000 mL
En la figura 4.3 se puede observar el nanofluido producido en el laboratorio siguiendo el
procedimiento descrito.
4-51
FIGURA 4.3 Nanofluido producido
4.2.2 Descripción del experimento de conductividad térmica del nanofluido
En la figura 4.4 se presenta la configuración del sistema para el experimento de
conductividad térmica.
FIGURA 4.4 Sistema de pruebas para el experimento de conductividad térmica
7
1
2
3
4
5
6
1. Baño a temperatura constante2. Termómetro digital3. Medidor de conductividad4. Hielera5. Serpertín6. Nanofluido7. Temperatura del agua8. Bomba
8
4-52
Al dispersar nanopartículas en el fluido base (agua) se espera que la conductividad
térmica del nanofluido sea mayor que la del fluido base, por lo que se realizó un
experimento para comprobar la mejora de esta propiedad térmica.
Para realizar las pruebas de conductividad del nanofluido se debe realizar el siguiente
procedimiento tomado de Payán & Patín (2012):
1. Usar una pequeña hielera con agua para colocar el envase de 40 mL con el
nanofluido. El agua será el medio con el que se controlará la temperatura
mediante un pequeño serpentín conectado a un baño a temperatura constante.
2. Colocar el nanofluido en el envase a medir, cerciorarse que la aguja del aparato
no toque las paredes del contenedor ya que se puede tener resultados erróneos.
3. Si la prueba se va a realizar a temperatura ambiente, se debe esperar unos 20
minutos, aproximadamente, hasta que la temperatura del agua y del nanofluido
se estabilicen. Controlar la temperatura en la hielera con el termómetro digital.
4. Si la prueba se va a hacer a una temperatura mayor a la ambiente, se debe fijar la
temperatura en el baño a temperatura constante y esperar de 20 a 30 minutos a
que se estabilicen las temperaturas.
5. Realizar la toma de datos, por sugerencia del manual del equipo se debe esperar
15 minutos entre cada toma de datos y el error debe ser menor a 0.0083 en todas
las pruebas.
4.2.3 Instrumentación del experimento de conductividad térmica
En la tabla 4.2 se presenta el detalle de la instrumentación utilizada en el experimento
de conductividad térmica.
4-53
TABLA 4.2 Instrumentación del experimento para medir conductividad térmica
INSTRUMENTO DESCRIPCIÓN IMAGEN
Medidor de conductividad Marca: Decagon devices
Modelo: KD2 Pro
Exactitud: 5%
Rango: 0.02 – 2 W/mK
Velocidad de medición: < 2 min
Termómetro digital de
laboratorio
Marca: Omega
Modelo: HH311
Rango: 0 a 100% HR y -20 a 60 ºC
Rango T2: -200 a 1370 ºC
Precisión: ± 2.5 % HR y ± 0.7 ºC
Precisión T2: ± [0.5% rdg ±1 ºC]
Baño a temperatura constante Marca: Cannon Instrument
Company
Modelo: CT-500
Precisión: ± 0.01 ºC
Rango: 20 a 100 ºC
4.3 EXPERIMENTO INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA
El sistema de pruebas del intercambiador de calor tiene los siguientes componentes:
• 1 Intercambiador de calor de 2 pasos en tubos y 2 paso en coraza
• 2 tanques
• 2 bombas centrífugas
• 1 resistencia eléctrica de 500 W para calentar el fluido
• 1 chiller para enfriar el fluido
• 4 termopozos
En la figura 4.5 se presenta la configuración del sistema de pruebas del intercambiador
de calor y en la figura 4.6 se muestra el sistema desarrollado en este trabajo.
4-5
4
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4-56
En la figura 4.7 se presenta una imagen del intercambiador de calor de tubo y coraza
usado en las pruebas.
FIGURA 4.7 Intercambiador de calor
4.3.1 Descripción del sistema de pruebas de intercambiador de calor
El experimento se basa en comparar las características térmicas del nanofluido (Al2O3
en base agua al 0.5% de composición en peso) con las del agua destilada, utilizando un
intercambiador de calor de tubo y coraza de 2 pasos en tubos y coraza (ver Anexo B
para especificaciones geométricas). Para esta comparación se utiliza el banco de
pruebas desarrollado en este trabajo en donde se tienen dos líneas: una fría que se
mantiene a bajas temperaturas utilizando un chiller y una caliente usando una
resistencia eléctrica de 500 W. En la figura 4.8 se puede observar la resistencia utilizada
en el tanque de la línea caliente y en la figura 4.9 se muestra el serpentín conectado al
chiller para la línea fría.
4-57
FIGURA 4.8 Resistencia eléctrica
(Línea caliente) FIGURA 4.9 Serpentín conectado al
chiller (Línea fría)
En el banco de pruebas se pueden medir las siguientes variables: flujo másico,
temperatura de entrada y temperaturas de salida (lado coraza y tubos). En la línea
caliente se hará circular el nanofluido y en la fría agua destilada, con esto se podrá
observar el aumento de la temperatura del agua por acción del nanofluido. Con los datos
recolectados se realizará el análisis de transferencia de calor con el método descrito en
la sección 2.3.2.
También se instaló un panel de control con todas las conexiones eléctricas (en el Anexo
C se puede observar el diagrama eléctrico), el cual consta de 4 contactores, 2 guarda
motores, 3 interruptores termo magnéticos, 1 paro de emergencia, 4 interruptores
bandera y 1 controlador de temperatura. En la figura 4.10 se observa el panel de control
funcionando y en la figura 4.11 se muestra el interior del mismo.
FIGURA 4.10 Panel de control FIGURA 4.11 Interior del panel de
control
4-58
4.3.2 Instrumentación del experimento intercambiador de calor
En la tabla 4.3 se muestran los instrumentos seleccionados para el sistema de pruebas
del intercambiador de calor.
TABLA 4.3 Instrumentación Experimento Intercambiador de Calor Tubo y
Coraza
INSTRUMENTO DESCRIPCIÓN IMAGEN Intercambiador de calor Marca: Thermal Transfer
Products Ltd. Modelo: 4F351 (EK-708-T-R) Temperatura máxima: 120 ºC Presión Coraza: 500 Psi Presión Tubos: 150
Termopozo configurado por el usuario
Marca: Omega Tipo de termopozo: Estándar Material del termopozo: Acero inoxidable 304 Diámetro de la rosca: 1/2" NPT Largo del termopozo: 4” tronco y 2.5” inserción Tipo de termopar: T Unión: Conectado a tierra Estilo de la cabeza: NB2 cabeza de aluminio de tamaño mediano
Cable de grado extensión tipo T
Marca: Omega Aislamiento: Neoflon FEP Calibre: 20 AWG Longitud: 200 ft
Bomba Centrífuga Marca: Shimge Modelo: SGJS600 Flujo máximo: 40 L/min Potencia: 0.8 HPVoltaje: 127 V Amperaje: 5.2 A
Chiller Marca: Polyscience Modelo: LS5 Temperatura de trabajo: -20 a 40 ºC Estabilidad de la temperatura: ± 0.1 ºC Capacidad de enfriamiento: Sobre los 1290 W @ 20 ºC
4-59
4.4 EXPERIMENTO COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA CON
NANOFLUIDOS
Para las pruebas en el colector, ubicado en la casa solar, se tienen los siguientes
componentes:
• Colector solar de placa plana
• Tanque de almacenamiento (26 litros)
• 4 termopozos
• 1 flujómetro
• 1 bomba centrífuga
• 1 intercambiador de calor
• 1 resistencia eléctrica de 500 W En la figura 4.12 se muestra la configuración del sistema del colector solar de placa plana.
FIGURA 4.12 Sistema del colector solar para las pruebas
El colector que se usó en las pruebas es de la marca GREENoneTEC Modelo FK 8231
Marco Mediterráneo, el cual esta diseñado específicamente para regiones con
condiciones desérticas o marítimas. Está equipado con un absorbedor resistente a la
corrosión y un recubrimiento altamente selectivo. El colector ha sido diseñado, para
resistir vientos de 150 km/h y 1.25 kN/m2 de caída de nieve, (GREENoneTEC, 2008).
Todas las pruebas del colector se realizaron al exterior en la Casa Solar. El colector se
1
2
3
4
5
6
7
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15
1. Colector solar
2. Tanque de almacenamiento
3. Bomba centrífuga
4. Intercambiador de calor
5. Adquisitor de datos
6. Computador
7, 8, 9. Válvulas
10. Drenaje del tanque
11. Flujómetro
12, 13. Termopozos
14. Temperatura ambiente
15. Temperatura tanque
4-60
encuentra orientado hacia el sur con un ángulo de inclinación de 30º.
En la figura 4.13 y 4.14 se muestra el colector FK8231 y el sistema utilizado, en la
figura 4.15 y 4.16 se muestra el intercambiador de calor usado en estas pruebas.
FIGURA 4.13 Colector solar FK8231 FIGURA 4.14 Sistema del Colector en la Casa Solar del Tecnológico
de Monterrey
FIGURA 4.15 Intercambiador de calor serpentín solo
FIGURA 4.16 Intercambiador de calor serpentín dentro del tanque
En la tabla 4.4 se presentan las especificaciones técnicas del colector solar FK 8231
4-61
TABLA 4.4 Especificaciones técnicas colector solar FK 8231 Datos Técnicos
Área total (m2) 2.34 Área de absorción (m2) 2.14 Área de apertura (m2) 2.23 Largo (m) 2 Ancho (m) 1.17 Alto (m) 0.073 Peso (kg) 32 Capacidad del absorbedor (L) 1.6 Carcaza Marco de aluminio Superficie Aluminio natural Placa trasera Hoja de aluminio Absorbedor Aluminio con recubrimiento altamente
selectivo Absorción (%) 90 Emisividad (%) 15 Diámetro tubo colector (mm) 22 Diámetro tubos verticales (mm) 8 Conexiones Lisas (unión roscada de anillo a presión) Vidrio (mm) 3.2 (Vidrio solar templado de seguridad) Transmitancia del vidrio (%) 89 Aislamiento (mm) 30 (Plancha de lana de roca) Temperatura máxima de estancamiento (ºC)
234 (Bajo condiciones de prueba)
Presión máxima de operación (bar) 10 Medios de transferencia de calor Propilenglicol / mezcla acuosa Ángulo de instalación aprobada (º) Mín.: 15 y Máx.: 75 Fuente: www.greenonetec.com
4.4.1 Descripción de las pruebas en el colector solar
Antes de empezar a tomar datos se realizó la calibración de los termopares, con dos
temperaturas conocidas y obteniendo una ecuación de calibración (ver Anexo A). El
experimento se llevó a cabo en dos partes. La primera consiste en obtener la eficiencia
del colector utilizando agua como fluido de trabajo. Estos resultados se compararon con
los obtenidos por Marafioti (2009) quien utilizó el mismo colector y midió sus
eficiencias según la Norma Mexicana NMX-ES-001-NORMEX-2005.
En la segunda parte se empleó un nanofluido como fluido de trabajo en el colector solar,
de donde se obtuvieron sus eficiencias y se compararon con los resultados de la anterior
etapa y la de Marafioti, (2009). En el caso de las pruebas con agua se calentó el fluido
4-62
en el mismo colector para así tener un amplio rango de temperaturas de entrada, y en el
caso del nanofluido se calentó con una resistencia eléctrica de 500 W en el tanque.
Para la toma de datos en el colector se utilizó el siguiente procedimiento:
1. Remover la cubierta de protección del colector solar y limpiar el colector para
quitar polvo y partículas que estén encima del vidrio.
2. Conectar los termopares al adquisitor de datos y comprobar que esté registrando
en la computadora (4 termopares en total: entrada, salida, ambiente y tanque).
3. Configurar la toma de datos del adquisitor para registrar datos cada segundo
durante 5 minutos.
4. Colocar el fluido de prueba en el tanque de almacenamiento y esperar 15
minutos de pre-prueba para empezar a grabar los datos.
5. Durante los 5 minutos de prueba anotar el valor del flujo cada minuto para
calcular un promedio.
Los datos climáticos se tomarán de las estaciones instaladas en la casa solar del
Tecnológico de Monterrey. Los parámetros que se necesitan para esta investigación son:
temperatura ambiente, velocidad del viento e irradiación solar total.
4.4.2 Cálculo de la Constante de Tiempo del colector
La constante de tiempo, es necesaria para seleccionar el intervalo de tiempo correcto
para las pruebas de eficiencia en estado estable. El procedimiento pare el cálculo de la
constante solar se describe en la sección 3.4.1. La constante de tiempo que se usó en
esta investigación fue de 5 minutos, valor calculado por Marafioti (2009) para el mismo
colector solar. 4.4.3 Instrumentación del experimento colector solar
En la tabla 4.5 se presenta la instrumentación usada en el presente experimento (para
más detalle de la instrumentación, ver Anexo B):
4-63
TABLA 4.5 Instrumentación Experimento Colector Solar de Placa Plana INSTRUMENTO DESCRIPCIÓN IMAGEN
Tarjeta de adquisición de datos
Marca: Omega Modelo: TC-08 Canales: 8 Tiempo de conversión: 100 ms Exactitud: Suma de ±0.2% de lectura y ±0.5ºC Tipos de termopares: B, E, J, K, N, R, S, T
Termopar Tipo: T
Rango de temperatura: -200 a 260 ºC Componentes: Cobre y Constantán Límites de error: 1.0 ºC o 0.75% en temperaturas sobre los 0º C. Sensibilidad: 43 µV/°C
Flujómetro Digital Marca: Omega Modelo: FP2001-R Precisión: ± 2% Full Scale Temperatura máxima: 93 ºC Presión máxima: 20 bar Rango de trabajo: 0.4 - 4 gpm
Bomba centrífuga Marca: Grundfos Modelo: UP 26 64F Potencia: 185 W o 1/12 HP Presión máxima: 145 psi Temperatura máxima: 91 ºC Rango de flujo: 0-32 gpm Rango de altura:0-24 pies
5-64
5. CAPÍTULO V RESULTADOS EXPERIMENTALES
En este capítulo se presentan los resultados de las pruebas y experimentos que se
realizaron para corroborar la hipótesis planteada; para una mejor visualización de los
resultados se usarán gráficas, figuras y tablas.
5.1 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL NANOFLUIDO
Para comprobar que las nanopartículas mejoran las características térmicas de su fluido
base se realizaron tres pruebas a diferentes temperaturas: 21º C (temperatura ambiente),
25º C y 35º C. Las pruebas se realizaron siguiendo el procedimiento descrito en la
sección 4.2.2. En todas las pruebas se mantuvo el error del equipo de medición por
debajo del 0.0083% (Payán & Patín, 2012) teniendo los resultados que se muestran en
la tabla 5.1.
TABLA 5.1 Resultados de conductividad térmica
T (ºC) k (W/m·K) %
Aumento Error
Agua Nanofluido Al2O3 0.5% wt 20.54 0.6004 0.607 1.10% 0.004 25.25 0.6078 0.6157 1.30% 0.0061
35.1 0.6221 0.6357 2.19% 0.0054
Se puede observar que el nanofluido tiene un pequeño porcentaje de aumento en la
conductividad térmica con respecto a la del agua.
En la figura 5.1 se puede observar el comportamiento de la conductividad térmica del
nanofluido y del agua con respecto a la temperatura.
5-65
FIGURA 5.1 Conductividad térmica del nanofluido y del agua en función de la
temperatura
Para tener una mejor visualización de los resultados se normalizó la conductividad del
nanofluido con relación a la del agua, como se muestra en la figura 5.2.
FIGURA 5.2 Conductividad térmica del nanofluido normalizada con respecto a
la del agua
En la tabla 5.2 se presentan los valores normalizados de la conductividad térmica del
nanofluido con respecto a la del agua.
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 5 10 15 20 25 30 35 40
k (
W/m·K
)
T (º C)
Conductividad térmica del nanofluido y del agua en función de la temperatura
Al2O3 0.5% wt
Agua
1.00
1.01
1.02
1.03
20 22 24 26 28 30 32 34 36
kn
anof
luid
o/k
agu
a
T (º C)
Conductividad térmica del nanofluido normalizada
5-66
TABLA 5.2 Conductividad normalizada
T (ºC) kAl2O3 0.5%wt/kH2O
20.54 1.0110
25.25 1.0130
35.1 1.0219
5.2 RESULTADOS PRUEBAS CON NANOFLUIDOS EN EL INTERCAMBIADOR
DE CALOR
Siguiendo el procedimiento descrito en la sección 4.3.1 se realizaron pruebas en el
sistema del intercambiador de calor con agua destilada y con nanofluido. Para comparar
los resultados se mantuvieron las condiciones de las pruebas sin cambio para que la
única variable controlada sea el uso de nanofluido en el sistema.
Como se indicó en la sección 2.3.2 se debe introducir un factor de corrección F para
intercambiadores a contraflujo y con diferentes números de pasos. Para la presente
investigación se obtuvo un F de 0.96. El tiempo de las pruebas fue de 30 minutos
tomando datos cada 10 segundos llegando a 1800 mediciones. El flujo en la línea fría
se mantuvo en 1.9 gpm y en la línea caliente en 3.8 gpm.
5.2.1 Cálculo de pérdidas de calor en el intercambiador
En las pruebas realizadas se tuvieron pérdidas de calor por convección natural del
intercambiador hacia el ambiente, es por esta razón que es necesario calcular el valor de
estas pérdidas para cada prueba realizada. Las temperaturas de la superficie del
intercambiador y del ambiente para las pruebas se muestran en la tabla 5.3.
TABLA 5.3 Temperatura ambiente y del intercambiador
Temperatura (ºC) Prueba con Agua Prueba con Nanofluido Ambiente T∞ 22.85 23.48
Intercambiador Ts 41.12 41.71
Çengel, (2007) propone la siguiente correlación empírica (ecuación 5.1) para calcular el
número de Nusselt promedio en un cilindro horizontal por convección natural (para
valores de RaD ≤ 1012).
5-67
!" ! !!!!!!!"#!!
!
!
!
!! !!!!" !"
!
!"
!
!"
!
(5.1)!
en donde !" es el número de Prandtl y se obtiene mediante tablas de propiedades del
aire6 y !!! es el número de Rayleigh que se calcula con la ecuación 5.2.
!!! !!" !! ! !! !
!
!!!" (5.2)!
en donde ! es la aceleración de la gravedad, ! es el inverso de la temperatura promedio
entre !!!!!!!, D es el diámetro del intercambiador y ! es la viscosidad cinemática. En
convección natural (para cilindros) la correlación empírica para el número de Nusselt
promedio se muestra en la ecuación 5.3.
!" !!!
! (5.3)!
Con este procedimiento y con la teoría de la sección 2.2.3. se obtuvieron los resultados
que se muestran en la tabla 5.4.
TABLA 5.4 Resultados de pérdidas de calor en el intercambiador
Agua Nanofluido
Ra 4211013 4164991
Nu 30.45 30.34
h (W/m·K) 5.864 5.856
!!"# (W) 12.044 12.00
5.2.2 Estabilidad del sistema y cálculo de la constante de tiempo
Durante las pruebas se verificó el incremento de la temperatura con el tiempo. En el
caso de la línea fría la temperatura de entrada fue 22º C y en la línea caliente se realizó
un precalentamiento del fluido con la resistencia eléctrica teniendo una temperatura de
entrada entre 28 y 30º C. En ambos casos tomó una hora con 30 minutos,
aproximadamente, llegar a un aumento del 64% de la temperatura. Con este valor se
puede inferir que para el análisis termodinámico en las pruebas se pueden tomar cinco
minutos de datos en estado estable, siendo este valor suficiente para tener resultados
confiables. En las figuras 5.3 y 5.4 se muestran las temperaturas en función del tiempo
6 Datos tomados del programa EES® Engineering Equation Solver.
5-68
para cada prueba.7
FIGURA 5.3 Temperaturas en función del tiempo del intercambiador con agua
en estado estable
FIGURA 5.4 Temperaturas en función del tiempo del intercambiador con
nanofluido en estado estable
7 En las figuras 5.3 y 5.4 el tiempo 0 representa el inicio de los 30 minutos de toma de datos en estado estable, el tiempo inicial de toda la prueba es una hora y media antes de este valor.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
T (
ºC)
Tiempo (s) + τ
Temperaturas Intercambiador con Agua (estado estable)
Entrada Coraza
Salida Coraza
Entrada Tubos
Salida Tubos
τ = tiempo que se demoró el sistema en llegar a estado estable (una hora y media)
0
5
10
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20
25
30
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40
45
50
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
T (
ºC)
Tiempo (s) + τ
Temperaturas Intercambiador con Nanofluido (estado estable)
Entrada coraza
Salida coraza
Entrada Tubos
Salida Tubos
τ = tiempo que se demoró el sistema en llegar a estado estable (una hora y media)
5-69
5.2.3 Resultados de pruebas en el intercambiador de calor
Primero se realizó la prueba con agua en las dos líneas del sistema del intercambiador
de calor para después colocar el nanofluido en la línea caliente y agua en la línea fría.
Con esto se espera que el calor ganado por la línea fría usando nanofluido sea mayor
que el calor ganado con agua.
Para obtener los resultados se tomaron 5 minutos de datos y se calculó el calor (!) con
la ecuación 2.18 para cada línea. Con las diferencias de temperatura se calculó el !!!"
usando la ecuación 2.20, después se restó el calor perdido (!!"#) por el intercambiador
calculado con la ecuación 2.10. Se obtuvo el parámetro UA con la ecuación 2.14 para
cada línea del sistema. La efectividad ε se calculó con la ecuación 2.21 y el valor de
NTU con la ecuación 2.26.
Para obtener la densidad y el calor específico del nanofluido se utilizaron los modelos
descritos en la sección 2.1.6. En la tabla 5.5 se muestran los resultados obtenidos con
sus respectivas desviaciones estándar.
TABLA 5.5 Resultados de Q, UA, ε y NTU
Parámetro AGUA NANOFLUIDO %
Aumento Parámetro Valor
Desviación estándar Valor
Desviación estándar σ % σ %
! (W) 497.976 5.5134 1.11% 517.938 5.167 1.00% 4.01% UA (W/K) 257.806 2.3720 0.92% 297.889 2.165 0.73% 15.55%
ε 0.3260 0.0025 0.77% 0.3475 0.0024 0.69% 6.59%
NTU 0.5019 0.0046 0.92% 0.5532 0.0040 0.73% 10.23%
5.3 EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLAR
Antes de empezar las pruebas de desempeño térmico del colector solar con agua y
nanofluido, se efectuó una búsqueda de los parámetros de eficiencia del colector
realizados por alguna entidad de certificación o algún laboratorio especializado. Se
encontraron los parámetros experimentales de eficiencia del Colector FK 8231 de la
Marca GreenOne Tec en una norma española de la Secretaría General de Energía de
España (2008), los cuales son referentes al área de apertura y están en el sistema
europeo, los valores se muestran en la tabla 5.6.
5-70
TABLA 5.6 Eficiencia del colector solar
ηo F’(τα) 0.733 a1 a 4.269 W/m2
·K a2 b 0.0143 W/m2
·K2
Con el procedimiento descrito en la sección 2.5.1.2, tomando el valor de 800 W/m2 de
irradiación solar y un flujo de 100 L/hr (0.44 gpm) se realizaron los cálculos para
obtener los coeficientes !!!! y !! !" , además se debieron asumir dos valores de
!"!!: 0.05 y 0.12 con los cuales se obtienen los nuevos !!!! y !! !" y usando las
ecuaciones 2.40 y 2.42 se obtuvieron los siguientes valores: 0.677 y -5.25 W/m2·K,
respectivamente. Al final con estos datos se pueden comparar las dos curvas de
eficiencia, como se observa en la figura 5.5.
FIGURA 5.5 Eficiencia Colector Solar Norma Española, Secretaría General de
Energía de España (2008)
El punto de intersección con el eje vertical (eficiencia) es igual a !! !" y en este punto
la temperatura del fluido que entra al colector se iguala a la temperatura ambiente y la
eficiencia del colector está en su máximo valor. Se puede observar que este valor
disminuye al momento de convertir de un sistema a otro.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
ηi
∆T/GT
Eficiencia colector solar
ηi vs (Tav-Ta)/GT
ηi vs (Ti-Ta)/GT
5-71
La pendiente de la curva es igual a !!!! e indica cómo la energía se pierde del colector
solar. La intersección de la curva con el eje horizontal es cuando la eficiencia es cero.
Este punto llamado comúnmente de estancamiento ocurre cuando no existe fluido
circulando por el colector.
Con esta curva de eficiencia se puede comparar los resultados obtenidos en el colector.
Cabe recalcar que las pruebas de eficiencia que realizan las instituciones especializadas
se llevan a efecto con el control de todas las variables que entran en el sistema. En el
caso de las pruebas a realizarse en la Casa Solar del Tecnológico de Monterrey no es
posible controlar ciertas variables como la radiación solar, la temperatura ambiente ni la
velocidad del viento.
5.4 EFICIENCIA EXPERIMENTAL DEL COLECTOR SOLAR CON AGUA
Para el cálculo de la eficiencia experimental del colector solar con agua se realizaron
pruebas con agua durante 3 días a diferentes temperaturas de entrada y con un flujo
promedio de 0.4 gpm. El tiempo de recolección de datos fue de las 10:00 a las 14:30, el
resumen de las pruebas se puede observar en la tabla 5.7 (todos los datos se obtuvieron
calculando el promedio durante el tiempo de recolección de datos):
TABLA 5.7 Datos climáticos días de prueba de eficiencia experimental
Fecha Temperatura ambiente
Ta (ºC) Radiación Solar
GT (W/m2) Velocidad del viento (m/s)
01/11/12 27.58 674.62 0.2 02/11/12 31.54 683.25 0.5 03/11/12 30.9 616.24 0.45
Como se describió en el Capítulo 3, la Norma Mexicana NMX-ES-001-NORMEX 2005
establece unas condiciones para las pruebas (sección 3.3): la temperatura ambiente tiene
que ser menor a 30º C, la radiación solar debe ser mayor a 800 W/m2, la velocidad del
viento promedio no debe ser menor a 2.5 m/s y el flujo dentro del colector se debe
mantener en 0.02 kg/s·m2. Con los datos de la tabla anterior se puede observar que no
se cumplen estas condiciones, debido principalmente a que la experimentación se hizo
al aire libre y no en un ambiente controlado.
En las figuras 5.6 y 5.7 se observan un ejemplo de cómo los datos recolectados
(temperatura ambiente, temperatura de entrada, temperatura de salida y radiación solar)
cambian durante el tiempo de recolección de datos para el día 2 de noviembre.8
8 En la figura 5.6 el eje de las X (tiempo) no es continuo, entre cada prueba existe una diferencia de 30 minutos que no se visualiza en la gráfica.
5-72
FIGURA 5.6 Temperatura ambiente, de entrada y salida 2 noviembre 2012
FIGURA 5.7 Radiación solar 2 noviembre 2012
Se puede observar que las temperaturas de entrada y salida en el colector se mantienen
casi constantes comprobando el correcto funcionamiento del sistema y el estado estable
de la prueba. Siguiendo la metodología descrita en el Capítulo 3 se recolectaron los
0
10
20
30
40
50
60
70
0 400 800 1200
ºC
Tiempo (s)
Temperaturas de entrada salida y ambiente 2 noviembre 2012
0
100
200
300
400
500
600
700
800
11:20 11:25 12:00 12:05 13:00 13:05 14:00 14:05
W/m
2
Hora
Radiación solar 2 noviembre 2012
5-73
datos necesarios para realizar los cálculos de eficiencia instantánea del colector solar,
además se reporta la desviación estándar y la incertidumbre (distribución Z 95%) para
cada punto, obteniendo los resultados de la tabla 5.8.
TABLA 5.8 Resultados de eficiencia experimental
Temperatura de entrada Ti (ºC)
Eficiencia instantánea (Ti-Ta)/GT
ηi Desviación estándar σ
Incertidumbre ±
27.34 69.26% 0.0162 0.00183 0.00184
28.94 61.07% 0.0101 0.00114 0.00302
29.65 59.09% 0.0237 0.00268 0.00077
31.62 54.41% 0.0170 0.00193 0.00272
34.09 48.25% 0.0469 0.00530 0.00797
34.4 41.90% 0.0233 0.00263 0.01317
40.01 45.04% 0.0227 0.00256 0.01272
40.95 41.56% 0.0154 0.00174 0.01329
45.13 44.52% 0.0059 0.00066 0.02044
47.67 38.23% 0.0100 0.00113 0.02218
47.79 39.08% 0.0129 0.00145 0.02184
53.34 37.57% 0.0040 0.00045 0.02969
En la figura 5.8 se puede observar los resultados de eficiencia en función de !! ! !! !
!!.
FIGURA 5.8 Eficiencia experimental del colector solar con agua
y = -9.4104x + 0.6007 R² = 0.75574
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035
ηi
(Ti-Ta)/GT
Eficiencia experimental del colector solar con agua
Línea de tendencia
5-74
Comparando los valores obtenidos con la eficiencia del colector de la norma española
(Secretaría General de Energía de España, 2008) se tiene la tabla 5.9.
TABLA 5.9 Parámetros de eficiencia del colector
Valores Norma Española Valores Experimentales Agua
!!!!! 5.25 9.41
!! !" 0.677 0.6007
En la figura 5.9 se observa la comparación de estos parámetros gráficamente.
FIGURA 5.9 Eficiencia experimental del colector con agua y comparación con
los datos de la norma española, Secretaría General de Energía de España (2008)
5.5 EFICIENCIA EXPERIMENTAL DEL COLECTOR SOLAR CON NANOFLUIDO
Se realizaron 3 días de pruebas en el colector solar utilizando nanofluido. Se siguió el
procedimiento citado anteriormente y el horario de trabajo fue de 10:30 a 14:30. Se
trabajó con un flujo promedio de 0.45 gpm. En la tabla 5.10 se pueden observar el
resumen de las pruebas.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
ηi
(Ti-Ta)/GT
Eficiencia experimental del colector y comparación con los datos de la norma española
Experimental con agua
Puntos experimentales
Norma española
5-75
TABLA 5.10 Datos climáticos días de prueba de eficiencia con nanofluido
Fecha Temperatura ambiente
Ta (ºC) Radiación Solar
GT (W/m2) Velocidad del viento (m/s)9
08/11/12 28.45 701.6 - 09/11/12 25.74 719.47 0.71 10/11/12 25.92 641.14 0.44
En las figuras 5.10 y 5.11 se observa un ejemplo de cómo los datos recolectados
(temperatura ambiente, temperatura de entrada, temperatura de salida y radiación solar)
cambian durante el tiempo de recolección de datos para el día 8 de noviembre.10
FIGURA 5.10 Temperatura ambiente, de entrada y de salida del 8 de noviembre
2012
9 No se pudo tomar datos de la velocidad del viento para el día 8 de noviembre del 2012 debido a problemas con el anemómetro en la casa solar. 10 En la figura 5.10 el eje de las X (tiempo) no es continuo, entre cada prueba existe una diferencia de 30 minutos que no se visualiza en la gráfica.
0
10
20
30
40
50
60
0 400 800 1200
º C
Tiempo (s)
Temperaturas ambiente, entrada y salida 8 de noviembre 2012
5-76
FIGURA 5.11 Radiación solar del 8 de noviembre del 2012
De igual manera que en la sección anterior se puede observar que las temperaturas de
entrada y salida del colector son constantes, por lo que se llegó al estado estable en el
sistema de pruebas. Con los datos recolectados se realizaron los cálculos de eficiencia
instantánea y se reporta, además, la desviación estándar y la incertidumbre (distribución
Z 95%) para cada punto, obteniendo los resultados de la tabla 5.11.
TABLA 5.11 Resultados de eficiencia utilizando nanofluido
Temperatura de entrada Ti (ºC)
Eficiencia instantánea
(Ti-Ta)/GT ηi
Desviación estándar σ
Incertidumbre ±
37.24 44.46% 0.0235 0.00487 0.0235 38.59 52.81% 0.0178 0.00118 0.0178
40.34 42.39% 0.0276 0.00441 0.0276
41.81 46.24% 0.0242 0.00153 0.0242
43.26 41.89% 0.0336 0.00277 0.0336 43.56 48.16% 0.0236 0.00679 0.0236
44.44 43.83% 0.0243 0.00108 0.0243
45.10 50.25% 0.0227 0.00135 0.0227
45.61 41.67% 0.0262 0.00441 0.0262
45.85 44.60% 0.0291 0.00143 0.0291
47.27 44.62% 0.0254 0.00119 0.0254 49.71 43.18% 0.0259 0.00366 0.0259
0
100
200
300
400
500
600
700
800
10:30 11:20 12:10 13:00 13:50
W/m
2
Hora
Radiación Solar 8 noviembre 2012
5-77
En la figura 5.12 se puede observar los resultados de eficiencia instantánea en función
de la temperatura reducida !! ! !! !!!.
FIGURA 5.12 Eficiencia experimental del colector solar con nanofluido
Si se compara los resultados obtenidos en la presente sección con los valores de
eficiencia obtenidos con los parámetros de la norma española y la eficiencia
experimental con agua se obtienen los resultados de la tabla 5.12.
TABLA 5.12 Parámetros de eficiencia del colector
Norma española Agua Nanofluido
!!!!! 5.25 9.41 7.0897
!! !" 0.677 0.6007 0.633
En la figura 5.13 se observa la comparación de las curvas de eficiencia obtenidas con
los parámetros de la norma española, la eficiencia experimental con agua y la eficiencia
experimental con nanofluido.
y = -7.0897x + 0.633 R² = 0.61589
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250 0.0300 0.0350 0.0400
ηi
(Ti-Ta)/GT
Eficiencia experimental del colector solar con nanofluido
5-78
FIGURA 5.13 Comparación de eficiencias experimentales (agua y nanofluido) del
colector solar con los datos de la norma española, Secretaría General de Energía de España (2008)
5.6 ANALISIS DE RESULTADOS
5.6.1 Conductividad térmica
Wang et al. (1999) realizaron mediciones de conductividad térmica en nanofluidos de
óxido de aluminio en agua llegando a incrementos del 12% con una composición del
3% de nanopartículas en volumen de agua.
Zhang et al. (2007) tomaron también mediciones de conductividad térmica para
nanofluidos de óxido de aluminio en base agua con nanopartículas de 20 nm de
diámetro, llegando a la conclusión de que la conductividad térmica aumenta con la
concentración de partículas y con la temperatura. En su reporte se puede observar que la
conductividad térmica aumentó alrededor del 4% en un rango de 5 a 50 ºC y con
variaciones de fracción en peso del 10 al 20% del nanofluido.
En esta tesis el porcentaje de aumento en la conductividad térmica del nanofluido
desarrollado fue apenas del 1.53% en promedio. Esto puede ser debido al método de
dispersión, el cual no posee la energía necesaria para producir una dispersión adecuada,
y al poco tiempo que se colocó en el baño ultrasónico y en el sonicador. La producción
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
ηi
(Ti-Ta)/GT
Comparación de eficiencias experimentales (agua y nanofluido) con los datos de la norma española
Norma española
Puntos exp. Agua
Puntos exp. Nanofluido
Eficiencia con Agua
Eficiencia con Nanofluido
5-79
de nanofluidos se puede mejorar considerablemente si se aumenta el tiempo de
dispersión y se ocupan dispositivos de mayor potencia. La preparación del nanofluido se
realizó siguiendo el procedimiento descrito en la sección 4.2.1.
También se debe considerar que las mediciones de conductividad se hicieron a
temperaturas bajas. La tendencia y la teoría indican que la conductividad aumentará con
el ascenso de la temperatura. No se realizaron más mediciones porque el medidor de
conductividad no trabaja bien con soluciones acuosas a temperaturas mayores a 45º C
(Payán & Patín, 2012).
5.6.2 Intercambiador de calor
Farajollahi et al. (2010) realizaron estudios en un intercambiador de calor, en donde
utilizaron nanofluidos de óxido de aluminio y óxido de titanio en base agua. Las
mejoras para el coeficiente de transferencia de calor global con 0.3%, 0.75%, 1% y 2%
en volumen para Al2O3/agua fueron del 14%, 16%, 15% y 9%, respectivamente. De
igual manera con 0.15%, 0.3%, 0.5% y 0.75% en volumen para TiO2/agua sus
correspondientes mejoras fueron del 11%, 24%, 16% y 13%, respectivamente.
El aumento en el coeficiente de transferencia de calor global U en esta tesis fue del
15.6% con un nanofluido al 0.5% en peso (0.125% en volumen), valor que está en los
rangos de mejora reportados por Farajollahi et al. (2010). El aumento en la transferencia
de calor ! fue del 4%, de la efectividad ε fue del 6.6% y del parámetro NTU fue del
10.2%. Una posible causa de que estos valores no sean muy altos puede ser porque
primero se realizaron las pruebas en el colector solar y el nanofluido utilizado se pudo
contaminar después del experimento, cambiando las características y propiedades del
fluido.
5.6.3 Colector solar
Yousefi et al. (2012) demostraron experimentalmente que usar nanofluidos de Al2O3 en
base agua con un porcentaje en peso del 0.2% incrementa la eficiencia de un colector
solar en 28.3%.
En el experimento de eficiencia del colector solar con agua desarrollado en esta tesis se
puede observar que los valores de eficiencia están de acuerdo con lo dictado en la
norma. Se tiene una recta con pendiente negativa igual a -9.4104 y una intersección con
el eje vertical en 0.6007, valores que corresponden a !!!!! y !! !" . Además se
puede observar que el valor de R2 no es tan alto, pero aún así la regresión es
satisfactoria para el experimento ya que algunos parámetros de las pruebas no se pueden
controlar como la irradiación solar, la velocidad del viento ni la temperatura ambiente.