simulación de una instalación de energía solar térmica para la producción de agua caliente...

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA TÉRMICA Y DE FLUIDOS ASIGNATURA: NUEVAS FUENTES DE ENERGÍA

Área de Ingeniería Térmica. 2003-2004

D. Arzoz, M. Venegas, M.C. Rodríguez 1 de 12

NUEVAS FUENTES DE ENERGÍA

CURSO 2003 - 2004.

Práctica 1:

SIMULACIÓN DE UNA INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA LA

PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA





Objetivos de la práctica y metodología

En esta práctica se estudia un sistema de producción de agua caliente sanitaria con energía solar utilizando una herramienta informática. El objetivo de práctica es que los alumnos comprendan el funcionamiento de estas instalaciones y que puedan entender cómo una modelización termodinámica, unida a la potencia de cálculo de un ordenador, permite evaluar de forma realista distintas opciones de diseño y seleccionar la óptima para cada caso concreto. Se trabajará con el programa Mathcad 6.0, utilizando una serie de hojas de cálculo desarrolladas en el Área de Ingeniería Térmica de la Universidad Carlos III de Madrid.

Para optimizar el diseño de una instalación térmica que trabaja en estrecha dependencia con las condiciones ambientales, es fundamental alimentar los modelos con variables que reflejen su evolución temporal de la forma más precisa posible. Debe tenerse siempre en cuenta que los sistemas de energía solar trabajan en régimen variable (procesos transitorios), y que por tanto, calcularlos en base a valores medios mensuales, diarios o incluso horarios, es una simplificación innecesaria y que introduce errores considerables. Como veremos, el tiempo característico de variación de las condiciones de trabajo en este tipo de instalaciones es del orden de unos minutos.

En la práctica utilizaremos los datos ambientales recogidos por el CSIC durante el año 1995 (∆t=10 min).

Duración Esta práctica tendrá una duración de 2 horas.

Esquema y descripción de la instalación

La instalación a analizar es un sistema de producción de agua caliente sanitaria con circulación de fluido y calentamiento indirecto. Utiliza colectores planos y una caldera auxiliar de gas natural para completar el suministro energético cuando sea preciso.

En la siguiente figura se puede ver un esquema con los elementos más destacados mostrando además las principales variables que emplearemos en el estudio:





La tabla que sigue recoge las características de interés de los distintos elementos:

Elemento Características

Colectores -Placa plana con superficie selectiva. Tubos integrados.

-Área unitaria efectiva: 1.91 m2

-Curva de normalización: Favτα = 0.8 FavUL = 5 W/m2C

Serpentín -Eficiencia=0.7

Tanque -Capacidad=350 litros.

-Área de transferencia mínima.

-Aislamiento de 7cm con fibra de vidrio.

-U=0.47 W/m2C

Tuberías colectores-tanque

-Diámetro=1''.

-Longitud=2.5m por m2 de colectores.

-Aislamiento de 2cm con fibra de vidrio.

-U=2.49 W/m2C

Válvula de recirculación

-Gobernada por la diferencia entre TINTACS y TTACS.

-Función: By-Pass del serpentín si TINTACS<TTACS, es decir, si el agua que viene de los colectores está mas fría que la del tanque.

Válvula de mezclado

-Gobernada por la diferencia entre TTACS y la temperatura de servicio.

-Función: adición de agua fría a la que sale del tanque para rebajar temperatura.

Caldera -Gobernada por la diferencia entre TTACS y la temperatura de servicio.

PC

O

PIN

S

HCEINS

COLECTORESSOLARES

TANQUE DEALMACENAMIENTO

HCECO

QFL

QUtilQS

HCETACS

PTA

CS

CALDERA DE GASNATURAL

AGUA FRIA DE LA REDDE DISTRIBUCIÓN:

m'ACS @ Taguared

AGUA CALIENTE ACONSUMO:

m'ACS @ TACS (40-45°C)

BOMBAm'a

Tinco

Toutco

Tave=0.5 (Toutco-Tinco)

Tintacs

Tiacs

TaItilted

Touttacs=Tinco

Tiacs

valvula derecirculación

valvula demezclado





-Función: adición de calor al agua que sale del tanque para aumentar temperatura.

3. MODELIZACIÓN TERMODINÁMICA

En el sistema térmico que nos ocupa, todos los fluidos de trabajo son líquidos subenfriados que podemos considerar incompresibles y que operan a presiones en torno a la atmosférica.

El objetivo es determinar las principales transferencias de calor que tienen lugar, para lo cual necesitaremos plantear y resolver las ecuaciones de conservación de la masa y la energía para los componentes fundamentales del sistema.

Además de las temperaturas de los fluidos de trabajo, necesitamos conocer las temperaturas Tk de los componentes de la instalación para computar las variaciones de energía acumulada. Para resolver de forma sencilla, expresaremos estas últimas en función de la temperatura media del fluido en los colectores, Tave, y la temperatura ambiente, Ta. A los términos de acumulación de energía los denominaremos HCE, del inglés Heat Capacity Effects.

En la siguiente tabla se describe cada uno de los términos que aparecerán en los balances según se indica en el esquema de la instalación, y se muestra cómo se calculan. Las hojas de cálculo trabajan con energías integrando discretamente con ∆t=600 sec =10 min, por lo que las unidades de todos los términos de la tabla son Julios en 10 min.:

Variable Descripción Expresión

QPL Calor recibido por las placas de los colectores

tIFAQ tiltedAVCOPL ∆⋅⋅τα⋅⋅=

HCECO Inercia térmica de los colectores

)))t(T)tt(T(Cpm(HCECO

jjjjCO ∑ −∆+⋅⋅=

PCO+V Pérdidas por transferencia de calor de los colectores

1( ) ( )CO V AV L V CO AVE aP F U h A T T t−+ = ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅∆

HCEINS Inercia térmica de las tuberías

)))t(T)tt(T(Cpm(HCEINS

jjjjINS ∑ −∆+⋅⋅=

PINS Pérdidas por transferencia de calor de las tuberías

t)TT(AUP aAVETUBTUBINS ∆⋅−⋅⋅=

QS Calor suministrado al tanque desde los colectores

t)TT(CpmQ INCOINTACSaaS ∆⋅−⋅⋅= &

HCETACS Inercia térmica del tanque

)))t(T)tt(T(Cpm(HCETACS

jjjjTACS ∑ −∆+⋅⋅=





PTACS Pérdidas por transferencia de calor del tanque

t)TT(AUP aTACSTACSTACSTACS ∆⋅−⋅⋅=

QU Calor suministrado al agua de red en el tanque

t)TT(CpmQ AGUAREDTACSaACSU ∆⋅−⋅⋅= &

Tomando como base lo anterior, la conservación de la energía nos da las siguientes ecuaciones:

Balance de energía a los colectores:

( )CO CO V a a INCO OUTCO PLHCE P m Cp T T t Q+= − + ⋅ ⋅ − ⋅∆ +& (1)

Balance de energía a las tuberías:

( )INS INS a a OUTCO INTACSHCE P m Cp T T t= − + ⋅ ⋅ − ⋅∆& (2)

Balance de energía al tanque:

( ) ( )TACS TACS S U

TACS a a INTACS INCO ACS a AGUARED TACS

HCE P Q QP m Cp T T t m Cp T T t

= − + − == − + ⋅ ⋅ − ⋅∆ + ⋅ ⋅ − ⋅∆& &

(3)

Las incógnitas son las temperaturas de entrada y salida a los colectores, la temperatura de entrada al tanque y la temperatura del tanque. Por simplicidad se supone que todas las perdidas de calor en las tuberías tienen lugar entre la salida de los colectores y la entrada al tanque, así como que el bombeo no aumenta la temperatura del fluido térmico, y, tal y como se muestra en el esquema de la instalación, se supone la temperatura de salida del tanque igual a la de entrada a los colectores.

Nos falta una ecuación que obtenemos imponiendo la eficiencia del serpentín que calienta al tanque con el agua de los colectores:

)TT()TT(

7.0TACSINTACS

INCOINTACS

−−

==ε (4)

Son cuatro ecuaciones (1-4) para cuatro incógnitas (las cuatro temperaturas de trabajo Tinco, Toutco, Tintacs y Ttacs), por lo que el sistema tiene solución única.

Implementación en Mathcad

Las hojas de Mathcad que vamos a emplear resuelven el modelo termodinámico que hemos planteado, en un periodo de operación de 24h, dado que toman como entrada los archivos de datos ambientales utilizados en la primera práctica.

Se usarán los siguientes archivos (para trabajar deben estar todos en A:\):

Archivo Descripción

Prop.mcd -Contiene propiedades del agua y otros fluidos de trabajo. Pensado





para refrigeración por absorción con E. solar; en ACS y calefacción no es estrictamente necesario.

Adq.mcd -Lee y acondiciona los datos ambientales de los archivos 01AAMMDD.prn y calcula entre otras cosas la radiación sobre el plano inclinado.

CarInst.mcd -Contiene datos acerca de los componentes de la instalación: dimensiones, masas, calores específicos, coeficientes de transferencia de calor, etc.

tempsACS.mcd -Plantea y resuelve el sistema de ecs. visto en el punto anterior.

ColACS.mcd -Organiza la simulación diaria llamando a las otras hojas cuando lo necesita para que hagan los cálculos y presenta los resultados de forma limpia y ordenada.

Además de la simulación diaria veremos los resultados de una simulación completa del año 1995, para lo que usaremos una hoja llamada ResACS.mcd, que lee y presenta los datos contenidos en un fichero de texto llamado ACS1995.prn.

Todos estos archivos se encuentran en el ejecutable P2_Ficheros.exe que hay que descargar de http://termica.uc3m.es/alumn/NFE/index.html y traer en un diskette a la práctica.

Funcionamiento de la instalación

La gráfica siguiente muestra un ejemplo de los resultados que ofrece la hoja de Mathcad que resuelve los balances energéticos. Se pueden ver representadas las temperaturas de trabajo durante las 24h de un día, en este caso claro y frío (04-02-95).

En la sesión de prácticas analizaremos varios casos típicos utilizando estas gráficas y explicaremos en detalle la información que se puede obtener de ellas. Aquí indicar simplemente 4 puntos característicos que marcan el funcionamiento de la instalación:

En un día con nubes y claros la válvula de recirculación tendrá más trabajo, porque las situaciones B y C se pueden dar cada vez que una nube corta la radiación sobre los colectores.

Con la evolución diaria de las temperaturas se pueden obtener los intercambios de calor que están teniendo lugar en el sistema. En la hoja ColACS.mcd se representan todas las potencias que intervienen en los balances y se calculan los calores totales diarios, además de ciertos parámetros adimensionales que sirven como guía a la hora de interpretar los resultados que aparecen en la Tabla 1.





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2310

0

10

20

30

40

50

60

Temp. media de los colectoresTemp. de entrada a los colectoresTemp. de salida de los colectoresTemp. de entrada al tanqueTemp. del agua del tanqueTemp. ambienteTemp. del agua de la red

Temperaturas ( C ) a lo largo del dia

Punto Observación

A -Los colectores empiezan a recibir radiación solar y la temperatura del fluido que contienen se separa de la temperatura ambiente: arranca la bomba de circulación del fluido térmico.

-La válvula de recirculación impide el paso al serpentín porque la temperatura es aún inferior a la del agua contenida en tanque.

B -La temperatura del agua que llega a la válvula de recirculación es mayor que la del tanque: la válvula abre el paso al serpentín y se empieza a ceder calor al agua almacenada.

-Se observa como las temperaturas de entrada y salida de colectores se separan, lo cual se corresponde a que el fluido debe ganar en estos elementos la temperatura que pierde al ceder calor al tanque.

C -La radiación solar ha disminuido y los colectores ya no son capaces de mantener la temperatura de entrada al tanque por encima de la del agua almacenada: la válvula de recirculación cierra de nuevo el paso al serpentín.

D -Cada vez hay menos radiación y las temperaturas del fluido térmico se han hecho ya iguales a la del ambiente: la bomba se detiene.

A

B

C

D





Tabla 1. Parámetros adimensionales

Designación Nombre Explicación

η Rendimiento de la captación de calor

Compara la cantidad de energía que logramos introducir en el tanque con la que reciben las placas de los colectores. Mide la eficacia en la recogida de la energía solar.

AS Aporte solar Compara la cantidad de calor aportada al ACS desde el tanque con la necesaria para alcanzar la temperatura de servicio, es decir con la carga térmica.

BT Balance en el tanque

Compara el calor recibido por el tanque desde los colectores con el extraído y el perdido por transferencia de calor.





NUEVAS FUENTES DE ENERGÍA

CURSO 2003 - 2004.

Práctica 1:

SIMULACIÓN DE UNA INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA LA

PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA

Nombre del alumno Firma





Conteste a las cuestiones que se le plantean a continuación y entregue estas hojas de resultados con su nombre al finalizar la sesión en el aula informática. No es necesario presentar ningún informe adicional.

Influencia de la superficie colectora en el rendimiento Para valores razonables, es obvio que el calor solar disponible es mayor cuanto más área colectora instalemos. Compruebe que por el contrario, el rendimiento de la captación de calor decrece conforme aumenta el número de colectores.

Rellene para ello la siguiente tabla con los valores de 1 rendimiento diario, 2 umbral de radiación (MJ/m2) y 3 temperatura media de colectores máxima (°C) para cada caso. Anote también la configuración que en cada día hace que el parámetro 4 BT sea lo más cercano a 1.

Día claro y frío (04-02-95) Día claro y cálido (18-06-95)

1 2 3 4 1 2 3 4

Ncol=1

Ncol=2

Ncol=4

Ncol=20

Explique a qué se debe el descenso de rendimiento con el aumento del número de colectores:

¿Por qué son mejores los rendimientos en el día cálido?

¿Con que número de colectores conciliamos mejor la energía recogida y la gastada en un día?





¿Qué componentes tienen las mayores pérdidas por transferencia de calor?

Días nublados En los días nublados, en los que la baja transparencia atmosférica limita sustancialmente la cantidad de radiación que llega a la superficie terrestre, se puede pensar en incrementar la energía recogida utilizando más área de colectores. Rellene la siguiente tabla para estudiar los resultados (AS1/BT2/η3):

Día nublado de

Invierno (03-01-95)

Día muy nublado de

Invierno (20-01-95)

Día nublado de verano

(26-06-95)

1 2 3 1 2 3 1 2 3

Ncol=2

Ncol=20

¿Compensa aumentar el número de colectores para aumentar el aporte solar en los días nublados? Argumente su respuesta.

Resultados anuales de la instalación

Recoja el valor de los principales parámetros anuales de operación de la instalación con 2 colectores en la siguiente tabla:

qIm

(MJ/m2)

qsm

(MJ/m2) ηsm

ASm

(%)

Poptm

(MJ/m2)

ptotm

(MJ/m2)

qum

(MJ/m2)

¿Qué fracción de la energía incidente se consigue aprovechar para el servicio de ACS?





¿A dónde va a parar el resto? ¿Cómo se reparten las pérdidas (ópticas, viento, tuberías, tanque, en %)?

El aporte solar no se puede juzgar en media anual, ya que como vemos en la gráfica correspondiente varía sustancialmente entre las temporadas de invierno y verano. Rellene la siguiente tabla con información obtenida de la gráfica:

AS medio superior al ... N° de meses

90%

66%

Valoración económica Suponiendo un precio del gas natural de 0.048 EUR/kWh y un coste de la instalación solar de 480 EUR/m2 de colectores y una caldera de 600 € que funciona con una eficiencia del 90%, estime el periodo de amortización de la inversión sin contar la inflación y otros factores:

Ahorro anual de gas: MJ kWh EUR

Coste instalación: EUR

Periodo de amortización: años

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