©SolCoSiSolCoSi (SOLar COllector Simulator)

MANUAL DE USUARIO

1. Introducción

SolCoSi, de sus siglas en inglés SOLar COllector SImulator, es un softwarecreado en el Instituto de Energías Renovables – UNAM con el propósito dedeterminar el comportamiento térmico de captadores solares planos paracalentamiento de agua. SolCoSi puede ser usado como una herramienta para eldiseño de nuevos modelos de captadores solares planos mediante la variaciónde sus principales parámetros tales como: materiales y dimensiones delabsorbedor, cubierta transparente, número de tubos, tipo y dimensiones deaislamientos, superficie selectiva, así como sus condiciones de trabajo (flujomásico, velocidad de viento, etc.).

2. Fundamento teórico

Los principios teóricos que respaldan el modelo numérico utilizado para elfuncionamiento de SolCoSi se encuentran descritos en el artículo: R. Pérez-Espinosa, O. García-Valldares, “Numerical Simulation and ExperimentalValidation of Thermal Performance of Flat Plate Solar Collectors”, enviado a larevista Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering; dentro de loscuales se menciona la discretización axial y longitudinal empleada para laevaluación térmica de los equipos como se muestra en la siguiente figura.

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Discretización axial y longitudinal

3. Usando SolCoSi

Para su uso, SolCoSi cuenta con siete pestañas en las cuales se ingresan losvalores necesarios para llevar a cabo la simulación de un captador solar planodefinido por el usuario, la descripción de dichas pestañas se muestra en lossiguientes incisos:

a) Principal

Esta pestaña muestra un dibujo representativo de la forma geométrica de loscaptadores solares planos para los cuales puede ser usado SolCoSi, y lareferencia bibliográfica que puede consultarse para conocer los principiosteóricos que respaldan el modelo numérico utilizado en su funcionamiento.

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Pestaña Principal

b) Archivo entrada

En esta pestaña se encuentra un botón llamado “Examinar”, este botón permitebuscar un archivo con extensión .txt el cual habrá sido guardado previamentecon los datos de entrada de la simulación de un captador solar plano usandoSolCoSi. Una vez seleccionado el archivo se deberá presionar el botón “Subir”,con este botón se mandan los datos a la memoria de cálculo de SolCoSi paraposteriormente presionar el botón “Cargar datos del txt” y que SolCoSi llene loscampos correspondientes en las casillas de cada pestaña. Una vez cargados losvalores se pueden modificar si el usuario así lo desea.

Pestaña Archivo entrada

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c) Dimensiones

En esta pestaña se ingresan las dimensiones brutas del captador solar:

- Largo: el valor se introduce en m.

- Ancho: el valor se introduce en m.

- Alto: el valor se introduce en m.

También se introducen los valores relacionados a las dimensiones de apertura(cubierta):

- Largo: el valor se introduce en m.

- Ancho: el valor se introduce en m.

Pestaña Dimensiones

d) Cubierta

En esta pestaña se introducen los datos relacionados a la cubierta transparente:

- No. cubiertas: se tienen las opciones para 1 y 2 cubiertas transparentes.

- Espacio entre cubiertas: se introduce el valor del espacio entre cubiertas enmm. Esta opción se habilita solo si se elige la opción de 2 cubiertas.

- Material: se tienen las opciones de vidrio, policarbonato y definido por elusuario, en ésta última el usuario define los parámetros del material.

- Conductividad térmica: se introduce el valor en W/m K de la cubierta.

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- Trasmitancia: se introduce el valor de trasmitancia de la cubierta en unrango entre 0 y 1.

- Emisividad: se introduce el valor de emisividad de la cubierta en un rangoentre 0 y 1.

- Índice de refracción: se introduce el valor de índice de refracción de lacubierta.

- Espesor: el valor se introduce en mm.

Cabe mencionar que los valores de conductividad térmica, trasmitancia,emisividad e índice de refracción se cargan automáticamente si se eligen losmateriales definidos (vidrio o policarbonato) y es posible modificar alguno deesos parámetros si el usuario así lo desea.

Pestaña Cubierta

e) Distribución interna

En esta pestaña se encuentran los elementos relacionados con la configuracióninterna del captador solar.

- No. de tubos: se introduce el número de largueros (risers).

- Espacio entre tubos: se introduce el valor del espacio entre largueros(risers) en mm.

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- Distancia absorbedor-cubierta: el valor de la distancia se introduce en mm.

- Distancia absorbedor-aislamiento: el valor de la distancia se introduce mm.

En cuanto a las características del absorbedor:

- Material: se tienen las opciones de cobre, aluminio, acero inoxidable ydefinido por el usuario.

- Conductividad térmica: se introduce el valor de la conductividad térmica enW/m K. Para el caso en que se elige uno de los materiales establecidos porSolCoSi automáticamente se muestra el valor de la conductividad térmica delmaterial seleccionado, sin embargo internamente el software utiliza un valor deconductividad como función de la temperatura. Para el caso en que se elija laopción “Definido por el usuario” la conductividad que se introduzca seconsiderará como constante a cualquier temperatura.

- Superficie selectiva: se tienen la opciones de óxido de titanio, pintura negramate, óxido cúprico, cromo negro, solkote y definido por el usuario. Los valoresde absortancia y emisividad se cargan automáticamente cuando se elige algunade estas superficies selectivas.

- Absortancia: se introduce el valor en un rango entre 0 y 1.

- Emisividad: se introduce el valor en un rango entre 0 y 1.

- Espesor: se introduce el valor del espesor del absorbedor (aleta) en mm.

- Tipo de unión aleta-tubo: se tienen las opciones de soldadura láser,ultrafrecuencia y de estaño.

En caso de elegir soldadura de estaño se muestran los campos:

- Conductividad térmica de la soldadura: el valor se introduce en W/m K.

- Ancho de la soldadura: se introduce el valor del ancho promedio en mm.

- Espesor promedio de la soldadura: el valor se introduce en mm.

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Pestaña Distribución interna

f) Tubo

En esta pestaña se introducen valores relacionadas a los largueros (risers).

- Material: se tienen las opciones de cobre, aluminio, acero inoxidable ydefinido por el usuario.

- Conductividad térmica: se introduce el valor de la conductividad térmica enW/m K. Para el caso en que se elige uno de los materiales establecidos porSolCoSi automáticamente se muestra el valor de la conductividad térmica delmaterial seleccionado, sin embargo internamente el software utiliza un valor deconductividad como función de la temperatura. Para el caso en que se elija laopción “Definido por el usuario” la conductividad que se introduzca seconsiderará como constante a cualquier temperatura.

- Diámetro externo: se introduce el valor del diámetro externo del larguero enmm.

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- Diámetro interno: se introduce el valor del diámetro interno del larguero enmm.

Pestaña Tubo

g) Aislante

Valores para el aislamiento inferior:

- Material: se tienen las opciones de poliuretano, lana/roca mineral y definidopor el usuario.

- Conductividad térmica: se introduce el valor en W/m K. Para el caso en quese elige uno de los materiales establecidos por SolCoSi automáticamente semuestra el valor de la conductividad térmica del material seleccionado.

- Emisividad: se introduce el valor en un rango entre 0 y 1. Este valor se cargaautomáticamente cuando se elige alguno de los aislantes predefinidos porSolCoSi.

- Espesor: se introduce el valor del espesor del aislante inferior en mm.

Valores para el aislamiento lateral:

- Material: se tienen las opciones de poliuretano, lana/roca mineral y definidopor el usuario.

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- Conductividad térmica: se introduce el valor de la conductividad térmica enW/m K del aislante lateral. Para el caso en que se elige uno de los materialesestablecidos por SolCoSi automáticamente se muestra el valor de laconductividad térmica del material seleccionado.

- Espesor: se introduce el valor del espesor del aislante lateral en mm. En casode que el captador a simular no tenga aislante lateral deberá introducirse elvalor de 0.

- Material de caja externa: se tienen las opciones de aluminio, aceroinoxidable, fibra de vidrio (blanca), acero pintro (blanco) y definido por elusuario.

- Conductividad térmica: se introduce el valor de la conductividad térmica enW/m K de la caja. Para el caso en que se elige uno de los materialesestablecidos por SolCoSi automáticamente se muestra el valor de laconductividad térmica del material seleccionado.

- Emisividad: se introduce el valor en un rango entre 0 y 1. Este valor se cargaautomáticamente cuando se elige alguno de los aislantes predefinidos porSolCoSi.

- Espesor: el valor se introduce mm.

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Pestaña Aislante

h) Condiciones

En esta pestaña se establecen las condiciones ambientales y de operación a lascuales se evaluará la prueba.

- Irradiancia global: el valor se introduce en W/m2.

- Irradiancia difusa/global: se introduce el valor del cociente en un rangoentre 0 y 1.

- Temperatura ambiental: el valor se introduce en °C.

- Velocidad del viento: el valor se introduce en m/s.

- Ángulo de inclinación del captador: se introduce el valor del ángulo deinclinación con respecto a la horizontal medido en °.

- Fluido: se tienen las opciones de agua, propilenglicol-agua y etilenglicol-agua.

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- % en volumen del glicol: en caso de seleccionar la mezcla con glicoles semostrará esta casilla, en ella se coloca el porcentaje del glicol en la mezcla deagua. La casilla acepta valores entre 0 y 100.

- Flujo másico: el valor se introduce en kg/min.

Pestaña Condiciones

i) Resultados

En esta pestaña inicialmente se encuentra el botón “Validar datos”; este botónverifica que todos los valores introducidos en las pestañas anteriores seancorrectos.

En caso de que en alguna casilla se haya introducido un valor incongruente semostrará un mensaje de error en letras rojas.

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El usuario deberá revisar las pestañas en busca de las casillas señaladas concolor rojo que indican que el valor introducido no es válido.

En este ejemplo se observa que las casilla correspondientes a las dimensionesde apertura no habían sido llenadas, por tal motivo se procedería a introducirlos datos.

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Una vez corregidos los errores es necesario regresar a la pestaña de resultadosy volver a presionar el botón “Validar datos”; si todos los datos son válidos, sedesplegará una lista con las opciones disponibles para generar el reporte:

- Temperatura de entrada del agua al colector y área de apertura.

- Temperatura promedio en el colector y área de apertura.

- Temperatura de entrada del agua al colector y área bruta.

- Temperatura promedio en el colector y área bruta.

Es necesario elegir algún tipo de reporte para posteriormente presionar elbotón “Calcular”. Cuando SolCoSi ha terminado de procesar los datos,inmediatamente abajo de la lista opciones se mostrarán tres pestañas con losencabezados: Reporte, Reporte visual y Datos de entrada.

En la subpestaña de Reporte, se muestra un ícono color naranja con la imagende un archivo en pdf, al cual se abre presionando click izquierdo sobre él o biense puede descargar.

La subpestaña de reporte visual mostrará el mismo reporte en un formato quese puede visualizar directo desde la página de internet sin tener quedescargarlo.

Por último en la subpestaña “Datos de entrada” se encuentra un archivogenerado con extensión .txt, el cual contiene los valores de entrada usados para

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llevar a cabo la simulación, si se desea se puede descargar a su computadorapara usarse posteriormente. Este archivo puede ser cargado a SolCoSi ensesiones posteriores desde la pestaña “Archivo de entrada”.

Reporte con extensión .pdf

Reporte visual

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Archivo de datos .txt

El archivo generado es un reporte que contiene la siguiente información:

En la primera sección se enlistan los principales valores usados para realizar lasimulación (valores proporcionados por el usuario), en seguida se muestran lasecuaciones lineal y cuadrática de la curva de eficiencia térmica con surespectiva gráfica. En la tercera sección se muestran la ecuación paradeterminar el factor modificador del ángulo de incidencia y la gráfica obtenidapara dicho factor; en la sección cuatro se encuentra calculada la temperaturade estancamiento usando los coeficientes de curva de eficiencia térmica de lasección dos; y finalmente se encuentra la nomenclatura empleada en el reporte.

El botón “Nuevo caso” es usado para borrar todos los valores de las casillas encada una de las pestañas.

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j) Ayuda

En esta pestaña se encuentra disponible un manual de ayuda que contiene lasdescripciones de llenado de los campos necesarios por SolCoSi para llevar acabo la simulación adecuada.

Pestaña Ayuda

4. Sobre el desarrollo del software

El programa está desarrollado en Java utilizando los frameworks de desarrolloSpring Core, Spring Data JPA /Hibernate, Spring Security, IceFaces,JasperReports y JfreeChart principalmente, como DBMS se utilizó MySQL.

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