Upload
andres-rios-chavez
View
136
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
5/14/2018 Articulo Tubos de Calor - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/articulo-tubos-de-calor 1/7
DISEÑO DE UN COLECTOR SOLAR APLICANDO TUBOS
DE CALOR
Autores:
Daniela Cárdenas
Cesar Peña
Andrés Ríos
Fecha:
20-12-2011
I. Introducción
Este proyecto analiza la factibilidad para diseñar un colector solar mediante la aplicación
de la tecnología de tubos de calor el cual pertenece al grupo de los llamados sistemas de
energía solar de baja temperatura.
II. Objetivos
1) Reducir el consumo de energías fósiles para el calentamiento de agua en los
hogares al remplazarlos por calentadores solares de tubos de calor que utilizan
energía renovable.
2) Innovar el diseño del calentador solar de tubos de calor en base a las condiciones
de vida y los requerimientos de los usuarios.
3) Optimizar el diseño del calentador solar mediante el uso de herramientas
informáticas, como el software Inventor, que permitan realizar una simulación y
evaluación del producto final.
III. Justificación
El Ecuador es un país ubicado en la línea ecuatorial, por lo que dispone de una irradiación
solar elevada, esto permite desarrollar sistemas que funcionen con este tipo de energía.
Nuestro país depende en gran medida del volumen fluvial y de combustibles fósiles para
la generación de energía; es por esto que se ha visto la necesidad de ampliar las
posibilidades de obtención de energía en base a los recursos renovables.
El diseño de un sistema de calentamiento de agua con tubos de calor es una propuesta
innovadora para dar un correcto uso a los recursos renovables y reemplazar a los demás
combustibles que a largo plazo afectan las condiciones ambientales, por otra parte las
estrategias del actual gobierno apuntan a incentivar a la población a utilizar herramientas
5/14/2018 Articulo Tubos de Calor - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/articulo-tubos-de-calor 2/7
que eviten el excesivo daño ambiental y que además permitan optimizar los recursos
económicos del país. Una de las principales causas para disminuir el consumo de
combustibles fósiles es que en términos económicos resulta muy costoso sustentarlos.
IV. AlcanceEste proyecto está enfocado en desarrollar un sistema de calentamiento de agua para
una casa con una familia promedio (4 personas)
Se considerará que las casas requieren de un espacio de 4 metros cuadrados para la
instalación del colector solar y de un lugar en el que no existan sombras aledañas que
impidan la irradiación. La temperatura que se pretende alcanzar con un calentador solar
es de aproximadamente 35°C.
V. Descripción del ProblemaAlgunos problemas que pueden presentarse al implementar este sistema son los
siguientes:
Días nublados en los cuales no se alcanza la temperatura deseada.
Días con demasiado sol en los que la temperatura exceda la deseada.
Días en los que la familia esté ausente, no se pueda controlar las temperaturas y
el agua se acumule en los tubos produciendo daño en estos.
Pérdidas de calor por convección en las noches.
VI. Posibles soluciones
Utilizar sensores de control de temperatura.
Utilizar una cubierta de madera con una capa de material aislante.
Girar los tubos de calor de tal manera que uno de los lados tenga una lámina de
material aislante que impida el paso de los rayos solares.
Descripción del Sistema
El calentador de tubos al vacío con tubos calóricos ha significado un gran avance en la
tecnología de transferencia de calor, aplicada en este caso al calentador solar. El sistema
de calentamiento de agua que se desarrollará cuenta con las siguientes partes
principales:
5/14/2018 Articulo Tubos de Calor - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/articulo-tubos-de-calor 3/7
Carcasa
Este elemento cumple la función de portar y proteger a los tubos de vacío contra agentes
externos que pudieran ocasionar algún desperfecto en el panel.
Absolvedor
Esta parte se encarga de transformar la radiación solar en calor, por lo tanto debe cumplir
con características específicas entre ellas absortividad elevada, emisividad baja, y por lo
general se utilizan materiales de colores oscuros. Para este caso en particular, la energía
solar se absorbe mediante el uso de tubos calóricos.
Cubierta
Elemento transparente encargado de provocar el efecto invernadero dentro de la caja
para aumentar la temperatura y el aprovechamiento del calor por el absorbedor. Para este
equipo la cubierta vendría a ser el tubo de vidrio al vacío.
Tanque
Depósito donde se almacena el agua caliente para su consumo. Para evitar que el agua
pierda su calor durante la noche el tanque necesita tener un recubrimiento de material
aislante, esto debe ser dimensionado en base a la capacidad del tanque, tiempo de
almacenamiento y condiciones externas.
Funcionamiento
En este modelo se tiene dos tubos, en su eje central un tubo calórico para transmitir el
calor solar ganado al agua del tanque. El tubo calórico forma un sistema cerrado de
evaporación-condensación y suele ser un tubo metálico largo y fino, herméticamente
5/14/2018 Articulo Tubos de Calor - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/articulo-tubos-de-calor 4/7
cerrado, el cual contiene un líquido en equilibrio con su vapor (gas) a determinada presión
(vacío) y temperatura. Si la temperatura aumenta, aumenta la fase gaseosa; y si
disminuye, aumenta la fase líquida. La temperatura de cambio de fase (líquido-gas-
líquido) depende de la presión, la cual cambia directamente proporcional al cambio de
temperatura. La presión (vacío) dentro del tubo se selecciona de tal forma que laevaporación empiece a 25 °C, lo que garantiza el funcionamiento del colector solar aún
con baja radiación.
La parte superior del tubo calórico va introducida en el agua del tanque. De esta forma,
cuando la parte que está expuesta a la radiación solar (dentro del tubo de vidrio al vacío)
se calienta, genera vapor y éste sube. Cuando este vapor se pone en contacto con el
agua del tanque, la cual está más fría, se condensa, y baja en forma líquida por gravedad
a la parte baja del tubo calórico. De esta forma se completa el ciclo.
El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por encima de 35 °C endías totalmente nublados.
Ventajas del tipo de colector
Los colectores de tubo de vacío con tecnología heat-pipe tienen la ventaja de no sufrir
pérdidas por la noche ya que el proceso de transferencia de calor no es reversible (es
decir el fluido caliente o el calor no puede pasar del acumulador al tubo y por lo tanto
perderse). Además cada tubo es independiente pudiéndose cambiar en pleno
funcionamiento del sistema. Es altamente resistente a las heladas.
Dado que también pueden girar sobre su eje los tubos, existe la posibilidad de que
adopten posiciones verticales y horizontales al igual que ocurre en los sistemas de flujo
directo aunque en este caso habrá que respetar una inclinación mínima del largo del tubo
para permitir que el fluido una vez licuado pueda descender por gravedad.
PROTOTIPO
Calentador solar para agua sin presión, donde el colector solar y el almacenamiento de
agua están conectados juntos, el tanque se encuentra en la parte superior del panel y decolección en la parte inferior. Se basa en la circulación natural de las aguas entre el
colector y el depósito de agua. Posee tubos en U.
5/14/2018 Articulo Tubos de Calor - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/articulo-tubos-de-calor 5/7
Esquema del prototipo a diseñar
PRESUPUESTO
Colector Solar $ 600,00
Acumulador Solar $ 200,00
Vaso de expansión $ 15,00
Regulador térmico diferencial $ 200,00
Grupo de bombeo y Valvulería $ 340,00
Líquido solar $ 35,00
Total de Material $ 1.590,00
IVA (12%) $ 190,80
Total de Material $ 1.780,80
5/14/2018 Articulo Tubos de Calor - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/articulo-tubos-de-calor 6/7
Colector solar de tubos al vacío aplicando tubos de calor (Diseño en Inventor 2011)
CONTROL AUTOMÁTICO DE LA TEMPERATURA
Control automático de temperatura.
5/14/2018 Articulo Tubos de Calor - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/articulo-tubos-de-calor 7/7
Sensor electrónico de temperatura
Detecta cuando:
1. La temperatura del agua acumulada en el depósito térmico baja de 29ºC
Mediante un microcontrolador se activa la bomba para que el agua calientegenerada en el calentador sea transferida al depósito
2. Temperatura dentro del tanque se registra arriba de 38ºCEl microcontrolador detiene la bomba automáticamente, de modo que elagua acumulada se mantiene siempre en este rango de temperatura
COMENTARIOS
El intercambio de calor se realiza en seco, es decir, sin contacto directo entre el
fluido caloportador y el tubo, lo que los hace particularmente adecuados en áreascon cualidades desfavorables del agua.
La transferencia de calor se realiza siempre en un solo sentido, desde el absorbedor
hacia el fluido caloportador, y nunca al revés.
El ciclo de evaporación-condensación tiene lugar mientras no se alcance la
temperatura crítica del fluido vaporizante, evitando así los riesgos de un aumento
incontrolado de la temperatura en el interior de los tubos.
BIBLIOGRAFIA
Ing. John Calle M.Sc; Ing. Jorge Fajardo; Ing. Luis Sánchez Energía Solar, Artículo
Científico.
P. Incropera; P. De Witt, Fundamentos de Transferencia de Calor, Cuarta Edición.
Instituto Centroamericano de Investigación y Tecnología Industrial; Aplicaciones de
la energía solar. ICAITI. 1983
SABADY, Pierre Robert; Práctica de la energía solar. CEAC. España. 1983
Instituto Nacional de Energía; Colectores solares para calentamiento de agua.
Quito-Ecuador. 1988
Estudios de radiación Laboratorio de Energías Alternativas, Escuela Politécnica
Nacional, Quito.