CAPÍTULOS 4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSbibing.us.es/proyectos/abreproy/5115/fichero/CAPÍTULO+4.pdf · CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 98 m& agua: caudal másico del agua

CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

96

CAPÍTULOS 4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

En el segundo capítulo se resumieron los estudios y aplicaciones prácticas

principales que se han hecho del enfriamiento nocturno, quedando patente su potencial.

En el tercero, se comenzó haciendo una descripción general de la idea que este proyecto

persigue, continuó desarrollándose el fundamento teórico del ya conocido fenómeno en

su aplicación a esa idea, y se concluyó explicando el dispositivo experimental construido

para la realización de los diferentes ensayos.

Pues bien, llegados a este punto, se hace necesario comprobar qué resultados se

obtuvieron de dichas pruebas, en orden a verificar desde nuestra propia experiencia el

alcance del enfriamiento nocturno, así como la capacidad de dicho fenómeno en su

aplicación a equipos comerciales.

4.1 CONSIDERACIONES GENERALES

Para observar y analizar la capacidad de refrigeración nocturna se han tenido en

cuenta, durante la realización de los diferentes experimentos, la evolución en el tiempo de

los siguientes parámetros:

(1) Temperatura del agua de entrada a los paneles

(2) Temperatura del agua de salida a los paneles

(3) Temperatura superficial de los paneles

(4) Temperatura ambiente

(5) Temperatura de cielo

(6) Calor por radiación emitido por la superficie de los paneles

Para la representación temporal de estas variables usaremos dos gráficas. Una

de ellas mostrará por un lado, la evolución de todas las temperaturas anteriormente

mencionadas desde el comienzo del ensayo (siempre posterior al ocaso) hasta la hora

del orto; y por otro, nos ayudará a visualizar los valores de calor de radiación al cielo a lo

largo de la noche, en orden a cuantificar el potencial energético que este fenómeno


97

puede alcanzar. Adicionalmente se ha considerado importante la ilustración de una

segunda gráfica, con representación solamente de temperaturas, que nos permita

observar de manera más detallada los primeros instantes de las pruebas.

Además, y persiguiendo el mismo objeto, han considerádose, aparte obviamente

de la configuración de los paneles, los siguientes valores puntuales:

a) Temperatura del agua a refrigerar al inicio de ensayo (categoría diferenciadora

de cada panel para cada configuración)

b) Temperatura ambiente promedio del ensayo

c) Temperatura de cielo promedio del ensayo

d) Temperatura superficial del panel promedio del ensayo

e) Temperatura promedio del agua dentro del equipo

f) Velocidad del viento promedio

g) Humedad relativa promedio

h) Emisividad del cielo promedio

i) Cesión de calor por radiación máximo durante el ensayo

j) Cesión de calor por radiación promedio durante el ensayo

k) Energía irradiada durante 12 horas de ensayo nocturno

l) Diferentes tiempos de enfriamiento

Ha de señalarse que tras ejecutar todos los ensayos y analizar los resultados de

los mismos, se detectó que los registros de temperatura de la cara radiante de los

diferentes equipos fueron erróneos debido al uso de un termopar no diseñado

específicamente para medir temperaturas superficiales, pese a los medios que se

pusieron para que esto no sucediese.

La temperatura superficial que se presenta en lo que sigue, ha sido obtenida tras

haber planteado la siguiente situación de equilibrio:

equipoCDequipo

salidaentradaaguapagua QA

TTCm,

, )(=

−⋅⋅&

donde,


98

aguam& : caudal másico del agua (0,0375 kg/s)

aguapC , : calor específico del agua (4,18 KJ/kgK)

entradaT : temperatura de entrada al panel radiador (K)

salidaT : temperatura de salida del panel radiador (K)

equipoA : área emisora del equipo comercial (m2)

equipoCDQ , : calor cedido por conducción en el equipo comercial (W/m2) (ver Capítulo 3)

Midiendo el volumen de cada equipo y sabiendo que el caudal, que en todos los

ensayos fue constante e igual a 0.135 m3/h, puede saberse lo que la masa de agua tarda

en cruzar dicho equipo. Conocido este tiempo, se toma la diferencia entre las

temperaturas de entrada y salida con el desfase que dicho intervalo nos indica. De este

modo, sacamos el valor del calor cedido por el agua en su paso a través del equipo.

Para simplificar los cálculos, se ha supuesto que el panel sólo cede calor por su

cara superior, dado que está aislado por su parte inferior y el área del resto de su

contorno es insignificante comparado con la superficie emisora.

4.2 ENSAYOS DE EQUIPOS CON AGUA ESTANCADA

Por sencillez y facilidad de montaje, los paneles en su configuración de agua

estática fueron los primeros en ser experimentados. La estrategia inicial era analizar el

enfriamiento del agua en el interior de los paneles en dicha configuración, con

temperaturas de entrada al mismo del orden de los 45 ºC, temperatura que

aproximadamente alcanzaría como máximo un agua de refrigeración a la salida del

condensador de una central termosolar.

4.2.1 Resultados en el panel de polietileno

Ensayo 1: temperatura del agua al inicio del ensayo de 45,4 ºC (04-10-2011)

a) Temperatura agua inicio ensayo: 45,4 ºC


99

b) Temperatura ambiente promedio: 23,5 ºC

c) Temperatura de cielo promedio: 8,9 ºC

d) Temperatura superficial panel promedio: 20,1 ºC

e) Temperatura del agua promedio: 22,0 ºC

f) Velocidad del viento: 16,0 km/h

g) Humedad relativa promedio: 69,7%

h) Emisividad del cielo promedio: 81,7%

i) Calor radiación máximo: 85,6 W/m2

j) Calor radiación promedio: 54,2 W/m2

k) Energía irradiada (considerando 12 horas de ensayo): 2,8 MJ

l) Tiempos de enfriamiento:

1) Enfriamiento de 5,0 ºC: 5 min y 50 s


3) Enfriamiento de 15,0 ºC: 1 hora, 0 min y 25 s

Evolución Tª panel de polietileno (estancada, Tent= 45.4ºC)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

18:0

5

18:3

0

18:5

5

19:2

0

19:4

5

20:1

0

20:3

5

21:0

0

21:2

5

21:5

0

22:1

5

22:4

0

23:0

5

23:3

0

23:5

5

0:20

0:45

1:10

1:35

2:00

2:25

2:50

3:15

3:40

4:05

4:30

4:55

5:20

5:45

6:10

Hora

T (

ºC)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Qra

d (W

/m2)

Tentrada Tsalida Tsuperficial Tambiente Tcielo Qradiación

Gráfica 18. Evolución de temperaturas y del calor de radiación ensayo completo


100

Evolución Tª panel de polietileno (estancada, Tent= 45,4ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

18:0

5

18:1

0

18:1

5

18:2

0

18:2

5

18:3

0

18:3

5

18:4

0

18:4

5

18:5

0

18:5

5

19:0

0

19:0

5

19:1

0

19:1

5

19:2

0

19:2

5

19:3

0

19:3

5

19:4

0

19:4

5

19:5

0

19:5

5

20:0

0

20:0

5

Hora

T (

ºC)

Tentrada Tsalida Tsuperficial Tambiente Tcielo

Gráfica 19. Evolución de temperaturas inicio de la prueba


















101


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

18:1

7

18:4

2

19:0

7

19:3

2

19:5

7

20:2

2

20:4

7

21:1

2

21:3

7

22:0

2

22:2

7

22:5

2

23:1

7

23:4

2

0:07

0:32

0:57

1:22

1:47

2:12

2:37

3:02

3:27

3:52

4:17

4:42

5:07

5:32

5:57

6:22

Hora

T (

ºC)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Qra

d(W

/m2)




0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

18:1

7

18:2

2

18:2

7

18:3

2

18:3

7

18:4

2

18:4

7

18:5

2

18:5

7

19:0

2

19:0

7

19:1

2

19:1

7

19:2

2

19:2

7

19:3

2

19:3

7

19:4

2

19:4

7

19:5

2

19:5

7

20:0

2

20:0

7

20:1

2

20:1

7

Hora

T (

ºC)




102






e) Temperatura del agua promedio: 19,2










3) Enfriamiento de 15,0 ºC: 1hora, 30 min y 10 s

Evolcuión Tª en el panel de polietileno (estancada, Tent=42.6ºC)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

17:4

5

18:1

0

18:3

5

19:0

0

19:2

5

19:5

0

20:1

5

20:4

0

21:0

5

21:3

0

21:5

5

22:2

0

22:4

5

23:1

0

23:3

5

0:00

0:25

0:50

1:15

1:40

2:05

2:30

2:55

3:20

3:45

4:10

4:35

5:00

5:25

5:50

6:15

Hora

T(º

C)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Qra

d (W

/m2)




103


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

17:4

5

17:5

0

17:5

5

18:0

0

18:0

5

18:1

0

18:1

5

18:2

0

18:2

5

18:3

0

18:3

5

18:4

0

18:4

5

18:5

0

18:5

5

19:0

0

19:0

5

19:1

0

19:1

5

19:2

0

19:2

5

19:3

0

19:3

5

19:4

0

19:4

5

Hora

T (

ºC)



4.2.2 Comentarios de las pruebas

En el anterior subapartado se han presentado las gráficas y los datos de 3 de las

pruebas que se han considerado más representativas para el análisis del enfriamiento

radiante en el caso de este equipo comercial, en esta disposición en particular. El haber

querido comprobar la influencia de pequeños cambios en la temperatura de entrada del

agua al equipo refrigerante, tras haber tomado 45 ºC como referencia para la misma,

explica haber ilustrado otros dos procesos experimentales en un rango de +/- 2,5 ºC.

Tras analizar estos resultados cabe recordar la ley de Newton de enfriamiento,

referenciada en el anterior capítulo: «que tan rápido se enfría un objeto depende de

cuánto esté más caliente que sus alrededores» [7]. Y es que tal como podemos

comprobar, la velocidad con la que se enfría el agua dentro del panel cuando la

introducimos a 47,5 ºC es claramente superior a cuando hacemos los propio pero a 45,4

ºC, y lo mismo ocurre al comparar este último ensayo con el que tiene 42,6 ºC como

temperatura del fluido al inicio. Adicionalmente, puede observarse que la premura con la


104

que desciende la temperatura del agua en el interior del panel de polietileno, presenta un

comportamiento relativamente estable en función de la temperatura a la que se encuentre

esta, independientemente del ensayo que se haya realizado. Véase:

5,5

21,3

43,8

86,0

5,8

25,2

60,4

134,5

19,3

47,5

90,5

163,0

0

25

50

75

100

125

150

175

Tiempo (minutos)

Ensayo 2 (Tini = 47,5 ºC) Ensayo 1 (Tini = 45,4 ºC) Ensayo 3 (Tini = 42,6 ºC)

Ensayos con agua estática

Tiempos de enfriamiento de los diferentes ensayos

Enfriamiento de 5ºC




Gráfica 24. Tiempos de pérdida de temperatura de los ensayos con agua estancada

Por otro lado, se hace preciso resaltar los diferentes valores promedio del calor de

radiación a lo largo de estos tres diferentes ensayos. Podemos ver que los valores de

este parámetro son:

� Ensayo 1 (Tinicial = 45,4 ºC):

radiaciónQ = 54,2 W/m2; cieloT = 8,9 ºC; supT = 20,1 ºC; cieloT −∆ sup = 11,2 ºC






105

Parece equívoco que el calor de radiación promedio de la noche en que la

temperatura de cielo fue más elevada (Ensayo 1) sea más alto que el correspondiente a

la noche en la que dicha temperatura fue la más baja (Ensayo 2). Es cierto que la

diferencia entre las temperaturas superficial y de cielo es más alta en el primer ensayo

que en el segundo, pero podría darse que, aun siendo dicha diferencia también menor, el

calor de radiación, en esta situación doblemente desfavorable, fuera mayor.

Esto encuentra su explicación a través del comportamiento que desarrolla la

diferencia de la cuarta potencia de las temperaturas necesaria para el cálculo del calor de

radiación. Y es que, ante una diferencia constante de temperatura entre las de cielo y

superficial del equipo, el calor de radiación es mayor tanto más alta sean estas

temperaturas, aun manteniéndose dicha diferencia constante. Además, si dicha diferencia

fija es menor, para un mismo valor de temperatura de cielo, el calor de radiación es

obviamente también menor, ocurriendo que la cesión de energía al aumentar igualmente

ambas temperaturas, crece a un ritmo inferior que cuando la constante que representa la

diferencia entre estas es mayor. Esto puede verse aquí de manera gráfica:

Influencia del valor de la temperatura de cielo en el calor de radiación, suponiendo constante la diferencia de temperaturas entre los c uerpos radiantes

0,00E+00

1,00E+08

2,00E+08

3,00E+08

4,00E+08

5,00E+08

6,00E+08

7,00E+08

8,00E+08

9,00E+08

1,00E+09

1,10E+09

1,20E+09

1,30E+09

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

Temperatura de cielo (ºC)

Tpa

nel^

4-T

ciel

o^4

(K^4

)

Tpanel-Tcielo = 10 ºC Tpanel-Tcielo = 11 ºC Tpanel-Tcielo = 9 ºC

Gráfica 25. Influencia del valor de las temperaturas de dos cuerpos radiantes, suponiendo

constante la diferencia entre ambos


106

Es absolutamente incorrecto afirmar que la diferencia entre la temperatura

superficial del panel de polietileno y la de cielo es constante, pero si bien es cierto, y tras

el transitorio inicial de los ensayos, dicho valor oscila aproximadamente en un rango de

+/- 1ºC respecto a la diferencia entre las promedio de estos. Es por esto, por lo que

usamos la anterior simplificación en orden a no complicar en demasía la explicación de lo

acaecido en los procesos experimentales.

Por último, y no por ello menos importante, adviértese la diferencia existente entre

las temperaturas de superficie del panel y la del ambiente. Podemos contemplar que una

vez se estabilizan los experimentos, la primera está siempre por debajo de la segunda.

Este hecho es la esencia del enfriamiento nocturno: la cesión de calor de radiación por un

cuerpo al cielo frío de la noche es tal que la temperatura de dicho cuerpo desciende por

debajo de la del ambiente.

Esta depresión de la temperatura con respecto a la del entorno, será más

acusada cuanto mejores sean las condiciones que favorezcan el intercambio radiante:

cuanto menores sean tanto la emisividad del cielo, como la transferencia de calor por

convección entre los alrededores y el cuerpo emisor de calor, en caso de ser este

contrario al enfriamiento.

Para demostrar esto volverán a usarse los valores promedio de las pruebas:


ambT = 23,5 ºC supT = 20,1 ºC sup−∆ ambT = 3,4 ºC

cieloε = 81,7% relω = 69,7% vientov = 16,0 km/h








107

Son las noches del primer y tercer ensayo las que, respectivamente, menor y

mayor depresión de temperatura con respecto a la del ambiente registran, y son también

las que contemplan, correspondientemente, las peores y mejores condiciones para que

este fenómeno ocurra: mayor/menor emisividad del cielo, así como viento más

intenso/calmo, en estos casos favorable a una convección contraria al enfriamiento

nocturno, al ser la temperatura ambiente superior a la de la superficie del cuerpo emisor.

4.3 ENSAYOS DE EQUIPOS CON AGUA RECIRCULANDO

Una vez se hubo estudiado la capacidad de refrigeración del colector de piscina

sobre el agua estancada, se procedió a construir el circuito móvil para la recirculación de

la misma, con objeto de comprobar lo que indicaban los artículos expuestos en el

resumen bibliográfico, así como lo que vaticinábamos en la metodología de este

proyecto: y es que al recircular el agua, la capacidad de enfriamiento se vería potenciada,

al incrementar la transferencia de calor por convección desde la masa de agua en

movimiento hacia las superficies radiantes.

4.3.1 Comparación del enfriamiento entre ambas disp osiciones

Con el objetivo de hacer una comparación lo más objetiva y fidedigna posible, se

tomarán dos ensayos para el caso del panel de polietileno: uno con agua estática y otro

con agua recirculando, en los que la temperatura de inicio del mismo sea lo más parecida

posible.

Dentro de esta exigencia se han elegido para la evaluación el Ensayo 3 (agua

estancada) y la prueba efectuada la noche entre le 20 y el 21 de octubre (agua en

movimiento), que aquí titularemos como Ensayo 4, entre los que la temperatura inicial

difiere tan sólo de 0,3 ºC, siendo dicha diferencia favorable a la prueba con agua sin

movimiento.

Tratando de no ser repetitivos y de no extender en demasía la literatura de este

capítulo, no serán representados de nuevo los resultados del Ensayo 3, exceptuando

aquellos adaptados a las comparaciones pertinentes.


108


Evolución de Tª en el panel de polietileno (recircu lación y Tent=42.3ºC)

-5

5

15

25

35

45

55

65

75

85

95

18:4

1

19:0

6

19:3

1

19:5

6

20:2

1

20:4

6

21:1

1

21:3

6

22:0

1

22:2

6

22:5

1

23:1

6

23:4

1

0:06

0:31

0:56

1:21

1:46

2:11

2:36

3:01

3:26

3:51

4:16

4:41

5:06

5:31

5:56

6:21

Hora

T (

ºC)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Qra

d (W

/m2)

Tentrada Tsalida Tsuperficial Tambiente Tcielo (ºC) Qradiación


















109

Evolución Tª panel de polietileno (recirculación y Tent=42.3ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

18:4

1

18:4

6

18:5

1

18:5

6

19:0

1

19:0

6

19:1

1

19:1

6

19:2

1

19:2

6

19:3

1

19:3

6

19:4

1

19:4

6

19:5

1

19:5

6

20:0

1

Hora

T (

ºC)



17,8

47,5

90,5

163,0

5,7

15,4

30,3

56,1

0

25

50

75

100

125

150

175

Tiempo(minutos)

Ensayo 3 (estancada: Tini = 42,6 ºC) Ensayo 4 (recirculación: Tini = 42,3 ºC)

Ensayos

Comparación tiempos de enfriamiento Estancada VS Re circulando





Gráfica 28. Comparación de tiempos enfriamiento en función del proceso de refrigeración


110

Además, se representan los valores registrados en el transmisor llamado de salida

de agua del panel para cada uno de los experimentos:

Agua Estancada VS Agua Recirculando (T inicial = 42,5 ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 341 681 1021 1361 1701 2041 2381 2721 3061 3401 3741 4081 4421 4761 5101 5441 5781 6121 6461 6801 7141 7481 7821 8161 8501

Tem

pera

tura

del

agu

a a

la s

alid

a de

l pan

el (

ºC)

Tsalida Ensayo 3 (estanca) Tsalida Ensayo 4 (recirculando)

Gráfica 29. Comparación de la evolución de la temperatura de salida del panel en los

diferentes procesos de refrigeración del agua ante un muy aproximado valor de inicial

Tras ver esto es evidente que el descenso de temperatura del agua dentro del

propio equipo, al recircular esta, es unas tres veces más rápido (en lo que a los primeros

15 ºC de enfriamiento se refiere) que en el caso de dejarla en reposo dentro del panel.

Esto es lo que se había supuesto, y es lo que se ha podido comprobar.

Otro aspecto a destacar es la variación de la diferencia entre los valores que

marcan los termopares respecto al agua y la superficie del panel, una vez desaparecen

los transitorios iniciales de las pruebas. Y es que en el caso del agua quieta dicha

diferencia es mayor que en caso de reconducir la masa de agua. Esto se debe a que al

aumentar el calor por convección transferido por el agua, su temperatura desciende

tendiendo esta a la superficial de panel.

Veamos graficado a continuación este efecto:


111


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

1 333 665 997 1329 1661 1993 2325 2657 2989 3321 3653 3985 4317 4649 4981 5313 5645 5977 6309 6641 6973 7305 7637 7969 8301 8633

T d

el a

gua

y su

perf

icia

l del

pan

el (

Ens

ayo

3) (

ºC)

Tentrada Ensayo 3 (estanca) Tsalida Ensayo 3 (estanca)Tsuperficial Ensayo 3 (estanca) Tambiente Ensayo 3 (estanca)Tcielo Ensayo 3 (estanca)


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

1 333 665 997 1329 1661 1993 2325 2657 2989 3321 3653 3985 4317 4649 4981 5313 5645 5977 6309 6641 6973 7305 7637 7969 8301 8633

T d

el a

gua

y su

perf

icia

l del

pan

el (

Ens

ayo

4) (

ºC)

Tentrada Ensayo 4 (recirculando) Tsalida Ensayo 4 (recirculando)Tsuperficial Ensayo 4 (recirculando) Tambiente Ensayo 4 (recirculando)Tcielo Ensayo 4 (recirculando)

Gráfica 30. Comparación de las temperaturas de agua y superficial del panel en los

diferentes procesos de refrigeración


112

Este fenómeno es consecuencia de la transmisión de calor por convección del

agua para la disposición recirculante, ya que al estar esta en movimiento aumenta el

coeficiente de película, ocasionando por consiguiente un incremento en dicha

transferencia de energía y una disminución de la temperatura del fluido que la cede.

Por último, no cabe responsabilizar este hecho a un incremento de la temperatura

de la superficie del panel al bombear el fluido. Esto puede verse a continuación:

� Ensayo 3 con agua estancada (Tinicial = 42,6 ºC): radiaciónQ = 54,5 W/m2

ambT = 22,7 ºC supT = 16,2 ºC cieloT = 4,4 ºC

cieloambT −∆ = 18,3 ºC sup−∆ ambT = 6,5 ºC cieloT −∆ sup = 11,8 ºC


� Ensayo 4 con agua en movimiento (Tinicial = 42,3 ºC): radiaciónQ = 49,5 W/m2

ambT = 19,3 ºC supT = 14,7 ºC cieloT = 4,0 ºC

cieloambT −∆ = 15,2 ºC sup−∆ ambT = 4,5 ºC cieloT −∆ sup = 10,7 ºC


Puede observarse que los valores aquí expuestos son perfectamente coherentes

con las condiciones de la noche y con los valores correspondientes a los ensayos

previos. Es cierto que la depresión de la temperatura superficial sobre la del ambiente es

inferior en el caso del ensayo recirculante, pero esto encuentra su explicación viendo que

tanto la mayor emisividad de cielo, como el más prominente viento de la noche en

cuestión, provocan respectivamente, una no tan baja temperatura de cielo, así como un

cierto calentamiento de la superficie radiante por convección. No puede asegurarse, por

tanto, que la recirculación del agua provoque efectos contraproducentes una vez

superados los transitorios de los procesos de refrigeración.

Por consiguiente, queda demostrado el aumento del potencial del fenómeno de

enfriamiento nocturno cuando se recircula el agua, no sólo en lo que concierne a la

velocidad de enfriamiento, sino en la capacidad de permanecer, tras la estabilización del

proceso, mucho más cercana a la temperatura superficial del panel.


113

Llegados a este punto, en lo que de este capítulo sigue, sólo se tendrán en cuenta

representaciones y comentarios de los resultados correspondientes al montaje de los

equipos comerciales en la configuración para fluido recirculando.

4.3.2 Resultados en el panel de polietileno

Una vez aclarado el proceso que mayor potencial de enfriamiento nocturno posee,

se establece la estrategia de comparar en dicho proceso, los resultados de diferentes

pruebas en un rango de 10 ºC. Es por lo que se tratará, en la manera de lo posible, de

representar tres ensayos cuya temperatura de inicio del fluido a refrigerar sea de 35, 40 y

45 ºC, valores entre los que ha de encontrarse el agua de refrigeración de una central

termosolar a la salida del condensador.

Se tomará el ensayo 4 dentro de la serie correspondiente a los resultados de las

pruebas del panel de polietileno en su disposición de agua realimentada.











j) Calor radiación promedio: 56,1 W/ m2







114


-5

5

15

25

35

45

55

65

75

85

95

18:5

2

19:1

7

19:4

2

20:0

7

20:3

2

20:5

7

21:2

2

21:4

7

22:1

2

22:3

7

23:0

2

23:2

7

23:5

2

0:17

0:42

1:07

1:32

1:57

2:22

2:47

3:12

3:37

4:02

4:27

4:52

5:17

5:42

6:07

6:32

Hora

T (

ºC)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Qra

d (W

/m2)



Evolución Tª panel de polietileno (recirculación y Tent=46.7ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

18:5

2

18:5

7

19:0

2

19:0

7

19:1

2

19:1

7

19:2

2

19:2

7

19:3

2

19:3

7

19:4

2

19:4

7

19:5

2

19:5

7

20:0

2

20:0

7

20:1

2

Hora

T (

ºC)




115
















3) Enfriamiento de 15,0 ºC: 1 hora, 22 min y 35 s


-5

5

15

25

35

45

55

65

75

85

95

18:1

8

18:4

3

19:0

8

19:3

3

19:5

8

20:2

3

20:4

8

21:1

3

21:3

8

22:0

3

22:2

8

22:5

3

23:1

8

23:4

3

0:08

0:33

0:58

1:23

1:48

2:13

2:38

3:03

3:28

3:53

4:18

4:43

5:08

5:33

5:58

6:23

Hora

T (

ºC)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Qra

d (W

/m2)




116

Evolución Tª panel de polietileno (recirculación y Tent=35.9 ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

18:1

8

18:2

3

18:2

8

18:3

3

18:3

8

18:4

3

18:4

8

18:5

3

18:5

8

19:0

3

19:0

8

19:1

3

19:1

8

19:2

3

19:2

8

19:3

3

19:3

8

Hora

T (

ºC)



4.3.3 Resultados en el panel de cobre con pintura n egra de cromo

En la misma línea que el subapartado anterior, aquí se mostrarán los resultados

de diferentes procesos experimentales en un rango de 10 ºC. Es por lo que se tratará, al

igual que antes, de representar tres ensayos cuya temperatura de inicio del fluido a

refrigerar sea de 35, 40 y 45 ºC.










117






1) Enfriamiento de 5,0 ºC: 55 s



Evolución de Tª en el panel de cobre negro (recircu lación y Tent=47.0ºC)

-5

5

15

25

35

45

55

65

75

85

95

18:5

5

19:2

0

19:4

5

20:1

0

20:3

5

21:0

0

21:2

5

21:5

0

22:1

5

22:4

0

23:0

5

23:3

0

23:5

5

0:20

0:45

1:10

1:35

2:00

2:25

2:50

3:15

3:40

4:05

4:30

4:55

5:20

5:45

6:10

6:35

Hora

T (

ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Qra

d (W

/m2)




118

Evolución de Tª en el panel de cobre negro (recircu lación y Tent=47.0ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

18:5

5

19:0

0

19:0

5

19:1

0

19:1

5

19:2

0

19:2

5

19:3

0

19:3

5

19:4

0

19:4

5

19:5

0

19:5

5

20:0

0

20:0

5

20:1

0

20:1

5

Hora

T (

ºC)








e) Temperatura del agua promedio:












119

Evolución Tª en el panel de cobre negro (recirculac ión y Tent=40.1 ºC)

-5

5

15

25

35

45

55

65

75

85

95

17:4

0

18:0

5

18:3

0

18:5

5

19:2

0

19:4

5

20:1

0

20:3

5

21:0

0

21:2

5

21:5

0

22:1

5

22:4

0

23:0

5

23:3

0

23:5

5

0:20

0:45

1:10

1:35

2:00

2:25

2:50

3:15

3:40

4:05

4:30

4:55

5:20

5:45

6:10

6:35

Hora

T (

ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Qra

d (W

/m2)



Evolución de Tª en el panel de cobre negro (recircu lación y Tent=40.1 ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

17:4

0

17:4

5

17:5

0

17:5

5

18:0

0

18:0

5

18:1

0

18:1

5

18:2

0

18:2

5

18:3

0

18:3

5

18:4

0

18:4

5

18:5

0

18:5

5

19:0

0

Hora

T (

ºC)




120

















Evolución Tª en el panel de cobre negro (recirculac ión y Tent=34.3ºC)

-5

5

15

25

35

45

55

65

75

85

95

18:2

5

18:5

0

19:1

5

19:4

0

20:0

5

20:3

0

20:5

5

21:2

0

21:4

5

22:1

0

22:3

5

23:0

0

23:2

5

23:5

0

0:15

0:40

1:05

1:30

1:55

2:20

2:45

3:10

3:35

4:00

4:25

4:50

5:15

5:40

6:05

6:30

Hora

T (

ºC)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Qra

d (W

/m2)




121


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

18:2

5

18:3

0

18:3

5

18:4

0

18:4

5

18:5

0

18:5

5

19:0

0

19:0

5

19:1

0

19:1

5

19:2

0

19:2

5

19:3

0

19:3

5

19:4

0

19:4

5

Hora

T (

ºC)



4.3.4 Resultados en el panel de cobre con pintura s electiva Bluetec

En el fundamento teórico que desarrollamos en el capítulo previo, predijimos que

entre los dos equipos de cobre de los que hemos dispuesto para las experimentaciones,

cabría esperar una mayor capacidad de pérdida de temperatura del que tenía aplicado

pintura de cromo negro frente al que se había administrado pintura selectiva Bluetec,

debido a la mucho mayor capacidad emisora del primero.

Pues bien, siguiendo a lo dicho en el anterior párrafo, el presente subapartado

pretende sólo mostrar los resultados del equipo con pintura selectiva para unos 40 ºC

(media del rango elegido para nuestros ensayos con recirculación) como temperatura

inicial del agua a refrigerar, y con las condiciones atmosféricas lo más parecidas posible

con objeto de, posteriormente, corroborar lo predicho respecto a una referencia fiable.


122

Ensayo 10: temperatura del agua al inicio del ensay o de 39,3 ºC (01-11-2011)





e) Temperatura del agua promedio: 18,4











Evolucion de Tª en el panel de cobre azul (recircul ación y Tent=39.4 ºC)

-5

5

15

25

35

45

55

65

75

85

95

18:1

0

18:3

5

19:0

0

19:2

5

19:5

0

20:1

5

20:4

0

21:0

5

21:3

0

21:5

5

22:2

0

22:4

5

23:1

0

23:3

5

0:00

0:25

0:50

1:15

1:40

2:05

2:30

2:55

3:20

3:45

4:10

4:35

5:00

5:25

5:50

6:15

6:40

Hora

T (

ºC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Qra

d (W

/m2)




123


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

18:1

0

18:1

5

18:2

0

18:2

5

18:3

0

18:3

5

18:4

0

18:4

5

18:5

0

18:5

5

19:0

0

19:0

5

19:1

0

19:1

5

19:2

0

19:2

5

19:3

0

Hora

T (

ºC)



4.3.5 Comentarios de las pruebas

En el primer punto de este tercer apartado vimos claramente el aumento del

potencial del enfriamiento nocturno que surgía al recircular el fluido. Una vez demostrado

esto, queríase investigar cuál de los equipos comerciales de los que disponíamos sería el

de mayor capacidad de refrigeración del agua, y dónde radicaba esa diferencia.

Pues bien, hasta aquí se han presentado los resultados de los tres equipos para

diferentes temperaturas en esta conformación. Toca ahora analizar éstos y representar

sus diferencias, para así poder obtener las conclusiones señaladas en el párrafo previo.

Diferencias entre los paneles de cobre

Tal y como se comentó en el Ensayo 10, se esperaba que el panel de cobre con

aplicación de pintura negra de cromo enfriara más y mejor que su homólogo con

recubrimiento selectivo Bluetec, por la enorme diferencia entre las capacidades radiantes


124

(la emisividad del primero es más de 8 veces la del segundo), ante unas mismas

características conductivas y convectivas. Es por lo que tan sólo se muestran los

resultados de un ensayo en el caso del segundo equipo, en el intento de no alargar más

de lo preciso este estudio.

En primera instancia compararemos los diferentes tiempos de enfriamiento para

concluir cuál de los dos dispositivos hace descender la temperatura del agua con mayor

celeridad. Seguidamente veremos los valores que toma el calor de radiación para cada

uno de los paneles. Aquí podremos claramente observar la amplia diferencia entre

ambos, consecuencia de la disparidad entre los valores de emisividad. Finalmente,

analizaremos, las distintas depresiones que presenta la temperatura media de masa

respecto a la superficial del panel, así como las propias que registra esta última bajo la

del entorno, siempre en valores promedio de temperatura de ensayo completo.

Veamos secuencialmente y sin pausas lo mencionado en los tres párrafos

anteriores:

2,34,7

8,3

16,3

2,5

6,1

11,6

65,4

0

10

20

30

40

50

60

70

Tiempo (minutos)

Ensayo 9 (panel Cu negro: Tini = 40,1 ºC) Ensayo 11 (panel de Cu con Bluetec: Tini = 39,4 ºC)

Ensayos con paneles de Cu

Comparación enfriamiento paneles de Cu





Gráfica 43. Distintos tiempos de enfriamiento en los paneles de Cu con Tagua inicial ≈ 40 ºC


125

Comparación del Calor de Radiación entre paneles de Cu

0

10

20

30

40

50

60

1 347 693 1039 1385 1731 2077 2423 2769 3115 3461 3807 4153 4499 4845 5191 5537 5883 6229 6575 6921 7267 7613 7959 8305 8651 8997

Qra

d (W

/m2)

Radiación Panel Cu Bluetec Radiación Panel Cu Negro

Gráfica 44. Distintos calores de radiación en los paneles de Cu con Tagua inicial ≈ 40 ºC

� Ensayo 8 (panel de Cu con pintura de Cr negro, Tagua inicial = 40,1 ºC):

radiaciónQ = 21,3 W/m2 ( cieloT −∆ sup = 10,6 ºC)

ambT = 18,2 ºC supT = 12,7 ºC cieloT = 2,1 ºC masaT = 12,7 ºC

cieloambT −∆ = 16,1 ºC sup−∆ ambT = 5,5 ºC sup−∆ masaT = 0,0 ºC


� Ensayo 10 (panel de Cu con pintura selectiva Bluetec, Tagua inicial = 39,4 ºC):

radiaciónQ = 3,8 W/m2 ( cieloT −∆ sup = 14,4 ºC)

ambT = 18,8 ºC supT = 18,4 ºC cieloT = 4,0 ºC masaT = 18,4 ºC

cieloambT −∆ = 14,8 ºC sup−∆ ambT = 0,4 ºC sup−∆ masaT = 0,0 ºC


Primeramente, vemos que tanto la velocidad de enfriamiento como el calor de

radiación son mayores en el panel de cobre cubierto con pintura de cromo negro, tal y


126

como se había vaticinado, pese a que la diferencia entre las temperaturas superficiales

entre los cuerpos radiantes es notablemente mayor en el panel con pintura selectiva.

A continuación podemos observar que la caída de la temperatura de la superficie

bajo la ambiental es mucho mayor en el Ensayo 8. Es cierto que las condiciones de la

noche de éste favorecen a un más intenso intercambio radiante, pero no tanto como para

que la diferencia sea tal, siendo además la velocidad del viento igualmente intensa en la

noche del Ensayo 10.

Por último, fijémonos en el valor que alcanza la diferencia de la temperatura

media de masa del agua respecto a la superficial del panel. Y es que para ambos paneles

se tiene que dicha diferencia es prácticamente nula. Esto responde a que la

conductividad térmica de ambos equipos es igualmente elevada.

Por consiguiente, se concluye que el equipo de cobre con pintura negra cromada

posee una mayor capacidad de enfriamiento que su homólogo con pintura selectiva en

todos los aspectos: más rápido descenso de temperatura, mayor calor de radiación y

depresiones más acusadas de la temperatura de la superficie, y por tanto también del

agua, bajo la del ambiente.

Llegados a este punto, descartaremos seguir teniendo en cuenta el panel con

aplicación de Bluetec, ya que de entre otras cosas, lo que se pretende en este proyecto

es ver los diferentes potenciales de enfriamiento entre equipos comerciales poliméricos y

metálicos.

Diferencias entre el panel de polietileno y el de c obre con pintura negra cromada

Una vez establecido que recirculando el agua se consigue incrementar el

enfriamiento, y demostradas las diferentes aptitudes para hacer lo propio entre los dos

equipos metálicos, afrontaremos ahora la tarea de marcar las diferencias entre el colector

de piscina y la placa plana absorbedora de mejor comportamiento. Para ello, tomaremos

tres ensayos para cada panel (del 4 al 9), que representan el comportamiento de los

equipos para valores iniciales del agua a refrigerar de aproximadamente 35 ºC, 40 ºC y

45 ºC.


127

En primer lugar, compararemos los distintos tiempos de enfriamiento del agua en

cada equipo en cada uno de estos seis procesos experimentales. Esto puede verse tanto

en la siguiente tabla, como de manera más visual en la gráfica que aquí se presenta más

abajo:

Tabla 5. Valores promedio característicos de 3 pruebas para cada panel

Tamb

(ºC)Ecielo

Tamb -Tcielo

(ºC)viento(km/h)

Tamb-Tsup

(ºC)-5 ºC(min)

-10 ºC(min)

-15 ºC(min)

-20 ºC(min)

Ens. 4 (panel PE: T ini = 42,3 ºC) 19,3 0,807 15,2 12,0 4,5 5,67 15,42 30,25 56,08

Ens. 5 (panel PE: Tini = 46,7 ºC) 22,3 0,786 17,3 13,0 5,4 6,33 16,42 30,17 53,92

Ens. 6 (panel PE: T ini = 35,9 ºC) 19,8 0,798 16,0 12,0 4,9 11,33 33,67 82,58 220,17

Ens. 7 (panel Cu negro: T ini = 47,0 ºC) 19,8 0,808 15,2 11,0 4,7 0,92 2,33 4,50 8,00



0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

Tiempo(minutos)

Ens. 4 (panelPE: Tini = 42,3

ºC)


ºC)


ºC)

Ens. 7 (panel Cunegro: Tini =

47,0 ºC)


40,1 ºC)


34,3 ºC)

Ensayos

Velocidad de Enfriamiento PE VS Cu





Gráfica 45. Diferentes tiempos de enfriamiento entre equipo polimérico y metálico


128

En el intento de ser más representativos, en las siguientes gráficas se eligen

tonos grises oscuro para los valores de radiación correspondientes a los ensayos del

panel de polietileno, y colores parecidos a los que el cobre comercial tiene para

representar los propios del panel de cobre. Veamos:

Diferentes valores de la temperatura salida del agu a del panel

0

10

20

30

40

50

60

1 323 645 967 1289 1611 1933 2255 2577 2899 3221 3543 3865 4187 4509 4831 5153 5475 5797 6119 6441 6763 7085 7407 7729 8051 8373

Tem

pert

ara

de s

alid

a de

l pan

el (

ºC)

Ens. 4 (panel PE: Tini = 42,3 ºC) Ens. 5 (panel PE: Tini = 46,7 ºC) Ens. 6 (panel PE: Tini = 35,9 ºC)

Ens. 7 (panel Cu negro: Tini = 47,0 ºC) Ens. 8 (panel Cu negro: Tini = 40,1 ºC) Ens. 9 (panel Cu negro: Tini = 34,3 ºC)

Gráfica 46. Diferentes tiempos de enfriamiento entre equipos poliméricos y metálicos

Después de ver esto, queda claro que el panel de cobre administrado con pintura

negra cromada enfría notablemente más veloz que el fabricado íntegramente de

polietileno.

Por otro lado, la anterior gráfica evidencia un hecho bastante significativo que

demuestra las diferentes propiedades de los materiales de los que está hecho cada

equipo. La temperatura del agua en su paso a través del radiador metálico desciende con

mayor celeridad en los primeros instantes de los ensayos, producto de la alta

conductividad del cobre. Sin embargo, una vez transcurrida esta primera parte de los

experimentos, la pendiente con la que cae el agua que circula por el panel polimérico es

mayor que la de su homólogo, consecuencia de la más alta emisividad del polietileno.


129

A continuación veremos de manera también gráfica los desiguales valores de

radiación nocturna que marcan cada uno de los paneles a lo largo de los procesos

experimentales. Obviamente el panel de polietileno presentará valores más acusados de

dicho intercambio de calor con la bóveda, dadas las amplias diferencias existentes entre

los valores de emisividad de cada una de los equipos (εp ≈ 0,9 frente a εpintura de Cr ≈ 0,4).

Diferencias entre los Calores de Radiación

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 328 655 982 1309 1636 1963 2290 2617 2944 3271 3598 3925 4252 4579 4906 5233 5560 5887 6214 6541 6868 7195 7522 7849 8176 8503

Qra

d (W

/m2)

Ens. 4 (panel PE: Tini = 42,3 ºC) Ens. 5 (panel PE: Tini = 46,7 ºC) Ens. 6 (panel PE: Tini = 35,9 ºC)

Ens. 7 (panel Cu negro: Tini = 47,0 ºC) Ens. 8 (panel Cu negro: Tini = 40,1 ºC) Ens. 9 (panel Cu negro: Tini = 34,3 ºC)

Gráfica 47. Intercambio radiante de los diferentes equipos a lo largo de las pruebas

Una vez superado el régimen transitorio del ensayo, cuando la radiación nocturna

es alta, ante iguales intercambios por convección con el aire, el panel de polietileno

“fuerza” el intercambio por conducción a través de este material consiguiéndolo mediante

un descenso de su temperatura superficial. De esto modo, baja un tanto el intercambio

radiante, manteniéndose el equilibrio entre los tres mecanismos de transferencia de calor.

Es de esperar que ante esta situación, tengamos menores valores de temperatura

de la superficie que se enfrenta al cielo en el caso del panel de polietileno, y por lo tanto,

mayores depresiones de la temperatura superficial bajo la del ambiente que en el caso

del equipo metálico.


130

Pues bien, si analizamos la tabla presentada anteriormente vemos que esto no se

cumple siempre. De hecho, los dos ensayos que registran un descenso más acusado

bajo la temperatura del entorno son dos correspondientes al equipo de cobre. Esto puede

encontrar su explicación en que es cierto que las noches de estos dos ensayos resultaron

ser muy buenas en los aspectos que favorecen a que esto ocurra: muy baja emisividad

del cielo y muy baja velocidad de viento.

Al no tener suficientes datos experimentales recogidos en noches iguales en

términos de emisividad de cielo, velocidad de viento y temperatura ambiente que

registren las pruebas experimentales que desarrollan ambos equipos, no puede

concluirse nada en relación a cuál de los dos dispositivos presenta una mayor depresión

de la temperatura superficial emisora bajo la del ambiente, pese a que la teoría expuesta

un poco más arriba se decline a favor del colector de piscina.

Tabla 6. Valores promedio característicos de los 3 ensayos en cada equipo

Tamb

(ºC)Ecielo

Tamb-Tcielo

(ºC)viento(km/h)

Tamb-Tsup

(ºC)Tamb-Tmm

(ºC)Qradiación

(W/m2)Eradiación

(MJ)

Ens. 4 (panel PE: T ini = 42,3 ºC) 19,3 0,807 15,2 12,0 4,5 4,2 49,5 2,5

Ens. 5 (panel PE: Tini = 46,7 ºC) 22,3 0,786 17,3 13,0 5,4 5,1 56,1 2,9

Ens. 6 (panel PE: T ini = 35,9 ºC) 19,8 0,798 16,0 12,0 4,9 4,6 51,3 2,6

Ens. 7 (panel Cu negro: T ini = 47,0 ºC) 19,8 0,808 15,2 11,0 4,7 4,7 21,6 1,9



Por último, se ha considerado analizar los valores que presentan también la

depresión de la temperatura media de masa del agua bajo la del ambiente. Podemos ver

que en el caso del equipo metálico, al ser la conductividad térmica muy alta, la

temperatura media de masa del agua es prácticamente igual a la de la cara emisora. Sin

embargo, para el equipo de polietileno el agua se mantiene unos 0,3 ºC más caliente que

el plano radiante. Esto hace que la temperatura del agua sea, en caso de idénticos


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descensos de la temperatura superficial bajo la del ambiente en ambos equipos, más

baja en el caso de la placa plana absorbedora de cobre con pintura cromada.

Resumiendo este capítulo, podemos concluir que la placa plana absorbedora con

tratamiento de pintura de alta emisividad enfría con una sustancial mayor rapidez, que el

colector de piscina emite bastante más calor por radiación al cielo, que ambos equipos

presentan similares depresiones de temperatura de la superficie emisora bajo la del

ambiente y que aunque el descenso de la temperatura promedio de ensayo del agua bajo

la del ambiente es mayor en el caso del equipo de cobre, al final de las pruebas, el valor

puntual de dicho descenso es mayor en el caso del equipo de polietileno, consecuencia

de la mayor pendiente de descenso de temperatura que otorga una más alta emisividad

en régimen permanente.

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CAPÍTULOS 4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSbibing.us.es/proyectos/abreproy/5115/fichero/CAPÍTULO+4.pdf · CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 98 m& agua: caudal másico del agua