19 - Acta Científica Venezolana

INGENIERÍA
Calentador solar de agua
Acta Científica Venezolana, 62 (1-2): 19-29, 2011
19
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UN CALENTADOR SOLAR DE AGUA
FABRICADO CON DUCTO DE PVC EN ESPIRAL
Zúñiga-Alcaraz, Catya1, Urriolagoitia-Sosa, Guillermo 2, Urriolagoitia-Calderón, Guillermo 2,
Hernández-Gómez, Luis Héctor 2, Torres-Franco, David 2
1
Instituto Politécnico Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad
Profesional, AZCAPOTZALCO, Av. de las Granjas No. 682, Col. Sta. Catarina Azcapotzalco, C.P. 02550, México D.F. México. 2 Instituto Politécnico
Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional, Adolfo
López Mateos «ZACATENCO», Av. Instituto Politécnico Nacional, Col. Lindavista, C.P. 07738, México D. F. México.
Recibido: 03-06-2010
RESUMEN. En este trabajo, se presenta una forma alternativa de utilizar la energía solar para ahorrar energía. Es muy
importante mencionar, que la energía solar aparte de ser un recurso renovable, es limpia y muy económica. Además, se
muestra el procedimiento de diseño, construcción y evaluación de un calentador solar tipo espiral ascendente, constituido por
un ducto de PVC flexible, dentro de una caja aislada y hermética con cubierta de vidrio. El calentador propuesto presenta dos
ventajas principales; una sencilla construcción y bajo costo. En principio se plantea su aplicación para uso doméstico, sin
embargo no se descarta la aplicación de los principios desarrollados en este trabajo para la fabricación de un calentador de uso
pesado (calentador de agua de una alberca, un hotel, un hospital, etc). El calentador que se propone en este trabajo, tendrá la
misma calidad y eficiencia que un calentador comercial, con un menor costo. Palabras Claves: calentador solar, energía
solar, tubería de PVC.
DESIGN AND EVALUATION OF A WATER SOLAR HEATER
FABRICATED BY PVC PIPE IN SPIRAL
ABSTRACT. This paper describes an alternative method to use solar energy to heat water, thus reducing the associated cost
that involves this process, with the advantage of being a clean resource, safe and economic. This heater is to have the same
efficiency as any domestic standard boiler, at a power cost. This paper describes the design, construction and evaluation of a
vertical solar heater of ascending spiral, using a black PVC flexible pipe, within an isolated and hermetic glass containment unit.
The proposed designed presents two main advantages, a simple construction and usage of rather economic materials. Initially,
the described heater has been designed for domestic use, but the developed concepts can be used the basis to build heavy duty
water heaters to comply with the demand of large facilities, such as a swimming pool, a hotel, a hospital, etc. This heater can be
considered a feasible option for the substitution of traditional water heating systems, mainly due to its efficiency and low operational
and maintenance cost. Key Words: solar heater, solar energy, PVC pipe.
INTRODUCCION
El Sol envía a la Tierra únicamente energía radiante,
es decir, luz visible, radiación infrarroja y rayos
ultravioleta11. Estas emisiones, al llegar a la atmósfera
terrestre, producen un sin número de efectos en la vida
terrestre; algunos de los cuáles tienen importancia por su
posible aplicación como recursos energéticos. Existen
también otras fuentes de recursos energéticos, tales son
los casos de la energía eólica, la energía de la biomasa,
la diferencia de temperaturas oceánicas, la energía de
las olas, etc. 10.
La radiación solar puede descomponerse en directa,
difusa y reflejada. La primera se refiere al flujo de rayos
solares recibidos desde el disco solar. La radiación difusa
es la que llega a la superficie terrestre después de ser
retenida por las distintas capas atmosféricas y es el
resultado de la dispersión que sufre la radiación solar a
través de ésta atmósfera terrestre. Mientras que, la
radiación reflejada, es la radiación procedente de la
reûexión de la radiación directa en los elementos del
entorno (es importante cerca del mar y de las zonas con
nieve). La proporción resultante de cada una de ellas,
depende directamente de las condiciones específicas
de la atmósfera terrestre, la humedad presente, la
presencia de diversas partículas suspendidas en la
atmósfera y otras condiciones ambientales. Pudiendo
llegar a corresponder, a la radiación difusa, desde un 10%
hasta un 14.5% de la total, siendo ésta proporción menor
en zonas tropicales, debido a la reflexión de la radiación
directa cerca del mar 5.
La radicación solar que recibe la tierra, es diferente en
distintas latitudes, lo que da lugar a efectos normales y
tangenciales muy distintos sobre superficies inclinadas
que difieren de la recibida sobre superficies horizontales11.
La radiación solar es utilizada por el hombre de cuatro
formas de conversión y por el tipo forma de
aprovechamiento se les clasifica como 5, 7, 10 :
• Directa.- Una de las aplicaciones de la energía solar
es directamente como luz solar, por ejemplo, para la
iluminación.
• Química.- El ejemplo de utilización se da en el campo
de la fotografía, y en la naturaleza, en el proceso de
fotosíntesis.
• Fotovoltaica.- La energía solar aprovechada por
medio de celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la
luz en un potencial eléctrico, sin pasar por un efecto
térmico.
• Fototérmica.- La energía solar cuyo aprovechamiento
se logra por medio del calentamiento de algún medio.
A su vez, en cuanto a esta última, el aprovechamiento
de la energía fototérmica, existen dos tipos principales
de dispositivos de conversión; los captadores solares y
los concentradores solares 6.
20
Zúñiga-Alcaraz y colaboradores
Hoy en día, el uso de energías renovables (como, la
solar, eólica y geotérmica) se ha vuelto a nivel mundial un
tema de gran relevancia. La importancia del uso y
aplicaciones de energías más limpias se debe a los
problemas graves de contaminación que se están
presentando diariamente en nuestro entorno. Además, de
los elevados precios que se tienen que pagar para el
desarrollo de las energías actuales. Por lo que es
necesaria la búsqueda del desarrollo de nuevas
alternativas para el ahorro de energía y la preservación
de los recursos naturales. En este trabajo se presenta
una posible alternativa en la aplicación de un nuevo
dispositivo para calentar el agua por medio de energía
solar. El diseño y manufactura de un calentador solar, es
una solución real a la disminución de emisiones
contaminantes al medio ambiente, debido a que atrapan
la radiación solar directa y difusa y es aplicada para el
calentamiento de agua para ser aplicada en baños y
albercas. Además por el efecto gravitacional, el agua
caliente del captador sube hasta el tanque y el agua más
fría que es más pesada, baja al captador para ser
calentada por la luz solar.
Otro aspecto relevante, es que la tubería es utilizada
como un sistema convencional de calentamiento y puede
ser considerada (por los resultados en este trabajo) como
un sistema eficiente. Sin embargo, uno de los
inconvenientes de los calentadores solares, es que son
muy caros y de difícil acceso para uso doméstico,
reservándose para personas económicamente estables,
por lo que, no se le ha dado mucha importancia al
desarrollo de estos. Por lo que en este trabajo se
demuestra su fácil desarrollo y costo accesible para casi
todas las comunidades. Asimismo, aunque existen
alternativas más económicas y publicitadas (como, los
calentadores de gas y eléctricos) tienden a ser poco
eficientes y consumen mucha energía, lo que genera
mayores problemas de contaminación. Debido a lo
anterior, en este trabajo se desarrolla una propuesta de
un calentador solar de uso doméstico, el cual es de
sencilla construcción y bajo costo. Asimismo, este
calentador tiene la misma calidad y eficiencia que un
calentador comercial, pero con un menor costo y un mayor
ahorro de energía que los convencionales.
El objetivo principal de trabajo que se presenta en este
artículo de investigación, es establecer y aplicar el
procedimiento de diseño, construcción y evaluación de
un calentador solar tipo espiral ascendente, constituido
por un ducto de PVC flexible. El cual se encuentra
localizado dentro de una caja aislada y hermética con
cubierta de vidrio. Así como, este calentador es para uso
doméstico. Sin embargo, podría tener aplicación para una
alberca pequeña (capacidad probable 3 m3).
Actualmente, México produce 91% de su energía
utilizando combustibles fósiles, como el carbón, el gas y
el petróleo. Esta dependencia hacia los fósiles está
provocando un deterioro en la calidad del aire,
contaminación de ríos, mares y suelos. Además, de ser
responsables del cambio climático global. México cuenta
con un potencial enorme para desarrollar y aprovechar
las energías renovables, atenuando los impactos
ambientales ocasionados por la producción, distribución
y uso final de las formas de energía convencionales. El
uso de los calentadores solares permite una disminución
en el consumo de gas LP y permiten detener el deterioro
de la calidad del aire. Al mismo tiempo, que disminuyen
las emisiones de gases del efecto invernadero.
De esta manera se estaría aprovechando de manera
eficiente una energía limpia, renovable y segura. Por otro
lado, existen beneficios en el aspecto económico, lo que
impacta al ciudadano común. Se propone el diseño de
un calentador solar, el cual presenta dos ventajas
principales; una sencilla construcción y un bajo costo. En
un principio se plantea su aplicación para uso doméstico.
Sin embargo, no se descarta la aplicación de los
principios desarrollados en este trabajo para la
fabricación de un calentador de uso pesado (calentador
de agua de una alberca, un hotel, un hospital, etc.), sin
afectar la calidad y eficiencia que un calentador comercial.
MARCO TEÓRICO
CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA 8
La captación de energía de los fotones emitidos por el
sol, para aplicaciones como calentador solar, se produce
por una serie de efectos físicos que están en función del
sol como fuente de energía, de los materiales utilizados
en los dispositivos de captación y de las características
de las superficies de captación. Cuando la luz solar llega
a una superficie, parte de su energía es absorbida, parte
es reflejada y otra parte puede ser trasmitida. Lo cual,
depende principalmente de las propiedades físicas del
material, su textura y color.
CALENTADORES SOLARES
Por lo regular, este tipo de sistemas se instalan sobre
el techo o azotea de una construcción, los cuales constan
de (Figura 1), un termo-tanque o acumulador, que siempre
debe estar más alto que el captador. Los captadores
atrapan la radiación solar directa y difusa, por efecto
gravitacional el agua caliente del captador sube hasta el
tanque y el agua más fría que es más pesada, baja al
captador para ser calentada. Y la tubería que es igual a
la utilizada en los sistemas convencionales 16.
La conversión termodinámica ha sido sin duda el
proceso de aprovechamiento de la energía solar más
estudiado y explotado desde la antigüedad. Se trata en
esencia de colocar una superficie que, por efecto de la
radiación solar aumenta su temperatura. El calor así
ganado, se transfiere a un fluido tal como, aire, agua,
aceites, etc., empleado para captar energía útil. Las
tecnologías para conversión termodinámica eficiente de
la energía solar en energía calorífica, presentan grandes
diferencias y niveles de complejidad, según las
temperaturas con las que se aprovecha la energía
calorífica 9. Los sistemas solares térmicos estacionarios
pueden clasificarse según el tipo de captador empleado
Calentador solar de agua
21
Figura 1.- Diagrama del Calentador solar con captador tubular o Termosifón.
(captadores planos, captadores tubulares, de baja
concentración y estanques solares). De estos, los más
empleados y tecnológicamente más desarrollados, son
los captadores planos.
Las formas más usuales de los calentadores solares,
están integradas por un precalentador solar y un sistema
de termosifón con un intercambiador alrededor de un
tanque horizontal de almacenamiento. En lugares donde
el congelamiento no es un problema, los calentadores
solares están basados en la circulación directa de agua
entre el tanque y el captador. Sin embargo, en zonas
donde la temperatura cae a valores de congelamiento, el
captador está protegido con una válvula de drenado o un
calentador eléctrico. Los captadores solares, por lo
regular son planos, con una red de tuberías en paralelo,
que generalmente se recomienda que estén inclinadas
hacia el Sur hasta un ángulo de 30 grados. Sin embargo,
es necesario determinar la orientación adecuada para el
buen funcionamiento del captador solar, tomando en
cuenta los factores externos para su instalación tales
como, la trayectoria relativa del Sol, el clima, la
contaminación, el consumo energético y el área total de
captación 15
La propuesta de éste trabajo es permitir el ascenso
del agua caliente, al pasar por un solo ducto dispuesto en
espiral ascendente, que forma un cono invertido. Se ha
demostrado en algunos estudios, que el desarrollo de
termosifones solares domésticos (Figura 1) depende en
gran parte del tanque de almacenamiento, así como del
flujo del captador solar 3, 9. La mayoría de los monitoreos
que se han realizado, han sido en sistemas de circulación
forzada 4 y casi la totalidad de monitoreos a sistemas de
termosifones horizontales no han sido reportados ni
investigados, lo mismo es cierto para el caso de
termosifones en espiral. Por otra parte, la palabra
termosifón se refiere al fenómeno físico bajo el cual
funciona el calentador solar, es cuando circula un líquido
por conductos sin tener que ser impulsado por bombas,
el líquido simplemente se mueve por diferencia de
densidades que se presenta cuando un líquido está frío
o caliente.
También hay que tomar en cuenta la elección de los
materiales para el absorbedor solar. Lo que dependerá
de parámetros tales como; absorción de onda corta
(radiación solar) y emitancia de onda larga, resistencia a
la degradación UV, propiedades de intemperización,
limitaciones de temperatura, coeficiente de expansión,
resistencia mecánica, disponibilidad, costo del material
y de la instalación, y el peso del material seleccionado.
El empleo de plásticos debe considerar factores
ambientales que degradan el comportamiento del
captador y los mecanismos de degradación. El principal
mecanismo de degradación es la foto-oxidación y la
radiación UV cercana es el principal agente ambiental
que inicia ésta degradación. Sin embargo, las
propiedades ópticas y mecánicas de los materiales de
los captadores pueden degradarse aún en ausencia de
radiación UV, las temperaturas altas y la radiación UV
sólo aceleran los procesos de deterioro. Pero, también
contribuye a esto la humedad, el viento, el polvo y los
contaminantes del ambiente. Sus efectos simultáneos
pueden ser mayores que la suma de sus efectos
22
Zúñiga-Alcaraz y colaboradores
individuales. Cabe señalar que aproximadamente el 10%
de la irradíancia solar (es la magnitud que mide la
radiación solar que llega a la Tierra en W/m 2) es
ultravioleta. La radiación UV cercana (0.29 µm d™ λ d™
0.40 µm) también es absorbida por el Ozono alto que es
dispersado y absorbido por otros constituyentes
atmosféricos (nubes), así como por aerosoles naturales
y sintéticos. Sin embargo, una fracción significativa y
variable de la radiación UV cercana, alcanza la superficie
terrestre 1, 2, 14.
Para el desarrollo de este proyecto se utilizó PVC en el
captador, este tiene buenas propiedades térmicas y
soporta temperaturas cercanas a los 110 ºC. Para el
tanque de almacenamiento se optó por un tanque
comercial de 180 lts, que cumple con las reglas de
sanidad para agua de uso doméstico, bajo costo y
resistencia a la intemperie.
CIRCULACIÓN DEL FLUIDO 17
El agua puede desplazarse, dentro del circuito de
calentamiento, de dos maneras: por circulación natural y
forzada. La circulación natural presenta algunas ventajas
en cuanto a que son sistemas sencillos (uso doméstico o
rural), instalación económica, no existen piezas en
movimiento, no requiere de energía adicional y poco
mantenimiento. Sin embargo, presenta algunos
inconvenientes en cuanto a una lenta puesta en régimen,
puede generar problemas estéticos, condicionamientos
en el montaje, rigurosas pendientes en las tuberías y
diámetros relativamente grandes. Mientras que la
circulación forzada presenta ventajas en una rápida
respuesta en funcionamiento, sistemas más complejos,
flexibilidad de montaje, diámetros más pequeños, facilitan
la integración arquitectónica y las tuberías no necesitan
pendientes especiales. En cuanto a sus desventajas,
presentan mayor costo de inversión, mayor costo de
mantenimiento y se necesita energía eléctrica para su
funcionamiento
ALMACENAMIENTO
DEL CALOR
13
Una de las formas más simples de acumular el calor es
mediante el calentamiento del material y los casos más
comunes son en agua o en rocas.
El agua es particularmente apta, no sólo por su naturaleza
química, sino también por su abundancia y no-toxicidad,
además es el medio ideal de almacenamiento de calor
para sistemas activos y pasivos (debido a que tiene una
gran capacidad calorífica y por lo tanto mayor capacidad
de almacenamiento). Asimismo, puede almacenar casi
cinco veces más energía (4.186 kJ/kg-°C) que la que
puede almacenar la misma masa de una roca (0.88 kJ/
kg-°C). Puede también ser el medio de transporte de
energía, hacia o desde la unidad de almacenamiento.
Sin embargo, algunas desventajas que se tienen al utilizar
el agua como medio de almacenamiento son; que se
necesitan depósitos que generalmente son grandes y
caros, estos depósitos se oxidan si son de metal y hay
grandes pérdidas de calor por conducción y convección,
por lo que se tienen que utilizar aislantes térmicos en la
envolvente del depósito.
CIRCULACIÓN
DE TERMOSIFÓN
17
Se podría decir que en muchos aspectos el
calentamiento solar de agua, es semejante al bien
conocido calentador con sistema de combustión lenta,
en el cual la característica principal es la quema de un
combustible en forma lenta y son los más utilizados en el
hogar. La única diferencia es que este último es
reemplazado por el absorbedor. En ambos casos, el calor
se absorbe por el agua en el punto más bajo del sistema.
Esto causa un incremento de la temperatura y
consecuentemente un decremento en la densidad del
agua en la tubería. La columna más fría y más densa de
agua en la tubería de retorno no puede ser balanceada
por la columna de agua menos densa en la tubería de
flujo y la gravedad causa que la primera caiga el agua
fría y desplace a la última dentro del tanque. La circulación
es por tanto continua al haber suficiente calor para
incrementar la temperatura del agua cuando pase a través
del absorbedor. Ésta circulación es comúnmente
conocida como circulación por termosifón y es el sistema
más simple que se puede tener para calentar el agua
con el sol.
Su presión es claramente pequeña en el caso de
calentadores solares de agua, y cualquier obstrucción o
acumulación de burbujas de aire en el sistema, es
suficiente para impedir el flujo natural del agua. Por esta
razón es importante inclinar el absorbedor y toda la
tubería, de tal forma que las burbujas salgan tan pronto la
temperatura del agua se incremente. En el principio del
efecto termosifón, el agua al calentarse sufre un
desplazamiento vertical hacia arriba, basado en la
disminución de su densidad con el aumento de la
temperatura. Esto provoca, que el agua contenida en un
depósito se encuentre estratificada, ocupando las
posiciones más altas, los estratos con mayor energía o
temperatura.
La idea fundamental consiste en tomar el agua
contenida en la parte inferior del depósito (la más fría),
hacerla circular a través de los captadores para elevar
su temperatura y devolverla de nuevo a la parte superior
del depósito (la más caliente), de esta forma se transforma
el agua fría en caliente.
COMPONENTES BÁSICOS DEL CALENTADOR SOLAR EN ESPIRAL
La mayoría de los calentadores solares tienen los
mismos componentes básicos; una unidad absorbedora
normalmente llamada captador (para este proyecto se
considera de tipo de espiral en forma cónica invertida y
ascendente), la cual capta la energía incidente durante el
día, así como un tanque de almacenamiento para el agua
calentada 12.
A. UNIDAD
ABSORBEDORA
La unidad absorbedora consta de los siguientes
componentes (Figura 2-C y 2-D):
Calentador solar de agua
23
Figura 2. A- Cajón y aislante como soporte de manguera de PVC. B- Captador en espiral ascendente o absorbedor. CSujeción y colocación y de manguera en espiral. D- Colocación y sellado de cubierta transparente. E- Tapa flotante de unicel.
F- Vista general del calentador. a) Aislamiento del tanque de almacenamiento. b) El tanque de almacenamiento aislado y
forrado con lámina.
1.
2.
3.
4.
Cajón del captador
Aislante
Captador en espiral ascendente o bsorbedor
Cubierta transparente
B. I NC LIN A CIÓN
D E L A BSO RBE DO R
Se sabe que la intensidad de la radiación que incide
sobre la superficie del absorbedor, es decir la cantidad
de calor que baña a una unidad de área en un tiempo
dado, puede ser incrementada al inclinar la superficie
hasta que su plano sea normal a los rayos del sol 1, 2.
Aunque sería ideal que el captador trabajara siempre
en la misma posición, el costo y lo poco práctico, impiden
construir una unidad de captación móvil. Así, el captador
debe de estar dirigido con la cara hacia el sur, si se
encuentra en el hemisferio norte y viceversa si se
encuentra en el hemisferio sur. Inclinado a un ángulo igual
a la latitud del lugar más diez grados de la horizontal.
Este ángulo se escoge a favor de una mayor captación
en el invierno, cuando el sol está más bajo en el cielo 13.
Es verdad que este ángulo es muy grande para el
verano y que la cantidad de radiación recibida se reducirá,
24
Zúñiga-Alcaraz y colaboradores
por lo que el constructor podrá escoger dicho ángulo para
las condiciones que a él le convengan. Así, para este
proyecto el ángulo a utilizar es de 30º (es el recomendado
para el hogar) y lo que evitará el problema de la posición,
ya que durante el verano el captador seguirá funcionando,
esto es una manera alternativa de simular un captador
móvil.
MATERIALES Y MÉTODOS
CAJÓN DEL CAPTADOR
Este cajón es la base que soporta al captador, el cual
se encuentra aislado. Es una estructura metálica (Figura
1) que cumple con la acción de proteger al aislante contra
la humedad. También sirve como soporte para el aislante,
para el captador y para la cubierta transparente. Consiste
de una caja de Aluminio, formada por un esqueleto o
estructura de metal, el aislante (fibra de vidrio y unicel), y
como cubierta transparente se tiene vidrio.
Los materiales utilizados para la construcción del
captador son, manguera de PVC negra de ½», 1" y 1½",
lámina de Aluminio calibre 28, barra hueca de Aluminio
de 1" x 2", solera de Aluminio (espesor 2 y ¼"), vidrio
transparente de 4 mm, lana de fibra de vidrio, silicón,
cinchos de plástico, remavhes de ¼ y unicel.
Para el esqueleto se utilizó PTR de Aluminio de 1" x 2"
y se remachó en las esquinas con ayuda de retazos
sobrantes. Después se forró el esqueleto con lámina de
Aluminio calibre 28 remachándola. A continuación, se
colocó el unicel en la parte inferior del captador, cuidando
que este tuviera las mismas dimensiones, es decir
respetando el ángulo de 30º en el cono del espiral de la
manguera de PVC. Al finalizar, se colocó una capa de
lana de fibra de vidrio, ya que el unicel por si solo, no
resistiría las altas temperaturas que se estima se
alcanzarán. Se remacharon los apoyos del espiral al
esqueleto, formando un ángulo de 30º con la horizontal.
AISLANTE
Es un componente esencial para el captador. Se puede
decir que la eficiencia de la captación del calor depende
en gran parte de la efectiva reducción de perdidas de
calor en este. Estas pérdidas son causadas
principalmente por la radiación del captador al exterior,
por convección del aire contenido en el cajón y por
conducción por el contacto directo de la placa con el
exterior (Figura 2-A).
CAPTADOR EN ESPIRAL
El captador de capa plana consiste en una manguera
enredada en forma de un espiral ascendente, dentro de
la cual circula el agua a ser calentada. En el arreglo de
espiral la manguera debe de ser enredada de forma
continua, sin permitir separación alguna entre una vuelta
y la siguiente. Esto con el objeto de captar la mayor
cantidad de radiación posible por la manguera (Figura 2B). Se enredan circularmente las mangueras de ½ ", 1" y 1
½ " de PVC negro formando un espiral ascendente con un
ángulo de 30º con respecto a la horizontal y sujetándola
con cinchos de plástico (Figura 2-C). Se barrenó la lámina
envolvente del cajón en uno de los vértices para permitir
la salida de ambos extremos de la manguera.
Se tiene documentado 1-4, 9, 12-16 que la mejor opción para
calentar agua, es en la superficie expuesta al sol ya que
se debe no sólo absorber la mayor cantidad de radiación
solar, sino también se debe emitir con facilidad la
radiación de baja temperatura. Esto se puede conseguir
haciendo uso de películas para superficies selectivas,
las cuales son placas absorbentes que se someten a un
tratamiento superficial para que tenga una emitividad
térmica baja. Con ello se busca reducir sensiblemente
las pérdidas térmicas por radiación de la superficie
absorbente. Poco satisfactorio, pero no menos efectivo
es el uso de pintura negra mate, para asegurar una alta
absorción de radiación solar. Pero en este caso y como
se mencionó con anterioridad, el arreglo de la espiral no
permite tener espacios intermedios entre una vuelta de la
manguera y la otra, además, la manguera que se utiliza
es negra, por lo que se evita con esto el uso de pintura o
película.
El fluido puede contener altos niveles de Oxígeno
disuelto, lo que podría causar degradación de los
metales menos resistentes a este, o bien presentar iones
de Cloro. Por tanto en este caso, se tiene como ventaja,
que el absorbedor es una manguera de plástico, material
que esta exento de esta corrosión, aparte de que este
material es más económico y de fácil fabricación.
CUBIERTA TRANSPARENTE
Este elemento tiene diferentes funciones, la principal
es la de prevenir que el aislante se moje con el agua de
lluvia, ya que si este se humedece, se puede reducir su
capacidad de aislamiento. También evita la circulación y
entrada de aire hacia la superficie caliente del absorbedor.
Esta cubierta transparente debe tener ciertas
características para la transmisión de la radiación, es
decir no sólo debe transmitir la porción visible e infrarroja
cercana del espectro solar con una mínima pérdida de
energía debida a la absorción, sino también debe de ser
opaca a la baja temperatura o a la radiación infrarroja
lejana emitida por la placa ennegrecida. Por lo que se
seleccionó una cubierta de vidrio de 9 mm ordinario
(Figura 2-D). Se colocó el vidrio sobre la base y se selló
con silicón para evitar la entrada de aire al captador. Por
último, se colocó el captador en un lugar escogido en la
azotea para recibir la radiación del sol.
CONSTRUCCIÓN DE UN CAPTADOR SOLAR EN ESPIRAL
Anteriormente se habló de los componentes básicos
de un captador solar en espiral (cajón del captador,
aislante, captador en espiral ascendente y cubierta
transparente). Sin embargo, falta mencionar que existen
otros elementos los cuales forman parte del calentador
solar, como son; el depósito de agua y la base del
depósito. Por lo que a continuación se explicará a detalle
la construcción de cada uno de estos componentes.
25
Calentador solar de agua
Figura 3. Análisis para la manguera de ½», a) 7 a 8 de Julio,
b) 8 a 9 de Julio, c) 9 a 10 de Julio, d) 10 a 11 de Julio.
Figura 4. Análisis para la manguera de 1", a) 4 a 5 de
Septiembre, b) 5 a 6 de Septiembre, c) 6 a 7 de Septiembre.
TANQUE
tanque a 60 cm arriba del captador, esto para poder crear
el efecto de termosifón. Los materiales que se utilizan son,
8 barras de 80 cm por 80 cm, 4 barras de 130 cm y
soldadura.
O DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO DE AGUA
Los materiales para el desarrollo del tanque son un
tanque comercial capacidad de 180 lts, espigas con
cuerda exterior de ½ ", roscas de ½ ", lámina de acero
inoxidable No. 28, silicón, remaches, unicel y extensiones
de manguera de PVC de ½ ".
Como tanque de almacenamiento se utilizó un tanque
comercial con capacidad de 180 lt, en el cual sólo se
considera un volumen de almacenamiento de 100 lt. Por
lo que se desarrolló una tapa flotante de unicel de 4" de
espesor, con objeto de evitar la pérdida de calor (Figura
2-E). Al tanque se le hicieron 4 barrenos a diferentes alturas
(efecto termosifón) para permitir la salida del agua caliente
hacia el servicio (regadera), la entrada de agua fría de la
acometida (cisterna), la salida de agua hacia el captador
y por último la entrada de agua proveniente del captador
(Figura 2-F b).
El tanque a su vez, se forra también con unicel para
aislarlo. El unicel se barrena para permitir la salida de las
espigas y mangueras que se conectan al calentador
(Figura 2-F a). Después el tanque se forra con lámina de
acero inoxidable calibre 28 (Figura 2-F b). La base para
el tanque comercial, es una base soldada de PTR de 1"
x 1" de 80 cm de largo, que tiene la función de elevar al
C ÁLC ULO
DEL CAPTADO R SOLAR EN ESP IRAL
Para el dimensionamiento del captador solar primero es
importante determinar el ángulo de inclinación del espiral,
para este caso de estudio se sugieren 30 grados.
Posteriormente, se calcula el número de vueltas de la
manguera, a través de la ecuación 1.
 2(a n ) + a n (t 2 − re ) 

n = 
(
)
(
(
)
)
4
r
sen
t
e
2


(1)
Donde, «n»es el número de vueltas, «an» es la altura
media del captador, «t2» es el ángulo de inclinación del
espiral y «re» es el radio exterior del espiral.
Para la longitud de la manguera L , esta puede
determinarse por medio de la ecuación 2, donde se
calculan los parámetros en cuanto a la altura inicial del
captador «ao», el ángulo de inclinación del espiral «t2», el
26
Zúñiga-Alcaraz y colaboradores
en Mathlab, del cual se presenta su algoritmo para la
solución de las ecuaciones en el Anexo A.
ALGORITMOS
PARA CÁLCULO DE
LA
EFICIENCIA
Para determinar la eficiencia del captador solar «ηe»,
es necesario determinar los parámetros involucrados
para el cálculo de dicha eficiencia, tales como, la
diferencia de densidades «ρ1-ρ2», la densidad promedio
«ρ», la fuerza de gravedad «g», la altura total del tanque
«ht», la altura del captador «hc», la altura entre el tanque y
el captador «H», el diámetro de la manguera de PVC «D»,
el coeficiente de viscosidad dinámica «µ», la longitud de
la manguera de PVC «L», el calor específico «c», la
diferencia de temperaturas «t2-t1», la irradíancia solar
global sobre la horizontal «G» y el área del captador «A».
Por lo que, la eficiencia del captador solar se determina
mediante la ecuación 4.
(t − t ) 
 π *D4  
ρ2−ρ1 

 *ρ *c p *  2 1 
*
g
*
h
h
2
*
H
*
(
)
+
+

t
c


 2 
128 * µ*L 
 G *Ac 
ηe=
(4)
Con estos mismos parámetros se puede entonces
calcular el caudal del sistema «Q» con la ecuación 5.
Q=
Figura 5. Análisis para la manguera de 1", a) 8 a 9 de
Septiembre, b) 9 a 10 de Septiembre, c) 10 a 11 de Septiembre.
radio interior del espiral «ro» y el número de vueltas de la
manguera «n».
2

r  

M + M 2 + o  
2
π
r 
r 

π  
L=
M M 2 + o  −ao N + o ln
 (2)
a
+
N
2ro cos (t2 ) 
π
π
 
 
o




Y finalmente se calcula el área de captación solar con
la ayuda de la ecuación 3, tomando en cuenta el número
de vueltas de la manguera «n», el radio exterior «re», el
ángulo de inclinación del espiral «t2» y la altura inicial del
captador «ao».
A = 4π (n )re (3(n − 1))re cos(t 2 + a 0 ) cos(t 2 )
(3)
Una vez que se han determinado todos los parámetros
involucrados en el dimensionamiento del captador solar.
Se ingresan todos los datos, para llevar a cabo los
cálculos de la cantidad de manguera, número de vueltas
y el área de captación necesaria se realizó un programa
η * G * Ac
ρ * c p * (t 2 − t1 )
(5)
Por lo tanto, una vez que se han determinado todos los
parámetros involucrados para el cálculo de la eficiencia
del captador solar y el caudal, los datos se ingresan en
MATLAB, el cual se presenta en el Anexo B.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
A continuación se presentan los resultados obtenidos
en cuanto a la eficiencia del calentador dependiendo la
manguera utilizada. Para la evaluación de estos
resultados se utilizaron seis termopares colocados
estratégicamente en diferentes posiciones en el tanque y
el captador. Se colocaron tres termopares al interior del
tanque de almacenamiento, uno en la parte superior
central, otro en la parte medía central y el último en la
parte inferior central; con estos tres se obtuvo un promedio
de temperaturas para el tanque. Otros dos termopares
fueron colocados en la manguera del captador, uno a la
entrada del agua donde se encuentra fría y otro a la salida
donde el agua se encuentra caliente (Tentrada y T salida )
respectivamente. Por último se colocó un termopar a la
sombra.
Manguera de ½ pulgada
Los resultados obtenidos del captador fueron capturados
durante 5 días de operación del calentador solar, con un
intervalo de hora y medía entre cada una de las lecturas
(Figura 3).
Manguera de 1 pulgada
Calentador solar de agua
A continuación se dan los resultados observados de
las mediciones del captador en 4 días de operación del
calentador solar, con un intervalo de hora y medía cada
uno (Figura 4).
Manguera de 1 ½ pulgadas
Por último, se presentan los resultados obtenidos de
las mediciones del captador en tres días de operación
del calentador solar, con un intervalo de hora y medía
cada uno (Figura 5).
DISCUSIÓN
Las gráficas presentadas se obtuvieron al analizar las
diferentes temperaturas que se presentaron durante este
desarrollo experimental, con intervalos de tiempo que en
éste caso fue de 1.5 horas, durante cuatro días sin
interrupción, con el objeto de registrar y evaluar
posteriormente, la eficiencia del captador para así
comparar posteriormente, con las eficiencias obtenidas
de otros calentadores solares existentes, fabricados con
otros materiales (Figuras 3-5).
Manguera de ½ pulgada
En estas gráficas (Figura 8) se aprecia que, en algunos
días se logró obtener temperaturas por arriba de los 80º
C. Esto sucedió el segundo día de prueba a las 15:00 y
16:00 hrs, con temperaturas de 81 ºC y 82 ºC
respectivamente. Para el tercer día de prueba a las 12:00
hrs se obtuvo una temperatura de 69 ºC, mientras que el
cuarto día de prueba a las 15:00 fue de 84 ºC. Por último,
el quinto y último día de prueba para esta manguera la
temperatura fue de 73 ºC. Estos datos indican que, cuando
la temperatura ambiente está alrededor de los 30 ºC, el
calentador puede alcanzar temperaturas de alrededor de
los 80 ºC, por lo que él captador se puede clasificar como
de medía intensidad.
La variación que presenta la temperatura de salida se
atribuye a que el captador solar recibe diferente radiación
a lo largo del día, observándose que aproximadamente
a las siete y medía de la mañana es cuando dicha
temperatura empieza a aumentar de forma considerable,
y a partir de las seis de la tarde desciende.
Por lo que respecta al tanque, se observa un
comportamiento bastante uniforme, su temperatura
media se encuentra alrededor de los 40 ºC con poca
variación.
Manguera de 1 pulgada
El análisis que se llevo acabo para la manguera de
una pulgada de diámetro, arrojó los siguientes resultados
(Figura 4). Con lo que respecta al primer día, se observa
un aumento de hasta 57.4 oC a la salida del captador,
siendo esta la temperatura más alta obtenida durante la
prueba.
La máxima temperatura se obtuvo a las 2 de la tarde,
aunque dicha temperatura comenzó a elevarse a partir
de las 11 de la mañana cuando se encontraba en 22.2 oC.
En el segundo día se observa una temperatura máxima
de salida de 53.1 oC, que aún cuando es menor que la del
27
día anterior, es una buena temperatura de salida, la
temperatura de ambiente era ligeramente más alta que
la del día anterior.
Sin embargo, al igual que en el día anterior, se observa
que los cambios significativos de temperatura se llevan
a cabo cerca de las 2 de la tarde, esto debido a que en
dichos momentos el captador solar recibe más radiación.
Al igual que en los dos días anteriores, en el tercer día,
se obtuvo una temperatura de salida por arriba de los 50
o
C.
En lo que respecta a la temperatura del tanque 22°C,
se observa un comportamiento casi constante durante
los tres días, por lo que respecta a la temperatura
ambiente, esta fue también muy similar en su
comportamiento durante dos días, siendo el primer día
en el que se observó la temperatura más alta.
Manguera de 1 ½ pulgadas
Con respecto a la manguera de pulgada y medía
(Figura 5), en las gráficas se puede observar que el primer
día con este diámetro aproximadamente a las 3:30 pm,
es el momento donde se obtiene un mayor incremento en
la temperatura hasta 35°C.
La temperatura de entrada del captador (28.8 oC), tuvó
un incremento de 10.3 oC. Es decir la temperatura a la
salida de dicho captador fue de 39.1 oC, que es la mayor
temperatura registrada con esta manguera.
Pero si se considera que la temperatura ambiente no
excedió en ningún caso a los 21 oC, se puede decir que
es aceptable la temperatura alcanzada a la salida del
captador, y más aún cuando la temperatura del tanque
tampoco llega a los 21 oC.
En los tres casos, la temperatura del tanque es
prácticamente la misma, por lo que se concluye que no
existe posibilidad de que se escapara calor a través de
el. Se puede observar que los resultados obtenidos con
esta manguera son bastantes pobres en relación con los
obtenidos con las otras manqueras, sin embargo, se
puede observar que el mayor incremento de temperatura
en los tres casos, se lleva a cabo por la tarde (en los tres
casos a distinta hora), y supera por lo menos 10 grados a
la temperatura ambiente.
CONCLUSIONES
La finalidad, del presente trabajo, es proponer una
alternativa para la sustitución del termosifón convencional,
y que sin sacrificar eficiencia, sea más económico. Esto
como consecuencia de cambiar los materiales originales
por otros más económicos y en la medida de lo posible
igualmente duraderos. Para esto se realizaron pruebas
con tres distintos diámetros de tubería de PVC flexible, de
donde se observa el siguiente comportamiento.
La mayor temperatura del agua se obtuvo con el ducto
de ½ " de diámetro, a principios de Julio, donde el agua
alcanzó una temperatura de 84 oC a las tres de la tarde,
esto es un incremento de aproximadamente 30 oC con
respecto a la temperatura de entrada al captador.
28
Zúñiga-Alcaraz y colaboradores
En contraparte, el menor incremento de temperatura a
la salida del captador se observa en el ducto de 1" de
diámetro, dicha temperatura de salida es de 12.6 oC a las
cinco de la mañana.
La temperatura del agua en el tanque, permanece
prácticamente constante, lo que revela que no existió
enfriamiento de agua, en el mismo. Se observa también
que el mayor rendimiento del calentador solar, se lleva a
cabo en el periodo comprendido entre las 3:00 pm y las
5:30 pm.
Por el contrario, el menor rendimiento
(independientemente del diámetro del ducto) se registra
entre las 00:30 am. y las 9:30 am. Esto debido a la
disminución de la radiación solar, lo que repercute
directamente sobre la eficiencia del captador.
Como se puede observar los resultados son
satisfactorios en general, sin embargo, se muestra que el
ducto de ½ " es el más eficiente, se juzga que esto es
debido a que, el agua realiza un mayor recorrido dentro
del captador, (teniendo así una mayor exposición a la
radiación solar) mientras que en el ducto de 1 ½ " el agua
realiza un recorrido menor. De igual forma, en el ducto
más pequeño, el tiempo de transferencia de calor hacia
el núcleo del ducto es menor, ya que, la distancia radial
que tiene que recorrer la onda de calor es menor, por lo
que la velocidad de calentamiento del fluido es mayor.
Otro factor importante, es el económico, aún cuando el
captador y el aislamiento del tanque se realizaron con
materiales económicos, esto no repercutió de manera
importante en el funcionamiento, ni en la evaluación del
mismo, con lo que se obtiene una importante ventaja.
ANEXO A
Programa en MATLAB
para el dimensionamiento del captador
clc;
clear;
lim=30;
for I = 1:lim,
t2(l)=(π/180)*(l)
% Esto por que toma radianes no grados
an = 0.6;
% an = a los 60 cm que equivale la mitad del captador
dn = ; % Diámetro nominal
de = ; % Diámetro exterior
re = de/2; % radio exterior
 2  r 2 
N =  ao +  e  

 π  

2

r  

M + M 2 + o  
2
π
r 
r 

π  
L=
M M 2 + o  −ao N + o ln
%
ao + N
2ro cos (t2 ) 
π
π






longitud de la manguera
A = 4 *π * n * re * (3 * (n − 1)) * re * cos(t 2 + ao )* cos(t2 ) %
Area absorbedora neta;
Fprintf(1,’NUMERO DE VUELTAS %.4f\n\n’,n);
fprintf(1,’LONGITUD NETA %.4f\n\n’,L);
fprintf(1,’AREA ABSORBEDORA %.4f\n\n’,A);
ANEXO B
Programa en MATLAB
para calcular la eficiencia del captador
clc;
clear;
p1 =; p2 = ; %Diferencia de densidades [ kg/m^3 ]
p =;
%Densidad promedio [ kg/m^3 ]
g =;
%cte de gravedad [ m/s^2 ]
ht = .;
% ht=altura de tanque [ m ]
hc = .;
%hc=altura de captador [ m ]
H = .;
%H=altura entre el tanque y el captador [ m ]
D = .;
%Díametro de la manguera de PVC [ m ]
mu = .;
%Coeficiente de viscosidad dinámica [ ]
L=;
%Longitud de la manguera de PVC [ m ]
c = .;
%Calor especifico [ kJ/kgK ]
t2 = ;
t1 = ; %Diferencia de temperaturas [ K ]
G = ; %Irradíancia solar global sobre la horizontal [J/
sm^2]
A = ; %Area del captador [ m^2 ]
(t − t ) 
 π *D4  
ρ2−ρ1 
*ρ *c p*  2 1 
*g*(ht +hc +2*H) *


 2 
128* µ*L 
 G*Ac 
ηe=
qu = η * G * A
Q=
η * G * Ac
ρ * c p * (t 2 − t1 )
%Flujo de calor [ W ]
%Caudal [ m^3/s ]
 2 * an * tan(t 2 − re ) 
 % Número de vueltas
n = 
 4 * re * sin(t 2 ) 
 128 * µ * L 
∆ρ = 
 %Diferencia de densidades [ kg/
4
 π *D 
ao = an − (2 * n * re * cos(t 2 ))
m^3 ]
fprintf(1,’EFICIENCIA DEL CAPTADOR %.4f\n\n’,ηe);
fprintf(1,’FLUJO DE CALOR %.4f\n\n’,qu);
fprintf(1,’CAUDAL %.4f\n\n’,Q);
fprintf(1,’DIFERENCIA DE DENSIDADES %.4f\n\n’,∆ρ);
bn = re + (2 * n * re * sin(t 2 ))
M = 2 * n * re * cos(t 2 ) + ao
Calentador solar de agua
AGRADECI MIEN TOS
Los autores agradecen el apoyo otorgado por el
gobierno Mexicano por parte del Consejo Nacional de
Ciencia y Tecnología y el Instituto Politécnico Nacional
para el desarrollo de este proyecto.
REFERENCI AS
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house heating - Part I. Building description. Energy and
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