METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ÍNDICE PARTE I: MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 2 1. COLECTOR SOLAR .............................................................................................................. 2 2. ALMACENAMIENTO CON AGUA ........................................................................................ 2 3. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN ................................................................................ 3 a) CAPTADOR SOLAR TÉRMICO ......................................................................................... 3 b) COLECTORES SOLARES DE VACÍO .................................................................................. 7 c) INTERCAMBIADOR DE CALOR ....................................................................................... 8 d) Intercambiadores de calor internos .............................................................................. 9 e) DEPÓSITO ACUMULADOR DE AGUA CALIENTE ........................................................... 11 f) BOMBAS / ELECTROCIRCULADORES ........................................................................... 13 g) TUBERÍAS ..................................................................................................................... 15 h) VÁLVULAS Y OTROS COMPONENTES .......................................................................... 16 PARTE II: HOJA DE CÁLCULOS...................................................................................................... 18 1. BALANCE DE ENERGÍA EN EL CALENTADOR SOLAR ........................................................ 18 2. BALANCE DE ENERGÍA EN EL COLECTOR SOLAR ............................................................. 19 3. COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR UL ................................................. 20 4. CONDUCTANCIA EN LA PARTE INFERIOR, UFO ............................................................... 20 5. CONDUCTANCIA EN LA PARTE SUPERIOR USUP ............................................................. 21 6. CONDUCTANCIA EN LA PARTE LATERAL UL .................................................................... 23 7. TEMPERATURA A LO LARGO DEL TUBO Y FACTOR DE EFICIENCIA DEL COLECTOR ........ 24 8. DISTRIBUCIÓN DE LA TEMPERATURA DEL AGUA A LO LARGO DEL TUBO ...................... 28 9. FACTOR DE REMOCIÓN DE CALOR .................................................................................. 29 10. PERDIDAS DE CALOR EN EL DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO Y LAS CONEXIONES .. 29 11. CIRCULACIÓN NATURAL DEL AGUA EN EL CALENTADOR SOLAR ................................ 30 12. UBICACIÓN DEL DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO RESPECTO AL COLECTOR SOLAR 31 13. PERDIDA DE CARGA ..................................................................................................... 32 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 33 1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN PARTE I: MARCO TEÓRICO 1. COLECTOR SOLAR En general existen dos tipos de captadores de energía solar, ellos son los colectores y los paneles fotovoltaicos. Los colectores solares son un tipo especial de intercambiadores de calor que convierten energía solar en energía térmica de una determinada sustancia, la cual puede ser agua, aire e incluso aceite. 2. ALMACENAMIENTO CON AGUA Para muchos sistemas solares, el agua es la perfecta sustancia que se usa para almacenar la energía térmica. Se puede hacer uso de un intercambiador de calor pero generalmente para aplicaciones simples se utiliza un colector solar de agua acoplado y se utiliza el mismo fluido como almacenaje. Una de las formas de aprovechamiento directo de la energía solar es la que se consigue empleando una instalación termosolar, donde la energía radiante del sol se transforma en energía térmica, es decir, calor para generar agua caliente sanitaria (ACS) destinada al consumo humano (agua que es potable) A esta tecnología se le conoce también como conversión térmica a baja temperatura, dada que el rango de temperaturas máximas que alcanza el fluido que forma parte del sistema se sitúa en torno a los 100 ºC (T<100 ºC). Lo más común es emplear sistemas termosolares de circuitos cerrados e independientes (al menos dos, un circuito primario y otro secundario), donde el agua de consumo no pasa directamente por los colectores solares, sino que es un fluido caloportador el que circula por el circuito primario pasando por los captadores solares para ganar energía térmica, y posteriormente, a través de un intercambiador de calor, ceder el calor al agua de consumo que forma parte de un circuito secundario e independiente. Por tanto, ambos fluidos, fluido caloportador de trabajo y el agua de red, NUNCA se mezclan. De esta manera, todo sistema termosolar estará constituido, al menos en la versión más simplificada, por dos circuitos independientes: un circuito primario por donde va el fluido de trabajo caloportador (realmente es un líquido anticongelante para resistir las heladas del exterior) que al pasar por una batería de tubos situados dentro de los captadores solares, se calienta y aumenta su temperatura por la radiación solar recibida. Posteriormente el circuito primario llega hasta un intercambiador, que en los sistemas más sencillos se encuentra en el interior de un depósito acumulador (en otros casos el intercambiador es de tipo externo al depósito acumulador). En el caso de un intercambiador interno, éste se trata de un serpentín de tubos de cobre, que actúa como un intercambiador de calor, por donde circula el fluido caloportador y cede parte de ese calor ganado al agua contenida en el depósito acumulador, que proviene de la red de abastecimiento de agua, la cual se irá calentando. Por tanto, es en el interior del acumulador, mediante el empleo de un intercambiador de calor, donde se produce la transferencia de calor entre el líquido anticongelante calentado en las placas solares y el agua de consumo, que una vez caliente, se usará en nuestra vivienda. Este agua caliente del acumulador pasará al circuito secundario, que mediante la instalación interior de la vivienda se distribuirá a cada punto de consumo. 2 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 3. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN a) CAPTADOR SOLAR TÉRMICO Es el componente de la instalación encargado de recibir la radiación solar y de transferir esta energía a un fluido térmico que circula por su interior. Para los captadores solares de baja temperatura se pueden distinguir dos grandes grupos: captadores solares vidriados y no vidriados. Los captadores solares no vidriados no disponen de una cubierta que aísle al captador del exterior, por lo que las pérdidas de calor en este tipo de captador suelen ser muy elevadas. Suelen fabricarse de material plástico, conformado por una multitud de microtubos por donde circula el agua que se calienta al recibir la radiación solar. Debido a su limitada eficiencia, necesitan una superficie más grande para conseguir las prestaciones deseadas, pero lo compensan con su bajo coste. Tienen aplicación en aquellos casos donde no se requiera alcanzar una temperatura excesivamente alta, como pueda ser el calentamiento del agua de piscinas al aire libre. En el otro grupo se encuentran los captadores vidriados. Estos disponen de una cubierta de cristal por su parte frontal que lo aísla del ambiente exterior, reduciéndose así las pérdidas de calor. Además, la cubierta de cristal va a favorecer que se produzca en el interior del colector el llamado efecto invernadero, lo que hace aumentar la temperatura que se alcance en su interior. Dentro de este grupo se encuentran los captadores solares planos, los cilindro-parabólicos (CPC) y los de tubo de vacío. Los más empleados en el ámbito doméstico para la producción de agua caliente son los captadores solares planos. 3 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN En un panel solar plano, tras la cubierta de cristal, se encuentra lo que se llama la placa absorbedora. Se trata de una placa metálica en color oscuro con objeto de mejorar su capacidad absorbedora de la radicación solar. La radiación solar que incide sobre el colector solar, atraviesa la cubierta de cristal, debido a que son radiaciones electromagnéticas de onda corta, e incide sobre la superficie de la placa absorbedora, la cual parte la absorbe aumentando su temperatura y parte de la radiación la vuelve a reflejar. Pero esta vez, la radiación que es reflejada por la placa absorbedora se emite como radiación de onda larga, que se corresponde con las emisiones de calor o infrarroja, la cual no puede atravesar la cubierta de cristal y queda atrapada en el interior del colector, aumentando la temperatura de la placa absorbedora (es el conocido efecto invernadero). Dentro de la placa absorbedora circula el fluido térmico de trabajo, constituido por un líquido anticongelante especial para resistir las temperaturas extremas durante el invierno sin congelarse. Este fluido nunca debe entrar en contacto con el agua de consumo, dado que además del anticongelante, contiene otros aditivos con objeto de proteger la instalación interior contra la corrosión. Este fluido de trabajo circula a través de un serpentín o circuito de tubos que se encuentra soldado a la placa absorbedora de manera que el calor de la placa es transferida a su vez al fluido a través de las paredes de estos tubos. Este fluido caliente posteriormente, a través de un circuito hidráulico primario, es conducido desde los paneles colectores solares hasta un intercambiador de calor, que puede estar dentro del depósito acumulador a modo de serpentín de tubos, o bien como un equipo aparte fuera del acumulador. 4 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN En el intercambiador se realizará la transferencia de calor del fluido caloportador hacia el fluido del circuito secundario (caso de un intercambiador externo) o al agua contenida en el depósito acumulador (caso de un intercambiador interno). Todo el conjunto que conforma el panel de un captador solar plano se monta en el interior de una carcasa que le sirve de soporte. En el interior de dicha carcasa, normalmente metálica, se dispone de una capa de aislamiento que cubra el fondo y los costados de ésta. Sobre este aislamiento se montará la placa metálica absorbedora que contendrá soldados a ella los tubos por el que circula el fluido de trabajo caloportador, como se ha dicho. Los tubos que entran y salen del costado de la placa permiten que se pueda conectar con el resto del sistema de la instalación. La carcasa, por su parte frontal, quedará cubierta por la capa de vidrio transparente, de manera que el conjunto quede totalmente estanco para evitar pérdidas de calor. La tapa frontal de vidrio, será de un vidrio templado que sea resistente a impactos y a las oscilaciones térmicas. 5 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN A continuación, y a modo de resumen explicativo, se indicarán por separados los componentes principales que conforman el conjunto del panel de un captador solar plano: Cubierta exterior: es el elemento transparente que cubre la placa absorbedora, generalmente de vidrio templado de bajo contenido en hierro para dotarle de resistencia y a la vez buena capacidad de aislamiento. El cristal de la cubierta debe comportarse como un elemento transparente a la radiación solar incidente (radiación de longitud de onda corta), y a la vez mostrarse opaca a la radiación de calor emitida por la placa absorbedora (radiación de onda larga), de manera que se favorezca la generación del efecto invernadero. Placa absorbedora: es el elemento que absorbe la radiación solar, para luego transmitir esta energía al fluido térmico que circula por su interior. Constituida por una lámina metálica, normalmente de cobre o aluminio, bajo la que se dispone de un circuito de tuberías de cobre por donde circula el fluido térmico de trabajo. A esta lámina metálica se le suele someter a un tratamiento con pinturas negras especiales, con objeto de mejorar su capacidad de absorción de radiaciones en longitud de onda corta (radiaciones solares) y disminuir la capacidad de emisión en longitudes de onda larga (para que no desprenda tanto calor), de manera que retenga el mayor calor posible. Este calor absorbido por la placa absorbedora es transferida a un circuito de tubos de cobre adheridos por donde circula el fluido térmico caloportador. Este circuito de tuberías se suelen disponer en dos configuraciones posibles: en parrilla de tubos (como se muestra en la figura adjunta), o mediante serpentín. Aislamiento: para reducir las pérdidas de calor hacia el exterior, se coloca un material aislante en el fondo de la carcasa y por los laterales que son las partes opacas del captador por donde no se necesita que entre radiación solar. Los materiales más empleados como aislantes son las espumas de poliuretano y las resinas de melamina. Además de ofrecer un alto coeficiente de aislamiento, debe mantener inalterables sus propiedades y no degradarse por el calor. Recordar que el aislamiento situado en el fondo de un captador, bajo la placa absorbedora, puede alcanzar temperaturas similares a esta (del orden de los 150 ºC), por lo que debe poder resistir sin descomponerse ni emitir gases que puedan ensuciar la parte interior de la cubierta de cristal. Carcasa o caja envolvente: es el elemento contenedor de los demás componentes que constituyen el captador. Esta carcasa suele ser de aluminio anodizado, más ligera y resistente a los agentes atmosféricos, o de acero galvanizado. Normalmente incluye un marco que le 6 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN confiere mayor rigidez y posibilita su anclaje a la estructura portante para darle la inclinación y orientación debida al colector. Una aplicación de esta tecnología al ámbito doméstico son los sistemas compactos para generación de agua caliente en viviendas. Estos ya se venden montados en una sola unidad para ser instalado en la cubierta de la vivienda. Típicamente estos sistemas compactos para uso doméstico están compuestos por un depósito de unos 150 litros de capacidad y normalmente de dos colectores de aproximadamente 1 m2 de superficie de captación cada uno. Los colectores solares más empleados a nivel doméstico son los colectores planos, seguidos cada vez más por otro tipo de colectores: los colectores solares de vacío. b) COLECTORES SOLARES DE VACÍO Los colectores solares de tubos de vacío están formado por hileras paralelas de tubos de vidrio transparente. Cada tubo contiene a su vez otro tubo interior de absorción recubierto con pintura selectiva para mejorar la absorción de calor, por donde circula el líquido caloportador. Este tipo de captador incluyen una innovación respecto a los paneles solares planos convencionales, que consiste en hacer el vacío en el espacio que queda entre el cristal protector del tubo exterior y la superficie absorbente del tubo interior. Con este cambio se consigue eliminar las pérdidas por convección interna, dado que se elimina el aire que pueda transferirlas, por lo que se puede aumentar así la temperatura de trabajo y el rendimiento de la instalación. Como ya se ha comentado, los tubos de vacío están compuestos por un doble tubo de vidrio, entre cuyas paredes se hace un vacío muy elevado (en torno a 0,005 Pa) con objeto de 7 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN minimizar las pérdidas de calor por conducción y convención. La superficie de vidrio del tubo interior suele llevar un recubrimiento selectivo a base de metal pulverizado para aumentar la absorción de la radiación. Las dimensiones de los tubos son similares a las de un tubo fluorescente, en torno a los 60 mm de diámetro y 180 cm de largo. En un captador de vacío, la radiación solar atraviesa el tubo exterior de vidrio, incide en el tubo de absorción interior y se transforma en calor. El calor se transfiere al líquido que fluye dentro del tubo interior a través de sus paredes. Estos, captadores permiten calentar agua hasta temperaturas de 110 ºC, hecho que posibilita la utilización de sistemas de distribución de calor convencionales en aplicaciones de calefacción con agua. Además, por la propia configuración de los tubos de vacío que componen el colector solar, éstos son capaces de capturar la radiación difusa, incluso de días nublados, llegando a calentar el agua a niveles aceptables. Este tipo de colector trabaja mediante el sistema antilegionela, dado que el agua que recorre los tubos y se almacena en la parte alta del colector nunca se mezcla con el agua caliente sanitaria (ACS) de consumo, sino que el agua de consumo circula por el interior del depósito superior del colector gracias a un serpentín de cobre que actúa como intercambiador de calor. Otra característica de los colectores solares de vacío es que permiten adaptarse mejor a aquellos casos donde no es posible una instalación con la inclinación u orientación óptima, mejorando el rendimiento respecto a los colectores solares planos. Esta propiedad hace que los captadores de tubos de vacío puedan integrarse aún mejor en la arquitectura de los edificios que en cada caso será diferente. c) INTERCAMBIADOR DE CALOR El intercambiador de calor es el dispositivo donde se realiza la transferencia de calor desde el fluido caloportador del circuito primario al fluido del circuito secundario que conforma la instalación, manteniendo separadas las corrientes de ambos fluidos sin que lleguen a mezclarse. Según su emplazamiento, se pueden distinguir dos grandes grupos de intercambiadores, a saber: Intercambiadores de calor externos: En este caso, el intercambiador se sitúa fuera del depósito de acumulación, instalándose de forma independiente ambos elementos. 8 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Este tipo de configuración se suele emplear en sistemas termosolares donde se emplean volúmenes de acumulación superiores a los 1000 litros de agua caliente. El empleo de intercambiadores externos permite poder alcanzar potencias térmicas más elevadas con sólo cambiar el intercambiador que se disponga por otro de mayor capacidad de transmisión, sin necesidad de hacer más cambios en el resto de la instalación, o bien, ampliando el intercambiador existente añadiendo más superficie de intercambio (más placas). Otra ventaja de usar intercambiadores externos es que permite abastecer a más de un depósito acumulador con un único intercambiador, debido a que ambos elementos son independientes. Por ello, el empleo de configuraciones con intercambiadores externos es típico para aquellas instalaciones térmicas medianas y grandes. Los intercambiadores de tipo externos se suelen construir de placas en acero inoxidable soldadas entre sí (semejante a un radiador), de forma que se generan dos sistemas de canales completamente separados, uno para cada fluido, manteniendo un flujo en contra-corriente entre ellos para hacer más eficiente la transmisión de calor. Al situarse el intercambiador fuera del acumulador, hace necesaria la instalación de dos bombas circulatorias, una en cada circuito (primario y secundario). Evidentemente es una solución más cara, pero resulta más eficiente cuando el tipo de instalación requiere de grandes necesidades térmicas y de mayores volúmenes de agua caliente. d) Intercambiadores de calor internos En este caso, el intercambiador se sitúa dentro del depósito de acumulación realizándose dentro de él la transferencia de calor. 9 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Las dos soluciones comerciales más empleadas son el sistema de intercambio interno mediante serpentín y los de doble pared. Los de serpentín, como el que se muestra en la figura, consisten en sumergir una tubería (de cobre o acero inoxidable) arrollada en forma de espiral dentro del tanque de acumulación. El serpentín se debe situar en la parte baja del acumulador, dado que es la parte fría, de manera que el gradiente de temperatura entre el fluido primario caloportador (el que circula dentro del serpentín) y el fluido del circuito secundario del acumulador sea el mayor posible. De esta manera, la potencia térmica de intercambio será máxima. La entrada en el acumulador del fluido caliente del serpentín deberá realizarse a una altura comprendida entre el 50 y el 75% de la altura total del acumulador, mientras que la salida del serpentín se deberá realizar por la parte inferior del depósito acumulador. Como ya se ha indicado, existe otra forma de realizar el intercambio de calor entre ambos circuitos, y es empleando depósitos acumuladores de doble pared. En este caso, el depósito acumulador dispone de doble envolvente, es decir, que realmente está compuesto por dos depósitos, uno construido dentro del otro. De esta manera, el fluido caloportador del circuito primario entra y rellena el espacio comprendido entre el depósito exterior y el interior. Así, el fluido caloportador queda rodeando el volumen de almacenamiento del depósito más interior, donde se contiene el fluido a calentar del circuito secundario. 10 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Con esta configuración la pared intermedia que separa el depósito interior del exterior funciona como elemento de intercambio, dando como resultado un rendimiento muy aceptable. e) DEPÓSITO ACUMULADOR DE AGUA CALIENTE Además de poder servir como elemento de intercambiador de calor, según se ha visto en el apartado anterior, la función principal de un depósito acumulador es la de almacenar y conservar caliente el agua para consumo el máximo tiempo posible, normalmente entre 1 y 4 días para el caso de sistemas pequeños de viviendas unifamiliares. Un buen depósito cumulador debe contar con una envolvente aislante que minimice las fugas de calor al exterior, un volumen de capacidad adecuado al consumo de agua caliente previsto, ser seguro y ofrecer una larga vida útil en la instalación. Suelen tener forma cilíndrica lo cual facilita el fenómeno de estratificación, es decir, la capacidad de distribución vertical del agua por su temperatura, donde al agua fría se situará en la parte baja mientras el agua más caliente ocupará la parte alta del depósito. En este sentido, es recomendable utilizar depósitos cilíndricos verticales, donde la relación entre la base y la altura sea lo menor posible. Una característica importante en todo depósito acumulador es la de disponer de una buena capacidad de estratificación dentro del depósito, lo cual va a favorecer el rendimiento térmico del sistema. En efecto, como ya se indicó en el apartador anterior, en caso de emplear un serpentín como elemento intercambiador, éste se situará en la parte baja del acumulador, por lo que interesa que el agua más fría en el acumulador se sitúe también en su parte baja. De esta manera se asegura un mayor gradiente térmico entre el fluido caloportador del serpentín caliente y el fluido exterior contenido en el acumulador, que mejorará la eficiencia en la transferencia de calor. En este sentido, asimismo se intentará evitar que la entrada o salida de agua del acumulador se realice a alta velocidad. En efecto, una elevada velocidad en el flujo de agua de entrada o 11 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN salida al depósito favorecerá que se produzcan mezclas y corrientes de circulación dentro del acumulador. Este efecto no es deseable que se produzca dado que perjudica la estratificación del agua dentro del depósito. Del mismo modo, se prestará atención a que las conexiones por donde se realice la entrada o salida del agua no forme caminos preferentes de circulación dentro del acumulador. El emplazamiento de las distintas conexiones en el depósito acumulador se situarán de la siguiente manera, según la configuración del sistema: - La conexión de salida del agua fría desde el acumulador hacia el intercambiador, para la configuración con intercambiador externo, o hacia los captadores se realizará por la parte inferior del acumulador. - Para la conexión de entrada de agua caliente procedente del intercambiador, para la configuración con intercambiador externo, o de los captadores hacia el acumulador se realizará a una altura comprendida entre el 50 y el 75% de la altura total del depósito. - Para configuraciones de una sola aplicación, la conexión del retorno de agua ACS de consumo hacia el acumulador se realizará por la parte inferior, mientras que la extracción de agua caliente del depósito se realizará por su parte superior. Para su fabricación se debe emplear sólo materiales que ofrezcan durabilidad y seguridad en la construcción, como el acero al carbono, acero inoxidable, aluminio o fibra de vidrio reforzado. En los acumuladores fabricados en acero tratado al carbono se les suele someter adicionalmente a un esmaltado o tratamiento vitrificado en el interior del tanque, con objeto de mejorar su resistencia a la corrosión. Así, para aplicaciones de sistemas pequeños (caso de viviendas unifamiliares con capacidades de almacenamiento de hasta 500 o incluso 750 litros) se suelen utilizar este tipo de depósitos acumuladores vitrificados que presentan una durabilidad frente a la corrosión excelente. En equipos de mayores volúmenes de almacenamiento se emplearán acumuladores en acero inoxidable, preferentemente. No obstante, este criterio será revisado si el agua de la zona donde se realice la instalación es especialmente agresiva, en concreto en relación a su nivel de pH o contenido de cloruros. En estos casos no se recomienda emplear equipos en acero inoxidable. 12 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN En efecto, si el agua presenta un pH ácido, o si la concentración de cloruros es elevada (>100 mg/l), el acero inoxidable es más vulnerable, que puede traer consigo la aparición de puntos de corrosión por picadura, debiéndose emplear es estos casos acumuladores vitrificados, de aluminio o de fibra de vidrio. En otro orden de cosas, el ratio a seguir para determinar el volumen del depósito acumulador deberá ser de 30 a 60 litros por m2 de panel solar instalado, en sistemas pequeños para viviendas unifamiliares, donde la producción de agua caliente es consumida normalmente a diario. En el caso que se desee instalar un depósito mixto, que se use tanto para la producción de ACS (agua caliente sanitaria) como para calefacción, entonces el ratio a seguir para calcular el depósito acumulador es de 50 a 75 litros por m2 de panel solar instalado. Como recordatorio, para sistemas unifamiliares es posible utilizar la siguiente regla que suele ser válida para la mayoría de las veces: 50 litros de depósito por persona + 50 litros. Es decir que, en la gran mayoría de los casos, para una vivienda unifamiliar donde convivan de 4 a 5 personas, el depósito acumulador de agua caliente que se necesitaría tendría una capacidad de entre 200-300 litros. Usualmente, para aplicaciones de producción de ACS (agua caliente sanitaria) el volumen de acumulación (V, en litros) y el área de los captadores (A, en m2) guardarán la siguiente relación: 50 < V/A < 180 Si se pretende de forma más precisa, para aquellas instalaciones donde se presuma un consumo uniforme durante todo el año, el volumen (V) del depósito a elegir cumplirá con las siguientes condiciones: 0,8·M < V < M 1,25 < (100·A)/M < 2 Donde: A es el área de los captadores solares instalados, en metros cuadrados; M es el consumo de la instalación, en litros/día; V es el volumen del depósito de acumulación, en litros. f) BOMBAS / ELECTROCIRCULADORES En los sistemas termosolares de circulación forzada, es necesario la instalación de bombas circuladoras, normalmente de tipo centrífuga, también llamados electrocirculadores que son accionados por un motor eléctrico. Toda bomba circuladora, para unas determinadas condiciones de trabajo y tipo de fluido a bombear, se caracteriza por el caudal de fluido bombeado y la altura manométrica de impulsión. 13 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Las bombas circuladoras, o circulatorias, de los sistemas termosolares de circulación forzada, son necesarias para generar el movimiento del fluido de trabajo desde la salida del depósito acumulador, una vez pasado por el intercambiador, hasta los colectores solares. Al instalarse las bombas circuladoras para bombear el fluido caloportador del circuito primario, ya el depósito acumulador no es necesario colocarlo junto a los captadores solares en una posición elevada en el exterior del edificio, sino que pueden situarse en otra posición que más convenga, en el interior del edificio por ejemplo, resguardado, y en un lugar situado en posición más baja que los colectores solares. En general, se pueden distinguir dos tipos de electrocirculadores: - Electrocirculadores de rotor sumergido: son silenciosos, requieren un bajo mantenimiento y se montan en línea con la tubería y el eje horizontal. - Monobloc: pueden ser montados con el eje en cualquier posición. Con el paso del tiempo y el uso, en las tuberías de agua caliente se producen precipitaciones y corrosión, lo que hace disminuir el paso libre que queda dentro de la tubería para el agua, produciendo un aumento de la pérdida de carga. En este aspecto, se deberá cuidar la elección de los materiales de fabricación de las bombas para aplicaciones termosolares, que deberán ser muy resistentes a la corrosión. Además, aunque los cálculos hidráulicos para este tipo de instalación se suelen realizar considerando agua como fluido de trabajo, en realidad el fluido de trabajo en el circuito primario de este tipo de instalaciones es una mezcla de agua con anticongelante. Este hecho unido al progresivo aumento de la pérdida de carga en las tuberías por incrustaciones, aconseja un cierto margen de seguridad en la selección de las prestaciones de la bomba, con objeto de poder hacer frente a estos imprevistos. Las bombas circulatorias empleadas en los circuitos termosolares suelen tener varias velocidades y el fabricante lo indicará en sus gráficas de funcionamiento. Lo aconsejable es que se trabaje en una velocidad intermedia, con objeto de tener margen de actuación en el caso de ser necesaria variar la presión de suministro de la bomba ante cambios en las condiciones de la instalación. 14 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Asimismo, previo a la aspiración de la bomba, se suele instalar un filtro con objeto de evitar que entren al interior de la bomba impurezas procedentes de los cordones de soldadura y otros desprendimientos del interior de la instalación. g) TUBERÍAS Cuando se lleve a cabo el montaje de la instalación, tanto de las tuberías que conforman el circuito primario como las del secundario, se llevará a cabo bajo las más estrictas condiciones de limpieza, con objeto de evitar la formación de la legionela. Ésta es una bacteria que se desarrolla en los circuitos de ACS, preferentemente a temperaturas en torno a los 37 ºC, por lo que es imprescindible someter a toda instalación termosolar a labores de mantenimiento de prevención de la legionelosis de acuerdo a la legislación vigente. Para el circuito primario por donde circula el fluido de trabajo caloportador desde los captadores solares hasta el intercambiador y su posterior retorno, se suelen utilizar tuberías de cobre o de acero inoxidable. En la actualidad se están desarrollando nuevos materiales plásticos termorresistentes, certificados y homologados para esta aplicación. Para el circuito secundario o el de circulación del agua caliente sanitaria para consumo (ACS) se podrán utilizar tuberías de cobre, de acero inoxidable o de acero galvanizado, pero NUNCA se utilizarán tuberías de acero negro para circuitos de agua caliente destino al consumo. A continuación se realizarán algunas indicaciones para ciertos tipos de tuberías que pueden ser empeladas en las instalaciones termosolares: - Tuberías de cobre: de todos es el tipo de tubería más recomendado, por su excelente relación calidad/precio. Ofrece gran resistencia a la corrosión, es maleable y dúctil que facilita las operaciones de montaje, y es inocua por lo que ofrece buenas condiciones de salubridad. - Acero galvanizado: aunque es muy empleado en instalaciones de fontanería/plomería en agua fría, no se puede emplear como material en el circuito primario, dado que la protección del galvanizado se deteriora cuando se alcanzan temperaturas superiores a los 65 ºC. - Acero negro: No se puede emplear en instalaciones de agua caliente sanitaria (ACS), por producirse oxidaciones que afectan negativamente a la potabilidad del agua. Sólo es posible su uso como material de las conducciones del circuito primario. 15 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN - Tuberías de plástico termorresistentes: Actualmente se están desarrollando nuevos materiales plásticos, que resultan muy competitivos de precio, y que pueden resistir sin problema temperaturas de trabajo superiores a los 100 ºC. No obstante, por lo general este tipo de materiales se deterioran por la exposición directa a los rayos solares, por lo que su uso está restringido a espacios interiores o bajo estructuras de protección que los aísle de la acción directa de los rayos solares. h) VÁLVULAS Y OTROS COMPONENTES De entre los accesorios que son necesarios para un funcionamiento correcto y seguro de todo sistema hidráulico termosolar caben destacar las válvulas (en sus distintas versiones según su funcionalidad), el vaso de expansión y el purgador de aire, entre otros. A continuación se estudiarán brevemente cada uno de ellos: a) Válvulas: La elección del tipo de válvula más idónea se debe realizar atendiendo a la función que realiza dentro del circuito. Además, el tipo de válvula instalada deberá ser capaz de soportar con garantías los valores extremos de presión y temperatura que se alcancen en el sistema. En general, la elección del tipo de válvula se realizará atendiendo el siguiente criterio: • Para funciones de aislamiento: se suelen emplear válvulas de tipo esféricas; • Para el equilibrado de circuitos: válvulas de asiento; • Para vaciado de tuberías: válvulas de esfera o macho; • Para llenado de tuberías: válvulas de esfera; • Para purga de aire: válvulas de esfera o macho; • Para seguridad: válvulas de resorte; • Para retención: válvulas de disco de doble compuerta. En aquellos sistemas sencillos, suele ser suficiente con colocar válvulas de seguridad en cada batería de captadores solares y en la entrada del sistema de acumulación. Por otro lado, y para evitar que el líquido anticongelante del circuito primario circule en la dirección opuesta cuando el sistema está apagado, se suele monta una válvula de paso de 16 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN sentido único, o bien una electro-válvula que se abra en paralelo con el arranque de la bomba. Esta válvula antirretorno se utiliza para evitar retrocesos del fluido caloportador desde los colectores solares hacia la bomba causados por la convección natural. b) Vaso de expansión: Las variaciones extremas de temperatura que experimenta el fluido de trabajo en el circuito primario, hacen variar su densidad, y por tanto el volumen que ocupa dentro de la instalación. En efecto, al aumentar la temperatura del fluido caloportador (por ejemplo, a su paso por los captadores solares), ocasiona el aumento de su volumen dentro de las tuberías y por tanto, también un aumento de la presión interior del fluido, que si no se dispone de algún elemento que alivie este incremento de presiones, podría dar lugar a fugas y roturas de la instalación. Por tanto, con objeto de absorber las dilataciones del fluido caloportador se coloca un dispositivo, denominado vaso de expansión, tal que el fluido sobrante que no cabe en la instalación entre en el vaso de expansión, consiguiéndose así que la presión no suba. Entre los más utilizados, son los vasos de expansión de tipo cerrado, los cuales consisten en un depósito cerrado herméticamente, cuyo interior se encuentra dividido en dos partes separadas por una membrana impermeable y extensible. La parte del depósito rodeado por la membrana está ocupado por un gas (suele ser nitrógeno, que no se oxida ni estropea la membrana, aunque también se puede emplear aire), mientras que la otra parte útil del depósito está conectada al circuito hidráulico y es por donde entra y sale el fluido caloportador de la instalación. Pues bien, como se ha dicho, al expandirse el fluido por aumento de su temperatura, parte del fluido que no cabe en la instalación entra en el vaso de expansión empujando a la membrana. El gas que ocupa la parte del vaso de expansión se comprime y absorbe la entrada del fluido sobrante, evitando así variaciones de presión en el circuito. La parte del vaso de expansión ocupada por el gas suele disponer de una válvula de seguridad para limitar la presión al valor especificado por el fabricante de la instalación. c) Purgador de aire: Las instalaciones termosolares también disponen de un purgador, cuya función es la de extrae las burbujas de aire que se puedan formar dentro de las conducciones. 17 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN PARTE II: HOJA DE CÁLCULOS 1. BALANCE DE ENERGÍA EN EL CALENTADOR SOLAR El balance de energía tiene como objetivo determinar el calor útil transmitido al agua para establecer la eficiencia del calentador solar. El calor útil qútil, empleado para calentar el agua del depósito de almacenamiento, es una parte de la radiación global incidente sobre el colector solar HTAe; la otra parte es calor disipado al ambiente: i) por el colector solar qcs, ii) por el depósito de almacenamiento qda y iii) por las conexiones qcx. En la figura 1 se presentan las partes del calentador solar y en la figura 2 se muestra un diagrama del balance de energía. Este balance de energía se expresa analíticamente como: El calor útil introducido en la ecuación 1 está representado por el flujo de agua m´ en el calentador y las temperaturas de entrada y salida del depósito de almacenamiento Tfe, Tfs. La eficiencia del calentador se define, entonces, como el porcentaje de la radiación solar global incidente sobre la superficie efectiva del colector y que es aprovechado como calor útil. En la práctica la eficiencia se determina experimentalmente en un intervalo finito de tiempo; para fines de diseño el período de evaluación t puede ser de un día o un tiempo mayor. Así, los valores puntuales obtenidos durante el periodo de evaluación son integrados mediante la siguiente ecuación: 18 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 2. BALANCE DE ENERGÍA EN EL COLECTOR SOLAR La radiación global que incide sobre el colector solar HTAe, disminuye su valor como resultado de las características propias de reflexión y absorción de la cubierta del colector; de ahí que, este valor, es corregido por un factor (τα). Parte de esta radiación, HTAe(τα), es empleada como calor para calentar el agua qcal; la parte restante constituye el almacenamiento de energía en el colector mismo dU/dt, que usualmente es despreciable; así como, las pérdidas de calor hacia el ambiente por conducción, convección y re-radiación qpe. Para la determinación del calor de calentamiento del agua en el colector solar es necesario determinar las pérdidas de calor en el colector mediante la siguiente ecuación: 19 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Donde: UL = coeficiente total de transferencia de calor Acs = área del colector solar Tp = temperatura promedio de la placa de absorción Ta = temperatura ambiental El coeficiente total de transferencia de calor UL se determina a partir de la temperatura promedio de la placa de absorción, la cual a su vez, requiere la determinación de la temperatura del tubo y del agua a lo largo de todo el tubo y del factor de remoción de calor. 3. COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR UL La evaluación numérica del coeficiente total de transferencia de calor UL requiere determinar las conductancias inferior, superior y lateral en el colector solar. En la figura 3 se muestra el circuito térmico de un colector solar plano que ayuda a visualizar los fenómenos físicos que se producen en el colector solar y así, a partir de este circuito se plantean las ecuaciones de las conductancias. 4. CONDUCTANCIA EN LA PARTE INFERIOR, UFO La conductancia se evalúa conociendo la resistencia térmica conductiva R1 y la resistencia térmica convectiva R2. 20 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN R1 está dado por la conductividad del aislante ka, y la longitud transversal del mismo l; R2 está dado por el coeficiente convectivo de transferencia de calor entre la placa de absorción y el ambiente, el cual en colectores bien aislados es despreciable. Si R2 << R1 entonces R2 se desprecia; por lo que la conductancia en la parte inferior sería: 5. CONDUCTANCIA EN LA PARTE SUPERIOR USUP Esta conductancia se evalúa determinando las resistencias térmicas R3, R4, y R5, las cuales se muestran en la figura 3. El calor se transfiere entre la placa de absorción y la cubierta interior por convección y radiación en forma paralela; esto mismo, también ocurre entre las dos cubiertas, interior y exterior. Los mismos mecanismos de transferencia son igualmente importantes en la disipación de calor por parte de la cubierta exterior hacia el ambiente. 21 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN El proceso de cálculo de R3, R4 y R5 es iterativo, además requiere de datos como las temperaturas de las cubiertas y los coeficientes convectivos de transferencia de calor, que por lo general son difíciles de evaluar; esto hace que el cálculo de estas resistencias térmicas sea complicado. La ecuación propuesta por Hottel y Wertz para el cálculo de la conductancia por la parte superior, simplifica el procedimiento indicado anteriormente. Esta ecuación se utiliza para temperaturas de la placa de absorción entre 25 y 225 ºC, con un margen de error aproximado de ±0,3 W/m2 . 22 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 6. CONDUCTANCIA EN LA PARTE LATERAL UL Las pérdidas de calor a través de los lados del colector se evalúan de manera similar, aplicando la siguiente ecuación: Finalmente, la evaluación del coeficiente total de transferencia de calor para todo el colector está representada por la sumatoria de las tres conductancias indicadas anteriormente; es decir, inferior, superior y lateral. 23 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 7. TEMPERATURA A LO LARGO DEL TUBO Y FACTOR DE EFICIENCIA DEL COLECTOR Un balance de energía en la placa de absorción (ver figura 4) muestra que, para un plano perpendicular al flujo, se cumple la siguiente ecuación: Donde: S = HT (τα) HT = radiación solar global δ = espesor de la placa de absorción ∆x = elemento del ancho de la placa de absorción T = temperatura del elemento (∆x) Dividiendo la ecuación 18 entre ∆x y haciendo ∆x → 0, se obtiene que: 24 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Reemplazando el valor de q” en la ecuación 18, se obtiene la siguiente ecuación: Esta ecuación diferencial requiere de dos condiciones de frontera Resolviendo la ecuación 20 con las condiciones de frontera establecidas se obtiene que: La ecuación permite conocer la temperatura T en la placa de absorción a lo largo de x para cualquier posición y a lo largo del flujo. De esta ecuación se concluye que, el máximo de temperatura en la placa ocurre entre los dos tubos, para x = 0. De la ecuación se deduce el calor por unidad de longitud que fluye por conducción a lo largo de la placa de absorción hacia uno de los tubos q’cond, esto es: Derivando la ecuación (23) se obtiene el dT/dx, con lo cual se obtiene: 25 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Se define F como la eficiencia geométrica de una superficie plana. Así: La eficiencia geométrica F varía de acuerdo al parámetro c(W-D)/2, según se muestra en la figura. Haciendo uso de la definición para la eficiencia de una superficie plana Este calor de calentamiento por unidad de longitud q’cal, es transferido al agua. Así, este calor de calentamiento se presenta en términos de la resistencia térmica de convección que presenta la interfase tubo-agua, mediante la siguiente ecuación. 26 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Las ecuaciones 29 y 30 se combinan para determinar el calor de calentamiento del agua en términos de la temperatura ambiente y de la temperatura del agua. Despejando Tb Físicamente, el numerador corresponde a la resistencia térmica entre la superficie del colector y el aire ambiente, mientras que el denominador constituye la resistencia térmica entre el fluido y el ambiente. El factor de eficiencia del colector F’ es una función de F, hf y UL dependen ligeramente de la temperatura, por ello, F’ se considera un parámetro de diseño. 27 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 8. DISTRIBUCIÓN DE LA TEMPERATURA DEL AGUA A LO LARGO DEL TUBO Un balance de energía en un elemento diferencial de agua dentro del tubo, tal como se muestra en la figura, indica que: La ecuación se tiene la siguiente condición de frontera: Donde: Tfe = temperatura del fluido a la entrada del colector Cp = capacidad calorífica del agua m = flujo de masa de agua en el colector Una condición límite de interés es cuando L→ ∝ o bien, m→ 0. En estas condiciones: Mediante esta ecuación se determina la temperatura máxima que puede alcanzar un colector plano. El valor de la temperatura máxima es importante en la selección de los materiales que constituyen un colector. Si bien es cierto que la eficiencia térmica del colector es igual a cero a esta temperatura, su importancia fundamental radica en el hecho que, en condiciones de 28 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN estancamiento (o flujo igual a cero), la temperatura que puede alcanzarse en el interior del colector sobrepasaría el límite de operación de algunas de sus partes: aislante, empaques, etc. 9. FACTOR DE REMOCIÓN DE CALOR 10. PERDIDAS DE CALOR EN EL DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO Y LAS CONEXIONES DEPOSITO DE ALMACENAMIENTO CONEXIONES Por otro lado, el balance de energía en las conexiones se divide en pérdidas en la conexión de agua fría y en la conexión de agua caliente, así: 29 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 11. CIRCULACIÓN NATURAL DEL AGUA EN EL CALENTADOR SOLAR La circulación natural o circulación por termosifón es un fenómeno que se fundamenta en la variación de la densidad del agua, que es inversamente proporcional al incremento de la temperatura, esto quiere decir por ejemplo, que la densidad del agua a 60 ºC es menor que la densidad de agua a 20 ºC. Si se colocan en un tubo en U dos volúmenes iguales de agua a las temperaturas mencionadas, el nivel de la columna de agua más caliente es mayor respecto a la de agua más fría (ver figura 8), esto se explica porque la columna de agua a 20 ºC tiene mayor masa que la columna de agua a 60 ºC. Debido a que en estos tipos de calentadores solares se aprovecha la circulación natural de agua, no se necesita de una bomba para la circulación del agua. Un aspecto importante de la circulación natural es la ubicación del depósito de almacenamiento respecto del colector solar. 30 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 12. UBICACIÓN DEL DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO RESPECTO AL COLECTOR SOLAR Se muestra la disposición de las entradas y salidas de agua tanto en el colector como en el depósito de almacenamiento, así como las alturas o niveles en que se encuentran ubicadas dichas entradas y salidas. A partir de esta figura, se definen los ángulos α1 y α2 de la siguiente manera: 1. ALTURA DE PRESIÓN DE LA CIRCULACIÓN NATURAL La altura de presión de circulación natural ∆PCN es la altura resultante de la diferencia de la presión generada por la diferencia de densidades del agua ∆P y la pérdida de carga por fricción en los tubos hp. 2. ALTURA DE PRESIÓN DEBIDO AL CAMBIO DE DENSIDAD DEL AGUA La entrada del colector el agua tiene una densidad, ρe , mientras que a la salida el agua tiene una densidad ρs, además se asume una densidad promedio ρ. Aplicando la ecuación de Bernoulli se obtiene: 31 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Además: 13. PERDIDA DE CARGA Para determinar las pérdidas de carga se determinan el régimen del flujo de agua, la longitud de tubos equivalente Lt y el coeficiente de fricción del flujo. Por lo general, el régimen del flujo de agua es laminar, por lo que el coeficiente de fricción f se determina de la siguiente manera La longitud de tubos equivalentes Lt se determina mediante la siguiente ecuación Para determinar la velocidad del agua en un calentador solar de circulación natural se requiere un cálculo iterativo, por lo cual se asume una velocidad del agua en el colector solar, luego, se determina la presión de circulación natural y las pérdidas de carga, finalmente se calcula la velocidad del agua, hasta que el valor asumido coincida con el valor calculado. 32 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN BIBLIOGRAFIA “Zonas de Puno azotadas por el frío están en emergencia tras muerte de 153 niños.” http://elcomercio.pe/noticia/296125/declararan-emergencialocalidades-punenas- azotadas-frio-muerte-153-ninos. El Comercio. Web. 04 de junio del 2009. Harman, Úrsula. Proyecto Casa Ecológica Andina de Langui. 26 de febrero del 2010. Duffie, John A. Solar Engineering of Thermal Processes. (2.da.ed.). New York: Wiley,1991. Juan Manuel Bohórquez Peñuela. Muro de Trombe. Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia. Departamento de Ingeniería Mecánica. Sitio Solar http://www.sitiosolar.com/colectores%20de%20tubo%20de%20vacio.htm Carhuayo, Roberto (2003). Diseño de un colector solar plano, utilizando tuberías de PVC, para el calentamiento de 105 litros de agua por convección natural. Tesis no publicada, Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú. 33
