Post on 10-Jul-2016
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA – ENERGIA
ESCUELA DE INGENIERIA EN ENERGIA
EFICIENCIA ENERGETICA
“CALCULO DE SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA POR MEDIO DE
COLECTORES SOLARES PARA UNA VIVIENDA UNIFAMILIAR”
Asesor:
Ing. Oscar Tacza Casallo
Integrante:
Angel J. Yacila Alvarado
BELLAVISTA – CALLAO
2015
Dedicatoria
Le dedico primeramente mi trabajo a Dios que fue el creador de todas las
cosas, el que me ha dado fortaleza para continuar cuando a punto de caer he
estado; por ello, con toda la humildad que de mi corazón puede emanar.
De igual forma, a mis Padres, a quien le debo toda mi vida, les agradezco el
cariño y su comprensión, a ustedes quienes han sabido formarme con buenos
sentimientos, hábitos y valores, lo cual me ha ayudado a salir adelante
buscando siempre el mejor camino
Agradecimiento
Primero y antes que nada, dar gracias a Dios, por estar conmigo en cada paso
que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y por haber puesto en
mi camino a aquellas personas que han sido mi soporte y compañía durante
todo el periodo de estudio.
Agradecer hoy y siempre a mi familia por el esfuerzo realizado por ellos. El
apoyo en mis estudios, de ser así no sería posible. A mis padres y demás
familiares yaqué me brindan el apoyo, la alegría y me dan la fortaleza
necesaria para seguir adelante.
A mis maestros, gracias por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría
que me transmiten en el desarrollo de mi formación profesional, en especial al
Profesor Jaime Flores, por haber guiado el desarrollo de este trabajo y llegar a
la culminación del mismo.
INDICE
INTRODUCCION.......................................................................................................................6
RESUMEN..................................................................................................................................8
CAPITULO I...............................................................................................................................9
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................................9
OBJETIVOS.........................................................................................................................10
Objetivos generales.........................................................................................................10
Objetivos específicos......................................................................................................10
Justificación......................................................................................................................10
CAPITULO II............................................................................................................................12
MARCO TEORICO..............................................................................................................12
CAPITULO III...........................................................................................................................16
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE COLECTORES SOLARES...........................16
Cálculos para el dimensionado del sistema termo solar................................................16
Obtención de datos de partida.......................................................................................16
Cálculo del volumen necesario de agua para las duchas..........................................16
Cálculo de la cantidad de energía necesaria para generar ACS..............................17
Determinación del área necesaria de colectores solares planos..............................18
Selección superficie colectora y número de paneles a utilizar...............................................18
Cálculos de pérdidas de carga del sistema de captación de calor..........................................19
Cálculo de volumen económico del estanque acumulador de ACS........................................23
Cálculo para el dimensionado del tanque de expansión........................................................23
CAPITULO IV...............................................................................................................................25
Análisis e interpretación de resultados.............................................................................25
Conclusiones........................................................................................................................25
Recomendaciones...............................................................................................................25
REFERENCIAS..............................................................................................................................26
ANEXOS...................................................................................................................................27
Anexo 1: Energía solar incidente diaria............................................................................28
Anexo 2: Calor que se necesita para eleva la temperatura al agua.............................29
Anexo 3: Calculo del área del colector.............................................................................30
Anexo 4: Porcentaje de generación de energía Anual..............................................31
Anexo 5: Cálculo de Perdidas de carga para el sistema termosolar.........................32
Anexo 6: Volúmenes del acumulador para cada mes del año..................................36
Anexo 7: Comparación de diferentes sistemas de calentamiento de agua...............37
INTRODUCCION
La irradiación solar es una de las variables más importantes, por ser la fuente
de energía utilizada en la gran mayoría de los procesos en nuestro planeta. No
obstante la importancia de esta variable, su medición es escasa debido a los
altos costos del instrumental de precisión requerido así como de su
mantenimiento, por lo que la red de medición en el Perú, como en muchos
otros países, es limitada. De otro lado, la gran variabilidad topográfica y
climática del territorio peruano obliga a tener que considerar redes más densas
y bien distribuidas a nivel nacional para una evaluación más precisa y
detallada de este recurso.
En este contexto se hace necesario utilizar herramientas para la generación de
datos de irradiación solar en zonas que no disponen de éstos, recurriendo a
diferentes métodos que permitan estimar esta variable en función de otras
variables o parámetros conocidos o de más fácil medición, como son la
heliofanía y temperaturas, las cuales son regularmente medidas en las
estaciones meteorológicas más comunes.
El agua caliente constituye un consumo energético importante en una casa
teniendo diversos usos como la higiene personal y la limpieza de la casa. A
nivel internacional existen algunos estudios de medida de este consumo. En
general se considera que un consumo medio típico es del orden de los 40
litros por día y persona. En los países en desarrollo este consumo constituye
entre el 30 y el 40% del consumo de energía de un hogar, este porcentaje es
mayor que en los países desarrollados, donde el consumo de energía para
producir agua caliente sanitaria (ACS) se supone del 26% del consumo total
de la vivienda. Pero, en general, a nivel mundial, se ha convertido en el
segundo uso energético doméstico en importancia después de la calefacción
y la refrigeración. Por esta razón, el calentamiento de agua mediante energía
solar, más allá de ser una alternativa ecológica, se ha convertido en una
tecnología económicamente atractiva y competitiva en muchos países.
En los últimos años se está produciendo un aumento notable de instalaciones
de energía solar térmica en el mundo; los avances tecnológicos permitieron la
fabricación de sistemas de mejor calidad y a menor costo y la sociedad está
entendiendo la necesidad de sustituir los combustibles fósiles.
Los colectores solares son dispositivos utilizados para colectar, absorber y
transferir energía solar a un fluido, que puede ser agua o aire. La energía
solar, puede ser utilizada para calentar agua, para sistemas de calefacción o
para climatización de piscinas.
Desde su primera invención, hace 120 años, se han desarrollado diversas
formas de colectores solares térmicos, que van de los colectores planos a los
colectores parabólicos y helióstatos. Se estima que en todo el mundo, el área
instalada de colectores solares supera los 58 x 106 m2. En Perú el uso de
colectores solares con este fin es muy bajo en contraste con otros países
como los europeos y China
Un colector necesita ser seleccionado cuidadosamente de acuerdo a la
temperatura del fluido que debe proporcionar, para la aplicación prevista y de
acuerdo al clima del lugar en el cuál va a estar emplazado. Un colector
diseñado para aplicaciones en las que se necesitan fluidos a alta temperatura
no resulta más eficiente cuando operan a bajas temperaturas.
RESUMEN
Actualmente, los equipos de energía solar no son accesibles para muchas
personas de bajos recursos. Con el objetivo de desarrollar colectores solares
para agua caliente de uso doméstico que puedan ser adquiridos por la mayor
parte de la población,el presente trabajo consiste en un estudio de factibilidad
técnico económico de un sistema termo solar para la generación de agua
caliente sanitaria para establecer energéticamente a los hogares (viviendas
unifamiliares ) a través de las duchas , en el cual mediante la utilización de
herramientas matemáticas y físicas dimensiona el sistema termo solar, para
posteriormente cuantificar de manera económica cada una de las partes
constituyentes de dicho sistema, entonces sólo así se obtienen conclusiones,
en relación a la generación de energía por el sistema y el costo de desarrollo
del proyecto, las cuales serán la herramienta fundamental en la toma de la
decisión de la viabilidad de la ejecución del proyecto.
En resumen, se ha encontrado que es recomendable usar un financiamiento no
superior a 10 años para adquirir los equipos y que el costo de los mismos sea
accesible a la mayoría de la población y así contribuir a mejorar la calidad de
vida en hogar.
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente nos encontramos sufriendo una crisis energética global, cada día
se puede observar como los precios de la electricidad aumentan. El principal
factor del aumento de los mismos es el hecho de que cada vez es más difícil
generar energía a partir de fuentes tradicional (petróleo) lo cual hace que esta
sea producida de forma más costosa.
En poco tiempo es probable que sea necesario recurrir a racionamiento de
electricidad ya que la demanda está en constante crecimiento y llegara a un
punto en que la oferta no logre satisfacerla, por lo tanto es necesario tener
presente las necesidades a cubrir, tomar en cuenta, que el ahorro de energía
(sea o no renovable), es parte de un consumo responsable y amigable al
medio ambiente, además de que beneficia a la economía familiar, además es
necesario buscar formas de producción de energía que sean amigables con el
medio ambiente ya que actualmente se está teniendo un serio impacto sobre el
mismo con la producción de electricidad.
Ante este escenario surge la necesidad de evaluar proyectos para las familias
de clase media peruana en el cual en su vivienda puedan ahorrar energía a
través de los colectores solares.
Pues bien, el problema que aquí se plantea está dado por el elevado consumo
de energía eléctrica y el costo que resulta de esta, junto con la dependencia de
centrales hidroeléctricas o de aquellas que utilizan combustibles para la
generación de electricidad, para lo cual es necesario buscar una forma
alternativa como los COLECTORES SOLRES el cual es económicamente
viable en comparación con otros dispositivos cuyo elevado consumo energético
provoca un alto costo económico para calentar el agua en una vivienda.
OBJETIVOS
Objetivos generales
Diseñar una instalación solar térmica de agua caliente sanitaria estándar
para una vivienda tipo unifamiliar.
Ser capaz de analizar y proponer una solución al problema de la
creciente demanda energética.
Desarrollar un proyecto que permita determinar la conveniencia de la
utilización de energías no convencionales para sistemas termo solares,
utilizando colectores solares.
Objetivos específicos
Aplicar los conocimientos aprendidos en clase y que estos permitan
hacer uso de las tecnologías existentes, para dar solución a un problema
observado
Evaluar la factibilidad técnica de la instalación de colectores solares en
una vivienda.
Al termino del trabajo ser capaz de mostrar las ventajas que tiene el uso
de dispositivos de alto consumo de energía, con sistemas de
alimentación termo solar.
Justificación
Podremos marcar los beneficios económicos; con la instalación de un
calentador solar, se pueden satisfacer la mayor parte de las necesidades
de agua caliente en una casa, sin tener que pagar combustible; aunque
la inversión inicial para adquirir una calentador solar es mayor a la de un
boiler convencional, el dinero invertido se recupera a corto plazo.
Cuidando el medio ambiente; ya que el uso de calentadores solares
ayuda al mejoramiento del entorno ambiental, pues los problemas de
contaminación en zonas urbanas y rurales no se deben únicamente a las
actividades industriales, sino también a la quema de gas LP (licuado del
petróleo) en miles de hogares.
Tanto el aire como el agua absorben el calor por contacto pero
cualquiera de ellos debe estar en movimiento para transmitir la
temperatura, como en el caso de los calentadores solares utilizando la
convección en un calentador solar la temperatura máxima del que he
obtenido a la salida de un colector es de 65°C.
CAPITULO II
MARCO TEORICO
El colector solar plano trabaja haciendo pasar un líquido a través de él,
convirtiendo la energía luminosa del sol en calor y elevando la temperatura del
líquido que fluye. Puede usarse agua pura, pero es mejor una solución
anticongelante.
Para atrapar la energía solar y convertirla en calor se utiliza un proceso que por
todos es entendido. Toda superficie negra expuesta al sol se pondrá más
caliente que una de cualquier otro color. Una pintura negra mate no brilla y por
lo tanto no pierde energía por reflexión. Por consiguiente, si una superficie se
pinta de negro mate y se pone un líquido en contacto con la parte posterior, el
líquido se calentará eficientemente. Este simple aparato es llamado el
“absorbente”. Usualmente es una lámina de metal con pasajes para el líquido
los cuales están pintados de negro mate por un lado.
Una vez que la energía solar se convierte en calor y que se absorbe por el
líquido, se debe aislar el absorbente térmicamente para prevenir pérdidas de
calor. La parte posterior del absorbente así como los lados deben aislarse con
fibra de vidrio o espuma de uretano. Sin embargo, en el caso del uretano, se
debe usar una cobija de una pulgada de fibra de vidrio para protegerlo de las
altas temperaturas. Las pérdidas de calor por el lado soleado del absorbente se
reducen con una cubierta de vidrios. El vidrio transmite la radiación solar de
alta energía (pequeñas longitudes de onda) hacia el absorbente y retarda la
radiación de pequeña energía (grandes longitudes de onda) que es emitida por
el absorbente caliente hacia el exterior, también evita que las corrientes de aire
lo enfríen.
En sí, las partes del colector solar son las siguientes: (1) el absorbente, para
convertir la radiación solar en calor, (2) la cubierta de vidrios para detener la
pérdida de éste hacia afuera, (3) el aislamiento de los lados y de la parte
inferior para impedir también la pérdida de calor. Todo esto se mantiene junto
por (4) el marco del colector.
Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar, en la mayoría de los
sistemas de calentamiento de un líquido por el sol se necesita un tanque de
almacenamiento para tenerlo disponible cuando se necesite. Este tanque debe
alimentar al colector solar y éste al primero.
El sistema que ayuda a la circulación del líquido puede ser una bomba con
controles automáticos o bien, dentro de un sistema propiamente diseñado y
construido esta circulación ocurrirá automáticamente por acción termosifónica
(llamada también convección natural o circulación por gravedad).
Si se aplica calor al lado izquierdo de un recipiente en forma de U con agua, la
densidad de él decrecerá considerablemente (véase Figura 1). El balance
entonces en el tubo se ve afectado y el agua fría más pesada en el lado
derecho fluirá para balancear la situación. Ésta a su vez se calentará y subirá;
por lo tanto un flujo se establece. El flujo continuará hasta que la fuente de
calor se retire o que la temperatura de todo el sistema sea la misma. En este
momento las densidades de las dos partes del tubo en U son iguales y el flujo
termina.
Estos principios de flujo por termosifón pueden ser usados con excelentes
resultados en un calentador solar (véase Figura 2). En tanto la energía solar
incida en el absorbente del colector y caliente el líquido que contiene, este
líquido (liviano) sube. Éste es empujado por el líquido frío (más pesado) en la
entrada del colector. En tanto que el líquido frío llega al absorbente, se calienta,
sube y más líquido frío empuja de la parte inferior del colector. Así se establece
FIGURA 1: MOVIMINETO DEL AGUA CUANDO SE LE ENTREGA CALOR
el flujo y continuará hasta que el líquido deje de ganar calor del sol, esto es,
hasta que ya no haya suficiente calor para subir la temperatura del fluido en su
paso por el absorbente. Nótese que no son necesarios ni termostatos, ni
relevadores, ni motores, ni bombas, ni electricidad.
Cuando el líquido que circula por los colectores es una solución anticongelante,
deberá usarse un intercambiador de calor dentro del tanque de
almacenamiento para sacar el calor de éste y poder utilizarlo para calentar
agua para uso doméstico o para calentar el aire de una habitación (véase
Figura 3).
FIGURA 2: SISTEMA BASICO DE COLECTOR SOLAR
El tipo de intercambiador de calor conveniente para un sistema
termosifónico, es el formado por unos 6 metros de tubo de cobre de ½
pulgada con forma de serpentín. Éste debe colocarse en la tercera parte
superior del tanque de almacenamiento del líquido (véase Figura 4).
FIGURA 3: SISTEMA DE COLECTOR SOLAR
CAPITULO III
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE COLECTORES SOLARES
La solución propuesta es la utilización de un calentador solar de tipo placa
plana cerrado, elaborado con materiales y procesos de fabricación accesible.
FIGURA 4: SISTEMA DE COLECTOR SOLAR (MOVIMIENTO
POR TEMOSIFON)
Como en este caso con el calentador efecto invernadero; el efecto invernadero
es tan fácil como que el calor solar que entra a un lugar cerrado, se mantiene
porque al no circular el aire, este no se disipa.
El panel del calentador solar está cubierto con un vidrio que permite la entrada
de la luz solar, pero evita que el aire, por lo que la temperatura al interior de la
caja del calentador solar es mayor que la del medio ambiente.
Cálculos para el dimensionado del sistema termo solar.
Obtención de datos de partida.
Tomaremos como dato importante la Radiación incidente en el territorio
peruano (Anexo1), estos datos serán de suma importancia para el inicio de
todos los cálculos.
Cálculo del volumen necesario de agua para las duchas.Para determinar el volumen de agua necesario se establece una velocidad del
agua de las duchas del departamento o casa donde se realizara la instalación
del ACS que será de 1 m/s, como también un tiempo de 10 minutos de
utilización de las duchas. Las el diámetro de la tubería para la instalación serán
de 1/2 pulgada.
Entonces con estos datos calculamos el volumen de agua requerido para que
10 personas puedan ducharse con agua temperada.
El volumen de agua para 5 personas está dado por la siguiente expresión:
V̇ ( m3
día )=v (ms )× A (m2 )× t ( s)×n Ec .1
Donde:
A1 /2=π ×r2
4Ec .2
Sustituyendo el radio y queda:
A1 /2=π ×0,01272
4
A1 /2=0,000126677m2
Sustituyendo A en “Ec. 1” nos queda:
V̇ ( m3
día )=1(ms )×0,000126677 (m2 )×600 ( s)×5( personasdía )
V̇ ( m3
día )=0.38( m3
día )Cálculo de la cantidad de energía necesaria para generar ACS.
Considerando el volumen aproximado diario de 0.38m3 para la ducha de
5 personas con una duración de 10 minutos cada una. Se considerarán las
siguientes temperaturas medias de la red de agua:
Enero, Febrero, Marzo: 12(° C)
Abril y Mayo: 10(° C)
Junio, Julio, Agosto: 8(°C)
Septiembre, Octubre: 9(°C)
Noviembre, Diciembre: 10(° C)
Considerando que la temperatura deseada es de 45°C se presenta la siguiente
expresión para el cálculo de la energía necesaria para elevar la temperatura a
la deseada.
Qagua (Kcalmes )=Cagua ( Kcal¿×°C )×∆T (°C )×V̇ ( ¿
día )×N ( díames )Ec .3Donde:
∆T=(T deseada−T agua) ° C
Cagua=1Kcal
¿×°C
N=númerode díascorrespondiente al mes.
Sustituyendo las variables antes mencionadas en la ecuación se obtienen los
valores mensuales de energía necesarios para elevar su temperatura, desde la
temperatura mínima promedio del agua de red, hasta la temperatura de 45°C
necesaria para generar agua caliente sanitaria (Anexo 2).
Determinación del área necesaria de colectores solares planos.
No hay una regla general para seleccionar el área óptima de una instalación,
raramente el sistema se diseña para cubrir el 100% de las necesidades de
energía. Por lo tanto, se obtendrá el valor del área óptima por medio del
método del rendimiento promedio del colector, donde los rendimientos
aproximados promedio de los colectores solares planos varían desde 30% a
55%
Dicho concepto se establece en la expresión de energía disponible dado por:
E( Kcalmes )=ET ( Kcalm2×día )×η× Acol (m
2 )×N ( díames )Ec .4
Utilizando la energía necesaria para generar agua caliente sanitaria a 45 ° C,
como energía disponible en la expresión, obtenemos un valor para “Acol” para
cada mes del año dado por la siguiente expresión:
Acol (m2 )=
E( Kcalmes )ET ( Kcal
m2×día)×η× N ( díames )Ec .5
Asumiendo un rendimiento medio de un 50% para el colector se obtiene los
siguientes valores para Acolpara los diferentes meses del año como se ve en
Anexo 3.
Selección superficie colectora y número de paneles a utilizar.Como se observa en el Anexo 3, la cantidad de m2de superficie colectora para
las estaciones de invierno es extremadamente grande entonces se debe elegir
un área colectora de manera que entregue resultados considerables de
generación de energía en relación a un área colectora razonable. Según la
expresión (Ec.4) se desarrolla las tablas que podemos observar en el anexo 4
que mostrarán el ahorro de energía mensual y su correspondiente porcentaje
promedio de ahorro anual. El criterio decide que el área seleccionada debe
%Ahorro=E ( kcal
mes)
Qagua (kcalmes
)×100 Ec .6
presentar sobre un 40% de ahorro de energía promedio anual. El porcentaje de
ahorro estará dado por la expresión:
Las áreas colectoras con las que se confeccionan las tablas del Anexo 4 serán las siguientes:
A1=8m2
A2=10m2
A3=9m2
Entonces es necesario hacer mención, que el promedio de los porcentajes
fueron realizados sólo para 9 meses, de Abril a Diciembre, señalando con rojo
en la tabla los meses no considerados, debido a la alta radiación durante los
meses de vacaciones de verano.
En el Anexo 4 puede apreciarse que el porcentaje de ahorro para A1=8m2 es
del orden del 35.58% , porcentaje que está bajo el criterio considerado que
espera rendimientos del 40% de ahorro de energía anual.
También se puede apreciarse que el porcentaje de ahorro para A2=10m2 es del
orden del 44.48% , porcentaje que está por encima del criterio considerado que
espera rendimientos del 40% de ahorro de energía anual.
En el tercer cuadro puede apreciarse que el porcentaje de ahorro para A3=9m2
es del orden del 40% , porcentaje que está en el criterio considerado que
espera rendimientos del 40% de ahorro de energía anual.
Dado lo anterior, la alternativa escogida es A2 debido a que se encuentra en el
límite en cuanto al porcentaje de ahorro de energía, costos de operación, y
costos de construcción. Si el colector seleccionado anteriormente es de 2m2, el
número total de paneles a utilizar es de 4.5, pero por razones de construcción
se realizaran 5 colectores.
Cálculos de pérdidas de carga del sistema de captación de calor.El análisis de pérdidas de carga por escurrimiento del agua por las cañerías, se
efectúa a través de la expresión de Darcy – Weisbach para las pérdidas
primarias y la expresión de pérdidas secundarias, entrega los valores para las
pérdidas generadas por los accesorios del sistema termo solar.
La pérdida de carga por metro, se supone constante y se le determina sobre la
base de una velocidad máxima del agua en el interior del serpentín del panel
solar, donde el caudal recomendado es de 0,5<¿min por cada metro cuadrado
de superficie colectora. Lo que para un panel de 2m2 se traduce en 60<¿h, con
el fin de lograr una circulación lo suficientemente eficiente para la transmisión
del calor, y donde las pérdidas de cargas no sean excesivas como para obligar
a sobredimensionar y obtener por esa vía un mejor rendimiento del sistema.
Entonces el caudal de circulación para los 5 paneles de 2m2corresponde a
300<¿h .
La figura 2-14 muestra las medidas generales del serpentín del colector solar
plano. El número de tubos y accesorios del sistema de 5 paneles, es de 13
tubos de 1/2 pulgada de diámetro. El número de accesorios correspondiente es
de 10 codos de 90° de 1/2 pulgada.
Además de las pérdidas de carga producidas por los 5 paneles solares planos,
se debe considerar las pérdidas generadas por el circuito que une a los 5
paneles con el estanque, la bomba impulsora y el estanque de expansión. El
circuito de unión de los paneles con la bomba y el tanque de expansión consta
de 12mt de tubería de cobre y los accesorios corresponden a 3 codos de 90°, 4
válvulas de bola 1/2” , como se muestra en la figura 2-15.
FIGURA 5: SERPENTIN CAPTADOR DE CALOR
Las pérdidas primarias h fhf tanto para los 5 paneles como para el sistema de
tuberías de unión del circuito están dadas por la expresión de Darcy –
Weisbach.
h f=f ×L(m)v2(m
s)
D(m)×2 g(m2/s )Ec .7
El factor de fricción f es un factor adimensional que se requiere para hacer que
la ecuación (23) produzca valores correctos de las pérdidas, f no es constante y
dependerá de la velocidad, de la densidad, de la viscosidad y de la rugosidad
``e``, y se determina con el diagrama de Moody o por la siguiente expresión,
con las siguientes restricciones, 106≤ є/D ≥10-2, y 5000≤ R ≥108.
f= 1.325
( ln ( e (m )3.7×D (m )
+5.7ℜ0.9 ))
2 Ec .8
Donde ´´Re`` es el número de Reynolds y se determina de la siguiente forma:
FIGURA 6: SISTEMA DE COLECTOR SOLAR CON 5 PANELES
ℜ=4×Q(m3/s )
π ×D(m)×μ(N . sm2 )
Ec .9
El número de Reynolds crítico es alrededor de 2000, y la zona crítica donde el
flujo puede ser tanto laminar como turbulento va de 2000 a 4000.Si él flujo es
laminar el factor ƒ toma la siguiente forma:
f=64ℜ Ec .10
El cálculo de las pérdidas secundarias h e han sido obtenidas por medio del
método cinético, para el cual se usa la siguiente expresión:
he=k × v2
2×gEc .11
Donde la velocidad está dada por la expresión Ec. 12 sustituyendo el diámetro
de la tubería de en la expresión Ec. 2 se obtiene el área de la sección para el
diámetro de tubería y con esta área se obtiene la velocidad de circulación de la
siguiente expresión:
V=Q (m3 /s)/ A(m2)Ec .12
Para poder realizar los cálculos de pérdida de carga se asume que el caudal de
0.3m3 /h se distribuirá de manera que, para cada una de los 5 paneles el
caudal sea de 0,06 m3 / h el cual permitirá que en cada panel circule un caudal
de 0,06 m3 / h. Para que esta distribución de caudal se apegue a la realidad la
instalación debe estar bien construida y nivelada. Entonces solo así los
cálculos de pérdida de carga serán lo más exactos posible. Además de la
pérdida de los accesorios también, se suman a las pérdidas secundarias, la
pérdida del intercambiador de calor. Los cálculos de pérdidas primarias y
perdidas secundarias se muestran en los anexos 5.
Las pérdidas totales son:
H m=hf (m.c .a .)+hs (m.c .a .)
H m=16m.c .a .
La bomba a utilizar debe levantar 16 m.c.a. y funcionar con un caudal de 300
lt/h.
Cálculo de volumen económico del estanque acumulador de ACS.El volumen del tanque acumulador ACS es en función del calor entregado por
los 10 m2 de superficie colectora, si bien éste presenta un ahorro de un 40%
anual del total de la energía necesaria, durante Noviembre y Diciembre este
ahorro de energía llega hasta 80% para el volumen total de suministro de ACS
para 4 personas, ver Anexo 4, entonces el volumen económico del acumulador
es calculado en función de este máximo valor de calor entregado por los 10 m2
de colector, permitiendo obtener un volumen del acumulador en el cual los
paneles calienten el ACS, de manera que el ahorro sea del 100%, según la
expresión Ec. 6 y de la Ec. 3 podemos despejar el valor del volumen del
acumulador obteniendo la siguiente expresión:
V acum. ( ¿día )=
Qagua (kcalmes
)
Cpagua(kcal¿ . °C
)×∆T (° C)×N ( diasmes
)Ec .13
El Anexo 5, muestra los distintos volúmenes del estanque acumulador para los
diferentes meses del año.
Como se observa en el Anexo 5 el volumen escogido es el correspondiente al
mes de Noviembre con un valor aproximado de 390 Lt, durante este mes la
instalación termo solar tendrá su máximo rendimiento que corresponde al 100%
del ahorro de energía.
Cálculo para el dimensionado del tanque de expansión.En instalación se emplea un vaso de expansión cerrado, que dimensionaremos
mediante la siguiente expresión:
Vexp=Vt (0,2+0,01h ) Ec .14
El volumen de líquido dentro de los 25 paneles y el circuito de unión de los
paneles con el resto de los elementos del circuito, estará dado por la siguiente
expresión:
Vt=A (m2 )× L (m ) Ec .15
Donde los 5 paneles están compuesto de un serpentín de tuberías de 1/2” que
en su total suman 15.6m y el circuito de unión está formado por tuberías de
1/2“de 10m de largo, y considerando un volumen dentro del acumulador de 6lt
entonces con estos valores calculamos el volumen total del circuito.
Vt=[0,000126677m2×15.6m]+[0,000126677m2×10m+0,006m3]
Vt=9.243<.
Para un h= 1,2 (m) el volumen del vaso de expansión es:
Vexp=9.243<×(0,2+0,01×1,2)
Vexp=1.96<.
Debemos aproximar o sobredimensionar el tanque de expansión sobre 1.96 lt.
De acuerdo a volúmenes que encontremos en el mercado.
CAPITULO IV
Análisis e interpretación de resultados
Se está haciendo el cálculo para la instalación del sistema de calentamiento
solar por medio de placas planas, el número de placas que se necesitan para
calentar 380 litros es 5. Ahora se está asumiendo un tiempo de utilización de
10 minutos, lo cual podría variar, porque el agua se estime que se caliente a
45°C, este se podría mezclar con agua de la red y así poder temperarla,
haciendo que nuestro sistema ACS quede sobredimensionado, podríamos
hacer el cálculo estimando un tiempo de 5 o hacer el cálculo para trabajar con
un solo colector, pero esto dependerá de la conciencia en la utilización del
consumo del agua caliente.
Existe en el mercado ACS de poco consumo (ver anexo 8), en este trabajo se
brinda la metodología para así dimensionar grandes demandas de agua
caliente, proporcionando un Excel (programa CAS), donde ve varían algunos
parámetros, y obtendremos el área colectora para la demanda de agua caliente
requerida.
Pocas personas le dan importancia a la eficiencia energética, porque los
resultados no se ven en corto tiempo, con este trabajo se da a conocer cuánto
se podría ahorrar en comparación de un CAS con respecto a una terma
eléctrica, ducha eléctrica y terma a gas.
Conclusiones
Se diseña un sistema de calentamiento de agua por medio de colectores
solares para una vivienda unifamiliar, y se crea programa para cálculos
de otras demandas de agua caliente.
Las familias podrían tener un gran ahorro con este sistema.
Recomendaciones
Impulsar el conocimiento del manejo de las energías renovables, para
así hacer un gran impulso haciendo uso de una herramienta practica que
se denomina eficiencia energética.
Impulsar y dar a conocer el ahorro que se podría generar haciendo la
utilización de colectores solares.
REFERENCIAS
Colectores solares planos, Jenaro Carlos Paz Gutiérrez
EcoSolar CIR
Panapex SA
Cengel, 6tha Edición
Irvin Shames, 5tha Edicion
ANEXOS
Anexo 1: Energía solar incidente diaria
FIGURA 7: ENERGIA SOLAR INCIDENTE DIARIA
Anexo 2: Calor que se necesita para eleva la temperatura al agua
MES
ESVO
LUM
EN(L
T/DI
A)Cp
(kca
l/lt.
°C)
T(pr
omed
ia)
T(re
quer
ida)
∆T(°
C)N
(dia
s/m
es)
Qag
ua(k
cal/
mes
)EN
ERO
380
112
4533
3138
8740
FEBR
ERO
380
112
4533
2835
1120
MAR
ZO38
01
1245
3331
3887
40AB
RIL
380
110
4535
3039
9000
MAY
O38
01
1045
3531
4123
00JU
NIO
380
18
4537
3042
1800
JULI
O38
01
845
3731
4358
60AG
OST
O38
01
845
3730
4218
00SE
TIEM
BRE
380
19
4536
3142
4080
OCT
UBRE
380
19
4536
3041
0400
NO
VIEM
BRE
380
110
4535
3141
2300
DICI
EMBR
E38
01
1045
3530
3990
00
TABLA1: CALOR QUE SE NECESITA PARA ELEVA LA TEMPERATURA AL
AGUA
Anexo 3: Calculo del área del colector
MES
ESDI
AS/M
ESQ
agua
(kca
l/m
es)
nEt
(kca
l/m
2.m
es)
A(m
2)EN
ERO
3138
8740
0.5
7904
6.09
659
9.83
5779
8FE
BRER
O28
3511
200.
563
612.
9583
611
.039
2602
MAR
ZO31
3887
400.
558
055.
1031
213
.392
1044
ABRI
L30
3990
000.
531
819.
2740
325
.079
1391
MAY
O31
4123
000.
514
257.
1374
57.8
3769
75JU
NIO
3042
1800
0.5
7707
.553
556
109.
4510
72JU
LIO
3143
5860
0.5
1025
7.12
1884
.986
804
AGO
STO
3142
1800
0.5
2523
2.48
527
33.4
3309
19SE
PTIE
MBR
E30
4240
800.
542
068.
4163
620
.161
4435
OCT
UBRE
3141
0400
0.5
5438
5.26
463
15.0
9232
34N
OVI
EMBR
E30
4123
000.
575
774.
2533
310
.882
3243
DICI
EMBR
E30
3990
000.
567
535.
6507
311
.815
9815
TABLA2: CALCULO DEL ÁREA DEL COLECTOR
Anexo 4: Porcentaje de generación de energía Anual.
MESES DIAS/MES Qagua(kcal/mes) Et(kcal/m2.mes) A1(m2) E(kcal/mes) %AhorroENERO 31 388740 79046.09659 8 316184.386 81.33569644FEBRERO 28 351120 63612.95836 8 254451.833 72.46862424MARZO 31 388740 58055.10312 8 232220.412 59.73669097ABRIL 30 399000 31819.27403 8 127277.096 31.89902158MAYO 31 412300 14257.1374 8 57028.5496 13.83180927JUNIO 30 421800 7707.553556 8 30830.2142 7.309202045JULIO 31 435860 10257.1218 8 41028.4872 9.413226082AGOSTO 31 421800 25232.48527 8 100929.941 23.92838812SEPTIEMBRE 30 424080 42068.41636 8 168273.665 39.67969851OCTUBRE 31 410400 54385.26463 8 217541.059 53.00708054NOVIEMBRE 30 412300 75774.25333 8 303097.013 73.51370684DICIEMBRE 30 399000 67535.65073 8 270142.603 67.70491301
MESES DIAS/MES Qagua(kcal/mes) Et(kcal/m2.mes) A3(m2) E(kcal/mes) %AhorroENERO 31 388740 79046.09659 9 355707.435 91.5026585FEBRERO 28 351120 63612.95836 9 286258.313 81.52720227MARZO 31 388740 58055.10312 9 261247.964 67.20377734ABRIL 30 399000 31819.27403 9 143186.733 35.88639928MAYO 31 412300 14257.1374 9 64157.1183 15.56078542JUNIO 30 421800 7707.553556 9 34683.991 8.2228523JULIO 31 435860 10257.1218 9 46157.0481 10.58987934AGOSTO 31 421800 25232.48527 9 113546.184 26.91943663SEPTIEMBRE 30 424080 42068.41636 9 189307.874 44.63966082OCTUBRE 31 410400 54385.26463 9 244733.691 59.6329656NOVIEMBRE 30 412300 75774.25333 9 340984.14 82.7029202DICIEMBRE 30 399000 67535.65073 9 303910.428 76.16802714
MESES DIAS/MES Qagua(kcal/mes) Et(kcal/m2.mes) A1(m2) E(kcal/mes) %AhorroENERO 31 388740 79046.09659 10 395230.483 101.6696206FEBRERO 28 351120 63612.95836 10 318064.792 90.5857803MARZO 31 388740 58055.10312 10 290275.516 74.67086371ABRIL 30 399000 31819.27403 10 159096.37 39.87377698MAYO 31 412300 14257.1374 10 71285.687 17.28976158JUNIO 30 421800 7707.553556 10 38537.7678 9.136502556JULIO 31 435860 10257.1218 10 51285.609 11.7665326AGOSTO 31 421800 25232.48527 10 126162.426 29.91048515SEPTIEMBRE 30 424080 42068.41636 10 210342.082 49.59962314OCTUBRE 31 410400 54385.26463 10 271926.323 66.25885067NOVIEMBRE 30 412300 75774.25333 10 378871.267 91.89213356DICIEMBRE 30 399000 67535.65073 10 337678.254 84.63114127
TABLA 3: PORCENTAJE DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ANUAL
TABLA 4: PORCENTAJE DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ANUAL
TABLA 5: PORCENTAJE DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ANUAL
Anexo 5: Cálculo de Perdidas de carga para el sistema termosolar.El cálculo de pérdidas es en base a una distribución de caudales por tramo, como el mostrado en las figuras 17 a la 22, correspondiente a cada panel y el circuito de distribución. Para obtener hf según la Ec. 7, se debe determinar el factor f según la Ec. 8 y 10, el cual se obtiene mediante la determinación del valor de “Q”, “v”, y “R”.
Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 8.33333E-05 0.6578418 8354.57065 0.03267195 0.819114362 8.09444E-05 0.638983669 8115.07296 0.03293722 0.779099613 7.85833E-05 0.620344818 7878.36012 0.03321067 0.740407044 7.62222E-05 0.601705967 7641.64729 0.03349619 0.702571515 7.38611E-05 0.583067116 7404.93445 0.0337947 0.665598396 0.0000715 0.564428265 7168.22162 0.03410728 0.629493267 6.91389E-05 0.545789414 6931.50878 0.03443509 0.59426196
TOTAL 4.93054612
FIGURA 8: DISTRIBUCION PANEL 1
TABLA 6: PERDIDAS EN EL PANEL 1
FIGURA 9: DISTRIBUCION PANEL 2
Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 6.66111E-05 0.525834879 6678.08681 0.03480443 0.557519192 6.42222E-05 0.506976747 6438.58912 0.03517258 0.523729283 6.18611E-05 0.488337896 6201.87628 0.03555645 0.491231094 0.0000595 0.469699045 5965.16345 0.03596216 0.459633545 5.71389E-05 0.451060194 5728.45061 0.03639193 0.428944076 5.47778E-05 0.432421343 5491.73778 0.03684832 0.399170537 5.24167E-05 0.413782492 5255.02494 0.03733428 0.37032122
TOTAL 3.23054892
Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 4.98889E-05 0.393827958 5001.60296 0.03789126 0.340469852 0.0000475 0.374969826 4762.10527 0.03845692 0.31325193 4.51389E-05 0.356330975 4525.39244 0.03905852 0.287309164 4.27778E-05 0.337692124 4288.6796 0.03970818 0.262330295 4.04167E-05 0.319053273 4051.96677 0.04041288 0.238326756 3.80556E-05 0.300414422 3815.25393 0.0411811 0.215310927 3.56944E-05 0.281775571 3578.5411 0.04202329 0.19329617
TOTAL 1.85029505
TABLA 7: PERDIDAS EN EL PANEL 2
FIGURA 10: DISTRIBUCION PANEL 3
TABLA 8: PERDIDAS EN EL PANEL 3
Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 3.31667E-05 0.261821036 3325.11912 0.04302178 0.170853562 3.07778E-05 0.242962905 3085.62143 0.04407556 0.150731623 2.84167E-05 0.224324054 2848.90859 0.0452447 0.131900344 2.60556E-05 0.205685203 2612.19576 0.04656957 0.11413925 2.36944E-05 0.187046352 2375.48292 0.04808909 0.097470136 2.13333E-05 0.168407501 2138.77009 0.04985737 0.081917897 1.89722E-05 0.14976865 1902.05725 0.05195235 0.06751085
TOTAL 0.8145236
FIGURA 11: DISTRIBUCION PANEL 4
TABLA 9: PERDIDAS EN EL PANEL 4
FIGURA 12: DISTRIBUCION PANEL 5
Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion Perdida1 1.66667E-05 0.13156836 1670.91413 0.05442515 0.054579442 1.42778E-05 0.112710228 1431.41644 0.05761803 0.042404473 1.19167E-05 0.094071377 1194.7036 0.06172041 0.031642474 9.55556E-06 0.075432526 957.990768 0.06735831 0.022204195 7.19444E-06 0.056793675 721.277933 0.07582059 0.014168176 4.83333E-06 0.038154824 484.565098 0.09065828 0.007645987 2.47222E-06 0.019515973 247.852263 0.12776961 0.00281926
TOTAL 0.17546398
Perdida por la línea de alimentación
Tramo Caudal(m3/s) velocidad(m/s) Reynold Friccion PerdidaL.A. 8.33333E-05 0.6578418 8354.57065 0.03267195 27.3038118
hp=11m.c .a
Perdidas Secundarias
Aproximadamente
hs=5m.c . a .
TABLA 10: PERDIDAS EN EL PANEL 5
TABLA 11: PERDIDA LINEA PRINCIPAL
Anexo 6: Volúmenes del acumulador para cada mes del año
MES
ESDI
AS/M
ESAc
olEh
(kca
l/m
es)
Vol.e
stnq
(lt/d
ía)
ENER
O31
1039
5230
.483
386.
3445
581
FEBR
ERO
2810
3180
64.7
918
344.
2259
652
MAR
ZO31
1029
0275
.515
628
3.74
9282
1AB
RIL
3010
1590
96.3
702
151.
5203
525
MAY
O31
1071
285.
687
65.7
0109
401
JUN
IO30
1038
537.
7677
834
.718
7097
1JU
LIO
3110
5128
5.60
944
.712
8238
9AG
OST
O31
1012
6162
.426
410
9.99
3397
SEPT
IEM
BRE
3010
2103
42.0
818
194.
7611
869
OCT
UBRE
3110
2719
26.3
232
243.
6615
799
NO
VIEM
BRE
3010
3788
71.2
667
360.
8297
778
DICI
EMBR
E30
1033
7678
.253
732
1.59
8336
8
TABLA 12: VOLÚMENES DEL ACUMULADOR
Anexo 7: Comparación de diferentes sistemas de calentamiento de agua
FIGURA 13: COMPARACIÓN DE DIFERENTES SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA