Densidad Del Aire Arequipa

5/22/2018 Densidad Del Aire Arequipa

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ALMACENAMIENTO DE ENERGA SOLAR TRMICA PARADIFERENTES APLICACIONES(CALEFACCION DE VIVIENDA RURAL)

INSTITUCIN: Instituto de Energa, Petrleo y Gas de la Universidad Nacional de

San Agustn, INPEGAS-UNSA.AUTOR: Mg. Gonzalo Chvez Oblitas.

Ing. Mecnico ElectricistaCIP 62252

PALABRAS CLAVE:Energa solar, calefaccin, vivienda, aceite trmico, temperatura.

RESUMEN

Durante los ltimos aos, especficamente en la poca de invierno, en las zonas altas

de nuestra regin y en general de nuestro pas se ha presentado un fenmeno llamadoFRIAJE, el cual est relacionado con el descenso de las temperaturas hastacondiciones extremas, llegando incluso a registrarse valores por debajo de los 10Cbajo cero.

Como es lgico, este fenmeno genera muchos problemas en los poblados que selocalizan por encima de los 3000 msnm, los cuales ya tienen problemas relacionados ala pobreza en la que se encuentran la mayora de ellos. Uno de los temas mspreocupantes es la salud de las personas, en especial de los nios, tambin podemosmencionar las perdidas econmicas de las comunidades que estn dedicadas en sumayora a la ganadera, a la cra de alpacas y otros camlidos sudamericanos, loscuales tambin se ven afectados por el intenso fro.

Para hacer frente a esta amenaza que se repite todos los aos, se ha pensado en unasolucin de larga duracin y que brinde a las personas afectadas la oportunidad devivir en un ambiente adecuado, usando una energa renovable como es la energasolar para el funcionamiento de un sistema de calefaccin de sus viviendas, el cualtenga un funcionamiento verstil y pueda ser usado para varios propsitos.

INTRODUCCIN

Para enfrentar el problema del friajeen las zonas altas de nuestra regin y de nuestropas, buscamos una solucin que pueda beneficiar a los pobladores afectados y queadems le pueda brindar otras ventajas, para ello se propone un Sistema de

Almacenamiento de Energa Solar Trmica, el cual tiene como principal meta servircomo medio de calefaccin para una vivienda rural.

Fig. 1: Esquema del Sistema de Almacenamiento.


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Este sistema no es nada nuevo, de hecho su estructura es bsicamente similar al deuna terma solar clsica, pero tiene algunas variantes en el diseo y materiales paraabaratar costos usando los recursos de las zonas en las que se instale, este sistemafuncionar con aceite para lograr una mejor retencin del calor y se espera que tengaotros usos en el hogar como el precalentamiento de agua para la cocina.

1 ANTECEDENTES

1.1 DESCRIPCIN DE LA NECESIDAD

Las zonas altas de nuestra ciudad, como Caylloma y Castila, en especial losanexos alejados cono San Antonio de Chuca, Pillones y Alto Paracayco, y engeneral la zonas altas de todo nuestro pas sufren de pocas de invierno muyduras, el fenmeno del friajese presenta con descensos de temperaturas hastacondiciones extremas, llegando incluso a registrarse valores por debajo de los 10Cbajo cero. Esta situacin ha venido empeorando en los ltimos aos y hacausado grandes problemas.

1.2 JUSTIFICACIN

Las bajas temperaturas que se registran en las zonas altas de Arequipa y de otrasregiones de nuestro pas como Puno y Cusco, generan muchos problemas en lascomunidades, como por ejemplo:

En la Salud, de los cientos y miles de personas que viven en esas condiciones enconstrucciones sencillas no aptas para resistir las inclemencias del friaje,principalmente los nios son los que mas sufren y eso se puede apreciar en losregistros del Ministerio de Salud en cuanto al incremento de las InfeccionesRespiratorias agudas (IRAS), aunque segn el Ministerio se est tratando deatender todos los casos con la mayor celeridad posible.

Otro factor importante es el alto ndice de abandono escolar durante la poca deinvierno en estas comunidades campesinas, debido principalmente al fro, lasdistancias que separan las comunidades y las enfermedades respiratorias de losescolares.

Perdidas en ganado de alpaca, pues hasta finales del mes de Junio se tena unestimado de 15% de muertes de alpacas provocadas por el fro, adems deproblemas en la alimentacin y crecimiento de stas. (Ref. 3)

Durante los ltimos aos se han organizado campaas de ayuda para estascomunidades, se han hecho donaciones de ropa, frazadas y alimento no perecible, los

cuales no siempre han llegado a su destino.

Para hacer frente a esta amenaza que se repite todos los aos, se ha pensado en unasolucin de larga duracin y que brinde a las personas afectadas la oportunidad devivir en un ambiente adecuado, usando una energa renovable como es la energasolar para el funcionamiento de un sistema de calefaccin de sus viviendas, el cualtenga un funcionamiento verstil y pueda ser usado para varios propsitos. Estesistema es el de Almacenamiento de Energa Solar Trmica.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo General:


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Desarrollar un sistema de Almacenamiento de Energa Solar Trmica que puedaser usado en comunidades alejadas de la ciudad para la calefaccin de hogares.

1.3.2 Objetivos Especficos: Encontrar materiales adecuados tcnicamente y de bajo costo para realizar el

proyecto en esas zonas.

Buscar la solucin ms sencilla dentro de toda la variedad que comprende laenerga solar.

1.4 HIPTESISSe desarrollar un sistema de Almacenamiento de Energa Solar Trmica para serusado en la calefaccin de hogares, el cual tendr una larga duracin cuyosmateriales sern de bajo costo.

2 MARCO TERICO

2.1 ENERGA SOLAR

La energa solar es la energa producida en el Sol como resultado de reaccionesnucleares de fusin; Llega a la Tierra a travs del espacio en cuantos de energallamados fotones, que interactan con la atmsfera y la superficie terrestres. Laintensidad de la radiacin solar en el borde exterior de la atmsfera, si se consideraque la Tierra est a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valormedio es 1,37 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad noes constante, ya que parece ser que vara un 0,2% en un periodo de 30 aos. Laintensidad de energa real disponible en la superficie terrestre es menor que laconstante solar debido a la absorcin y a la dispersin de la radiacin que origina lainteraccin de los fotones con la atmsfera.

La intensidad de energa solar disponible en un punto determinado de la Tierradepende, de forma complicada pero predecible, del da del ao, de la hora y de lalatitud. Adems, la cantidad de energa solar que puede recogerse depende de laorientacin del dispositivo receptor.

2.1.1 Sistemas Pasivos:

Los sistemas pasivos se usan generalmente en el acondicionamiento calorfico deedificios y tanto lo que sirve de colector como el sistema de almacenamiento seencuentran incorporados en los distintos componentes de mismo edificio, como: pisos,paredes, recipientes con agua y techos. El tipo de almacenamiento de energautilizado en estos sistemas es generalmente por calor sensible (cambios de

temperatura de los distintos componentes del edificio), que explicaremos ms delante.Debido a que en estos sistemas las temperaturas de almacenamiento son bajas,usualmente menores de 40 C, se requiere de grandes volmenes del material quesirve como almacn. Por ejemplo, los distintos componentes de un edificio querepresentan un gran volumen, pueden absorber energa durante las horas de sol yposteriormente cederla durante la tarde o noche. Para poder calcular la capacidad dealmacenamiento de un material determinado, necesitamos conocer sus propiedadescomo la densidad y el calor especfico.

La ventaja del agua sobre el concreto o ladrillo es que tiene una gran capacidadcalorfica, y por lo tanto tiene ms capacidad de almacenamiento por unidad devolumen, que los materiales mencionados.


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2.1.2 Sistemas Activos:

La caracterstica principal de los sistemas activos es que estos utilizan un fluido detrabajo en movimiento que puede ser agua, aire, aceites o algn otro fluido. Losprincipales componentes que intervienen en estos sistemas son: el colector solar, launidad de almacenamiento, sistemas de conversin y control y el lugar donde se hace

la descarga de energa.

Generalmente, el medio de almacenamiento es agua si por el colector se hace circularun lquido. Similarmente, si en el colector circula aire, el medio de almacenamientosern rocas o piedras.

Las temperaturas alcanzan con este tipo de sistemas entre los 50 y 100 C. En estecaso el almacenamiento de energa se puede dar por cualquiera de los mecanismossiguientes, calor sensible, cambio de fase, reacciones qumicas y estanques solares.

Fig. 2: Esquema de la distribucin de la energa solar. (Ref. 1)

2.1.3 Recogida directa de energa Solar:

La recogida directa de energa solar requiere dispositivos artificiales llamadoscolectores solares, diseados para recoger energa, a veces despus de concentrarlos rayos del Sol. La energa, una vez recogida, se emplea en procesos trmicos ofotoelctricos, o fotovoltaicos. En los procesos trmicos, la energa solar se utiliza paracalentar un gas o un lquido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos

fotovoltaicos, la energa solar se convierte en energa elctrica sin ningn dispositivomecnico intermedio. Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: losde placa plana y los de concentracin.

2.2 ALMACENAMIENTO DE ENERGA POR CALOR SENSIBLE O CAPACIDADCALORFICA

Diversos tipos de materiales lquidos, slidos y combinaciones de lquidos y slidos,pueden almacenar energa por cambios de temperatura. Esta energa almacenada esigual al cambio de energa interna (U) que sufre el material al cambiar su temperaturay viene a ser igual al calor sensible (Qs).


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Una regla de tipo prctico para determinar si un material es apropiado para utilizarsecomo medio de almacenamiento, es que este debe ser capaz de almacenar entre 300y 600 kJ/C-m2 de rea de colector, como mnimo.

Tambin encontramos que cuanto mayor sea la temperatura que pueda alcanzar elmedio de almacenamiento, tanto menor ser el tamao del sistema, aunque las

prdidas se hacen ms evidentes. Por ejemplo, 1000 litros de agua pueden almacenaraproximadamente 84 MJ de energa cuando su temperatura aumenta de 30 a 50 C y168 MJ cuando la temperatura vara de 30 a 70 C. Ntese que se requierenaproximadamente 2.5 m3 de rocas para almacenar la misma cantidad de energa conlos mismos incrementos de temperatura.

El calor especfico o capacidad calorfica especfica de una sustancia es demanera formal, la energa necesaria para incrementar en una unidad de temperaturauna cantidad de sustancia; usando el SI es la cantidad de julios de energa necesariapara elevar en un 1 K la temperatura de 1 Kg de masa. (Ref. 4)

2.3 ESPECIFICACIONES DE ACEITES

La transferencia trmica es un proceso mediante el cual se suministra y extrae energade un medio.

Se plantea el uso de aceite como medio de almacenamiento de energa para lacalefaccin de una vivienda rural, la razn principal es que los aceites presentan unamayor estabilidad de fase (lquido) a altas temperaturas, por lo que el sistema detransmisin del aceite no es sometido a esfuerzos ni complicaciones producidos porposibles cambios de fase, como por ejemplo en el caso de usar agua.

Los aceites para transferencia trmica como su nombre lo indica son fluidos basadosen aceites minerales parafnicos, altamente refinados y cuidadosamente

seleccionados para proporcionar un performance superior en sistemas detransferencia trmica. Los aceites pueden ser del tipo aceites minerales o aceites conbase sinttica. Por ejemplo, Shell dispone de aceites con base mineral, conocidos conel nombre de THERMIA OILS, en diferentes grados de viscosidad.

2.4 Propiedades de los Aceites Trmicos:a) Elevada Estabilidad Trmicab) Buena Resistencia a la

Oxidacinc)Poseer un Alto Coeficiente de

Transferencia de Calord) Poseer una Prolongada Vida

til

Para una adecuada seleccin de Aceites Trmicos se debe considerar el rango detemperaturas entre los cuales va a trabajar, unas tablas de referencia se puedenapreciar en el Anexo 1. (Ref. 2)

Para este proyecto se usar un aceite de mquina usado y filtrado adecuadamente,cuyos valores estn por debajo que los aceites trmicos pero que puede servirperfectamente para nuestros requerimientos de temperatura y trabajo. Suscaractersticas de trabajo son estables a temperaturas menores de 200C y su Ce esaproximadamente 1.67 KJ/Kg.K. (Ref. 7)


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3 DISEO DEL PRODUCTO

3.1 COLECTOR

El producto propuesto es un sistema similar al de una terma solar, constituido por laplaca plana absorbente y la caja trmica. La placa absorbente es la unidad receptora

de la radiacin solar que calienta el aceite, y est formada por una plancha de fierro ala cual se adhieren una serie de tubos paralelos dentro de los cuales circula el aceite.

La caja trmica puede ser de madera y lleva en su interior la placa absorbente con uncolchn de aislamiento, puede ser material aislante especial o en nuestro caso sepuede usar otros materiales como lana de desecho que se encuentren en las zonas.

Las variaciones principales respecto a un colector de terma son las dimensiones de latubera de cobre, las cuales sern de 1 1 pulgada, para las tuberas de entrada ysalida del colector (1 en la figura 3), y tubera de a 1 pulgada, para el calentamiento(2 en la figura 3). Esto se hace para facilitar el paso del aceite que tiene una mayorviscosidad que el agua. Se considera una distribucin con diez a doce tubos, lo cual

brinda una buena eficiencia.

Las medidas aproximadas de la caja trmica es de 1,8 m. de altura por 1.0m de altura,lo cual nos da un rea de colector de 1,8 m2.

Fig. 3: Esquema de un colector solar y su tanque. (Ref 5)

3.2 TANQUE

Almacena el aceite caliente hasta su utilizacin y est aislado para conservar el calor.

El tanque de almacenamiento puede ser un cilindro de 25 galones, con cuatro niplesgalvanizados (dos de 1 pulgada y 2 de 1/2 pulgada) y una boya de nivelacin oflotador como el de los tanques sanitarios. El principal cuidado que se debe tener es elaislamiento del tanque (3 en la figura3).

3.3 INTERCAMBIADOR DE CALOR (SERPENTN)

Una tubera delgada ( pulgada) sale del tanque y transporta el aceite caliente alinterior de la casa, donde transmite su energa trmica a travs de una distribucin dela tubera en forma de serpentn como se aprecia en la figura 4.


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Fig. 4: Transporte del aceite al serpentn.

3.4 VLVULAS Y CONECTORES

Se refiere principalmente a una vlvula de apertura y cierre para el circuito del aceitecaliente (1 de la figura 4), una vlvula de cierre y apertura para controlar el paso delaceite al final del serpentn (2 de la figura 4), y una vlvula de cierre y apertura para elretorno del aceite fro (3 de la figura 4).

3.5 BOMBA

El aceite fro se deposita en una recipiente al final del serpentn y este debe serdevuelto al tanque para recomenzar el ciclo, por lo que es necesario contar con unapequea bomba manual para devolver el aceite. En el Anexo 2 presentamos algunosmodelos de estas bombas.

3.6

PROCESOS DE SOLDADURAAl usar tuberas de cobre en la mayor parte de la estructura se utiliza la SoldaduraBlanda por Capilaridad. El proceso es el siguiente:

En primer lugar, se calientan los tubos a unir con medio de una lamparilla desoldar o un soplete.

A continuacin se aporta estao u patal que sirva de aleante, el cual al fundirsepor efecto del calor, penetra por capilaridad entre los dos tubos, y al enfriarse,asegura al mismo tiempo el ensamblado de los tubos y su hermeticidad.

En cuanto al tanque, sera necesario hacerlo con los procedimientos clsicos defabricacin de acuerdo al material que vaya a utilizar. Por ejemplo si usa aceroinoxidable generalmente lo sueldan con proceso TIG.

3.7 FUNCIONAMIENTO


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Fig. 5: Esquema de funcionamiento del Sistema de almacenamiento de calor.

En el anexo 3 se muestran figuras con una disposicin propuesta para una viviendacomn.

3.8 CLCULOS

a) Estimacin del Volumen de la Casa para hallar la masa de aire a calentar.Medidas de la casa:Altura 2.7 m, largo 5 m y ancho 7 m.

A total = 35 mt2

V total = 94.5 m3

Con este dato y la densidad del aire en altura (0.9012 Kg/m3), hallamos la masa deaire (ma) que se debe calentar: 85.16 kg.

b) Estimacin del calor necesario para calentar la casa.

Teniendo en cuenta una temperatura interna inicial de la casa de 8C y buscandoalcanzar una temperatura de 18C realizamos el siguiente clculo de calor que debeganar el aire (Q1).

Q1= max Cex T;

Donde: Ce= Calor especifico del aire (1.0035 KJ/Kg. K) y T es la variacin detemperaturas.

Q1= 85.16 x 1.0035 x (291-281); Q1=854 KJ


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Ahora debemos considerar las prdidas que se producen en la tubera detransferencia que inicialmente est fra, las paredes, ventanas, piso, etc. Para lo cualtenemos un promedio de 0,750 KW (Ref. 8) a lo largo de ocho horas, sin embargo esnecesario tener en cuenta que la cocina o fuego producido por lea u otroscombustibles como la bosta del ganado o similares de la zona, ayudan a aumentar elcalor y tienen un poder calorfico de 13MJ hasta 19MJ. Por lo que al final las perdidas

se reducen en un 50% aproximadamente.

Q2 = 0,750 x (50%) x (8x3600); Determinado por experimentacin.Q2 = 10800 KJ Calor perdido.

QT= Q1 + Q2 = 854 + 10800;QT= 11654 KJ Calor total.

c) Estimacin de la masa y volumen del aceite.Consideremos Ce del aceite como 1.67 KJ/Kg.K (Ref. 7), una densidad promedio delos aceites de 0.982 Kg/l y una temperatura mxima del aceite de 90 C, ya que latemperatura mxima que puede alcanzar un colector plano es 100 C (Ref. 1)

QT= mOx Cex T;11654 = mOx 1.67 x (72);mO= 96.92 Kg;

mO = masa aceite.

Y ahora considerando la densidad del aceite encontramos el volumen necesario deaceite caliente:VO= 105.35 litros.

Pero el tanque tiene que ser de mayor capacidad porque el aceite fro se deposita al

fondo:

VTanque= 120 litros.

Finalmente, debemos considerar que una vez que la casa se encuentra caliente, elaceite debe fluir por la caera para seguir la transferencia de calor, as que

calculamos el flujo volumtrico (V

) para un lapso de 10 horas:

V

= 0.002917 litros/s

d) Calculo del rea del ColectorA = QT/ 3 600 R e

A = rea en m2QT= Energa KJR = Radiacin ... KW-h /m2e = Eficiencia (0,3) Asumida por experimentacin con colector plano.R = 6,4 KW-h/m2 promedio zonaVer anexo I Radiacin en el Per

A = 11 654/ 3 600 x 6,4 x 0,3A = 1,7 m2


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4 ANLISIS ECONMICO

Como toda energa renovable, el uso de colectores solares representa una costoimportante, sobretodo para familias de escasos recursos como las que viven en las

zonas altas de nuestro pas. Es por esto que el financiamiento para este tipo deproyectos debe ser a cargo de instituciones de apoyo social como ONG con ayudainternacional.

4.1 COSTOS MATERIALES

MATERIAL

COSTO

S/. CANT

SUB

TOTAL

Madera 3,00 40 120,00Lana 5 10 50,00Aislante 100 1 100,00Tuberacobre 1" x6m 100 1 100,00Tuberacobre 3/4"x 6m 70 3 210,00Tuberacobre 1/2"x 6m 40 6 240,00Vidrio x m 15 4 60,00Plancha

latn 0.4mmx m 30 4 120,00Soldaduraplata 100 1 100,00TOTAL 1,100,00

4.2 COSTOS INSUMOS

Costo S/.

Tanque 500,00Deposito inferior 100,00

Bomba 180,00Aceite 120 litros 100,00TOTAL 880,00

4.3 COSTOS TOTALES

Costo Material 1 100,00Costo Insumos 880,00Mano obra 300,00Otros (10%) 220,00

TOTAL 2 500,00


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Nota: Se debe tener en cuanta que el costo de la tubera de cobre para el transportedel aceite caliente puede variar, por lo que se puede usar un sustituto de tubogalvanizado, en cuanto al precio del tanque, estamos considerando un tanque quecumpla con los requerimientos tcnicos de capacidad y aislamiento, aunque se debetratar de reducirlo, al igual que el deposito inferior, se pueden usar cilindros de aceite

reciclados. El aceite usado es el aceite reciclado de motor de combustin interna quetiene un costo muy bajo aproximadamente S/. 2 por galn o menos. Se adjuntatambin catalogo de aceites trmicos con beneficios mayores pero con el costo sobrelos 20 dlares por galn. Ver anexo.

5 IMPACTO SOCIAL

Con este proyecto se busca beneficiar a familias de escasos recursos econmicos queviven en condiciones ambientales extremas, se busca mejorar su calidad de vida yreducir el ndice de enfermedades respiratorias en estas zonas del pas.En la actualidad existe una poblacin de mas de 1 milln de personas, en las zonasaltas del departamento de Arequipa y Puno que tienen este problema, comunidades

andinas que todos los das de invierno cuentan con mas de seis horas de sol.Al mismo tiempo, la utilidad de este sistema de almacenamiento de Energa SolarTrmica, se puede aprovechar para precalentar el agua usada para cocinar susalimentos, ahorrando combustible con este procedimiento. En el futuro podra seradecuado para mejorar las condiciones de las cras de alpacas, que son la principalfuente de ingreso de varias de las comunidades afectadas.

CONCLUSIONES

Se ha logrado obtener un sistema de almacenamiento de Energa SolarTrmica que cumple con el propsito de ser un medio de calefaccin dehogares, y que puede tener usos adicionales como el precalentamiento de

agua. Esto permitir tener mejores condiciones de vida a las personas queviven en comunidades afectadas por el FRIAJE.

El costo del sistema bsico asciende a 2 500 soles, si bien sigue siendo altopara los pobladores de estas comunidades, se debe buscar el financiamientodel estado o externo para usar este recurso renovable.

COMENTARIOS

Es necesario mencionar que en las estimaciones que se han hecho, se considera unaganancia de temperatura relativamente pequea en el interior de las viviendas y que latemperatura externa se ha tomado de 0 C a -5 C, pero hay informacin que indicaque las temperaturas exteriores en algunas zonas estn alrededor de los -20C.

Una manera de obtener mas energa con este sistema es haciendo mas grande elcolector y aumentando la cantidad de aceite, pero otra forma es cambiar el tipo decolector plano por un concentrador lineal o parablico para poder alcanzar mayorestemperaturas del aceite trmico.

BIBLIOGRAFA

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4. WIKIPEDIA; la Enciclopedia libre Internet 2009.5. INFORMATIVOS.NET; Las energas renovables son el futuro - Internet 2009.6. GRUPO FAHERMA SL; Catalogo tcnico Espaa 2009.7. KIRK-OTHMER; Enciclopedia de Tecnologa Qumica, 3ra Edicin New York,

USA 1983.8. R, LUCIANO; Construccin y anlisis de una vivienda solar activa

Misioneros de Beln , Per 2006.


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ANEXO 2.- BOMBAS MANUALES

ANEXO 3 CASA RURAL CON EL SISTEMA INSTALADO.-


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