Articulo Tubos de Calor

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DISEÑO DE UN COLECTOR SOLAR APLICANDO TUBOS

DE CALOR

Autores:

Daniela Cárdenas

Cesar Peña

Andrés Ríos

Fecha:

20-12-2011

I. Introducción

Este proyecto analiza la factibilidad para diseñar un colector solar mediante la aplicación

de la tecnología de tubos de calor el cual pertenece al grupo de los llamados sistemas de

energía solar de baja temperatura.

II. Objetivos

1) Reducir el consumo de energías fósiles para el calentamiento de agua en los

hogares al remplazarlos por calentadores solares de tubos de calor que utilizan

energía renovable.

2) Innovar el diseño del calentador solar de tubos de calor en base a las condiciones

de vida y los requerimientos de los usuarios.

3) Optimizar el diseño del calentador solar mediante el uso de herramientas

informáticas, como el software Inventor, que permitan realizar una simulación y

evaluación del producto final.

III. Justificación

El Ecuador es un país ubicado en la línea ecuatorial, por lo que dispone de una irradiación

solar elevada, esto permite desarrollar sistemas que funcionen con este tipo de energía.

Nuestro país depende en gran medida del volumen fluvial y de combustibles fósiles para

la generación de energía; es por esto que se ha visto la necesidad de ampliar las

posibilidades de obtención de energía en base a los recursos renovables.

El diseño de un sistema de calentamiento de agua con tubos de calor es una propuesta

innovadora para dar un correcto uso a los recursos renovables y reemplazar a los demás

combustibles que a largo plazo afectan las condiciones ambientales, por otra parte las

estrategias del actual gobierno apuntan a incentivar a la población a utilizar herramientas



que eviten el excesivo daño ambiental y que además permitan optimizar los recursos

económicos del país. Una de las principales causas para disminuir el consumo de

combustibles fósiles es que en términos económicos resulta muy costoso sustentarlos.

IV. AlcanceEste proyecto está enfocado en desarrollar un sistema de calentamiento de agua para

una casa con una familia promedio (4 personas)

Se considerará que las casas requieren de un espacio de 4 metros cuadrados para la

instalación del colector solar y de un lugar en el que no existan sombras aledañas que

impidan la irradiación. La temperatura que se pretende alcanzar con un calentador solar

es de aproximadamente 35°C.

V. Descripción del ProblemaAlgunos problemas que pueden presentarse al implementar este sistema son los

siguientes:

Días nublados en los cuales no se alcanza la temperatura deseada.

Días con demasiado sol en los que la temperatura exceda la deseada.

Días en los que la familia esté ausente, no se pueda controlar las temperaturas y

el agua se acumule en los tubos produciendo daño en estos.

Pérdidas de calor por convección en las noches.

VI. Posibles soluciones

Utilizar sensores de control de temperatura.

Utilizar una cubierta de madera con una capa de material aislante.

Girar los tubos de calor de tal manera que uno de los lados tenga una lámina de

material aislante que impida el paso de los rayos solares.

Descripción del Sistema

El calentador de tubos al vacío con tubos calóricos ha significado un gran avance en la

tecnología de transferencia de calor, aplicada en este caso al calentador solar. El sistema

de calentamiento de agua que se desarrollará cuenta con las siguientes partes

principales:



Carcasa

Este elemento cumple la función de portar y proteger a los tubos de vacío contra agentes

externos que pudieran ocasionar algún desperfecto en el panel.

Absolvedor

Esta parte se encarga de transformar la radiación solar en calor, por lo tanto debe cumplir

con características específicas entre ellas absortividad elevada, emisividad baja, y por lo

general se utilizan materiales de colores oscuros. Para este caso en particular, la energía

solar se absorbe mediante el uso de tubos calóricos.

Cubierta

Elemento transparente encargado de provocar el efecto invernadero dentro de la caja

para aumentar la temperatura y el aprovechamiento del calor por el absorbedor. Para este

equipo la cubierta vendría a ser el tubo de vidrio al vacío.

Tanque

Depósito donde se almacena el agua caliente para su consumo. Para evitar que el agua

pierda su calor durante la noche el tanque necesita tener un recubrimiento de material

aislante, esto debe ser dimensionado en base a la capacidad del tanque, tiempo de

almacenamiento y condiciones externas.

Funcionamiento

En este modelo se tiene dos tubos, en su eje central un tubo calórico para transmitir el

calor solar ganado al agua del tanque. El tubo calórico forma un sistema cerrado de

evaporación-condensación y suele ser un tubo metálico largo y fino, herméticamente



cerrado, el cual contiene un líquido en equilibrio con su vapor (gas) a determinada presión

(vacío) y temperatura. Si la temperatura aumenta, aumenta la fase gaseosa; y si

disminuye, aumenta la fase líquida. La temperatura de cambio de fase (líquido-gas-

líquido) depende de la presión, la cual cambia directamente proporcional al cambio de

temperatura. La presión (vacío) dentro del tubo se selecciona de tal forma que laevaporación empiece a 25 °C, lo que garantiza el funcionamiento del colector solar aún

con baja radiación.

La parte superior del tubo calórico va introducida en el agua del tanque. De esta forma,

cuando la parte que está expuesta a la radiación solar (dentro del tubo de vidrio al vacío)

se calienta, genera vapor y éste sube. Cuando este vapor se pone en contacto con el

agua del tanque, la cual está más fría, se condensa, y baja en forma líquida por gravedad

a la parte baja del tubo calórico. De esta forma se completa el ciclo.

El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por encima de 35 °C endías totalmente nublados.

Ventajas del tipo de colector

Los colectores de tubo de vacío con tecnología heat-pipe tienen la ventaja de no sufrir

pérdidas por la noche ya que el proceso de transferencia de calor no es reversible (es

decir el fluido caliente o el calor no puede pasar del acumulador al tubo y por lo tanto

perderse). Además cada tubo es independiente pudiéndose cambiar en pleno

funcionamiento del sistema. Es altamente resistente a las heladas.

Dado que también pueden girar sobre su eje los tubos, existe la posibilidad de que

adopten posiciones verticales y horizontales al igual que ocurre en los sistemas de flujo

directo aunque en este caso habrá que respetar una inclinación mínima del largo del tubo

para permitir que el fluido una vez licuado pueda descender por gravedad.

PROTOTIPO

Calentador solar para agua sin presión, donde el colector solar y el almacenamiento de

agua están conectados juntos, el tanque se encuentra en la parte superior del panel y decolección en la parte inferior. Se basa en la circulación natural de las aguas entre el

colector y el depósito de agua. Posee tubos en U.



Esquema del prototipo a diseñar

PRESUPUESTO

Colector Solar $ 600,00

Acumulador Solar $ 200,00

Vaso de expansión $ 15,00

Regulador térmico diferencial $ 200,00

Grupo de bombeo y Valvulería $ 340,00

Líquido solar $ 35,00

Total de Material $ 1.590,00

IVA (12%) $ 190,80

Total de Material $ 1.780,80



Colector solar de tubos al vacío aplicando tubos de calor (Diseño en Inventor 2011)

CONTROL AUTOMÁTICO DE LA TEMPERATURA

Control automático de temperatura.



Sensor electrónico de temperatura

Detecta cuando:

1. La temperatura del agua acumulada en el depósito térmico baja de 29ºC

Mediante un microcontrolador se activa la bomba para que el agua calientegenerada en el calentador sea transferida al depósito

2. Temperatura dentro del tanque se registra arriba de 38ºCEl microcontrolador detiene la bomba automáticamente, de modo que elagua acumulada se mantiene siempre en este rango de temperatura

COMENTARIOS

El intercambio de calor se realiza en seco, es decir, sin contacto directo entre el

fluido caloportador y el tubo, lo que los hace particularmente adecuados en áreascon cualidades desfavorables del agua.

La transferencia de calor se realiza siempre en un solo sentido, desde el absorbedor

hacia el fluido caloportador, y nunca al revés.

El ciclo de evaporación-condensación tiene lugar mientras no se alcance la

temperatura crítica del fluido vaporizante, evitando así los riesgos de un aumento

incontrolado de la temperatura en el interior de los tubos.

BIBLIOGRAFIA

Ing. John Calle M.Sc; Ing. Jorge Fajardo; Ing. Luis Sánchez Energía Solar, Artículo

Científico.

P. Incropera; P. De Witt, Fundamentos de Transferencia de Calor, Cuarta Edición.

Instituto Centroamericano de Investigación y Tecnología Industrial; Aplicaciones de

la energía solar. ICAITI. 1983

SABADY, Pierre Robert; Práctica de la energía solar. CEAC. España. 1983

Instituto Nacional de Energía; Colectores solares para calentamiento de agua.

Quito-Ecuador. 1988

Estudios de radiación Laboratorio de Energías Alternativas, Escuela Politécnica

Nacional, Quito.

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