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Descripción del proyecto de climatización de la alberca en la ESIME Culhuacan del IPN, llevada a cabo con calentadores solares de placa plana diseñados por el Ing. Kisiev Salgado Castro y construidos por los alumnos de la carrera de Ing. Mécanica
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2011
ING. KISIEV SALGADO CASTRO
PROYECTO DE CLIMATIZACIÓN
SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Proyecto de Climatización Solar de la ESIME CULHUACAN
INDICE 1.‐ INTRODUCCION 1 2.‐ FEBRERO DEL 2008 – LA TESIS 1 3.‐ LABOR DE DISEÑO DEL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO 3
4.‐ CONSTRUYENDO EL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO 6
5.‐ MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS CALENTADORES 9
6.‐ CALENTADORES SOLARES PROTOTIPO PUESTOS EN SERVICIO 11
7.‐ SATISFACIENDO LA DEMANDA EN REGADERAS DEL GIMNASIO 12
8.‐ SATISFACIENDO LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE EN LA ALBERCA 20
SEMIOLIMPICA DE LA ESIME CULHUACAN
9.‐ LOS ENROLLADORES – DISEÑADOS Y CONSTRUIDOS EN LA ESIME 28
10.‐ BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN REGADERAS 32
11.‐ BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA 32
12.‐ BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA 33
Y REGADERAS
13.‐ CONCLUSIONES 34
1 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
INTRODUCCION El presente trabajo pretender ser un registro gráfico e histórico de las labores realizas por un servidor y su equipo de colaboradores, encaminadas a hacer realidad un proyecto de ingeniería pionero en el ámbito de las energías renovables, y que gracias al apoyo conjunto de alumnos y autoridades politécnicas es posible ya al día de hoy gozar sus beneficios. Después de una intensa labor de investigación, estudio y diseño; se hubieron finalmente construido un sistema capaz de captar y transmitir la energía térmica del sol para el calentamiento de un fluido. Dicho sistema de captación mejor conocido como Calentador Solar, brindan actualmente servicio en el gimnasio del plantel a las 10 regaderas y de hombres y mujeres, tanto internas como externas; beneficiando con ello a la comunidad politécnica, e inherentemente también a la investigación y desarrollo tecnológico de país. A continuación mostraré un breve recorrido a lo largo de los ya más de dos años invertidos en esta ardua labor. FEBRERO DEL 2008 – LA TESIS Mi nombre es Kisiev Salgado Castro y soy egresado de la ESIME CULHUACAN de la carrera de Ingeniería Mecánica; el día 1 de febrero del 2008 sustenté ante jurado mi trabajo de tesis llamado “EL COLECTOR SOLAR TÉRMICO PARA LA OBTENCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA”, con el cual después de haberlo aprobado y ya posteriormente promovido ante maestros y autoridades politécnicas, logre emprender un proyecto cuyo propósito es desarrollar calentadores solares politécnicos para calentar el agua de la alberca en nuestra escuela. Por ello tras conseguido el apoyo y el financiamiento requeridos empecé las labores del denominado “PROYECTO DE CLIMATIZACIÓN SOLAR DE LA ALBERCA DE LA ESIME CULHUACAN”.
Figura 1. Presentación de la tesis
“El colector solar térmico para la
obtención de agua caliente
sanitaria”
Febrero 2008
2 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Gracias a la investigación realizada previamente para la tesis, nuestro proyecto no empezó
de cero, a continuación muestro uno proyecto gemelo en otra universidad:
Figura 2. Calentadores solares con más de 20 años en servicio, cortesía Universidad de las
Americas, Puebla.
Figura 3. Calentadores solares con más de 20 años en servicio, cortesía Universidad de las
Americas, Puebla.
3 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
LABOR DE DISEÑO DEL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO
El proceso de diseño se calculó a partir del programa PROSOLMEX, dicho programa fue
desarrollado por un servidor utilizando la herramienta de la hoja de cálculo de Excel.
A partir de datos de irradiación local del sitio en consideración, la inclinación y la
orientación dada al colector, PROSOLMEX calcula la cantidad de energía solar disponible
para una superficie, lo anterior para cada mes del año; y con ello el usuario al introducir
datos sobre el tipo de material con el que se construirá el calentador, el programa arroja
una eficiencia del equipo; es decir con el software PROSOLMEX se optimiza el diseño de
un calentador solar, invirtiendo más en aquellos materiales que harían del calentador
mucho más eficiente.
En la gráfica anterior se muestra la ganancia de energía captada por una superficie en la
ciudad de México al ser inclinada 30° (curva azul) para los meses del año cuando es sol
sale más bajo en el horizonte, es decir durante el invierno; y por otro lado la curva en rojo
muestra la ganancia de energía captada del sol para una superficie horizontal durante los
meses de primavera y verano.
En otras palabras se concluye que un calentador con una inclinación variable a lo largo del
año podrá captar más energía que si se tratase únicamente de uno estacionario.
Figura 4. Gráficas generadas a partir del programa PROSOLMEX
4 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Cálculo de energía solar disponible para una ciudad y un més del año en particular. Con
esto ya sabemos cuánto es el máximo teórico que podemos obtener para determinada
localidad y etapa del año.
Figura 5. PROSOLMEX – Ingresando datos Geográficos de la ciudad en consideración y obteniendo
como resultado el recurso solar disponible (J/m2) .
Total de radiación incidente durante un día típico en octubre
Radiación incidente para de las 12 a
13hrs durante un día de octubre
Radiación absorbida por un colector con las
características de una cubierta arriba descritas
5 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
En esta sección de PROSOLMEX el usuario ingresa lo distintos valores relativos al material
de la placa colectora y tubos (cobre, aluminio, acero), diámetro de la tubería, espesor de
la placa colectora, separación entre tubo y tubo, tipo de cristal, espesor del cristal,
espesor del aislamiento del fondo y caras laterales del colector, fluido de trabajo (agua,
glicol, etc.), caudal dentro de la tubería de la placa absorbedora, obteniendo como
resultado la eficiencia del calentador, así como la energía captada para un día promedio
en la localidad que se haya seleccionado previamente.
Figura 6. PROSOLMEX – Ingresando datos constructivos del calentador solar y obteniendo como
resultado la energía captada y la eficiencia del mismo (J/m2) .
6 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
CONSTRUYENDO EL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO
En octubre del 2008 se empezó a llevar a la práctica todo lo visto hasta el momento,
construyendo los 2 primeros calentadores solares.
Figura 7. Construyendo los primeros calentadores solares – Se construyeron dos modelos, uno con 6
tubos en paralelo y otro de 9. Tercer trimestre del 2008
7 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 8. Construyendo los primeros calentadores solares Tercer trimestre del 2008
8 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 9. Construyendo los primeros calentadores solares Tercer trimestre del 2008
9 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS CALENTADORES
Para poder constatar los valores de eficiencia estimador por el programa de diseño
PROSOLMEX, se diseñó un banco de pruebas con la capacidad para probar los dos
prototipos de calentadores, ya sea juntos o por separado, y también haciéndolos trabajar
por el principio de termosifón o circulación forzada.
Figura 10. Diseño del banco de pruebas de los dos primeros prototipos instalados en las regaderas.
Cuarto trimestre del 2008
10 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Se instalaron termómetros a la entrada y salida del agua en los calentadores, otros
termómetros para conocer la temperatura de la placa y un medidor de caudal, con lo
anterior es posible medir la cantidad de energía captada por los calentadores solares, ello
a partir de un balance de energía de la siguiente ecuación:
Qu = mCp(Tf‐Ti)
Donde:
Qu = Calor útil transferido al fluido de trabajo
m = flujo másico o caudal (Litros por minuto)
Cp = Poder calorífico del agua
Tf = Temperatura final del agua a la salida del calentador
Ti = Temperatura inicial del agua a la entrada del calentador
Figura 11. Diseño del banco de pruebas de los dos primeros prototipos instalados en las regaderas.
Cuarto trimestre del 2008
11 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
CALENTADORES SOLARES PROTOTIPO PUESTOS EN SERVICIO
Inicialmente se contemplaba que los dos primeros calentadores solares sirvieran como
prototipos de aquellos que habría de ser construidos posteriormente en serie para
satisfacer la demanda de agua caliente en la alberca, sin embargo dada la problemática de
las regaderas del gimnasio en cuanto el suministro insuficiente de agua caliente, fue
cuando decidimos también climatizar las regaderas del gimnasio.
En la imagen se muestran los dos modelos construidos, puestos en servicio para las
regaderas a finales del 2008, en la imagen también se aprecia su banco de pruebas, con el
cual medimos eficiencias promedio del 58% para el calentador de 6 tubos, y de 65% para
el de 9.
Figura 12. Los dos primeros prototipos instalados en las regaderas. Cuarto trimestre
del 2008
12 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
SATISFACIENDO LA DEMANDA EN REGADERAS DEL GIMNASIO
Durante casi todo el 2009 y parte del 2010 nos dimos a la tarea de construir los modelos
de calentadores solares que habrían de satisfacer la demanda en las regaderas del
gimnasio, las 8 internas de hombres y mujeres, y las 2 regaderas externas que se
instalaron para en enjuague previo a las clases de natación, he aquí la cronología:
Figura 13. Aumento a cinco el número de calentadores para regaderas internas
del gimnasio. Cuarto trimestre del 2008
13 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 14 .Calentadores instalados en regaderas del gimnasio ‐ primer trimestre del 2009 (superior)
Diseño computarizado de los calentadores (inferior) Primer trimestre del 2009
14 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 15. Diseño por computadora de las bases de ángulo variable para los calentadores. Primer
trimestre del 2009
15 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 16. Después de la impermeabilización de la superficie se aumento a 8 la cantidad de
calentadores para regaderas internas (superior) y se colocó la primera regadera para enjuague en el
acceso de hombres de la alberca (inferior). Segundo trimestre del 2009
16 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 17. En seguida se instaló la regadera de enjuague para mujeres con dos calentadores más.
Segundo trimestre del 2009
17 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 18. Capacidad instalada de 13 calentadores solares, 9 en regaderas internas y 4 en regaderas
externas. Segundo trimestre del 2009
18 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 19. Se realizó la instalación de las llaves de agua fría (superior) así como de la tubería de agua
fría (inferior), ambas inexistentes en las regaderas internas del gimnasio desde hacía un par años.
Tercer trimestre del 2009
19 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 20. Instalación de la toma de agua fría para las regaderas del gimnasio, utilizando tubería de
última generación (tubería verde) tuboplus. Tercer trimestre del 2009
20 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
SATISFACIENDO LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE EN LA ALBERCA SEMIOLIMPICA DE LA
ESIME CULHUACAN
Describiré a grandes rasgos todos los esfuerzos que hasta ahora ya tres generaciones de
prestadores de servicio social y un servidor hemos llevado a cabo con tal de concluir tal
ambicioso proyecto nacido hace ya más de dos años atrás.
Figura 21. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de cortado de tubo (superior), operaciones de taladrado de los distribuidores (inferior). Cuarto trimestre
del 2009.
21 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 22. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de
soldadura de tubo de cobre. Cuarto trimestre del 2009.
22 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 23. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca,
operaciones de soldadura de tubo de cobre. Primer trimestre del 2010
23 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 24. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de
embutido y soldadura de la lámina de cobre a los esqueletos de tubo de cobre. Primer trimestre del 2010
24 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 25. Proceso de construcción de las 32 bases para los calentadores solares. Segundo trimestre del
2010
Se cortaron, soldaron y pintaron
90 ganchos largos como estos
Se cortaron, soldaron y pintaron
90 ganchos cortos como estos
Se cortaron, soldaron y pintaron
30 bases chicas como esta
Se cortaron, soldaron y pintaron
30 bases grandes como esta
25 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 26. Las 32 bases para los calentadores solares son terminadas. tercer trimestre del 2010
26 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 27. Se terminan de construir los primeros 16 calentadores solares para la alberca. Cuarto
trimestre del 2010 y primer trimestre del 2011
27 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 28. Trabajos actuales, instalación de la tubería hidráulica de los calentadores de la alberca
(superior), construcción del canal para la tubería (inferior). Primer trimestre del 2011
28 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
LOS ENROLLADORES – DISEÑADOS Y CONSTRUIDOS EN LA ESIME
Figura 29. Enrrolladores de cubierta térmica para alberca, diseñados y construidos por
nosotros a la par de los trabajos de construcción de los calentadores Terminadas durante
el 2009 y 2010
29 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 30. Enrrolladores de cubierta térmica para alberca, diseñados y construidos por nosotros a la
par de los trabajos de construcción de los calentadores Terminadas durante el 2009 y 2010
30 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 30. Enrrolladores de cubierta térmica para alberca, diseñados y construidos por nosotros a la
par de los trabajos de construcción de los calentadores Terminadas durante el 2009 y 2010
31 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 30. Faltará adquirir dos cubiertas térmicas más para poder cubrir la alberca con la marta
térmica durante la noche o los días que no se impartan las clases de natación.
32 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN REGADERAS
Los 13 calentadores solares instalados y puestos en marcha hasta ahora en las
inmediaciones deportivas de la ESIME Culhuacan, calientan en promedio al día 1000
litros de agua a 45°C. y pueden dar servicio completo a hasta 50 usuarios al día.
Litros calentados al día a 45°C
Kgs de GLP no quemados al año
Ahorro en Gas L.P. anual
Toneladas de CO2 No emitidas al
año
1000 1800 18,360.00 pesos* 4.8
*costo actual del kilogramo del Gas L.P. en 10.20 pesos.
Los calentadores solares tienen una vida útil de 15 años, considerando esto ponemos en
perspectiva nuevamente los datos analizados en la tabla anterior.
Litros calentados al dia a 45°C
Kgs de Gas LP no quemados en 15
años
Ahorro en Gas L.P. en 15 años
Toneladas de CO2 No emitidas en
15 años
1000 27000 405,000.00 pesos * 72
*Estimando el costo del kilogramo del Gas L.P. en 15 pesos.
BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA
En la alberca semiolimpica habrán de instalarse 32 calentadores solares que inyectaran
una tasa promedio de 707,200 KJ de energía proveniente del sol, esto es equivalente a
25Kg de gas L.P. o 34 m3 de gas natural al día. En términos más prácticos cada día se
calentarán 14000 litros de agua de 13 a 25°C.
Litros calentados al día a 25°C
Kgs de GLP no quemados al año
Ahorro en Gas L.P. anual
Toneladas de CO2 No emitidas al
año
14000 9000 91,800.00 pesos* 24.3
*costo actual del kilogramo del Gas L.P. en 10.20 pesos.
Los calentadores solares para la alberca tienen también una vida útil mínima estimada
de 15 años, considerando esto ponemos en perspectiva nuevamente los datos
analizados en la tabla anterior.
Litros calentados al dia a 45°C
Kgs de Gas LP no quemados en 15
años
Ahorro en Gas L.P. en 15 años
Toneladas de CO2 No emitidas en
15 años
14000 132000 1,980,000.00 pesos* 364.5
*Estimando el costo del kilogramo del Gas L.P. en 15 pesos.
33 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA Y REGADERAS
Los 45 calentadores solares en alberca y regaderas habrán de absorber del sol la
cantidad mínima de 840,440 KJ (KILO JOULES) de energía, lo que es equivalente a 30
kilogramos de gas L.P. al día, por lo tanto la escuela ahorrará al año:
Energía generada al día
Kilogramos de Gas LP no quemados al año
Ahorro en Gas L.P. anual
Toneladas de CO2 No emitidas en
15 años
La equivalente a 30 Kilogramos de gas
L.P. 10800 110,000.00* 29.1
*costo actual del kilogramo del Gas L.P. en 10.20 pesos.
Los calentadores solares para la alberca y regaderas tienen una vida útil mínima
estimada de 15 años, considerando esto ponemos en perspectiva el proyecto completo,
sus ahorros económicos y sus beneficios ambientales:
Energía generada al día
Kilogramos de Gas LP no quemados en 15
años
Ahorro en Gas L.P. anual
Toneladas de CO2 No emitidas en
15 años
La equivalente a 30 Kilogramos de gas
L.P. 162000 2,430,000.00* 437.4
El costo total de proyecto es de aproximadamente 15mil pesos por colector solar,
incluyéndose además del costo de la manufactura del mismo; los costos de
herramientas, tubería hidráulica externa, materiales para la construcción de las bases
metálicas, válvulas hidráulicas, honorarios de un servidor, entre otros.
Es decir el proyecto tendrá al final de 3 años de duración un costo total de 675mil pesos;
y de no superar el precio del kilogramo de Gas L.P. los 15 pesos estimados dentro de 15
años, el ahorro total de proyecto en términos financieros será de mínimo 1,755,000.00
pesos, siendo el plazo para amortizamiento de 6 años.
34 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
CONCLUSIONES
Han sido ya casi tres años de empezado nuestro proyecto, encontrándonos ahora en la
recta final del mismo, han sido tres años de enfrentar retos que parecían titánicos para
una sola persona, sin embargo nunca se trató únicamente del trabajo de un servidor,
sino fue más bien el de muchas personas, desde los ya más de 20 prestatarios de
servicio social, estudiantes politécnicos, que han laborado en el proyecto, hasta las
autoridades del IPN que sin importar los cambios directivos han igualmente estado
siempre pendientes y respaldando nuestra labor.
Por otro lado es incuestionable el beneficio ambiental y económico del que proyectos
como este son inherentes, sin embargo lo importante a resaltar también, es que
orgullosamente se trata de un proyecto creador de tecnología nacional; que a lo largo
del mismo ha generado y compartido el conocimiento obtenido primeramente entre los
estudiantes prestatarios de servicio social, así como también entre la comunidad
politécnica en general, trabajadores, alumnos, profesores.
He aquí pues un breve resumen de todas las actividades hasta ahora desarrolladas,
gracias por su atención y apoyo;
Atentamente:
Ing. Kisiev Salgado Castro
COORDINADOR DEL PROYECTO