Laboratorio De Colectrores

OBJETIVOS

Objetivos específicos

Evaluar el desempeño de un colector térmico de placa plana utilizado en el calentamiento de agua

Objetivos generales:

Observar y analizar el comportamiento de las temperaturas y e modelo de estratificación en los niveles del tanque.

Comparar el patrón de temperaturas a la entrada y salida del colector en el tiempo.

Analizar el comportamiento de la eficiencia en el tiempo, debido a la intensidad de los rayos.

INTRODUCCIÓN

La razón de ser de la ingeniería, es la obtención de energía para alguna aplicación en especial a partir de otra, bien sea energía química en mecánica (motores), energía calorífica en mecánica (plantas de vapor), energía mecánica en energía hidráulica (bombas hidráulicas), etc. Es decir el ingeniero (ingeniero mecánico en especial) juega con la TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA para suplir necesidades que lo aborden.

Con lo dicho anteriormente existe una forma de aprovechamiento de energía de forma limpia: la energía solar, en cuyo caso debe existir un intercesor para la transformación de la energía UN COLECTOR SOLAR. El colector solar es un dispositivo que aprovecha la energía radiante del sol para el calentamiento de un fluido. Estos dispositivos son utilizados especialmente en servicios domésticos de calefacción, o generación de energía eléctrica. Los colectores solares han tenido gran auge debido a la producción de energía térmica, libre de contaminantes y gases tóxicos que perjudican el ambiente y la vida en nuestro planeta.

MARCO TEÓRICO

EL SOL que, por el efecto gravitacional de su masa, domina el sistema planetario que incluye a la Tierra. Mediante la radiación de su energía electromagnética, aporta directa o indirectamente toda la energía que mantiene la vida en la Tierra, porque todo el alimento y el combustible proceden en última instancia de las plantas que utilizan la energía de la luz del Sol.

Datos Históricos importantes:

Las primeras utilizaciones de la energía solar se pierden en la lejanía de los tiempos. No obstante, por algunas tablillas de arcilla halladas en Mesopotamia, se sabe que hacia el año 2000 antes de J.C. las sacerdotisas encendían el fuego sagrado de los altares mediante espejos curvados de oro pulido.

En Egipto, hacia el año 1450 antes de J.C., existían unas estatuas sonoras del faraón Amenhotep III. El sonido producido por estas estatuas era consecuencia del aire calentado en sus enormes pedestales, que eran huecos, y que comunicaban con el exterior por un orificio muy pequeño.

Arquímedes utilizó espejos cóncavos, con los cuales incendió las naves romanas durante el renacimiento.

El primer colector solar plano fue fabricado por el suizo Nicholas de Saussure (1740-1799), y estaba compuesto por una cubierta de vidrio y una placa metálica negra encerrada en una caja con su correspondiente aislamiento térmico. Este colector solar se utilizó para cocinar alimentos que se introducían en su interior.

Colector solar:

Los colectores solares son dispositivos diseñados para captar la radiación solar, transformarla en energía térmica y así elevar la temperatura de un fluido. Esto nos facilita, por ejemplo, calentar agua para su posterior aprovechamiento a nivel doméstico o comercial.

Clasificación de los colectores solares Según la temperatura que puede alcanzar el fluido operante.

Los de concentración o altas temperaturas: son aquellos que necesitan enfocar la energía dispersa para llegar a temperaturas superiores a los 100- 150º C. Los concentradores son dispositivos capaces de aprovechar la energía solar con un sistema de espejos que concentran la energía proveniente del sol en un punto, para calentar agua y convertirla en vapor. Este vapor mueve unas turbinas que a su vez mueven un generador para producir electricidad. El concentrador más simple y conocido que muchos hemos usado para quemar pequeños objetos es la clásica lupa. Históricamente, la idea de concentrar la radiación solar para obtener más energía, fue anterior a la de los colectores planos

Fuente: extraído de wikipedia

Los captadores de bajas temperaturas: son dispositivos más simples que nos permiten obtener energía calórica de baja temperatura (inferior a 100º C).

Se subclasifican en dos:

Captador solar plano, también llamado colector solar plano o panel solar térmico, consistente en una caja plana metálica por la que circula un fluido, que se calienta a su paso por el panel.

Panel de tubos de vacío, donde la superficie captadora está aislada del exterior por un doble tubo de vidrio que crea una cámara al vacío.

Fuente: enciclopedia Wikipedia.

Colector solar plano (el utilizado en la práctica del laboratorio)

Consistente en una caja plana metálica por la que circula un fluido, que se calienta a su paso por el panel. Estos colectores se caracterizan por no poseer métodos de concentración, ser más económicos y resultar eficientes para obtener agua caliente sanitaria. Además, nos ofrecen la ventaja de usar una orientación fija y de aprovechar tanto la radiación directa como la difusa. Estos colectores de placa plana se componen de cuatro elementos principales: la cubierta transparente (vidrio o similar), la placa captadora (superficie negra que va absorber la luz solar), el aislante y la carcasa (contenedor de todo lo anterior).

Puede ser a su vez:

Captador plano protegido: con un vidrio que limita las pérdidas de calor.

Captador plano no protegido: sistema más económico y de bajo rendimiento, utilizado

Partes principales de un colector solar:

Cubierta transparente:

Es la encargada de dejar pasar la radiación solar, evitar que el calor emitido por la placa captadora se vaya del sistema y reducir las pérdidas por convección. Estamos logrando el efecto invernadero con una cubierta de vidrio o plástico y de esta forma aumentando la eficiencia del colector.

Placa captadora:

Tiene por misión absorber de la forma más eficiente posible la radiación solar y transformarla en energía térmica utilizable mediante su transferencia al fluido caloportador (agua, aceite, aire, etc.). Existen diferentes modelos, siendo los más usuales:

Dos placas metálicas separadas unos milímetros entre las cuales circula el fluido caloportador.

Placa metálica sobre la cual están soldados o embutidos los tubos por los que circula el fluido caloportador. En lugar de una placa metálica se puede dotar de unas aletas de aluminio a los tubos de cobre.

Dos láminas de metal unidas a gran presión excepto en los lugares que forman el circuito del fluido caloportador.

Placas de plásticos, usadas exclusivamente en climatización de piscinas.

Aislamiento:

La placa captadora está protegida en su parte posterior y lateral por un aislamiento que evita las pérdidas térmicas hacia el exterior. Elemento bajo la placa absorbente con el fin de disminuir las pérdidas de calor por el fondo del colector. Esto se logra colocando una placa pequeña de un material de baja conductividad térmica o colocando una placa grande de un material de mayor conductividad. La decisión de uno u otro depende de un análisis de costos de aislamiento y energía perdida, y del espacio disponible.

Las características de estos aislantes han de ser:

Resistir altas temperaturas sin deteriorarse, lo que muchas veces se consigue colocando entre la placa y el aislante, una capa reflectante, que impida que el aislante reciba directamente la radiación.

Desprender pocos vapores al descomponerse por el calor y en caso de ocurrir que no se adhieran a la cubierta.

No degradarse por el envejecimiento u otro fenómeno a la temperatura habitual de trabajo.

Soportar la humedad que se pueda producir en el interior de los paneles sin perder sus cualidades.

Carcasa:

Es la encargada de proteger y soportar los elementos que constituyen el colector solar, además de servir de enlace con el edificio por medio de los soportes. Debe cumplir los siguientes requisitos:

Rigidez y resistencia estructural que asegure la estabilidad. Estas cualidades son de suma importancia ya que debe resistir la presión del viento.

Resistencia de los elementos de fijación: mecánica para los esfuerzos a transmitir, y química para soportar la corrosión.

Resistencia a la intemperie, a los efectos corrosivos de la atmósfera y a la inestabilidad química debido a las inclemencias del tiempo.

OTROS ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN PARTES COMO TAL DEL COLECTOR SOLAR

Soporte.

Es la estructura donde se apoyan todos los elementos del colector solar, a excepción del tanque de almacenamiento. Debe tener resistencia a la carga mecánica, a la carga térmica y a la corrosión.

El tanque de almacenamiento:

El tanque de almacenamiento se usa para acumular la energía interna ganada por el fluido al pasar por la placa absorbente. En este tanque, el fluido es estratificado de acuerdo a su densidad, la cual es función de la temperatura. Aquí se observa que el fluido caliente flota sobre el fluido frío. El tanque debe colocarse por encima del nivel superior del colector, para crear mayor fuerza de flotación y además evitar que el fluido fluya en sentido inverso cuando no hay radiación solar. Puede construirse en concreto, asbesto - cemento, o metal según la presión de trabajo, que la da la presión de la línea del acueducto ( o de la bomba) y el volumen que se requiere almacenar.

Funcionamiento:

Los colectores solares planos funcionan aprovechando el efecto invernadero el mismo principio que se puede experimentar al entrar en un coche aparcado al sol en verano—. El vidrio actúa como filtro para ciertas longitudes de onda de la luz solar: deja pasar fundamentalmente la luz visible, y es menos transparente con las ondas infrarrojas de menor energía.

El sol incide sobre el vidrio del colector, que siendo muy transparente a la longitud de onda de la radiación visible, deja pasar la mayor parte de la energía. Ésta calienta entonces la placa colectora que, a su vez, se convierte en emisora de radiación en onda larga o (infrarrojos), menos energética. Pero como el vidrio es muy opaco esas longitudes de onda, a pesar de las pérdidas por transmisión, (el vidrio es un mal aislante térmico), el recinto de la caja se calienta por encima de la temperatura exterior. Al paso por la caja, el fluido caloportador que circula por los conductos se calienta, y transporta esa energía térmica a donde se desee. El rendimiento de los colectores mejora cuanto menor sea la temperatura de trabajo, puesto que a mayor temperatura dentro de la caja (en relación con la exterior), mayores serán las pérdidas por transmisión en el vidrio. También, a mayor temperatura de la placa captadora, más energética será su radiación, y más transparencia tendrá el vidrio a ella, disminuyendo por tanto la eficiencia del colector.

Colector solar de Tubos de vacío:

Los tubos de vacío suponen un concepto distinto: se reduce la superficie captadora a cambio de unas pérdidas caloríficas menores. La lámina captadora se coloca dentro de tubos al vacío, por tanto con unas pérdidas caloríficas despreciables. Estos tubos presentan el mismo aspecto que un tubo fluorescente tradicional, pero de color oscuro. Los paneles se forman con varios de estos tubos montados en una estructura de peine. Las ventajas de este sistema son su mayor aislamiento (lo que lo hace especialmente indicado para climas muy fríos o de montaña), y su mayor flexibilidad de colocación, ya que usualmente permite una variación de unos 20º sobre su inclinación ideal sin pérdida de rendimiento. La desventaja es un coste significativamente mayor.

Colectores de Aire:

Son colectores de tipo plano cuya principal característica es tener como fluido caloportador el aire. No tienen una temperatura máxima límite (los procesos convectivos tienen una menor influencia en el aire) y trabajan mejor en condiciones de circulación normal, pero en contraposición poseen una baja capacidad calorífica y el proceso de transferencia de calor entre placa y fluido es malo. Su aplicación principal es la calefacción.

Eficiencia de un colector solar:

Las curvas de eficiencia según el número de cubiertas:

 = q_1/q_2

Depende de:

La condiciones climáticas, como temperatura ambiente (Ta), flujo de radiación solar (q2), velocidad del viento (V)

Del numero de cubiertas y propiedades radiactivas (reflectividad, absortividad y transmisividad).

De las propiedades radiactivas de la placa absorbente ( absortividad en el rango UV y visible  y emisividad en el rango infrarrojo)

Del diseño y materiales usados en la construcción del colector.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Foto del banco de pruebas del colector solar.

La práctica como tal es sencilla de realizar, ya que disponemos de dispositivos sofisticados y de fácil utilización.

Antes de, se nombran algunas recomendaciones y acciones a realizar para la preparación del banco:

Como recomendación contar con un clima despejado y favorable para la buena medición de la prueba.

Conectar cada uno de las termocuplas distribuidas a lo largo del banco al sistema modular field point del laboratorio para el pantallazo de temperaturas

Se dispone de un piranómetro tipo eppley para la medición del voltaje, lo que equivale a medir la radiación solar que llega al colector.

Pasos a seguir durante el desarrollo de la práctica:

Se prende la bomba y empieza la recirculación de agua atreves del banco de pruebas.

Pasados 5 min se toman el pantallazo de las temperaturas y se mide el voltaje del piranómetro.

El tiempo total de la practica son 30 min lo cual se siguen realizando las mediciones del paso anterior a intervalos de 5 min; es decir 5, 10, 15 min…

CÁLCULOS

FÓRMULAS UTILIZADAS

Calor transferido por la radiación solar incidente.

Q_1=K*A*V

Donde:

K= constante del piranómetro (W/(m^2*K))

A= área del colector solar (m^2)

V= voltaje del piranómetro (mV)

Calor transferido al agua según balance energías al agua.

Q_2=m ̇*Δh =m ̇*C_p*ΔT

m ̇ = flujo másico de agua (Kg/s)

C_p = calor especifico del agua a temperatura ambiente (J/(Kg*K))

ΔT= diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida del agua (°C)

Efectividad del colector solar.

η=Q_2/Q_1

CÁLCULO TIPO

Datos:

t = 5 min

T_1= 41,4 °C

T_2=24,5 °C

T_3= 23,9 °C

T_4= 28,45 °C

T_5= 31,29 °C

T_6= 29,05 °C

T_7= 28,21°C

V= 8,1 mV

Q_1=K*A*V=85,63*0,882*8,1=611,757 W

Q_2=m ̇*C_p*ΔT=0,196*4,183*1000*(24,5-23,9)=491,9208 W

η=Q_2/Q_1 = 491,9208/611,757=0,804

RESULTADOS

A partir de la tabla de datos y aplicando las formula escritas obtenemos la siguiente tabla de resultados:

Tabla de resultados obtenidos

Tiempo (min) Q1 (W) Q2 (W) η

5 611,757846 491,9208 80,41103244

10 611,757846 508,31816 83,09140019

15 679,73094 434,53004 63,92677079

20 687,283506 590,30496 85,8895863

25 468,259092 286,9538 61,28098843

30 709,941204 450,9274 63,51616126

Gráficas obtenidas

Para realizar un análisis detallado del colector solar se realizaron las siguientes gráficas:

GRÁFICA DE TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA DEL AGUA EN EL COLECTOR SOLAR CONTRA EL TIEMPO

GRÁFICA DE LA EFICIENCIA DEL INTERCAMBIADOR CONTRA EL TIEMPO

GRÁFICA DE LOS DIFERENTES NIVELES DE TEMPERATURA EN EL TANQUE CONTRA EL TIEMPO

OBSERVACIONES

Debemos ser conscientes que para el cálculo del calor ganado por el agua en el colector solar para los diferentes tiempos se tomó la capacidad calorífica (Cp) del agua como constante e igual a Cp=4,183 KJ/Kg*K aunque ésta sea dependiente de la temperatura y que debiera ser obtenida de tablas del agua para la temperatura promedio entre la entrada y la salida para cada uno de los tiempos, en este orden de ideas nos queda por decir que el error en el que estamos incurriendo, al tomar dicho valor como constante, es muy poco debido a que las temperaturas a las que se encuentra el agua son muy cercanas a la temperatura ambiente a la cual se tomó la capacidad calorífica .

se debería esperar que la estratificación de las temperaturas fuera descendiente de mayor a menor entre en los niveles superior, medio e inferior, pero los datos nos arrojan que por lo general la mayor temperatura se encuentra en el nivel medio y esto es debido a que cuando el agua, un poco más caliente, ingresa al tanque lo hace de manera turbulenta ocasionando que la lectura sea mayor en el medio, y no como se esperaría en la parte superior

CONCLUSIONES Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

la estratificación del agua no es como se debería esperar, en forma descendiente de mayor a menor temperatura, debido a la turbulencia con la cual ingresa al tanque.

Como podemos observar en la gráfica las temperaturas de entrada y salida del agua en el colector son muy dependientes de la radiación solar incidente, por esto las temperaturas no tienen un patrón definido en el tiempo por el contrario éstas se comportan de manera aleatoria aumentado y disminuyendo, pues pueden existir momentos en los cuales la radiación solar incide directamente sobre el colector y también momentos en los cuales las nubes obstruyen el paso de la misma ocasionando que disminuya y por ende también lo hagan las temperaturas de entrada y salida del agua en el colector.

La radiación solar es dependiente del lugar, el día, la fecha y la hora a la cual se le esté dando uso al colector, pero no influye en la eficiencia del mismo pues la eficiencia me dice cuanto calor, del que incide sobre éste, en realidad es transferido al agua y quien determina esto en realidad es el diseño del colector como tal, es decir quien sí afecta la eficiencia es su largo, su ancho, la cantidad de vidrios y los materiales de los tubos, aunque en la gráfica pareciese que la radiación afecta la eficiencia en realidad no lo hace sino que internamente los calores de radiación y de ganancia del agua cambian, cambiando la eficiencia del colector.

ANÁLISIS DE COLECTOR SOLAR

INTEGRANTES:

GABRIEL HUMBERTO CASTIBLANCO

Código: 2052042 GRUPO D4

EDGAR FABIÁN FERREIRA PLATA

Código: 2052043 GRUPO D3

OSCAR LEONARDO FLOREZ PATIÑO

Código: 2052036 GRUPO D3

DIEGO FERNANDO GONZALEZ SANTANDER

Código: 2052034 GRUPO D3

DANNY ALEXIS MORANTES DIAZ

Código: 2052076 GRUPO D3

JEISSON MAURICIO QUINTERO CARVALLIDO

Código: 2052091 GRUPO D3

OSCAR ANDRES TARAZONA VILLAMIZAR

Código: 2052069 GRUPO D3

Presentado a:

PROFESOR: OMAR ARMANDO GELVEZ

AUXILIAR:

ANGELA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO MECÁNICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

TRANSFERENCIA DE CALOR APLICADA

BUCARAMANGA

2010

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