Transferencia de calor y ahorro de energía

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Benemérita Universidad

Autónoma De Puebla

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Facultad Ingeniería Química.

Colegio de Ingeniería Ambiental

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Materia: Transferencia de calor y ahorro de energía

Proyecto final:
“Colectores solares“

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Profesor(a): Dr. Gabriela Pérez Osorio

Alumnos:

Morales Sánchez Héctor

Romero Meza Jesús Omar

Carrera Núñez Oscar

Lastra González Eric Sebastián

“Pensar bien para vivir mejor”.

Contenido

Antecedentes        

Descripción        

Tipos de Colectores Solares……………………………………………………………..4

Partes/Componentes y Funcionamiento        5

    Componentes Generales        5

Colectores planos        7

Colectores Focales        7

Fundamento de Transferencia de calor        

Ecuaciones        

Colectores planos        

Colectores Focales        

Aplicaciones        

Ventajas y Desventajas        

Conclusiones        

Bibliografía        

Antecedentes

En 1872 en soleado desierto de Chile Septentrional se construyó una planta de destilación solar que cubría 4700 m2 de superficie, para transformar agua salada en agua dulce, que se emplearía en una mina de nitrato. Láminas de vidrio inclinadas cubrían canales de agua salada, transmitiendo los rayos del sol y reduciendo la radiación infrarroja perdida, calentando de esta manera el agua. El vapor de agua se condensaba en la cara interna del vidrio, era enfriado por el aire exterior y una vez condensado se vertía a unos canalones. Esta planta funciono eficazmente durante 40 años, hasta que la mina se agotó. Una notable aplicación a gran escala de la energía solar, produjo hasta 23000 litros de agua fresca por día. (DanielsFarrington, Pag.6)

En la exposición de Paris de 1878, la luz solar era enfocada a una caldera de vapor que hacia funcionar un pequeño motor que a su vez accionaba una impresora. (DanielsFarrington, Pag.6)

En 1901 en South Pasadena, un gran colector focal en forma de cono truncado producía 4.5 hp utilizando un área de 14 m2/hp. (DanielsFarrington, Pag.6)

En 1913, cerca del Cairo (Egipto), F. Shuman y C. V. Boys construyeron un gran motor solar de más de 50 hp con grandes cilindros parabólicos que concentraban la radiación solar en un tubo central con coeficiente de concentración de 4.5 a 1. Bombeaba agua para riego desde el Nilo. (DanielsFarrington, Pag.8)

Uno de los primeros intentos de almacenar energía producida por el sol fue el de J. A. Hamington en nuevo México, hace casi medio siglo. Concentro luz solar en la caldera de un motor de vapor que bombeaba agua a un tanque de 19000 litros situado a una altura de 6 m del que descendía de nuevo por una turbina accionando una dinamo y pequeñas lámpara eléctricas que iluminaban una pequeña mina de noche y día.(DanielsFarrington, Pag.8)

Descripción

Cuando un objeto se expone a la radiación solar su temperatura se eleva hasta que las pérdidas de calor igualan las ganancias. Las pérdidas dependen de la emisión de radiación del material caliente, del movimiento del aire frio que lo rodea y de la conductividad térmica de los objetos en contacto con él. Las ganancias dependen de la intensidad de radiación solar y del poder absorbente de su superficie. La radiación solar se puede recoger de dos maneras fundamentales para producir altas temperaturas: cubriendo una superficie receptora con una lámina transparente a la luz del sol de vidrio o de plástico, y enfocando la radiación solar recibida en una gran superficie a un receptor de superficie pequeña.

Los colectores solares se clasifican usualmente en colectores planos que no enfocan y en colectores focales. Los colectores planos suelen ser  estáticos, aunque a menudo son movidos cada cierto tiempo para acomodarse a la estación del año; los colectores focales casi siempre son movidos a lo largo del día para seguir al sol. Generalmente los planos son más baratos y aprovechan tanto el calor de la radiación difusa como el de la directa. Pueden funcionar tanto en días nublados como claros. Los colectores focales utilizan únicamente la radiación directa pero pueden producir temperaturas mucho más altas.

En ambos casos la superficie colectora debe ser tan negra como sea posible, en orden a absorber más de 95 por ciento de la radiación y reflejar únicamente cantidades despreciables. (DanielsFarrington, Pag.38)

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Tipos

La clasificación de los colectores solares puede ser en función al fluido térmico que utiliza, además de agua puede ser otro líquido o hasta un gas.

Los más comunes son loscolectores de placa plana con cubierta, o llamado también panel solar térmico, es usado en el hogar para sistemas de calefacción y calentar agua, de misma manera que en sistemas comerciales y piscinas. Estos dispositivos se encuentran dentro de los captadores de baja temperatura que abarcan entre los 30 y 70 grados centígrados. Se compone de una caja plana metálica por la que circula un fluido que se calienta al pasar por el panel, la cubierta evita que haya pérdidas de calor. Además, se pueden montar como parte del techo o solos de manera independiente.

En cambio los colectores de placa plana sin cubierta que también trabajan en el mismo rango de temperaturas, pero estos se destacan por ser un sistema económico y sencillo, debido a que no posee una cubierta y ningún otro aislamiento, pierden calor. Son utilizados para piscinas al aire libre,calefacción de agua para lavar carros y calefacción de agua en piscicultura.

Otro tipo de colectores son los concentradores parabólicos, consiguen altas temperaturas y usualmente son utilizados en el sector industrial como en centrales térmicas, ya que trabajan desde 40 hasta 4 mil grados centígrados, sin embargo funcionan igual que los de placa plana convencionales.

Los colectores de tubos de vacío pueden alcanzar temperaturas desde los 77 hasta los 177 grados centígrados, es por eso que son usados para propósitos industriales como calefacción pero también pueden ser útiles para sistemas domésticos. Estos dispositivos están compuestos por tubos parecidos a los tubos fluorescentes que son utilizados como focos, estos conductores se montan en una estructura de peine; los tubos de los colectores contienen un Absorbedor, que influye en que no se produzca una pérdida de calor.

De esta clase de colectores se pueden encontrar de flujo directo y con tubo de calor o Heat pipe el primero funciona como los captadores planos, el agua circula por los tubos mientras se calienta; el segundo sistema consiste en que el fluido que pasa por los tubos de vacío se evapora, funcionando como caloportador.

Partes/Componentes y Funcionamiento

¿De qué se compone?

Generalmente un sistema de energía solar térmica está constituido por varios subsistemas, que a su vez pueden considerarse como sistemas interdependientes conectados entre sí. Sin embargo, hay ocasiones en que un mismo elemento físicamente independiente realiza varias funciones dentro del sistema solar. Estos distintos subsistemas son:

1. El sistema de captación.- Los paneles o calentadores solares propiamente.

2. El sistema de acumulación.- Un depósito para acumular el agua caliente generada.

3. El sistema hidráulico.- Bombas y tuberías por donde circula el fluido de trabajo.

4. El sistema de intercambio.- En caso de que el fluido que circula por los paneles solares no sea el mismo que el que utiliza el usuario en su aprovechamiento; por ejemplo cuando existe riesgo de heladas o el fluido del usuario puede dañar la instalación solar.

5. El sistema de control.- Que en los sistemas de circulación forzada con bombas se encargará de ponerlas en marcha y pararlas.

6. El sistema de energía auxiliar.- Hay ocasiones que la viabilidad económica de la instalación solar exige que no se pueda satisfacer la demanda energética en todo momento, máxime cuando la energía producida por la instalación depende de las condiciones climatológicas, es por esto que en ocasiones se dispone en la misma instalación de un sistema de producción de energía auxiliar.

De todos estos subsistemas el que distingue la instalación solar de cualquier otra instalación de producción de agua caliente es el sistema de captación. Los calentadores solares más comunes son los llamados paneles solares planos. Estos están constituidos por:

•  Cubierta.- Elemento transparente a la radiación solar y opaco a la radiación de onda larga que emite el Absorbedor (material selectivo transmisivo), produciendo así el efecto invernadero en el interior del captador que aumentará considerablemente el rendimiento del mismo. La cubierta también sirve para reducir las pérdidas por conducción y convección. Algunos captadores llevan varias cubiertas transparentes que reducen aún más las pérdidas pero aumentan considerablemente el coste del equipo. Sin embargo en sistemas para piscinas o que requieren un salto térmico pequeño, se prescinde de la cubierta (además de otros elementos como la carcasa o el aislamiento posterior) para abaratar los costes de la instalación.
• Absorbedor.- Es el elemento donde se produce la transformación de la energía que llega por radiación en energía térmica que absorbe el fluido caloportador. Generalmente está constituido por unos tubos o dos placas conformadas de metal o un material plástico que se encuentran expuestos a la radiación solar y por cuyo interior pasa el fluido de trabajo. Atendiendo al tipo de tratamiento, los absorbedores pueden ser presentados con pinturas negras especiales o con tratamiento selectivo absorbente (alta absortancia en longitudes de onda corta y baja emisividad en longitudes de onda larga).
• Aislamiento.- Para reducir las pérdidas térmicas del captador es conveniente aislar las zonas no expuestas la mayor parte del día a la radiación solar, estas son los laterales y la parte posterior del captador solar. Un buen aislamiento térmico en esta zonas contribuye a disminuir el factor de pérdidas térmicas del captador aumentando consiguientemente su rendimiento.
• Junta de cubierta.- Es un elemento de material elástico cuya función es asegurar la estanqueidad de la unión entre cubierta y carcasa. Servirá a su vez para absorber las diferencias en las dilataciones entre la carcasa y la cubierta, para que no se produzca rotura en ningún elemento del captador.
• Carcasa.- Es el elemento que sirve para conformar el captador, fijando la cubierta. Contiene y protege a los restantes componentes del captador y soporta los anclajes. Habrá que prestar especial atención a los temas de corrosión y deterioro debido a la radiación solar.

Colectores planos

Los colectores solares son aparatos que inician la secuencia de trabajo interceptando la radiación solar y convirtiéndola en calor, el cual es removido del sistema a través de un fluido de trabajo.

El diseño de los colectores solares debe considerar las propiedades del material de construcción tales como la transmitancia, absorbancia y emitancia de la cubierta transparente, así como la resistencia térmica entre la cubierta y el fluido transportador de calor que son factores que pueden afectar el diseño de colector.

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