VICERRECTORADO DE INVESTIGACIN Y TRANSFERENCIA DE TECNOLOGA MAESTRA

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y TRANSFERENCIA DE TECNOLOGÍA MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES I PROMOCIÓN TESIS DE GRADO DE MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES TEMA : “MODELAMIENTO MATEMÁTICO Y ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA CON ENERGÍA SOLAR Y CIRCULACIÓN DEL FLUIDO TÉRMICO POR CONVECCIÓN NATURAL” AUTOR: ING. ARIAS ANDREA DIRECTOR: ING. MSc. PÉREZ JOSÉ OPONENTE: ING. MSc. CRISTIAN NARVÁEZ Sangolquí, 09 de diciembre de 2015

CONTENIDO ESPE RESUMEN INTRODUCCIÓN MODELO PROTOTIPO (CSP) 1. - Generalidades 2. - Marco Teórico 3. - Modelamiento Matemático 4. - Desarrollo Experimental 5. - Análisis de resultados 6. - Conclusiones 7. - Trabajo Futuro

ESPE RESUMEN Esta investigación consiste en el estudio de los parámetros energéticos de un colector solar plano (CSP), que genera calor útil de 210 Wt, con el cual se calienta 20 litros de agua desde 22°C hasta una temperatura media de 33, 75°C. La inclinación del colector es 20°, con la superficie orientada a la línea ecuatorial. La velocidad de subida del agua del colector al acumulador es de 5 cm/s. La eficiencia del equipo es del 53% , aceptable para CSP, construidos en Ecuador

INTRODUCCIÓN ESPE Existen diferentes tipologías de sistemas de calentamiento de agua con energía solar: el colector solar plano (CSP) construido con tubería de cobre, cubierta de vidrio y aislamiento térmico; otros con tubos de polietileno, para calentamiento de piscinas. En los últimos años se han implementado los calentadores de tubos al vacío, con los que se alcanzan temperaturas del agua caliente de 80°C. En esta investigación se trata de implementar un nuevo CSP, que funcione por termosifón y sin conexión a red, permitiendo reducir costos del sistema.

ESPE MODELO PROTOTIPO Equipo: Colector solar con cubierta de vidrio, tubería de cobre, placa base en aluminio, asilamiento térmico, acumulador de agua caliente sanitaria, soportes e instrumentos de medición.

ESPE 1. . - GENERALIDADES 1. 1 Antecedentes La energía es un factor determinante en el desarrollo social, económico y cultural de un país por lo que su aplicación es indispensable en todos los órdenes de la actividad humana. En la actualidad, la energía solar puede contribuir con la matriz energética nacional si se logran desarrollar aplicaciones eficientes para calentamiento de agua sanitaria (ACS)

ESPE 1. 2 Definición del problema Para el caso de colectores planos que funcionan por termosifón, sin presión de red, no se dispone de estudios técnicos que permitan caracterizar sus parámetros energéticos: calor útil, coeficiente global de transferencia de calor y eficiencia energética.

ESPE 1. 3 Objetivo general Realizar el modelamiento matemático y el balance energético de un calentador de agua con energía solar, utilizando como medio de circulación del fluido, el efecto termosifón.

1. 4 Objetivos específicos ESPE Definir los parámetros térmicos del captador solar y acumulador de agua caliente sanitaria. - - Realizar el modelamiento matemático del sistema. - Comprobar las variables inherentes al proceso de calentamiento de agua con energía solar. - Caracterizar el equipo experimental para definir los criterios de operación relacionados con: volumen calentado y área de captación

ESPE 1. 5 Alcance Determinar los parámetros energéticos de un captador solar plano (CSP), y del acumulador vertical, donde el fluido térmico se desplaza por el efecto termosifón, es decir por variación de densidad del agua.

ESPE 1. 6 Justificación e importancia En el Ecuador, para calentar ACS se utiliza gas de uso doméstico, electricidad o leña. En el caso del gas (propano), es un combustible importado y tiene subsidios, por lo que es de uso común para cocción de alimentos. Sin embargo, se destina a la obtención de agua caliente en el hogar y para piscinas. Además, se trafica por las fronteras norte y sur, ocasionando importantes pérdidas al país.

ESPE 2. MARCO TEÓRICO Captador solar básico: Componentes 1. Caja del colector 2. Cubierta de vidrio 3. Tubería de cobre 4. Placa de aluminio, aislamiento térmico y base metálica

BALANCE ENERGÉTICO DE LA PLACA ESPE Energía solar Irradiada por Incidente la cubierta el absorbente Pérdida por conducción y convección hacia la cubierta

ESPE BALANCE ENERGÉTICO DE LA CUBIERTA = Irradiada por el absorbente o placa Conducción y convección hacia el cielo Irradiada desde el cielo Radiación hacia el cielo Conducción y convección hacia la cubierta Radiación hacia el absorbente

ESPE • 3. MODELAMIENTO MATEMÁTICO

ESPE •

ESPE • FACTOR DE EFICIENCIA DE ALETA

ESPE • FACTOR DE EFICIENCIA DEL COLECTOR

ESPE • FACTOR DE REMOCIÓN DEL CALOR

ESPE • ECUACIÓN DE BLISS - HOTEL

ESPE 4. DESARROLLO EXPERIMENTAL EQUIPO UTILIZADO: COLECTOR SOLAR PLANO (CSP): a) Vista frontal del colector a) Vista lateral del colector Datos técnicos: Área del colector 0, 5 m 2; Inclinación 20°; Nro. Tubos 6; D=1/2 pulgada; Volumen del acumulador 20 litros; Calor útil 210 Wt

ESPE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN EQUIPO TERMÓMETRO INFRARROJO CARACTERÍSTICAS - Termómetro infrarrojo para altas temperaturas con puntero laser. Marca: Extech Instruments; modelo: 42545ª. - Termómetro laser escala -50 a 1000ºC - - Precisión ± (2% de la lectura + 9ºF/4ºC) <30ºF /-1ºC); ± (2% de la lectura + 4ºF/2ºC) 30ºF to 800ºF (-1ºC a 426ºC) ANEMÓMETRO HIGROTERMÓMETRO - Memoria: 2000 valores - Rango velocidad del aire: 0. 0. . . 45 m/s - Rango del caudal volumétrico: - . . . 999900 m³/min - Rango de temperatura: 0. . . 45 ºC - Humedad relativa del 0 al 100% - Temperatura de 0 a 100 °C

ESPE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN EQUIPO PiranÓmetro de ceÉula calibrada CARACTERÍSTICAS - Esta instrumento mide la radiación solar global en un rango de 0 a 1000 W/m 2. Utiliza una célula fotovoltaica y a partir de la variación directamente proporcional entre la irradiancia y el amperaje, se determina el valor de radiación. Termómetros de carátula colocados en la parte superior y media del recipiente de acumulación de agua. El rango de medición de temperatura es de 0 a 100°C. Están ubicados en la zona más caliente del tanque. Termómetro de carátula marca Wika de 0 a 100°C, ubicado en la parte inferior del tanque, permite leer las lecturas de temperaturas más bajas por efectos de la estratificación del liquido.

RADIACIÓN SOLAR ESPE DATOS DE LA NASA: Air temperature Relative humidity Daily solar radiation horizontal Atmospheric pressure Wind speed Earth temperature °C % k. Wh/m 2/d k. Pa m/s °C January 20. 4 74. 6% 3. 86 88. 3 1. 4 21. 4 February 20. 2 76. 7% 3. 66 88. 3 1. 3 21. 2 March 20. 6 74. 1% 3. 64 88. 3 1. 4 21. 6 April 20. 3 73. 5% 3. 71 88. 3 1. 4 21. 3 May 20. 3 67. 0% 3. 75 88. 4 1. 6 21. 2 June 19. 8 63. 2% 3. 76 88. 5 2. 0 20. 5 July 19. 8 54. 6% 3. 82 88. 5 2. 1 20. 6 August 20. 7 48. 6% 4. 04 88. 5 2. 1 21. 7 September 21. 8 48. 5% 4. 11 88. 4 1. 9 23. 1 October 22. 4 52. 3% 4. 11 88. 3 1. 6 23. 9 November 21. 6 63. 5% 4. 15 88. 2 1. 6 23. 1 December 20. 6 73. 6% 3. 95 88. 2 1. 6 21. 7 Annual 20. 7 64. 2% 3. 88 88. 4 1. 7 21. 8 Month De acuerdo con los datos de satélite de la NASA, las horas de sol pico (HSP) es de 3, 88 h en media anual, para la ESPE

RADIACIÓN SOLAR ESPE METODO DE PAGE: Radiación total NASA DIFERENCIA [w-h/m 2] Enero 4338 3860 478 Febrero 4477 3660 817 Marzo 4520 3640 880 Abril 4382 3710 672 Mayo 4141 3750 391 Junio 3989 3760 229 Julio 4044 3820 224 Agosto 4256 4040 216 Septiembre 4441 4110 331 Octubre 4460 4110 350 Noviembre 4351 4150 201 Diciembre 4274 3950 324 Promedio 4306 3880 426 Meses Por el método de Page, las horas de sol pico promedio es de 4, 3 horas de sol pico (HSP)

DATOS MEDIDOS EN MEDIA MENSUAL ESPE Temperatura ambiente, Humedad Relativa, Velocidad del viento, Irradiancia global, albedo o irradiancia del suelo DATOS CLIMÁTICOS IRRADIANCIA SOLAR Ta HR Vw Ig la (°C) (%) (m/s) (W/m²) SEPTIEMBRE 22, 36 41, 56 0, 30 474, 31 118, 48 OCTUBRE 20, 78 54, 07 0, 23 523, 26 122, 33 NOVIEMBRE 20, 15 55, 20 0, 22 542, 30 128, 81 21, 10 50, 27 0, 25 513, 29 123, 21 MES PROMEDIO TRIMESTRAL

DATOS EN MEDIA DIARIA MENSUAL PARA SEPTIEMBRE ESPE

DATOS EN MEDIA DIARIA MENSUAL PARA OCTUBRE ESPE

DATOS EN MEDIA DIARIA MENSUAL PARA NOVIEMBRE ESPE

5. - ANÁLISIS DE RESULTADOS ESPE TEMPERATURAS DEL ACUMULADOR Temperaturas del acumulador 60 Temperatura (°C) 50 40 TFA 30 TMA TSA Ta 20 10 0 0 50 100 150 200 250 Tiempo (min. ) 300 350 400 450 TFA: Temperatura en el fondo del recipiente TMA: Temperatura media del tanque TSA: Temperatura superior Ta: Temperatura ambiente

TEMPERATURAS DEL COLECTOR ESPE Temperaturas del colector T 1: Temperatura de entrada del agua al colector T 2: Temperatura de salida del agua del colector Ta: Temperatura ambiente 60 Temperatura (°C) 50 40 T 1 30 T 2 Ta 20 10 0 0 50 100 150 200 250 Tiempo (min. ) 300 350 400 450

EFICIENCIA ENERGÉTICA DEL COLECTOR ESPE Eficiencia 0, 70 0, 60 0, 50 ƞ 0, 40 Eficiencia 0, 30 0, 20 0, 10 0, 00 0, 05 0, 10 0, 15 0, 20 0, 25 ((T 2 -1)*U)/Ig 0, 30 0, 35 0, 40 0, 45 0, 50 El promedio trimestral de la eficiencia energética del CSP es del 53%

ESPE TEMPERATURA DE SALIDA DEL AGUA DEL CALENTADOR SOLAR : TEÓRICA Y EXPERIMENTAL

ESPE CALOR UTIL PARA CALENTAR EL AGUA

ESPE

ESPE FACTOR DE EFICIENCIA DE ALETA (F)

TABLA 1 : TEMPERATURA DE SALIDA DEL AGUA DEL CSP , MEDIDA Y ESTIMADA ESPE error (°C) 29, 9 32 33, 8 36, 6 39, 8 36, 9 42, 1 42, 6 44, 3 45, 1 43, 2 44, 1 41, 1 42, 3 43 46, 6 48, 2 45, 2 39, 7 44, 9 51, 6 41, 57 (°C) 28, 46 27, 66 32, 26 36, 96 37, 46 37, 26 40, 86 40, 46 40, 86 41, 46 40, 26 37, 46 38, 46 40, 96 43, 56 41, 46 36, 86 42, 26 44, 26 38, 50 (°C) 32, 11 31, 31 35, 91 40, 61 41, 11 40, 91 44, 51 44, 11 44, 51 45, 11 43, 91 41, 11 42, 11 44, 61 47, 21 45, 11 40, 51 45, 91 47, 91 42, 16 (%) -7, 4 2, 1 -6, 3 -11, 0 -3, 3 -10, 9 -5, 7 -3, 6 -0, 5 1, 3 -4, 4 0, 0 0, 4 2, 1 4, 3 2, 0 0, 2 -2, 1 -2, 3 7, 1 4

TEMPERATURA (T 2) DE SALIDA DEL AGUA DEL CSP: teórica y experimental ESPE Temperatura de salida del fluido 60 Temperatura del fluido (°C) 50 40 30 T 2 cal 20 10 0 0 50 100 150 200 Tiempo (min) 250 300 350

ESPE 6. CONCLUSIONES • Tomando en cuenta los 3 meses de análisis del comportamiento energético del calentador solar por convección natural se tiene que la eficiencia promedio es del 53% con una irradiancia incidente de 513, 29 W/m 2. • En el dimensionamiento básico del colector solar plano el área de captación es de 0, 5 m 2, ángulo de inclinación del colector de 20°. En cuanto al coeficiente global de transferencia de calor UL es de 7, 18 W/m²°C, que es un valor aceptable para colectores de fabricación nacional. Para una irradiancia total de 505, 486 W/m 2 el calor útil de este colector solar plano es de 210, 5 Wt(vatios térmicos). Para una temperatura de entrada del fluido de 29°C en el modelo térmico se consigue una temperatura de salida del captador de 33, 75°C, mientras que la temperatura promedio medida es de 34°C. La velocidad de subida del agua de 0, 05 m/s.

ESPE • CONCLUSIONES…

ESPE 7. -TRABAJO FUTURO • Mediante la ecuación de Hollands realizar el estudio del coeficiente de convección hpc variando la separación entre la cubierta transparente de vidrio y la placa absorbedora. • Para zonas de latitud 0 analizar el comportamiento energético del colector variando el ángulo de inclinación (β). • Analizar la posibilidad de utilizar aislamientos térmicos ecológicos: lana de borrego, tamo de trigo, cáscara de coco, para reducir las pérdidas de calor en el captador.