ENERGA SOLAR PARA REFRIGERACIN DOMSTICAR.E. Gaia - H.Bessone y A. Corts

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RESUMEN

Se presenta el proyecto de un sistema de refrigeracin solar consistente en una heladera comercial domstica por absorcin yun sistema de colector concentrador cilndrico - parablico y tanque acumulador. Se dimension para datos meteorolgicos yde radiacin correspondientes a la puna jujea . Se hizo un estudio y optimizacin del sistema del almacenamiento de calor, yen el diseo del intercambiador del generador se previ una entrada auxiliar de energa. Se minimizaron los mecanismosmviles del sistema para simplificar mantenimiento y costos operativos.

CICLO DE REFRIGERACIN POR ABSORCIN

En este ciclo, el compresor del sistema convencional es reemplazado por un absorbedor y un generador, realizndose en esteltimo el ingreso de energa al sistema, en forma de calor. Esto produce la destilacin de una solucin presurizada deamonaco (refrigerante) en agua (absorbente), aproximadamente al 26%, a 165 C, ascendiendo luego el amonaco alcondensador, donde cede calor y cumple el resto del ciclo como refrigerante. El agua remanente con vestigios de amonaco(solucin dbil), retorna al absorbedor. La heladera seleccionada funciona con el ciclo Electrolux : El amonaco lquido yenfriado proveniente del condensador se encuentra en el evaporador con hidrgeno gaseoso. Siendo la presin total constante,la inyeccin de H2 causa el descenso de la presin parcial del amonaco, su evaporacin y absorcin de calor. El H2 retorna alpunto de inyeccin, mientras que el NH3 es absorbido por la solucin dbil en el absorbedor, liberando calor de vaporizacin.La nueva solucin (fuerte) retorna por gravedad al generador destilndose nuevamente y repitindose el ciclo. Los COP sondel orden de 0.5, muy inferiores a los de los refrigeradores a compresin, pero con la ventaja de que nicamente se requiereuna entrada de calor, hacindolo til para zonas carentes de energa elctrica. El ciclo se muestra en la Figura 1.

REQUERIMIENTOS ENERGTICOS Y ELECCINDEL SISTEMA TRMICO

La resistencia elctrica que genera el calor en la heladera porabsorcin marca Coventry, brasilea, de 5 pies cbicos, sereemplaz por el sistema solar. . El consumo se determinmidiendo con una pinza amperomtrica digital cada mediahora, durante dos das, en condiciones de carga normales parauna familia de 4 personas, y result siempre de 90W.

El fluido de transferencia trmica debe estar a ms de 165 C;temperatura requerida en el generador, por la presencia de unintercambiador, fijndose el ingreso en 190 C , y la salida en175 C (T= 15 C). Para este fluido se adopt Therminol59,cuyo punto de ebullicin de 315 C, pudindose trabajar enestado lquido sin presurizacin.

El sistema (Figura 2) posee un circuito primario abierto, concolector solar concentrador, y tanque de acumulacin (paradisponer energa las 24 hs.), reingresando el fluido al colectormediante una bomba alimentada con paneles fotovoltaicos.

El circuito secundario es cerrado, con un intercambiadordentro del tanque y otro en el generador del refrigerador. La

circulacin es por termosifn: el fluido caliente asciende por su baja densidad, enfrindose en el intercambiador de laheladera, y retorna por gravedad. La eliminacin de la bomba simplifica el mantenimiento, pero produce un caudal bajo,obligando a aumentar el rea del intercambiador y a colocar la heladera en un punto ms alto que el tanque.

Se opt por un colector cilndrico parablico en el techo de la vivienda, de eje longitudinal E - O. La inclinacin se ajustaestacionalmente: 0 para el verano , 15 para otoo y primavera y 30 para invierno. El absorbedor es un cao de 2, rodeadode una cubierta de policarbonato para disminuir las prdidas de calor y lograr efecto invernadero.

Figura 1: Sistema simplificado de absorcin domsticoque usa amonaco y agua junto con hidrgeno para

balancear los lados de presin alta y baja.

Figura 2: Diagrama del sistema estudiado

CLCULO DEL REA DEL COLECTORLa radiacin solar directa depende de la ubicacin geogrfica ,la estacin, la hora y la nubosidad. Se emplearon datosmeteorolgicos y de radiacin [S. Meteorolgico Nacional y Red Solarimtrica] correspondientes a Abra Pampa (Jujuy). enun da tpico soleado de invierno (15 de Junio). La radiacin solar directa sobre un plano horizontal se estim con la frmulade Liu y Jordan corregida por Collares y Pereira [Duffie & Beckman, 1980], obteniendo la funcin que aproxima suintensidad en las condiciones mencionadas:

( ) ( )

=

285,6

5,10sen77,807

m

Wttf , con t, hora del da (decimal) para 6,85 t 17,35 (1)

Para determinar la radiacin directa normal S sobre un plano de inclinacin , se multiplica ese valor por el factor Rb [Duffie& Beckman, 1980], funcin de la inclinacin, la hora y la declinacin.

Para determinar el rea del colector, se hicieron las siguientes suposiciones: 1) El T del fluido en el colector es menor que 8C. As se puede suponer una nica temperatura media de la superficie del absorbedor, simplificando los clculos de factoresde eficiencia y transferencia de calor al medio. 2) Estimando en 3 hs. la insolacin directa til, la potencia para satisfacer lademanda energtica diaria de la heladera es de 720 W, y se adopt un valor de 1000W, como margen de seguridad.

Con esta suposiciones, y dado que el calor til producido en el colector es Qu = m& Cp T, siendo Cp: la capacidad calorficadel fluido; el gasto del fluido de transferencia trmica da m&= 0.05 kg/s.

Los coeficientes de transferencia de calor al medio y por ende las prdidas se evaluaron con una temperatura ambiente de 1,8C y una velocidad del viento de 7,8 m/s, correspondientes a un da de invierno soleado y a la peor condicin que es cuando elabsorbedor est ms caliente, a 277 C , resultando la temperatura media del fluido 254 C.

Los coeficientes de transferencia de calor entre cubierta y absorbedor son:

1. Por conveccin libre (hcon a,c ) y por radiacin (hrad a,c) ,entre el tubo absorbedor y la cubierta [W/m2 C]

2. Por conveccin debida al viento (hcon c,w) y por radiacin (hrad c,w ),entre la cubierta y el cielo [W/m2 C]

El coeficiente total de prdidas al medio ambiente , UP [W/m2 C], es:

UP =

ca, hrad ca,hcon 11

wc, hrad wc,hcon 1

1

+++

+AabsAc

[W/m2 C] (2)

Se propuso una temperatura de la cubierta para calcular los coeficientes de transferencia y el UP reajustndose luego todos eniteraciones sucesivas hasta lograr la aproximacin deseada de los coeficientes y de dicha temperatura, despejada del balanceenergtico de la cubierta, que es:

[ ][ ]wcconwcradcacon

wcconwcradcaradc

hhAaAchcaradh

ambThhAaAc

aTcaconhhT

,,,

,,,*

,

,

++

+

++

+

= (3) [ C]

Donde Ac, Aa reas de cubierta y absorbedor, m2 y Ta , Tamb temperaturas del absorbedor y ambiente

Ello se hace mediante un programa de computacin que calcula UP y FR, (Factor de remocin de calor del colector ,es laeficiencia del colector como intercambiador de calor). Estos coeficientes varan con la temperatura y por ende con el horario.

El rea del colector se obtiene de:

Qu = ( )

TambTingresoAaUArSFRAa P (4)

Fluido Primario Caliente al Tanque

Fluido Primario Frio desde el Tanque

Colector Solar ParablicoIntercambiador

de Calor

Retorno Fluido Secundario Frio

Entrada Auxiliar de

Energa

Calor al Generador

Fluido Secundario Caliente

Heladera

Bomba y Tanque de Acumulacin de Calor

Para la peor condicin, con el fluido ingresando a 275 C y el absorbedor a 298 C (mayor insolacin), el rea departida dio 4.18 m2.

CLCULO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO

El tanque de almacenamiento funciona como reserva energtica para la noche y tambin como motor trmico para elcircuito secundario, ya que su temperatura produce la diferencia de densidad para el termosifn. Se supuso fluidocompletamente mezclado (hiptesis pesimista para el colector y optimista para el intercambiador que de todas maneras estsobredimensionado). La ecuacin diferencial que gobierna la temperatura, con ingreso de calor neto Q, prdidas a travs delas paredes UA y potencia extrada por la carga L, es :

( ) ( ) ( )ambTsTsUALnetoQdtsdT

sPmC = 3600 (5)

,donde Ts y Ta son la temperatura del tanque y ambiente. Dado que la resolucin exacta de esta ecuacin es compleja se lapuede aproximar por diferencias finitas Ts, empleando t = 1 h, resultando:

( ) ( ) ( )[ ]ambTsTsUALnetoQsp

mCsTsT +=

+ 3600 (6)

Se puede conocer la temperatura del tanque Ts+ para una hora cualquiera , conociendo la de la hora anterior, el caloringresante y saliente y las prdidas. Como condicin se fij que la temperatura del tanque a la primera hora de insolacin delda (ingreso de calor neto positivo) debe ser de 195 C , necesarios para generar el termosifn y para el funcionamiento de laheladera, y sin exceder el valor de 288 C, lmite sugerido por el fabricante del Therminol59. Estas fluctuaciones no impidenel funcionamiento de la heladera, aunque aumentan el efecto refrigerante en las horas pico, de mxima carga trmica.

En esta ecuacin, la masa m de fluido almacenado est implcita, por lo que se prob con varios valores hasta cumplir lacondicin de funcionamiento. Para eso, se elabor un programa de computacin (TKCOLEC), que tiene en cuenta Qu apartir de la ecuacin (4) , el calor neto ingresante al tanque (Qu menos las prdidas en los conductos) [Duffie & Beckman,1980], las prdidas de calor por las paredes y el calor extrado (consumo de la heladera menos las prdidas en el circuitosecundario), por lo que se debi incrementar el rea de partida..

Luego de probar distintos valores de m y de rea proyectada de colector Aapert, se obtuvieron, para Aapert = 4 m2, el rea delabsorbedor Aabs = 0.38 m2, m = 70 kg, Cp media= 2366.8 J/kgC, UA = 0,232 W/C, UA caera ingreso= 0,116 W/C, Tw =1,8 C, Tpartida = 195 C, Tmaxtanque = 288 C y L = 178 W; los siguientes resultados: Qneto>0 durante las primeras seis horas conun mximo de 1315 W a la tercera, y valores de -23,9 W a -137,8 en el resto; la temperatura de salida del fluido del colectorTsal. desde 173,9 C (hora 24) a 284,9 C (hora 7) t la Ttanque variando desde 173,9 (hora 24)a 284.1(hora 6).

Por lo tanto, la masa de fluido a almacenar es de 70 kg ,y el rea proyectada de colector 4 m2, pero la temperatura al final delda es de 168.27 C , menor que los 195 C propuestos.

Los valores negativos de calor neto se deben a que el programa interpreta que la bomba impulsa el fluido a travs del colectordurante las 24 hs, y a la noche el tanque pierde calor. Con un termostato que detenga la bomba cuando T tanque > Tsal. colector seevita esto, y el programa TKCONT simula la situacin, calculndose la temperatura al final del da que para el rea anteriorresulta de 194.68 C , siendo el rea adecuada. Las Figs. 3 y 4 muestran el calor entregado y la temperatura del tanque por el

Figuras 3 y 4: Calor Neto Producido [W] y Temperatura del Tanque [C]

0,000500,000

1000,0001500,000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Hora del DaTem pera tu ra del T anque [C ]

0

100

200

300

1 3 5 7 9 1 1 13 15 1 7 1 9 2 1 23

H ora del D a

colector durante las horas del da:

CIRCULACIN DEL FLUIDO EN EL CIRCUITO SECUNDARIO - TERMOSIFN

La altura piezomtrica generada por el termosifn, ht , debe ser igual a la prdida de carga total del sistema hf:

ht =hf (7)

La perdida de carga depende principalmente del diseo del intercambiador, que es una serpentina helicoidal, en el que cadavuelta de la hlice equivale a 4 curvas de radiolargo, dando una relacin directa entre rea yprdida de carga; y permitiendo un ingreso deenerga auxiliar, mediante un quemador de gas enel hueco interno.

La altura piezomtrica del termosifn es igual alrea dentro del grfico altura h [m] vs. gravedadespecfica G (Figura 5)[ Close,1962]:

El caudal msico del circuito secundario y el readel intercambiador , se calculan con elprogramaINTERCAM que posee dos buclesencestados: El interno calcula la temperatura en elintercambiador y la prdida de carga del circuito apartir de un flujo msico y un rea Ai supuestos yel coeficiente de transferencia de calor inicialcalculado k. Con el T del intercambiador, se

determina la altura piezomtrica del termosifn, y se compara con la prdida de carga del circuito. Si es mayor se aumenta elgasto y si es menor se lo disminuye. Se ajusta por iteracin hasta aproximar suficientemente altura de termosifn y prdida decarga. Luego, en el segundo bucle, con el m&, k y Cp se calcula el rea Ac despejada de la ecuacin de intercambiadores decalor de una sola corriente [A.F. Mills ]:

)()()(

lnk

CpmTTTT

Acgenent

gensal

=

&(9)

Si el rea calculada Ac es distinta a la inicial , se reemplaza sta por la calculada , volviendo al primer bucle. Se continaiterando hasta que la diferencia entre el rea A y la recalculada Ac sea inferior al error porcentual admitido.

La salida del programa arroj como resultados f (h)= 2 m, un caudal msico de equilibrio del circuitosecundario de 0,00275 kg/s; temperatura de entrada del fluido al Intercambiador: de 190 C, y de salida de 175 C . Elrea del intercambiador de 0,10895 m2, y 13 el nmero de vueltas de la hlice del intercambiador

Se consider la prdida de carga del intercambiador interior del tanque igual a la de un tubo recto y obtenindose 1.38 m2para el rea de intercambio. Se opt por un diseo de un arreglo de tubos verticales tipo revolver, con dos recipientescolectores, hacindose as despreciable la prdida de carga y sin alejarse de la hiptesis anterior.

MATERIALES Y COSTOS

Se analizaron propiedades trmicas, pticas y mecnicas de diversos materiales alternativos para la fabricacin delconcentrador y cubierta transparente, incluyendo simulacin numrica para evaluar temperaturas admisibles. Se opt porchapa de acero inoxidable con pintura vinlica y tubo de policarbonato compacto respectivamente. Se estudi y dimension elmontaje, desde el punto de vista estructural, de acuerdo a los vientos en la zona. La bomba del circuito primario requiere 2,3W de potencia y es operada por un motor elctrico de 25W alimentado con paneles fotovoltaicos. Se calcularon costos , tasainterna de retorno y valor actualizado neto, suponiendo un costo de 3 $/kg de gas envasado (zona inaccesible), concluyndoseque en estas condiciones la inversin es ventajosa econmicamente (para perodo de 16 aos TIR=20%)

REFERENCIAS

Servicio Meteorolgico Nacional (1999).

Red Solarimtrica (1982).

Duffie & Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes (1980).

D.J. Close, The Performance of Solar Water Heaters with Natural Circulation, Solar Energy, V. 6 N1 (1962)

A.F. Mills, Transferencia de Calor (1944).

Tanque

Generador

1

2

3 4

(175 C)

(190 C)

h

S1

2

34

h1

h2

h3=h4

( ) (8) f(h) )S - S ( )h-h- h(h 2121 211234 =+= SSh t

Figura 5:Esquema de funcionamiento deltermosifn.

CLCULO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO