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UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

ACUMULACIN TRMICA PARA UN SISTEMA SOLAR DE CALEFACCIN ACTIVO

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL MECNICO

JAVIER ANDRES NACIF HARTLEY

SANTIAGO DE CHILE ABRIL 2011

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

ACUMULACIN TRMICA PARA UN SISTEMA SOLAR DE CALEFACCIN ACTIVO

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL MECNICO

JAVIER ANDRES NACIF HARTLEY

PROFESOR GUA: ROBERTO ROMN LATORRE MIEMBROS DE LA COMISION: RODRIGO PALMA BEHNKE RAMN FREDERICK GONZLEZ SANTIAGO DE CHILE ABRIL 2011

Universidad de Chile Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas Departamento de Ingeniera Mecnica

ME69F - Trabajo de Ttulo

Acumulacin trmica para un sistema solar de calefaccin activo

Alumno: Javier Nacif H. Profesor Gua: Roberto Romn L. Profesor Co-Gua: Rodrigo Palma B. Profesor Integrante: Ramn Frederick G.

Santiago, Abril 2011

RESUMENLa energa solar es un recurso dependiente del tiempo. Los requerimientos de energa tambin son dependientes del tiempo, pero muchas veces no coinciden con la disponibilidad del recurso solar. De aqu nace la necesidad de usar sistemas de almacenamiento de energa. Una aplicacin de particular inters en los sistemas solares es la calefaccin de viviendas. En estos sistemas la demanda est desfasada con la abundancia del recurso solar por lo que requieren de un sistema de a almacenamiento. El objetivo general de este trabajo es aportar a la investigacin y desarrollo de los sistemas de almacenamiento de energa solar trmica aplicados a calefaccin de recintos, dando particular nfasis a los sistemas de lecho de material encapsulado. El trabajo se enmarca en el proyecto GeVi (Generador Virtual), el cual pretende suplir, por medio de energas renovables no convencionales, gran parte de las necesidades energticas del poblado de Huatacondo, ubicado en la Regin de Tarapac, Chile. Entre estas necesidades se considera brindar calefaccin a una vivienda por medio de energa solar. Se hace un estudio detallado del estado del arte de la acumulacin solar trmica para calefaccin de recintos, para luego realizar un diseo y construccin de un acumulador para una vivienda del poblado de Huatacondo. Este acumulador almacena la energa en un lecho de agua encapsulada. Se estudia por medio de un modelo la transferencia de calor en el acumulador fabricado y finalmente se le realizan ensayos en un modulo experimental que valida el modelo terico aplicado. Los ensayos realizados concluyen que el modelo aplicado predice de manera satisfactoria el comportamiento trmico del acumulador diseado, sin embargo existen ciertas diferencias que se deben a supuestos inexactos tomados en el modelo y a dificultades en la toma de medidas. El acumulador estudiado presenta un alto grado de estratificacin, bajas prdidas trmicas, alta capacidad de almacenamiento por unidad de volumen, se puede implementar con un colector solar de aire, tiene un costo econmico relativamente bajo y es de fcil construccin e implementacin. Estas caractersticas lo hacen favorable frente a otras alternativas de acumulacin trmica para calefaccin, tales como acumulacin en tanque de agua, en materiales con cambio de fase y lecho de rocas. A futuro se sugiere que se realice un estudio del comportamiento del sistema completo de calefaccin, considerando el acumulador, el colector solar y el recinto a calefaccionar como elementos interdependientes.

AGRADECIMIENTOSAgradezco a mi familia, a los profesores de la comisin, al Centro de Energa de la Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas de la Universidad de Chile, a Juan Antesala, Vladimir Ovalle, Cristin Guaqun, Francisco Solis y a toda la gente que colabor con botellas desechables, en especial a Paula Rodrguez, Claudia Quinteros y Francisco Corts.

NDICE

1

Introduccin ...............................................................................................................................1 1.1 1.2 1.3 Antecedentes generales .....................................................................................................1 Motivacin .........................................................................................................................1 Objetivos ............................................................................................................................3 Objetivo General ........................................................................................................3 Objetivos especficos ..................................................................................................3

1.3.1 1.3.2 1.4 2

Limitaciones .......................................................................................................................3

Antecedentes .............................................................................................................................5 2.1 2.2 2.3 Aspectos Generales de la Acumulacin ..............................................................................5 Medios de almacenamiento ...............................................................................................6 Almacenamiento de energa Trmica .................................................................................8 Almacenamiento por calor sensible en agua ............................................................10 Almacenamiento en lecho de material encapsulado ...............................................19 Almacenamiento por medio de materiales con cambio de fase ...............................29 Comparacin entre distintos sistemas de almacenamiento .....................................34

2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.5 2.6 2.7 3 4 5

Almacenamiento estacional .............................................................................................35 Sistemas Pasivos ...............................................................................................................37 Ubicacin del sistema de acumulacin .............................................................................38 Caracterisacin de Hutacondo .........................................................................................38

Anlisis del Problema ...............................................................................................................40 Solucin Propuesta ...................................................................................................................41 Dimensionamiento ...................................................................................................................43

5.1

Energa a acumular ...........................................................................................................43 Dimensionamiento segn Mtodo de los Grados-Da ..............................................43 Dimensionamiento segn caracteristicas del colector .............................................44

5.1.1 5.1.2 5.2 5.3 6

Numero de capas del acumulador ....................................................................................45 Distancia entre botellas ....................................................................................................45

Modelo de Transferencia de Calor ...........................................................................................48 6.1 6.2 Coeficiente de conveccin ................................................................................................49 Prdida de Carga ..............................................................................................................52

7

Resultados de modelo Terico .................................................................................................54 7.1 Carga ................................................................................................................................54 Temperaturas ...........................................................................................................54 Energa ......................................................................................................................55 Coeficiente convectivo .............................................................................................56 Nmero de Reynolds ................................................................................................56 Prdida de carga .......................................................................................................56

7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.2

Descarga ...........................................................................................................................56 Temperaturas ...........................................................................................................56 Energa ......................................................................................................................58 Coeficiente convectivo .............................................................................................58 Nmero de Reynolds ................................................................................................58 Prdida de carga .......................................................................................................58

7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 8 9

Construccin del sistema de acumulacin ...............................................................................59 Modulo expermiental ...............................................................................................................62 9.1 Metodologa .....................................................................................................................62 Alimentacion del