Calculos Calentador Solar
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OPS/CEPIS/03___ UNATSABAR UNIDAD DE APOYO TÉCNICO PARA EL SANEAMIENTO BÁSICO DEL ÁREA RURAL VALIDACIÓN DEL PROGRAMA DE CÁLCULO DEL CALENTADOR SOLAR DE AGUA Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana – Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud Auspiciado por:
Transcript of Calculos Calentador Solar
OPS/CEPIS/03___ UNATSABAR
UNIDAD DE APOYO TÉCNICO
PARA EL SANEAMIENTO BÁSICO DEL ÁREA RURAL
VALIDACIÓN DEL PROGRAMA DE CÁLCULO DEL CALENTADOR SOLAR DE AGUA
Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental
Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana – Oficina Regional de la
Organización Mundial de la Salud Auspiciado por:
UNIDAD DE APOYO TÉCNICO PARA EL SANEAMIENTO BÁSICO DEL ÁREA RURAL
VALIDACIÓN DEL PROGRAMA DE CÁLCULO
DEL CALENTADOR SOLAR DE AGUA
Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente
Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental Organización Panamericana de la Salud
Oficina Sanitaria Panamericana – Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud
Auspiciado por la Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación
Lima, 2003
OPS/CEPIS/03___ UNATSABAR
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Tabla de contenido Página 1. Antecedentes ................................................................................................. 3 2. Introducción .................................................................................................. 3 3. Objetivo ......................................................................................................... 3 4. Programa de cálculo ...................................................................................... 4 5. Validación del programa de cáculo ............................................................... 4
5.1 Parámetros atmosféricos ...................................................................... 4 5.2 Parámetros evaluados .......................................................................... 4 5.3 Parámetros calculados mediante el programa del calentador solar ...... 5
6. Resultados ..................................................................................................... 5 7. Análisis de los resultados .............................................................................. 7 8. Conclusión .................................................................................................... 7
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VALIDACIÓN DEL PROGRAMA DE CÁLCULO DEL CALENTADOR SOLAR DE AGUA
1. Antecedentes
En los últimos años se viene fomentando el empleo de tecnologías apropiadas para la atención de las necesidades básicas de las personas, en especial de las que habitan en el medio rural o urbano marginal. Precisamente, uno de los grandes problemas de los pobladores que habitan en áreas climáticas frías como la zona alto andina, son los hábitos de higiene limitados como consecuencia de la carencia de agua caliente, lo que contribuye a la presencia de enfermedades de la piel, entre otras.
De otra parte, en el mercado local existen algunos modelos de calentadores solares, pero su pobre difusión, alto precio y falta de sustento técnico en el diseño del sistema de calentamiento para determinadas condiciones climáticas, ha conducido a que tenga muy poca demanda por parte de las poblaciones pobres. Sin embargo, de acuerdo con la experiencia tenida en la implementación de módulos sanitarios comunales en zonas rurales, se ha observado que la población, principalmente la escolar, hace un amplio uso de estas instalaciones.
La instalación de calentadores solares a nivel de módulos sanitarios comunales, significa una economía para la comunidad, en vista que el requerimiento por día y por persona de agua caliente es mínimo. 2. Introducción
A fin de contribuir con el diseño de calentadores solares se desarrolló un programa que facilitará esta tarea; para ello se realizó una revisión bibliográfica con la finalidad de seleccionar una serie de fórmulas aplicables al diseño de calentadores solares de agua.
Para validar el programa de cálculo, se evaluó el calentador solar instalado en la OPS/CEPIS, teniendo en cuenta todas las características físicas del calentador, así como, las condiciones climáticas imperantes en el momento de la prueba. El calentador utilizado para la validación fue el calentador solar mejorado que se documenta en el trabajo titulado "Mejoramiento del colector solar prototipo".
Este es un documento técnico, realizado gracias al apoyo de la Agencia Suiza para
el Desarrollo y la Cooperación (COSUDE).
3. Objetivo
Validar el programa de cálculo para calentadores solares desarrollado en la OPS/CEPIS.
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4. Programa de cálculo
El programa desarrollado permite predecir el comportamiento de un calentador a partir de sus características físicas como: dimensiones del colector, material y número de tubos de la rejilla, material y espesor de las aletas, inclinación del colector solar, material y número de cubiertas, ubicación del depósito respeto al colector, etc.; y de las condiciones de trabajo como: radiación solar, temperatura del agua, temperatura ambiental, velocidad del aire, etc.
Una amplia revisión bibliográfica sobre transferencia de calor, termodinámica y
dinámica de fluidos, permitió seleccionar una serie de fórmulas aplicables al diseño de calentadores solares, las cuales, en conjunto permitieron construir el “programa de cálculo del calentador solar de agua”.
Las formulaciones empleadas en el programa de cálculo se encuentran en el
documento titulado “Teoría para el diseño de calentadores solares de agua”. 5. Validación del programa de cálculo
La validación del programa de cálculo consistió en medir los parámetros más importantes del calentador solar, y compararlos con los valores obtenidos mediante el programa de cálculo. Además se midió la radiación solar y la temperatura ambiental.
5.1 Parámetros atmosféricos
Se registró la temperatura del aire, así como, la radiación solar. En la determinación
de la radiación solar se empleó el solarímetro casero que se documenta en el trabajo titulado “Estimación de la radiación solar”. 5.2 Parámetros evaluados
Los parámetros evaluados directamente en el calentador fueron: a) Caudal
Para ello, se determinó la velocidad de circulación del agua en el colector solar. La determinación se realizó empleando una mezcla de tetracloruro de carbono, benceno y ditizona. La ditizona se empleó para colorear y visualizar la mezcla de tetracloruro de carbono y benceno. De esta manera de midió la velocidad del agua en la manguera de plástico transparente que alimentaba al colector solar. b) Temperatura de ingreso y de salida del colector
La medición de la temperatura se realizó con un termómetro de bulbo.
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c) Calor útil El calor útil almacenado en el depósito se determinó mediante el producto del
caudal por la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida del colector. 5.3 Parámetros calculados mediante el programa del calentador solar
Los parámetros calculados mediante el programa fueron: el caudal, la temperatura de ingreso al colector, la temperatura de salida al colector y el calor útil. Los valores se obtuvieron a partir de las características físicas del calentador y de las condiciones ambientales. El cálculo de la temperatura de ingreso al colector se realizó asumiendo una mezcla completa en el depósito de almacenamiento. 6. Resultados
En el cuadro 1 y en el gráfico 1 se presentan las condiciones ambientales y los parámetros del calentador, tanto los medidos, como los calculados mediante el programa de cálculo.
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Cuadro 1. Condiciones ambientales y parámetros del calentador solar (medidos y calculados)
Parámetros operativos del calentador solar
Condiciones ambientales
Medidos Calculados mediante el programa
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)
7:00 319 8:00 25 537 27,41 26,0 33,0 211 25,02 26,0 33,5 198 -6,2% 9:00 26 745 29,69 28,0 36,5 286 28,79 27,5 36,6 280 -2,1%
10:00 28 835 30,98 30,0 39,5 318 30,67 29,7 39,2 315 -0,9% 11:00 29 1004 33,93 30,5 40,5 367 33,39 32,2 42,7 369 0,5% 12:00 30 1043 33,93 30,5 42,0 348 34,19 35,1 45,4 353 1,4% 13:00 31 988 32,39 32,5 43,0 294 33,82 37,8 47,2 301 2,4% 14:00 29 861 30,98 35,0 44,0 216 32,11 40,2 48,3 223 3,2% 15:00 27 773 29,69 37,0 44,5 139 30,16 41,9 49,1 146 5,0% 16:00 25 626 26,39 38,5 45,0 45 26,86 43,1 48,9 52 15,6% 17:00 23 469 21,59 39,0 44,0 - 22,53 43,5 47,9 -
Gráfico 1. Radiación, calor útil observado y calculado
0
200
400
600
800
1000
1200
07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00
Hora del día
Rad
iaci
ón (W
/m2 )
Radiación
Calor útil observado
Calor útil según programa
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7. Análisis de los resultados
Los valores del calor útil medido y del calculado presentan pequeñas diferencias, que en promedio, son del orden del ±5% para un periodo de insolación desde las 9:00 hasta las 15:00 horas.
Por otro lado, los cálculos del caudal y de las temperaturas de entrada y de salida del colector también muestran una diferencia respecto de los valores observados, estas variaciones están en el orden del ±5%, ±16% y ±10% respectivamente. Estas variaciones se deben a que en el programa se asume una mezcla completa en el depósito; mientras que en la realidad, lo que sucede es una estratificación del agua producto la diferencia de densidades de la misma. A pesar de ello, como consecuencia, que el programa se centra en la obtención del calor útil para el diseño de sistemas de calentamiento, estas diferencias no representan limitaciones para su aplicación. 8. Conclusión
El programa de cálculo predice el comportamiento de cualquier modelo de calentador solar con un porcentaje de error de ±5 % respecto al calor útil, esto lo convierte en una herramienta confiable para el diseño de sistemas de calentamiento de agua por energía solar.
