Criterio de Diseño

8/17/2019 Criterio de Diseño

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CRITERIO DE DISEÑORevisión # 1

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CLIENTE: PROYECTOS DE INGENIERIA

PROYECTO: CALENTADOR SOLAR DE AGUA

Alumnos: Tamara Contreras

Patricio Jacobs

Sebastián Brassea

Profesor: Edgardo Villagra


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Contenidos1 Introduccin!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "

2 Estándares!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!#" Criterios de dise$o!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!%

"!1 Sistema de ca&tacin!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!%

"!1!1 'bicacin del sistema!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!%

"!1!2 ()mero de colectores solares!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!%

"!1!" *ise$o del sistema de acumulacin!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!%

"!2 Eficiencia energ+tica , e-aluacin de &+rdidas!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!%

"!" Caracter.sticas energ+ticas de la radiacin solar!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!/

"!# *emanda Energ+tica del Sistema!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!0

"!% Pro&iedades &ticas de materiales!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!0"!%!1 Colectores!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 0

"!%!2 Ta&a trans&arente colectores!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!0

"!/ Inclinacin!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

"!0 Colector Plano!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

"! Colector solar con tubos calricos!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1

"!!1 3uncionamiento!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1

"!!2 Caracter.sticas!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!11

# 3undamentos &ara el cálculo de instalacin solar!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!12

#!1 Eficiencia del colector &lano!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1"

#!2 ()mero de colectores 4ue debe tener la instalacin solar!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1"

% 5eferencias!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1#

6ndice de 3iguras

3igura 1: Colector Plano!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

3igura 2: Cubierta del colector solar &lano!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!7

3igura ": Colector solar de tubos calricos!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1

3igura #: Es4uema de Sistema Calentador Solar de Agua!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!12


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Introducción

Residen en este documento las formulaciones de la teoría decalentadores solares de agua basados en los fenómenos físicos que describensu comportamiento en cuanto a transferencia de calor (radiación) medianteenergía solar.

El proyecto se centra en información recopilada para un modelo decalentador solar de 3 partes: Colector o captador plano depósito de agua y redde distribución. Contar! con un funcionamiento del tipo intercambiador endonde se intercambiar! la energía de forma cerrada entre el agua ubicada enlos colectores y el agua del depósito sistema conocido como calentador solarcon tubos calóricos. El cual presenta algunas "enta#as por sobre el tipo directo

en que tanto el colector como el depósito generan un intercambio abierto deagua la cual puede traer de la red ciertos minerales (aguas duras) que causecorrosión o incrustaciones en los colectores.

$re"iamente se anali%an algunos conceptos pre"ios sobre radiaciónsolar y balance energ&tico en el calentador solar que como principio b!sicodebe presentar una capacidad de ' *itros. + se espera pueda ser utili%adocomo medida de apoyo a un calefón con"encional.

,dem!s en el presente documento se presentan los criterios de dise-o para elproyecto de un calentador solar de agua. En el cual se deber!n considerar los

siguientes aspectos:

a) n grado de con/abilidad en la continuidad de la operación del sistemade calentamiento solar de agua en el transcurso de su "ida 0tilproyectada compatibilidad con los recursos /nancieros disponibles.

b) Características del lugar

a. bicación geogr!/ca.

b. 1emperaturas.

c. Condiciones ambientales.

c) *a pro"isión de espacios y condiciones para un óptimo desempe-o demonta#e y mantenimiento.

d) *a adquisición de equipos y materiales que cumplan con las siguientescondiciones:


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a. *a aplicación de las recomendaciones de la 2irectri% Corporati"aso e/ciente de Energía4.

b. Especi/caciones coti%aciones y e"aluaciones cuidadosas.

c. 5ue los fabricadores sean entidades con certi/cacióncorrespondiente a los est!ndares de calidad I67 8':9.

' Est!ndaresEl est!ndar E '98;< es el que se utili%a para las pruebas de los captadores

solares.


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9 Criterios de dise-o

9.' 6istema de captación2.1.1 Ubicación del sistema.

El sistema de captación permite distribuir en el lugar seleccionado y de formasegura el n0mero de colectores requerido de forma que no est&n afectado porlas sombras. Encontrando así el lugar óptimo de ubicación para el desarrollooperacional como el de mantención.

2.1.2 Número de colectores solares.

En una instalación solar domiciliario se deber!n tomar en cuenta lascapacidades requeridas para alcan%ar la temperatura de confort en cuanto a la

cantidad de colectores para cierto "olumen de depositario.2.1.3 Diseño del sistema de acumulación.

En general debe considerarse que el sistema de acumulación preferentementedebe estar constituido por un 0nico acumulador permitiendo así optimi%ar larelación super/cie de perdidas t&rmicas y "olumen.El sistema de acumulación deber! quedar t&rmicamente aislado paraminimi%ar las perdidas correspondientes determinando así los materialesespesores y protecciones m!s adecuadas.

9.9 E/ciencia energ&tica y e"aluación de p&rdidas

2e acuerdo a los materiales espesores y protecciones se obtendr! la menorperdida de energía t&rmica posible #unto con las características ópticas de losmateriales que permitir!n una mayor absorción de la irradiación solar.

2e acuerdo a la e"aluación de p&rdidas calóricas:El balance de energía tiene como ob#eti"o determinar el calor 0til transmitido alagua para establecer la e/ciencia del calentador solar. El calor 0til qútilempleado para calentar el agua del depósito de almacenamiento es una parte

de la radiación global incidente sobre el colector solar. *a otra parte es calordisipado al ambiente por el colector el depósito y las cone=iones.

qe' '

A e=qutil+qsc+qsd+qsx

2onde:


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qsc :Calor disipado por colector qsd :Calor disipado por depósito

qsx

:Calor disipado por conexiones

9.3 Características energ&ticas de la radiación solar*a energía solar como recurso energ&tico terrestre est! constituida

simplemente por la porción de lu% que emite el 6ol y que es interceptada por la 1ierra.

6e detalla información sobre el recurso solar basado en la modelaciónnum&rica de la transferencia de radiación solar en la atmósfera y en datossatelitales de alta resolución. 2e acuerdo al sitio de estudio (fcfm 9'>):

T!" 1: C$%e&s%i$s 'in$i'"es (e" Si%i)


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T!" 2: Ene*& S)" (ii s)!e e" si%i)+

9.? 2emanda Energ&tica del 6istema

Corresponde a la cantidad de energía necesaria para ele"ar latemperatura de un "olumen determinado de agua desde una temperaturainicial a una temperatura /nal o de consumo.

E= M Cp ( T f −T i )

9.< $ropiedades ópticas de materiales

2.5.1 Colectores

na super/cie ideal para un equipo solar t&rmico debe tener una

absorbencia α =1 a las radiaciones del espectro solar y una emisi"dad

ε=0 en el espectro correspondiente a la temperatura cercana a 3


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sea AC. Esta super/cie no e=iste pero pueden aplicarse tratamientos a lassuper/cies para que me#oren sus propiedades de absorción y emisión endependencia de las necesidades.

*os recubrimientos selecti"os de super/cies captadoras tienen lapropiedad de poseer una alta absorbencia en el espectro de la radiación solar yuna ba#a emisi"idad en el espectro de la radiación infrarro#a le#ana.

El recubrimiento selecti"o m!s usado en la pr!ctica actual en loscolectores solares concentradores es el Bcromo negro que consiste en cubrirpor electrodeposición con una capa /na (de 9 a 3 m de espesor) de cromonegro una super/cie met!lica que Da sido anteriormente cubierta tambi&n porelectrodeposición por una capa de 9< m de níquel especular. Este

recubrimiento est! formado por partículas microscópicas de metal de cromo ydebido a su geometría absorbe la radiación solar como una super/cie negra.6in embargo esta /na capa es transparente a la radiación infrarro#a le#ana ypor eso la super/cie captadora tiene la emisi"idad del sustrato de níquelespecular. Este recubrimiento de níquel y cromo negro forma una super/cieselecti"a con alta absorbencia (apro=imadamente igual a 8 Inclinación

*a colocación m!s fa"orable de las super/cies captadoras de la radiaciónsolar ser! aquella que en función de la aplicación a que se destine el sistemacapte la mayor cantidad de energía posible. $ara el dimensionamiento de loscaptadores de los sistemas t&rmicos y foto"oltaicos se plantea que lo ideal es

inclinarlos sobre la Dori%ontal la latitud del lugar m!s 10°


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9.; Colector $lano

$or lo general los colectores se producen de dimensiones y capacidadesnormali%adas emple!ndose uno o "arios de ellos en baterías seg0n lademanda energ&tica de cada instalación. El colector solar es el elementoencargado de recibir la radiación y transformarla en energía t&rmica paradespu&s en"iarla al siguiente paso del proceso generalmente alg0n dispositi"oacumulador o al consumo directo.

El tipo plano se caracteri%a por tener el plato de absorción en formaplana y est! dotado adem!s de un fondo aislante y una cubierta transparentepor lo general de "idrio o pl!stica. *os rayos del 6ol pasan a tra"&s de la

cubierta y llegan Dasta el plato donde son absorbidos por &ste. $recisamentea consecuencia de la absorción es que de las radiaciones se origina el calor. Elfondo aislante impide que esta energía se pierda por la parte trasera y loslaterales del colector. *a cubierta adem!s de de#ar pasar los rayos del 6olaísla del e=terior el plato de absorción y reduce las p&rdidas calóricas porcon"ección y radiación. (ig. '.)

,i* 1: C)"e$%) P"n)

*a instalación de los colectores solares planos y de los colectoresacumuladores es /#a o sea no precisan de que se les mantengan orientadosperpendicularmente Dacia el 6ol pues adem!s de recibir la radiación difusaapro"ecDan casi toda la directa pr!cticamente ba#o cualquier inclinación quellegue sobre la super/cie del colector (Dasta los >A la p&rdida de radiación escasi despreciable en mucDos dise-os). Esto signi/ca que una instalación decolectores solares planos o compactos no requiere mecanismos complicados deorientación que incrementarían considerablemente la in"ersión inicial y el


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mantenimiento. El 0nico mantenimiento que necesita una instalación decolectores /#os es la limpie%a periódica de la cubierta transparente paraimpedir que la suciedad aminore la e/ciencia del equipo.

*a cubierta del colector est! destinada a de#ar pasar la radiación solarDacia el plato de absorción y a disminuir la p&rdida de calor por con"ección yradiación. $ara el efecto aislante la cubierta est! formada por una o m!splancDas de material transparente "idrio o pl!stico separadascon"enientemente. (ig. 9)

,i* 2: C!ie% (e" $)"e$%) s)" '"n)

*a cubierta y la en"oltura aíslan del medio ambiente al plato abFsorbedor. El material m!s frecuentemente usado para la cubierta es el "idrioya que posee la propiedad de de#ar pasar casi toda la radiación solar y por elcontrario es opaco a la radiación infrarro#a emitida por el plato de absorción.

1ambi&n se utili%a el pl!stico (0ltimamente se usa con frecuencia elpolicarbonato) y la combinación entre ambos o sea una primera l!mina depl!stico y una segunda de "idrio en el e=terior.

Gientras mayor sea el n0mero de plancDas transparentes en la cubiertame#or ser! el aislamiento y las p&rdidas de calor ser!n menores pero a la "e%la radiación que pasa al plato de absorción ser! menor por lo que debeestablecerse el "alor óptimo en dependencia de la temperatura de traba#o.ormalmente se suelen utili%ar de una a tres plancDas en los colectores nuncam!s.


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9. Colector solar con tubos calóricos

2.8.1 Funcionamiento

En este modelo por dentro del tubo de "idrio no Huye el agua sino que tieneen su e#e central un tubo calórico para transmitir al agua del tanqueFtermo ocabe%al el calor solar ganado.

El tubo calórico forma un sistema cerrado de e"aporaciónFcondensación y sueleser un tubo met!lico largo y /no Derm&ticamente cerrado que contiene unlíquido en equilibrio con su "apor (gas) a determinada presión ("acío) ytemperatura. 6i la temperatura aumenta aumenta la fase gaseosa y sidisminuye aumenta la fase líquida. *a temperatura de cambio de fase (líquidoF

gasFlíquido) depende de la presión cuyo cambio es directamente proporcionalal cambio de temperatura. *a presión ("acío) dentro del tubo se selecciona detal forma que empie%a la e"aporación a 9< JC lo que garanti%a elfuncionamiento del colector solar a0n con ba#a radiación (ig. 3).

,i* .: C)"e$%) s)" (e %!)s $"ói$)s


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*a parte superior del tubo calórico "a introducida en el agua del tanque termoo cabe%al. 2e esta forma cuando la parte que est! e=puesta a la radiaciónsolar (dentro del tubo de "idrio al "acío) se calienta genera "apor y &ste sube.

Cuando este "apor se pone en contacto con el agua del tanqueFtermo la cualest! m!s fría se condensa y ba#a en forma líquida por gra"edad a la parte ba#adel tubo calórico. 2e esta forma se completa el ciclo.

El tubo de "idrio que se somete al "acío suele de ser de borosilicato por susbuenas condiciones ópticas y resistencia mec!nica. En este tipo de colector serequiere que los tubos tengan una inclinación mínima de 9J con respecto a laDori%ontal para que el Huido condensado ba#e por gra"edad.

2.8.2 Caractersticas

• Es un colector fabricado con alta calidad y dada la ba#a emisi"idad deltubo () su alta absorti"idad (83) y su aislamiento por "acío seconsiguen rendimientos superiores a otros tipos de colectores solares.

• El apro"ecDamiento de la lu% difusa permite lograr temperaturas porencima de ? AC en días totalmente nublados.

• El comportamiento t&rmico es superior a otros colectores solares que secomerciali%an pudiendo traba#ar a temperaturas superiores a los ACcon una e/ciencia superior a


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,i* 4: Es/e (e Sis%e C"en%() S)" (e A*+

3 undamentos para el c!lculo de instalación solar

El elemento fundamental de una instalación solar para el calentamiento deHuidos lo constituye el colector solar y precisamente por esto se Dacenecesario conocer sus par!metros antes de proceder a la e#ecución decualquier proyecto.

6on mucDos los problemas pr!cticos que pueden tratarse y resol"ersemediante la metodología de c!lculo que aquí se resume tal es el caso pore#emplo de las tareas que se presentan al instalar e"aluar o proyectarsistemas solares de refrigeración climati%ación calentamiento de agua y otrosHuidos etc&tera.

$ara facilitar su uso la metodología de c!lculo de una instalación solar se Dadi"idido en dos aspectos fundamentales:

a) C!lculo de la e/ciencia del colector solar.

b) C!lculo del n0mero de colectores de una instalación.

El c!lculo de la e/ciencia del colector es necesario para determinar sucapacidad ya sea de un equipo construido y disponible en el mercado comopara el dise-o de uno nue"o lo que permite su optimi%ación t&rmica. Con elc!lculo del n0mero de colectores se puede seleccionar el tipo de colector m!sadecuado así como garanti%ar el funcionamiento de la instalación a partir delcolector seleccionado.


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3.' E/ciencia del colector planoEl c!lculo de la e/ciencia se emplea concretamente en los casos en que sedesea e"aluar un equipo comparar un modelo con otro dise-ar un nue"omodelo o tambi&n cuando antes de reali%ar una instalación sea necesarioefectuar un estimado teórico del comportamiento esperado.

En el c!lculo de un colector solar plano entran como par!metros de dise-o yoperación la intensidad de la radiación solar la "elocidad del "iento latemperatura del aire ambiente la forma del colector las propiedades de losmateriales usados y del Huido transportador de energía las condiciones de lademanda etc. El proyecto de un colector solar o de una instalación sería unatarea e=tremadamente comple#a de no emplearse ciertas simpli/caciones y un

m&todo de c!lculo con"enientemente organi%ado. El colector aquí calculado esde un modelo plano compuesto por un plato de absorción la cubiertatransparente y la en"oltura aislante.

*a e/ciencia instant!nea del colector solar est! de/nida por la relación entre laenergía 0til ganada en un tiempo in/nitesimal y la energía total incidente sobreel colector en el mismo período.

3.9 0mero de colectores que debe tener la instalación solar

El c!lculo del n0mero de colectores que debe tener una estación para elapro"ecDamiento de la energía solar resulta un proceso largo y comple#o si seemplean m&todos de gran precisión que requieran el uso de una computadoradigital. 6in embargo un c!lculo simpli/cado que se Dace si tenemos un tanquede almacenamiento del Huido caliente sin estrati/cación y perfectamenteme%clado (o sea que la temperatura en cualquier punto de su interior sea lamisma en cada momento) permite la determinación del n0mero de colectoressin necesidad de la programación del problema.

El tanque de almacenamiento de una instalación solar debe tener una

capacidad adecuada a su tipo y uso. En una instalación para calentar agua enla cual &sta se almacena a una temperatura comprendida entre ?< y ; AC esrecomendable instalar un tanque de almacenamiento que contenga de una auna "e% y media la demanda diaria. $or lo tanto si m6 es la capacidad deltanque de almacenamiento y m* es la demanda del agua caliente del día lorecomendable en una instalación es:


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m6 ' a '< m*

$ara que el c!lculo de la instalación sea aceptable debe saberse cu!l es la

demanda de agua caliente o Huido en función de la Dora del día. Entonces sepuede determinar un "alor apro=imado de la demanda de energía diaria.

? Referencias

Lerrí% *. M Nl"are% G. (9). Manual para el cálculo y diseño decalentadores solares. Ciudad de la Oabana Cuba: Editorial Cuba6olar.

fcfm. (? de ,bril de 9'>). Universidad de Chile. 7btenido de acultad de

Ciencias ísicas y Gatem!ticas:Dttp:PPQaler.dgf.ucDile.clPE=ploradorP6olar9P

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