Proyecto de Climatización solar de la alberca en ESIME Culhuacan IPN

2011

ING. KISIEV SALGADO CASTRO

PROYECTO DE CLIMATIZACIÓN

SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN

Proyecto de Climatización Solar de la ESIME CULHUACAN

INDICE 1.‐ INTRODUCCION 1 2.‐ FEBRERO DEL 2008 – LA TESIS 1 3.‐ LABOR DE DISEÑO DEL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO 3

4.‐ CONSTRUYENDO EL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO 6

5.‐ MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS CALENTADORES 9

6.‐ CALENTADORES SOLARES PROTOTIPO PUESTOS EN SERVICIO 11

7.‐ SATISFACIENDO LA DEMANDA EN REGADERAS DEL GIMNASIO 12

8.‐ SATISFACIENDO LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE EN LA ALBERCA 20

SEMIOLIMPICA DE LA ESIME CULHUACAN

9.‐ LOS ENROLLADORES – DISEÑADOS Y CONSTRUIDOS EN LA ESIME 28

10.‐ BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN REGADERAS 32

11.‐ BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA 32

12.‐ BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA 33

Y REGADERAS

13.‐ CONCLUSIONES 34

1 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN

INTRODUCCION El presente trabajo pretender ser un registro gráfico e histórico de las labores realizas por un servidor y su equipo de colaboradores, encaminadas a hacer realidad un proyecto de ingeniería pionero en el ámbito de las energías renovables, y que gracias al apoyo conjunto de alumnos y autoridades politécnicas es posible ya al día de hoy gozar sus beneficios. Después de una intensa labor de investigación, estudio y diseño; se hubieron finalmente construido un sistema capaz de captar y transmitir la energía térmica del sol para el calentamiento de un fluido. Dicho sistema de captación mejor conocido como Calentador Solar, brindan actualmente servicio en el gimnasio del plantel a las 10 regaderas y de hombres y mujeres, tanto internas como externas; beneficiando con ello a la comunidad politécnica, e inherentemente también a la investigación y desarrollo tecnológico de país. A continuación mostraré un breve recorrido a lo largo de los ya más de dos años invertidos en esta ardua labor. FEBRERO DEL 2008 – LA TESIS Mi nombre es Kisiev Salgado Castro y soy egresado de la ESIME CULHUACAN de la carrera de Ingeniería Mecánica; el día 1 de febrero del 2008 sustenté ante jurado mi trabajo de tesis llamado “EL COLECTOR SOLAR TÉRMICO PARA LA OBTENCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA”, con el cual después de haberlo aprobado y ya posteriormente promovido ante maestros y autoridades politécnicas, logre emprender un proyecto cuyo propósito es desarrollar calentadores solares politécnicos para calentar el agua de la alberca en nuestra escuela. Por ello tras conseguido el apoyo y el financiamiento requeridos empecé las labores del denominado “PROYECTO DE CLIMATIZACIÓN SOLAR DE LA ALBERCA DE LA ESIME CULHUACAN”.

Figura 1. Presentación de la tesis

“El colector solar térmico para la

obtención de agua caliente

sanitaria”

Febrero 2008


Gracias a la investigación realizada previamente para la tesis, nuestro proyecto no empezó

de cero, a continuación muestro uno proyecto gemelo en otra universidad:

Figura 2. Calentadores solares con más de 20 años en servicio, cortesía Universidad de las

Americas, Puebla.

Figura 3. Calentadores solares con más de 20 años en servicio, cortesía Universidad de las

Americas, Puebla.


LABOR DE DISEÑO DEL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO

El proceso de diseño se calculó a partir del programa PROSOLMEX, dicho programa fue

desarrollado por un servidor utilizando la herramienta de la hoja de cálculo de Excel.

A partir de datos de irradiación local del sitio en consideración, la inclinación y la

orientación dada al colector, PROSOLMEX calcula la cantidad de energía solar disponible

para una superficie, lo anterior para cada mes del año; y con ello el usuario al introducir

datos sobre el tipo de material con el que se construirá el calentador, el programa arroja

una eficiencia del equipo; es decir con el software PROSOLMEX se optimiza el diseño de

un calentador solar, invirtiendo más en aquellos materiales que harían del calentador

mucho más eficiente.

En la gráfica anterior se muestra la ganancia de energía captada por una superficie en la

ciudad de México al ser inclinada 30° (curva azul) para los meses del año cuando es sol

sale más bajo en el horizonte, es decir durante el invierno; y por otro lado la curva en rojo

muestra la ganancia de energía captada del sol para una superficie horizontal durante los

meses de primavera y verano.

En otras palabras se concluye que un calentador con una inclinación variable a lo largo del

año podrá captar más energía que si se tratase únicamente de uno estacionario.

Figura 4. Gráficas generadas a partir del programa PROSOLMEX


Cálculo de energía solar disponible para una ciudad y un més del año en particular. Con

esto ya sabemos cuánto es el máximo teórico que podemos obtener para determinada

localidad y etapa del año.

Figura 5. PROSOLMEX – Ingresando datos Geográficos de la ciudad en consideración y obteniendo

como resultado el recurso solar disponible (J/m2) .

Total de radiación incidente durante un día típico en octubre

Radiación incidente para de las 12 a

13hrs durante un día de octubre

Radiación absorbida por un colector con las

características de una cubierta arriba descritas


En esta sección de PROSOLMEX el usuario ingresa lo distintos valores relativos al material

de la placa colectora y tubos (cobre, aluminio, acero), diámetro de la tubería, espesor de

la placa colectora, separación entre tubo y tubo, tipo de cristal, espesor del cristal,

espesor del aislamiento del fondo y caras laterales del colector, fluido de trabajo (agua,

glicol, etc.), caudal dentro de la tubería de la placa absorbedora, obteniendo como

resultado la eficiencia del calentador, así como la energía captada para un día promedio

en la localidad que se haya seleccionado previamente.

Figura 6. PROSOLMEX – Ingresando datos constructivos del calentador solar y obteniendo como

resultado la energía captada y la eficiencia del mismo (J/m2) .


CONSTRUYENDO EL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO

En octubre del 2008 se empezó a llevar a la práctica todo lo visto hasta el momento,

construyendo los 2 primeros calentadores solares.

Figura 7. Construyendo los primeros calentadores solares – Se construyeron dos modelos, uno con 6

tubos en paralelo y otro de 9. Tercer trimestre del 2008


Figura 8. Construyendo los primeros calentadores solares Tercer trimestre del 2008


Figura 9. Construyendo los primeros calentadores solares Tercer trimestre del 2008


MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS CALENTADORES

Para poder constatar los valores de eficiencia estimador por el programa de diseño

PROSOLMEX, se diseñó un banco de pruebas con la capacidad para probar los dos

prototipos de calentadores, ya sea juntos o por separado, y también haciéndolos trabajar

por el principio de termosifón o circulación forzada.

Figura 10. Diseño del banco de pruebas de los dos primeros prototipos instalados en las regaderas.

Cuarto trimestre del 2008


Se instalaron termómetros a la entrada y salida del agua en los calentadores, otros

termómetros para conocer la temperatura de la placa y un medidor de caudal, con lo

anterior es posible medir la cantidad de energía captada por los calentadores solares, ello

a partir de un balance de energía de la siguiente ecuación:

Qu = mCp(Tf‐Ti)

Donde:

Qu = Calor útil transferido al fluido de trabajo

m = flujo másico o caudal (Litros por minuto)

Cp = Poder calorífico del agua

Tf = Temperatura final del agua a la salida del calentador

Ti = Temperatura inicial del agua a la entrada del calentador

Figura 11. Diseño del banco de pruebas de los dos primeros prototipos instalados en las regaderas.

Cuarto trimestre del 2008


CALENTADORES SOLARES PROTOTIPO PUESTOS EN SERVICIO

Inicialmente se contemplaba que los dos primeros calentadores solares sirvieran como

prototipos de aquellos que habría de ser construidos posteriormente en serie para

satisfacer la demanda de agua caliente en la alberca, sin embargo dada la problemática de

las regaderas del gimnasio en cuanto el suministro insuficiente de agua caliente, fue

cuando decidimos también climatizar las regaderas del gimnasio.

En la imagen se muestran los dos modelos construidos, puestos en servicio para las

regaderas a finales del 2008, en la imagen también se aprecia su banco de pruebas, con el

cual medimos eficiencias promedio del 58% para el calentador de 6 tubos, y de 65% para

el de 9.

Figura 12. Los dos primeros prototipos instalados en las regaderas. Cuarto trimestre

del 2008


SATISFACIENDO LA DEMANDA EN REGADERAS DEL GIMNASIO

Durante casi todo el 2009 y parte del 2010 nos dimos a la tarea de construir los modelos

de calentadores solares que habrían de satisfacer la demanda en las regaderas del

gimnasio, las 8 internas de hombres y mujeres, y las 2 regaderas externas que se

instalaron para en enjuague previo a las clases de natación, he aquí la cronología:

Figura 13. Aumento a cinco el número de calentadores para regaderas internas

del gimnasio. Cuarto trimestre del 2008


Figura 14 .Calentadores instalados en regaderas del gimnasio ‐ primer trimestre del 2009 (superior)

Diseño computarizado de los calentadores (inferior) Primer trimestre del 2009


Figura 15. Diseño por computadora de las bases de ángulo variable para los calentadores. Primer

trimestre del 2009


Figura 16. Después de la impermeabilización de la superficie se aumento a 8 la cantidad de

calentadores para regaderas internas (superior) y se colocó la primera regadera para enjuague en el

acceso de hombres de la alberca (inferior). Segundo trimestre del 2009


Figura 17. En seguida se instaló la regadera de enjuague para mujeres con dos calentadores más.

Segundo trimestre del 2009


Figura 18. Capacidad instalada de 13 calentadores solares, 9 en regaderas internas y 4 en regaderas

externas. Segundo trimestre del 2009


Figura 19. Se realizó la instalación de las llaves de agua fría (superior) así como de la tubería de agua

fría (inferior), ambas inexistentes en las regaderas internas del gimnasio desde hacía un par años.

Tercer trimestre del 2009


Figura 20. Instalación de la toma de agua fría para las regaderas del gimnasio, utilizando tubería de

última generación (tubería verde) tuboplus. Tercer trimestre del 2009


SATISFACIENDO LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE EN LA ALBERCA SEMIOLIMPICA DE LA

ESIME CULHUACAN

Describiré a grandes rasgos todos los esfuerzos que hasta ahora ya tres generaciones de

prestadores de servicio social y un servidor hemos llevado a cabo con tal de concluir tal

ambicioso proyecto nacido hace ya más de dos años atrás.

Figura 21. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de cortado de tubo (superior), operaciones de taladrado de los distribuidores (inferior). Cuarto trimestre

del 2009.


Figura 22. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de

soldadura de tubo de cobre. Cuarto trimestre del 2009.


Figura 23. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca,

operaciones de soldadura de tubo de cobre. Primer trimestre del 2010


Figura 24. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de

embutido y soldadura de la lámina de cobre a los esqueletos de tubo de cobre. Primer trimestre del 2010


Figura 25. Proceso de construcción de las 32 bases para los calentadores solares. Segundo trimestre del

2010

Se cortaron, soldaron y pintaron

90 ganchos largos como estos


90 ganchos cortos como estos


30 bases chicas como esta


30 bases grandes como esta


Figura 26. Las 32 bases para los calentadores solares son terminadas. tercer trimestre del 2010


Figura 27. Se terminan de construir los primeros 16 calentadores solares para la alberca. Cuarto

trimestre del 2010 y primer trimestre del 2011


Figura 28. Trabajos actuales, instalación de la tubería hidráulica de los calentadores de la alberca

(superior), construcción del canal para la tubería (inferior). Primer trimestre del 2011


LOS ENROLLADORES – DISEÑADOS Y CONSTRUIDOS EN LA ESIME

Figura 29. Enrrolladores de cubierta térmica para alberca, diseñados y construidos por

nosotros a la par de los trabajos de construcción de los calentadores Terminadas durante

el 2009 y 2010


Figura 30. Enrrolladores de cubierta térmica para alberca, diseñados y construidos por nosotros a la

par de los trabajos de construcción de los calentadores Terminadas durante el 2009 y 2010


Figura 30. Faltará adquirir dos cubiertas térmicas más para poder cubrir la alberca con la marta

térmica durante la noche o los días que no se impartan las clases de natación.


BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN REGADERAS

Los 13 calentadores solares instalados y puestos en marcha hasta ahora en las

inmediaciones deportivas de la ESIME Culhuacan, calientan en promedio al día 1000

litros de agua a 45°C. y pueden dar servicio completo a hasta 50 usuarios al día.

Litros calentados al día a 45°C

Kgs de GLP no quemados al año

Ahorro en Gas L.P. anual

Toneladas de CO2 No emitidas al

año

1000 1800 18,360.00 pesos* 4.8

*costo actual del kilogramo del Gas L.P. en 10.20 pesos.

Los calentadores solares tienen una vida útil de 15 años, considerando esto ponemos en

perspectiva nuevamente los datos analizados en la tabla anterior.

Litros calentados al dia a 45°C

Kgs de Gas LP no quemados en 15

años

Ahorro en Gas L.P. en 15 años

Toneladas de CO2 No emitidas en

15 años

1000 27000 405,000.00 pesos * 72

*Estimando el costo del kilogramo del Gas L.P. en 15 pesos.

BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA

En la alberca semiolimpica habrán de instalarse 32 calentadores solares que inyectaran

una tasa promedio de 707,200 KJ de energía proveniente del sol, esto es equivalente a

25Kg de gas L.P. o 34 m3 de gas natural al día. En términos más prácticos cada día se

calentarán 14000 litros de agua de 13 a 25°C.

Litros calentados al día a 25°C

Kgs de GLP no quemados al año


Toneladas de CO2 No emitidas al

año

14000 9000 91,800.00 pesos* 24.3


Los calentadores solares para la alberca tienen también una vida útil mínima estimada

de 15 años, considerando esto ponemos en perspectiva nuevamente los datos

analizados en la tabla anterior.

Litros calentados al dia a 45°C

Kgs de Gas LP no quemados en 15

años

Ahorro en Gas L.P. en 15 años


15 años

14000 132000 1,980,000.00 pesos* 364.5

*Estimando el costo del kilogramo del Gas L.P. en 15 pesos.


BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA Y REGADERAS

Los 45 calentadores solares en alberca y regaderas habrán de absorber del sol la

cantidad mínima de 840,440 KJ (KILO JOULES) de energía, lo que es equivalente a 30

kilogramos de gas L.P. al día, por lo tanto la escuela ahorrará al año:

Energía generada al día

Kilogramos de Gas LP no quemados al año



15 años

La equivalente a 30 Kilogramos de gas

L.P. 10800 110,000.00* 29.1


Los calentadores solares para la alberca y regaderas tienen una vida útil mínima

estimada de 15 años, considerando esto ponemos en perspectiva el proyecto completo,

sus ahorros económicos y sus beneficios ambientales:

Energía generada al día

Kilogramos de Gas LP no quemados en 15

años



15 años

La equivalente a 30 Kilogramos de gas

L.P. 162000 2,430,000.00* 437.4

El costo total de proyecto es de aproximadamente 15mil pesos por colector solar,

incluyéndose además del costo de la manufactura del mismo; los costos de

herramientas, tubería hidráulica externa, materiales para la construcción de las bases

metálicas, válvulas hidráulicas, honorarios de un servidor, entre otros.

Es decir el proyecto tendrá al final de 3 años de duración un costo total de 675mil pesos;

y de no superar el precio del kilogramo de Gas L.P. los 15 pesos estimados dentro de 15

años, el ahorro total de proyecto en términos financieros será de mínimo 1,755,000.00

pesos, siendo el plazo para amortizamiento de 6 años.


CONCLUSIONES

Han sido ya casi tres años de empezado nuestro proyecto, encontrándonos ahora en la

recta final del mismo, han sido tres años de enfrentar retos que parecían titánicos para

una sola persona, sin embargo nunca se trató únicamente del trabajo de un servidor,

sino fue más bien el de muchas personas, desde los ya más de 20 prestatarios de

servicio social, estudiantes politécnicos, que han laborado en el proyecto, hasta las

autoridades del IPN que sin importar los cambios directivos han igualmente estado

siempre pendientes y respaldando nuestra labor.

Por otro lado es incuestionable el beneficio ambiental y económico del que proyectos

como este son inherentes, sin embargo lo importante a resaltar también, es que

orgullosamente se trata de un proyecto creador de tecnología nacional; que a lo largo

del mismo ha generado y compartido el conocimiento obtenido primeramente entre los

estudiantes prestatarios de servicio social, así como también entre la comunidad

politécnica en general, trabajadores, alumnos, profesores.

He aquí pues un breve resumen de todas las actividades hasta ahora desarrolladas,

gracias por su atención y apoyo;

Atentamente:

Ing. Kisiev Salgado Castro

COORDINADOR DEL PROYECTO

Proyecto de Climatización solar de la alberca en ESIME Culhuacan IPN

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