UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERFACULTAD DE INGENIERA QUMICADEPARTAMENTO ACADMICO DE QUMICA, INGENIERA Y TECNOLOGA

CATEDRA : 053Btermodinamica de los procesos quimicos i

aplicacin de la primera ley de la termodinmica en la pisicina temperada del colegio salesiano santa rosa

CATEDRATICO: Ing. FUENTE LOPEZ, Walter

INTEGRANTES : MEZA ESPINOZA, Carlos Enrique.QUIJADA CARO, Edgar Elas.RAMIREZ HUINCHO, Gabriel

SEMESTRE : V

HUANCAYO PER

2013

Agradecimiento:Al Colegio Salesiano Santa Rosa por el apoyarnosen la presente investigacin de los paneles solares

INTRODUCCIN

En el presente informe se estudia el funcionamiento de los Paneles Solares de la Piscina del Colegio Salesiano Santa Rosa en el distrito del Tambo estos temas se tratan de manera sencilla, de modo que se pueda comprender , adems se selecciona la bibliografa pertinente de tal modo que si hay alguna duda puede remitirse a sta, ya que el balance de materia y de energa, es fundamental para un Ingeniero Qumico el cual aplicara en toda su vida profesional, ser capaz de analizar diversos equipos, procesos y plantas con el fin de buscar, reportar y dar mejoras como tambin solucionar problemas que puedan interferir al proceso. Uno de estos procesos a estudiar es el panel solar; que es un dispositivo es un dispositivo que aprovecha laenergade laradiacin solar. El trmino comprende a loscolectores solaresutilizados para producir agua caliente (usualmente domstica) medianteenerga solar trmicay a lospaneles fotovoltaicosutilizados para generarelectricidadmedianteenerga solar fotovoltaica. Aplicamos los niveles de radiacin y temperatura del da sbado 20 de Julio . Con el fin de poner en prctica los conocimientos adquiridos del curso Termodinmica de los Procesos Qumicos I.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL: Aplicacin de la primera ley de la termodinmica en los Paneles Solares de la piscina del Colegio Salesiano Santa RosaOBJETIVOS ESPECIFICOS: Determinar el tiempo de calentamiento de agua en las piscinas. Conocer las propiedades de los paneles solares.

1. Marco Teorico1.1. ENERGA

La naturaleza es un gran reservorio de almacenamiento de energa, a travs de las plantas, los animales y todos los elementos, ya sean estos vivos o inanimados. Podemos citar varios ejemplos. Si vemos una cada de agua y la fuerza con que esa masa choca con la base del ro nos impresionamos por la energa que se produce. En una tormenta de rayos nos mantenemos temerosos por la energa que tiene un rayo y los daos que puede ocasionar. Un huracn nos muestra la gran energa que los vientos pueden producir en la tierra o en el mar. Las olas al chocar con toda su fuerza en un acantilado o al llegar a la playa nos mantienen alejados. Qu decir de la energa que libera un volcn al erupcionar o cuando despierta de su letargo con una explosin de lava y ceniza. Al ver el Sol y esas imgenes de explosiones de miles de kilmetros que se producen en la superficie podemos imaginarnos la cantidad de energa que se produce y que a pesar de la distancia, llega a la Tierra.

Asimismo, los seres humanos son tambin un mecanismo que transforma la energa de los alimentos para sobrevivir. Cuando una persona est decada o cansada decimos que no tiene energa. La energa se asocia entonces con el movimiento, la actividad, o la fuerza vinculada a la actividad que podra generarse.

1.1.1. Definicin de Energa

Cuando hablamos de energa pensamos en el concepto de fuerza y muchas veces empleamos ambos trminos indistintamente. Mientras ms fuerza ejerce un cuerpo se requiere ms energa, y si una misma fuerza se mantiene durante un mayor tiempo esto igualmente demanda mayor energa. Por ejemplo, al empujar un carro, estamos ejerciendo una fuerza en una direccin. Mientras mayor es la distancia a la que movemos el carro estamos haciendo un mayor trabajo.

La definicin clsica de trabajo es una fuerza por una distancia, simblicamente:

W F.d

(1.1)

Donde:F = fuerza, y de mide en Nwtons, recordemos que la fuerza a su vez es una masa por una aceleracin, es decir [N] = [kg.m/s2]d = distancia, y se mide en metros [m]W = trabajo, y la unidad es el Joule [J] = [N.m]

La energa se define como la capacidad para producir trabajo1. De aqu que la unidad de la energa es la misma que la del trabajo, el Joule [J]. Si jugamos un poco con las unidades J = kg m/s2. m = kg . m2/s2 ; como velocidad es igual a distancia sobre tiempo v= m/s, entonces J = kg. v2. Fue Albert Einstein (1879 1955) quien descubri que esta velocidad no es otra que la de la luz

E m. c 2

E = Energa y se mide en Joules [J]m = Masa y se mide en kilogramos [kg]c = Velocidad de la luz y se mide en [m/s] igual a 3,0x108 m/sEsta frmula nos muestra que la energa y la materia son intercambiables, siempre y cuando se produzca a la velocidad de la luz.

El cientfico ingls Thomas Young (1773 1829) introdujo por primera vez el trminoenerga tomando la palabra griega energeia, que quiere decir eficacia.

El agua al caer puede mover la rueda de un molino o una turbina que produce un movimiento. Este movimiento permite moler los granos entre dos ruedas de piedra o mover un generador elctrico. El trabajo final es el resultado de la liberacin de energa. Por ejemplo, en el caso de un motor de combustin interna la energa proviene del combustible que se quema, mientras que el motor es un mecanismo que permite realizar un trabajo.

1.1.2. Formas de la Energa

La energa se manifiesta de las siguientes formas:

Tabla 1.1 Formas de EnergaFormaOrigenProduccinUsos

TrmicaFriccin, combustin, energa cinticaSolar, geotrmica, electricidad, qumica,Cocinar, calefaccin, vapor

RadianteSol, electricidad, radiacinSolar, electricidad, qumicaIluminacin, comunicaciones,medicina

MecnicaEnerga potencialElica, Hidrulica, Mareomotriz, resortesMover mquinas

ElctricaElectromagnetismo, piezoelectricidad, electricidad esttica, pilas y baterasCentrales trmicas, centrales hidrulicas, fotovoltaica, celdas decombustible, pilas ybaterasMotores, electrnica, calentamiento, almacenamiento de energa

QumicaCombustibles, plantas, animales, elementos qumicos, biomasa

Biomasa, petrleo, gas, carbnMotores de combustin interna,cocinar alimentos,transformacin qumica

GravitacionalTierraHidrulicaMover mquinas

MagnticaTierra, imanesElectricidadElectromagnetismo

NucleartomoCentrales nuclearesCentrales nucleares, electromedicina,radiologa

1.2. Energa Solar

Para comprender de dnde procede la energa del Sol debemos transportarnos al interior de esta estrella gaseosa de casi 700 mil km de radio. Debido a la inmensa fuerza de gravedad y a temperaturas de 16 millones de grados en el interior del Sol, dos tomos de hidrgeno se fusionan en uno de helio y la diferencia de masa se convierte en energa (recordemosque E = m c2). La temperatura exterior del Sol, que en realidad es la de la fotosfera que es la parte del Sol que vemos desde la Tierra, es de 5.780 grados Kelvin. Cero grados Kelvin (0 K) es la temperatura del cero absoluto, es decir ningn elemento puede ser ms fro que ese lmite, y equivale a -273 oC.

La rbita que describe la Tierra alrededor del Sol es una elipse, con el Sol en uno de sus vrtices. El 21 de diciembre la Tierra est ms alejada del Sol, mientras el 21 de junio est ms cerca. La distancia media entre el Sol y la Tierra es de aproximadamente 150x 106km, y se llama una unidad astronmica10.

1.3. Radiacin Solar

La radiacin que emite un cuerpo en funcin de la temperatura viene dada por la ley deStefan-Boltzman:

Donde:

M T 4

M = Densidad total de flujo radiante emitida por cuerpo en W/m2 = Constante de Stefan-Boltzman = 5,67 x 10-8 [W m-2 K-4]T = Temperatura del cuerpo en K

(5.1)

El Sol irradia energa en todas las direcciones y parte de este flujo llega a la Tierra a travs del espacio vaco. Esta energa se emite en dos formas, como:

1. Radiacin electromagntica, que incluye: los rayos ultravioletas, los rayos X, la luz visible, las radiaciones infrarrojas, las microondas y las ondas de radio; y,

2. Viento solar, compuesto de partculas atmicas energizadas: neutrinos y protones.La atmsfera de la Tierra es una capa protectora de esta radiacin y del viento solar.La disminucin en la capa de ozono de la Tierra reduce el grado de proteccin contra la radiacin, especialmente de los rayos ultravioleta.

1.4. Paneles solares termodinmicos (PST)

Los paneles solares termodinmicos son una alternativa a los paneles solares convencionales. Pero a diferencia de stos, no slo captan energa de la radiacin solar, sino que basndose en los principios de la termodinmica que acabamos de enunciar, captan la energa del ambiente exterior (el calor del sol, del agua de lluvia, del viento), siempre y cuando la temperatura exterior no baje de los 0.Esta circunstancia hace que los paneles termodinmicos puedan producir energa en das nublados y durante la noche, factor muy interesante a la hora de valorar la eficiencia de este sistema de captadores.Componentes de la instalacin: definicin y caractersticasEl sistema termodinmico se compone de los siguientes elementos:- Paneles solares termodinmicosSon los captadores. Estn fabricados en aluminio anodizado de 30 micras, poseen una doble canaleta por la que circula el fluido refrigerante.Sus dimensiones son de 2 metros de largo por 0,80 metros de ancho.Su peso es de aproximadamente unos 8 kg.

- Gas refrigeranteUn gas refrigerante es: una sustancia de bajo punto de ebullicin, capaz de absorber grandes cantidades de calor al producirse un cambio de estado.Debemos saber que todo gas al condensarse y convertirse en lquido desprende calor. El proceso contrario, cuando un gas en estado lquido alcanza su punto de ebullicin, se evapora, y se convierte nuevamente en gas absorbiendo calor.En los paneles solares termodinmicos se utilizan diferentes clases de gas refrigerante, en funcin del fabricante.Los gases utilizados tienen adems otras propiedades importantes, que los hacen apropiados para su uso en los equipos termodinmicos: Estabilidad qumica ante distintas presiones y temperaturas. Son incombustibles No son corrosivos, ni txicos, ni tienen efectos perjudiciales para la capa de ozono.- CompresorEs el lugar donde se produce la compresin del gas, elevando por tanto su temperatura.- Condensador (Intercambiador)Es el lugar donde se produce la condensacin de gas a lquido, con el correspondiente intercambio de calor entre la fuente caliente y la fuente fra.- Vlvula de expansinEs el lugar donde se produce la expansin del gas, que llega ya en estado lquido, disminuyendo su termperatura.- Bloque termodinmicoEs el elemento de la instalacin donde se encuentran el compresor y la vlvula de expansin, y donde el que regula el funcionamiento de todo el proceso.- TermoacumuladorEs el elemento de la instalacin donde se encuentra el condensador y se produce el intercambio de calor entre el gas a altas temperaturas, y el agua que necesitamos calentar para el consumo en ACS o calefaccin.1.4.1. FuncionamientoSegn el esquema de la figura inferior y basndonos en lo expuesto hasta ahora, el proceso para el funcionamiento del sistema solar termodinmico es el siguiente: El gas refrigerante sale de la vlvula de expansin en estado lquido y a muy baja temperatura, llegando a los paneles captadores a unos -10 C. Al llegar a una temperatura tan baja, el gas, a su paso por el panel, se evapora absorbiendo calor del ambiente, siempre que la temperatura exterior sea superior a 0C. En el compresor, que se encuentra en el bloque termodinmico, el gas se comprime, elevando su temperatura a niveles superiores a 100C. Este gas a altas temperaturas pasa por el condensador, que no es ms que un intercambiador de calor ubicado en el acumulador, y hace que la temperatura del agua que existe en dicho acumulador se eleve a la temperatura de consumo necesaria (entre 45 y 60). El gas refrigerante, como consecuencia de su paso por el condensador y la cesin de calor al agua de consumo, se vuelve a licuar. Finalmente, el lquido refrigerante pasa por la vlvula de expansin, que disminuye considerablemente su presin y por tanto su temperatura, para cerrar el ciclo descrito.

1.5. PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICATambin conocido como principio de conservacin de la energa para la termodinmica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, la energa interna del sistema cambiar. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energa interna. Fue propuesta por Antonio Lavoisier.La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:Eentra Esale = EsistemaQue aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinmico, queda de la forma:

1.5.1. Aplicaciones de la primera ley: Sistemas cerrado.-Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinmico. Tambin es conocido como masa de control.El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, as como puede realizar trabajo a travs de su frontera. La ecuacin general para un sistema cerrado (despreciando energa cintica y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinmico) es:U = Q WDonde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo elctrico, mecnico y de frontera; y U es la energa interna del sistema. Sistemas abiertos.-Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, as como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, tambin puede realizar trabajo de frontera.La ecuacin general para un sistema abierto en un intervalo de tiempo es:

Sistema Aislado.-Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energa con el exterior.1.6. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICAEsta ley regula la direccin en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinmicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeo volumen). Tambin establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energa de un tipo en otro sin prdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energa que hipotticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta slo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud fsica llamada entropa tal que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energa con su entorno), la variacin de la entropa siempre debe ser mayor que cero.Debido a esta ley tambin se tiene que el flujo espontneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura ms alta a aquellos de temperatura ms baja. Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacndose el de Clausius y el de Kelvin.1.7. Calentamiento de Agua para Piscinas

El uso de colectores solares es idneo para el calentamiento de agua en piscinas. La temperatura del agua en una piscina vara entre 25oC a 35oC, que es precisamente el nivel de temperatura que podemos obtener de un colector solar. Las piscinas tienen un sistema de circulacin mediante una bomba, la cual se aprovecha para incluir el circuito delcolector. Es un ciclo cerrado con la diferencia que el tanque de almacenamiento viene a ser la piscina en s. Al estar expuesta el rea de la piscina al exterior, las prdidas con conveccin son altas. Por ello, se recomienda cubrir la piscina con una manta o toldo aislante durante las horas en que no se utiliza, especialmente en las noches. El rea de colector necesario es entre un 50% y 100% del rea de la piscina. El colector puede ser del tipo residencial con cubierta de vidrio, pero se prefierecolectores fabricados en plsticos especiales (polipropileno) porque se reduce el costo. Se puede instalar un sistema mixto solar con gas o diesel para reducir el consumo de combustibles y el costo anual de operacin. Comparado con el consumo de combustible de un sistema tradicional, un sistema solar de calentamiento de piscina

2. PARTE EXPERIENTAL

2.1. METODOLOGIA:El lugar elegido fue el Colegio Salesiano Santa Rosa ubicado en el Distrito de El Tambo cuyo director y encargado de los paneles a investigar es el R.P. Fernando Rodrguez Montes SDB , llegamos gracias a las referencias de unas compaero exalumno de dicho colegio. Elegido ya el lugar se fue a pedir permiso al Colegio Salesiano el cual gustosamente acepto la realizacin de la investigacinLas vistas programadas se realizaron a partir del 24 de abril cada sbado por un mes y de ah volvimos a revisar los sistemas el da sbado 20 de Julio, que el tiempo estuvo a nuestro favor.

2.2. INFORME TECNICO:

De acuerdo al diseo de las instalaciones de las piscinas y baos, se defini la utilizacin de los siguientes equipos: 75 sets de colectores solares para la piscina semi-olmpica. o 12 sets de colectores solares para la piscina patera. o 05 termas solares de 200 litros para las duchas. Cada sistema comprende los colectores solares, controladores electrnicos, sensores de temperatura y bombas de recirculacin. Dimensiones de cada set. : 3200mm x 1900mm rea para el clculo del dimensionado: 6.25m2 Elemento colector: tubos de 47mm de dimetro x 1500mm de longitud. Cada colector consta de un manifold y 50 tubos. Peso total: 250 kg

3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSION DE RESULTADOS

3.1. EQUIPO: Paneles Solares3.2. PROCEDIMIENTO:

1. Tomar las dimensiones del panel 2. Ver la Variacin de la Temperatura.3. Anotar los datos obtenidos para realizar los clculos

3.3. CLCULOS REALIZADOS

Tabla N1Piscina Semi Olimpica

Ancho12.5 m

Largo25 m

Altura1.6 m

Grosor50 cm

Volumen500 m3

Temperatura inicial15C

Temperatura final30C

Coeficiente de Absorcion0.75

Irradiacin Promedio350 W/m2

rea del calculo dimensionado6.5 m2

Para saber que cunto tiempo de sol se necesita para poder calentar la piscina semi olmpica.

Trabajamos en gramos asi que obtenemos

Ahora hallamos la potencia solar

Ahora el tiempo que necesita

Tabla N2Piscina de nios

Ancho4.5 m

Largo14.6 m

Altura0.7 m

Grosor50 cm

Volumen46 m3

Temperatura inicial15C

Temperatura final30C

Coeficiente de Absorcion0.75

Irradiacin Promedio350 W/m2

rea del calculo dimensionado6.5 m2

Ahora el tiempo de calentamiento de la piscina para nios

Trabajamos en gramos asi que obtenemos

Ahora hallamos la potencia solar

Ahora el tiempo que necesita

4. DISCUSIN DE RESULTADOS

Gracias al estudio Tcnico Facilitado se facilit hallar los resultados En la piscina semi-olimpica el tiempo de caletamiento a 30C es de 5 horas aproximadamente- En la piscina de nios el tiempo es de media hora aproximadamente La diferencia de calentamiento de agua de ambas piscinas se debe al volumen distinto que abarca cada una

5. CONCLUSIONES Todos los datos la mayora de datos est en el informe tecnico La potencia de los paneles solares del dia 20 de Julio fue 1706 W Se logr conocer con xito el funcionamiento de los paneles

6. BIBLIOGRAFIA

Informe Tecnico Piscina Salesiana, PANAPEX, 2008 Principios de Termodinmica, Universidad Autnoma de Mexico