PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL

Plan de tesis: Estudio de eficiencia de termas solares con colector de tubos de vaco

TALLER DE TESIS

ALUMNO: CARLOS VENTE T.ASESOR: JAIME MUOZ PORTUGAL

SEMESTRE: X

AO 2015

El alumno declara haber realizado el presente trabajo de acuerdo a las normas de la Universidad Catlica San Pablo

FIRMA

Contenido2I.TTULO

2II.AUTOR

2III.RESMEN

4IV.DESCRIPCIN DEL PROYECTO

41.Introduccin

62.Planteamiento del problema

63.Justificacin de la relevancia de la investigacin

8V.OBJETIVO GENERAL

8VI.OBJETIVOS ESPECFICOS

9VII.MARCO TERICO

91.Antecedentes del tema de investigacin

112.Marco terico

12VIII.METODOLOGA

121.Naturaleza de la investigacin

132.Tcnicas e Instrumentos de recoleccin de datos.

133.Tcnicas de anlisis e interpretacin de datos.

14IX.PROPUESTA DE LA ESTRUCTURA DE INVESTIGACIN

16X.CRONOGRAMA

17XI.REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

I. TTULO Estudio de eficiencia de termas solares con colector de tubos de vacoII. AUTORCarlos Alejandro Vente Tupacyupanqui.III. RESMENEn este trabajo se hace una evaluacin preliminar de un calentador solar de tubos de vaco termosifonico, la evaluacin se realiz sin consumo, esta se llev a cabo en las instalaciones de los laboratorios de Instituto de Energa y Medioambiente (IEM).

Se presentan los resultados de eficiencia global del calentador de evaluacin, as como informacin de la velocidad de calentamiento del sistema, tambin se muestra informacin del aislamiento trmico del tanque acumulador a travs de las curvas de velocidad de enfriamientoIV. DESCRIPCIN DEL PROYECTO 1. Introduccin:

El presente tema de tesis surge debido a que en los ltimos aos se est produciendo un aumento notable de instalaciones de energa solar trmica en el mundo; los avances tecnolgicos permitieron la fabricacin de sistemas de mejor calidad y a menor costo. Es por eso que este proyecto consiste en el estudio del principio termosifn que permite el funcionamiento de los calentadores solares de agua de tubos al vaco, con la finalidad de acertar varias explicaciones y ayudar a comprender algunos de los principios fsicos relacionados con el uso directo de la energa solar. De tal manera que experimentalmente nos proporcione informacin adicional para evaluar otras alternativas que puedan ser aplicadas a maximizar el rendimiento de una terma solar con tubos al vaco y a su vez reducir sus costos.

Esta tecnologa permite reducir en gran medida las perdidas por conveccin y conduccin, gracias a las propiedades aislantes del vaco, pudindose alcanzar temperaturas por encima de los 77 C. Ya que este sistema consta de varios tubos que funcionan independientemente, las reparaciones y sustituciones se pueden realizar de manera fcil y econmica, simplemente sustituyendo el tubo defectuoso sin necesidad de detener la instalacin. As tambin posee unas cualidades excepcionales ante condiciones climatolgicas adversas.

La energa solar es una de las energas renovables con ms futuro porque es limpia, gratuita, y como se puede demostrar fcil de aprovechar y eficiente, por ello mediante esta investigacin podemos comprobar que la energa solar es una de las ms principales fuentes de energa de la que dispone la humanidad, que la podemos aprovechar de manera sencilla y que su uso directo es la forma ms econmica y racional de conseguir algunos propsitos.

En la ciudad de Arequipa actualmente ya se comercializan estas termas solares con tubos de vaco, sin embargo an no se conoce su funcionamiento y por lo tanto no se tiene bien en claro que materiales son utilizados en su fabricacin, as tambin como el nivel de eficiencia que brindan, debido a que estos tubos de vaco son importados desde China, y por lo tanto su precio de venta es elevado. Lo cual limita su comercializacin, pero actualmente ya se ve el desarrollo de trabajos relacionados, en los cuales hacen estudios numricos y anlisis experimentales donde an no se ha logrado encontrar resultados exactos sobre la eficiencia de este sistema.

Por ello tenemos como principal objetivo realizar el anlisis del comportamiento trmico del sistema, donde nos permitir poder encontrar los niveles de inclinacin adecuada para alcanzar una mayor eficiencia, analizar las propiedades que nos brindan sus componentes y si estos pueden ser sustituidos por otros que nos proporcionen los mismos beneficios, pero con un costo ms bajo, as tambin como la implementacin de nuevos materiales que aporten al mejor funcionamiento del sistema.2. Planteamiento del problema: Existen en el mercado de Arequipa distintos tipos de calentadores solares de los cuales los colectores de placa plana son los ms usados y comercializados, estos colectores no funcionan muy bien en climas como las que presenta la ciudad de Arequipa, ms aun en zonas de mayor altura donde la temperatura es muy baja, la rejilla de los colectores colapsan por el congelamiento del fluido caloportador.

Actualmente se venden en el mercado los colectores de tubos de vaco, aparentemente ms apropiados para climas desfavorables por tener como aislante trmico el vaco, sin embargo an no se conoce su comportamiento trmico y eficiencia de estos colectores de tubos de vaco de manera que nos permita proponer su uso para zonas de altura.

El comportamiento trmico de los tubos de vaco depende de la velocidad de calentamiento del fluido el cual se puede determinar analizando la evolucin de la temperatura en un tanque acumulado.

Debido a los diferentes problemas que se presentan en los colectores solares de placa plana cuando operan en zonas de altura y existiendo una nueva tecnologa en colectores solares para calentamiento de agua que podra solucionar este problema, es que se hace necesario un mtodo de evaluacin para conocer su comportamiento trmico y poder proponer su uso para los distintos climas de la regin.3. Justificacin de la relevancia de la investigacin:

Relevancia personal: Esta investigacin ayudara a mi desempeo como profesional y a la obtencin de mi grado acadmico como bachiller en Ingeniera Industrial. A nivel socialEn el mundo con una poblacin en constante crecimiento con una demanda cada da ms grande de energa se hace indispensable pensar que las fuentes tradicionales de energa como el carbn, el petrleo y el gas se irn agotando y si no pensamos en nuevas alternativas el futuro ser muy dramtico. Por ello se debe evaluar las eficiencias de todas las nuevas tecnologas para apreciar cuan aprovechables son, particularmente todas las que tienen como fuente energtica el sol, debido a que es la fuente de energa ms inagotable que posee la humanidad. Relevancia acadmica

En la ciudad de Arequipa existen ms de 30 empresas que se dedican a la fabricacin de termas solares, ninguna de ellas proporciona datos tcnicos sobre su rendimiento trmico. La presente tesis buscara demostrar la eficiencia de termas con colectores de tubo de vaco, as mismo dar a conocer gran potencial de la energa solar.V. OBJETIVO GENERAL

El presente tema de tesis busca medir la eficiencia de termas solares con colectores de tubos de vaco y ver cun aprovechable puede ser esta tecnologa en un clima como el de la ciudad de Arequipa, teniendo en cuenta que es una de las ciudades en el mundo con mayor radiacin solar.

As mismo, el mercado de calentamiento solar de agua viene creciendo de manera permanente. Sin embargo, existe una falta de informacin sobre estudios de caso que evalen la introduccin de la tecnologa termosolar en los domicilios. Para contribuir a reducir esta brecha, el presente trabajo describe la eficiencia de captadores solares con tubos de vaco, que es una nueva tecnologa ingresando al mercado.VI. OBJETIVOS ESPECFICOS

Realizar el estudio de factibilidad y viabilidad de la instalacin. Determinar la cantidad de energa irradiada por el sol anualmente en el rea. Maximizar la eficiencia del sistema mediante el diseo de un sistema de seguimiento solar. Reducir en lo posible los costos de implementacin del sistema. Crear conciencia en la comunidad de optar por energas renovables.

VII. MARCO TERICO

1. Antecedentes del tema de investigacin Los romanos fueron los primeros en usar vidrio en sus ventanas para atrapar la luz solar en sus hogares. Incluso promulgaron leyes que penaban el bloquear el acceso a la luz a los vecinos. Tambin fueron los romanos los primeros en construir casas de cristal o invernaderos para crear condiciones adecuadas para el crecimiento de plantas exticas o semillas que traan a Roma desde los lejanos confines del imperio.

En 1867 el cientfico suizo Horace de Saussare desarroll el primer colector solar. Edmond Becquerei, un fsico francs, observ el efecto fotoelctrico en 1839. Ms recientemente, hace un poco ms de 100 aos, el cientfico francs Auguste Mouchout us calor de un colector solar para producir vapor y mover un motor. Desgraciadamente, los elevados costos impidieron que su invento tuviera un uso comercial.

En la actualidad, la energa solar se usa de dos formas principales. La primera es la potencia trmica solar, en la que el sol se usa para calentar fluidos, los cuales impulsan turbinas y otras mquinas. La segunda es la conversin fotovoltaica (paneles solares) en los que la electricidad es producida directamente del sol.

El Per tiene una cultura energtica arraigada en la utilizacin de combustibles fsiles. El precio de los combustibles tiene impuestos importantes, lo que hace atractivo la bsqueda de alternativas energticas como la energa solar. No obstante, con el desarrollo del Proyecto Gasoducto Andino del Sur, previsto entrar en operacin en 2014, cambiar el panorama energtico en el sur del pas. Uno de los posibles usos del gas natural en la ciudad de Arequipa seria el calentamiento de agua en los domicilios. Sin embargo, es posible que las tuberas de gas instalados a los domicilios no cubra toda la poblacin de la ciudad.

En muchas ciudades del Per, el uso de Sistemas de Calentamiento de Agua con Energa Solar no es tan generalizado. Esto se debe a la falta de divulgacin, carencia de una visin empresarial, barreras climatolgicas, falta de incentivos y apoyo estatal. Evidentemente, hay zonas en el pas donde estos equipos son conocidos, como Tacna, Puno, Cusco, Arequipa, Ayacucho, Huancayo y algunas ciudades del norte. Sin embargo, se puede constatar que algunos fabricantes frustran las expectativas generadas con sus equipos, principalmente en razn de la utilizacin de materiales inadecuados o la desobediencia a las normas de fabricacin, adems de no brindar la informacin tcnica(como la eficiencia) en estos sistemas. As, acaban convirtindose en un gran obstculo para la difusin de la tecnologa solar trmica.

Fue en los aos 1900 que en la ciudad de Arequipa fueron instalados los primeros sistemas solares residenciales para fines de higiene personal, lavado de ropa y utensilios. En esta localidad, en 1936, se construan calentadores solares de 250 litros de capacidad con colectores de 8 tubos y 6 m2 de superficie. Estos primeros equipos, que son mostrados a continuacin, fueron construidos e instalados por el Sr. Ernesto Barreda, cuya profesin era mecnico-electricista y a quien se puede considerar una persona de mucha experiencia en este campo.2. Marco terico Cualquier persona que quiera aprovechar la energa solar debe ser capaz, en primer lugar, de responder a la pregunta de qu cantidad de energa llegar al lugar donde prev realizar la captacin; o sea, qu irradiancia solar recibir por unidad de superficie. Para ello, habr que empezar por saber qu es y cmo se comporta la radiacin solar, as como cunta energa es posible captar en funcin de la regin del mundo en la que nos encontremos.

Como punto de partida debemos tener en cuenta que la luz es una de las formas que adopta la energa para trasladarse de un lugar a otro. En el caso del Sol, los rayos solares se propagan a travs del espacio en forma de ondas electromagnticas de energa. Este fenmeno fsico, ms conocido como radiacin solar, es el responsable de que nuestro planeta reciba un aporte energtico continuo de aproximadamente 1.367 W/m2.

Un valor que recibe el nombre de constante solar y que, al cabo de un ao, equivaldra a 20 veces la energa almacenada en todas las reservas de combustibles fsiles del mundo (petrleo, carbn)

Sin embargo, no toda la radiacin que llega hasta la Tierra sobrepasa las capas altas de la atmsfera. Debido a los procesos que sufren los rayos solares cuando entran en contacto con los diferentes gases que componen la atmsfera, una tercera parte de la energa solar interceptada por la Tierra vuelve al espacio exterior, mientras que las dos terceras partes restantes penetran hasta la superficie terrestre. Este hecho se debe a que las proporciones de vapor de agua, metano, ozono y dixido de carbono (CO2) actan como una barrera protectora.

Una capa de proteccin que, entre otras cosas, permite que no se produzcan cambios de temperatura demasiado extremos en la superficie terrestre, as como que exista agua lquida desde hace miles de millones de aos. A la prdida de aporte energtico que se produce en las capas superiores de la atmsfera hay que aadir otras variables que influyen en la cantidad de radiacin solar que llega hasta un punto determinado del planeta. Como es de imaginar, no todas las superficies reciben la misma cantidad de energa. As, mientras los polos son los que menor radiacin reciben, los trpicos son los que estn expuestos a una mayor radiacin

de los rayos solares. Esto tiene su explicacin en el grado de inclinacin de nuestro planeta con respecto al Sol (23,5).

La declinacin del Sol, pues, es la razn de que los mayores valores de radiacin no se produzcan en el ecuador sino en latitudes por encima y por debajo de los trpicos de Cncer y Capricornio. En estas zonas es donde los rayos solares son ms perpendiculares y atraviesan una capa atmosfrica ms fina hasta llegar a su destino.VIII. METODOLOGA

1. Naturaleza de la investigacinEl estudio propuesto se adecua a los propsitos de una investigacin experimental, en funcin de los objetivos definidos en el acpite correspondiente, es que se elaborar el diseo experimental respectivo. Se determinarn las variables de las cuales depende un calentamiento eficiente del agua haciendo uso de colectores solares con tubos de vacio.

Igualmente la investigacin tendr un carcter exploratorio retrospectivo que estar basada en:

Diagnsticos realizados sobre recursos de radiacin solar en la ciudad de Arequipa y sus provincias

Estadsticas de Uso de la Energa Trmica Solar especficamente para la Regin Arequipa, las que sern revisadas, analizadas y procesadas con las respectivas tcnicas de estimacin con fines de proyeccin

De naturaleza descriptiva, porque el estudio preliminar planteado ser detallado en forma objetiva teniendo como base dos aspectos:

El contexto socio econmico cultural en que se desarrolla nuestra ciudad y las zonas rurales de la misma como La Joya - Majes, el Colca, describiendo las principales actividades en las que se basa nuestra regin y que grado de conocimiento y manejo hay de la energa solar trmica.

Se describirn los sistemas solares trmicos desde el punto de vista estructural funcional como desde el punto de vista econmico, antecedentes de los mismos, ventajas de utilizar energas limpias renovables, y ventajas comparativas que ofrece el clima y la geografa de Arequipa y de sus zonas rurales como Majes - La Joya.

Ser de naturaleza explicativa, debido a que se interpretaran las relaciones entre las diferentes variables que contribuyen a la eficiencia de un sistema colector solar trmico

2. Tcnicas e Instrumentos de recoleccin de datos.En la investigacin se usaran fuentes primarias, investigaciones y fuentes de elaboracin propia, y fuentes secundarias como pginas de internet, artculos, tesis y libros.

Se usaran tcnicas cuantitativas y cualitativas para determinar la situacin de la ciudad de Arequipa, adems se comparara con las dems investigaciones nombradas en el plan de tesis.3. Tcnicas de anlisis e interpretacin de datos.

Se harn uso de tcnicas estadsticas de estimacin de acuerdo a la naturaleza de los datos y a la parte del estudio que se est desarrollando. Todos los datos sern proporcionados por el sistema de adquisicin de datos.IX. PROPUESTA DE LA ESTRUCTURA DE INVESTIGACIN

Captulo I: Aspectos Generales

31. Nombre del proyecto

53. Resumen

64. Antecedentes.

85. Localizacin y clima de Arequipa.

96. Objetivo general.

97. Objetivos especficos.

108. Planteamiento del problema.

118.1 RELEVANCIA PERSONAL.

118.2 RELEVANCIA SOCIAL.

118.3 RELEVANCIA ACADMICA

129 Marco terico.

149. a Marco Referencial.

189. b Uso de energa solar en Arequipa.

10. Metodologa

Captulo II: Hiptesis experimental.

Captulo III: Variables de investigacin.

CAPITULO IV: Instrumentos de recogida de datos.CAPITULO V: Diseo de investigacin.CAPITULO VI: Anlisis de datos (Verificacin de supuestos y anlisis de la varianza)CAPITULO VII: Costo de implementacin del sistema.CAPITULO VIII: Evaluacin del Impacto Ambiental producido por el sistema.Conclusiones

Recomendaciones

Anexos

Bibliografa

X. CRONOGRAMA

MESESAbril MayoJunioJulio

Anlisis de la radiacin solar x

Definicin de variables a estudiar.x

Definicin de instrumentos de medicin a utilizarx

Implementacin del diseo experimentalx

Toma de datosX(inicios de Mayo)

Resultados de la toma de datosx(fines de Mayo)

Verificacin de supuestosx

Anlisis de la varianzax

Anlisis ambiental y costos de implementacinx

Conclusionesx

XI. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

ASHRAE Standard 93-77,1977, Methods of testing to determine the Thermal Performance of solar Collector ASHRAE, Ney York, N.Y,

Bannister B. y Whitehead D., 1994, . Instrumentacin, Transductores e Interfaces" Addison Wesley Iberoamerica, Commission of the European Communities, 1980, " Recommendations for European Solar Collector Test Methods ". U.K.,.

Chasseriaux, J.M., 1990," Conversin trmica de la Radiacin Solar. Bordas, Paris.

Cora Placco, Luis Saravia, Carlos Cadena, 2008, Colectores solares para agua caliente INENCO, UNSa CONICET, Argentina

Duffie, J.A. and Beckman, W.A., 1991, " Solar Engineering of Thermal Processes ". Wyley, New York,

Linthorst, J.M., 1985, Natural Convection Suppression in Solar Collector ". EFF, Holland,

NTP 399.400, 2001, Colectores Solares. Mtodo de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares,

Lima Per.

Valera Anbal, 2007, Energa Solar II, Asamblea Nacional de Rectores, Lima Per.

Zilles, R., 1987, " Comparao Experimental de Testes de Coletores Solares planos com Simulador e com

ACTIVIDADES