EVALUACIONES
PRELIMINARES DE UN
TUBO DE VACIO PARA
TERMA SOLAR
MSc. Ing. Pedro Bertín Flores Larico
Centro de Energías Renovables y Eficiencia
Energética de la U.N.S.A. (CER-EE- UNSA)
TEORIA HEAT PIPE
 TUBO DE CALOR
 Los
tubos de calor se consideran
dispositivos de acoplamiento térmico
automodulados, que emplean el fenómeno
de cambio de fase como mecanismo de
transferencia de calor.
Tubo de Calor y sus componentes
Componentes principales
 Un contenedor hermético de buena conductividad
térmica.
 Una pequeña cantidad de un fluido de trabajo que
pueda cambiar de fase (por ejemplo agua, alcohol,
etilenglicol, propilenglicol, amoníaco, etc.), sin
gases no condensables.
Componentes principales
 Un mecanismo de “bombeo interno de líquido”,
por ejemplo una mecha o estructura capilar en el
caso de un tubo de calor.
 Un sistema de interconexión con el medio
ambiente, con delimitación de zonas de
transferencia de calor de entrada, de salida y zona
adiabática
FUNCIONAMIENTO
 Un extremo del tubo de calor (el evaporador) se
calienta, el fluido de trabajo de esta zona se
vaporiza absorbiendo un calor latente e
incrementando localmente la presión que impulsa
este vapor a través de la zona adiabática, hasta el
otro extremo del tubo (el condensador)
FUNCIONAMIENTO
 La temperatura es ligeramente inferior,
produciéndose la condensación y la reducción
local de presión favoreciendo el flujo másico del
vapor en el núcleo del tubo y liberando el calor
latente de cambio de fase induciendo el
calentamiento del condensador.
FUNCIONAMIENTO
 El liquido condensado fluye hacia el otro extremo
del tubo (el evaporador) bombeado por efectos de
la gravedad o efecto de fuerzas capilares.
COLECTORES DE VACÍO CON TUBO
DE CALOR
COLECTORES DE VACÍO
 El tubo de vacío es un cilindro de vidrio, con dos
capas coaxiales entre las que se ha practicado el
vacío. Está hecho de una única pieza, de forma
que uno de sus extremos es cerrado y el otro
abierto, siendo totalmente estanco. En su extremo
inferior dispone de un soporte metálico entre
ambas capas de vidrio, que le permiten absorber
vibraciones.
COLECTORES DE VACÍO
 Por el extremo abierto se introduce el Heat-Pipe,
que queda así totalmente envuelto por el tubo de
vacío, salvo por un extremo, lo que le permite su
conexión al depósito.
 Esta tecnología permite reducir en gran medida las
pérdidas por convección y conducción al quedar el
Heat-Pipe envuelto por el tubo de vacío.
COLECTORES DE VACÍO CON TUBO
DE CALOR
COLECTORES DE VACÍO CON TUBO
DE CALOR
 En este tipo de colectores el intercambio de calor
se realiza mediante la utilización de un tubo de
calor, que conceptualmente consiste en un tubo
hueco cerrado por los dos extremos, sometido a
vacío y con una pequeña cantidad de fluido
vaporizante (mezcla de alcohol) en su interior.
RECUBRIMIENTO SELECTIVO DEL
TUBO DE VIDRIO INTERIOR
 El tubo interior está tratado con recubrimientos
selectivos, que proporciona la más alta eficiencia
(95%) y estabilidad térmica, al tiempo que evita
pérdidas térmicas inferiores al 5%. La técnica del
tratamiento selectivo del tubo interior se realiza en
tres etapas:
RECUBRIMIENTO SELECTIVO DEL
TUBO DE VIDRIO INTERIOR
RECUBRIMIENTO SELECTIVO DEL
TUBO DE VIDRIO INTERIOR
 Primera capa: Capa de cobre de alta pureza de
baja emisión de radiación y reflexión hacia el
evaporador del heat pipe.
 Segunda capa: Capa de acero inoxidable ionizado
mezclada con gases de Argón y Nitrógeno.
 Tercera capa: Nitrato de Aluminio con muy baja
emisión (5%) y alta absorción (95%).
PROCESO DE FABRICACION
 Los tubos de vacío son de material vidrio
borosilicato 3.3 marca “SCHOTT “. Para realizar
el tubo de vacío hemos hecho uso de los siguientes
diámetros comerciales:
 -Diámetro externo: 46 mm
 -Diámetro interno: 37 mm.
TUBO VIDRIO INTERIOR
 Para el diámetro interior se utiliza el sulfato de
cobre para el cobreado y será recubierto por una
película de nitrato de aluminio en concentración
saturada,
TUBOS DE VIDRIO
TUBO INTERIOR TRATADO
SEPARACION ENTRE TUBOS DE
VIDRIO
TUBO DE COBRE O HEAT PIPE
 Seleccionamos la longitud, y los diámetros para el
tubo absorbedor y el condensador.
 - Tubo absorbedor: ½ pulg.
 - Condensador: ¾ pulg.
 - Longitud del absorbedor: 1.15 mts.
 - Longitud del condensador: 14 cm.
HEAT PIPE
CONDENSADOR
REFRIGERANTE
 En el interior del tubo de cobre va depositado el
fluido caloportador, para este caso se optó usar
una mezcla de agua + propilenglicol. El
propilenglicol cumple la función de refrigerante,
esto ayuda a que el agua no se congele en épocas
de heladas.
HEAT PIPE
 Los porcentajes de agua + propilenglicol, son
calculados en base a la temperatura mínima
histórica existida en Arequipa.
 Los datos históricos indican que la temperatura
mínima existida en arequipa ha sido de -2 ºC
 A este valor se le añade un valor de -5ºC
 Tdiseño = -2+(-5) = -7 º C
HEAT PIPE
 Porcentaje de propilenglicol= 20 % en peso.
 Entonces la mezcla será: 20% propilenglicol +
80% agua.
 La mezcla tiene que llegar aproximadamente
hasta un 30% del volumen total de la tubería de
cobre, esto se hace con la finalidad de que quede
un espacio libre en el cual pueda darse la
evaporación del fluido caloportador y su posterior
condensación en la parte superior.
HEAT PIPE
 D con L con
2
Vol total 
4
 D abs L abs
2

4
 Dcon = 5/8”, Lcon = 0.14m. Dabs=3/8”,
Labs=1.15m
 Vol total = 146.7 cm3
 Volmezcla = Voltotal*0.3 = 44 cm3
 Volagua = Vol mezcla*0.8 = 35.2 cm3
 Volpropi = Volmezcla*0.2 = 8.8 cm3
HEAT PIPE INYECTANDOLE
MEZCLA
HEAT PIPE HACIENDO VACIO
CONCENTRADOR COMPUESTO
PARABÓLICO
 Los CPC son estáticos y presentan una superficie
reflectante cuya sección es una curva compuesta
por dos curvas que para el caso de un absorbedor
cilíndrico, son una parábola y la envoluta del
absorbedor transparente
CPC
 Radio interno del captador: 42.8 mm
 Radio externo del captador: 46 mm
GEOMETRIA CPC
CPC
CPC TERMINADO
CPC Y TUBO DE CALOR
ECUACIONES UTILIZADAS PARA
CONVECCIÓN LIBRE

T  T w
T

f
2

Tα: Temperatura del fluido adyacente,ºC,
Tw: Temperatura de la superficie, ºC
Tf: Temperatura de película, ºC

Ti  To
T
 p
2

To, Ti: Temperaturas exterior e interior, ºC
Tp: Temperatura promedio, ºC
 
1
 Tα en ºK
T

Numero de Grashof
3


g

T

T
L
w

c
Gr 
2

Lc:
 Longitud característica, Do tubo, m; Lc = (Do-Di)/2, para
tubos concéntricos, m; ν: viscosidad cinemática m2/s;
 K: Conductividad Térmica W/m-ºK; Pr: Numero de Prandtl
ECUACIONES
R a  G r Pr
Nu 
hL c
 Numero Rayleigh
Numero Nusselt
k
h: Coeficiente de transferencia de calor por
ºK
convección, W/m2-
ECUACIONES CONVECCION
LIBRE
 Para superficie exterior cilíndrica
Nu



1

0 . 387 R a 6

  0 .6 

9


16
1   0 . 559 


 Pr 



8




27











2
Q c  hA w T w  To 
Qc: Calor por convección, W;
Aw = πDoL Área de transferencia de calor, m2
ECUACIONES CONVECCION LIBRE
 Para superficies concéntricas
F cil 
 Do 
 ln

D
i


4
3

 3
Lc  D i 5  D o 5


Do, Di: diámetros exterior e interior, m




5
Fcil: Factor geométrico
1
K ef
K


Pr

 0 . 386 

 0 . 861  Pr 
4
1
 Fcil R a  4
Kef: Conductividad térmica efectiva
Si Fcil*Ra ≤ 100 → Kef = K
Qc 
2  K ef L T i  T o 
 Do
Ln 
 Di




L: Longitud tubería, m
ECUACIONES UTILIZADAS PARA
RADIACIÓN
 Superficie exterior cilíndrica
Q r   w  A w T
4
w
 T
4

Tw, Tα: Temperaturas de superficie y del aire en ºK
εw: Emisividad de la superficie,
σ=5.67x10-8 W/m2-ºK4
ECUACIONES DE RADIACIÓN
Superficies Concéntricas
 A i T i  T o
4
Qr 
4

1   o  Di 



i
 o  D o 
1
Ai: Área interior; Qr: Calor por radiación, W
εi, εo: Emisividad interior y exterior; Di, Do: Diámetro interior y exterior;
Ti, To. Temperatura interior y exterior , ºK
CALOR TOTAL Y EFICIENCIA
 CALOR TOTAL PERDIDO
 Qt=Qc+Qr
 EFICIENCIA
 
I * A  Qt
I*A
Qt: Calor total ,W
RESULTADOS
EXPERIMENTALES






CÁLCULO TUBERÍA DE COBRE EXPUESTA A LA RADIACIÓN CON UNA
INCLINACIÓN 20º
Tα=18ºC, Tw=35ºC, Do=.010m, L=1.15m, εo=0.1
Calor pérdido por convección libre
Para Tf=26.5ºC=299.5ºK
K=0.025695 W/m-ºK, ν =1.585x10-5 m2/s,
Pr=0.7289
Gr =2216.5, Ra =1615.6 Ra≤1012
Nu = 2.9
h = 7.45 W/m2-ºK
 Qc = 6.86W


Calor pérdido por radiación
Tα = 291ºK, Tw = 308ºK
 Qr = 0.562W

Calor total perdido
 Qt = 7.43W


Radiación Solar 800W/m2, Área apertura = Do*L=0.0115m2
I = 800*0.0115 = 9.2 W
 Qu = 1.77 W
, η = 19.24%
RESULTADOS
EXPERIMENTALES
 CONCÉNTRICOS DE VIDRIO (VIDRIO TRATADO NEGRO
INTERIOR Y NORMAL b) TUBOS EN EL EXTERIOR) CON HEAT
PIPE

- Cálculo Tubo Exterior de vidrio y Ambiente

Tw = 28ºC = 301ºK, Tα = 18ºC = 291ºK
ν = 1.544*10-5 m2/s



K = 0.0256W/m2-ºK
→Tf = 23ºC = 296ºK
Pr = 0.73015
Convección Lc=Do = 0.046m
Gr = 135318.2, Ra = 98802.6, Nu = 7.78, h = 4.33 W/m2-ºK
 Qc = 7.2 W
 Radiación εw = 0.8 Aw = 0.1662m2
 Qr = 7.82 W
 Qt = 15.02 W

I = 800 W/m2*AaCPC = 800*0.15*1.15 = 138 W
 Qu = 138-15.02 = 123 W
º →
η = 89.13%
RESULTADOS
EXPERIMENTALES
 Cálculo Tubo vidrio negro y tubo vidrio exterior concéntricos
 Ti = 37ºC = 310ºK, To =28ºC = 301ºK, Tp = 32.5ºC = 305.5ºK
→





ν = 1.6315*10-5 m2/s
K = 0.026065W/m-ºK
Pr = 0.7275
Convección Do = 0.0428m, Di = 0.037m → Lc = 2.0*10-3m
→ Fcil = 0.036136
Gr = 26.48, Ra = 19.26, Fcil*Ra = 0.69 ≤100 → Kef = K
Qc = 11.64 W
Radiación εo = 0.8, εi = 0.4 , Ai =3.1416*0.037*1.15 =
0.1337m2
 Qr = 2.87 W
 Qt = 14.51 W
RESULTADOS
EXPERIMENTALES
 Cálculo tubo de cobre y parte interior tubo vidrio tratado
 To = 37ºC = 310ºK, Ti = 28ºC=301ºK, Do = 0.035m, Di =





0.010m Tp = 32.5ºC = 305.5ºK
K = 0.02665W/m-ºK, ν =1.6315*10-5m2/s, Pr = 0.7275
Convección Lc = 0.0125m, Fcil = 0.1827
Gr = 2120.59, Ra = 1542.7 , Fcil*Ra = 281.86 > 100 → Kef
= 0.03467
Qc = 1.8 W
Radiación
εo = 0.9, εi = 0.2, Ai = 3.1416*0.010*1.15 =
0.036m2
Qr = 0.42 W


 Qt = 2.22 W Calor que llega al tubo de cobre del tubo de vidrio
tratado quimicamente
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES



La eficiencia es alta cuando se coloca los tubos
concentricos , η = 89.13 %
Efectuar evaluación sin tubos tratados
Efectuar evaluación experimental para la
determinación de la razón de condensación i/o
evaporación
[email protected]
GRACIAS
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Evaluaciones Preliminares de un Tubo de vacio para