COLECTORES SOLARES
Taller: Laboratorio de pruebas de termas
solares
XVI Simposio Peruano de Energia Solar
Arequipa, noviembre 2009
Alberto Montoya Portugal
Departamento Académico de Física, Escuela Profesional de Física
Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética
Universidad Nacional de San Agustín-Arequipa
[email protected]
Contenido
1.Principio de funcionamiento
2.Balance Energético y Eficiencia
3.Parámetros de diseño y dimensionamiento
1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El calentador solar consta de dos partes fundamentales
El colector
Elemento encargado de captar la energía del sol y transformarlo en calor.
•- Caja: Cavidad que contiene a los demás elementos.
•- Absorbedor Elemento encargado de transformar la radiación solar en calor. Se
trata de una superficie de color negro de diferentes características según el tipo
de colector
•- Cubierta (vidrio): Elemento transparente encargado de provocar el efecto
invernadero dentro de la caja para aumentar la temperatura y el aprovechamiento
del calor por el absorbedor
El acumulador o tanque
Depósito donde se almacena el
agua caliente para su consumo.
Para evitar que el agua pierda su
calor durante la noche el tanque
acumulador se halla termo
sellado con materiales aislantes
apropiados.
El acumulador y el colector están
unidos entre sí por tuberías.
Principio de Termosifon
La fuerza efectiva de empuje del agua caliente
hacia la parte superior esta dado por:
Fe  h . A (  T2   T1 ). g
Donde:
h: diferencia de altura entre parte inferior
del tanque y colector
A: sección eficaz de los ductos de
conexión(tanque-colector)
 T : densidad del agua a la temperatura T
T1: Temperatura del agua caliente (colector)
T1: Temperatura del agua fria (tanque)
El colector de placa plana
El efecto invernadero consiste en
que la radiación que ha atravesado la cubierta y llega a la placa captadora,
una parte es reflejada hacia la cubierta transparente con una longitud de
onda para la cual ésta es opaca, con lo que se consigue retener la radiación
en el interior.
(1) es la cubierta transparente, (2) la placa absorbedora, (3) el
aislamiento, (4) la radiación reflejada en el interior del colector, (5) la
radiación emitida por la cubierta al calentarse
2.Balance Energético y Eficiencia
ENERGIA SOLAR= ENERGIA INTERNA + PERDIDAS
donde: Tm 
ENERGIA SOLAR=  I T . A c . dt
Te + T s
2
S  I T . . . 1
IT .
radiación solar incidente

coeficiente de transmisión del colector
1
coeficiente de absorción de la placa
Te
temperatura de entrada del fluido
C: capacidad calorifica del colector
Ts
temperatura de salida del fluido
T: temperatura del colector
Ta
temperatura ambiente
Ac
área del colector
FR
factor de remoción del colector
UL
coeficiente global de pérdidas
ENERGIA INTERNA=  mCdT
m: masa colectora
PERDIDAS= UL.A(T-Ta)
Entonces la ecuación diferencial que da el comportamiento de la placa es:
I T A c  mc
dT
dt
 UL . A .( T  T a )
Cuya solucion es:
 ( UL . A / mc ) t
)
UL
C om portam iento de la tem peratura del am biente y de la placa,
T .P LA C A
en el colector con v idrio para un flujo del fluido prom edio de 0,54 L/m inuto
T .A M B
0
T E M P E R A T U R A ( 'C )
T  Ta 
I T  (1  e
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
55
55
50
50
45
45
40
40
35
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
0
1000
2000
3000
4000
T IE M P O ( s )
5000
6000
7000
8000
T  Ta
en t=0
y T max  T a 
I T 
en t=∞
UL
La velocidad de calentamiento s puede obtener con
La velocidad de calentamiento inicial sera:
dT
dt
dT
dt
 0  I T A  / mc
t0
Si el colector contiene agua se debe considerar a m como la masa total,y en vez de C
se tendria un valor de Cefectivo
Luego la energia util que se obtiene del sistema en equilibio es:
Q u  I T A   UL . A (T  T a )
Se introduce el factor de remocion FR que depende de los parámetros de diseno y
operación del colector
Q u . m  A c . FR .S  UL .T e  T a 
Luego se define la eficiencia del colector (ɳ)
1 .0
L inear R egression for D ata1_D :
Y = A + B *X
ɳ=
P aram eter
0 .8
V alue
E rror
------------------------------------------------------------
Energía térmica útil/ Energía solar incidente
A
0.7205 0.01097
B
-5.92954
0.23931
------------------------------------------------------------
 
A c . FR S  UL (T e  T a ) 
I T .A
0 .6
R
SD
N
P
------------------------------------------------------------0.98879

0.01888
16
< 0.0001
------------------------------------------------------------
0 .4
0 .2

(T e  T a 
  FR . ( )  UL

I
T


0 .0
0 .0 0
0 .0 2
0 .0 4
0 .0 6
0 .0 8
2
(T e -T a )/G T (°C m /W )
0 .1 0
0 .1 2
0 .1
3.Parámetros de diseño y dimensionamiento
Distribucion de la Temperatura entre Tubos
Ecuación diferencial de la
d•istribucion
de la Temperatura
.
entre Tubos
dT 
dT 


S  x  UL . x T  Ta     k .


k
.

 0 ........( 1)



dx  x 
dx  x   x

d
d
2
2
T
x

UL 
S 
T

T


 .......... ( 2 )
a
k 
UL 
Distribución de la temperatura en función de la
distancia entre los ejes de los tubos que es de 10cm
para diferentes coeficiente Global de perdida (UL)
Distribución de Temperatura
en la dirección del Flujo
Distribución de Temperatura
en la dirección del Flujo
• Se obtiene el comportamiento de
la temperatura en la dirección del
flujo , se puede observar que la
temperatura aumenta de manera
directa con la posición a lo largo
de los tubos.(Dirección del flujo)
También se podría estimar el valor
de UL comparando el
comportamiento experimental de
la variación de la temperatura a lo
largo de la dirección del flujo con
el comportamiento hecho por la
simulación
Comportamiento Del Coeficiente Global De
Perdida (UL) En Función De Emisibidad De
La Placa Absorbente (Ep)
• Se observa que UL aumenta con la
emisividad y la temperatura de la
placa ,para una temparatura de
80ºc que es la que alcanza la
placa negra de laton entre las 1113 hrs aproximandamente cuya
emisividad es 0.12 se obtiene un
valor de UL=3.5W/m2K.
UL ( Ep , Tp ) 
1


1
1
+


 hc 1 + hr 1 hc 2 + hr 2 ( Ep , Tp ) 
hr 2 ( Ep , Tp ) 
1
 1

1
+
- 1

E
E
 p

v

+
2
1
 1

1
+


 h k hc 3 + hr 3 
2

. . T p  T v . T p  T v

+ Ue
Comportamiento del coeficiente global de
perdida en función de la distancia entre
placa–cobertor variando la inclinación del
colector
Se puede observar que el valor de
UL es muy grande para pequeñas
distancias entre placa –cobertor ,y
tiene una fuerte dependencia del
ángulo de inclinación del colector
,en cambio se observa que a partir
de 2.5cm aproximadamente el
valor de UL es casi constante
UL ( l ,  ) 
hc
1


1
1
+


hc 2 (l,  ) + hr 2 
 hc 1 + hr 1
2
( l,  ) 
Nu
1 (l,
l
+
1
 1

1
+


hc 3 + hr 3 
hk
)  k
+ Ue
Comportamiento del coeficiente global de
perdida en función de la Temperatura de la
placa absorbente y la Temperatura del
cobertor (vidrio)
• El valor de UL aumenta pero no
muy significativamente con la
temperatura de la placa y del
vidrio del colector ,para un valor
de 80ºC de la placa y 60 ºC del
vidrio se obtiene un valor de UL
=3.41W/m2K..
UL ( Tp , Tv ) 
1


1
1
+


hc 2 + hr 2 ( Tp , Tv ) 
 hc 1 + hr 1
hr 2 ( Tp , Tv ) 
1
 1

1
+
1


Ev
 E p


2
+
1
 1

1
+


hc 3 + hr 3 
hk
2

. . T p  T v . T p  T v

+ Ue
Comportamiento del coeficiente Global de
perdida en función del espesor del aislante
• Se observa que el valor de UL
decae considerablemente con el
espesor del aislante térmico, pero
a partir de 5cm de espesor de
aislante
el
decaimiento
es
moderado siendo dicho valor
adecuado.
UL ( e ) 
1


1
1
+


 hc 1 + hr 1 hc 2 + hr 2 
h
k
+
(e) 
1
 1

1
+


 h k ( e ) hc 3 + hr 3 
k
a
e
+ Ue
Comportamiento del coeficiente global de
perdida en función del Angulo de inclinación
y la distancia de separación entre placa –
cobertor
• Se observa que el valor de UL
posee un valor de 3.5W/m2K,
manteniéndose casi constante
entre 10--20º de inclinación,
Siendo e valor de inclinación
adecuado de 16º de acuerdo a
la latitud de la región.
UL (  , l ) 
hc
1


1
1
+


hc
+
hr
hc
(

,
l
)
+
hr
1
1
2
2


2
( , l) 
Nu
+
1
 1

1
+


h
hc
+
hr
3
3 
 k
1 (,
l
l)  k
+ Ue
Comportamiento del coeficiente de
transferencia de calor por conveccion entre
el fluido y el tubo en función del diámetro
interno del tubo.
• Se observa que el coeficiente de
transferencia de calor (hd) es
inversamente proporcional al diámetro
interno del tubo,y que con el aumento
del flujo aumenta el hd,.Este valor se
relaciona directamente con FE(Factor
de eficiencia).Para un diámetro interno
de 1.2cm que es el mas utilizado y
para un flujo de 0.0022kg/s, se
obtiene un hd =900 W/m2K.
h d ( D , mf ) 
Nu
2
( D , mf )  N
o
Nu 2 (D, mf)  k a
D


a   Re(D,

mf)  Pr 

1  b  Re(D,

D 

l 
m1
D 
mf)  Pr 

l 
n
Comportamiento de la eficiencia de las aletas
del colector en función de su ancho (distancia
entre los centros de dos tubos)
• .Se observa que la dependencia
de la eficiencia de la aleta (F) no
es muy significativa para un ancho
de la aleta entre 10 y 12cm siendo
el valor de
F = 99,para un
ancho de 12cm .
F(w , D ) 
w
- D

tanh  m


m

2

2

w
1
2
- D 

2

- D 

2

 ancho .. de .. la .. aleta
2
m
w
 UL

 

k p   



2
Comportamiento de la eficiencia de las
aletas del colector en función del
espesor de la aleta (F)
• La eficiencia de la aleta aumenta
muy poco con el espesor de la
aleta ,siendo un valor de 99.1
para un espesor de 0.7mm de la
aleta ,que es una de las planchas
de latón mas usadas en la
construcción de colectores solares
F() 

tanh  m


m

2
2
( ) 
( ) 
w
w
- D 

2

- D 

2

1
 UL
 2
m 2 ( )  

k




p


Comportamiento de la eficiencia de las
aletas del colector en función del diámetro
interno del tubo variando la distancia de
separación entre los ejes de los tubos
• El aumento de la eficiencia de la
aleta es poco significativa con el
aumento del diámetro interno del
tubo, pero la eficiencia disminuye
con el aumento del ancho de la
aleta
F(D , w ) 

tanh  m


m

2

2

w
w
- D 

2

- D 

2

1
m
2
 UL 
 

k




 p

2
Comportamiento del factor de eficiencia (FE)
en función de la longitud entre los ejes de
los tubos haciendo variar el diámetro interno
del tubo
Se observa que a menor
distancia entre tubos aumenta
el
factor
de
eficiencia
obteniéndose un factor de
eficiencia de 96.1 para una
longitud entre tubos de 12cm.
1
FE ( w , D ) 
UL


1
1
1
w 
+
+

UL

(D
+
(w
D)

F(w))
c


D

h
b
d 

FACTOR DE REMOCION DEL COLECTOR (FR)
Se define una cantidad que relaciona la ganancia de energía útil de un colector en
función de la temperatura de entrada del fluido al colector

FR 
 1 - exp
A c  UL 

fm Cp
 - A c  UL  FE  


 f m  C p
 
fm
flujo del fluido
C
capacidad calorífica del agua
p
FE
factor de eficiencia del colector
GRACIAS
POR SU
ATENCIÓN
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Taller laboratorio de termas