214 walter kehuarucho calefacción de una vivienda utilizando colectores solares planos

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214 walter kehuarucho calefacción de una vivienda utilizando colectores solares planos

  1. 1. •Mgt. D. Walter Kehuarucho C. •LIC . Abrahan Huaman C.
  2. 2. INTRODUCCION La conversión fototérmica, tiene muchas aplicaciones como el calentamiento de aire y una de ellas es, en el uso de calefacción para viviendas en las zonas alto andinas del Perú y así resolver el problema de friajes que se presentan en los meses de Mayo, Junio, Julio y Agosto de cada año, en todo el territorio de nuestro país. El Cusco tiene una densidad energética de 5,280 kWh/mmmm2222 de energía solar, esto nos permite desarrollar y aprovechar el flujo de energía solar en calefacción de viviendas en zonas urbanas y rurales de la región. Así mismo en éste trabajo de experimentación, se utilizó 2 colectores solares planos. región. Así mismo en éste trabajo de experimentación, se utilizó 2 colectores solares planos. La arquitectura solar pasiva, aparece como una corriente tecnológica moderna, de probada eficiencia, simple y altamente confiable, económica y de larga vida útil, consistente en dispositivos incorporados a la edificación. También en este trabajo se realizó la construcción de la vivienda con algunas recomendaciones técnicas, del mismo modo se realizó mediciones experimentales, para realizar un balance energético del confort de la vivienda.
  3. 3. ENERGÍAENERGÍAENERGÍAENERGÍA SOLARSOLARSOLARSOLAR Algunas definiciones formales de las cantidades más importantes que se manejan en el campo de la radiación. RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN....---- Es la energía electromagnética emitida, transferida o recibida. RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR....---- Término genérico para la energía radiante que emite el Sol. IRRADIANCIAIRRADIANCIAIRRADIANCIAIRRADIANCIA....---- Potencia solar incidente en una superficie por unidad de área. I (W/m2) IRRADIACIÓNIRRADIACIÓNIRRADIACIÓNIRRADIACIÓN....---- Energía solar incidente en una superficie por unidad de área. Es el resultado de integrar la irradiancia en un periodo de tiempo, H(Wh/m2). área. Es el resultado de integrar la irradiancia en un periodo de tiempo, H(Wh/m2). Cualquiera de los términos anteriores puede ser aplicado a cualquier rango de radiación espectral. La relación entre las diferentes magnitudes espectrales es la siguiente: donde: λ: Longitud de onda. K: Numero de onda : Frecuencia c: velocidad de la luz. υ
  4. 4. RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN DEDEDEDE ONDAONDAONDAONDA CORTACORTACORTACORTA (RADIACIÓN(RADIACIÓN(RADIACIÓN(RADIACIÓN SOLAR)SOLAR)SOLAR)SOLAR)....---- Es la radiación de longitudes de onda entre 0,2 µm a 4 µm, aproximadamente. RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN DEDEDEDE ONDAONDAONDAONDA LARGALARGALARGALARGA (RADIACIÓN(RADIACIÓN(RADIACIÓN(RADIACIÓN TERRESTRE)TERRESTRE)TERRESTRE)TERRESTRE)....---- Es la radiación de longitudes de onda de 4 a 100 µm aproximadamente. RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR DIRECTADIRECTADIRECTADIRECTA....---- Es la radiación solar que se recibe del ángulo sólido del disco solar. RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR DIFUSADIFUSADIFUSADIFUSA....---- Es la radiación solar procedente de toda la bóveda celeste. Está originada por RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR DIFUSADIFUSADIFUSADIFUSA....---- Es la radiación solar procedente de toda la bóveda celeste. Está originada por la dispersión de la radiación en la atmósfera. RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR REFLEJADAREFLEJADAREFLEJADAREFLEJADA....---- Es la fracción de la radiación solar (directa y difusa) que es reflejada por la superficie terrestre. RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR GLOBALGLOBALGLOBALGLOBAL....---- Suma de la radiación solar directa, difusa y reflejada.
  5. 5. RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR....---- Al incidir las ondas electromagnéticas sobre materiales, ceden su energía en forma de paquetes de energía o partículas sin masa, llamados fotones cuya energía es: E = energía (J) = Frecuencia lineal (Hz) h = constante de Planck = 6,6256 10 –34 J.s. Es posible medir la cantidad de energía que está asociada a cada una de las bandasespectrales, resultando así: 8% corresponde a (UV). 39% corresponde al visible (V). 49% corresponde al infrarrojo (IR). υhE = υ 49% corresponde al infrarrojo (IR). 4% corresponden a otros. La radiación que sale del Sol no es idéntica a la que llega a la superficie de la tierra puesto que debe atravesar la atmósfera. En esta se difunde por las moléculas que constituyen el aire, por el polvo y el vapor de agua. Se absorbe, en forma selectiva, por el ozono (UV corto), vapor de agua (IR largo) y el O2 y CO2, cuyas concentraciones varían con el tiempo. La cantidad de radiación absorbida o difundida depende de la trayectoria óptica de la radiación a través de la atmósfera. Cuando el sol está en su punto de máxima altura (mediodía solar) llega mucho más radiación, y con distinta calidad espectral, que cuando está cerca al horizonte.
  6. 6. IRRADIANCIA ESPECTRAL.IRRADIANCIA ESPECTRAL.IRRADIANCIA ESPECTRAL.IRRADIANCIA ESPECTRAL.---- Es la intensidad de la radiación recibida en cada longitud de onda. La irradiancia espectral extraterrestre; es decir, las recibidas sobre la capa exterior de la atmósfera presentamos en la siguiente grafica. En esta grafica se indica el porcentaje de intensidad que llega en cada una de las bandas.
  7. 7. LALALALA CONSTANTECONSTANTECONSTANTECONSTANTE SOLARSOLARSOLARSOLAR....---- Se denomina así, a la cantidad de energía que nos llega del Sol en la unidad del tiempo, por unidad de superficie normal a la dirección de la radiación incidente, en la superficie exterior de nuestra atmósfera. Lo llamaremos IIIICCCC y es la misma que se recibiría sobre la superficie de la Tierra en caso desuperficie de la Tierra en caso de que no hubiera atmósfera. medidas NASA IIIICCCC = 1 353 W/m2 , con un error de 1.5% 1978 FROHLICH Recomendó IC = 1 373 W/m2 , satélites NIMBUS Y MARINER. 1994 WORLD RADIATION CENTER (WRC) IIIICCCC = 1 367 W/m= 1 367 W/m= 1 367 W/m= 1 367 W/m2222 valor medio Standard con error de 1%
  8. 8. RADIACIÓN GLOBAL, DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADARADIACIÓN GLOBAL, DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADARADIACIÓN GLOBAL, DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADARADIACIÓN GLOBAL, DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADA La radiación solar, en su trayecto hacia la superficie terrestre, es parcialmente absorbida, reflejada y difundida por los constituyentes de la atmósfera. Aún al medio día, de un día claro con cielo limpio, la atenuación de la radiación directa está entre el 30 y 35%. YURI A. GONZALEZ GONZALEZ 35%. Para efectos prácticos que nos interesan, estos fenómenos de absorción, reflexión y difusión, dan origen a una descomposición de la radiación en la superficie terrestre en tres componentes; la directa, la difusa y la reflejada. La suma de estas tres componentes se llama Radiación Global, o hemisférica.
  9. 9. Nubes Aerosoles Limite de la atmósfera Reflejada al espacio Moléculas de aire Nubes Directa Difusa RADIACION RECIBIDA EN LA SUPERFICIE TERRESTRE
  10. 10. Radiación Global miden los piranómetros Radiación Directa miden los pirheliometros Fracción de horas de sol heliógrafos Podemos escribir: Ih = Id + Ib Hh = Hd + HbHh = Hd + Hb Ih : Radiación global; Id; Radiación directa; Ib; Radiación reflejada Hh : Irradiación global; Hd; Irradiación directa; Hb; Irradiación reflejada
  11. 11. COMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTO DEDEDEDE UNUNUNUN COLECTORCOLECTORCOLECTORCOLECTOR PLANOPLANOPLANOPLANO El comportamiento de un colector solar, debe entenderse bajo un punto de vista técnico de igual forma de cómo se interpreta el comportamiento de una maquina térmica cualesquiera, dentro del régimen que corresponda en cada caso. Esto significa que, luego de ser establecido el régimen de funcionamiento de un colector solar debe analizarlo considerando los diversos factores que gobiernan el mismo, el problema surge cuando comprobamos que aquel régimen de funcionamiento es, en estos casos, inestable o muy variable debido a que las fuerzas impulsoras radiación solar, velocidad del viento y temperatura del ambiente son inestables y variables lo que origina que no pueda hablarse de un radiación solar, velocidad del viento y temperatura del ambiente son inestables y variables lo que origina que no pueda hablarse de un régimen de funcionamiento estable y constante, sino de muchos regímenes que serían función directa de la variación de aquellas fuerzas impulsoras y entonces tenga que analizarse y/o proyectarse comportamientos diarios, mensuales, estaciónales o anuales representativos de esos mismos periodos lo que hace indispensable un análisis más o menos profundo de todos los parámetros que influyen en el funcionamiento del colector.
  12. 12. YURI A. GONZALEZ GONZALEZ
  13. 13. YURI A. GONZALEZ GONZALEZ
  14. 14. CALCULO DE EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLARCALCULO DE EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLARCALCULO DE EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLARCALCULO DE EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLAR El colector solar puede ser analizado como una maquina térmica en tanto que recibe una forma de energía, la transforma y entrega energía en la forma de fluido caliente, según se Ilustra en el esquema siguiente: Energía disponible COLECTOR )(m esp TTc −= • eTm& Energía perdida Energía útil
  15. 15. Por lo tanto y como se aprecia, estamos en condiciones de hablar de energía disponible, energía útil y energía perdida y consecuentemente pensar en términos de eficiencia que, en primer término podríamos representarla como: DISPONIBLEENERGIA PERDIDAENERGIADISPONIBLEENERGIA DISPONIBLEENERGIA UTILENERGIA EFICIENCIA − ===η PERDIDAENERGIA EFICIENCIA 1−==η DISPONIBLEENERGIA EFICIENCIA . 1−==η Expresión típica que expresa de manera general la eficiencia de una máquina térmica, sin embargo tratándose de colectores solares debemos tener presente que la energía útil obtenida, normalmente significa un fluido caliente, este aspecto y el que explicáramos seguidamente, lo diferencian notablemente de una máquina térmica cualesquiera.
  16. 16. BALANCE TÉRMICO Y EFICIENCIA DE UNBALANCE TÉRMICO Y EFICIENCIA DE UNBALANCE TÉRMICO Y EFICIENCIA DE UNBALANCE TÉRMICO Y EFICIENCIA DE UN COLECTOR SOLARCOLECTOR SOLARCOLECTOR SOLARCOLECTOR SOLAR Para un colector solar puede establecerse el siguiente balance térmico: CALOR ABSORBIDO POR EL COLECTOR CALOR ÜTIL EN EL COLECTOR CALOR PERDIDO DESDE EL COLECTOR CALOR ALMACENADO EN LOS MATERIALES DEL COLECTOR+ += ( ) ( ) ( ) ( ) T∆ ( ) ( ) ( ) ( ) t T McTTAUTTCmAH eqpapLesP ∆ ∆ +−+−= &τα El ultimo término de esta expresión representa la cantidad de energía que se pierde por el calentamiento que sufren los materiales que conforman el colector el que se hace cero para una situación de equilibrio considerando un estado de funcionamiento cuasi estable.
  17. 17. En la que: Qu= , y qu es el calor útil en el colector por unidad de área de superficie absorbedora. Entonces, la eficiencia, es: ( ) ( )apL u u TTUH A Q q −−== τα ( )esp TTcm − • incidentesolarEnergia colectorelenÚtilCalor =η ( ) ( ) ( ) • ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) H TTU HA TTC H TTU H q apLesPapLu m − −=⇒ − = − −== • ταηταη Esta expresión representa la eficiencia del colector considerando la transformación de energía solar que se produce y que queda acumulada transitoriamente como energía interna en la placa absorbedora, proceso entendido como "Transformación de Energía Solar en Calor", tomándola como energía útil en el colector.
  18. 18. ACUMULADORES Y ALMACENAMIENTO DE ENERGIAACUMULADORES Y ALMACENAMIENTO DE ENERGIAACUMULADORES Y ALMACENAMIENTO DE ENERGIAACUMULADORES Y ALMACENAMIENTO DE ENERGIA El acumulador de energía es un elemento cuya función es almacenar energía durante un cierto tiempo en forma de calor sensible o latente de acuerdo a la sustancia de acumulación, para luego cederla según los requerimientos de la necesidad. En nuestro trabajo de Investigación el acumulador seEn nuestro trabajo de Investigación el acumulador se ha utilizado la piedra de tipo pomepomepomepome por su capacidad de almacenar energía térmica, en un depósito de forma de un paralelepípedo, conteniendo en su interior la sustancia para la acumulación de energía y aislado convenientemente para que en la noche pueda ser utilizada.
  19. 19. USO DE PIEDRAS COMO SUSTANCIA DEUSO DE PIEDRAS COMO SUSTANCIA DEUSO DE PIEDRAS COMO SUSTANCIA DEUSO DE PIEDRAS COMO SUSTANCIA DE ACUMULACIÓNACUMULACIÓNACUMULACIÓNACUMULACIÓN El uso de piedras como sustancia de acumulación se debe principalmente por su capacidad de ganar y ceder calor con cierta facilidad, aunque no todos los tipos de piedras tengan esta característica que no son buenos conductores de calor. tengan esta característica que no son buenos conductores de calor. Para ello en nuestro caso se ha realizado algunas pruebas experimentales como en el caso de exponer las piedras pintadas de color negro mate, a la radiación directa del sol.
  20. 20. ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALORANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALORANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALORANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Cálculo del coeficiente volumétrico y transferencia de calor hv; donde: 650: factor de coeficiente volumétrico de trasferencia D : diámetro equivalente y esta dado por: 3 7.0 650 m W D G hv       = D : diámetro equivalente y esta dado por: donde: : Volumen neto de las piedras en el acumulador. Np : Número de piedras. G : flujo de masa por unidad de sección. p Np N VG D π = PNV
  21. 21. y si a esta relación agregamos las pérdidas que se producen en el acumulador tenemos: donde la temperatura del aire en cada estrato (Tfi) ( ) pfifv bi a Qi TTxAh dt dT xAC • −−∆=∆ −1 ...ρ ( ) pfifv bi a Qi TTxAh dt dT xC • −−∆=∆ −1 ..ρ donde la temperatura del aire en cada estrato (Tfi) está dado por: Donde: A : Área de sección del acumulador. : Distancia horizontal entre termocuplas. : A las condiciones que abandona el aire del colector ( )ibif C p vfif TT xA hTT mc i ,11 −       ∆ −= −•− X∆ C pCm       •
  22. 22. YURI A. GONZALEZ GONZALEZ Esquema que muestra la disposición del sistema experimental para el estudio de las piedras como sustancia acumuladora de energía.
  23. 23. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍAALMACENAMIENTO DE ENERGÍAALMACENAMIENTO DE ENERGÍAALMACENAMIENTO DE ENERGÍA El almacenamiento de energía es de importancia crítica para el éxito de cualquier fuente de energía intermitente a la hora de responder a las demandas fuertes. Este problema es especialmente grave en el caso deEste problema es especialmente grave en el caso de la energía solar debido a que se necesita el almacenamiento en su mayor parte cuando la disponibilidad solar es baja, principalmente en invierno (a nivel del mar), pero la irradiancia en el sur del Perú es apreciablemente bastante intenso.
  24. 24. ALMACENAMIENTO TÉRMICOALMACENAMIENTO TÉRMICOALMACENAMIENTO TÉRMICOALMACENAMIENTO TÉRMICO Cada sistema solar tiene un cierto grado de almacenamiento de energía térmica, bien proporcionado deliberadamente como un lugar para almacenar suficiente energía para suavizar las fluctuaciones de flujo de entrada o bien a través de la inercia térmica del sistema de colectores y fluido de transferencia térmica.colectores y fluido de transferencia térmica. Sin embargo, el almacenamiento térmico es utilizado durante un tiempo breve, medido en horas, lo cual en general no es suficiente para hacer que un sistema funcione a lo largo de todo el invierno.
  25. 25. FLUJO DE AIREFLUJO DE AIREFLUJO DE AIREFLUJO DE AIRE El flujo de aire tiene muchas similitudes con el del agua. Puede ser laminar y turbulento. El viento laminar adopta trayectorias de hilos paralelos a la superficie terrestre, en el viento turbulento los hilos adoptan trayectorias turbulentas de carácter helicoidal. El viento se hace turbulento a partir de cierta velocidadviento se hace turbulento a partir de cierta velocidad crítica (1metro/segundo). Además las irregularidades del relieve y la vegetación provocan turbulencias dinámicas. En nuestro caso necesitamos determinar el flujo del aire que atraviesa al colector. Para poder determinar la eficiencia de la misma.
  26. 26. νπν 2 . . RAm = Para ello utilizaremos la siguiente relación.
  27. 27. MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE LA VIVIENDAMATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE LA VIVIENDAMATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE LA VIVIENDAMATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE LA VIVIENDA PIEDRAPIEDRAPIEDRAPIEDRA La piedra es la sustancia mineral, sólida y compacta, ni terrosa ni de aspecto metálico. La piedra o roca se puede clasificar en tres grupos de acuerdo con su origen geológico: ígnea. Sedimentaria y metamórfica. ADOBEADOBEADOBEADOBE La palabra adobe según el diccionario es la masa de barro y paja en forma de ladrillo y seca al aire y se moldeada con un instrumento que se llama adobera.que se llama adobera. El adobe se hace de una arcilla calcárea arenosa o de cualquier arcilla desértica aluvial con buenas propiedades plásticas, que se secan constituyendo una masa dura y uniforme. Se puede utilizar mejor en climas áridos o semiáridos, en donde la arcilla es abundante y en los que pueden aprovechar con ventaja las excelentes propiedades aislantes de adobe. Por lo general los adobes miden de 3 a 5 pulgadas (76.2 a 127 mm) de altura, 10 a 12 pulgadas (254 a 304.8 mm) de ancho y 14 a20 pulgadas (355.6 a 508 mm) de largo.
  28. 28. Formas de Preparación de AdobeFormas de Preparación de AdobeFormas de Preparación de AdobeFormas de Preparación de Adobe ConConConCon PajaPajaPajaPaja....---- El material paja se agrega una vez que el barro este homogéneo para impedir que formen grietas, se usan especialmente en la construcción de viviendas en la tierra. ConConConCon pelopelopelopelo humanohumanohumanohumano yyyy salsalsalsal....---- Su uso es para la construcción de hornos, el pelo humano se introduce en ves del material paja por la misma razón anterior y se agrega sal para que acumule el calor del aire caliente. TejaTejaTejaTejaTejaTejaTejaTeja La teja es la pieza de barro cocido en forma de canal, que sirve para cubrir por fuera los techos, y sirve para el tejado por parte superior de una vivienda. La teja de barro es una pieza de este material hecha en forma de canal; usada para cubrir exteriormente los techos y no permitir la entrada de agua de lluvia a un espacio dejándola escurrir. En la época de la colonia se utilizaban casi en todas las construcciones formando así parte de nuestra identidad; todos las recordamos.
  29. 29. CarrizoCarrizoCarrizoCarrizo El carrizo es la planta gramínea, propia de lugares húmidos, que cuyos tallos se construyen cielos rasos. VentanaVentanaVentanaVentana Abertura más o menos elevada sobre el suelo, que se deja en una pared para dar la luz y ventilación. Hojas de madera y de vidrio con que se cierra esta abertura.de madera y de vidrio con que se cierra esta abertura. YesoYesoYesoYeso El yeso sulfato de cal hidratado que se emplea mucho en la construcción y en la escultura, después de deshidratado por la acción del fuego y molido por su propiedad de endurecerse con rapidez al mezclarse armarse con agua; se emplea en la construcción y en escultura y para cubrir una pared. PuertaPuertaPuertaPuerta VidrioVidrioVidrioVidrio
  30. 30. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN COLECTOR PARA CALENTAMIENTODISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN COLECTOR PARA CALENTAMIENTODISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN COLECTOR PARA CALENTAMIENTODISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN COLECTOR PARA CALENTAMIENTO DE AIRE Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALESDE AIRE Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALESDE AIRE Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALESDE AIRE Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALES DISEÑO DE LOS COLECTORESDISEÑO DE LOS COLECTORESDISEÑO DE LOS COLECTORESDISEÑO DE LOS COLECTORES Las viviendas en las zonas alto andinas de nuestro Perú (zonas rurales) deben orientarse adecuadamente en su construcción, para la conversión de la energía radiante (sol) en energía calorífica. Primeramente para diseñar un colector de aire se debe tener en cuenta algunos parámetros locales como son:tener en cuenta algunos parámetros locales como son: Volumen de aire a calentar (dentro de la habitación) = 64m3 Temperatura de aire a calentar Ti = 11ºC (Temperatura Inicial de la habitación) Tf = 27ºC (Temperatura final de la habitación) ∆T =Tf – Ti = 27ºC – 11ºC = 16ºC Energía solar promedio en Cusco, es: Kayra: 5,280kWh/m2 día.
  31. 31. haciendo Cálculos: donde: = 1,16 Kg/m3 TmCQ P ∆= Vm ρ= TVCQ p ∆= ρ aireρ V = 64m3 Cp = 1011,6J/kgºC Luego la energía es: C Ckg J m m kg Q º16 º 6,10116416,1 3 3 ×××= JQ 944,1201618=
  32. 32. Luego Q en unidades de kWh será: = 0,33378kWh (energía necesaria para calentar el volumen del aire dentro de la habitación cuando la temperatura se incrementa de 11 ºC a 27ºC) J kWhJ Q 3600000 144,1201618 × = %100 min ×= istradoSuEnergia NecesarioEnergia η Entonces: Luego el área del colector será: ministradoSuEnergia %100min ×= η NecesarioEnergia istradoSuEnergia 68.0 0.33378kWh min =istradoSuEnergia diakWhistradoSuEnergia /84706,21204min = 4 ./280,5 dia/6kWh21204,8470 2 == diamkWh Ac m2
  33. 33. INSTALACION DE LOS COLECTORESINSTALACION DE LOS COLECTORESINSTALACION DE LOS COLECTORESINSTALACION DE LOS COLECTORES VISTA DEL COLECTORVISTA DEL COLECTORVISTA DEL COLECTORVISTA DEL COLECTOR
  34. 34. VISTA DE CORTEVISTA DE CORTEVISTA DE CORTEVISTA DE CORTE
  35. 35. CALCULO DE ANGULO DE INCLINACION DE LOS COLECTORESCALCULO DE ANGULO DE INCLINACION DE LOS COLECTORESCALCULO DE ANGULO DE INCLINACION DE LOS COLECTORESCALCULO DE ANGULO DE INCLINACION DE LOS COLECTORES ANGULO DE DECLINACION: MEDIOS MENSUALES DEL SOL (Elaborado para el Hemisferio Sur) φδα −=
  36. 36. VISTAS DE INSTALACIONVISTAS DE INSTALACIONVISTAS DE INSTALACIONVISTAS DE INSTALACION
  37. 37. Esquema del colector solar instalado
  38. 38. INSTALACIÓN DE LOS DUCTOS (Tuberías)INSTALACIÓN DE LOS DUCTOS (Tuberías)INSTALACIÓN DE LOS DUCTOS (Tuberías)INSTALACIÓN DE LOS DUCTOS (Tuberías) Se ha utilizado tubos como ductos desde el colector que se encuentra en el techo de la vivienda, para trasladar el aire caliente hasta el interior de la vivienda, para lo cual se ha utilizado tubos de las siguientes características: Tubos PVC de tres pulgadasTubos PVC de tres pulgadas Codos de tres pulgadas Tes de PVC de tres pulgadas Yes de PVC de tres pulgadas Pegamento de PVC Pintura de color mate negro.
  39. 39. Toma de DatosToma de DatosToma de DatosToma de Datos Temperatura exterior e Interior de la viviendaTemperatura exterior e Interior de la viviendaTemperatura exterior e Interior de la viviendaTemperatura exterior e Interior de la vivienda
  40. 40. Radiación SolarRadiación SolarRadiación SolarRadiación Solar Tabla 2Tabla 2Tabla 2Tabla 2 Intensidad de en w/m2 (mes de mayo de 2009) tiempo en horas 11/05/2009 12/05/2009 13/05/2009 14/05/2009 15/05/2009 16/05/2009 17/05/2009 18/05/2009 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 6 50 6 50 30 20 10 10 10 7 222 198 241 96 92 49 52 50 8 406 389 430 323 347 438 458 391 9 573 568 576 456 462 600 637 601 10 714 724 705 633 624 706 737 719 11 784 819 787 506 519 753 780 778 12 794 838 809 514 532 771 796 814 13 750 799 786 447 485 756 762 776 14 632 671 682 268 291 679 708 725 15 525 546 580 457 514 530 557 557 16 368 368 421 132 144 373 398 380 17 132 134 176 45 55 185 198 168 18 0 0 0 0 0 0 0 0 19 0 0 0 0 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 0 21 0 0 0 0 0 0 0 0
  41. 41. HUMEDAD RELATIVAHUMEDAD RELATIVAHUMEDAD RELATIVAHUMEDAD RELATIVA Tabla 3Tabla 3Tabla 3Tabla 3 humedad Relativa en % tiempo en horas día 11/05/2009 día 14/05/2009 día 16/06/2009 día 16/06/2009 exterior interior exterior interior exterior interior exterior interior 0 54 57 53 56 54 57 54 57 1 54 56 54 57 54 58 54 58 2 56 59 55 58 56 61 56 61 3 58 61 57 62 59 60 59 60 4 59 63 60 62 61 63 61 63 5 61 62 61 62 62 62 62 62 6 59 61 52 58 48 56 48 516 59 61 52 58 48 56 48 51 7 60 65 70 73 91 85 72 74 8 63 64 69 70 78 70 59 54 9 59 64 67 69 50 52 35 38 10 51 66 64 67 43 43 33 35 11 34 63 58 63 34 52 27 34 12 33 53 53 57 26 30 33 35 13 25 52 49 56 24 31 25 36 14 25 48 45 48 28 48 22 34 15 30 46 39 47 18 31 26 36 16 33 43 36 49 21 23 37 35 17 38 42 34 36 32 47 20 33 18 42 44 33 37 46 51 35 50 19 43 45 42 46 45 49 45 60 20 48 51 49 52 48 52 48 52
  42. 42. GRÁFICOS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DEGRÁFICOS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DEGRÁFICOS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DEGRÁFICOS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE CALEFACCIÓNCALEFACCIÓNCALEFACCIÓNCALEFACCIÓN (11/05/2009)
  43. 43. (12/05/2009)
  44. 44. (14/05/2009)
  45. 45. (11/05/2009)
  46. 46. EFICIENCIA INSTANTÁNEA DE LOS COLECTORES.EFICIENCIA INSTANTÁNEA DE LOS COLECTORES.EFICIENCIA INSTANTÁNEA DE LOS COLECTORES.EFICIENCIA INSTANTÁNEA DE LOS COLECTORES. Es la razón del calor útil a la radiación instantánea incidente en el área neta del colector. Su evaluación se realiza en un día de funcionamiento del colector, donde se toman las mediciones correspondientes obteniéndose la curva de eficiencia de colector. La eficiencia instantánea se obtiene con la siguiente ecuación:ecuación: = 29,4108 % ( ) ( ) ( ) ⇒ − = − −== H TTCm H TTU H q esPapLu & ταη ( ) ( ) c esPapL AR TTCm H TTU . − = − = & η ( ) c esP c útil AI TTCm AI Q .. − ==⇒ & η %100 8613,3/809 )º1856)(º/6,1011)(/0239,0( 22 × × − = mmKW CCkgkWhskg η
  47. 47. Tabla de Cálculo de datos experimentalesTabla de Cálculo de datos experimentalesTabla de Cálculo de datos experimentalesTabla de Cálculo de datos experimentales (Día, 13 de Mayo del 2009)(Día, 13 de Mayo del 2009)(Día, 13 de Mayo del 2009)(Día, 13 de Mayo del 2009) Hora I (W/m2) Ac (m2) (Kg/s) Cp(KWh/Kg. °C Te ( °C) Ts( °C) Q util (Kw.h/s Eficiencia 06:00 50 3.8613 0.0239 1011.6 11.00 11.00 0.0000000 0 07:00 241 3.8613 0.0239 1011.6 11 11 0.0000000 0 08:00 430 3.8613 0.0239 1011.6 13 28 362.6586000 21.8421799 09:00 576 3.8613 0.0239 1011.6 17 45 676.9627200 30.4374822 m • 10:00 705 3.8613 0.0239 1011.6 18 52 822.0261600 30.1969428 11:00 787 3.8613 0.0239 1011.6 20 56 870.3806400 28.641842 12:00 809 3.8613 0.0239 1011.6 18 56 918.7351200 29.4108957 13:00 786 3.8613 0.0239 1011.6 19 55 870.3806400 28.678282 14:00 682 3.8613 0.0239 1011.6 16 53 894.5578800 33.9696073 15:00 580 3.8613 0.0239 1011.6 20 51 749.4944400 33.4662366 16:00 421 3.8613 0.0239 1011.6 20 38 435.1903200 26.7709379 17:00 176 3.8613 0.0239 1011.6 19 19 0.0000000 0
  48. 48. Grafica de Eficiencia Instantania 20 25 30 35 40 Eficiencia(%) Curva de Eficiencia 0 5 10 15 00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12 Tiempo en Horas (h) Eficiencia(%)
  49. 49. EFICIENCIA GLOBAL DE LOS COLECTORESEFICIENCIA GLOBAL DE LOS COLECTORESEFICIENCIA GLOBAL DE LOS COLECTORESEFICIENCIA GLOBAL DE LOS COLECTORES Es la energía útil generado por los colectores respecto a la total suministrada por el sol. Se calcula utilizando la siguiente expresión. ( ) c esP c Total G AH TTCm AH Q .. − ==η (de Santana y Palacios, 1985, pp 70 ) = 48,822%%100 )8613,3)(/.5130( )º2161)(º/.281,0)(40,860( 22 × − = mmhW CCkghWkg Gη
  50. 50. BALANCE DE ENERGÍA EN LOS COLECTORESBALANCE DE ENERGÍA EN LOS COLECTORESBALANCE DE ENERGÍA EN LOS COLECTORESBALANCE DE ENERGÍA EN LOS COLECTORES. Para desarrollar este balance necesitamos hacer algunos cálculos los cuales se presentan a continuación: Ingreso de calorIngreso de calorIngreso de calorIngreso de calor. Calor suministrado por el sol (promedio de los datos medidos). Qs = 5120W/m2 x 12h Qs = 5120 Wh/m2 = [(61560J/s x3600s)/1000] k =Qs = 5120 Wh/m2 = [(61560J/s x3600s)/1000] k = 221184KJ/m2 Entonces el calor cedido por el colector tenemos: Qc = 854057,78kJ cs AQQc ×= 2 2 8613,3221184 m m kJ Qc ×=
  51. 51. CALCULO DE PERDIDAS DE CALORCALCULO DE PERDIDAS DE CALORCALCULO DE PERDIDAS DE CALORCALCULO DE PERDIDAS DE CALOR COEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACA ABSORVENTE Y ELCOEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACA ABSORVENTE Y ELCOEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACA ABSORVENTE Y ELCOEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACA ABSORVENTE Y EL AIRE DEL DUCTOAIRE DEL DUCTOAIRE DEL DUCTOAIRE DEL DUCTO DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO DEL DUCTO (Dh) Para determinar este valor utilizaremos la siguiente relación:       + × = ab ab D h     + ab h
  52. 52. DETERMINACIÓN DEL NUMERO DE REYNOLDS (RDETERMINACIÓN DEL NUMERO DE REYNOLDS (RDETERMINACIÓN DEL NUMERO DE REYNOLDS (RDETERMINACIÓN DEL NUMERO DE REYNOLDS (Reeee)))) El número de Reynolds (Re) es una magnitud adimensional que esta dado por la siguiente relación: a ha e Dv R µ ρ r = (Fuente, Geankoplis, 1998, pp 57) Re = 3396,5331 aµ ( )( )( ) smkg msmmkg Re ./109268,1 0196,0./3./113,1 5 3 − × =
  53. 53. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE NUSSELT (NDETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE NUSSELT (NDETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE NUSSELT (NDETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE NUSSELT (Nuuuu)))) Para este dato emplearemos la siguiente relación: (Fuente, Earle, 1988, pp 55) Por otro lado de Santana y Palacios, (1985). En caso de L/Dh <60 multiplicar la ecuación por (1+Dh/L) 0.7 3/18.0 .023.0 reu PRN = de L/Dh <60 multiplicar la ecuación por (1+Dh/L) 0.7 Nu = 13,7098 7.0 3/18.0 1Pr.023.0       += L D RN h eu 7.0 3/18.0 11,2 0196,0 1)6957,0.()533,3396(023.0       += m m N u
  54. 54. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE CONVECTIVODETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE CONVECTIVODETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE CONVECTIVODETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACAENTRE LA PLACAENTRE LA PLACAENTRE LA PLACA ABSORBEDORA Y EL AIRE EN ELABSORBEDORA Y EL AIRE EN ELABSORBEDORA Y EL AIRE EN ELABSORBEDORA Y EL AIRE EN EL DUCTO.DUCTO.DUCTO.DUCTO. h = (Nu x K)/Dh (de Santana y palacios, 1985 pp 140) K: conductividad térmica del material de fondo (espuma de Poliestireno) = 0,036 W/mK (de(espuma de Poliestireno) = 0,036 W/mK (de Earle, 1988, pp 181). = 25,1813w/m25,1813w/m25,1813w/m25,1813w/m2222 KKKK m mw h 0196,0 /036,07098,13 × =
  55. 55. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DEDETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DEDETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DEDETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN ENTRE LAS PLACAS (CALOR POR RADIACIÓN ENTRE LAS PLACAS (CALOR POR RADIACIÓN ENTRE LAS PLACAS (CALOR POR RADIACIÓN ENTRE LAS PLACAS (hhhhrrrr)))) (De Santana y Palacios, 1985 pp140)         − − = rp rp r TT TT h 44 σ hr= 7,21687447w/m7,21687447w/m7,21687447w/m7,21687447w/m2222 KKKK       − − ×= − 92,29575,336 92,29575,336 10676,5 44 8 rh
  56. 56. CALCULO DEL FACTOR DE EMISIVIDAD GLOBAL (E)CALCULO DEL FACTOR DE EMISIVIDAD GLOBAL (E)CALCULO DEL FACTOR DE EMISIVIDAD GLOBAL (E)CALCULO DEL FACTOR DE EMISIVIDAD GLOBAL (E) Esta dado por la siguiente relación (de Santana Y palacios, 1985 pp. 140) 1 1 11 −         −+= rp E εε 2759,01 28,0 1 95,0 1 1 =      −+= − E
  57. 57. CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DECALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DECALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DECALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBEDORA YCALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBEDORA YCALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBEDORA YCALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBEDORA Y EL FLUJO DE AIRE.EL FLUJO DE AIRE.EL FLUJO DE AIRE.EL FLUJO DE AIRE. (de Santana y Palacios, 1985 pp.) r t hE sen h sen h h . 1 2 1 1 2 + += α α Donde: α es el ángulo corrugado de la placa absorbedora = 90º ht = 37,49746872W/m2 K 217,7)279,0( 1 2 º90 183,25 1 1 2 º90 183,25 + += sen sen ht
  58. 58. CALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR LA CUBIERTACALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR LA CUBIERTACALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR LA CUBIERTACALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR LA CUBIERTA TRANSPARENTE (UTRANSPARENTE (UTRANSPARENTE (UTRANSPARENTE (Utttt).).).). ( ) ( ) ( )( ) N FN N TTTT h fN TT T N U c pp apap wap p t −      −+ +−+ ++ +               +       − −         = − − ε εε σ 12 10425.0 ..1 . 344 1 22 1 Ut= 7,0855w/m2 K ( ) ( ) ( )( )[ ] 1 85,0 1789,0)1(2 95,01)1(0425,095,0 10676,5.29375,336.29375,336 1,17 1 489,01 29375,336 . 75,336 344 1 1 822 1 −      −+ +−+ ×++ +             +       − −       = − − − tU
  59. 59. CALCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR POR LA PARTECALCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR POR LA PARTECALCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR POR LA PARTECALCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR POR LA PARTE INFERIOR (INFERIOR (INFERIOR (INFERIOR (UUUUbbbb)))) e1: espesor de la placa de fondo( despreciable). e2: espesor del aislante (espuma de políestireno)=0.0254m k2: conductividad térmica de espuma de políestireno=0,036w/mK 1 3 3 2 2 1 1 −       ++== k e k e k e e k Ub k2: conductividad térmica de espuma de políestireno=0,036w/mK = 1,44 w/m2 K Luego la perdida global en el colector, es: UL = Ut + Ub = 7,0855W/m2K+1,44W/m2K=8,5255 W/m2K 1 /036,0 0254,0 −       = KmW m Ub
  60. 60. tAUQp cs .= PÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTORPÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTORPÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTORPÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTOR
  61. 61. ANÁLISIS DE LA VIVIENDA CON CALEFACCIONANÁLISIS DE LA VIVIENDA CON CALEFACCIONANÁLISIS DE LA VIVIENDA CON CALEFACCIONANÁLISIS DE LA VIVIENDA CON CALEFACCION Para analizar previamente se han medido la temperatura en el interior de la vivienda sin instalar el colector y también la temperatura instalando el colector y esta comparación tenemos en las graficas, y se observa eltenemos en las graficas, y se observa el aumento de temperatura como se planteo en la hipótesis. Esto es:
  62. 62. 20 25 30 35 40 45 50 Temperaturaen(ºC) Temperatura de la Vivienda en el Interior de La vivienda sin el Equipo Temperatura de la Vivienda en el Interior de La vivienda con Equipo 0 5 10 15 20 Tiempo en Horas (h) Temperaturaen(ºC) Temperatura de la Vivienda en el Interior de La vivienda sin el Equipo 11 10 10 10 9 9 10 13 15 16 18 21 22 23 24 25 20 19 18 15 15 14 12 12 Temperatura de la Vivienda en el Interior de La vivienda con Equipo 16 15 14 17 13 13 13 16 19 34 35 40 45 41 42 39 25 22 21 19 19 18 17 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
  63. 63. Análisis con Acumuladores Térmicos (Piedras)Análisis con Acumuladores Térmicos (Piedras)Análisis con Acumuladores Térmicos (Piedras)Análisis con Acumuladores Térmicos (Piedras) Variación de la temperatura en el acumulador:Variación de la temperatura en el acumulador:Variación de la temperatura en el acumulador:Variación de la temperatura en el acumulador: Tiempo (horas) Entrada (°C ) Medio (°C ) Salida (°C ) 6 11 11 11 7 11 11 11 8 19 19 18 9 36 34 33 10 36 35 34 11 40 40 40 12 50 49 49 13 45 41 43 14 45 42 42 15 39 39 38 16 23 22 22 17 21 19 16 18 20 19 18
  64. 64. Grafica del comportamiento de temperatura en el Acumulador 30 40 50 60 Temperaturaen(ºC) Temperatura en la entrada del Acumulador Temperatura en medio del Acumulador Temperatura en la Salida del Acumulador 0 10 20 30 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Tiempo en (h) Temperaturaen(ºC)
  65. 65. Tabla de temperatura durante las 24 horas en el interior de laTabla de temperatura durante las 24 horas en el interior de laTabla de temperatura durante las 24 horas en el interior de laTabla de temperatura durante las 24 horas en el interior de la vivienda con acumulador y sin acumulador.vivienda con acumulador y sin acumulador.vivienda con acumulador y sin acumulador.vivienda con acumulador y sin acumulador. Tiempo (horas) Sin Acumulador (ºC) Con Acumulador (ºC) 0 13 14 1 12 13 2 12 13 3 12 13 4 11 12 5 11 12 6 12 13 7 14 16 8 16 19 9 16 34 10 18 35 11 21 40 12 22 45 13 23 41 14 24 42 15 25 39 16 21 25 17 20 22 18 17 21 19 16 19 20 16 19 21 15 18 22 13 17
  66. 66. 25 30 35 40 45 50 Temperatuaen(ºC) Temperatura sin el Acumulador GRAFICA DE COMPARACION DE TEMPERATURA DEL INTERIOR DE LA VIVIENDA CON ACUMULADOR Y SIN ACUMULADOR 0 5 10 15 20 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tiempo en (h) Temperatuaen(ºC) Temperatura con Acumulador
  67. 67. COSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOSCOSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOSCOSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOSCOSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOS COLECTORESCOLECTORESCOLECTORESCOLECTORES Componentes Materiales Dimensión Cantidad Costo (S/.) Placa de la cubierta Vidrio 4mm de 0.91m x 2.11m 2 60,00 Capa de la placa absorbente Pintura negra mate no selectivas 2 frascos 2 24,00 Placa absorbente Plancha de acero galvanizado 0.8mm de 2.4mx 1.2m 2 162,00 Conductos del fluido Tubo PVC (pulgadas) de diámetro 7 71,00 Aislante Lana de vidrio (pulgadas) de 1.8m 15kilos 300,00 Caja Plancha de acero galvanizado 0.9mm de 2.4 x1.2m 2 108,00 Juntas Silicona 3 30,00 Medio de transferencia de calor Aire 3 Ventiladores 12voltios 36,00 Mano de Obra (S/.) 1000,00 Total (S/.) 1791,00
  68. 68. CONCLUSIONES 1. El aprovechamiento de la energía solar, utilizando colectores solares nos a permitido mejorar los parámetros climáticos de la vivienda . 2. La vivienda sin calentamiento tiene una temperatura promedio de 11°C y utilizando el calentamiento de aire se obtuvo una temperatura promedio de 27°C, entonces nuestro sistema espromedio de 27°C, entonces nuestro sistema es eficiente. 3. La eficiencia global del colector es de 48,82%, lo que significa que estamos dentro de los estándares 40-70%. 4. El sistema experimental diseñado y construido demuestra su eficiencia y aplicación en viviendas de nuestro medio .
  69. 69. GRACIAS EL CUSCO LOS ESPERAEL CUSCO LOS ESPERA

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