EVALUACIONES PRELIMINARES DE UN TUBO DE VACIO PARA TERMA SOLAR

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.

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:

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
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 TERMINADO

CPC Y TUBO DE CALOR

ECUACIONES UTILIZADAS PARA CONVECCIÓN LIBRE
Tα: Temperatura del fluido adyacente,ºC,
Tw: Temperatura de la superficie, ºC
Tf: Temperatura de película, ºC
To, Ti: Temperaturas exterior e interior, ºC
Tp: Temperatura promedio, ºC
Tα en ºK
Numero de Grashof
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
Numero Rayleigh
Numero Nusselt
h: Coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2- ºK

ECUACIONES CONVECCION LIBRE
Para superficie exterior cilíndrica
Qc: Calor por convección, W; Aw = πDoL Área de transferencia de calor, m2

ECUACIONES CONVECCION LIBRE
Para superficies concéntricas
Fcil: Factor geométrico Si Fcil*Ra ≤ 100 -> Kef = K Do, Di: diámetros exterior e interior, m Kef: Conductividad térmica efectiva L: Longitud tubería, m

ECUACIONES UTILIZADAS PARA RADIACIÓN
Superficie exterior cilíndrica
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
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 Qt: Calor total ,W
EFICIENCIA

RESULTADOS EXPERIMENTALES
CÁLCULO TUBERÍA DE COBRE EXPUESTA A LA RADIACIÓN CON UNA INCLINACIÓN 20º
T α =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%

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, T α = 18ºC = 291ºK ->Tf = 23ºC = 296ºK ν = 1.544*10-5 m2/s
K = 0.0256W/m2-ºK 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 ε w = 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%

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

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

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by Roberto Valer on Feb 02, 2010

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