Proyecto PI 455 - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y
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1. m t prom Transmitancia vs tiempo 0 90 e reduc 0 89 5 9 088 5 5 15 8 m o E cc 2 1 0 95 S 0 87 0 5 8 0 86 0 096 0 5 0 85 1 0 N mero de d as de exposici n Fig 10 Variaci n de la transmitancia en funci n del tiempo de exposici n de la muestra condiciones ambientales Las determinaciones correspondientes al d a 7 y 52 fueron realizadas luego de tiempo lluvioso situaci n que podr a haber contribuido a la limpieza parcial de las muestras lo que explicar a el aumento en la transmitancia medida 17 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Los ensayos de laboratorio consistieron en someter a las muestras a sucesivas deposiciones controladas de polvo midiendo el peso y la transmitancia luego de cada deposici n De esta manera se correlacion la p rdida de transmitancia con la densidad de polvo La fig 11 presenta los resultados obtenidos adem s de la curva de ajuste resultante O experimental predicho Transmitangia Densidad de polvo g m Fig 11 Variaci n de con la densidad de suciedad depositado sobre la muestra y curva de ajuste En la fig 12 se representa la relaci n experimental y predicha entre la reducci n de la transmitancia y la densidad pa g m de polvo depositado sobre la muestra e Reducci n de la Transm2. Un Colector Solar Acumulador Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 1 N 1 Worsnop B L Flint H T 1965 Curso Superior de F sica Practica Tomo I Editorial EUDEBA Welty James 1978 Transferencia de Calor Aplicada a la Ingenier a Ed Limusa Termodin mica T cnica Carlos Garcia Librer a y Editorial Alsina 1987 TRNSYS Manual del Usuario versi n 1 81 Solar Energy Laboratory Universidad de Wisconsin 1997 Mastekbayeva G A Kumar S Effect of Dust on the Transmittance of Low Density Polyethylene Glazing in a Tropical Climate Solar Energy Vol 68 No 2 135 141 2000 Ahmad Y Al Hasan A new Correlation for Direct Beam Solar Radiation Received by Photovoltaic Panal with Sand Dust Accumulated on its Surface Solar Energy Vol 63 No 5 pp 323 333 1998 Garg H P Effect of Dirt on Transparent Covers in Flat plate Solar Energy Collectors Solar Energy Vol 51 pp 299 1974 Bistoni S Iriarte A Colector Solar Pl stico Caracter sticas y aplicaciones Proceedings of the Millenium Solar Forum 2000 p 387 Mexico 2000 Fraidenraich N Second Law Characterization of Stratified Thermal Storage Tanks Proceedings of the Millenium Solar Forum 2000 p 393 Mexico 2000 Enrique Barrera C Arias J E Lugo L Cano F J Influencia del flujo termosif nico con la altura del termotanque Proceedings of the Millenium Solar Forum 2000 p 179 Mexico 2000 Iriarte A Rodriguez C Luque V Calentad
3. Determinaci n de las p rdidas t rmicas nocturnas e Estudio de la degradaci n espectral a largo plazo de la transmitancia del material transparente de la cubierta por efecto de la radiaci n solar y de suciedad e Incorporaci n de un tanque colector acumulador Optimizar la t cnica de construcci n 25 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE CONCLUSIONES Sobre la base de los resultados obtenidos y presentados en forma resumida en los p rrafos anteriores se puede afirmar lo siguiente El colector solar pl stico propuesto puede ser usado como sistema de bajo costo para el calentamiento de agua de uso dom stico Se establece como par metro de dise o 10 litros por cada de 2m para asegurar una temperatura media de 50 C Este par metro permite dimensionar en funci n de las necesidades del usuario el tama o del colector y vol men del tanque Se determin experimentalmente una eficiencia de 25 lo que valida el an lisis t cno econ mico y las proyecciones realizadas en el Anexo I Se estima un costo aproximado de 300 para un sistema para calentar 100 lts de agua suficiente para uso higi nico en zonas rurales y aisladas e El dise o y construcci n del sistema es f cil y econ mico pudiendo ser realizado por el mismo usuario aprovechando botellas de gaseosa de descarte como cubierta transparente Anexo IT
4. Se debe destacar que todos los ciclos de calentamiento se realizaron cuidando que la temperatura que alcanzaba el sistema este siempre dentro del l mite de aplicabilidad de la ley de Newton esto es 20 C gt Tamb La fig 6 presenta un ciclo t pico de calentamiento enfriamiento En la misma se observa que la sc se mantiene en todo momento 1 C por encima de las otras temperaturas Se comprob que esto se deb a a un error sistem tico producido por diferencias entre los instrumentos de medici n ya que al intercambiar estos se revert a esta tendencia Por otro lado esta diferencia se encuentra dentro del intervalo de error indicado en las especificaciones del instrumento Corrigiendo esta diferencia aparente se concluye que dentro de los errores de medici n involucrados la masa de agua en el circuito se encuentra a la misma temperatura en todo punto del circuito hidr ulico La magnitud del caudal circulante por el circuito y la inercia t rmica debida a las pobres caracter sticas t rmicas de los materiales pl sticos que constituyen el colector explicar an serian la causa de esta fen meno Es posible entonces suponer al sistema como un cuerpo que absorbe pierde calor en forma uniforme solo a trav s de la superficie libre del colector haciendo aplicable la ec 4 gt a S o 2 2 40 60 tiempo min Fig 6 Ciclo t pico de calentamiento enfriamiento La fig 7 presenta los datos experimentales correspondie
5. UN DIA LST 6 ASSIGN TRNWINWEATHERMA4MAYO PRN 20 ASSIGN TRNWINMYWORKNCALEFON UN DIA OUT 21 ASSIGN TRNWINMYWORK NCALEFON UN DIA PLT 22 id JULY 27 2000 CALEFON SOLAR POR CONVECCION NATURAL SIMULA EL FUNCIONAMIENTO DE UN CALEFON SOLAR CON COLECTOR PLASTICO DE 5 RAMALES Y UN TANQUE DE 6016 Q EL FUNCIONAMIENTO ES PURAMENTE POR CONVECCION NATU RAL EL CAUDAL SE CALCULA A PARTIR DE LAS DIFEREN CIAS DE DENSIDAD DEL FLUIDO A LO LARGO DEL CIRCUITO REF Renewable Energy Resources p 101 R R K SIM 0231 WIDTH 72 LIMITS 20 50 CONSTANTS 6 COEF DE EXPANSION BETA 3 5E 04 VIZCOCIDAD CINEMATICA NU 0 66E 06 DIAMETRO DEL TUBO D 0 018 LONGITUD DEL TUBO L 2 SECCION DEL TUBO S 2 5E 04 CONST GRAVITATORIA G 9 8 PARAMETROS DEL TANQUE CONSTANTS 3 VOLUMEN LTS VOL 0 06 ALTURA 39 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE ALT 0 4 COEF DE PERDIDA TOTAL KJ hr M2 C U 1 3 34 PARAMETROS DE NIVEL CONSTANTS 3 ALT VERT 1 38 ALT C 0 4 D ENT SAL 0 32 TEMP AMBIENTE CONSTANTS 1 T AMB 30 UNIT 9 TYPE 9 DATA READER PAR 8 241 110201 30X F9 2 1X F9 3 1X F9 2 1X F9 2 EQUATIONS 1 RAD 9 1 3600 1000 UNIT 1
6. e Seextrapolaron los resultados obtenidos para 10 Its de agua a fin de ser aplicables a los 100 Its considerados Secorrigi la energ a solar medida sobre plano horizontal para tener en cuenta el ngulo de inclinaci n del colector e Se determinaron la radiaci n acumulada hasta medio d a y desde medio d a hasta la tarde integrando los valores experimentales de esta dentro de los intervalos considerados e Se consideran distintos escenarios de modalidad de extracci n de agua tabla 1 Encada caso se comparan los resultados obtenidos respecto del que se esperar a para el 31 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE mismo caso 1 Tabla 1 pero con fuente puramente el ctrica A modo de ejemplo se expone el caso de dos extracciones diarias caso 3 de la tabla de resultados Condiciones de trabajo dos extracciones 50 lts por la ma ana y 50 lts por la noche Al extraer 50 lts ingresan al tanque 50 lts a una temperatura de 20 Estos se mezclan con los 50 Its restantes a 50 alcanzando la mezcla una temperatura de 35 Aporte el ctrico La energ a el ctrica necesaria para elevar la temperatura de esta masa de agua al nivel de requerimiento normal 50 C es como m nimo Q m C AT 6 3 MJ Igual cantidad de energ a se necesitara luego de la extracci n de la noche por tanto el consumo diario total de energ a es de 12 6 MJ que equiv
7. formando un ngulo de 379 orientado hacia el norte y con solo 60 lts de agua en el tanque lo que determin una distribuci n de la masa de agua en el sistema de 12 lts ramal Al sistema se le adosaron sensores de temperatura a la entrada y salida del colector y dentro del tanque en tres puntos distintos a diferentes alturas Adem s se montaron dos sensores de radiaci n solar uno de tipo fotovoltaico en el plano paralelo al colector y otro en el plano horizontal de tipo EPPLY SPS Originalmente la idea era conectar todos estos sensores a un sistema de adquisici n autom tico de datos acoplado a una PC y realizar un monitoreo continuo de los par metros antes mencionados a fin de cuantificar p rdidas y ganancias de energ a a los largo del d a determinar el rendimiento actual del sistema y de sus distintos componentes y detectar posibles mejoras a introducir en el dise o Desafortunadamente al momento de tener todo el montaje listo y por cuestiones t cnicas los m dulos de adquisici n de datos no estaban operacionales por tanto se opt por PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE realizar mediciones diurnas en forma manual instalando dentro del tanque termoc plas de tipo K ubicadas una en la zona superior y la otra en el fondo del mismo Las lecturas de temperatura ambiente se realizan con un term metro de mercurio de 10 C a 100 1 Debido a qu
8. la construcci n del prototipo de calef n solar descrito este fue de 150 Ya que se trata de una soluci n de tipo h galo Ud mismo en el computo de costos no se tiene en cuenta la componente de mano de obra 2 2 Relativas al colector Objetivo espec fico Caracterizaci n del colector Para llevar a cavo el objetivo se realizaron una serie de experiencias tendientes a Determinar el coeficiente global de p rdidas t rmicas Determinar el efecto del viento en las p rdidas t rmicas Determinar la eficiencia del colector Comparaci n del PVC frente a otro material como absorbedor t rmico Ensayos sobre transmitancia de la cubierta transparente UE Evaluaci n de las p rdidas t rmicas y rendimiento Las tres primeras determinaciones tienen un fundamento te rico com n basado en una t cnica calorim trica simple que se describe en forma breve a continuaci n El calor que un cuerpo entrega al ambiente o absorbe de el en determinadas condiciones queda definido cuantitativamente por la ley de Newton 9 Seg n esta ley la perdida de calor en la unidad de tiempo es proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y el ambiente Una de las condiciones que debe satisfacerse para poder aplicar esta ley es que la diferencia de temperaturas sea peque a 20 La otra es que el ambiente mantenga una temperatura constante En general toda p rdida de calor es la suma de tres procesos convectivo radiati
9. mbito local haci ndolos tambi n accesibles a niveles poblacionales de recursos medios y bajos se hace necesario un abaratamiento de los costos de inversi n de capital A pesar del grado de desarrollo de esta tecnolog a nuevas ideas se ponen en pr ctica constantemente tendientes a la reducci n de costos mediante la utilizaci n de nuevos dise os y el uso de nuevos materiales En este contexto el GIDER Grupo de Investigaci n de Energ as Renovables del Departamento de Termodin mica y M quinas T rmicas de la Facultad de Ingenier a comenz a incursionar durante el 1998 en el calentamiento de agua utilizando materiales pl sticos de descarte para la construcci n del m dulo colector idea tomada por el director del grupo durante su visita a la Plataforma Solar de Almer a Espa a As durante los primeros meses del af o 1998 se realizaron ensayos experimentales preliminares con un sistema compuesto por un colector pl stico de un solo ramal y tanque de acumulaci n de 10 lts Posteriormente basados en los datos relevados se realiz un an lisis de viabilidad t cnico econ mica demostr ndose la potencialidad de tal configuraci n para funcionar como calef n solar de bajo costo ver Anexo I Tambi n durante el 1998 el grupo de investigaci n se encontraba involucrado en la b squeda e implementaci n de soluciones que posibiliten el mejoramiento de la calidad de vida en reas rurales dispersas haciendo uso
10. of a Novel Built In Storage Solar Water Heater Solar Energy Vol 57 No 5 pp 393 400 1996 Amer E H Nayak J K Sharma G K Transient Methods for Fplat Plate Collectors Review and Experimental Evaluation Solar Energy Vol 60 No 5 pp 229 243 1997 Spirl W Muschaweck J Kronthaler P Scholkopf W Spehr J In Situ characterization of solar Flat Plate Collectors Under Intermittent Operation Solar Energy Vol 61 No 3 147 152 1997 30 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE ANEXO I Evaluaci n Tecno Econ mica del sistema propuesto Basados en 409 como requerimiento normal de agua caliente la temperatura promedio de 50 C alcanzada por el agua del tanque en los ensayos realizados con el sistema de un solo ramal nos indica que el colector tiene buenas perspectivas como calentador de agua para uso en aplicaciones donde las exigencias de extracci n no son grandes ej dom stico Dadas las pobres caracter sticas t rmicas de los materiales empleados en la construcci n del colector se propone la incorporaci n de un tanque de agua de 100 Its que act e tambi n como colector y acumulador aumentando as la superficie de colecci n y mejorando el rendimiento del sistema En lo que respecta al aspecto econ mico podemos mencionar que la construcci n de un colector con 10 ramales m s conductos de retorno y acoples rondar a los U D100
11. 3 1999 propuesta que luego de haber sido sometida a evaluaci n interna y externa es homologada por dicha Secretar a recibiendo el c digo interno PIA55 Por todo lo anteriormente expuesto el presente documento representa el informe final correspondiente al citado proyecto En lo que sigue se transcriben a modo de referencia los objetivos planteados al momento de la formulaci n del proyecto y el cronograma original acerca de las metas propuestas Luego se exponen los diferentes ensayos llevados a cabo y los ensayos a n pendientes de realizaci n respecto a lo planteado en el cronograma original Por ltimo se presentan las conclusiones obtenidas a partir de todo lo realizado la producci n alcanzada en sus diferentes formas difusi n transferencia y formaci n de recursos humanos PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE OBJETIVOS Los objetivos del proyecto fueron los siguientes GENERAL Estudiar y caracterizar un colector solar de geometr a plana construido con materiales pl sticos de descarte para ser utilizado en un sistema de calentamiento de agua de bajo costo PARTICULARES 1 Profundizaci n del conocimiento sobre propiedades de los materiales pl sticos 2 Tipificaci n y cuantificaci n de las p rdidas t rmicas del sistema 3 Modelizaci n num rica del sistema 4 Evaluaci n t cno econ mica
12. 6 16 RADIATION PROCESSOR 9 311134 27 44487100 1 INP 6 RAD 9 19 9 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0237 0 EQUATIONS 5 AREA BAJO LA CURVA EVOLUCION DE DEL SISTEMA I 4 1 5 1 _ 2 _ T D ENT SAL 2 ALTURA DE TERMOSIFON H BETA I T VELOCIDAD DEL FLUJO m s V G D 2 H 32 L NU CAUDAL MASICO Kg hr CAUDAL V S 3600 1000 TOMA SOLO VALORES POSITIVOS DEL CAUDAL Q DOT CAUDAL GT CAUDAL 0 40 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE UNIT 4 TYPE 1 FLAT PLATE COLLECTOR PARAMETERS 11 3114 190 7 11 16 0 6 0 8 1 1 5 0 6 INPUTS 10 51 Q DOT 00 RAD 93 16 4 16 5 0 0 16 9 0 0 T AMB 0 0 T AMB 0 0 0 0 0 0 0 0 02 0 0 37 UNIT 5 TYPE 38 TANK PARAMETERS 17 1 VOL ALT 0 32 4 19 1000 0 088 1 U L 1 T AMB 0 0 1 0 1 3320 INPUTS 6 41 Q DOT 0 0 0 0 0 0 0 0 T AMB 00 TAMBO 92 0 0 EQUATIONS 2 I RAD 1353 4871 I SUR 16 6 1353 4871 UNIT 65 65 ONLINE PARAMETERS 14 2 4 0 1200 050 1 1 3 1 ll 2 2 0 INPUTS 6 I Q DOT 92 41 5 10 94 I sur Caudal T amb T av tank T exp LABELS 4 W m2 C m s Radiaci n Solar incidente W m2 Temperatura C UNIT 25 TYPE 25 PARAMETERS 15 11150212 11 4 12 4 13 4 14 4 15 4 INPUT 2 I 5 10 I sur T av tank END 41
13. AR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE agua caliente Tanque Colector i Ca er a agua fr a Soporte Fig 14 Sistema colector a ser simulado disposici n f sica Elecci n de las subrutinas TYPES a utilizar TYPE 1 SOLAR COLLECTOR Colector solar TYPE 9 DATA READER Lector de datos TYPE 16 SOLAR RADIATION PROCESSOR Procesador de radiaci n solar TYPE 24 QUANTITY INTEGRATOR Integrador TYPE 25 PRINTER Impresora TYPE 38 ALGEBRAIC TANK Tanque algebraico TYPE 65 ONLINE PRINTER Impresora on line Resultados obtenidos Para la modelizaci n del ramal colector se utiliz el formalismo de un colector plano te rico incluido en TRNSYS ya que este no cuenta con un componente matem tico que describa al colector f sico empleado De los par metros requeridos por el modelo algunos tomaron el valor v lido para el sistema f sico a partir de determinaciones experimentales o de tablas y otros se utilizaron como variable de ajuste La tabla 3 indica las caracter sticas obtenidas para el colector plano te rico que reproduce los resultados experimentales Par metro Valor Tipo de variable Area 1 m de ajuste Factor de eficiencia de aleta 0 7 de ajuste Ur Coef global de p rdida 11 16 kJ hr m Experimental ue Emitancia del ramal colector 0 6 De tabla Absorbancia del ramal 0 8 De tabla colector Coef de extinci n 0 6 Calculad
14. IO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE La tabla 2 resume los resultados obtenidos a partir de la serie de experiencias llevadas Cavo Tabla 2 Resumen de resultados obtenidos potencia adicional inyectada bomba fricci n etc coeficiente global de perdida T rendimiento del colector Unidades Condici n Valor Watt Sin calefactor 6 35 W m 2C Aire estanco 0 44 W m C Convecci n Forzada v amp 1 m s 3 1 0 62 radiaci n solar como fuente de calor 25 Es de destacar que el valor de 25 obtenido para la eficiencia convalida el valor asumido como hip tesis de c lculo para el dise o que se utiliz al momento de realizar la evaluaci n econ mica del sistema y que se detalla en el Anexo I Comparaci n del PVC frente a otro material como absorbedor t rmico La Fig 9 muestra la variaci n de temperatura para dos calefones de un solo ramal Ambos sistemas operaban simult neamente y eran id nticos en su construcci n a excepci n del elemento colector tubo de PVC negro en uno y tubo de hierro galvanizado tratado con pintura negro mate en el otro Col Hierro M Co PVC A amb 11 05 16 20 17 45 18 45 ora Fig 9 Evoluci n de temperatura para tubo colector de distinto material PVC y hierro galv
15. O CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE P g N 23 24 25 25 26 27 29 33 36 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE ANTECEDENTES y FUNDAMENTOS El uso de la energ a solar en sus diferentes modalidades secado calefacci n calentamiento etc re ne la mayor a de las condiciones buscadas en una fuente de energ a es ecol gica gratuita inagotable y simple de utilizar pero presenta la desventaja de ser dispersa y no siempre barata de implementar Actualmente los calef nes solares ya son tecnolog as bien desarrolladas y probadas al punto que en algunos pa ses su uso es promovido por medio de legislaci n adecuada pensada en el ahorro energ tico y preservaci n del medio ambiente Existen adem s tanto en el mbito nacional como internacional equipos comerciales para el calentamiento de agua para uso domestico de calidad t cnica variada En estos equipos los costos de mantenimiento son muy bajos y con durabilidad t pica superior a los 10 a os sin embargo el costo de inversi n de capital inicial es alto USD1000 803000 para sistemas t picos de tipo familiar con retornos de entre cuatro a siete a os dependiendo del tipo de energ a reemplazada electricidad o gas Dados estos n meros y teniendo en cuenta las caracter sticas socioecon micas de nuestro pa s si se quiere promover el uso de este tipo de sistemas en el
16. PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Universidad Nacional del Nordeste Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura Proyecto PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTOR SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE INFORME FINAL Responsable del Proyecto MSc Arturo Busso Personal Investigador Ing Qco Arturo Aeberhard Alumnos Pasantes Esteban Vicente Forastier Esteban Palasczuk Ju n Carlos Scaramellini Burgos PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE AGRADECIMIENTO Se desea agradecer a la Secretaria de Ciencia y T cnica de la Universidad por el apoyo brindado mediante los subsidios otorgados los cuales hicieron posible el cumplimiento de los objetivos generales propuestos INDICE ANTECEDEN TES y FUNDAMENTOS OBJETIVOS CRONOGRAMA ORIGINAL DESARROLLO 1 Metodolog a utilizada 2 Experiencias realizadas 2 1 Relativas al calef n solar 2 2 Relativas al colector 2 3 Modelizaci n ENSAYOS PENDIENTES CONCLUSIONES PRODUCCI N 1 Difusi n 2 Transferencia 3 Formaci n de RRHH REFERENCIAS ANEXO I Evaluaci n Tecno Econ mica del sistema propuesto ANEXO Detalles constructivos del colector pl stico ANEXO III Diagrama de Flujo y archivo de simulaci n TRNSYS PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUID
17. RIALES PLASTICOS DE DESCARTE ventear el aire atrapado en el circuito hidr ulico La bomba de agua era del tipo de las utilizadas en equipos lavarropa alimentada por 220V AC de una potencia de 75 Watt a circuito cerrado y caudal de 900 Kg h medido a circuito abierto El calefactor consist a en una resistencia inmersa en la corriente de agua conectada a un regulador de potencia y con una disipaci n m xima de 750 Watt a 220V AC La potencia inyectada al circuito era controlada mediante el monitoreo continuo de la tensi n aplicada y corriente circulante a trav s del elemento calefactor Para la medici n de la temperatura se emplearon termoc plas de tipo K en contacto con el fluido en diferentes puntos del circuito Se monitoreo la evoluci n de la temperatura del fluido en tres puntos diferentes antes del calefactor T e cal a la entrada del colector T ec y salida del mismo T sc Para reducir p rdidas hidr ulicas y t rmicas se minimiz la longitud de las cafier as de retorno y se las enfund en tubos aislantes de espuma de goma De esta forma el colector qued como nico elemento para el intercambio t rmico con el medio potencia T Fig 5 Dispositivo experimental utilizado en la caracterizaci n del colector Las mediciones de intensidad de radiaci n solar se realizaron con un solar metro fotovoltaico de tipo clase 3 10 error y las de velocidad de viento con un anem metro
18. Si esto sumamos el costo del tanque acumulador acondicionado para actuar como colector el costo total ascender a seg n nuestras estimaciones a los U D300 Si bien hasta este momento no contamos con datos suficientes sobre la respuesta del equipo en las distintas pocas del rendimiento del colector r gimen optimo de extracci n diaria etc entre otros consideramos que el sistema contribuir a un ahorro de energ a a lo largo del quedando pendiente para la fase siguiente de este estudio la determinaci n experimental de todos estos par metros relevantes para el funcionamiento ptimo del equipo A pesar de lo anterior y basados en la respuesta obtenida del sistema se estim el rendimiento del mismo y con este par metro se cuantific el aporte energ tico solar y la energ a suplementaria para diferentes escenarios de consumo propuestos A los efectos de este an lisis se realizaron ciertas suposiciones e FEl sistema se utilizar para calentar agua de uso dom stico Capacidad del tanque de agua 100 Its e Como requerimiento normal de temperatura del agua caliente se toma 50 C rradiancia diaria de 11 7 MJ m valor medido sobre plano horizontal durante uno de los d as ensayados e USDO 15 valor del Kw h Temperatura del agua de entrada al termotanque luego de cada extracci n de 20 Rendimiento del sistema 25 considera al sistema como ideal sin perdidas t rmicas
19. a con valores de tabla Tabla 3 Par metros para el m dulo colector utilizado en la simulaci n 22 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE En la fig 15 pueden muestra la presentaci n de datos experimentales obtenidos radiaci n solar incidente temperaturas del sistema caudal del fluido circulante energ a ganada y velocidad del viento para una semana de mediciones realizadas F Ace iria Temper 23 ELT T It Caudal A Dn 110 2200 ant 710 Box E E 2 un zm 5 E E 29 3066 P aai 12 143 ZB 18 EST Rz 1094 E 1902 Tama 1510 Fr Aj Esca Wahi raiz yaaa eis tuia dii rone tbc k12 PSA Fig 15 Presentaci n gr fica de los datos experimentales mediante TRNSYS En la fig 16 se muestra la comparaci n entre las temperaturas experimentales y simuladas para un d a determinado cualquiera La l nea en verde indica la temperatura media calculada en el interior del tanque y la l nea turquesa la temperatura registrada experimentalmente El registro de esta temperatura solo se realiz durante las horas de sol es por eso que se mantiene constante evoluciona y cae bruscamente para luego nuevamente hacerse constante Las diferencias entre ambas curvas son debidas a procesos f sic
20. alen a un costo mensual de aproximadamente 15 Aporte solar La energ a solar diaria incidente sobre el plano del colector es de H 12 6 MJ m La energ a solar til transferida al fluido viene dada por Qu 12 6 x 1 2 x 25 MJ m m 3 78 MJ La energ a el ctrica complementaria para lograr el calentamiento hasta los 50 C es 6 3 MJ 3 78 MJ 2 52 MJ Luego de la extracci n nocturna el aporte de energ a necesaria para disponer de agua caliente a la ma ana siguiente ser puramente el ctrico 6 3 MJ Por tanto los aportes diarios son Solar 3 78 MJ gt U D 5 mes 33 Elect 8 82 MJ gt U D10 mes 67 Total 12 6 MJ gt U D15 mes 100 Se procedi en forma similar para los otros casos analizados obteni ndose los siguientes resultados 32 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Aporte Aporte USD mes Modalidad Ma ana Medio d a noche Solar Eltco Solar Eltco l 3extracciones 50e 30 5 308 21 79 5 18 23 extracciones 20106 5015 50Hs 26 74 5 14 3 2 extracciones 50 lts 50 tls Tabla 1 yur E Emi La fig 1 presenta en forma gr fica las curvas de amortizaci n para cada caso En ella los costos acumulativos para los distintos escenarios de extracci n propuestos se comparan con los costos esperados para el caso 1 de la Tabla 1 Este se toma como re
21. anizado 16 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Se observa una completa concordancia en la evoluci n de dichas curvas manteni ndose una diferencia casi constante de 4 C entre ellas Las experiencias realizadas empleando PVC y hierro galvanizado como material colector indican al menos en principio una mejora de un 1096 en promedio en la temperatura media final del agua en el tanque acumulador A pesar de este aumento en la temperatura el an lisis de costo beneficio no favorece tal opci n ya que incrementa el tiempo de amortizaci n en un 50 Ensayos sobre transmitancia de la cubierta transparente Para determinar el efecto de la suciedad sobre la transmitancia de la cubierta transparente se llevaron a cavo dos ensayos diferentes uno de campo y otro de laboratorio bajo condiciones controladas En el ensayo de campo se emplearon seis muestras del material usado como cubierta transparente Estas se cortaron de forma cuadrada de 10x10 cm de lado fueron limpiadas cuidadosamente montadas en un soporte formando 37 con la horizontal y expuestas a condiciones ambientales en la terraza del edificio de la Facultad de Ciencias Exactas Bajo estas condiciones la transmitancia de las mismas se monitore durante casi dos meses tom ndose una lectura por semana La fig 10 muestra la variaci n de la transmitancia experimentada durante el per odo ensayado
22. cci n para este caso particular de laminas inclinadas a 37 norte disminuy a 0 97 despu s de 30 d as Este valor se encuentra 11 2 en el rango reportado por otros autores Combinando estas estimaciones se concluye que la cantidad de polvo acumulado al cabo de 30 d as es de aproximadamente 0 35 g m 19 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE 2 3 Modelizaci n Objetivo espec fico e Modelizaci n matem tica del calef n y convalidaci n del modelo frente a resultados experimentales e Determinaci n de los par metros caracter sticos de un colector plano te rico equivalente al colector ensayado Consideraciones generales Los sistemas termo energ ticos se caracterizan por exhibir una dependencia no lineal con las caracter sticas meteorol gicas El uso de t cnicas de din mica de fluidos computacional CFD y de simulaciones transitorias constituye el complemento ideal a la siempre necesaria experimentaci n El an lisis de sistemas altamente complejos como pueda ser una instalaci n solar t rmica completa para un edificio de viviendas puede realizarse de manera r pida con un software de simulaci n din mica como TRNSYS La simulaci n din mica es ordenes de magnitud m s r pida y econ mica que la experimentaci n en la que pequefios cambios en el sistema pueden significar costos de tiempo y dinero Con la potencia de c lculo de las co
23. de hilo caliente con 0 1 m s de apreciaci n Basados en el modelo te rico expuesto y suponiendo al colector como el nico elemento del sistema a trav s del cual se producen las p rdidas de calor se realizaron ensayos de laboratorio sometiendo al sistema a Calentamiento sin calefactor para cuantificar cualquier contribuci n adicional de energ a bomba fricci n otros e Ciclos de calentamiento enfriamiento bajo condiciones de convecci n natural ambiente estanco e Ciclos de calentamiento enfriamiento bajo condiciones de convecci n forzada simulaci n de viento ambiente con movimiento de aire Para este caso la velocidad media a la que se realizaron las determinaciones fue de 11 5 quedando pendientes determinaci n a velocidades mayores e Ciclos de calentamiento con energ a solar como fuente t rmica ensayos para determinar el rendimiento 13 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Durante el tiempo de cada ensayo se registraban a cada minuto las temperaturas del fluido temperatura ambiente y cuando el ensayo lo requer a tensi n y corriente sobre el calefactor velocidad del aire ambiente e intensidad de la radiaci n solar Mediante el programa ORIGINS 0 se ajustaron los datos correspondientes a la porci n del calentamiento Como funci n de ajuste se utilizo la 4 con Pot K y P K W como par metros de ajuste
24. de fuentes energ ticas no convencionales presentes en el lugar biomasa solar e lica hidr ulica actividades estas enmarcadas en el cronograma correspondiente al ltimo del PI 323 Sub proyecto 3 Desarrollo Rural Sustentable Mediante Energizaci n con Energ as Renovables no Convencionales sub proyecto bajo la responsabilidad ejecutiva del GIDER PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Debido a las caracter sticas del n cleo poblacional objeto del proyecto cualquier soluci n propuesta tendiente al aprovechamiento de fuentes renovables de energ a hacia necesario un abaratamiento de costos para promover el uso de este tipo de tecnolog as en grupos poblacionales de recursos medios bajos y en especial de reas rurales Los resultados alentadores obtenidos con el calef n pl stico ensayado la b squeda de alternativas para adaptar tecnolog as no convencionales al medio rural haci ndola simple y de bajo costo y la inminente finalizaci n del PI323 promovieron la decisi n de encarar un estudio m s exhaustivo acerca de las bondades y defectos del sistema propuesto De esta forma a fines del mismo se formaliza ante la Secretar a de Ciencia y T cnica de la UNNE la presentaci n de la propuesta de proyecto Estudio y Caracterizaci n de un Colector Solar Plano construido con Materiales de Descarte con una duraci n de dos a partir del 1
25. de un prototipo de calef n solar 5 Conclusiones CRONOGRAMA ORIGINAL Afio primero A o segundo Tareas ler 2do ler 2do sem sem sem Sem Revisi n y actualizaci n de bibliograf a especializada Ixxx Ensayo y evaluaci n del modelo experimental Corridas de simulaci n Ensayos de cubierta transparente envejecimiento y Ixxxxx xxxxx suciedad Ensayos de influencia del viento Ixxx Ensayos con colector optimizado y tanque de Ixxxxx almacenamiento colector Evaluaci n de resultados y estudio de costos Ixxx Informe final Ixx Publicaci n de resultados Ixx PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE DESARROLLO 1 Metodolog a utilizada El trabajo tuvo como marco te rico el proceso hipot tico deductivo realiz ndose trabajos de campo en laboratorio y en gabinete E trabajo se inici con una investigaci n bibliogr fica la cual se centr en la b squeda y recopilaci n de informaci n sobre tipos y datos t cnicos acerca de colectores para el calentamiento solar de agua propiedades de materiales pl sticos utilizados como cubiertas transparentes tipos de tanque de almacenamiento y modelizaci n de sistemas por termosif n Esta informaci n permiti realizar un mejor dise o del colector adem s de delinear con mayor detalle las experiencias a realizar tendientes a la caracterizaci n del col
26. e la forma de construcci n el colector es modular y puede f cil y r pidamente ser reparado y ampliado para satisfacer necesidades crecientes La degradaci n de la transmitancia de la cubierta transparente por efecto de acumulaci n de suciedad est dentro del rango de lo reportado en la literatura No se puede afirmar nada respecto del efecto de la radiaci n solar sobre dicho par metro e Mediante simulaci n matem tica se determinaron los par metros que caracterizan un colector solar plano equivalente Esto permitir a realizar predicciones mediante corridas de simulaci n mas realistas de comportamiento frente a diferentes escenarios de consumo mejorando as el dimensionamiento del sistema 26 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE PRODUCCI N 1 Difusi n Publicaciones 1 Determinaci n del Rendimiento y del Coeficiente global de P rdida de un Ramal Colector Pl stico Mediante un M todo Calorim trico Simple Busso Forastier Palaszczuk E Scaramellini J C Aeberhard A F Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 4 Tomo I pag 03 01 ASADES 2000 Calef n Solar de Bajo Costo con Colector Pl stico Plano Constru do en parte con Elementos de Descarte Perspectiva Econ mica Busso A Aeberhard A Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 3 Tomo pag 02 49 ASADES 1999 Calef
27. e PET liso como cubierta transparente El tanque de acumulaci n se construy sobre la base de un tanque de fibrocemento comercial de 100 lts La entrada de agua caliente proveniente del colector se ubic a mitad de la altura del tanque y la salida de agua fr a retorno al colector en su base seg n se aprecia en la misma figura La circulaci n del fluido era natural por termosif n PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE habi ndose prestado particular atenci n al aislamiento t rmico del tanque ca er as de retorno y ramales principales de alimentaci n de los tubos colectores a fin de minimizar transferencias de calor hacia o desde el medio ambiente Respecto a este ultimo punto el tanque fue revestido con una capa de poliuretano expandido de 2 de espesor las 5 de retorno se enfundaron en tubos aislantes de espuma de goma y recubiertas luego con una capa de papel aluminizado Ef i WI AN gt 2 dl MS a a BE gt JF mp on di Fig 1 Sistema de un solo ramal y tanque Fig 2 Prototipo de 5 ramales Todo el dispositivo fue montado en la terraza del Departamento de Termodin mica de la Facultad de Ingenier a sobre una estructura met lica desarmable como soporte para el tanque y colector que permit a la regulaci n del ngulo de inclinaci n de este ultimo elemento El colector se posicion
28. e la toma de datos se realiz de manera manual la frecuencia de la misma fue bastante irregular No obstante ello se trato en todo momento de mantenerla en aproximadamente cada 30 min excepto en ocasiones especiales tal como la ilustrada en la fig 3 intervalo entre las 14 00 y 17 00 hs Las determinaciones de velocidad de viento se realizaron solo en forma cualitativa ya que no se pudo montar el anem metro durante el periodo medido De todas formas dichas observaciones sirven como referencia para relacionar la posible influencia del viento en las p rdidas t rmicas del sistema La fig 3 presenta curvas de evoluci n de temperatura e intensidad de radiaci n solar obtenidas durante uno de los d as medidos La temperatura del agua se tom en dos puntos del tanque acumulador a 10 cm por debajo de la entrada del agua caliente al tanque Tsup y a 10 cm por encima del fondo del tanque Tinf El registro de intensidad de radiaci n solar se realiz en forma autom tica tanto en plano horizontal Hor como inclinado del colector Incl 50 gt 1200 00 Incl Tsup m Tinf 451 1000 00 40 4 35 800 00 30 25 600 00 Temp C 1 W m2 20 400 00 200 00 0 4 2 5 0 00 07 12 00 08 24 00 09 36 00 10 48 00 12 00 00 13 12 00 14 24 00 15 36 00 16 48 00 18 00 00 19 12 00 Fig 3 Evoluci n de las temperaturas del agua y ambiente y de I
29. ector propuesto 2 Experiencias realizadas 2 1 Relativas al calef n solar Objetivos espec ficos Dise ar y construir un calef n solar de bajo costo para el calentamiento de agua de uso dom stico Realizar los ensayos necesarios para determinar la performance del sistema Con estos objetivos en mente se comenzaron las tareas realiz ndose determinaciones experimentales suplementarias con el sistema de un solo ramal mostrado en la fig l determinaciones estas necesarias para encarar el disefio del prototipo de calef n solar a evaluar En el dise o del prototipo a evaluar se tomaron en cuenta las leyes f sicas fundamentales que rigen los procesos de transferencia de calor en sus diferentes formas radiaci n convecci n conducci n las propiedades t rmicas de los materiales a emplear y modelos b sicos de sistemas para el aprovechamiento de la energ a solar Se efectuaron los c lculos correspondientes siguiendo la metodolog a tradicional para tal fin y orientada hacia un sistema constituido por 5 ramales colectores y 50 lts de capacidad de tanque de acumulaci n El Anexo II expone detalles de la construcci n de los diferentes componentes del prototipo de calef n La fig 2 muestra el prototipo resultante El colector estaba formado por cinco ramales en paralelo compuestos cada uno de ellos por un tubo de PVC negro de de 2m de longitud como material absorbente de la radiaci n y botellas de gaseosa de 2 lts d
30. elve los componentes del sistema e itera para cada instante de tiempo hasta que el sistema de ecuaciones converge Las simulaciones son de car cter transitorio y pueden realizarse en los rangos de espacios de tiempo especificados por el usuario desde varias horas hasta varios segundos dependiendo del tipo de proceso que requiera ser estudiado El car cter modular del programa 20 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE permite al usuario tener tantos elementos bombas refrigeradores colectores solares etc como sea necesario en cualquier configuraci n Ya que los modelos de los componentes est n escritos en FORTRAN el usuario puede f cilmente modificarlos y generar nuevos componentes para tecnolog as no incluidas en la librer a est ndar Proceso de simulaci n Los siguientes son los pasos a seguir para formular el archivo con el c digo de simulaci n mediante el programa TRNSYS Estudio del dispositivo real Confecci n del modelo f sico Elecci n de las subrutinas TYPES a utilizar Trazado de un diagrama de flujo posce Cada componente puede ser representado por una caja la cual requiere un n mero de par metros constantes y entradas dependientes del tiempo y produce un conjunto de salidas dependientes del tiempo En general cada entrada a un componente debe ser unida a la salida de otro una constante o una variable definida por una ec
31. entamiento de agua en instalaciones donde ni las temperaturas ni los requerimientos de extracci n son altos ej uso domestico Desde el punto de vista econ mico se logra una reducci n en los costos de m s de un tercio con respecto a las opciones comerciales para igual prop sito que se pueden encontrar en el mercado Desde el punto de vista ecol gico el m todo propuesto plantea tambi n una alternativa de uso para un residuo tan com n en nuestros d as como son las botellas pl sticas de gaseosas 34 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE ANEXO Detalles constructivos del colector pl sticos Se presentan a continuaci n los detalles del proceso de construcci n del colector tanque de almacenamiento y estructura de soporte ERLEA Ez CALIENTE TERA 3 Py V V E A PLE E e o Lada We a UPA m F A T B PETI NEGRAS TE 3 4 1 EM T ll POLETE rm P g i 1 BOTELLA DE GASEOSA 1 E 4 qi Tele P n t Hir Detalle de materiales empalmes y dimensiones del prototipo de 5 ramales Acondicionamiento de las botellas a emplear como c
32. f cil no siendo as el caso de la temperatura ambiente Se nota que la temperatura media ambiente disminuy progresivamente siendo el d a 31 05 el mas fr o pero con mayor radiaci n solar incidente Se debe recalcar tambi n que la masa de agua por ramal de colector aument de 10 It ramal prototipo de una sola rama a 12 It ramal en el modelo actual Por tanto a igualdad de condiciones de operaci n esta diferencia provocar a que el sistema con menor cantidad de agua alcance una temperatura 2 5 C mayor que la que alcanzar a el otro sistema Este hecho junto con una temperatura ambiente media 5 C m s baja durante los ensayos podr an ser algunas de las causas para que la temperatura media del agua alcanzada en el tanque fuera 7 C menor que la alcanzada con el prototipo de una sola rama La temperatura media de agua de 43 indicar a que para poder satisfacer el requerimiento normal de agua caliente de 50 C har a falta una fuente de energ a suplementaria Para solucionar esto se plantearon dos alternativas a fin de lograr una mayor ganancia de colecci n y aumentar as la eficiencia del calef n 10 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE 1 Dada la modularidad del colector se podr a en forma sencilla y barata aumentar la cantidad de ramales 2 Incorporar un tanque colector acumulador Respecto del costo total de los materiales empleados en
33. ferencia por ser considerado como el m s desfavorable de todos los escenarios planteados Se asume adem s fuente energ tica puramente el ctrica Asumiendo entonces que el gasto de inversi n inicial est solamente dado por el costo del colector solar pl stico U S100 y tomando en cuenta el ahorro de costo energ tico debido al aporte solar USDS mes se espera un periodo m ximo de amortizaci n de aproximadamente dos a os F 1 600 Comparacion de costos 500 400 4 Costo cd 200 E Caso 2 100 4 A Caso 3y4 12 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Meses Fig 1 Gr fico de amortizaci n No debe perderse de vista que para el an lisis se parti de un rendimiento calculado en funci n de datos experimentales obtenidos con un prototipo sin aislaci n t rmica y durante un periodo de tiempo en d as muy corto Tampoco se han tenido en cuenta gastos extras que puedan surgir durante la instalaci n 33 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE No obstante ello los resultados obtenidos tanto experimentalmente como del an lisis anterior muestran que t cnicamente es posible utilizar este colector solar pl stico para el cal
34. itancia teorico m Reducci n de la Transmitancia exp 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 Densidad de polvo g m Fig 12 Reducci n de la transmitancia como funci n de la densidad de polvo depositado 18 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Como resultado de estos ensayos se obtiene una reducci n m xima porcentual de 1395 Los resultados obtenidos concuerdan cualitativamente con lo encontrado en estudios similares realizados en climas des rticos y tropicales De igual modo la fig 13 muestra el factor de correcci n por suciedad definido como el cociente entre la transmitancia de la cubierta sucia a la transmitancia de la cubierta limpia 1 000 0 995 0 990 0 985 0 980 0 975 Factor de correcci n por suciedad 0 970 0 10 20 30 40 50 D as de exposici n Fig 13 Factor de correcci n por suciedad como funci n de los d as de exposici n En dicho gr fico no se consideran los puntos correspondientes al d a 7 y 52 por no contribuir a la acumulaci n de polvo sobre la muestra Se aprecia adem s que entre los d as 15 a 27 el ritmo de decrecimiento del factor de correcci n es casi constante a diferencia de lo que sucede entre el d a 0 y el 15 Se presume que la alteraci n del ritmo de deposici n natural fue provocada por la lluvia producida el d a 7 De acuerdo a las observaciones el factor de corre
35. mputadoras actuales el estudio de sistemas complejos con simulaci n detallada v a t cnicas de discretizaci n finitas es altamente costoso en tiempo y requiere el uso de computadoras de ltima generaci n Por otro lado una simulaci n din mica al nivel de TRNSYS puede realizarse en computadoras personales El an lisis al detalle que permiten las t cnicas CFD aunque til y necesario para ciertos problemas no tiene mucho sentido cuando se pretende el an lisis de sistemas completos donde hay un n mero grande de par metros TRNSYS es un programa que soluciona ecuaciones algebraicas y diferenciales incorporando una librer a con los sistemas termo energ ticos m s comunes y dise ado especialmente para simulaciones transitorias TRNSYS adopta una estructura modular para la resoluci n de sistemas de componentes donde cada uno de los componentes se describe mediante una subrutina que en la nomenclatura que utiliza TRNSYS recibe el nombre de TYPE Esta t cnica modular permite analizar un sistema entero como la suma de componentes o sistemas individuales y la interconexi n entre stos TRNSYS tambi n dispone de subrutinas que permiten el tratamiento y dar formato de salida a los resultados de las simulaciones Para simular un sistema el usuario debe crear un archivo de entrada para el ejecutable de TRNSYS que consiste en una descripci n de los componentes que constituyen el sistema y sus interconexiones El ejecutable de TRNSYS resu
36. n Solar de Bajo Costo con Colector Pl stico Plano Constru do en parte con Elementos de Descarte Primeros Resultados Experimentales Busso A Aeberhard Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 3 Tomo I pag 02 53 ASADES 1999 Un Colector Plano Construido con Elementos de Descarte Viabilidad T cnica y Construcci n Busso A Aeberhard A Figueredo G Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 2 Tomo I pag 02 9 ASADES 1998 Presentaci n en Reuniones y Congresos l M todo Calorim trico Aplicado a la Determinaci n del Rendimiento y del Coeficiente Global de P rdida de un Ramal Colector Pl stico Busso A J Forastier E Palaszczuk E Scaramellini J C Aeberhard A F Reuni n de Comunicaciones Cient ficas y Tecnol gicas SCyT UNNE 2000 Perspectiva Econ mica de un Calef n Solar de Bajo Costo con Colector Pl stico Plano Busso A Aeberhard ACTAS TOMO IV pag 7 121 Reuni n de Comunicaciones Cient ficas y Tecnol gicas SCyT UNNE 1999 Primeros Resultados Experimentales de un Calef n Solar de Bajo Costo con Colector Pl stico Plano Busso A Aeberhard A ACTAS TOMO IV pag 7 121 Reuni n de Comunicaciones Cient ficas y Tecnol gicas SCyT UNNE 1999 Colector Solar Plano Pl stico Construido en parte con Elementos de Descarte Viabilidad T cnica y Construcci n Busso A Aeberhard A Figueredo G Actas de la Conferencia Cient fica Internacional Medio Ambien
37. ntensidad de radiaci n solar incidente La Tabla 1 transcribe las condiciones ambientales representativas reinantes durante los d as de registro as como los datos obtenidos que se presentan gr ficamente en la Fig 4 Las temperaturas de agua y ambiente son temperaturas medias y la intensidad de radiaci n solar es la m xima registrada durante el d a del ensayo PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Fecha I max T agua T amb D a Viento W m2 14 05 99 962 45 22 Claro Calmo 21 05 99 986 41 5 19 5 Claro Ventoso 31 05 99 989 42 16 3 Claro Moderado Tabla 1 Condiciones ambientales reinantes y datos registrados NJ C O Temp Rad Solar W m2 A e Y o o o Fig 4 Valores m ximos de Intensidad de radiaci n solar temperaturas medias registradas No obstante los pocos datos registrados en ese momento la tendencia de estos Fig 4 permiti inferir algunas conclusiones interesantes Se observa en la fig 4 que a pesar de que la radiaci n solar 1 aument la temperatura media del agua en el interior del tanque disminuy Este efecto pudo haber sido debido a mayores perdidas t rmicas por acci n combinada de temperatura ambiente y viento Al ser los datos de viento cualitativos la evaluaci n de su influencia se torna di
38. ntes a un proceso de calentamiento con la curva de ajuste superpuesta Se observa una buena correlaci n entre ambas lo que sustenta la validez del modelo 14 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE De modo similar se procedi durante los ciclos con movimiento forzado de aire y durante los ensayos de campo donde el calentamiento era ahora producido por la energ a solar incidente en el ramal colector En la fig 8 se observan los resultados t picos obtenidos para el caso de calentamiento mediante energ a solar grafic ndose en el eje de las abscisas la diferencia T Tamp En esta serie de mediciones se verificaba una diferencia entre la temperatura a la entrada y salida del colector por tanto en el an lisis y ajuste de datos se trabajo con la temperatura media del fluido La dispersi n de los puntos experimentales se debe a la variaci n de la temperatura ambiente durante la experiencia Data Data1 F Model calentamiento Chi 2 0 05097 P1 26 6903 0 7648 P2 0 03179 0 00133 o g 5 B S o 8 20 tiempo Fig 7 Ajuste de los datos experimentales aplicando la 4 C Data Data1 B Model calentamiento Chi 2 0 82597 P1 24 48657 2 44125 P2 0 02058 0 00301 a E 6 LI T 20 tiempo min Fig 8 Ajuste de datos experimentales con radiaci n solar como fuente de calor 15 PI455 ESTUD
39. ores de Agua con Residuos Forestales para uso Combinado con energ a Solar Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 2 N 1 pp 02 5 1998 Cortes A Jozami A Lucci F Estudio T cnico econ mico de Factibilidad de Empleo masivo de Termotanques Solares Dom sticos Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 2 N 1 pp 02 89 1998 Sharples S Charlesworth P S Full Scale Measurements of Wind Induced Convective Heat Transfer from a Roof Mounted Flat Plate Solar Collector Solar Energy Vol 62 No2 pp 69 77 1998 Tsilingiris P T Solar Water Heating Design A New Simplified Dynamic Approach Solar Energy Vol 57 No 1 pp 19 28 1996 Tsilingiris P T design Analysis and Performance of Low Cost Plastic Film Large Solar Water Heating Systems Solar Energy Vol 60 No 5 pp 245 256 1997 Fraser K F Hollands K G T Brunger A P An Empirical Model for Natural convection Heat Exchangers in SDHW Systems Solar Energy 1 55 No 2 pp 75 84 1995 Mohamad A A Integrated Solar Collector Storage Tank system with Thermal Diode Solar Energy Vol 61 No 3 pp 211 218 1997 29 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE 232 23 24 25 Bistoni S Iriarte A Calentador Solar de Agua de Bajo Costo Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 1 N 1 pp 89 1997 Kaptan I N Kilic A A Theoretical and Experimental Investigation
40. os en el sistema real que no son tenidos en cuenta en el modelo de simulaci n 23 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE F Orinando Pacspmami Ace in Esp inridar s Temper 152 ED T an Caudal 1200 5000 simulaci n sta 0 experimental TE E A m E E z Radiaci n solar x Dl 20 58 356 disso 125 1673 18603 an 1300 E PU ELA 24 hf aibi THREE cacas 3S Meca Er rera Fig 16 Comparaci n de las temperaturas experimentales y de simulaci n 24 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE ENSAYOS PENDIENTES Una comparaci n de los objetivos propuestos y el cronograma original con los ensayos realizados indica que en t rminos generales y dentro de las limitaciones con que se trabaj se han cumplido las metas impuestas A pesar de que los resultados obtenidos posibilitan una caracterizaci n medianamente buena del colector propuesto debido a diversas circunstancias quedan pendientes de realizaci n ensayos que ayudar an a n m s a predecir problemas futuros sobre todo respecto a la durabilidad de los materiales Entre estos puntos se puede mencionar Monitoreo continuo de las temperaturas del sistema
41. te Siglo 21 Universidad Central Marta Abreu de Las Villas Cuba junio 1999 27 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE 2 Transferencia Sistema para 100 Its montado el predio del establecimiento Granja Org nica Che Rovi Enero 2001 3 Formaci n de RRHH o Alumno Scaramellini Burgos Juan Carlos Pasant a para realizar trabajos en el proyecto PI455 Res N 747 00 Tema Estudio de la transmitancia de la cubierta transparente del colector o Alumno Palaszczuk Roberto Esteban Pasant a para realizar trabajos en el proyecto 1455 Res N 746 00 Tema Modelizaci n del sistema colector utilizando TRANYS o Alumno Forastier Esteban Pasant a para realizar trabajos en el proyecto PI455 Res N 730 00 Tema Determinaci n de la eficiencia del colector 28 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE REFERENCIAS 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Solar Hot Water Heating and Cooling Systems http www greenbuilder com sourcebook heatcool html Duffie J Beckman W Solar Engineering of Thermal Processes 2da Edici n Wiley New York 1991 Instalaciones de Energ a Solar Tomo III CENSOLAR Centro de Estudios de la Energ a Solar 2da Edici n 1991 Fasulo A Perello D Follari J 1997
42. uaci n Un diagrama de flujo muestra la manera en la cual est n interconectados todos los componentes del sistema Una salida dada de un componente puede ser usada como entrada de cualquier numero de componentes inclusive como entrada de si mismo Identificaci n l gica de cada componente Identificaci n e iniciaci n de las variables dependientes del tiempo Adaptaci n de los datos mediante ecuaciones y constantes Codificaci n de simulaci n ON SA El Anexo III presenta el detalle de los puntos 4 al 8 Estudio de dispositivo real y confecci n del modelo f sico La fig 14 muestra los componentes del sistema los que se describen a continuaci n El dispositivo consta de un nico colector solar cil ndrico construido con un tuvo de PVC negro de 18 mm de di metro el cual hace las veces de placa colectora recubierto mediante botellas de PET transparentes cubierta Todo el sistema colector mide 2 metros El tanque esta construido de material pl stico recubierto por una capa aislante de fibra de vidrio y poliestireno Tiene un volumen de 10 litros Las ca er as de conexi n entre el colector y el tanque est n constituidas por mangueras de 18 mm de di metro recubiertas por poliestireno expandido El sistema es por termosif n a circuito cerrado se trabaja sin carga Para una mejor comprensi n del sistema descrito se adjunta la siguiente figura 21 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOL
43. uantificar la potencia de la fuente de energ a solar en este caso y la eficiencia del proceso de transferencia de calor con solo realizar ciclos de calentamiento y posterior ajuste de los datos experimentales La aplicaci n de este m todo experimental simple a un sistema din mico como el nuestro colector solar pl stico implica primero poder asegurar el calentamiento y enfriamiento uniforme del mismo Para lograr este objetivo se trabajo con el efecto combinado de dos variables una la conductividad t rmica de los materiales pl sticos y la otra el caudal Las pobres caracter sticas t rmicas de los materiales pl sticos har a que para un caudal lo suficientemente alto la temperatura de salida del colector no var e apreciablemente de la de entrada asumi ndose el proceso de p rdida o ganancia como uniforme a lo largo de colector La fig 5 muestra el dispositivo experimental utilizado en los ensayos tanto de laboratorio como de campo El circuito hidr ulico estaba compuesto por un ramal colector de 2 mts de longitud similar al descrito anteriormente Este se coloc en todos los casos formando un ngulo de trabajo de 37 con la horizontal De esta forma el pequefio tanque abierto quedaba conectado a su extremo superior cumpliendo el doble prop sito de reponer cualquier p rdida de agua que pudiera producirse durante la operaci n del sistema y de 12 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATE
44. ubierta transparente A las mismas se les secciona la base y parte del cuello Tratamiento previos de enderezado de los ca os Estos se prensan y se mantienen al sol por unos 35 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE d as hasta adoptar una postura recta Detalle de los colectores principales Ramal colector completo Tanque de almacenamiento con el recubrimiento aislante de poliuretano expandido de 1 36 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Vista del modelo terminado y en funcionamiento 37 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE ANEXO III Diagrama de Flujo y archivo de simulaci n TRNSYS Diagrama de flujo UNIT 9 TYPE 9 DATA READER 2 UNIT 5 38 UNIT 16 16 RADIATION PROCESOR UNIT 4 TYPE 1 FLAT PLATE COLLECTOR 3 2 1 UNIT 65 65 UNIT 24 ON LINE GRAPHICS 24 INTEGRATOR QCHEK DIF Q dot 4 5 6 UNIT 25 TYPE 25 PRINTER 38 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Archivo generado con el c digo de simulaci n Asignaci n de las ubicaciones de los archivos de datos y de salida R R R ER R ASSIGN YRNWINMYWORKICALEFON
45. vo y conductivo Si los dos ltimos son despreciables entonces la p rdida de calor se produce casi con exclusividad por el movimiento de aire alrededor del cuerpo En forma matem tica la ley de Newton dice que 0 1 4 constante K depende de las propiedades de la superficie del cuerpo grado de pulimento extensi n de la superficie expuesta grado de limpieza etc Si ahora por alg n m todo se procede a suministrar energ a al cuerpo un balance energ tico determina que 11 PI455 ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE UN COLECTRO SOLAR PLANO CONSTRUIDO CON MATERIALES PLASTICOS DE DESCARTE Pot 2 t Llamando W al equivalente en agua del cuerpo la ec 2 se puede rescribir como pot y dt K T T 3 Ecuaci n que tiene una soluci n de la forma Kt S perg 4 K amb Si al tiempo ti cuando el valor de T se interrumpe el suministro de energ a la ec 3 se transforma en d T T W amb 5 Cuya soluci n K t t 6 T T m T Tim e T Las ecuaciones 4 y 6 constituyen las bases para los c lculos que exige el m todo empleado Por todo lo expuesto sometiendo al cuerpo a ciclos de calentamiento enfriamiento con potencia de inyecci n constante y conocida y ajustando luego los datos experimentales al modelo te rico es posible determinar el valor de K y W Ahora bien conocidos estos par metros se podr a c
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