Calentador De Agua Solar Y Proceso De Formado Del Mismo.docx

CALENTADOR DE AGUA SOLAR Y PROCESO DE FORMADO DEL MISMO Juan Rojas-Delgado, Andrés Verdugo-Ochoa, Astrid Zaruma-Mora UNIVERSIDAD DEL AZUAY ABSTRAC The current project describes the design, construction and testing of the thermal performance of a solar collector in the form of a hermetically sealed rectangle for heating water or other liquids for domestic use. (Pless, 2009) The absorbent plate was constructed from an accessible material (glass) that is located on the upper face of the collector with measures of (23cmx33cm), the side walls including the base are made of plywood; two (20cmx33cm), two (20cmx33cm) and base (23cmx33cm) whose interior faces are lined with aluminum foil which, by means of solar radiation, transmits the heat to the surface of the collector, absorbing it and storing it inside for its respective heating. Measurements of temperature that was carried out 50 times with 2 glasses of different structural materials (glass - aluminum) giving us different values in each one of the data takings, by means of the use of digital thermometers that determine the initial and final temperature of the water in the glass in a time of 2.5 hours. The temperature of the water taken and obtained at the end of the day averaged between a range of 36.3 ° C to 41.3 ° C with both vessels. Then we took the glass with the most water heated and we timed the time in which the water temperature initially increases 7 ° C, this process is done 15 times. This design of solar water heater is well adapted, taking advantage of the high intensity of the solar radiation, sealed preventing the escape of heat being this rectangular; It is also easily billable hand, at low cost, starting from simple materials.

Keywords: Solar driver Resume En el actual proyecto se describe el diseño, construcción y pruebas del desempeño térmico de un secador solar en forma de un prisma rectángulo sellado herméticamente para el calentamiento de agua u otros líquidos para el uso doméstico.(Pless, 2009) La placa absorbente se construyó de un material accesible (vidrio) que va ubicada en la cara superior del colector con medidas de (23cmx33cm), las paredes laterales incluida la base están hechas de plywood; dos de (20cmx33cm), dos de (20cmx23cm) y la base de (23cmx33cm) cuyas caras interiores están cubiertas de papel de aluminio el cual mediante la radiación solar transmite el calor a la superficie del secador absorbiéndolo y almacenándolo en el interior para su respectivo calentamiento, con un costo aproximado de 70 dólares. Mediciones de temperatura que se realizó 50 veces con 2 vasos de diferentes materiales estructurales (vidrio – aluminio) dándonos valores diferentes en cada uno de las tomas de datos, mediante la utilización de termómetros digitales que determinan la temperatura inicial y final el agua en el vaso en un tiempo de 2,5 horas. La temperatura del agua tomada y obtenida al final del día promediaba entre un rango de 36.3°C a 41.3°C con ambo vasos. Luego tomamos el vaso con el que más se calentó el agua y cronometramos el tiempo en el que la temperatura del agua inicialmente incrementa 7°C, este proceso se realiza 15 veces. Este diseño de calentador solar de agua está bien adaptado provechando la alta intensidad de la radiación solar, sellada impidiendo el escape de calor, tiene la forma de un prisma rectangular; además es fácilmente mano facturable, a bajo costo y de materiales simples.

Palabras claves: Secador Solar

Introducción El agua caliente es un requisito esencial tanto en la industria como en el sector doméstico generalmente calentada por calentadores eléctricos. El calentamiento del agua representa aproximadamente una cuarta parte de la energía total utilizada en una vivienda unifamiliar típica(Maheshwaran & Kalidasa Murugavel, 2013). Un secador solar, es intercambiador de energía especial, convierte la energía de irradiación solar ya sea a la energía térmica del fluido de trabajo en aplicaciones térmicas solares, o a la energía eléctrica directamente en aplicación fotovoltaicas(Y. Tian & C.Y. Zhao, 2013). Un calentador eléctrico de agua es el mayor consumo de energía de todos los electrodomésticos, el calentador de agua solar puede reemplazar a los calentadores convencionales a pesar de que este tipo de calentadores de agua disponibles en los mercados, no se usen popularmente debido a su bajo rendimiento en condiciones de baja intensidad solar(Maheshwaran & Kalidasa Murugavel, 2013), su principal recurso es el sol por lo que las horas de sol deberán ser aprovechadas, en la mayoría de casos no es suficiente, ya que esta transmitirá calor al interior, para así llevar acabo el calentamiento de dicho experimento, y garantizar un producto final de características óptimas(«CAMBIO DE FASE PARA SECADO SOLAR Gabriel Eduardo Díaz Russo Miguel Angel Condori Fabiana Noelia Altobelli Gonzalo José Durán», s. f.). El uso de la radiación solar para el secado es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. Se usó desde los albores de la humanidad principalmente para la conservación de alimentos, pero también para secar otros materiales útiles como telas, materiales de construcción, etc.(Belessiotis & Delyannis, 2011,p. 1). La transferencia de calor al agua desde la placa de absorción de

vidrio depende de las conductividades térmicas de la placa y del vaso con el que se esté haciendo el experimento, el área de contacto, el tipo de contacto entre la placa de absorción y las paredes, el coeficiente de transferencia de calor entre el vaso y agua que se encuentre en él. Dicho secador debe ser compacto y aislante en su interior ya que la perdida de calor conductiva de las paredes laterales y posteriores, así como la superficie absorbente y base del colector no debe ser un problema. El aislamiento es una forma simple y efectiva de retener el calor. Los calentadores de agua solares generalmente están compuestos por una abertura acristalada sobre el área del absorbente con un espacio de aire optimizado para suprimir la convección ascendente y minimizar las pérdidas de calor, mientras se mantiene una alta transmisividad. El vidrio es el material más utilizado, ya que es resistente a la degradación de la radiación ultravioleta (UV) y tiene una muy buena transmisión a la radiación solar (hasta un 90%), así como una baja transmisión a la radiación térmica emitida por el absorbente. Aun así, aproximadamente el 60% de la pérdida de calor en edificios residenciales se puede atribuir a las áreas acristaladas.(Saint, Garnier, Pomponi, & Currie, 2018). El objetivo del experimento se basa en determinar la temperatura que mejores resultados presentó.

Fig.1. Vista transversal del colector solar(Lawrence, Pole, & Tiwari, 1990)

Metodología y materiales La elaboración de este proyecto se llevó a cabo durante los meses de noviembre y diciembre de 2018 en la Ciudad de Cuenca, Cañar y Zaruma con una temperatura promedio de 17°C a temperatura ambiente con un 70% de humedad relativa. (AEMET, 2011) Para esto se construyó un prototipo de calentador solar con materiales alternativos ya mencionados anteriormente como: plywood, aluminio y una placa de vidrio, tomando en cuenta que este tipo de calentador solar tiene dimensiones de +2cm a cada lado a las medidas de una hoja A4. Una vez armado el calentador se forro internamente con papel de aluminio. Se realizó las mediciones correspondientes directas con un termómetro digital, la temperatura se midió generalmente en el volumen del agua (130ml) que estaba reposado en el vaso inicialmente; se introdujo el vaso dentro del secador al tiempo ya determinado (2,5horas) para después de ese tiempo tomar una nueva medición de la temperatura final del agua; experimento que se realizó en el vaso de vidrio como en el de aluminio para determinar la variación de temperatura que existe entre ellos, por ende cada dato generado inicial y final se lo escribió en una tabla elaborada con su respectiva hora y medición de la temperatura ambiente inicial y final. El experimento se realizó 50 veces con el vaso de vidrio y 50 veces con el vaso de aluminio dándonos un total de 100 datos finales.Fig.2.

Fig.2. Secador solar

Tomamos la tabla de ambos experimentos y comparamos, se logró determinar que el vaso de vidrio es el que mejores resultados presentó (Temperaturas más altas), así que se realizó un tercer experimento con el mismo en el que se observó en que tiempo cronometrado el agua incrementa su temperatura inicial 7°C. Fig.3. Una vez determinado todos los datos se procedió a realizar un informe descriptivo sobre todo el experimento.

Fig.3. Experimento 3 Resultados Se obtuvieron pruebas diarias de rendimiento del calentador solar de agua que funciona en condiciones ambientales variadas de alta y baja intensidad de radiación. En la Tabla.1. se muestra un promedio de los datos tomados. Las condiciones ambientales muestran que en la mayoría de toma de datos diarios es favorable la temperatura ambiente ya que existió la presencia e intensidad de radiación total, hay que tener en consideración la sensación térmica.

Tabla.1. Promedio de temperatura del agua en los vasos (aluminio- cristal)

TEMPERATURA °C

PROMEDIO 19 18.506 18.5 17.98

18 17.5

1 ALUMINIO

De acuerdo al análisis descriptivo se observa que en el día 10 y 8 de diciembre existe en la tabla de frecuencia el número más alto correspondiente a los 13°C, valor que es equivalente a la moda con una frecuencia de 2. El valor central del grupo de datos es de 18,506°C. La mediana al igual que el cuartil 2 de nuestros datos ordenados tiene un valor de 19,25°C y los datos alrededor de la media están dispersos a 80,657°como se observa en la Tabla.2. Los valores que presenta en el vaso de aluminio son:

VIDRIO

hay varios valores con equivalentes frecuencias altas, lo que es de tipo multimodal. El valor central del grupo de datos o media obtenida es de 17,98°C. La mediana al igual que el cuartil 2 de nuestros datos ordenados tiene un valor de 17,85°C. El rango de nuestra tabla estadística es de 41,9°C Los datos alrededor de la media están dispersos a 91,4869°. La desviación estándar son todos los datos que están alejados de la media a un valor de 9,564°C. Tabla.3.

TEMPERATURA °C

Tabla.2. Indicadores estadísticos del vaso de vidrio.

91 84 77 70 63 56 49 42 35 28 21 14 7 0

Varianza, 80.6577

Media, 18.506 Moda, 13

0

1

2

Mediana, 19.25

3

4

Desviación Estándar, 8.98096

5

6

TEMPERATURA °C

Tabla.3. Indicadores estadísticos del vaso de aluminio.

98 91 84 77 70 63 56 49 42 35 28 21 14 7 0

Varianza, 91.4869

Desviación Estándar, 9.56488 Media, 17.98 Mediana, 17.85

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

DISCUSIÓN Y CONCLUSIÓN Los resultados experimentales discutidos señalan algunos descensos en la temperatura, de los datos por lo tanto estos toman valores negativos. La temperatura del vaso de vidrio durante el periodo de insolación calienta más el agua que contiene, con respecto al vaso de aluminio ya que el vidrio mantiene por un periodo más prolongado el calor. Se observó mediante el promedio estadístico que los valores finales de ambos vasos, tienen una diferencia pequeña en sus niveles; por consiguiente, se procedió a realizar el tercer experimento, en el vaso de vidrio. Se puede

concluir de acuerdo a los datos tomados en diferentes ciudades, dependiendo las altitudes de cada uno de estos puntos: Cuenca que se encuentra a una elevación aproximada de 2583m.s.n.m (Garcés, 2013),Cañar con una altitud aproximada de 3160 m.s.n.m (GNU, 2012), Zaruma con una altitud aproximada de 1200m.s.n.m (ACADEMIC, 2000). De acuerdo a los datos tomados en dichas ciudades se comparó las diferentes temperaturas y se observó que los datos tomados varían entre si dependiendo la altitud.

MATERIAL ADJUNTO Aplicación de toma de temperatura Ambiente

EXPERIMENTO 1.2. Recopilacion de datos en los vasos (Vidrio- Aluminio)

EXPERIMENTO.3. INCREMENTO DE 7°C DEL AGUA

REFERENCIAS Belessiotis, V., & Delyannis, E. (2011). Solar drying. Solar Energy, 85(8), 1665-1691. https://doi.org/10.1016/J.SOLENER.2009.10.001 CAMBIO DE FASE PARA SECADO SOLAR Gabriel Eduardo Díaz Russo Miguel Angel Condori Fabiana Noelia Altobelli Gonzalo José Durán. (s. f.). Lawrence, S. A., Pole, A., & Tiwari, G. N. (1990). Performance of a solar crop dryer under PNG climatic conditions. Energy Conversion and Management, 30(4), 333-342. https://doi.org/10.1016/0196-8904(90)90035-W Maheshwaran, S., & Kalidasa Murugavel, K. (2013). Experimental study on spiral flow passive solar water heater. Applied Solar Energy, 49(2), 89-92. https://doi.org/10.3103/S0003701X13020060 Pless, R. C. (2009). A Flat Solar Collector Built from Galvanized Steel Plate , Working by Thermosyphonic Flow , Optimized for Mexican Conditions Un colector solar plano construido de lámina de acero galvanizada , operando. 1, 269-283. Saint, R. M., Garnier, C., Pomponi, F., & Currie, J. (2018). Thermal performance through heat retention in integrated collector-storage solar water heaters: A review. Energies, 11(6). https://doi.org/10.3390/en11061615 Y. Tian, & C.Y. Zhao. (2013). A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications. Applied Energy, (104), 538-553. https://doi.org/10.1016/J.APENERGY.2012.11.051

ACADEMIC. (s.f de S.F de 2000). Obtenido de http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/268277 AEMET, F. y. (s.f de octubre de 2011). TiempoyTemperatura.es. Obtenido de tiempo de cuenca,Ecuador: http://tiempoytemperatura.es/ecuador/cuenca.html#por-horas Garcés, J. (29 de 04 de 2013). foro ecuador.ec. Obtenido de http://www.forosecuador.ec/forum/ecuador/educaci%C3%B3n-y-ciencia/124159ubicaci%C3%B3n-geogr%C3%A1fica-de-cuenca-ecuador-%C2%BFcu%C3%A1l-es-suubicaci%C3%B3n GNU, L. P. (s.f de s.f de 2012). Asociación de Municipalidades Ecuatorianas. Obtenido de Cañar Municipio Intercultura: https://www.canar.gob.ec/gadcanar/index.php/2013-05-20-1630-14/2013-05-20-16-38-15# Russo, ©. G. (2011). ESTUDIO DE UN SISTEMA DE ACUMULACION DE CALOR. PLD 0219.