Calentador Solar

Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec. Profesor: Jorge Andrés Cuevas Landeros. Materia: Laboratorio Integral 2. “Diseño y Construcción de un Calentador Solar con latas de aluminio”. Integrantes de Equipo:  López López Nancy.  Mora Ramírez Uziel.  Pérez Ramírez Juan Carlos.  Valencia Hernández Jorge Raúl. Carrera: Ingeniería Química.

Grupo: 4601.

Sexto Semestre.

Diseño y construcción de un calentador solar con latas de aluminio. OBJETIVO. Diseñar y construir un calentador solar con latas de aluminio.

HIPOTESIS. El uso de la energía solar, junto con el empleo de toda una serie de fuentes renovables (energía procedente de las mareas, del viento, geotérmica, hidráulica etc.) y conservación de la energía, puede aumentar el grado de autosuficiencia en el suministro de energía y hacer que el país sea menos dependiente de fuentes importadas y consecuentemente menos vulnerable a las influencias de políticas exteriores.

INTRODUCCION. El calentamiento de agua es una de las aplicaciones más importantes de la energía solar, que compite económicamente en la mayoría de los casos con métodos de calentamiento a base de fuentes convencionales de energía. El agua caliente se necesita para uso doméstico (bañarse, lavar trastos y ropas etc.), uso comercial (hospitales, hoteles, centros de recreos, piscinas, residencias estudiantiles, restaurantes, etc.), e industrias (ganaderías, lecherías, embotelladoras etc.). Varios tipos de calentadores de agua pueden ser construidos, dependiendo del diseño, la disponibilidad de los materiales y las necesidades pero el principio básico es el mismo para todos los sistemas: el Efecto Invernadero. En general existen dos tipos de calentadores solares de agua. En uno la captación de la energía solar y almacenamiento de energía solar (en forma de agua caliente) se hace en la misma unidad. Los calentadores del otro tipo tienen separados los sistemas de captación de la energía solar y almacenamiento de agua caliente.

En el calentador de agua más simple, la captación y almacenamiento están juntos. Este sistema es compacto y sencillo, pero su rendimiento es bajo. Debido a que durante la noche y el periodo de nubosidad (cuando el sol es insuficiente para aumentar la temperatura del agua en el recipiente), la superficie de vidrio se convierte en una gran fuente de pérdidas. Para reducir esta pérdida, es necesario cubrirla con un protector aislante cuando se estima que el sol no aporta suficientes energía.

ANTECEDENTES. La energía solar se considera una fuente alternativa de energía, pero en realidad el sol es la fuente de energía principal para la Tierra. Los combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural se originan a partir de la descomposición de plantas muy antiguas. El sol proporcionó la energía para que estas plantas crecieran. La energía del sol también se transfiere a la atmósfera por lo que diferentes masas de aire tienen diferentes temperaturas y presiones, lo cual crea el viento. Las turbinas de viento pueden aprovechar la energía del aire en movimiento. El sol también proporciona la energía para la evaporación del agua y calentamiento de la superficie de la tierra. Esto causa que caiga lluvia y sea drenada por los ríos. Los embalses hidroeléctricos pueden aprovechar la energía del agua en movimiento. En los climas nórdicos se pueden reducir los costos de energía haciendo que las casas tengan una orientación al sur que permita que la energía solar penetre en ellas, utilizando un calentador solar de agua, utilizando la energía del viento para cargar baterías para proporcionar potencia, secar la ropa al sol y al viento, etc. Algunos dispositivos que se pueden usar para capturar la energía solar son el agua o el aire en recolectores solares, celdas fotovoltaicas y generadores de viento. El sol proporciona energía en forma de ondas electromagnéticas. La energía de las ondas electromagnéticas se puede usar para proporcionar energía potencial eléctrica en forma de celdas fotovoltaicas y también transferirse a energía térmica cuando interactúa con la atmósfera y la Tierra.

Un calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol para calentar alguna sustancia, como puede ser agua , aceite, salmuera , glicol o incluso aire . Su uso más

común es para calentar agua para uso en albercas o servicios sanitarios (duchas, lavado de ropa o trastes etc.) tanto en ambientes domésticos como hoteles. Son sencillos y resistentes, pueden tener una vida útil de hasta 20 años sin mayor mantenimiento. Se recomienda limpiar el colector cada 4 o 6 meses para aumentar su eficiencia y vida útil. Dependiendo de la tecnología y materiales implementados, un calentador solar puede llegar a tener eficiencias de 70% u 80%. Esta eficiencia es muy elevada comparada con el panel fotovoltaico, el cual genera energía eléctrica pero con una eficiencia de hasta 15%. Los calentadores solares domésticos pueden trabajar en conjunto con los calentadores de agua comunes, o bien, sustituirse completamente, ya sea por razones de ahorro en combustibles o electricidad, o por falta de los mismos. En muchos climas un calentador solar puede disminuir el consumo energético utilizado para calentar agua. Tipos de calentadores solares. De acuerdo con su funcionamiento los calentadores solares se clasifican en dos tipos: •

Activos

Los calentadores solares activos son aquellos que utilizan una bomba o algún tipo de energía externa para mover el agua dentro de su ciclo. •

Pasivos

Los generadores solares pasivos no requieren de energía externa para funcionar. Utilizan el principio de convección para mover el agua dentro del sistema. Componentes Existen 4 componentes básicos en un calentador solar: COLECTOR. Es el componente que se encarga de transferir la energía solar al agua. Consiste en un arreglo de tuberías o

conductos (en este caso las latas), por donde fluye el agua. El arreglo está pintado de negro mate o cubierto con cromo negro para evitar reflejar la luz y así lograr una mayor absorción de calor. El colector puede estar contenido en una caja con paredes externas resistentes a la intemperie y con paredes internas capaces de aislamiento térmico. La parte superior lleva uno o varios vidrios o materiales transparentes capaces de dejar pasar la luz y proteger de la intemperie. CONTENEDOR. Es el recipiente de almacenamiento del fluido. Se conecta con la entrada y la salida del colector. Después de un tiempo y dependiendo de las dimensiones de las componentes, el agua se calentará para su uso posterior. En el momento de requerir agua, se extrae del tanque y se rellena con agua fría. SISTEMA. El sistema son todas las tuberías, bombas, sistemas de control, llaves de paso, y accesorios con las que cuente el calentador solar. Conecta por medio de tuberías el colector con el contenedor, así como también el calentador con las tuberías de una casa. SUSTANCIA DE TRABAJO. Usualmente es agua potable, la misma que se utilizará en regaderas, lavabos, lavadoras, albercas, hoteles. En este caso, es el fluido que se hace pasar por el colector para ser guardado en el contenedor, o bien, pasar por un intercambiador de calor. Si se utiliza un intercambiador de calor, el agua a calentar no pasa por el colector sino únicamente por el contenedor en donde se encuentra el intercambiador de calor, el cual proporciona la energía captada.

Este sistema es más conveniente si el calentador se encuentra en una localidad propensa a climas muy fríos, ya que el fluido del colector tiene propiedades anticongelantes, previniendo la ruptura de las tuberías debido al congelamiento. Tipos de circulación •

Circulación directa

El agua que se calentó en directamente por el usuario. •

el

colector

se

utiliza

Circulación Indirecta

Una sustancia de trabajo se calienta y se envía a un intercambiador de calor. Éste utiliza el mismo principio que un radiador. De esta manera se separa el fluido del sistema con el fluido a utilizar. Esta opción es conveniente cuando el sistema de calentamiento se ubica en zonas propensas a congelación, donde el agua podría quebrar las tuberías al congelarse. Ubicación. Los colectores están instalados en lugares despejados, orientados de tal manera que su superficie esté lo más perpendicular posible a los rayos del sol. Si se encuentra en el hemisferio norte, el colector deberá estar orientado hacia el sur, con un ángulo proporcional a la latitud del lugar. Debido a que la inclinación terrestre modifica el ángulo de la incidencia de los rayos del sol a lo largo del año, es conveniente ajustar la inclinación del colector. MATERIAL Y EQUIPO.          

2 metros de tubo de PVC hidráulico de 1 pulgada. 30 cm. de tubo de PVC hidráulico de ½ pulgada. 3 codos de PVC hidráulico de 1 pulgada. 6 unión T de PVC hidráulico de 1 pulgada. 40 latas de aluminio en perfecto estado. 3 latas de aerosol de color negro mate. 2 Tubos de silicón chicos. 1 tubo de silicón gde. 1 tramo de madera de ½. 1 trozo de triplay.

 Papel aluminio.  1 metro de manguera chica.  Vidrio transparente (la medida de este depende de la superficie que se valla a utilizar para el colector.  Pegamento para PVC. Equipo.       

Taladro. Serrucho. Pistola para silicón. Broca de ¾ de pulgada. Broca de 1 pulgada. 1 perico Desarmador plano.

PROCEDIMIENTO. Con el trozo de madera se construye una caja de la medida deseada, cada esquina de la caja se refuerza con tornillos de 1 pulgada.

A continuación se hace una presentación con las latas de aluminio formando 4 columnas con 9 latas cada una.

Después se deja el contenedor vació y se prosigue a sellar con silicón toas las esquinas de la caja, esto para evitar que se presenten fuga mas adelante.

Con la ayuda de un taladro se hace una perforación de ¾ de pulgada en la parte inferior de todas las latas.

En la caja se realizan cuatro perforaciones en la parte superior e inferior. Una vez realizadas estas perforaciones se cubre de papel aluminio el interior de la caja y se prosigue a pegar todas las latas una tras otra dentro de la caja.

Lo siguiente es pintar la caja del color que sea, nosotros para no desperdiciar la pintura usamos negro. Después se realiza una base de madera para el calentador de manera que quede en un ángulo donde le pueda dar el sol. Una vez que haya secado la pintura de la caja se prosigue a colocar el vidrio, esto se hace con silicón ya que si se utiliza otro tipo de pegamento este no pegaría del todo bien y el cristal podría resbalar.

RESULTADOS. Como resultado del diseño descrito anteriormente, se obtuvo un equipo liviano y portátil, lo cual facilita el trabajo a la hora de utilizarlo.  Técnico. La temperatura alcanzada por el agua, aparte del diseño y los materiales del sistema, depende de la cantidad de agua que se necesite calentar, del clima del lugar, descarga del agua caliente y carga de agua fría, etc. sin embargo con un metro cuadrado de colector, en el clima de varios lugares de México, se puede calentar un promedio de 75 litros de agua, diariamente, aumentando su temperatura de 20° hasta 40-50°C.  Medición del rendimiento. 1) Con el fin de verificar el rendimiento del calentador y observar su comportamiento, se llevo a cabo la siguiente prueba: 2) Se colocó el colector a la radiación solar directa, a las 12 hrs. Del día, ajustándola a un ángulo de 25º para que empiece a funcionar bajo el efecto de termosifón.

3) Se registraron las temperaturas durante una hora, con intervalos de 10 minutos, de entrada y salida del agua que circula por el colector. 4) Se obtuvieron tabla.

los

siguientes

datos

mostrados

en

la

Temperatura de entrada y salida del colector para el día 08 de Enero de 2009. Hora Temperatura de entrada Temperatura de salida 12:00 12:10 12:20 12:30 12:40 12:50 13:00

17ºC 18ºC 19ºC 23ºC 24ºC 27ºC 29ºC

17ºC 21ºC 24ºC 25ºC 27ºC 30ºC 34ºC

TEMPERAT URA ºC

TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA EN EL COLECTOR PARA EL DIA 08 ENERO 2009. 40 20 0 11:3 12:0 12:2 12:5 13:2 1 0 8 7 6

TEMPERATUR A ENTRADA TEMPERATUR A SALIDA

HORA

Con los datos obtenidos en la tabla se halló el rendimiento promedio para del calentador solar durante ese periodo de tiempo (60 minutos). Utilizando la siguiente ecuación:

Donde Qu es el calor útil en W, HT es la energía solar incidente (1045 W/m2) y Ac es el área efectiva del colector (0.41 m2). Qu se calcula teniendo en cuenta la diferencia de temperatura inicial y final de los 60 minutos, que para nuestro caso fue de 17ºC. Junto con la capacidad de almacenamiento del tanque, la cual es de 18925 cm3, se halla el trabajo calórico en Kilocalorías durante los 60 minutos, el cual es de 283.87 Kilocalorías, que equivalen a 1186.5975 Kilojulios. Con el trabajo calórico en Kilojulios, hallamos la potencia calórica en un periodo de tiempo, el cual es el mismo Qu del colector, dando como resultado 329.5 Watts. Aplicando los valores anteriores a la ecuación, se obtiene que el rendimiento es del 75 %. Con este resultado se puede decir, que el rendimiento anteriormente hallado es de todo el sistema del calentador solar. Para hallar el rendimiento instantáneo del colector se toma como referencia la diferencia de temperaturas, entre la temperatura promedio de las latas absorbedoras y la temperatura ambiente, y se gráfica contra el rendimiento.  Media Ambiente. Un calentador solar de agua puede reducir la contaminación del aire anualmente en alrededor de 45- 50 Kg. de gases como dióxido del carbono (C02), azufre (S02), mono oxido de carbono (CO) y Oxido de Nitrógeno (NOx). En este momento cerca del 10% de la electricidad es producida por plantas térmicas. En promedio 937 toneladas métricas de C02 son producidas por cada 1000 MWh de electricidad producida por estas planta.

CONCLUSIONES. La importancia de esta aplicación de la energía solar es cada vez mayor. Hay que tener en cuenta que puede producir una interesante modificación de las condiciones higiénicas de un gran número de personas. El diseño más adecuado para cada lugar sólo puede determinarse experimentalmente. En este caso construimos un calentador solar sencillo y comprobamos bajo qué condiciones será óptimo su funcionamiento. Iniciado el experimento, pusimos en práctica nuestro talento así como nuestra inventiva introduciendo diversas modificaciones, que proporcionaron un aumento del rendimiento del calentador solar. Con relativamente poco dinero, puede llegar a dotar de agua caliente una casa de campo. Vale la pena aclarar que un calentador de este tipo, mal diseñado, construido con los materiales no apropiados seguramente no funcionaría más que durante algunas semanas o algunos meses con un rendimiento a veces irrisorio: posteriormente saltan las soldaduras, el aislante se moja con la lluvia y no obteniéndose, de esta forma, prácticamente nada del calentador de agua. Por otra didáctico, puede ser compañeros

parte, si se ve desde el punto de vista la utilización del prototipo de este calentador una herramienta que beneficie y motive a los hacia el tema de la energía solar.

BIBLIOGRAFIA. [1] http://solarweb.net. [2] Procesos de Transferencia de calor. Donald Q. CERN Editorial CECSA Vigesimosexta Edición 1995 [3] Posibilidades de aprovechamiento de Energía Solar en las Zonas de Desarrollo. Organización de las Agricultura y Alimentación. Lawland I. 1979.

Naciones

Unidas

para

la

Cronograma de actividades.

Actividad

Lunes

Martes

Miercoles Jueves

Viernes Semana del 01 al 05 de Diciembre

Busqueda de informacion Busqueda de material Compra de material Lijado de latas Perforacion de latas Pintado de latas

Semana del 08 al 12 de Diciembre

Construccion del colector Pintado del colector Pegado de latas Pegado de vidrio

Semana del 15 al 19 de Diciembre

Pruebas realizadas. Analisi de resultados

Semana del 05 al 09 de Enero

Nota: A partir del día 22 hasta el día 04 de Enero no se realizo ninguna actividad ya que fueron vacaciones de fin de año.