Procesos Físicos en el Funcionamiento del Concentrador- Calentador Solar Doméstico de Agua.

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1 Procesos Físicos en el Funcionamiento del Concentrador- Calentador Solar Doméstico de Agua. Aramburu, Víctor (1) ; Díaz, Narciso (1) ; Iriarte, Adolfo (2) 1. Becario UNCa. 2. INENCO, Grupo Catamarca. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional de Catamarca, Avda. Belgrano 300. vmaramburu@c.exactas.unca.edu.ar Resumen La necesidad de contar con unidades que permitan disponer de agua caliente de forma autónoma de los métodos convencionales, promueve a la realización de dispositivos sencillos que empleen energías alternativas. En este trabajo se describe el diseño de un equipo solar térmico para la producción de agua caliente que tiene por componente principal un concentrador solar parabólico de foco profundo. La hipótesis de trabajo es que un modelo de concentrador solar de tipo parabólico se constituye como un sistema alternativo de captación de energía en una instalación solar térmica. Se realiza un análisis de las características térmicas de los componentes de la instalación y se describen los principales fenómenos físicos involucrados en el proceso de calentamiento de agua. Los resultados de los primeros ensayos de un sistema solar doméstico basado en el diseño propuesto, permiten destacar los posibles beneficios de sus prestaciones. Palabras Clave: Energía solar térmica; Concentrador solar; Calentamiento de agua. 61

2 Physical Processes in the Funtioning of Solar Concentrator Heater Domestic of Water. Abstract The need for units that provide hot water independently of conventional methods, promotes the realization of simple devices that use alternative energy. This paper describes the design of a solar thermal hot for hot water production which is the main component of a parabolic solar concentrator deep focus. The working hypothesis is that a model of parabolic solar concentrator is set up as an alternative energy collection in a solar thermal system. An analysis is made of the thermal characteristics of the system components and described the main physical phenomena involved in the process of heating water. The results of the first tests of a solar home system based on the proposed design, allow to highlight the potential benefits of their services Key words: Thermal solar energy; Solar concentrator; Water Heating. Introducción. La creciente demanda de energía en comunidades urbanas y rurales, y la promisoria escasez de recursos convencionales para satisfacer esa demanda, suscitan el estudio y adaptación de nuevos desarrollos tecnológicos que empleen recursos renovables. En este marco, se fortalece el progresivo desarrollo y la inserción social de instalaciones solares térmicas, principalmente destinadas al calentamiento de agua en viviendas. 62

3 El diseño de estos sistemas domésticos de uso familiar y comunitario, principalmente en el ámbito de comunidades rurales, requieren del empleo de equipos probados en relación principalmente con la durabilidad y la confiabilidad, requisitos mínimos que deben satisfacer para su efectiva implantación. En su gran mayoría, las instalaciones de este tipo se disponen en dos partes constitutivas, una de ellas es utilizada para la captación de energía y la otra, para acumulación de ésta en energía térmica mediante el calentamiento de agua. La captación de la energía solar se realiza mediante los denominados colectores térmicos, que en si mismo son superficies expuesta a la radiación solar y que cumplen la función de absorber el calor y transmitirlo a un fluido portador, (Duffie J. A. y Beckman W. A. 1991). De acuerdo con las necesidades del usuario se seleccionará determinado tipo de colector para obtener agua caliente temperatura baja y media. Uno de los procesos físicos involucrados en el funcionamiento de un equipo de energía solar térmica es el denominado efecto termosifón. Éste consiste en el movimiento por convección natural vertical que experimenta el agua, debido a la disminución de su densidad por el aumento de la temperatura. Como consecuencia de ello, el agua contenida en un depósito se estratifica de modo tal que las secciones más altas son las de mayor temperatura. Básicamente, la idea fundamental consiste en tomar el agua fría contenida en la parte inferior de un depósito, hacerla circular a través del sistema de captación de energía para elevar su temperatura y retornarla nuevamente a la parte superior del depósito. De esta forma se va transformando el agua fría en 63

4 caliente. El mismo depósito sirve de acumulador para disponer de agua caliente en los períodos de baja o nula radiación. Otros procesos físicos involucrados tienen directa relación con los fenómenos de radiación y conducción del calor, (Manrique Valdez, J. A. 2000). En el caso de transmisión de calor en un fluido, existen causas ajenas a la conducción que favorecen dicha transferencia. Estas causas son las que dan lugar a la transmisión del calor por convección y en muchos casos la conducción resulta despreciable. A diferencia de los mecanismos de transferencia de calor por conducción y convección en los que el transporte de energía requiere un medio para llevarse cabo, el calor puede propagarse por radiación incluso en el vacío. La radiación térmica se define como la energía radiante emitida por un medio como consecuencia de su temperatura. En los procesos de transmisión del calor suelen presentarse simultáneamente dos o las tres formas de transmisión del calor mencionadas, dependiendo de las características del equipo solar disponible para el calentamiento de agua. En este trabajo se realiza una aplicación práctica utilizando un equipo solar térmico cuyas principales características son: disposición separada del sistema de captación y de acumulación, movimiento del fluido portador por efecto termosifón, circuito primario abierto (a presión atmosférica), circuito cerrado para el fluido de trabajo, ausencia de energía auxiliar de apoyo para el funcionamiento. Uno de los objetivos propuestos en este trabajo es la realización de un análisis cualitativo de los procesos físicos involucrados en el funcionamiento de equipo solar térmico utilizado para el calentamiento de agua. Éste cuenta con dos 64

5 componentes principales, uno es un concentrador solar parabólico como mecanismo de captación de energía y el otro, una caldera cilíndrica situada en el foco. Entre las hipótesis de trabajo se asume que un modelo de concentrador solar de tipo parabólico (Saravia, 2004) es capaz de suministrar la energía necesaria para constituirse en un componente alternativo de captación de energía en una instalación solar térmica. Se presentan, además, algunos resultados de los ensayos realizados que dan cuenta de las promisorias prestaciones del equipo utilizado. Materiales y Métodos El equipo solar doméstico utilizado se ha diseñado disponiendo en forma separada los mecanismos de captación de energía y de acumulación. Una descripción detallada puede consultarse en trabajos anteriores (Aramburu, Díaz, Iriarte, 2006). En la figura 1 se muestra un esquema del equipo propuesto. El mecanismo de captación esta constituido por el concentrador y la caldera. El concentrador parabólico de foco profundo cumple la función de incrementar el flujo de radiación solar sobre el receptor (en este caso una caldera cilíndrica). 65

6 Tanque de acumulación Mecanismo de captación (Concentrador-Caldera) Figura 1. Disposición del equipo de calentamiento de agua. Un concepto fundamental en concentración solar es la razón de concentración (Estrada Gasca, 2000). Una opción es utilizar el concepto de concentración geométrica. Esta se define como la razón entre el área de apertura y el área del receptor. Existe un compromiso directo entre el aumento de la concentración geométrica y la reducción del costo del colector. La razón de concentración geométrica es una medida de la concentración ideal promedio de flujo radiactivo solar si está uniformemente distribuida sobre el área de apertura del receptor. Los concentradores reales no producen este tipo de flujo uniforme. En cambio, si producen una serie compleja de niveles de flujos altos y bajos distribuidos en el área del receptor. Éste perfil de flujos concentrados tiene picos en el centro y disminuye hacia los extremos del área del receptor. Así, un concepto más realista es el de concentración óptica o de flujo en un punto definida como la razón del flujo en ese punto al flujo solar incidente. Si bien la definición de concentración expresada anteriormente no manifiesta ninguna restricción sobre la máxima 66

7 concentración posible, existe un límite termodinámico para esta cantidad. El intercambio radiativo o potencia radiada entre dos superficies a diferentes temperaturas esta expresada por la Ley de Stefan-Bolztmann, (Manrique Valdez, 2000). 4 Q = σat (1) donde: σ es la denominada constante de Stefan-Bolztmann; A el área de la superficie en cuestión; T su temperatura. Para un concentrador ideal toda la energía que pasa por la abertura debe llegar al receptor, por lo tanto, la fracción de energía que sale del Sol y llega a la abertura debe ser igual a la fracción de energía que sale del Sol y llega al receptor. En el caso de un concentrador real, estas cantidades son diferentes y en virtud de ello la razón de concentración esta limitada por un factor de configuración geométrico entre la abertura y la fuente. De este modo se tiene que para concentradores tridimensionales, el máximo de concentración esta dado por la expresión, (Estrada Gasca, et al 2000): C 1 α a = (2) α a sen 2 max ( ) Donde π > > α a θ S ; a α es el ángulo de abertura y θ S, el ángulo subtendido por un observador desde la Tierra. Para el tipo de concentrador utilizado en este trabajo, se utiliza como superficie colectora un tipo de laminado de acero inoxidable. La función de esta superficie es reflejar los rayos solares de modo tal de concentrarlos en el foco donde se coloca una 67

8 caldera cilíndrica de 3 litros de capacidad aproximadamente. Ésta se recubre con una cubierta de vidrio pirex para evitar las perdidas de energía por acción del viento. Por tratarse de un sistema real y teniendo las precauciones antes mencionadas, las temperaturas alcanzadas son del orden de 250 ºC suficientes para los fines propuestos (figura 2). Figura 2. Disposición de la caldera en el Foco del Concentrador. Una vez que la energía incide sobre la caldera, se trasmite desde la pared exterior de la caldera hacia el fluido en el interior por conducción (Manrique Valdez, 2000). Este fenómeno sucede porque se crea un gradiente de temperatura entre las superficies exterior e interior de la caldera. Este gradiente produce un intercambio de calor desde la parte más caliente a la parte más fría por contacto directo. En estado estacionario el caudal de transmisión del calor depende de la naturaleza del material y de las diferencias de la temperatura, y se expresa por la ley de Fourier como: 68

9 q, = ka T (3) Donde, q es el caudal de transmisión del calor en una dirección arbitraria en [W]; A es el área normal a la dirección del flujo de calor en [m 2 ]; T es el gradiente de temperatura en la dirección dada en [ºm -1 ], y k es el coeficiente de conductividad térmica. En la Figura 3 se esquematiza el caso que nos ocupa: la conducción del calor a través de las paredes de la caldera. T 2 r 1 T 1 r 2 L Figura 3. Esquematización de la Caldera como un cilindro hueco. Para esta geometría, la expresión anterior toma la siguiente forma para estado estacionario: T2 T1 q r = 2π kl (4) ln r2 r1 donde L es la longitud de la caldera, r 1 y r 2 son los radios interior y exterior respectivamente, y T 1 y T 2, las temperaturas interna y externa. La caldera cilíndrica es de acero inoxidable, de aproximadamente 3 litros de capacidad, para favorecer su función de superficie absorbedora se la reviste con pintura de color negro para altas temperaturas. Los aceros inoxidables son aleaciones de 69

10 hierro con un mínimo de un 10,5% de cromo. Sus características se obtienen mediante la formación de una película adherente e invisible de óxido de cromo. Un acero inoxidable de uso general posee una estructura cúbica centrada en las caras. Es esencialmente no magnético en estado recocido y sólo puede endurecerse en frío. Adiciones suplementarias de cromo y níquel otorgan una mejor resistencia al calor. Algunas propiedades de este material se muestran en la Tabla 1. Propiedades Eléctricas Propiedades Físicas Propiedades Mecánicas Propiedades Térmicas Resistividad Eléctrica (µohmcm) Densidad (g.cm -3 ) 7,9 Punto de Fusión (ºC) Alargamiento (%) < 50 Dureza Brinell 170 Impacto Izod (J.m -1 ) Módulo de Elasticidad (GPa) Resistencia a la Tracción (MPa) Coeficiente de Expansión Térmica C (x10-6 K -1 ) Conductividad Térmica a 23 C (W m -1 K -1 ) 16,3 Tabla 1. Propiedades del acero inoxidable. Fuente: Acero Inoxidable- AISI 310. Información de Material. Fe/Cr25/Ni20 El otro proceso físico de interés en este trabajo es la propagación del calor por convección (Levenspiel, 1998). Este fenómeno sucede al contacto entre el agua y las paredes de la caldera. El proceso resultante es un intercambio de energía térmica, que puede expresarse utilizando la ley de enfriamiento de Newton: 70

11 q = haδt (5) El flujo de calor transferido se relaciona con las diferencias de temperatura en la pared, el fluido y el área de la superficie. El factor h (coeficiente de transferencia de calor), define la velocidad de transferencia, ésta depende de la geometría de la superficie, como así también de las propiedades físicas del fluido y frecuentemente también de la diferencia de temperaturas. Otros factores que influyen en el coeficiente de convección son la viscosidad del fluido y sus propiedades térmicas (densidad, conductividad térmica, calor especifico, etc.) (Duffie, Beckman, 1991). En la convección están presentes un intercambio de energía molecular o efectos de conducción ya que si el flujo es laminar la transferencia la transferencia de energía entre la superficie y el fluido es por contacto molecular; si el flujo es turbulento entonces existe un mezclado de partículas de fluido entre regiones a diferentes temperaturas lo que incrementa la rapidez de transferencia de calor. Existen dos clasificaciones principales de transferencia de calor por convección relacionadas con la fuerza impulsora que causa el flujo de fluido: la convección natural y convección forzada. La capa límite hidrodinámica es la región de flujo en donde se sienten las fuerzas viscosas; la capa límite térmica es aquella región donde los gradientes de temperatura están presentes. Estos gradientes son el resultado del proceso de intercambio de calor entre el fluido y la pared. 71

12 Existen numerosos parámetros útiles en el estudio de la transferencia de calor por convección. Uno de ellos es el número de Prandtl ( Pr = ν α, siendo ν la viscosidad cinemática y α, la difusividad térmica) que relaciona los espesores relativos de las capas límites hidrodinámicas y térmicas, y es en nexo entre un campo de velocidad y un campo de temperaturas. Otro parámetro que relaciona la resistencia térmica conductiva a la resistencia térmica convectiva es el número de Nusselt dado por: hl Nu = (6) k donde h es el coeficiente convectivo, L, la longitud característica y k la conductividad térmica del fluido. Otros parámetros importantes son el numero de Reynolds, que indica el tipo de flujo, y el número de Grashof que puede interpretarse físicamente como un grupo adimensional que representa el cociente entre las fuerzas de flotabilidad y las fuerzas viscosas en la corriente de convección natural. Gr = gβρ 2 L 3 ΔT (7) μ donde g es la intensidad del campo gravitatorio, β, el coeficiente de dilatación volumétrica, L, longitud característica, ρ, densidad del fluido, μ, viscosidad dinámica y Δ T, diferencia de temperatura entre la pared y el medio. En este trabajo el papel principal lo desempeña el proceso de convección natural. Este resulta de las fuerzas de flotabilidad impuestas sobre el fluido por diferentes causas: 72

13 por la diferencia de densidad o de peso específico que aparece debido a las diferentes temperaturas. Esto produce que el fluido más frío circule hacia abajo y el más caliente hacia arriba, produciendo una corriente ascendente. En esta consideración participa la fuerza de gravedad. Las partículas liquidas o gaseosas tiene movimientos relativos continuos que aumentan con el incremento de su estado térmico. Este movimiento transporta la energía calorífica en forma de energía cinética mientras se desplaza la partícula y va colisionando con las que encuentra en su camino, y éstas hacen lo mismo, observándose una convección a nivel molecular. En una aplicación práctica del equipo de calentamiento de agua se tuvo en cuenta también las propiedades térmicas de sus otros componentes, ya que el tanque de acumulación utilizado es de material plástico, de una capacidad de 200 litros, se lo reviste con material aislante (lana de vidrio y poliuretano expandido) para evitar las pérdidas de calor. Las mismas precauciones se tuvieron para las conexiones y accesorios utilizados. Durante los ensayos se controló la circulación de agua entre el tanque de almacenamiento y la caldera, en el proceso de calentamiento, y la orientación del concentrador para obtener una mejor eficiencia. La variación de la temperatura en el interior del tanque de acumulación se midió utilizando termopares de cromen-alumen, colocados de modo equidistante, según un eje longitudinal por el centro del tanque. En la Figura 3 se muestra una vista general del equipo utilizado. 73

14 Figura 3: Calentador-concentrador solar doméstico de agua. Disposición del mecanismo de captación y del mecanismo de almacenamiento de la energía solar. Resultados En la Figura 4, se muestran resultados de uno de los ensayos realizados. Se observan registros de la temperatura en el tanque de acumulación y valores de radiación solar normal al plano del concentrador. Los resultados presentados corresponden a un ensayo realizado durante el mes de Julio. 74

15 Temperatura [ºC] T1 T2 T3 T4 T5 Tamb Ri Tiempo [min] Radiación (W/m2) Figura 4. Valores de temperatura en el interior del tanque de acumulación y radiación normal al plano del concentrador para uno de los ensayos realizados. Discusión Se nota un apreciable incremento de la temperatura del agua en el tanque de almacenamiento, sobre todo en las franjas superiores próximas a la superficie del mismo. En promedio los valores de T1 y T2, alcanzan valores del orden de los 40 ºC. Esta es una temperatura apropiada para diferentes usos domésticos y productivos, asociado a un 40 % de volumen total del tanque de almacenamiento. 75

16 Conclusión En los ensayos realizados se muestra la factibilidad de integrar un concentrador solar a un equipo de calentamiento de agua como mecanismo de captación de energía. De la descripción de los procesos físicos involucrados se puede inferir que en la construcción del equipo de calentamiento se ha logrado optimizar el proceso de transferencia de energía desde el Sol como fuente principal hasta el fluido portador: el agua caliente para consumo. Las conexiones, accesorios y sistema de aislamiento contribuyeron para evitar las perdidas de energía al medio y así obtener mejores resultados en el desempeño del equipo. Se observa un interesante salto térmico en la sección media superior del tanque de acumulación, que permitirá disponer de agua caliente para uso doméstico. Aunque los resultados presentados muestran una respuesta general aceptable, hay algunos aspectos en el diseño que deben ser resueltos para obtener un mejor funcionamiento del equipo. 76

17 Bibliografía Aramburu, V. Diaz, N. Iriarte, A. Saravia, L. (2006). Calentamiento de Agua por Convección Natural utilizando un Concentrador Solar. Primeras Experiencias, en Avances en Energías Renovables y Ambiente, Revista de la Asociación Argentina de Energías Renovables. 10, Duffie J. A. y Beckman W. A. (1991). Solar Engineering of Thermal Processes, 2ª edición, Wiley Interscience, New York. Estrada Gasca, Claudio. Cabanillas Lopez, Rafael E. Strachman, John W. (2000). Concentración Solar. ISES Forum México. Levenspiel, O. (1998). Flujo de Fluidos e Intercambio de Calor. Ed. Reverté. España. Manrique Valdez, J. A. (2000). Transferencia de Calor. Oxford University Press. México. Saravia L. (2004), Diseño Gráfico de Concentradores de Tipo CPC, AVERMA, 8, 1,