DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LA TEMPERATURA DEL AIRE EN UN COLECTOR DE AIRE CON LECHO DE LADRILLO ASFÁLTICO

Transcripción

1 IV CONFERENCIA LATINOAMERICANA DE ENERGÍA SOLAR (IV ISES-CLA) XVII SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR (XVII-SPES) UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA Chimbote Perú DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LA TEMPERATURA DEL AIRE EN UN COLECTOR DE AIRE CON LECHO DE LADRILLO ASFÁLTICO Por: Francisco Risco Franco Germán Chumpitaz Ayala APES

2 DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LA TEMPERATURA DEL AIRE EN UN COLECTOR DE AIRE CON LECHO DE LADRILLO ASFÁLTICO PRIMERA EDICIÓN DIGITAL Julio, 2011 Lima - Perú Francisco Risco Franco Chumpitaz Ayala Germán Raúl Sotelo Ledezma Junior Pedro PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0203 Editor: Víctor López Guzmán guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster Lima - Perú

3 PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, ebook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. El personal docente jugará un rol de tutor, facilitador y conductor de proyectos

4 de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica Víctor López Guzmán Editor

5 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar(IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII-SPES), Cusco, I DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LA TEMPERATURA DEL AIRE EN UN COLECTOR DE AIRE CON LECHO DE LADRILLO ASFALTICO Francisco Risco Franco-fjrisco@uns.edu.pe Chumpitaz Ayala Germán Raúl-germanraul2cha@msn.com Sotelo Ledezma Junior Pedro peters_83_23@hotmail.com Universidad Nacional del Santa, E.A.P. de Ingeniería en Energía Resumen. El presente documento intenta realizar un modelamiento matemático de un nuevo tipo de colector solar de aire, el cual utiliza un lecho de ladrillo, con el fin de capturar la energía que no es captada por el flujo de aire que lo atraviesa. Palabras-clave: Energía solar, colector solar, congreso. 1. INTRODUCCIÓN: El presente trabajo se encarga del análisis de un nuevo tipo de colector solar con lecho de ladrillo asfáltico como placa colectora Este colector presenta particularidades únicas en su función y composición, ya que no solo se puede usar la energía solar térmica para aprovechar la para calentar la corriente de aire, si no también almacenarla en el lecho de ladrillo que se encuentra en el colector. Hoy, donde ya es común la discusión sobre las formas de aprovechar la mayor parte de la energía solar como forma de paliar el problema energético, cada vez más en boga por estos días, y ya es común preocuparse de estos aspectos en una amplia gama de aspectos cotidianos de nuestra vida diaria. Es así que surge la necesidad de probar nuevos materiales, para almacenar energía, sobre todo aquellos que se pueden encontrar día a día en nuestro alrededor y sobre todos aquellos cuya manufactura ya se encuentra desarrollada, Mediante el estudio de las investigaciones sobre estos sistemas nos plantemos la posibilidad de construir un colector solar cuya placa tenga la propiedad, no solo de captar, sino también de almacenar la energía solar. Es así que surge la idea de utilizar un lecho de ladrillo asfáltico como placa colectora; siendo este material de uso común en las construcciones hechas por los diferentes municipios en nuestra localidad y de uso y manufactura popular en construcciones públicas en general. Los secadores solares abiertos que se han estudiado a lo largo de la historia presentan algunos inconvenientes que ha sido estudiadas a lo largo de los años por muchos estudiosos. Entre estas desventajas encontramos: Tiempo de secado de muy largo. El grano sufre daños debido a la lluvia. Contaminación del grano debido al polvo. Ataque de insectos y pestes. Algunos de los inconvenientes fueron resueltos con el desarrollo de los secadores solares de gabinete. Sin embargo el secador solar de cabinete presenta alguno de las siguientes desventajas. Es conveniente solo para pequeñas cantidades de especies a ser secadas, por lo cual no se puede usar para propósitos comerciales. Solo puede ser usado durante periodos soleados. Debido a la evaporación de la humedad y la condensación en la cubierta de vidrio, la transmitividad de la cubierta de vidrio se reduce. El sobrecalentamiento del producto es debido a la exposición directa de la luz solar, y por lo tanto la calidad del producto puede deteriorarse. Con el fin de resolver estos problemas, se han probado varios diseños de secadores solares pasivos han sido desarrollados y probados. Estos diseños han sido recomendados para propositos comerciales y estos incluyen: Secador de chimenea.

6 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar(IVV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII-SPES), S), Cusco, I Secador tipo cajón. Secador tipo estante. En estos estudios, el efecto del almacenamiento, en la cámara también han sido incluidas para reducir la fluctuación de la temperatura de salida del aire caliente. Sin embargo, el almacenamiento térmico de la energía es también usado para propósitos de secado durante las horas en las cuales no se cuentan con sol. Es importante de mencionar aquí que el material mayormente usado como elemento almacenador son los lechos de roca (rock bed). Esto hace al sistema de difícil mantenimiento en caso de un bloqueo de la cámara de secado. 2. ANÁLISIS TÉRMICO DEL COLECTOR En este documento, las ecuaciones de balance de energía del aire, el lecho y la capa superior del lecho han sido discutidas analíticamente. Figura 1- Vista transversal del colector solar de aire, con lecho de ladrillo asfáltico. Figura 2- Vista superior del colector lecho de ladrillo asfáltico. En este dispositivo la radiación que ingresa por la parte superior, atraviesa la cubierta y calienta la superficie oscura, que es la parte superior del ladrillo, luego esta conduce el calor hacia la masa de ladrillos y otra parte se dirige hacia la masa de aire que está atravesando el colector en ese momento, como se puede observar en las fig. 1 y Fig. 2. El calor que se dirige hacia el lecho de ladrillo asfaltico, acaba acumulándose en este, aunque otra parte del mismo se dirige se pierde por las paredes que rodean el lecho. La parte de calor que se dirige hacia el aire es removido por este y otra parte se disipa a través de la cubierta hacia el medio ambiente. Para hacer este análisis se tomaron en cuenta algunas suposiciones. La capacidad de almacenar parte de la energía por parte del vidrio, aislamiento y superficies que conforman el colector son despreciables.

7 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar(IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII-SPES), Cusco, I El sistema no presenta fugas. La dirección del flujo a lo largo del colector es unidimensional, es decir no presenta turbidez. Las propiedades dentro del colector se mantienen constantes y no sufren grandes alteraciones Superficie del ladrillo asfáltico: Donde:... (1) α τ I(t) k T S T L A c h a T A Abortividad de la superficie oscura. Transmitancia o transmisividad de la cubierta de vidrio. Radiación solar incidente en el colector (W/m 2 ). Coeficiente de transferencia de calor por conducción entre la superficie oscura y el lecho de ladrillo (W/mºC). Temperatura de la superficie oscura (ºC). Temperatura del lecho de ladrillos (ºC). Área del colector (m 2 ). Coeficiente convectivo de calor entre la superficie oscura y el aire (W/m 2 ºC). Temperatura del aire dentro del colector (ºC) 2.2. Lecho de ladrillo asfáltico:.. (2) Donde: M L C L h b T a T L A c h a T A Masa del ladrillo (Kg). Calor especifico del ladrillo (J/KgºC). Coeficiente global de transferencia de calor desde el lecho de ladrillo hacia el aire circundante a través del aislante (W/m 2 ºC). Temperatura ambiente del aire (ºC). Temperatura de la superficie oscura (ºC). Temperatura del lecho de ladrillos (ºC). Área del colector (m 2 ). Coeficiente convectivo de calor entre la superficie oscura y el aire (W/m 2 ºC). Temperatura del aire dentro del colector (ºC) 2.3. Flujo de aire:.. (3) Donde: h c x b C A Coeficiente global de transferencia de calor desde el aire del colector hacia el ambiente a través de la cubierta de vidrio (W/m 2 ºC). Coordenada de posición a lo largo de la dirección de flujo (m). Ancho del colector (m). Flujo másico del aire a través del colector (Kg/s) Calor especifico del aire (J/KgºC). A partir de la ecuación (1) despejamos la temperatura de la superficie oscura.... (4)

8 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar(IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII-SPES), Cusco, I Reemplazando el valor de (4) en (3) Luego:.. (5) Donde: 1 Esta es una ecuación diferencial de primer orden, por lo cual su solución será:.. (6) Donde ; y Además para nuestro caso (7) Donde: 1

9 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar(IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII-SPES), Cusco, I CONCLUSIONES: La temperatura de salida del aire, del colector puede hallarse puede hallarse:... (8) La temperatura promedio del colector puede hallarse: (9) 4. REFERENCIAS: Abbud J., 1995 Simulation of Solar Air Heating at Constant Temperature en Solar Energy, Vol 54 Amer E., 1997 Transient Test Methods for Flat-Plate Collectors: Review and Experimental Evaluation en Solar Energy, Vol 60 K.S. Ong, 1995Thermal Performance of Solar Air Heathers: Mathematical Model and Solution Procedure, Solar Energy Vol 55 Tiwari G. N.,P.S Bhatia,Singh A. K. Analitical Studies of Crop Drying Cum Water Heating System en Solar Energy

10 Contenido Introducción Antecedentes Análisis del Experimento Resultados Conclusiones

11 INTRODUCCION El presente trabajo se encarga del análisis de un nuevo tipo de colector solar con lecho de ladrillo asfáltico como superficie absorbedora. Necesidad de probar nuevos materiales y formas, para almacenar energía, sobre todo aquellos que se pueden encontrar día a día en nuestro alrededor. Mediante el estudio sobre estos sistemas se desarrolla el aspecto teórico, así como la simulación, pudiendo experimentar para varias velocidades y configuraciones obteniéndose la temperatura final del aire a la salida del colector

12 ANTECEDENTES ONG K. (1995) Realiza un modelamiento matemático de la transferencia de calor a lo largo de un colector solar de aire, haciendo suposición de temperatura constante alrededor del mismo. TIWARI G.N, and Al...(1995) Presenta el análisis de un secador de grano utilizando un colector, el cual almacena energía térmica en agua contenida en un recipiente que se coloca debajo de la placa colectora.

13 ANÁLISIS DEL EXPERIMENTO DESCRIPCION DEL COLECTOR

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15 Distribución de sensores de temperatura en el colector T 2 : Temperatura Ambiente T 3 Cubierta T 2 T 3 : Temperatura Cubierta - Exterior T 10 : Temperatura Cubierta Interior T 6 T 7 T 4 T 10 T 7 : Temperatura Ladrillo T 6 : Temperatura de Entrada de Aire Ladrillo T 4 : Temperatura de Salida de Aire

16 Para hacer este análisis se tomaron en cuenta estas suposiciones: La capacidad de almacenamiento de la energía por parte del vidrio, aislamiento y superficies que conforman el colector son despreciables. El sistema no presenta fugas. Las propiedades de los materiales del colector se mantienen constantes en el tiempo.

17 Para la superficie superior del ladrillo asfáltico α τ Donde: IV Conferencia Latinoamericana de Energía Solar - XVII Simposio Peruano de Energía Solar MODELO TEÓRICO I ( t ) A k ( T T ) A h ( T T Absortividad de la superficie oscura. Transmitancia o transmisividad de la cubierta de vidrio. I(t) Radiación solar incidente en el colector (W/m 2 ). k Coeficiente de transferencia de calor por conducción entre la superficie superior del ladrillo y el lecho de ladrillo (W/mºC). T S Temperatura de la superficie superior del ladrillo T L Temperatura del lecho de ladrillos (ºC). A c Área del colector (m 2 ). c (ºC). h a Coeficiente convectivo de calor entre la superficie oscura y el aire (W/m 2 ºC). T A Temperatura del aire dentro del colector (ºC) s L c a s A ) A c

18 Para el lecho de ladrillo asfáltico dtl k( T T ) A M C ( A A )( T T ) h S dt S L C L L C L a b M L C L h b T a T s T L A c h a T A Masa del ladrillo (Kg). Calor especifico del ladrillo (J/KgºC). Coeficiente global de transferencia de calor desde el lecho de ladrillo hacia el aire circundante a través del aislante (W/m 2 ºC). Temperatura ambiente del aire (ºC). Temperatura de la superficie oscura (ºC). Temperatura del lecho de ladrillos (ºC). Área del colector (m 2 ). Coeficiente convectivo de calor entre la superficie oscura y el aire (W/m 2 ºC). Temperatura del aire dentro del colector (ºC)

19 Para el flujo de aire dta ha ( TS TA ) bdx m ACA hc ( TA Ta ) bdx dx hc x b ma C A Coeficiente global de transferencia de calor desde el aire del colector hacia el ambiente a través de la cubierta de vidrio (W/m 2 ºC). Coordenada de posición a lo largo de la dirección de flujo (m). Ancho del colector (m). Flujo másico del aire a través del colector (Kg/s) Calor especifico del aire (J/KgºC).

20 Combinando las ecuaciones dta ( hc ha ) bdx habdx I( t) ktl hata hcbdx TA dx m ACA m ACA k ha m ACA T a Resultando: dta bdx kh a bdx ha I() t bdx kh a h T h T T dx m ACA k ha m ACA k ha m ACA k ha c A c a L

21 Resolviendo la ecuación diferencial: dt A dx at F() t bt A L Donde: a bdx kh h m C k h a c A A a b bdx kh a m ACA k ha bdx ha I() t F() t m ACA k ha h T c a

22 Obtenemos: T A ax 1 e ax TAoe a F () t b T L En la cual si asumimos una longitud L del colector, la temperatura a la salida del colector será: T A( L) al 1 e al TAoe a F () t b T L

23 Para obtener la temperatura promedio del aire será: T A 1 L TAdx L 0 Con la cual obtendremos: al F() t bt e 1 e al a1 al 1 L A T al Ao T

24 Gráfico Nº1 Temperatura VS Tiempo ºC 60,00 55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 8:35 8:52 9:09 9:27 9:44 10:01 10:19 10:36 10:53 11:11 11:28 11:45 12:03 12:20 12:37 12:55 13:12 13:29 13:47 14:04 14:21 14:39 14:56 15:13 15:31 15:48 16:05 16:23 16:40 16:57 17:15 17:32 17:49 Temperatura Entreda de Aire Temperatura Lecho de Ladrillos Tiempo Temperatura Salida de Aire

25 Campo de velocidades (m/s) 0,45 m/s Gráfico. No. 2 Campo de velocidades en un colector con lecho de ladrillo asfáltico (0,45 m/s)

26 Gráfico. No. 3 Campo de velocidades en un colector con lecho de ladrillo asfáltico diferente configuración. (0,7 m/s)

27 Gráfico. No. 4 Campo de velocidades en un colector con lecho de ladrillo asfáltico. (0,5 m/s)

28 Gráfico. No. 5 Campo de velocidades en el eje y en un colectoror con lecho de ladrillo asfáltico. (0.01 m/s)

29 Gráfico. No. 6 Campo de velocidades eje y en un colector con lecho de ladrillo asfáltico

30 300 K Gráfico. No. 7 Temperatura y campo de velocidades en un colector con lecho de ladrillo asfáltico

31 Gráfico. No. 8 Temperatura y campo de velocidades en un colector con lecho de ladrillo asfáltico

32 Gráfico. No. 9 Temperatura y campo de velocidades en un colector con lecho de ladrillo asfáltico

33 Gráfico. No. 10 Flujo de calor total y campo de velocidades en un colector con lecho de ladrillo asfáltico

34 CONCLUSIONES Los valores máximos de temperatura alcanzados en el lecho fueron de 56,9ºC, 60,2ºC y 59,8ºC respectivamente para cada uno de los días considerados. Los máximos valores de temperatura de salida de aire son de 47,9ºC, 50,8ºC y 53,8ºC respectivamente para cada uno de los días considerados. La simulación permite observar el fenómeno con mayor profundidad y optimizar los diferentes parámetros que intervienen en el experimento

35 GRACIAS

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