Evaluación de un calentador solar de agua de acuerdo a Norma Técnica Peruana.

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1 Evaluación de un calentador solar de agua de acuerdo a Norma Técnica Peruana. Luis Alberto Montoya Portugal. - almontoyap@hotmail.com Juan Ernesto Palo Tejada - debianaqp@gmail.com Wilson Ricardo Cabana Hancco. - wil10000@hotmail.com Lourdes Soria Guía - fer2244@gmail.com Universidad Nacional de San Agustín - Escuela Profesional de Física Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética Resumen En este trabajo se hace una evaluación de un tipo de calentador solar comercializado en la región Arequipa, el calentador tiene el colector con la unidad de almacenamiento de agua integrado, la evaluación se realizo con un banco de pruebas que cumple las exigencias de la Norma Técnica Peruana (NTP , Colectores Solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares) construido en la Escuela Profesional de Física de la Universidad Nacional de San Agustín. Se muestra una descripción del banco de pruebas y el calentador solar, se indica la metodología usada y se presentan los resultados de la eficiencia térmica del colector, las perdidas térmicas del tanque de almacenamiento de agua, y la eficiencia térmica de la terma solar. Para el colector se realizo cinco pruebas en tres días de ensayo ( 21/03/ /03/201), donde se obtuvo un factor de remoción de 0,722; una eficiencia óptica (η 0 ) de 60,4% y un coeficiente global de pérdidas de 19,92 W/m 2 ºC Para el tanque de almacenamiento se realizo una prueba el 23/03/2011 y 24/03/201para obtener las perdidas térmicas. Para la eficiencia térmica del calentador solar se realizaron tres días de prueba (28/03/ /03/201), se muestra la energía térmica útil ganada por la terma de 120 litros durante 8 horas de calentamiento del día 29/03/2011 la cual fue de 22x10 6 J (6,14 kwh), por su parte la energía solar captada por el colector durante esas 8 horas fue de 11,01kWh, Obteniéndose una eficiencia térmica para la terma solar de 55,7% Palabras Clave: Conversión térmica de la energía solar 1. Introducción En la ciudad de Arequipa existen más de 30 empresas que se dedican a la fabricación de termas solares, ninguna de ellas proporciona datos técnicos sobre su rendimiento térmico. Para posibilitar un mejor conocimiento de la eficiencia de los colectores solares de placa plana existentes en nuestro mercado, en el año 2009 en el marco de una investigación para sustentación de tesis en el área de energía solar de la Escuela Profesional de Física de la Universidad Nacional de San Agustín, fue diseñado y construido un banco de pruebas con procedimiento outdoor para determinar la eficiencia de colectores de acuerdo a Norma Técnica Peruana (NTP , Colectores Solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares ) La Cooperación Alemana en el marco del Acuerdo de Cooperación - Energerzing Development EnDev Perú, viene promoviendo el uso de calentadores solares en distintas regiones del Perú y para ello se solicito a la universidad San Agustín la evaluación de uno de los calentadores solares que se comercializa en la región, en este articulo se muestran los resultados de dicha evaluación. 2. Modelo matemático 2.1 Eficiencia térmica del colector El parámetro básico que caracteriza al colector solar es su eficiencia, que es la relación entre la energía térmica útil retirada del colector y la energía solar incidente. Esta dependerá del proyecto del colector, tiempo de operación y de factores externos tales como: condiciones meteorológicas y disposición del colector en relación a la tierra (NTP , 2001), (ASHRAE Standard 93-77,1977). La eficiencia del colector puede ser expresada de dos formas equivalentes: Q (1) W

2 U F' L T m Ta (2) A C G U F L T e T R a (3) G Q mc p (T s T e ) (4) La eficiencia experimental es obtenida como: Donde: m C p (T s T e ) A G C T (5) Q potencia térmica retirada del colector [W] F', F R parámetros relacionados a la conductancia térmica entre la placa absorbedora y el agua [-] Constante que contiene las perdidas ópticas y perdidas por absorción [-] U L coeficiente total de pérdidas del colector [W/m 2 C] G T radiación solar incidente [W/m 2 ] A C área del colector [m 2 ] T m temperatura media del agua en el colector [ C] T e temperatura del agua en la entrada del colector [ C] T s temperatura del agua en la salida del colector [ C] T a temperatura ambiente [ C] m flujo de agua en el colector [L/s] C P calor especifico del agua [J/kgK] Los diferentes valores de obtenidos durante los ensayos son representados gráficamente en función de los parámetros (T e -T a )/G T 2.2 Factor de remoción del colector (FR) Se define una cantidad que relaciona la ganancia de energía útil de un colector en función de la temperatura de entrada del fluido al colector f A m c C p - A c UL FE 1- exp UL f m C p FR (6) f m C FE p Flujo del fluido Capacidad calorífica del agua factor de eficiencia del colector

3 2.3 Factor de eficiencia del colector (FE) La ganancia de un colector también incluye la energía colectada encima de la región del tubo y la ganancia por unidad de longitud en dirección del flujo, luego esta será transferida al fluido. UL 1 1 w + UL (D + (w - D) F) C 1 FE (7) 1 + D b h d C w D F h d b Conductividad térmica del soporte del tubo separación entre los tubos diámetro interno del tubo eficiencia de las aletas del colector Coeficiente de transferencia de calor por convección entre el fluido y el ducto. El factor de remoción del calor F R se define como el cociente entre el calor absorbido por el fluido y el transferido cuando se considera la placa a la misma temperatura del fluido a la entrada del colector.es decir: m c p (T s T e ) F R = A c S U L T e T a F R = m c p A c 1 e A c U c F. m c p En la tabla 1 se muestran valores típicos de los parámetros característicos: eficiencia óptica (η 0 ) y coeficiente global de pérdidas (UL) y rango normal de temperaturas de trabajo para distintos tipos de colectores (Cora Placco, Luis Saravia, Carlos Cadena, 2008) Tabla 1: Parámetros Característicos de los distintos tipos de colectores solares Tipo de Colector 3. Metodología y Descripción del Monitoreo 3.1 Descripción del banco de pruebas Factor de Conversión (η) 0 Fuente: CENSOLAR (Centro de Estudios de la Energía Solar) El banco de pruebas de acuerdo a NTP; está constituido de Bomba de agua 1/2Hp. 220 AC Intercambiador de calor tipo aletas de 12VDC Mangueras para agua caliente de ½ Tanque de calentamiento de agua de 42L con sistema de calefacción Tanque para la caída del agua de 78L de altura constante Estructura metálica Un colector de placa plana Factor de Pérdidas Térmicas U(W/m C) L 2 Rango de Temperatura ( C) Sin Cubierta Cubierta Simple Cubierta Doble Superficie Selectiva Tubos de Vacío

4 Tablero eléctrico Está constituido por: 02 contactores de 220v AC 03 relés de 220v AC 01 transformador de 220v AC a 12v AC 01 rectificador de corriente 12v AC a 12v Dc 01 interface para la tarjeta de adquisición de datos 3.2 Sensores y Dataloger Piranometro kipp zone para medir la radiación global incidente en el plano del colector con una precisión de ± 0.5 W/m 2 Anemómetro entre 0 40 m/s con integrador minutos, medidor de dirección de viento 0 360º Termistores NTC de 10kΩ para medir la temperatura ambiente, temperatura de salida, entrada y tanque del colector de placa plana, en unidades relativas ºC, precisión 0.2ºC Dataloger Graphtec midi logger Gl800 para registrar las medidas de temperaturas, flujo, radiación solar ; velocidad de viento, sistema de control de temperatura del tanque calefactor, control de intercambiador de calor Flujómetro tipo turbina con sensor óptico, señal de frecuencia, de rango L/s \ Figura 1 Fotografía del banco de pruebas 3.3 Descripción de la terma solar Tabla.2 Especificaciones técnicas del colector solar DATOS DE COLECTOR SOLAR Área del panel colector ( ) 1.80 Largo de colector (m) 1.70 Ancho de colector (m) 1.06 Material de la lamina del colector Aluminio Espesor de lámina de colector (mm.) 0.30 Tipo de doblado de lamina omega Material de conductos de colector Cobre (tipo M ) Diámetro de conductos de colector 3/8 (pulgadas) Espesor de conductos de colector (mm.) 0.80 Cantidad de conductos en colector 9 Distancia entre conductos (mm.) Tipo de aislamiento de colector Espuma de poliuretano Espesor de aislante de colector (mm.) 20.00

5 Espesor de vidrio (mm.) 3.00 Distancia entre lamina y vidrio (mm.) Material de tapa posterior Fibra de vidrio Tabla 3 Especificaciones técnicas del tanque de almacenamiento DATOS DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO Volumen de tanque interno Ancho de tanque (m) 1.04 Material de tanque Resina poliéster reforzado con fibra de vidrio Material de aislamiento Poliuretano expandido Espesor de aislamiento (mm.) material de protector externo Acero inoxidable y fibra de vidrio 3.4 Procedimiento Para determinar la curva de eficiencia instantánea y el coeficiente global de pérdidas del colector se ha realizado una evaluación en laboratorio tal como se detalla a continuación: Se ha realizado cinco pruebas, en tres días de ensayo. Cada día aproximadamente a las 11:00 am se iniciaron las pruebas con el colector solar tapado con un cobertor opaco externo ( figura 2-a) Manteniendo todos los sensores conectados según la norma técnica y el colector solar con un ángulo de inclinación de 26º en dirección al norte según las recomendaciones de la latitud del lugar, que nos indica que el ángulo de incidencia debe ser de 16º±10º Se inyecta agua caliente a temperatura constante al colector (las temperaturas en cada ensayo fueron : 27,9 º C; 30,4 º C; 33,8 º C; 37,4 º C; 44,6 º C) Se debe esperar a que el sistema alcance el equilibrio térmico, esto toma aproximadamente entre 30 y 90 minutos. Pasado este tiempo se regula el flujo a 0.02L/s y se espera 15 min. para que las temperaturas en el sistema se estabilicen. Luego se procede a retirar el cobertor externo (figura 2-b) para que la radiación solar incida sobre el colector de manera que esta contribuye en el aumento de temperatura del agua del colector Se mantiene el estado anterior hasta que la temperatura del salida del agua del colector sea constante Durante toda la medición se debe mantener constante el flujo del fluido en 0,02 kg /s. Todas las mediciones se deben realizar con el cielo totalmente despejado y en las horas de mayor intensidad de radiación solar En cada una de las pruebas se ha esperado que el colector alcance condiciones casi estacionarias en la temperatura, en esta región se ha realizado el análisis de datos para obtener los resultados de las curvas de eficiencia. Figura 2 a) Colector con cobertor opaco externo b) Colector sin cobertor externo

6 Temperatura ( o C) XVIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XVIII- SPES),Lima, RESULTADOS 4.1 Eficiencia Térmica del colector solar La eficiencia del colector solar es evaluada con los datos experimentales que se obtuvieron en 3 días de medición, todas la evaluaciones se realizaron en las horas de más alta intensidad de radiación solar. Se registraron los parámetros del flujo del fluido caloportador, temperatura de entrada y salida al colector, temperatura ambiente, temperatura del tanque con calefactor para el control de temperatura de entrada, radiación solar, velocidad de viento; éstos parámetros nos permiten determinar experimentalmente el coeficiente global de perdidas térmicas U L,y la eficiencia instantánea.los datos han sido procesados y analizados en 6xcel y origin. Para el cálculo de la eficiencia y pérdidas de energía en el colector solar se realizo el análisis que se detalla a continuación: Lunes 21/03/2011 Temperatura de ingreso al colector 33,8 ºC Temp Tanq Temp Pan Temp Ent Temp Sal Temp Amb 11:45 11:48 11:51 11:54 11:57 12:00 12:03 Tiempo (hh:mm.ss) Grafico 1. Temperatura (ºC) en función del tiempo (horas del día) En este grafico se observa que entre las 11:55 a 12:01 am el sistema alcanza condiciones casi estacionarias donde la temperatura de entrada (Te) es 33.8ºC y la temperatura de salida (Ts) es de 43.1ºC. la temperatura ambiente Ta=19.2ºC. Vemos que la diferencia de temperatura de entrada y salida es de 9.3ºC para el procesamiento se considera el promedio de los datos en este rango.

7 Rad solar (W/m2) XVIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XVIII- SPES),Lima, Rad solar :45 11:48 11:51 11:54 11:57 12:00 12:03 Tiempo (hh:mm.ss) Grafico 2. Radiación solar (W/m 2 ) en función del tiempo (horas del día) Se observa que la radiación solar es casi constante de 11:49 a 12:01 am donde se obtiene una radiación de W/m 2 la cual es propicia para determinar la eficiencia. Realizando el análisis a partir de los datos anteriores se obtiene para la prueba del día lunes 21 de marzo del 2011(temperatura de entrada al colector de 33,8 ºC) una eficiencia instantánea de 39,5%. (ver tabla 4) El análisis para las otras cuatro pruebas se hacen de manera análoga (los resultados de la medición se muestran en la tabla 4). En la tabla 4. se muestran los resultados de las cinco pruebas y el grafico que muestra la eficiencia instantánea del colector solar Tabla 4: Resultados de la eficiencia instantánea del colector. Temperatura de entrada ]o C Temperatura ambiente Radiación solar (Tent-tamb)/G o C W/m 2 o C/W/m 2 Eficiencia instantánea

8 Eficiencia XVIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XVIII- SPES),Lima, Eficiencia Linear Fit of Eficiencia Equation y = a + b*x Adj. R-Square Value Standard Error Eficiencia Intercept Eficiencia Slope (Tent-Tamb)/G ( o C/W/m 2 ) Según la ecuación de la eficiencia tenemos: Grafico 3. Eficiencia en función de (Te-Ta)/G(m 2 K/W) η = F R τα U L ( T e T a G ) F R es el factor de remoción y representa el cociente entre el calor absorbido por el fluido y el trasferido cuando se considera la placa a la misma temperatura del fluido a la entrada del colector τ=transmitancia de vidrio transparente según (Duffie, J.A. and Beckman, W.A., 1991) es 0.88, α =absorbancia del aluminio según (Duffie, J.A. and Beckman, W.A., 1991), es 0.95 Por lo tanto usando los resultados del grafico 3 tenemos F R U L = - 14,38 (8) F R τ α=0.604 (9) Usando los datos de α= 0.95 y τ=0.88 citados anteriormente y reemplazando en (9) tenemos: F R. 0.88x0.95 = F R = x0.95 F R = 0,722 Reemplazando en (8) tenemos: 0.722xU L = U L =-19,92W/m 2 ºC U L = 14,

9 Temperatura ( o C) XVIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XVIII- SPES),Lima, La eficiencia instantánea máxima del colector solar es de 60.4% y el coeficiente global de perdidas es de U L = -19,92 W/m 2 ºC, así mismo en la prueba se obtuvo el factor de remoción de 0, Perdidas térmicas del tanque de almacenamiento de agua Se instalaron tres sensores de temperatura (termocuplas tipo T) en el interior del tanque de almacenamiento de agua de la terma (parte inferior, parte media y parte superior) Se cargo el tanque de la terma con agua a una temperatura de 56 ºC a las 15:00 horas del día 23/03/2011. Se monitoreo las temperaturas del interior del tanque y la temperatura ambiente desde las 15:00 horas del 23/03/2011 hasta las 10:00 horas del 24/03/2011 Los resultados se muestran en el grafico Temp Tanque Temp Ambiente Equation y = a + b*x Adj. R-Square Value Temperatura Slope Equation y = a + b*x Adj. R-Squar Value Temperatura Slope Equation y = a + b*x Adj. R-Square Value Temperatura Slope Equation y = a + b*x Adj. R-Squar Value Temperatura Slope :00 15:00 18:00 21:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 Tiempo (hh:mm) Grafico 4. Temperatura del tanque de almacenamiento y temperatura ambiente (ºC) en función del tiempo (horas del día) El promedio de temperatura en el interior del tanque desciende desde 56 ºC (15:00 horas del día 23/03/2011) hasta 42 ºC (07:40 horas del día 24/03/2011), por tanto tiene una velocidad de enfriamiento de 0,83 ºC/hora. A partir de las 7:40 se inicia el calentamiento en el tanque con una velocidad de 6,8 ºC/hora La temperatura del ambiente desciende desde 19 ºC (15:00 horas del día 23/03/2011) hasta 11,7 ºC (05:40 horas del día 24/03/2011), por tanto tiene una velocidad de enfriamiento de 0,43 ºC/hora. A partir de las 5:40 el ambiente inicia un calentamiento con una velocidad de 2,92 ºC/hora 4.3 Eficiencia Térmica de la terma solar Para caracterizar la eficiencia térmica de una terma solar se debe evaluar su rendimiento energético global: La eficiencia energética (η E ), que se define como la relación entre la energía térmica útil ganada por la terma y la energía solar disponible ese día (Valera Aníbal, 2007). η E = Energia termica util(e T) Energia solar recibida(e S) Para realizar esta prueba se instalaron tres sensores de temperatura (termocupla tipo T) en el interior del tanque de almacenamiento de agua de la terma (parte inferior, parte media y parte superior).

10 Radiacion solar (W/m 2 ) Temp tanque ( o C) XVIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XVIII- SPES),Lima, Se monitoreo las temperaturas del interior del tanque, la temperatura ambiente y la radiación solar desde las 19:00 horas del 28/03/2011 hasta las 20:00 horas del 30/03/2011 Los resultados se muestran en el grafico 5 y Temp tanque :00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 Tiempo (hh:mm) Grafico 5. Temperatura promedio del tanque de almacenamiento (ºC) en función del tiempo (horas del día) Radiacion solar Tiempo (min) Grafico 6. Comportamiento de la radiación solar del día 29/03/2011 En el grafico 5 se observa que el calentamiento del agua en el tanque se inicia a las 07:30 horas del día 29/03/2011 con una temperatura promedio de 15 ºC el cual se prolonga hasta las 15:30 horas alcanzando una temperatura máxima

11 promedio de 59 ºC; por tanto tenemos un incremento en la temperatura de 44 ºC que ocurre en un lapso de 8 horas, esto nos permite calcular la energía térmica útil ganada por la terma de 120 litros (120 kg): E T = mcδt J E T = 120kg x 4186 Kg 0 C X(440 C) E T = 22,1x10 6 J E T = 6,14 kwh Luego como la energía solar por unidad de área recibida entre las 07:30 y las 15:30 horas fue kWh/m 2 y el área del colector es 1,80 m 2, calculamos la energía solar recibida: E S = e s A E S = (6.1191kWh/m2)x(1,80 m 2 ) E S = 11,01kWh Por tanto la eficiencia de la terma es: η E = 6,14 kwh 11,01kWh η E = 0,557 η E = 55,7% También, podemos calcular la velocidad de calentamiento del agua de la terma hallando la pendiente entre las 07:30 y las 15:30 horas, la cual da un valor de 5,5 ºC/hora 5. CONCLUSIONES Los valores típicos del factor de remoción para el tipo de colectores como el que se evalúa van de 0,82 a 0,85 (Chasseriaux, J.M., 1990 ); para el caso del colector evaluado se ha obtenido un valor de 0,722 ; esto es debido a un mal contacto térmico entre la placa absorbedora y los tubos de la rejilla. Según la tabla 2 los valores típicos de eficiencia óptica (η 0 ) o eficiencia máxima del colector es de 80%. En el colector evaluado se ha obtenido una eficiencia de 60,4 %, esta diferencia se debe al factor de remoción comentado en el párrafo anterior, es decir a un deficiente contacto térmico entre la placa y los tubos El coeficiente global de pérdidas que se obtuvo para el colector es de 19,92 W/m 2 ºC y según la tabla 2 para un colector de estas características debe ser aproximadamente 7,0 W/m 2 ºC, esto se debe a un mal aislamiento térmico en las partes inferior y laterales del colector, y a un deficiente contacto térmico entre la placa y los tubos La velocidad de enfriamiento del tanque de almacenamiento de agua entre las 15:00 horas del día 23/03/2011 y las 07:40 horas del día 24/03/2011 fue de 0,83 ºC/hora, la cual está relacionada con la velocidad de enfriamiento del medio ambiente que fue 0,43 ºC/hora, de los resultados anteriores se observa que hay una relación de 2 a1; como la ley de conducción de calor depende de la geometría y de los materiales aislantes, además de la diferencia de temperatura entre el agua del tanque y del medio ambiente, podríamos afirmar que la relación encontrada también sea válida para zonas donde predomine las perdidas por conducción, sobre todo en horas de la noche donde la velocidad del viento es muy baja o casi nula. El proceso de calentamiento del agua en el tanque de almacenamiento ocurre entre las 07:30 horas y las 15:30 horas, luego de lo cual la temperatura del agua en el colector es menor que de la parte superior del tanque, interrumpiéndose el proceso termosifón, permaneciendo el agua caliente captada en el tanque y cuya duración depende explícitamente del aislamiento dispuesto alrededor. La velocidad de calentamiento en este periodo de tiempo fue de 5,5 ºC/hora, básicamente debido a la buena radiación solar que hubo ese día.

12 la energía térmica útil ganada por la terma de 120 litros durante las 8 horas de calentamiento fue de 22x10 6 J (6,14 kwh), la cual es comparable con una ducha eléctrica de 2 kw de potencia funcionando durante 3,07 horas por su parte la energía solar captada por el colector durante las 8 horas fue de 11,01kWh, Obteniéndose una eficiencia térmica para la terma solar de 55,7% 6. RECOMENDACIONES En el colector se debe mejorar el contacto térmico entre la placa de aluminio y los tubos de cobre, esto se podría hacer con abrazaderas metálicas, de esta manera se mejorara el factor de remoción y por tanto la eficiencia máxima del colector. Se debe aumentar el espesor del aislante térmico en la parte posterior y laterales del colector, así se disminuirá el coeficiente global de perdidas UL. Se debe aumentar el espesor del aislante térmico del tanque de almacenamiento de agua para disminuir las perdidas. Se debe mejorar la unión de los tubos de cobre del colector con el tanque de almacenamiento, para evitar fugas de agua debido a la fatiga de los materiales ocasionada por las constantes expansiones y contracciones térmicas. Agradecimientos: Al Proyecto ENDEV/GIZ Perú por su aporte a la realización de este articulo 7. REFERENCIAS. ASHRAE Standard 93-77,1977, Methods of testing to determine the Thermal Performance of solar Collector ASHRAE, Ney York, N.Y, Bannister B. y Whitehead D., 1994,. " Instrumentación, Transductores e Interfaces" Addison Wesley Iberoamerica, Commission of the European Communities,1980, " Recommendations for European Solar Collector Test Methods ". U.K.,. Chasseriaux, J.M., 1990," Conversión térmica de la Radiación Solar. Bordas, Paris. Cora Placco, Luis Saravia, Carlos Cadena, 2008, Colectores solares para agua caliente INENCO, UNSa CONICET, Argentina Duffie, J.A. and Beckman, W.A., 1991, " Solar Engineering of Thermal Processes ". Wyley, New York, Linthorst, J.M., 1985, Natural Convection Suppression in Solar Collector ". EFF, Holland, NTP , 2001, Colectores Solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares, Lima Perú. Valera Aníbal, 2007, Energía Solar II, Asamblea Nacional de Rectores, Lima Perú. Zilles, R., 1987, " Comparação Experimental de Testes de Coletores Solares planos com Simulador e com Radiação Solar". Dissertação de Mestrado, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, PROMEC,