MODULO II - Unidad 3

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1 Calificación de instaladores solares y seguimiento de calidad para sistemas solares térmicos de pequeña escala MODULO II - Unidad 3 Profesores Wilfredo Jiménez + Massimo Palme + Orlayer Alcayaga

2 Una instalación solar térmica es un sistema muy sencillo de producción de energía. Sin embargo, su puesta en obra requiere el conocimiento básico del movimiento de fluidos en cañerías y de la transferencia de calor en estado líquido y sólido. Las nociones fundamentales de la hidráulica son los conceptos de caudal y altura manométrica. Las nociones básicas de la transferencia de calor son los conceptos de aislación y poder calorífico. l

3 Cualquier fluido en movimiento se caracteriza por tener un caudal, que se define como: La cantidad de fluido (masa o volumen) que pasa a través de una determinada superficie en la unidad de tiempo, y se expresa en el sistema internacional en m3/s o kg/s. La definición de caudal hace que este pueda calcularse como Q = S x v, donde S es la superficie y v la velocidad del fluido. Esta expresión es importante porqué nos enseña que en secciones menores el fluido se mueve más rápido.

4 En el momento de determinar las dimensiones de las cañerías, tenemos que pensar en: El caudal necesario o aconsejado para las finalidades requeridas (captación solar, abastecimiento de agua de una vivienda, ecc ) La velocidad permitida o aconsejada en las cañerías para no causar problemas acústicos (ruido) ni mecánicos (corrosión). El espacio disponible (diámetro de las tuberías).

5 Los caudales recomendados para un circuito solar son del orden de 50 l/h por m2 de colector plano. Sin embargo, para aumentar el rendimiento de instalaciones medianas o grandes (a partir de los 30 m2 de captación), se necesita conseguir una temperatura de trabajo del fluido lo más cercana posible a la temperatura ambiente. Esto significa que el caudal recomendable para las instalaciones solares de más de 30 m2 será de 15 l/h por m2 en lugar de 50 (lowflow).

6 Los caudales del circuito de consumo, sea cual sea la fuente de energía, están determinados a priori según la utilización del agua en el punto de consumo. En general, el consumo se puede estimar con cálculos térmicos para calefacción, o bien se debe recurrir a tablas para los casos donde la norma sanitaría es lo importante, es decir en el caso de producción de ACS y en el calentamiento de piscinas.

7 La tabla siguiente propone unos valores indicativos de las necesidades de ACS para diferentes tipologías de edificios.

8 La tabla siguiente propone unos valores indicativos de los caudales mínimos para diferentes puntos de consumo.

9 La estimación del caudal permite decidir el diámetro de las cañerías, puesto que la velocidad de circulación está determinada por normativa entre 0,5 y 2 m/s. La fórmula que se utiliza es sencillamente:

10 En el caso de piscinas, se considera que es necesaria una renovación mínima del 5% del volumen de agua por día En el caso de climatización, el caudal de fluido circulante se determina de acuerdo a las necesidades térmicas, es decir que para una demanda de 1 kw se necesitan 50 l/h de agua a 40 C. En el caso de utilización conjunta, se deben sumar los caudales de cada utilización.

11 Sin embargo, en la estimación del caudal con el que se deben abastecer los edificios de vivienda, hace falta tener en cuenta que no todos los departamentos utilizarán al mismo tiempo sus grifos, duchas y lavadoras, por lo que se toma en cuenta un coeficiente de simultaneidad (empírico): donde N es el número de viviendas del edificio.

12 Con el término altura manométrica se indica la altura (en metros o en milímetros) de una columna de agua para generar la presión equivalente a una determinada. Es una medida de las pérdidas de carga de un sistema hidráulico, debidas en gran mayoría al rozamiento entre el fluido y las paredes de las tuberías y elementos de conjunción. Es un dato fundamental para seleccionar una bomba de recirculación adecuada al circuito.

13 Las pérdidas de carga son muy difíciles de evaluar, proponemos la ecuación empírica de Flamant: que relaciona las pérdidas con el caudal y el diámetro de las cañerías. Esta ecuación se escribe para 1 metro de longitud de la tubería y su valor debe multiplicarse para la longitud del tramo. Además se estima sumar un 15% del total debido a codos, curvas, desvíos en el recorrido.

14 El elemento básico de un sistema hidráulico es la bomba de recirculación. Su determinación y consecuentemente su consumo eléctrico depende de dos factores: El caudal Q en m3/h La altura manométrica en m Los valores se relacionan generando unos gráficos de selección en los que se puede leer igualmente el valor de la potencia eléctrica consumida

15 Gráfico de selección de una bomba:

16 La velocidad de circulación influye sobre el caudal (o bien sobre el diámetro de las tuberías) y entonces determina las pérdidas. Parece lógico hacer circular el fluido lo más lentamente posible, pero esta es una condición irreal porqué el límite inferior de la velocidad lo determina la corrosión interna de las tuberías en 0,5 m/s. Tuberías con esa velocidad de circulación serían muy grandes para los caudales recomendados, por eso se hace circular el agua a velocidades de 1,5-2 m/s dependiendo de la ubicación (en espacios interiores no más de 1 m/s por el ruido).

17 Las cañerías trasportan un fluido caliente, sea desde el captador solar al acumulador, sea desde el acumulador al punto de consumo. Si el ambiente exterior es frío, el fluido podría perder parte de su calor durante el recorrido. Por eso se necesita una aislación térmica exterior de la tubería, que se puede calcular con ecuaciones de transporte de calor (complicadas) o bien que se puede tomar desde tablas.

18 Espesores de aislante térmico en mm respecto a la temperatura en C del fluido y al diámetro exterior de la tubería en mm.

19 La vaporización es otro de los fenómenos que tienen importancia en los sistemas solares: el fluido puede calentarse hasta pasar a vapor, aumentando de volumen.

20 Los dispositivos que se necesitan para evitar daños a los captadores o al circuito hidráulico son básicamente: Válvulas de seguridad Vasos de expansión Válvulas anti retorno Dispositivos de llenado y vaciado

21 Especial importancia han asumido, en los últimos tiempos, los vasos de expansión, que pueden instalarse de diferentes formas: Circuito abierto: el vaso es un recipiente que se sitúa en el punto más alto del circuito y permite al fluido expandirse. Circuito cerrado: el vaso tiene dos partes separadas por una membrana, que comprime el aire cuando el agua o el fluido portador del calor se expande.

22 Vaso de expansión: se identifica normalmente en las instalaciones interiores por estar pintado de color naranja y parecerse a una bombona.

23 Actividad: Estimar el diámetro de las tuberías para un sistema de distribución (consumo) de agua caliente en una vivienda unifamiliar equipada con un baño con bañera y otro con ducha, 2 lavamanos, lavadora, fregadero. Tiempo a disposición: 20 minutos

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