DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UN COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA CON PARAMETROS DE RENDIMIENTO MODIFICABLES.

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Natividad Araya Mora
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1 REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL. 33, No. 2, 200 DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVALUIÓN DE UN COLECTOR SOLAR DE PLA PLANA CON PARAMETROS DE RENDIMIENTO MODIFICABLES. C. Plazas, N. Moreno, C. Sánchez Universidad Distrital francisco José de Caldas Facultad de Ciencias y Educación Cra 3. # 26 a 40, TEL Ext. 2 Bogotá DC. RESUMEN En este trabajo se recogen los resultados obtenidos durante el diseño, construcción, y evaluación de un colector solar de placa plana con parámetros variables, el cual tiene la finalidad de darle una aplicación en el campo de la docencia dada su facilidad para modificar su configuración, anotando que este tipo de dispositivos son comúnmente utilizados a nivel domestico e industrial para calentamiento de agua. A partir del modelo de Hottel, se diseño y construyo un colector solar que permitiera variar la configuración y parámetros de operación que determinan el comportamiento general del colector solar de agua y además permite experimentar y fortalecer los conceptos relacionados con los principios de transferencia de calor y diseño de colectores solares. Todo esto se utilizó en la elaboración de una guía de practicas con las que se pretenden además obtener datos experimentales para verificar los resultados del modelo de Hottel, procurar una interacción directa del estudiante con el medio en que se desenvuelve para que pueda entenderlo y modificarlo. INTRODUCCIÓN Un colector solar de placa plana (CSPP) es un dispositivo que recibe la energía proveniente del sol, la absorbe y la transfiere a un fluido. Se caracteriza por un estilo sencillo, por su larga duración y por un costo que es relativamente bajo, además trabaja con radiación directa y difusa. En la figura. se muestran los componentes que hacen parte de un CSPP como lo son las cubiertas, que controlan las pérdidas por convección y al mismo tiempo atrapan la radiación infrarroja; los tubos son los que transportan el fluido de trabajo; la placa de absorción es la que recoge la radiación solar para luego transportarla hacia los tubos, por lo general esta placa debe estar pintada de negro para absorber la mayor parte de la radiación solar incidente; el aislamiento térmico disminuye las pérdidas por radiación y convección y la caja generalmente metálica que encierra todos los componentes anteriormente mencionados[]. Los colectores solares son dispositivos que tienen aplicación en usos domésticos e industriales y en su diseño no se consideran las posibilidades que pueden llegar a tener en la enseñanza, no solo de la energía solar sino también en aplicaciones de la termodinámica. 263

RESUMEN En este trabajo se recogen los resultados obtenidos durante el diseño, construcción, y evaluación de un colector solar de placa plana con parámetros variables, el cual tiene la finalidad de

2 REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL. 33, No Figura No.. Esquema básico de un colector solar. PARAMETROS DE DISEÑO PARA UN CSPP. Para el diseño de los sistemas de calentamiento solar, es importante tener en cuenta los diferentes parámetros que influyen en el rendimiento óptimo de un colector solar como lo son :[2] Coeficiente de pérdidas totales U L ( W/m 2 K ), que es la energía por unidad de tiempo y de área que se pierde debido a la diferencia de temperatura entre el colector y el medio ambiente y depende de la conductividad térmica del aislante, de su espesor, del número y material de las cubiertas. Eficiencia de aleta F, es la relación entre la radiación que es absorbida y la energía térmica que es conducida a la base de la aleta la cual se puede calcular mediante la expresión (), donde, w es la distancia entre tubos en m, D diámetro externo de los tubos en m, δ es el espesor de la placa absortora en m y k la conductividad térmica de la placa en W/m K. Factor de remoción F R, es la relación entre la energía real útil ganada por el colector y la energía que ganaría si toda la superficie del colector estuviera a la temperatura de fluido, este parámetro esta dado por la ecuación (2), donde m es el flujo en kg /s, A C el área del colector, C p el calor especifico del fluido a presión constante en J/kg K, F R U tanh L kδ F = U 2 L kδ 2 ( W D) ( W D) / 2 exp / 2 m C p U L = U L m C p ' F [] [2] Factor de eficiencia F', es la relación entre la resistencia a la transferencia térmica de la placa absortora al medio ambiente y la resistencia a la transferencia térmica del fluido al medio ambiente. Este parámetro se define de la siguiente manera: 264

de pérdidas totales U L ( W/m 2 K ), que es la energía por unidad de tiempo y de área que se pierde debido a la diferencia de temperatura entre el colector y el medio ambiente y depende de la

3 REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL. 33, No. 2, 200 F' = W U L U L [ D + ( W D) F] C b Di hfi + + π [3] donde D i es el diámetro interno en m, h fi es el coeficiente de transferencia de calor entre las paredes del tubo y el fluido en W/m 2 y la Eficiencia instantánea, que es la relación entre la energía que suministrara el colector y la energía solar incidente sobre el mismo y se expresa de la siguiente forma: qu dt η = [4] HT dt Donde q u es el calor útil en W, H T (W/m 2 ) es la energía incidente por unidad de área MATERIALES DEL COLECTOR DISEÑADO PARA LA DOCENCIA La elección del material de la cubierta se hizo teniendo en cuenta su influencia sobre U L para esto se escogió vidrio corriente que presenta buena durabilidad y su costo es razonable. Otro componente importante es el aislante térmico cuya conductividad térmica influye directamente en el valor de U L, y este a su vez incide en los parámetros ya descritos, para esto se escogió la fibra de vidrio. El material de la placa debe caracterizarse por tener una buena conductividad térmica, analizando el producto kδ (ecuación ()) este debe ser alto para obtener un buen F, esto es una buena conductividad térmica (k) y un δ grande, aumentando este ultimo en forma considerable e injustificada los costos; los metales son los que mejor se acomodan a estas exigencias, para este fin se uso una lamina de acero galvanizado calibre 24. Los tubos por los que circula el fluido se seleccionaron de acuerdo a la necesidad del diseño el cual permite cambiar la distancia entre tubos lo que nos permite obtener valores distintos de F (ecuación ()), el material usado en los tubos fue cobre, con un diámetro interno de 0,02 m y externo de 0,05 m Tabla No.. Materiales que componen el CSPP para la Docencia COMPONENTES MATERIAL COSTO Cubiertas Vidrio corriente $ oo Aislamientos térmicos Fibra de vidrio $ oo Placa absortora Acero galvanizado $ oo Tubería Cobre $ oo Caja Hierro col-roll $ oo Para el diseño y construcción del colector solar se tuvieron en cuenta las características físicas de los materiales como lo son la conductividad térmica, la emitancia, la absortancia y dimensiones geométricas además de los costos, todo esto sirvió de base al momento de la selección. Para fines didácticos, se realizó un diseño que permite cambiar la configuración del CSPP, lo que se logro con un dispositivo de,22 m 2 de área X 0, m de altura,. que permite variar la distancia entre tubos, el número de tubos, el material del aislante y el número de cubiertas, además se le incorporaron sensores de temperatura (LM35) a la entrada y salida del fluido y en la placa colectora lo que facilita el proceso de medición. 265

Eficiencia instantánea, que es la relación entre la energía que suministrara el colector y la energía solar incidente sobre el mismo y se expresa de la siguiente forma: qu dt η = [4] HT dt Donde q u

4 REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL. 33, No RESULTADOS DE LA EVALUIÓN DEL CSSP PARA LA DOCENCIA Los colectores evaluados tienen las características técnicas, condensadas en la tabla 2 donde C, C2, C3 y C4 se refieren a cada una de las configuraciones del CSPP para la docencia; cabe anotar que el fluido de trabajo en todas las configuraciones fue agua con un caudal de 0,048 kg/s. Los cálculos de los parámetros obtenidos experimentalmente para cada configuración (ver tabla 3) resultan de mediciones de temperatura de entrada y salida del fluido, temperatura media de la placa, cantidad de flujo, velocidad del viento, temperatura ambiente y radiación solar global incidente, dichas mediciones se realizaron en la Universidad Distrital sede Macarena B (latitud 4 37"0,8', longitud 74 4"2,2').[3] Tabla No. 2. Características técnicas de las distintas configuraciones evaluadas COMPONENTES C C2 C3 C4 Tubos de Número conexión Espacio Entre tubos (m) 0, 0,2 0,2 0, Tipo Fibra de Fibra de Aire Aire Aislante Espesor (m) vidrio 0,003 vidrio 0,003 0,003 0,003 Tabla No. 3 Valores experimentales PARAMETROS C C2 C3 C4 U L ± 0,0 W/m 2 K 6,45 7,30 0,05 0,94 F ± 0,02 0,90 0,77 0,56 0,78 F' ± 0,02 0,86 0,75 0,59 0,80 F R ± 0,03 0,85 0,74 0,58 0,78 η 0 ± 0,0 0,62 0,60 0,57 0,44 Figura No. 2 Curvas características EFICIENCIA 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,0 0,00 0 0,02 0,04 0,06 0,08 Tred ( C) C C2 C3 C4 266

configuraciones del CSPP para la docencia; cabe anotar que el fluido de trabajo en todas las configuraciones fue agua con un caudal de 0,048 kg/s.

5 REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL. 33, No. 2, 200 CONCLUSIONES Las dimensiones del CSPP para la docencia provocaron una diferencia de temperaturas muy pequeña comparada con otros colectores, esto hace necesario un detallado análisis de errores que además de las variaciones de los parámetros, nos dan la posibilidad de consolidar el dispositivo como herramienta didáctica. Esto se plasma en una guía de laboratorio en la que se le da al estudiante una participación más directa en la construcción del conocimiento, donde tiene la posibilidad de trazar el camino que satisfaga su curiosidad bajo la guía del docente. Esto basados en tendencias metodológicas de descubrimiento espontaneo e inductivista tecnológico. Es importante resaltar que este colector fue construido para la enseñanza, lo cual no hace imprescindible la obtención de parámetros cuyos valores sean elevados, lo que no quiere decir que no se puedan conseguir. REFERENCIAS [] MANRIQUE, José. Energía solar fundamentos y aplicaciones fototermicas. México: Harla, 984. p. 255 [2] DUFFIE, J. and BECKMAN, W. Solar energy thermal process. New York: Wiley 974. p [3] PLAZAS, Carlos y MORENO, Norman. Diseño, construcción y evaluación de un colector solar de placa plana para la docencia. Universidad Distrital, 200. p

errores que además de las variaciones de los parámetros, nos dan la posibilidad de consolidar el dispositivo como herramienta didáctica.

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