Tecnolgico de Estudios Superiores de Ecatepec
Tecnolgico de Estudios Superiores de Ecatepec.Profesor: Jorge Andrs Cuevas Landeros.
Materia: Laboratorio Integral 2.
Diseo y Construccin de un Calentador Solar con latas de aluminio.
Integrantes de Equipo:
Lpez Lpez Nancy.
Mora Ramrez Uziel.
Prez Ramrez Juan Carlos.
Valencia Hernndez Jorge Ral.
Carrera: Ingeniera Qumica.
Grupo: 4601.
Sexto Semestre.
Diseo y construccin de un calentador solar con latas de aluminio.OBJETIVO.Disear y construir un calentador solar con latas de aluminio.
HIPOTESIS.El uso de la energa solar, junto con el empleo de toda una serie de fuentes renovables (energa procedente de las mareas, del viento, geotrmica, hidrulica etc.) y conservacin de la energa, puede aumentar el grado de autosuficiencia en el suministro de energa y hacer que el pas sea menos dependiente de fuentes importadas y consecuentemente menos vulnerable a las influencias de polticas exteriores.
INTRODUCCION.El calentamiento de agua es una de las aplicaciones ms importantes de la energa solar, que compite econmicamente en la mayora de los casos con mtodos de calentamiento a base de fuentes convencionales de energa.El agua caliente se necesita para uso domstico (baarse, lavar trastos y ropas etc.), uso comercial (hospitales, hoteles, centros de recreos, piscinas, residencias estudiantiles, restaurantes, etc.), e industrias (ganaderas, lecheras, embotelladoras etc.).Varios tipos de calentadores de agua pueden ser construidos, dependiendo del diseo, la disponibilidad de los materiales y las necesidades pero el principio bsico es el mismo para todos los sistemas: el Efecto Invernadero.En general existen dos tipos de calentadores solares de agua.En uno la captacin de la energa solar y almacenamiento de energa solar (en forma de agua caliente) se hace en la misma unidad. Los calentadores del otro tipo tienen separados los sistemas de captacin de la energa solar y almacenamiento de agua caliente.En el calentador de agua ms simple, la captacin y almacenamiento estn juntos. Este sistema es compacto y sencillo, pero su rendimiento es bajo. Debido a que durante la noche y el periodo de nubosidad (cuando el sol es insuficiente para aumentar la temperatura del agua en el recipiente), la superficie de vidrio se convierte en una gran fuente de prdidas. Para reducir esta prdida, es necesario cubrirla con un protector aislante cuando se estima que el sol no aporta suficientes energa.
ANTECEDENTES.
La energa solar se considera una fuente alternativa de energa, pero en realidad el sol es la fuente de energa principal para la Tierra. Los combustibles fsiles como el carbn, petrleo y gas natural se originan a partir de la descomposicin de plantas muy antiguas. El sol proporcion la energa para que estas plantas crecieran. La energa del sol tambin se transfiere a la atmsfera por lo que diferentes masas de aire tienen diferentes temperaturas y presiones, lo cual crea el viento. Las turbinas de viento pueden aprovechar la energa del aire en movimiento. El sol tambin proporciona la energa para la evaporacin del agua y calentamiento de la superficie de la tierra. Esto causa que caiga lluvia y sea drenada por los ros. Los embalses hidroelctricos pueden aprovechar la energa del agua en movimiento.
En los climas nrdicos se pueden reducir los costos de energa haciendo que las casas tengan una orientacin al sur que permita que la energa solar penetre en ellas, utilizando un calentador solar de agua, utilizando la energa del viento para cargar bateras para proporcionar potencia, secar la ropa al sol y al viento, etc. Algunos dispositivos que se pueden usar para capturar la energa solar son el agua o el aire en recolectores solares, celdas fotovoltaicas y generadores de viento. El sol proporciona energa en forma de ondas electromagnticas. La energa de las ondas electromagnticas se puede usar para proporcionar energa potencial elctrica en forma de celdas fotovoltaicas y tambin transferirse a energa trmica cuando interacta con la atmsfera y la Tierra.Un calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol para calentar alguna sustancia, como puede ser agua , aceite, salmuera , glicol o incluso aire . Su uso ms comn es para calentar agua para uso en albercas o servicios sanitarios (duchas, lavado de ropa o trastes etc.) tanto en ambientes domsticos como hoteles.
Son sencillos y resistentes, pueden tener una vida til de hasta 20 aos sin mayor mantenimiento. Se recomienda limpiar el colector cada 4 o 6 meses para aumentar su eficiencia y vida til.
Dependiendo de la tecnologa y materiales implementados, un calentador solar puede llegar a tener eficiencias de 70% u 80%.
Esta eficiencia es muy elevada comparada con el panel fotovoltaico, el cual genera energa elctrica pero con una eficiencia de hasta 15%.
Los calentadores solares domsticos pueden trabajar en conjunto con los calentadores de agua comunes, o bien, sustituirse completamente, ya sea por razones de ahorro en combustibles o electricidad, o por falta de los mismos.
En muchos climas un calentador solar puede disminuir el consumo energtico utilizado para calentar agua.Tipos de calentadores solares.
De acuerdo con su funcionamiento los calentadores solares se clasifican en dos tipos:
Activos
Los calentadores solares activos son aquellos que utilizan una bomba o algn tipo de energa externa para mover el agua dentro de su ciclo.
Pasivos
Los generadores solares pasivos no requieren de energa externa para funcionar. Utilizan el principio de conveccin para mover el agua dentro del sistema.
Componentes
Existen 4 componentes bsicos en un calentador solar:
COLECTOR.
Es el componente que se encarga de transferir la energa solar al agua. Consiste en un arreglo de tuberas o conductos (en este caso las latas), por donde fluye el agua.
El arreglo est pintado de negro mate o cubierto con cromo negro para evitar reflejar la luz y as lograr una mayor absorcin de calor.
El colector puede estar contenido en una caja con paredes externas resistentes a la intemperie y con paredes internas capaces de aislamiento trmico.
La parte superior lleva uno o varios vidrios o materiales transparentes capaces de dejar pasar la luz y proteger de la intemperie.
CONTENEDOR.
Es el recipiente de almacenamiento del fluido. Se conecta con la entrada y la salida del colector.
Despus de un tiempo y dependiendo de las dimensiones de las componentes, el agua se calentar para su uso posterior.
En el momento de requerir agua, se extrae del tanque y se rellena con agua fra.
SISTEMA.
El sistema son todas las tuberas, bombas, sistemas de control, llaves de paso, y accesorios con las que cuente el calentador solar.
Conecta por medio de tuberas el colector con el contenedor, as como tambin el calentador con las tuberas de una casa.
SUSTANCIA DE TRABAJO.Usualmente es agua potable, la misma que se utilizar en regaderas, lavabos, lavadoras, albercas, hoteles.
En este caso, es el fluido que se hace pasar por el colector para ser guardado en el contenedor, o bien, pasar por un intercambiador de calor. Si se utiliza un intercambiador de calor, el agua a calentar no pasa por el colector sino nicamente por el contenedor en donde se encuentra el intercambiador de calor, el cual proporciona la energa captada.
Este sistema es ms conveniente si el calentador se encuentra en una localidad propensa a climas muy fros, ya que el fluido del colector tiene propiedades anticongelantes, previniendo la ruptura de las tuberas debido al congelamiento. Tipos de circulacin
Circulacin directa
El agua que se calent en el colector se utiliza directamente por el usuario.
Circulacin Indirecta
Una sustancia de trabajo se calienta y se enva a un intercambiador de calor. ste utiliza el mismo principio que un radiador. De esta manera se separa el fluido del sistema con el fluido a utilizar.
Esta opcin es conveniente cuando el sistema de calentamiento se ubica en zonas propensas a congelacin, donde el agua podra quebrar las tuberas al congelarse.
Ubicacin.Los colectores estn instalados en lugares despejados, orientados de tal manera que su superficie est lo ms perpendicular posible a los rayos del sol.
Si se encuentra en el hemisferio norte, el colector deber estar orientado hacia el sur, con un ngulo proporcional a la latitud del lugar. Debido a que la inclinacin terrestre modifica el ngulo de la incidencia de los rayos del sol a lo largo del ao, es conveniente ajustar la inclinacin del colector.
MATERIAL Y EQUIPO. 2 metros de tubo de PVC hidrulico de 1 pulgada.
30 cm. de tubo de PVC hidrulico de pulgada.
3 codos de PVC hidrulico de 1 pulgada. 6 unin T de PVC hidrulico de 1 pulgada.
40 latas de aluminio en perfecto estado.
3 latas de aerosol de color negro mate.
2 Tubos de silicn chicos.
1 tubo de silicn gde.
1 tramo de madera de .
1 trozo de triplay.
Papel aluminio.
1 metro de manguera chica.
Vidrio transparente (la medida de este depende de la superficie que se valla a utilizar para el colector.
Pegamento para PVC.
Equipo.
Taladro.
Serrucho.
Pistola para silicn.
Broca de de pulgada.
Broca de 1 pulgada.
1 perico
Desarmador plano.
PROCEDIMIENTO.
Con el trozo de madera se construye una caja de la medida deseada, cada esquina de la caja se refuerza con tornillos de 1 pulgada.
A continuacin se hace una presentacin con las latas de aluminio formando 4 columnas con 9 latas cada una.
Despus se deja el contenedor vaci y se prosigue a sellar con silicn toas las esquinas de la caja, esto para evitar que se presenten fuga mas adelante.
Con la ayuda de un taladro se hace una perforacin de de pulgada en la parte inferior de todas las latas.
En la caja se realizan cuatro perforaciones en la parte superior e inferior.
Una vez realizadas estas perforaciones se cubre de papel aluminio el interior de la caja y se prosigue a pegar todas las latas una tras otra dentro de la caja.
Lo siguiente es pintar la caja del color que sea, nosotros para no desperdiciar la pintura usamos negro.Despus se realiza una base de madera para el calentador de manera que quede en un ngulo donde le pueda dar el sol.
Una vez que haya secado la pintura de la caja se prosigue a colocar el vidrio, esto se hace con silicn ya que si se utiliza otro tipo de pegamento este no pegara del todo bien y el cristal podra resbalar.RESULTADOS.
Como resultado del diseo descrito anteriormente, se obtuvo un equipo liviano y porttil, lo cual facilita el trabajo a la hora de utilizarlo.
Tcnico.La temperatura alcanzada por el agua, aparte del diseo y los materiales del sistema, depende de la cantidad de agua que se necesite calentar, del clima del lugar, descarga del agua caliente y carga de agua fra, etc. sin embargo con un metro cuadrado de colector, en el clima de varios lugares de Mxico, se puede calentar un promedio de 75 litros de agua, diariamente, aumentando su temperatura de 20 hasta 40-50C. Medicin del rendimiento.1) Con el fin de verificar el rendimiento del calentador y observar su comportamiento, se llevo a cabo la siguiente prueba:2) Se coloc el colector a la radiacin solar directa, a las 12 hrs. Del da, ajustndola a un ngulo de 25 para que empiece a funcionar bajo el efecto de termosifn.3) Se registraron las temperaturas durante una hora, con intervalos de 10 minutos, de entrada y salida del agua que circula por el colector. 4) Se obtuvieron los siguientes datos mostrados en la tabla.Temperatura de entrada y salida del colector para el da 08 de Enero de 2009.
HoraTemperatura de entradaTemperatura de salida
12:0017C17C
12:1018C21C
12:2019C24C
12:3023C25C
12:4024C27C
12:5027C30C
13:0029C34C
Con los datos obtenidos en la tabla se hall el rendimiento promedio para del calentador solar durante ese periodo de tiempo (60 minutos). Utilizando la siguiente ecuacin:
Donde Qu es el calor til en W, HT es la energa solar incidente (1045 W/m2) y Ac es el rea efectiva del colector (0.41 m2).Qu se calcula teniendo en cuenta la diferencia de temperatura inicial y final de los 60 minutos, que para nuestro caso fue de 17C.Junto con la capacidad de almacenamiento del tanque, la cual es de 18925 cm3, se halla el trabajo calrico en Kilocaloras durante los 60 minutos, el cual es de 283.87 Kilocaloras, que equivalen a 1186.5975 Kilojulios.Con el trabajo calrico en Kilojulios, hallamos la potencia calrica en un periodo de tiempo, el cual es el mismo Qu del colector, dando como resultado 329.5 Watts.
Aplicando los valores anteriores a la ecuacin, se obtiene que el rendimiento es del 75 %.
Con este resultado se puede decir, que el rendimiento anteriormente hallado es de todo el sistema del calentador solar.
Para hallar el rendimiento instantneo del colector se toma como referencia la diferencia de temperaturas, entre la temperatura promedio de las latas absorbedoras y la temperatura ambiente, y se grfica contra el rendimiento. Media Ambiente.Un calentador solar de agua puede reducir la contaminacin del aire anualmente en alrededor de 45- 50 Kg. de gases como dixido del carbono (C02), azufre (S02), mono oxido de carbono (CO) y Oxido de Nitrgeno (NOx). En este momento cerca del 10% de la electricidad es producida por plantas trmicas. En promedio 937 toneladas mtricas de C02 son producidas por cada 1000 MWh de electricidad producida por estas planta.
CONCLUSIONES.La importancia de esta aplicacin de la energa solar es cada vez mayor. Hay que tener en cuenta que puede producir una interesante modificacin de las condiciones higinicas de un gran nmero de personas.
El diseo ms adecuado para cada lugar slo puede determinarse experimentalmente. En este caso construimos un calentador solar sencillo y comprobamos bajo qu condiciones ser ptimo su funcionamiento.
Iniciado el experimento, pusimos en prctica nuestro talento as como nuestra inventiva introduciendo diversas modificaciones, que proporcionaron un aumento del rendimiento del calentador solar. Con relativamente poco dinero, puede llegar a dotar de agua caliente una casa de campo.Vale la pena aclarar que un calentador de este tipo, mal diseado, construido con los materiales no apropiados seguramente no funcionara ms que durante algunas semanas o algunos meses con un rendimiento a veces irrisorio: posteriormente saltan las soldaduras, el aislante se moja con la lluvia y no obtenindose, de esta forma, prcticamente nada del calentador de agua.Por otra parte, si se ve desde el punto de vista didctico, la utilizacin del prototipo de este calentador puede ser una herramienta que beneficie y motive a los compaeros hacia el tema de la energa solar.BIBLIOGRAFIA.
[1] http://solarweb.net.[2] Procesos de Transferencia de calor.
Donald Q. CERN
Editorial CECSA
Vigesimosexta Edicin 1995[3] Posibilidades de aprovechamiento de Energa Solar en las Zonas de Desarrollo. Organizacin de las Naciones Unidas para la Agricultura y Alimentacin. Lawland I. 1979.Cronograma de actividades.
ActividadLunesMartesMiercolesJuevesViernesSemana del 01 al 05 de Diciembre
Busqueda de informacion
Busqueda de material
Compra de materialSemana del 08 al 12 de Diciembre
Lijado de latas
Perforacion de latas
Pintado de latas
Construccion del colectorSemana del 15 al 19 de Diciembre
Pintado del colector
Pegado de latas
Pegado de vidrio
Pruebas realizadas.Semana del 05 al 09 de Enero
Analisi de resultados
Nota: A partir del da 22 hasta el da 04 de Enero no se realizo ninguna actividad ya que fueron vacaciones de fin de ao. EMBED Excel.Chart.8 \s
_1292985071.xlsGrfico1
1717
1821
1924
2325
2427
2730
2934
TEMPERATURA ENTRADA
TEMPERATURA SALIDA
HORA
TEMPERATURA C
TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA EN EL COLECTOR PARA EL DIA 08 ENERO 2009.
Hoja1
HORATEMPERATURA ENTRADATEMPERATURA SALIDA
12:001717
12:101821
12:201924
12:302325
12:402427
12:502730
13:002934
Hoja1
TEMPERATURA ENTRADA
TEMPERATURA SALIDA
HORA
TEMPERATURA C
TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA EN EL COLECTOR PARA EL DIA 08 ENERO 2009.
Hoja2
Hoja3
