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Proyecto colector solar...

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Instituto Tecnológico de Ciudad Juárez CALENTADOR SOLAR DE AGUA CON MATERIAL DE BAJO COSTO

(Mecatrónica)

Equipo #3 “Los Termos” Armando Misael Miranda Hernández Gerardo Guadalupe Piña Hernández Carlos Misael Moncada Ruiz Giovanni Adrian Arredondo Rodríguez Cristian Guerrero Hernández Alfredo Holguín Mendoza

Clase: Termodinámica Docente: Armando Torres Hora de la Clase: 3:00pm-4:00pm

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INTRODUCCIÓN En este proyecto se presenta el proceso de diseño y construcción de un calentador

solar para

consumo doméstico, operando por termosifón. Hecho con material reciclable, de muy bajo costo pero sobre todo ecológico. Aprovechando los principios de la física para su funcionamiento: transferencia de energía, color, medios de transmisión de calor, termosifón, efecto invernadero, densidad, vasos comunicantes, reflexión, calor específico, calorimetría, Leyes de la termodinámica. 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Hoy en día, el consumo de energía proveniente de los hidrocarburos ha incrementado sus costos económicos y ambientales, debido al agotamiento de estos recursos naturales no renovables, por lo que es necesario hacer un cambio en nuestro consumo de fuentes de energía

Fig.-1y 2 boiler de gas

Uno de los puntos en los que se consume gran cantidad de energía en las casas es en el calentamiento de agua, en cuanto a un calentador de agua podemos sustituir el uso de gas por la energía solar.

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2. JUSTIFICACIÓN

Un calentador solar se usa con el fin de aprovechar la energía solar, la cual que es gratis y no es aprovechada adecuadamente. Además esta energía es limpia, es decir, no produce contaminantes ni daña el medioambiente como lo hacen los hidrocarburos (petróleo, gas L.P., gas Natural, etc.).

El Sol es una fuente inagotable de energía por la razón de que siempre está presente en nuestro medio, el calentador solar de agua a la larga conviene en el factor económico ya que no genera gastos durante el tiempo que es utilizado, sólo con la instalación del equipo al principio, por otro, los sistemas convencionales de calentamiento de agua generan gastos a lo largo del tiempo en que se usa el servicio.

Este proyecto se realizará con el propósito de adquirir conocimiento sobre el calentador solar de agua y así tener una fuente alterna de energía para el calentamiento de agua. 3. OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir un calentador solar diseñado para las condiciones climáticas de cuidad juarez, con los materiales mas prácticos, una gran resistencia y a un buen precio. 4. HIPOTESIS A través de las pruebas y diseño del calentador compararemos que tan eficiente es un calentador solar sencillo contra con los actuales en el mercado en cuanto a funcionalidad y costos, aprovechando la energía solar y evitando contaminar el ambiente.

5. ANTECEDENTES

México es un país con alta incidencia de energía solar en la gran mayoría de su territorio; el enorme potencial que tenemos para aprovechar este tipo de energía se desperdicia, perdiendo la oportunidad de que miles de familias mexicanas se vean beneficiadas en su economía y en su salud al utilizar los calentadores solares, ya que en estos sistemas, la fuente de calor es la radiación solar, la cual sustituye los combustibles fósiles ó la electricidad Éstos permiten una disminución en el consumo de gas LP y ayudan a detener el deterioro de la calidad del aire y a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero que provocan el cambio climático Un calentador solar es un aparato que se utiliza para calentar alguna substancia, como puede ser agua, glicol, salmuera, aceite entre otras; con la energía proveniente del sol. Un buen calentador solar de agua puede durar funcionando hasta 15 ó 20 años. La energía termal del sol puede ser utilizada para calentar agua a temperaturas inferiores a los 100ºC o para la calefacción de ambientes. Se recomienda limpiar el colector cada 4 o 6 meses para aumentar su eficiencia y vida útil. Debido a que la inclinación terrestre modifica el ángulo de la incidencia de los rayos del sol a lo largo del año, es conveniente ajustar la inclinación del colector. Se recomienda tener un margen de +15° y -15° con respecto al ángulo de los rayos del sol en el equinoccio.

Fig.-3 calentador solar serpentín Esquema del calentador solar Este consta de principalmente de 3 partes:

 El colector solar plano  El termo tanque  El sistema de tuberías

El colector: es el encargado de capturar la energía solar. Se instala en el techo de la casa y orientado a la radiación del sol todo el día. Para lograr la mayor captación de la radiación solar, el colector solar plano se coloca con cierta inclinación, la cual depende de l sol. La radiación electromagnética del sol, incluyendo la luz visible e infrarroja, penetra dentro de un colector y es absorbida por alguna superficie ubicada dentro del mismo. Una vez que la radiación es absorbida por las superficies dentro del colector, la temperatura aumenta. El colector solar plano está formado por aletas captadoras y tubos por donde circula el agua, los cuales capturan el calor proveniente de los rayos del sol y lo transfieren al agua que circula e n su interior. Existen 2 tipos: Colectores de placa plana Los colectores de placa plana son sofisticados invernaderos que atrapan y utilizan el calor del sol para aumentar la temperatura del agua hasta alrededor de los 70ºC. Consisten en una caja herméticamente cerrada con una cubierta de vidrio algún otro material transparente. En su interior se ubica una placa de absorción la cual esta en contacto con unos tubos por los que circula un liquido que transporta el calor. Los colectores tradicionales, como los de serpentina o los de tubos paralelos, consisten en varios tubos de cobre orientados en forma vertical con respecto al colector y en contacto con una placa de color oscuro, generalmente esta placa es metálica aunque que en algunos casos puede ser de plástico o algún otro material. Colectores de tubos paralelos En el caso de los colectores de tubos paralelos, se colocan tubos de mayor sección en la parte inferior y superior, para asistir a la extracción de agua caliente y al ingreso de agua fría para su calefacción. La placa de absorción es aislada de la pared exterior con material aislante para evitar pérdidas de calor.

Los colectores de tubo de vació se encuentran entre los tipos de colectores solares más eficientes y más costosos. Estos colectores se aprovechan al máximo en aplicaciones que requieren temperaturas moderadas, entre 50 ºC y 95 ºC, y/o en climas muy fríos. Termo tanque: mantiene el agua caliente y está forrado con un aislante térmico para evitar que se pierda el calor ganado. Termofónico: el agua circula por todo el sistema y esto provoca la diferencia de temperatura. Esto es lo que sucede entre el colector solar plano y el termo tanque, con lo cual se establece una circulación natural, sin necesidad de ningún equipo de bombeo. El sistema de tuberías es por donde el agua circula. El arreglo de tubos se coloca horizontalmente sobre el suelo, con una inclinación específica dependiendo de la localidad terrestre. El agua entra por uno de los extremos del tubo horizontal más bajo, sube por todos los tubos verticales y sale por el extremo contrario del tubo horizontal más alto. Serpentín Una manguera o tubo se dispone en una formación de vaivén o espiral. La superficie expuesta al sol recibirá la energía directamente sobre el conducto. Tubos de vacío El colector utiliza tubos de vidrio al vacío. Dentro de los tubos se encuentran los conductos del colector. El vacío previene los fenómenos de conducción y convección, aumentando la eficiencia. Tipos de calentadores Activos Son los aquellos que utilizan una bomba o algún tipo de energía externa para mover el agua dentro de su ciclo. Pasivos Pasivos no requieren de energía externa para funcionar. Utilizan el principio de convección para mover el agua dentro del sistema. Ramas de la física que nos sirven para entender el funcionamiento de un calentador solar  Mecánica  Óptica  Termodinámica

Uno de los procesos físicos más importantes en el funcionamiento del calentador es la transferencia de calor por convección. La convección es una de las formas de transferencia de calor. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Éstos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, disminuyen su densidad y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. En sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido. 6. PROPOSITO: Difundir alternativas para la elaboración de calentadores solares

que nos permitan disminuir

el consumo de gas y electricidad y así fomentar el uso de energía limpia como lo es la solar y asegurar que

las

generaciones

socioeconómicas

venideras

se

beneficien

de

todas

las

ventajas

y medioambientales que las energías renovables ofrecen. Además de que se

pueden aprovechar en los lugares donde no se tienen calentadores convencionales de gas L.P. 7.

METODOLOGÍA

El funcionamiento del calentador solar de agua es muy sencillo: El colector solar se instala, orientado hacia el sur, de tal manera que quede expuesto a la radiación del sol todo el día. Este debe colocarse con cierto grado de inclinación, lo que permite aprovechar eficientemente la radiación. No obstante, la inclinación a la que se debe colocar el colector dependen de la localización de la ciudad donde se pretenda instalar, sin embargo, se recomienda, que esta sea aproximadamente 15°más, que la latitud del lugar de instalación. La posición del termo tanque debe permitir que éste se llene por gravedad, por consiguiente debe colocarse por lo menos 50 cm., sobre el nivel superior del colector. El colector solar está formado por tubos de CPVC por donde circula el agua colocados en paralelo, como vasos comunicantes los cuales están contenidos dentro de vidrio. Para mayor eficiencia se forro una base con una lamina de metal, esto con la finalidad de que los rayos de sol sean reflejados sobre el aluminio y caliente más el aire contenido en el colector, de esta manera habrá más transferencia de calor entre el sistema; acero, agua y aire. Pero ¿cómo circula el agua por todo el sistema? La circulación se logra mediante el efecto denominado “termosifón”, que provoca la diferencia de temperaturas. Como sabemos, el agua caliente es más ligera que la fría y, por lo tanto, tiende a subir, esto es lo que sucede entre el colector solar y el

termo tanque, con lo cual se establece una circulación natural, sin necesidad de ningún equipo de bombeo. Y ¿cómo hacemos para mantener el agua caliente? Precisamente, esa es la función del “termo tanque”, que consiste en un bote que contiene un deposito más pequeño ( de 5 lts.) y entre uno y otro se utilizó un aislante térmico (Felpa de sillón sintética) para evitar que se pierda el calor ganado. Entonces, si instalamos en nuestra casa un calentador solar de agua del tamaño adecuado, en épocas de mucho calor y en lugares donde hay mucho sol, todo el año servirá, no sólo para bañarnos, sino para cubrir algunas necesidades de agua caliente. 8.

¿CUÁLES SON LOS BENEFICIOS?

Los beneficios del uso de los calentadores solares de agua los podemos clasificar en dos: económicos y ambientales. Económicos.- Con un calentador solar de material reciclado, podemos satisfacer los requerimientos de agua caliente de nuestra casa, sin tener que pagar combustible, pues utilizar así el sol no nos cuesta. Ambientales.- El uso de los calentadores solares permite mejorar en forma importante nuestro entorno ambiental. ¿Cómo? Los problemas de la contaminación en las zonas urbanas no sólo son provocados por los combustibles utilizados en el transporte y en la industria, sino también por el uso de gas LP en millones de hogares, lo cual contribuye en conjunto al deterioro de la calidad del aire y la emisión de gases de efecto invernadero. De igual manera al reciclar algunos materiales les damos un reuso y contaminamos menos. 9.

PRINCIPIOS BASICOS DE LA FISICA DEL CALENTADOR SOLAR TERMODINÁMICA.

Rama de la física que estudia las transformaciones de energía en calor. Primera ley de la termodinámica; “La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. De acuerdo a la ley cero de la termodinámica: se efectúa equilibrio termodinámico, entre el sistema: aluminio, agua y aire. Y el calor siempre va a fluir del cuerpo más caliente al menos caliente. (2ª ley de la termodinámica). (Cita de la monografía de T.J.Quinn llamada "Temperature").

Cuando el calor es transformado en alguna otra forma de energía, o cuando otra forma de energía es transformada en calor, la cantidad total de energía (calor más otras formas) en el sistema es constante.

CALORIMETRIA Es el intercambio de calor entre cuerpos MEDIOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR

Cuando la radiación solar es absorbida por un cuerpo, se transforma en calor, o sea, éste se calienta. Un cuerpo caliente se enfría cuando le pasa calor a otro cuerpo por contacto (por conducción) o a un fluido, aire o agua en movimiento que lo rodea (por convección) y por la emisión al exterior (por radiación). EFECTO INVERNADERO El efecto invernadero es tan fácil como que el calor solar que entra a un lugar cerrado, se mantiene porque al no circular el aire, éste no se disipa, por lo que la temperatura en el interior de las botellas es mayor que la del medio ambiente. VASOS COMUNICANTES

El agua alcanza la misma altura en los diversos tubos que se comunican entre sí sin importar la forma o el volumen que estos tengan, siempre y cuando todos estén llenos y no contengan en su interior aire. PRINCIPIO DE DENSIDAD Y DE CONVECCIÓN. El aire y el agua son malos conductores del calor, sin embargo lo absorben fácilmente; esto es cuando están en contacto con una superficie más caliente. Tanto el agua como el aire absorben el calor por contacto pero cualquiera de ellos debe estar en movimiento para transmitir la temperatura. EL COLOR

Un cuerpo opaco (negro) es aquel que no deja pasar ninguna luz y mientras es más oscuro, absorbe más y refleja menos.

PRINCIPIO DEL TERMOSIFÓN. Se tiene un panel solar lleno con agua fría. Como el Sol calienta el colector, el agua en el interior comienza a aumentar su temperatura, por lo que disminuye su peso específico, se dilata, se torna más ligera y tiende a subir hacia la parte más alta del tanque. El agua fría, más pesada, queda en la parte baja del colector, donde se calienta, comienza el proceso y comienza su trayecto hacia la parte superior del tanque, y así, sucesivamente. DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA SOLAR Para que pueda estimar la temperatura del agua para cada sistema veremos unos elementos de física

Para variar la temperatura de un litro de agua (= 1Kg) un grado centígrado se necesita una KCaloría, es decir:

1KCal = 1 ltr x 1°C de diferencia en temp.

La relación entre el Kwh y la Caloría (Cal) está dado por la expresión:

1KWh = 860 Cal

Esta relación es importante porque una manera de conocer la energía diaria que recibirá el calentador solar, es conocer el valor del día solar promedio, el que está dado en KWh/m2 por día. (Capítulo 1 del Manual para Sistemas Fotovoltaicos.)

IMAGENES

CONCLUSIÓN

Como conclusiones podemos decir también que en estos tiempos tan difíciles y en el que se están presentando infinidad de cambios climáticos que están afectando de manera contundente a nuestro planeta y de manera particular a todas y cada una de las personas que aquí habitamos, es cuando debemos tomar conciencia y hacer uso con responsabilidad de todas aquellas formas en las que hemos venido contaminando a la tierra. Podemos observar que el calentador solar es competitivo con los calentadores convencionales de gas, es importante mencionar que el calentador solar tiene la limitante de que su eficiencia baja muchísimo en días con gran nubosidad, lo sucede de acuerdo a la época del año, en Cd Juarez es común el cambio de clima durante toda época, por lo que proponemos el uso del calentador solar en combinación con uno convencional, con el fin de contar en cualquier época del año con agua caliente, este sistema hibrido permite disminuir considerablemente el uso de gas y se disminuye la contaminación. Asimismo podemos decir que el reciclaje es una forma de ayudar a combatir la contaminación y es por eso que se hace énfasis en que se utilice material reciclable cuando se pretendan generar proyectos de investigación o al tratar de generar alguna tecnología. Vale la pena aclarar que un captador de este tipo, mal diseñado, construido con los materiales no apropiados seguramente no funcionaría más 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 obteniéndose, de esta forma, prácticamente nada del calentador de agua.

REFERENCIAS 1. http://www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/1465/2/im ages/queescsp.pdf 2. http://www.conae.gob.mx/wb/CONAE/CONA_1472_que_son_los_calenta . 3. http://www.textoscientificos.com/energia/solar/calentadores 4. http://es.wikipedia.org/wiki/Calentador_solar 5. Thierrv Cabirol. Albert Pelissou y Daniel Roux, El Calentador Solar de Agua, Compañía Editorial Continental, S.A.(España), 1979, pp. 150. 6. S.V. Szokolav. Energía Solar y Edificación, Editorial Blume (Barecelona, España), 1978, pp. pp.196. 7. A.A.M. Sayigh, Solar Energy Engineering, Academic Press, (New York, EUA), 1977, pp. 506....