“DISEÑO TERMODINÁMICO DE UN CALENTADOR SOLAR DE …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

“DISEÑO TERMODINÁMICO DE UN CALENTADOR SOLAR DE AGUA PARA USO

RESIDENCIAL”

TESIS PROFESIONAL QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA: ALFREDO JOZABHAD ANDRADE JIMÉNEZ

ASESORES:

M. EN C. FREDY DONÍS SÁNCHEZ

ING. GERARDO IRVING ARJONA RAMÍREZ

INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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Índice.

Contenido Página

Objetivo. ............................................................................................................................ X

Justificación. ..................................................................................................................... X

Introducción. .................................................................................................................... XI

CAPITULO 1. Fundamentos Básicos .............................................................................. 1 1.1.El Sol. ........................................................................................................................ 2

1.1.1.La constante Solar. ............................................................................................ 2

1.2. Radiación Solar ....................................................................................................... 3

1.2.1. Interacción de la Radiación Solar con la Atmosfera..................................... 3

1.2.2. Absorción ......................................................................................................... 4

1.2.3. Reflexión........................................................................................................... 4

1.2.4. Irradiancia......................................................................................................... 5

1.3. Métodos de medición. ............................................................................................ 5

1.3.1. Piranómetro. ..................................................................................................... 5

1.3.2. Piranómetro Térmico ....................................................................................... 6

1.3.3. Piranómetro Fotovoltaico ............................................................................... 6

1.3.4. Heliógrafo .......................................................................................................... 7

1.3.5. Actinómetro ...................................................................................................... 8

1.4 Efecto Invernadero .................................................................................................. 9

1.4.1. Gases con efecto invernadero ...................................................................... 10

1.4.2. Consecuencias del cambio climático .......................................................... 11

1.5.Aprovechamiento de la energía solar. .................................................................. 12

1.5.1.Captación de la energía solar. ........................................................................ 12

1.5.2. Sistemas Solares Pasivos. .......................................................................... 13

1.6. Colectores planos. .............................................................................................. 15

1.6.1. Tipos de colectores planos. ........................................................................ 16

1.7. Colectores Concentradores. .............................................................................. 16

1.7.1. Colectores concentradores para la conversión térmica a temperaturas medias. ...................................................................................................................... 17

1.7.2. Colectores concentradores para la conversión térmica a altas temperaturas. ............................................................................................................ 18

1.8. Subsistema de distribución y almacenamiento. .............................................. 19 INGENIERÍA MECÁNICA Página I


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1.9. Almacenamiento por calor sensible o capacidad calorífica. .......................... 19

1.9.1. Almacenamiento en agua.............................................................................. 20

1.9.2. Almacenamiento en piedras o rocas........................................................... 20

1.9.3. Almacenamiento por calor latente o cambio de fase.. ............................... 20

1.9.4. Almacenamiento en estanques solares. ...................................................... 21

1.9.5.Almacenamiento por reacciones químicas. .................................................. 21

1.10. Conversión eléctrica: sistemas fotovoltaicos............................................... 22

1.11.Aplicaciones reales y potenciales de la energía solar. ..................................... 24

1.11.1.Calefacción de agua doméstica. .................................................................. 25

1.11.2. Acondicionamiento térmico de albercas. ............................................... 25

1.11.3. Secado Solar. ............................................................................................ 26

1.12.Bomba de calor. ................................................................................................... 27

1.13.Energía solar en México. ..................................................................................... 27

CAPITULO 2. Propiedades Físicas en Materiales ........................................................ 29

2.1.Densidad. ................................................................................................................ 30

2.2. Conductancia y resistencia. ................................................................................ 30

2.2.1.Origen molecular de la conductividad. .......................................................... 31

2.2.2.Coeficiente de conductividad térmica. .......................................................... 31

2.3. Valor R. .................................................................................................................. 31

2.4. Mejores materiales conductores. ....................................................................... 32

2.4.1. El Cobre. ......................................................................................................... 32

2.4.2. El Aluminio. .................................................................................................... 33

2.4.3. La Plata. .......................................................................................................... 35

2.5.Materiales aislantes. .............................................................................................. 36

2.5.1.Productos aislantes resistivos. ...................................................................... 36

2.6. Mejores materiales aislantes. .............................................................................. 38

2.6.1. Lana de roca. .................................................................................................. 38

2.6.2.Lana de vidrio. ................................................................................................. 39

2.6.3. Poliestireno Expandido (EPS) ...................................................................... 40

2.6.4. Espuma celulósica. ...................................................................................... 40

2.6.5.Espuma de polietileno. .................................................................................... 41

2.6.6. Espuma de poliuretano. ................................................................................ 41

2.6.7.Espuma elastomérica. ..................................................................................... 41

2.6.8.Corcho. ............................................................................................................. 42

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2.6.9. Fibra de vidrio. ............................................................................................... 42

2.7. Calor específico. ................................................................................................... 43

2.8. Calor específico volumétrico. ............................................................................. 43

2.9. Capacidad térmica. .............................................................................................. 44

2.10.Absortividad y absortancia. ................................................................................ 44

2.11.Emisividad. ........................................................................................................... 45

2.11.1.Cuerpo Gris. ................................................................................................... 46

2.11.2. Cuerpo Negro. .............................................................................................. 46

2.12.Reflectividad y reflectancia. ................................................................................ 47

2.13.Rugosidad. ............................................................................................................ 47

2.14. Convección. ........................................................................................................ 47

2.16. Selección de materiales. .................................................................................... 49

CAPITULO 3. Memoria de cálculo y diseño termodinámico ....................................... 50

3.1. Consumo de agua caliente en una casa mexicana. .......................................... 51

3.2. Consideraciones previas. .................................................................................... 52

3.3. Dimensionamiento del calentador solar............................................................. 53

3.3.1. Cálculo de la capacidad del colector. ........................................................... 54

3.4. Balance de energía. .............................................................................................. 58

3.5. Coeficiente total de transferencia de calor. ....................................................... 59

3.5.1. Coeficiente de transferencia de calor en el fondo. ..................................... 59

3.5.2. Coeficiente de transferencia de calor en la superficie. .............................. 60

3.5.4. Coeficiente de convección entre la cubierta y el firmamento. ................... 60

3.5.5. Coeficiente de convección entre la placa y el colector. ............................. 61

3.5.6. Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el aire ambiente......................................................................................................... 61

3.6. Calor útil. ............................................................................................................... 63

3.6.1. Producto absortancia - transmitancia.......................................................... 63

3.6.2. Calculando la eficiencia de la placa absolvedora. ...................................... 65

3.6.3. Calor útil en términos de las temperaturas ambiente y del fluido. ............ 66

3.6.4. Factor de eficiencia de remoción de calor. ................................................. 67

3.6.5. Calor útil transferido al fluido. ...................................................................... 67

3.6.6. Temperatura máxima del colector. ............................................................... 67

3.7. Cálculo de la eficiencia del calentador solar. .................................................... 68

3.8. Calculo del tanque térmico.................................................................................. 68

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CAPITULO 4. Costo unitario del Equipo ....................................................................... 71

4.1. Materiales para la construcción del calentador solar. ...................................... 72

4.2. Precio del material para construir el calentador solar. ..................................... 72

4.3. Consumo de gas para el calentamiento de agua. ............................................. 74

4.4. Consumo de agua caliente. ................................................................................. 75

4.5. Tiempo para recuperar la inversión. ................................................................... 77

Conclusiones. .................................................................................................................. 78

Referencias Bibliográficas. ............................................................................................. 79

Glosario. ........................................................................................................................... 80

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Índice de Figuras.

Figura 1. 1 Constante Solar ................................................................................................. 2 Figura 1. 2 Distribución de la Radiación .............................................................................. 3 Figura 1. 3 Piranómetro ....................................................................................................... 5 Figura 1. 4 Heliógrafo. ......................................................................................................... 7 Figura 1. 5 Tipos de bandas para Heliógrafo. ...................................................................... 8 Figura 1. 6 Pirheliómetro Ángstrom. .................................................................................... 9 Figura 1. 7 Diagrama Efecto Invernadero. ........................................................................... 9 Figura 1. 8 Calentamiento Global. ..................................................................................... 11 Figura 1. 9 Variación de Temperatura Global. ................................................................... 12 Figura 1. 10 Diferentes tipos de Energía Solar Pasiva. ..................................................... 14 Figura 1. 11 Colectores planos. ......................................................................................... 15 Figura 1. 12 Colectores Concentradores. .......................................................................... 17 Figura 1. 13 Heliostatos. .................................................................................................... 18 Figura 1. 14 Silicio. ............................................................................................................ 22 Figura 1. 15 Sistema Fotovoltaico. .................................................................................... 22 Figura 1. 16 Paneles fotovoltaicos en serie. ...................................................................... 23 Figura 1. 17 Aprovechamiento de energía solar en una casa. ........................................... 24 Figura 1. 18 Diagrama de la bomba de calor. .................................................................... 27 Figura 2. 1 Panel rígido de lana de roca. ........................................................................... 38 Figura 2. 2 Fragmento de poliestireno expandido. ............................................................. 40 Figura 2. 3 Estructura química del polietileno. ................................................................... 41 Figura 2. 4 Espuma de poliuretano de alta densidad. ........................................................ 41 Figura 2. 5 Corte de tronco de alcornoque mostrando la capa de corcho. ........................ 42 Figura 2. 6 Tapón de corcho. ............................................................................................. 42 Figura 2. 7 Fibra de vidrio. ................................................................................................. 43 Figura 3. 1 Partes del calentador solar. ............................................................................. 53 Figura 3. 2 Corte intermedio del calentador solar. ............................................................. 56 Figura 3. 3 Flujos de calor en el calentador solar. ............................................................. 58 Figura 3. 4 Circuito térmico para un colector plano con dos cubiertas.1............................ 59 Figura 3. 5 Entradas y salidas de agua.............................................................................. 69 Figura 3. 6 Flujo de agua, colector solar - termo tanque.................................................... 70

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Índice de Tablas.

Tabla 1. 1 Gases con efecto Invernadero. ......................................................................... 10 Tabla 2. 1 Conductividades térmicas de diversos materiales en W/(m K) ......................... 31 Tabla 2. 2 Propiedades del cobre. ..................................................................................... 33 Tabla 2. 3 Propiedades del aluminio. ................................................................................. 34 Tabla 2. 4 Propiedades de la plata. ................................................................................... 35 Tabla 2. 5 Propiedades superficiales selectivas para aplicaciones de energía solar. ........ 45 Tabla 3. 1 Tubo de cobre “Tipo M” .................................................................................... 53 Tabla 3. 2 Irradiación en un día típico en un clima Templado ............................................ 56 Tabla 4. 1 Costo total para construir un calentador solar................................................... 74

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Nomenclatura.

𝐀𝐀𝐜𝐜 Área del colector. (m2)

𝑨𝑨𝒆𝒆 Ahorro anual de energía (KJ/año)

𝑪𝑪𝒑𝒑 Calor especifico del agua a presión constante. ( KjKgK

).

D Diámetro del tubo. (m), (pulg)

𝐃𝐃𝐢𝐢 Diámetro interior del tubo. (m), (pulg)

F Factor de eficiencia de una superficie plana.

𝐅𝐅´ Factor de eficiencia del colector.

𝐅𝐅𝐑𝐑 Factor de eficiencia de remoción de calor.

𝐇𝐇𝐓𝐓 Radiación global incidente. (W m2)⁄

L Espesor del vidrio. (m)

La Espesor del aislante. (m)

Lea Cantidad de energía requerida en el agua caliente. (KJ dia)⁄

M Altura del colector. (m)

Mc Cantidad de agua caliente requerida. (lt dia)⁄

𝐍𝐍 Numero de cubiertas de vidrio.

P Perímetro del colector. (m)

𝐏𝐏𝐝𝐝 Reflectancia difusa.

𝐐𝐐𝐃𝐃 Calor demandado. (MJ)

𝑸𝑸𝒔𝒔 Cantidad de calor que se consume en forma de combustible. (GLP)

R Resistencia térmica por unidad de área de la capa de material. (m2°C W⁄ )

RS Radiación solar total durante el día. (𝑊𝑊 𝑚𝑚2)⁄ , ((𝑀𝑀𝑀𝑀 𝑚𝑚2)⁄

S Radiación que llega al colector solar. (𝑊𝑊 𝑚𝑚2)⁄ , ((𝑀𝑀𝑀𝑀 𝑚𝑚2)⁄

T Tiempo de retorno de la inversión (años)

Ta Temperatura ambiente. (°C), (K)

Tb Temperatura de la placa. (°C), (K)

𝐓𝐓𝐜𝐜 Temperatura de la cubierta. (°C), (K)

𝐓𝐓𝐟𝐟 Temperatura del fluido. (°C),(K)

𝐓𝐓𝐟𝐟𝐟𝐟 Temperatura del fluido a la entrada. (°C), (K)

𝐓𝐓𝐟𝐟𝐢𝐢𝐟𝐟. Temperatura efectiva del firmamento. (°C), (K)

𝐓𝐓𝐟𝐟𝐟𝐟 Temperatura del fluido a la salida. (°C), (K)

𝐓𝐓𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟 Temperatura máxima del fluido. (°C), (K)

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𝐓𝐓𝐟𝐟 Temperatura de la superficie solida. (°C), (K)

𝐓𝐓 Temperatura promedio. (°C), (K)

𝐔𝐔𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐝𝐝𝐟𝐟 Coeficiente de transferencia de calor en el fondo. (W m2K)⁄

𝐔𝐔𝐟𝐟𝐬𝐬𝐬𝐬. Coeficiente de transferencia de calor en la superficie. (W m2K)⁄

𝐔𝐔𝐥𝐥 Coeficiente de transferencia de calor en los lados. (W m2K)⁄

V Velocidad del viento. m s⁄

e Espesor de la capa de material. (m)

f Coeficiente de película con el numero de cubiertas.

h Convección. (W m2°C)⁄ , (W m2K)⁄

𝐡𝐡𝐟𝐟 Coeficiente de convección interface tubo – fluido. (W m2°C)⁄ , (W m2K)⁄

𝐡𝐡𝐬𝐬−𝐜𝐜 Coeficiente de convección entre la placa y el colector. (W m2°C)⁄ , (W m2K)⁄

𝐡𝐡𝐟𝐟,𝐬𝐬−𝐜𝐜 Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la placa y la cubierta. (W m2°C)⁄ ,

(W m2K)⁄ 𝐡𝐡𝐟𝐟,𝐜𝐜−𝐟𝐟𝐢𝐢𝐟𝐟 Coeficiente de convección entre la cubierta y el firmamento. (W m2°C)⁄ ,

(W m2K)⁄

𝐡𝐡𝐰𝐰 Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el aire ambiente. (W m2°C)⁄ ,

(W m2K)⁄

𝐊𝐊 Conductividad térmica. (W m°C)⁄ , (W mK)⁄

𝐤𝐤𝐟𝐟 Conductividad térmica del aislante. (W m°C)⁄ , (W mK)⁄

k´ Coeficiente de extinción. (m)

M Peso específico del agua. (Kg)

𝐟 Flujo másico. (Kg s⁄ )

q Transferencia de calor por unidad de área. (W m2)⁄

𝐪𝐪´𝐜𝐜𝐟𝐟𝐟𝐟𝐝𝐝 Flujo de calor por conducción. Watts

𝐪𝐪´𝐟𝐟𝐟𝐟𝐝𝐝 Flujo de calor por radiación. Watts

𝐪𝐪´𝐬𝐬𝐮𝐮𝐢𝐢𝐥𝐥 Calor útil. Watts

w Separación entre tubos. (m)

Letras griegas α Transmitancia.

𝛅𝛅 Espesor de la aleta. (m)

ε Emisividad.

𝛆𝛆𝐠𝐠 Emitancia del vidrio.

𝛆𝛆𝐬𝐬 Emitancia de la placa.

𝓵𝓵 Espacio entre tubos. (cm)

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𝐟𝐟𝐟𝐟 Índice de refracción del vidrio.

σ Constante de Bottzman. (J/K)

τ Absortancia.

𝛉𝛉𝐢𝐢 Angulo de incidencia de radiación. Grados

𝛉𝛉𝐟𝐟 Angulo de refracción. Grados

∆𝐓𝐓 Diferencia de temperatura. (°C), (K)

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Objetivo.

Diseñar un calentador solar de agua para uso doméstico con la capacidad suficiente para el aseo personal de seis usuarios. Tomando en cuenta los materiales con mejores propiedades para obtener una buena eficiencia.

Justificación.

Con la instalación de un calentador solar adecuado a nuestras necesidades, podemos satisfacer la mayor parte de los requerimientos de agua caliente de nuestra casa, sin tener que pagar combustible, pues utilizar la energía solar no nos cuesta.

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 L.P. en millones de hogares, lo cual contribuye en conjunto al deterioro de la calidad del aire y la emisión de gases de efecto invernadero, con graves repercusiones que afectan a nuestro medio ambiente.

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Introducción.

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 más común es para calentar agua para uso en albercas o servicios sanitarios (regadera, lavado de ropa o trastes etc.) tanto en ambientes domésticos como hoteles. Son sencillos y resistentes, pueden tener una vida útil de hasta 20 años sin mayor mantenimiento.

En muchos climas un calentador solar puede disminuir el consumo energético utilizado para calentar agua. Tal disminución puede llegar a ser de hasta 50%-75% o inclusive 100% si se sustituye completamente, eliminando el consumo de gas o electricidad. Aunque en muchos países, por lo general en vías de desarrollo con unos climas muy propicios para el uso de estos sistemas, no los utilizan debido al costo inicial que se debe de cubrir para calentar la primera gota de agua.

La eficiencia para captar la energía solar es muy elevada en los calentadores solares. Dependiendo de la tecnología y materiales implementados, puede llegar a tener eficiencias de 70% u 80%. No debemos confundirnos con el panel fotovoltaico, el cual no se utiliza para calentar substancias, sino para generar electricidad a partir de la luz.

El colector también llamado captador solar o panel termo solar. Es la componente que se encarga de transferir la energía solar al agua. Consiste en un arreglo de tuberías o conductos por donde fluye el agua. El arreglo puede estar pintado de negro mate o cubierto con pinturas selectivas como el cromo negro para evitar reflejar la luz y así lograr una mayor absorción de calor.

El colector suele estar contenido en una caja con paredes externas resistentes a la intemperie y con paredes internas dotadas de aislamiento térmico. La parte superior lleva uno o varios vidrios o materiales transparentes capaces de dejar pasar la luz y proteger de la intemperie, utilizados para generar efecto invernadero dentro el colector.

Existen diferentes variantes de colector:

• Tubos y Placas.

En el llamado colector plano, se disponen dos tubos horizontales y se conectan con varios tubos verticales. Cada uno de estos tiene acoplada una placa normalmente de lámina delgada. Las láminas sirven para captar el calor y transmitirlo por conducción a la tubería. 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.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Sol

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Aceite

http://es.wikipedia.org/wiki/Salmuera

http://es.wikipedia.org/wiki/Glicol

http://es.wikipedia.org/wiki/Aire

http://es.wikipedia.org/wiki/Alberca

http://es.wikipedia.org/wiki/Vida_%C3%BAtil

http://es.wikipedia.org/wiki/Consumo_energ%C3%A9tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico

http://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica%23Obtenci.C3.B3n_de_luz_polarizada

http://es.wikipedia.org/wiki/Cromo

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero

http://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n


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• 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 pero también el costo.

Existen también otros tipos de colectores que alcanzan mayores temperaturas:

• Concentradores parabólicos, consistentes en un arreglo de espejos en forma de cilindroparabólico que reflejan la energía solar hacia un solo conducto lineal por donde pasa unasustancia capaz de calentarse a temperaturas alrededor de los 300ºC.

La variante llamada plato parabólico concentra la energía en un punto en lugar de una línea como en el caso del concentrador parabólico. Las temperaturas alcanzables con este colector pueden superar los 650ºC.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar_de_tubos_de_vac%C3%ADo

http://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Convecci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_parab%C3%B3lico



http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Plato_parab%C3%B3lico&action=edit&redlink=1


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CAPÍTULO I. Fundamentos Básicos

La energía solar es llamada energía renovable o limpia por ser el calor y luz emitidos por el sol y captadas por nosotros mediante un sistema colector para obtener energía térmica o eléctrica. Sería poco racional no aprovechar por todos los medios posibles esta fuentede energía gratuita, limpia e inagotable, que puede librarnos definitivamente de la dependencia del petróleo.

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1.1. El Sol.

El Sol es una esfera gaseosa con un diámetro de 1 391 000 km. La Tierra da vueltas alrededor del Sol siguiendo una órbita elíptica de la cual el Sol ocupa un foco, la distancia media de la Tierra al Sol es de 149 450 000 km. Es mínima hacia el 15 de Enero y máxima a fines de Junio.

El Sol no es una esfera homogénea. Se pueden distinguir tres regiones principales:

• El interior: Donde se crea la energía por reacciones termonucleares y que es inaccesible alas investigaciones pues toda la radiación emitida en esta región es totalmente absorbidapor la fotósfera. La temperatura llega a varios millones de grados y la presión es de milesde atmósferas.

• La fotósfera: Es muy delgada (más o menos 300Km. de espesor), es responsable de lacasi totalidad de la radiación que recibimos. El orden de magnitud de temperatura ya no esmás que de algunos miles de grados, decreciendo muy rápidamente en el espesor de lacapa hasta una temperatura llamada “de superficie “del orden de 4500 K.

• Las regiones de bajas densidades: La cromósfera y la corona en donde la materia es muydiluida. Esto explica que aunque la temperatura es elevada (del orden del millón degrados), la radiación emitida es muy débil. Además la materia es muy agitada: flamas en elseno de la cromósfera o también llamadas espículas o grandes columnas de gases en lacorona también llamadas protuberancias.

1.1.1. La constante Solar.

También conocida comoirradiancia solar extraterrestre, es la cantidad de energía recibida en forma de radiación solar por unidad de tiempo y unidad de superficie, medida en la parte externa de la atmósfera terrestre, cuando la tierra está a la distancia media del Sol (149.5 x 106 Km),el valor de la constante solar (𝑰𝑰𝒄𝒄𝒔𝒔) es de1366 𝑊𝑊/𝑚𝑚2 sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que varía un 0,2% en un periodo de 30 años.

.

Figura 1. 1 Constante Solar



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La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera.

1.2. Radiación Solar.

La radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas expedidas por el Sol, la radiación recibida por la superficie de la Tierra es menor que la que llega a la parte alta de la atmosfera debido a distintos procesos que tienen lugar durante su recorrido através de la atmosfera. Esta interacción entre la radiación solar y la atmosfera terrestre es debida -principalmente a tres fenómenos; difusión, absorción y reflexión.

1.2.1. Interacción de la Radiación Solar con la Atmosfera.

La radiación difusa es la que se recibe del Sol, después de ser desviada por dispersión atmosférica. Es radiación difusa la que se recibe a través de las nubes, así como la que proviene del cielo azul., si no existiera la radiación difusa, el cielo se vería negro, aun de día, como sucede por ejemplo en la Luna.

La atmósfera ejerce un efecto de redistribución de la radiación que recibe del Sol. Por ejemplo, en un día muy despejado, una parte relativamente pequeña se convierte en radiación difusa, mientras que la mayor parte permanece como directa, como se muestra en la figura 1.2. La radiación difusa, en un día despejado, es la que proviene del cielo azul. En cambio, en un día nublado, la redistribución de la radiación es mucho más notable. Las nubes densas tienen un albedo (fracción de energía reflejada) muy alto, lo cual hace que, en un día densamente nublado, una gran parte de la radiación solar se refleje al espacio exterior. Además, la energía que logra pasar a través de las nubes, es únicamente radiación difusa. Es muy difícil desarrollar modelos para predecir con precisión la presencia de nubes (posición, densidad, etc.). Existen modelos para predicción de "días promedio" en cierta fecha, pero no para fechas específicas.

Figura 1. 2 Distribución de la Radiación



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1.2.2. Absorción.

En general, la absorción es la asimilación de una sustancia por otra. En este caso, se puede definir como el proceso por el cual la radiación solar es tomada o retenida por una sustancia y convertida en otras formas de energía, en general energía térmica. La Ley de Conservación de la Energía está implícita en esta afirmación: la convicción de que la energía no se gana ni se pierde, sino que se transforma.

Del rayo solar original, de 100 unidades, tan solo 50 son absorbidas por la superficie de la Tierra. La atmósfera absorbe 16 unidades y las nubes 4. Esto significa que las otras 30 unidades se pierden en los procesos de dispersión y reflexión.

Estas son cifras promedio; es importante señalar que los valores pueden variar según la ubicación. Por ejemplo, en las latitudes altas, como el ángulo solar es menor, la emisión solar atraviesa una porción más ancha de la atmósfera que en las latitudes más bajas. Como consecuencia, hay más probabilidades de que el rayo sea interceptado, esparcido o reflejado en las latitudes altas que en lugares donde el Sol cae más verticalmente. En las latitudes altas, la superficie de la Tierra absorbe una cantidad menor.

Recordando la Ley de Conservación de la Energía, la mayor parte de estas 20 unidades de energía solar absorbida por la atmósfera y las nubes se aplican al aumento de la energía cinética de las moléculas que conforman la atmósfera. Este aumento se manifiesta como calentamiento del aire.

Es importante mencionar que las moléculas son absorbentes selectivos. Como resultado del pasaje de energía radiante de una fuente continua (el Sol), a través de un medio selectivamente absorbente más frío que la fuente (la atmósfera), se crea una serie de líneas y bandas de absorción que constituyen el espectro de absorción. La banda de absorción se define como un rango de longitudes de onda o frecuencias en el cual una sustancia absorbe energía radiante.

Como resultado de la creación de energía calórica, la sustancia también emite su propia radiación. En general, la absorción de radiación solar por parte de sustancias en la atmósfera de la Tierra tiene como resultado temperaturas inferiores a 1.800° Celsius. Según la Ley de Wien, los cuerpos con temperaturas a este nivel o inferiores emiten su radiación en la banda de onda larga. Una gran proporción de su radiación se pierde en el espacio.

1.2.3. Reflexión.

La reflexión es el proceso por el cual una superficie devuelve una porción de la radiación incidente al medio por el cual llegó la radiación. En este caso la luz solar es redirigida en 180° luego de incidir en una partícula atmosférica. Como establece la Ley de Snell, “la energía es reflejada por una superficie con el mismo ángulo con el que inicialmente incidió sobre esa superficie”. Esta redirección causa una pérdida de la radiación solar entrante del 100 %. Es muy importante tomar en cuenta la reflexión ya que cerca de un tercio de la energía del Sol es reflejada. Si no fuera por la reflexión, sería imposible ver gran parte del mundo que nos rodea, ya que los objetos opacos deben reflejar la luz para ser vistos. La discontinuidad que mencionamos cuando definimos la reflexión debe ser significativa con respecto al largo de onda de la radiación. De otro modo la energía podría ser devuelta por medio de refracción (el proceso por el cual la insolación es redirigida hacia una nueva trayectoria luego de penetrar otro medio), en lugar de reflexión. Un ejemplo de esto es un manto estratificado de nubes donde ocurriría más refracción que reflexión.



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De toda la luz solar que pasa a través de la atmósfera anualmente, tan sólo el 51% está disponible en la superficie de la Tierra para funciones tales como la fotosíntesis, calor, evaporación, etc. Al igual que en la atmósfera, parte de la radiación recibida en la superficie de la Tierra es redirigida nuevamente al espacio por reflexión.

1.2.4. Irradiancia.

Para expresar la potencia solar en general, de cualquier radiación se utiliza el término irradiancia(𝑊𝑊 𝑚𝑚2)⁄ , es la rapidez de incidencia de energía radiante sobre una superficie, por unidad de área. Generalmente se usa el símbolo G para la irradiancia, junto con los subíndices adecuados: Go, Gb, Gd, para la irradiancia extraterrestre, directa, difusa, etc. Nótese que la irradiancia tiene la virtud de indicar muy claramente que la radiación es un fenómeno que transcurre en el tiempo, que no es estático. Es energía que incide instantáneamente sobre una superficie, cuando incide la radiación sobre un plano, durante un tiempo determinado, puede hablarse entonces de que incidió una cierta cantidad de energía. La cantidad de energía, por unidad de área, que incide durante un período de tiempo dado, recibe el nombre de irradiación.

1.3. Métodos de medición.

1.3.1. Piranómetro.

Un piranómetro (también llamado solarímetro y actinómetro) es un instrumento meteorológico utilizado para medir de manera muy precisa la radiación solar incidente sobre la superficie de la tierra. Se trata de un sensor diseñado para medir la densidad del flujo de radiación solar (kilovatios por metro cuadrado) en un campo de 180 grados.

Figura 1. 3Piranómetro

Sus componentes principales son:

(1) Circuito impreso

(2) Sensor o termopila

(3) Cúpula de cristal



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(4) Cuerpo de metal

(5) Abrazadera del cable

(6) Cable eléctrico de salida de señal

(7) Tornillo de nivelado

(8) Base de goma

(9) Cápsula

(10) Bornes de conexión para los cables

(11) Nivel

Es un instrumento para medir la irradiancia global (directa más difusa), usualmente sobre una superficie horizontal. El tipo más común de piranómetros, consiste en dos sensores de temperatura, uno de ellos expuesto a la radiación solar y en negrecido y el otro, protegido de la radiación. Si los dos sensores se encuentran en condiciones similares en todo, menos en el hecho de estar expuestos a la radiación, habrá una diferencia de temperatura entre ellos.

La hipótesis de trabajo de un piranómetro, es que la irradiancia es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos sensores. Para evitar ruido en las lecturas, causado por el viento y otros factores meteorológicos, el sensor expuesto a la radiación (y a veces también el otro) suelen estar protegidos por un hemisferio de vidrio. Este hemisferio, de características ópticas adecuadas, permite el paso de la radiación, pero evita el enfriamiento por viento, lo cual alteraría la lectura.

1.3.2. Piranómetro Térmico.

Un ejemplo de piranómetro es el de Kipp y Zonen, que se constituye por una pila termoeléctrica contenida en un alojamiento con dos semiesferas de cristal. La pila termoeléctrica está constituida por una serie de termopares colocados horizontalmente, cuyos extremos están soldados con unas barras de cobre verticales solidarias a una placa de latón maciza. El conjunto está pintado con un barniz negro, para absorber la radiación. El flujo de calor originado por la radiación se transmite a la termopila, generándose una tensión eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura entre los metales de los termopares.

Para medir la radiación difusa es necesario tapar el sensor de radiación directa mediante una pantalla parasol, midiendo la irradiancia solar difusa (piranómetro de difusa).

1.3.3. Piranómetro Fotovoltaico.

Otro tipo de piranómetros son los fotovoltaicos. En ellos, el principio de funcionamiento no es térmico como en el caso anterior; sino que tiene como fundamento el efecto fotoeléctrico. La radiación incide sobre un fotodiodo que es capaz de diferenciar el espectro solar por la frecuencia de la onda electromagnética, y de ese modo, mediante la lectura de voltaje, conocer los datos de radiación.



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Dada su naturaleza, en este tipo de piranómetros es posible adosar filtros de ciertas bandas del espectro solar, por medio de algún domo de vidrio impregnado con el filtro deseado. Por otro lado, son más sensibles a pequeñas irregularidades y cambios debido a que no tienen la inercia térmica que sí tienen los térmicos.

1.3.4. Heliógrafo.

Este instrumental mide la insolación, que son las horas de sol brillante que tiene el día.

La duración de la insolación se halla concentrando los rayos solares sobre una banda de cartulina teñida de azul que se quema en el punto en que se forma la imagen del sol. Se utiliza como focalizador una esfera de cristal, de forma que no es necesario mover este foco constantemente debido al movimiento aparente del sol a lo largo del día y del estacionario.

Figura 1. 4 Heliógrafo.

La banda se fija por medio de ranuras a un soporte curvo y concéntrico con la esfera y tiene impresa una escala de 30 minutos. Si el sol luce durante todo el día sobre la banda se forma una traza carbonizada continua y la duración de la insolación se determina midiendo la longitud de la traza carbonizada. Si el sol brilla de forma discontinua, dicha traza es intermitente. En este caso, la insolación se determina sumando la longitud de las trazas resultantes.

Según la época del año se utilizan tres tipos distintos de bandas, para el hemisferio norte:

a) Desde comienzos de marzo hasta mediados de abril y desde comienzos de septiembre hastamediados de octubre (alrededor de cada equinoccio) se utilizan bandas rectas. Son llamadas bandas equinocciales y se acoplan a las ranuras centrales del soporte.

b) Desde octubre hasta fin de febrero se utilizan bandas curvadas cortas, que se colocan en lasranuras superiores.

c) El resto del año, de abril hasta agosto, se usan bandas curvadas medianas, colocadas entre lasranuras apestosas



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En el hemisferio sur se invierte el uso de las bandas en los períodos definidos arriba. se tiene que cambiar de papel todos los dias .

Figura 1. 5 Tipos de bandas para Heliógrafo.

1.3.5. Actinómetro.

También llamado Pirheliómetro. Es el instrumento capaz de medir la radiación directa.

Los pirheliómetros sirven para medir la radiación solar directa. Tienen una abertura y una cara de recepción que debe permanecer siempre normal a los rayos solares.

Existen varios tipos de pirheliómetros y dependiendo de la inversión disponible para los instrumentos de medida, de los objetivos de precisión y de otros condicionamientos relacionados, se seleccionará la utilización de unos u otros en una campaña de medida.

Pirheliómetro patrones primarios (absolutos).

Todos los pirheliómetros absolutos de diseño moderno utilizan receptores de cavidad y, como sensores, medidores diferenciales de flujo calorífico calibrados eléctricamente.

Pirheliómetros patrones secundarios.

El pirheliómetro de compensación Ångström es un instrumento muy adecuado para la calibración de piranómetros y otros pirheliómetros. Fue diseñado por K. Ångström (1893) como instrumento absoluto y la Escala Ångström, de 1905 se construyó basándose en él, aunque en la actualidad se utiliza como patrón secundario y debe calibrarse por comparación con un instrumento patrón.

El pirheliómetro de disco de plata es un instrumento de referencia que siempre debe calibrarse por comparación con un patrón primario. Presenta buena estabilidad y todavía se utiliza para calibrar piranómetros y pirheliómetros.



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Figura 1. 6 Pirheliómetro Ángstrom.

1.4 Efecto Invernadero.

Dentro de un invernadero la temperatura es más alta que en el exterior porque entra más energía de la que sale, por la misma estructura del habitáculo, sin necesidad de que empleemos calefacción para calentarlo. De acuerdo a la figura 1.7 a continuación se explicara como se produce el efecto invernadero en la Tierra el cual es un efecto natural similar de retención del calor gracias a algunos gases atmosféricos. La temperatura media en la Tierra es de unos 15º C y si la atmósfera no existiera sería de unos -18º C.

Figura 1. 7 Diagrama Efecto Invernadero.

El efecto invernadero se origina porque la energía que llega del sol, al proceder de un cuerpo de muy elevada temperatura, está formada por ondas de frecuencias altas que traspasan la atmósfera con gran facilidad. A su vez, la energía remitida hacia el exterior, desde la Tierra, al proceder de un cuerpo mucho más frío, está en forma de ondas de frecuencias más bajas, y es absorbida por los gases con efecto invernadero.



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Esta retención de la energía hace que la temperatura sea más alta, aunque hay que entender bien que, al final, en condiciones normales, es igual la cantidad de energía que llega a la Tierra que la que esta emite. Si no fuera así, la temperatura de nuestro planeta habría ido aumentando continuamente, cosa que, por fortuna, no ha sucedido.

Podríamos decir, de una forma muy simplificada, que el efecto invernadero lo que hace es provocar que la energía que llega a la Tierra sea "devuelta" más lentamente, por lo que es "mantenida" más tiempo junto a la superficie y así se mantiene la elevación de temperatura.

1.4.1. Gases con efecto invernadero.

Como se indica en la columna de acción relativa, un gramo de clorofluorocarbono (CFC) produce un efecto invernadero 15.000 veces mayor que un gramo de dióxido de Carbono (CO2) , pero como la cantidad de CO2 es mucho mayor que la del resto de los gases, la contribución real al efecto invernadero (en porcentaje) es la que señala la columna de la derecha

Tabla 1. 1 Gases con efecto Invernadero.

Gas Acción relativa Contribución real CO2 (dióxido de Carbono) 1 (referencia) 76 %

CFCs 15.000 5 % CH4 (metano) 25 13 %

N2O (óxido nitroso) 230 6 % Durante el siglo veinte la concentración de anhídrido carbónico y otros gases invernadero en la atmósfera creció constantemente debido a la actividad humana: A comienzos de siglo, por la quema de grandes masas de vegetación para ampliar las tierras de cultivo En los últimos decenios, por el uso masivo de combustibles fósiles como el petróleo, carbón y gas natural, para obtener energía y por los procesos industriales. La concentración media de dióxido de carbono se ha incrementado desde unas 275 ppm (partículas por millón) antes de la revolución industrial, a 315 ppm cuando se empezaron a usar las primeras estaciones de medida exactas en 1958, hasta 361 ppm en 1996. El dióxido de carbono explica más del 60 por ciento del “efecto invernadero”. El hombre quema carbón, petróleo y gas natural a una velocidad muchísimo mayor que el ritmo con que se crearon dichos recursos. En ese proceso, el carbono almacenado en los combustibles se libera en la atmósfera y perturba el ciclo del carbono, sistema con miles de años de antigüedad y perfectamente equilibrado a través del cual se produce un intercambio de carbono con el aire, los océanos y la vegetación terrestre. En la actualidad, los niveles atmosféricos de dióxido de carbono están aumentando más del diez por ciento cada veinte años. Los niveles de metano se han doblado en los últimos cien años. En 1800 la concentración era de aproximadamente 0,8 ppmv (partes por millón en volumen) y en 1992 era de 17 ppmv. La cantidad de óxido de dinitrógeno se incrementa en 0,25 por ciento anual. En la época preindustrial sus niveles serían de alrededor de 0,275 ppmv y alcanzaron los 0, 310 ppmv en 1992.



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Otros gases como el oxígeno y el nitrógeno, aunque se encuentran en proporciones mayores, no son capaces de generar efecto invernadero.

1.4.2. Consecuencias del cambio climático

No es posible predecir con gran seguridad lo que pasaría en los distintos lugares, pero es previsible que los desiertos se hagan más cálidos pero no más húmedos, lo que tendría graves consecuencias en el Oriente Medio y en África donde el agua es escasa.

Figura 1. 8 Calentamiento Global.

Entre un tercio y la mitad de todos los glaciares del mundo y gran parte de los casquetes polares se fundirían, poniendo en peligro las ciudades y campos situados en los valles que se encuentran por debajo del glaciar.

Grandes superficies costeras podrían desaparecer inundadas por las aguas que ascenderían de 0,5 a 2 m., según diferentes estimaciones. Unos 118 millones de personas podrían ver inundados los lugares en los que viven, por la subida de las aguas.



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Tierras agrícolas se convertirían en desiertos y, en general, se producirían grandes cambios en los ecosistemas terrestres. Estos cambios provocarían grandes colapsos en la humanidad orillando a mayor carencia, en la figura 1.9 podemos apreciar claramente el incremento de la temperatura de nuestro planeta, por eso es importante recurrir a las energías verdes y renovables.

Fuente: NASA´s Goddard institute for Space Studies

Figura 1. 9 Variación de Temperatura Global.

1.5. Aprovechamiento de la energía solar.

La radiación solar se puede aprovechar de tres distintas maneras:

• Directa. Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación de recintos. En este sentido, cualquier ventana es un colector solar. Otra aplicación directa, muy común, es el secado de ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple.

• Térmica. Se denomina "térmica" la energía solar cuyo aprovechamiento se logra por medio del calentamiento de algún medio. La climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, etc., son aplicaciones térmicas.

• Fotovoltaica. Se llama "fotovoltaica" la energía solar aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico, sin pasar por un efecto térmico.

1.5.1. Captación de la energía solar.

La energía solar presenta dos características que la diferencian de las fuentes energéticas convencionales:

• Dispersión: su densidad apenas alcanza 1 W m2⁄ , muy por debajo de otras densidades energéticas, lo que hace necesarias grandes superficies de captación o sistemas de concentración de los rayos solares.

• Intermitencia: hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento de la energía captada

Ello lleva a un replanteamiento en el aprovechamiento de la energía, totalmente distinto al clásico, lo que requiere un gran esfuerzo de desarrollo. Así pues, el primer paso para el aprovechamiento



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de la energía solar es su captación, aspecto dentro del que se pueden distinguir dos tipos de sistemas:

• Pasivos: no necesitan ningún dispositivo para captar la energía solar, cuyo aprovechamiento se logra aplicando distintos elementos arquitectónicos

• Activos: captan la radiación solar por medio de un elemento de determinadas características, llamado "colector"; según sea éste se puede llevar a cabo una conversión térmica (a baja, media o alta temperatura), aprovechando el calor contenido en la radiación solar, o bien una conversión eléctrica, aprovechando la energía luminosa de la radiación solar para generar directamente energía eléctrica por medio del llamado "efecto fotovoltaico"

En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que pueden ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad.

1.5.2. Sistemas Solares Pasivos.

Un diseño pasivo es un sistema que capta la energía solar, la almacena y la distribuye de forma natural, sin mediación de elementos mecánicos. Sus principios están basados en las características de los materiales empleados y la transferencia de calor en sus tres formas radiación, conducción y convección.

Los elementos utilizados son los siguientes

• Acristalamiento: capta la energía solar y retiene el calor igual que un invernadero

• Masa térmica: constituida por los elementos estructurales del edificio o por algún material acumulador específico (agua, tierra, piedras), tiene como misión almacenar la energía captada.

Las aplicaciones más importantes de los sistemas solares pasivos son la calefacción y la refrigeración. La refrigeración surge más bien como una necesidad de utilizar los sistemas de calefacción de forma continuada durante todo el año.

La integración de colectores de aire, la utilización de paredes internas como muros acumuladores de calor y la aplicación de ventiladores, aumentan la eficacia de los sistemas pasivos, y se les conoce como "híbridos", ya que utilizan ciertos sistemas mecánicos activos.



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Figura 1. 10 Diferentes tipos de Energía Solar Pasiva.

1.5.3 Sistemas Solares Activos..

Los sistemas activos no solo se basan en la arquitectura para captar la energía solar, como ya vimos se necesitan colectores solares.

Un colector solar es una especie de intercambiador de calor que transforma la energía radiante en calor. La transferencia de energía se hace desde una fuente radiante (sol), hacia un fluido (agua o aire generalmente) que circula por los tubos o ductos del colector. El flujo de energía radiante que finalmente intercepta el colector, proviene básicamente del rango visible del espectro solar (longitudes de onda entre 0.29 y 2.5 µm) y es por naturaleza variable con el tiempo. En condiciones óptimas podemos esperar como máximo, flujos de 1100 W m2⁄ . De esta forma, un



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análisis de colectores solares presenta problemas relacionados con radiación y flujos de energía pequeños y variables.

Dentro de los diversos tipos de colectores solares, los colectores solares planos son los más comunes. Estos pueden ser diseñados y utilizados en aplicaciones donde se requiere que la energía sea liberada a bajas temperaturas, debido a que la temperatura de operación de este tipo de colectores, difícilmente pasa los 100°C.

Las ventajas que podemos obtener de este tipo de colectores con respecto a los colectores de enfoque, que concentran la radiación solar; es que éstos utilizan la energía solar directa y difusa, no requieren movimiento continuo para dar seguimiento al sol, prácticamente no necesitan mantenimiento y son mecánicamente de construcción más simple que los colectores concentradores. Las principales aplicaciones de estos dispositivos son en el campo del calentamiento de agua a nivel doméstico e industrial, acondicionamiento calorífico de edificios y secado de fruta y granos.

1.6. Colectores planos.

Los colectores planos están compuestos generalmente por los elementos que se muestran en la figura 1.11 y se describen a continuación.

Figura 1. 11 Colectores planos.

-Superficie captadora de la radiación solar.

-Circuito por donde circula el fluido que transfiere el calor captado.

-Cubierta transparente.

-Aislamiento térmico.

-Caja protectora que acopla el conjunto al resto de la instalación.

La placa captadora es el elemento principal que recoge la radiación solar y transmite el calor que ésta transporta. Está construida de material metálico negro, o plástico cuando la temperatura es inferior a 50°C. Se orienta hacia el Sur con una inclinación igual a la latitud geográfica del lugar.



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Esta placa debe absorber la máxima radiación posible para convertirla en energía térmica con el mayor rendimiento y transferir la mayor cantidad posible de calor al fluido portador. Para mejorar estas placas se emplean los llamados "recubrimientos selectivos", productos de máxima absorción de radiación y mínima emisión.

El circuito por donde circula el fluido que transporta el calor puede ser:

• Pasivo o por circulación natural (termosifón).

• Activo o por circulación forzada (bombeo).

A su vez, el circuito puede ser también:

• Abierto: utiliza agua de la red general, que se hace pasar por el colector; este sistema presenta problemas de corrosión e incrustaciones.

• Cerrado: emplea agua tratada en un circuito que cede el calor al agua de consumo en un intercambiador de calor.

El rendimiento del colector aumenta utilizando una cubierta transparente que protege la placa colectora y produce un efecto invernadero al atrapar el calor incidente. Estas cubiertas son de vidrio, plásticos o combinaciones de estos materiales; la elección del material y del número de cubiertas suele depender del costo y del aumento del rendimiento obtenido.

El aislamiento térmico reduce las pérdidas de calor, utilizándose como tal lana de vidrio o corcho sintético.

La caja protege todos los elementos del colector y permite ensamblar sus diferentes componentes, soliéndose presentar en variados aspectos y materiales. Sus superficies se suelen tratar con pinturas resistentes al ambiente en que va a ser instalada.

Finalmente, para mejorar el rendimiento de los colectores de placa plana se puede eliminar el aire del espacio situado entre la superficie absorbente y la cubierta transparente. A este tipo de colector se le conoce con el nombre de "colector de vacío", cuyo coste es más del doble del de los convencionales, pero que permite obtener temperaturas muy próximas a los 100 °C.

1.6.1. Tipos de colectores planos.

Los colectores solares planos pueden ser divididos en dos categorías básicas: los que utilizan como fluido de trabajo un líquido (agua) y los que utilizan un gas (aire). En general los que calientan aire manejan flujos mucho más grandes que los que calientan agua. También podemos decir que cuando se trabaja con un líquido, este fluye normalmente por un tubo adherido a la placa absorbedora o aleta; mientras que cuando se utiliza un gas, este fluye por un ducto que forma parte de la placa de absorción y que además puede tener muy diversas formas.

1.7. Colectores Concentradores.

Existen muchas aplicaciones, sobre todo a nivel industrial, donde se necesita que la energía sea liberada a altas temperaturas. Como se mencionó antes, esto no se puede lograr con los colectores solares planos debido a las características propias de este tipo de colectores ya que la radiación solar es una energía de baja intensidad. En consecuencia, para obtener temperaturas INGENIERÍA MECÁNICA Página 16


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altas (arriba de los 100 °C), se hace necesario incrementar la intensidad de la energía solar. Esto se puede lograr disminuyendo el área por donde ocurren las pérdidas de calor, e interponiendo un dispositivo óptico entre la fuente de radiación (sol) y la superficie absorbedora, que debe ser pequeña comparada con la del dispositivo óptico. Esta es precisamente la función que desempeñan los colectores concentradores. De esta manera, en el absorbedor, podemos tener densidades de energía que van desde 1.5 hasta varios miles de veces la radiación solar que llega al sistema óptico. (Figura 1.6).

Con los colectores concentradores de energía solar, se pueden obtener temperaturas entre 100 y 500°C si se usan colectores focales rudimentarios, entre 500 y 1500°C si el sistema óptico de los colectores tiene un buen acabado y entre 1500 y 3500°C si el sistema óptico tiene un acabado perfecto.

Aunque con este tipo de colectores se pueden obtener altas temperaturas de operación, estos presentan varios problemas técnicos desde el punto de vista de la ingeniería, comparados con los colectores solares planos. Deben orientarse continuamente al sol de manera precisa mediante un mecanismo apropiado debido a que este tipo de colectores utilizan únicamente la energía solar directa. Por otra parte, el acabado de las superficies que constituyen el sistema óptico no sólo debe ser de buena calidad, sino que debe mantener sus propiedades por largos períodos de tiempo sin ser deterioradas por el polvo, lluvia y medio ambiente, donde generalmente existen componentes oxidantes y corrosivos. También las demandas de los materiales utilizados en el receptor (aislante térmico, fluido de trabajo, tubos absorbedores y cubiertas) son mayores en este tipo de colectores, debido a que es ahí donde se obtienen las altas temperaturas.

En resumen podemos decir que los problemas de operación que acabamos de mencionar, junto con los costos elevados de los materiales utilizados en este tipo de colectores focales, ha hecho que su uso no sea muy generalizado. Esto ha dado cabida a que se trabaje en los colectores concentradores fijos. Estos no tienen las desventajas de los de enfoque, aunque sólo permiten incrementos moderados de la intensidad de la radiación solar.

Figura 1. 12 Colectores Concentradores.

1.7.1. Colectores concentradores para la conversión térmica a temperaturas medias.

Para obtener temperaturas superiores a los 100°C se debe concentrar la radiación solar, para lo que se pueden utilizar lentes o espejos. Canalizando la radiación hacia un punto o una superficie



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llamado "foco", éste eleva su temperatura muy por encima de la alcanzada en los colectores planos.

Aunque la superficie que recibe los rayos concentrados puede tener cualquier forma dependiendo de la técnica usada, en la actualidad la solución más favorable para una concentración de tipo medio (temperaturas menores de 300°C) es el "colector cilindro-parabólico". Este colector, representado esquemáticamente en la figura 1.6, consiste en un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación recibida sobre un tubo de vidrio dispuesto en la línea focal. Dentro del tubo se vidrio están el absorbedor y el fluido portador del calor.

Para que se puedan concentrar los rayos solares, estos colectores se montan igual que los planos, es decir, mirando al Sur y con una inclinación igual a la latitud del lugar. Además necesitan un dispositivo que vaya haciendo girar los espejos a lo largo del día, sincronizado con el movimiento aparente del Sol.

Los colectores cilindro-parabólicos, aparte de poder operar a temperaturas superiores a las de los planos, tienen la ventaja de requerir depósitos de acumulación más pequeños y de tener menores superficies de absorción y menores pérdidas de calor. No obstante, son más caros.

Aunque los colectores cilindro-parabólicos son aplicables en la misma gama de necesidades que los paneles planos, al poder desarrollar temperaturas considerablemente superiores tienen interesantes posibilidades de utilización industrial. Así, se están usando asociaciones de un cierto número de estos colectores en las llamadas "granjas solares", pudiendo ser utilizados para la producción de calor o electricidad. La energía así obtenida se aplica a procesos térmicos industriales, desalinización de agua de mar, refrigeración y climatización.

1.7.2. Colectores concentradores para la conversión térmica a altas temperaturas.

Para conversiones térmicas superiores a los 300°C, encaminadas a la producción de energía eléctrica a gran escala, es necesario concentrar la radiación solar mediante grandes paraboloides o un gran número de espejos enfocados hacia un mismo punto. El sistema más extendido es de receptor central, formado por un campo de espejos orientables, llamados "heliostatos", que concentran la radiación solar sobre una caldera situada en lo alto de una torre, según se muestra en la figura 1.7.

Figura 1. 13 Heliostatos.

El calor captado en el absorbedor es cedido a un fluido portador circulando en circuito cerrado y que, debido a las altas temperaturas que ha de soportar (superiores a 500°C) suele ser sodio fundido o vapor de agua a presión. Este fluido primario caliente se hace pasar a un sistema de



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almacenamiento, para luego ser utilizado en un sistema de generación de vapor, que se alimenta a una turbina. Esta actúa sobre un alternador, que permite obtener energía eléctrica.

La tecnología de las centrales solares se encuentra actualmente en fase de pleno desarrollo. Las instalaciones existentes se pueden considerar sólo como plantas de experimentación que permiten obtener, de momento, una rentabilidad en forma de innovación tecnológica. Por lo tanto, estas centrales están aún muy lejos de resolver el problema energético, aunque se pueden considerar válidas como un modesto complemento de las centrales térmicas convencionales.

1.8. Subsistema de distribución y almacenamiento.

Está constituido por las redes de tuberías y los accesorios correspondientes, que permitirán el transporte del fluido portador de calor desde los colectores al sistema de almacenamiento, y desde éste a los puntos de consumo. La elección de los diferentes elementos depende del uso de la instalación y de la temperatura de los fluidos; en cualquier caso, deben estar aislados para evitar pérdidas de calor.

Un elemento importante de este subsistema son las bombas, que provocan la circulación del fluido a través de los circuitos, siendo asimismo necesario instalar vasos de expansión para evitar la rotura de las tuberías. Otros elementos del circuito distribuidor son las válvulas, purgadores, filtros y otros varios, empleados en las instalaciones convencionales de plomería.

El subsistema de distribución se complementa con diferentes elementos de medida (termómetros, manómetros) y control (válvulas automáticas), que permiten su funcionamiento automático. Asimismo, cabe destacar que los equipos solares de baja temperatura no garantizan la totalidad de las necesidades energéticas, por lo que necesitan de un equipo convencional de apoyo (calentadores eléctricos o a gas, etc.) que suplan la carencia de energía solar, fundamentalmente debidas a las condiciones climatológicas.

La característica principal de los sistemas activos es que estos utilizan un fluido de trabajo en movimiento que puede ser agua, aire, aceites o algún otro fluido. Los principales componentes que intervienen en estos sistemas son: el colector solar, la unidad de almacenamiento, sistemas de conversión y control y el lugar donde se hace la descarga de energía.

Generalmente, el medio de almacenamiento es agua si por el colector se hace circular un líquido. Similarmente, si en el colector circula aire, el medio de almacenamiento serán rocas o piedras. Las temperaturas alcanzadas en este tipo de sistemas andan entre los 50 y 100 °C. En este caso el almacenamiento de energía se puede dar por cualquiera de los siguientes mecanismos: calor sensible, cambio de fase, reacciones químicas y estanques solares.

1.9. Almacenamiento por calor sensible o capacidad calorífica.

Diversos tipos de materiales líquidos, sólidos y combinaciones de líquidos y sólidos, pueden almacenar energía por cambios de temperatura. Esta energía almacenada es igual al cambio de energía interna que sufre el material al cambiar su temperatura, la capacidad de almacenamiento depende específicamente de las capacidades caloríficas de los materiales utilizados y de los cambios de temperatura que en ellos se den.

Para determinar si un material es apropiado para utilizarse como medio de almacenamiento, es que este debe ser capaz de almacenar entre 300 y 600 𝐾𝐾𝑀𝑀 °𝐶𝐶𝑚𝑚2⁄ de área de colector, como mínimo.



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También encontramos que cuanto mayor sea la temperatura que pueda alcanzar el medio de almacenamiento, tanto menor será el tamaño del sistema, aunque las pérdidas se hacen más evidentes.

1.9.1. Almacenamiento en agua.

El agua es el medio ideal de almacenamiento para sistemas activos debido a que tiene una gran capacidad calorífica y por lo tanto mayor capacidad de almacenamiento. Por ejemplo, el agua puede almacenar casi cinco veces más energía (4.186 kJ/kg-°C) que la que puede almacenar la misma masa de roca o piedra (0.88 kJ/kg-°C). Además, el medio de transporte de energía, hacia o de la unidad de almacenamiento, se hace a través de la misma agua. Esta también puede utilizarse en forma directa o mediante el uso de cambiadores de calor y de manera continua a lo largo del día.

Algunas desventajas que se tienen al utilizar el agua como medio de almacenamiento, es que se necesitan depósitos que generalmente son grandes y caros, se oxidan si son de metal y hay grandes pérdidas de calor por conducción y convección que tienen que ser evitadas utilizando aislantes. Otro aspecto es que la energía es liberada a diferentes temperaturas.Una de las aplicaciones más comunes se da en los calentadores solares de agua para uso doméstico.

1.9.2. Almacenamiento en piedras o rocas.

Las rocas o piedras también son un buen medio de almacenamiento. En sistemas activos, generalmente se usa lechos de piedra bajo tierra o lechos empaquetados. Como ya se había mencionado, el aire es el fluido de trabajo que remueve o adiciona el calor de la unidad de almacenamiento. En este caso, el calor por lo general no puede ser adicionado y removido al mismo tiempo.

Aunque las rocas o piedras no tienen un calor especifico alto, son buenos como medio de almacenamiento debido a que tienen una gran densidad, es de bajo costo, tienen conductividad térmica baja y no tienen problemas de corrosión.

1.9.3. Almacenamiento por calor latente o cambio de fase..

La energía que una sustancia necesita para cambiar de fase, generalmente es mayor que la que se ocupa para tener incrementos de temperatura pequeños en la misma sustancia. Esto da la pauta para pensar que se puede aprovechar el cambio de fase de algunas sustancias para utilizarlas como medios de almacenamiento de energía solar. La idea es que la sustancia absorba la energía solar de forma directa (sistema pasivo) o mediante un colector solar (sistema activo) y cambie de fase. Al cambiar de fase la sustancia conserva en forma latente la energía absorbida. Esta será cedida posteriormente, cuando la sustancia regrese a su estado original.

Los cambios de fase pueden ser sólido-líquidos, líquido-vapor El cambio de fase líquido-vapor casi no se utiliza debido a que el vapor genera grandes presiones y en muchos casos no resulta práctico trabajar con este tipo de sistemas debido a que este tiene que ser diseñado para soportar presiones altas y por lo tanto se hace más complicado y costoso. Por esta razón, lo que más se aprovecha son los cambios de fase líquido-sólidos.

Las sustancias que pueden utilizarse como medios de almacenamiento por cambio de fase sólido-líquido pueden ser muy variadas (hielo, sustancias orgánicas, sales hidratadas, compuestos inorgánicos y metales o aleaciones). Algunas tienen puntos de fusión altos por lo que se haría



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necesario utilizar colectores concentradores para poder obtener altas temperaturas y provocar el cambio de fase en la sustancia. Por ejemplo, las sales hidratadas tienen un alto calor de solidificación-fusión, bajo costo y la temperatura para provocar el cambio de fase puede ser alcanzada fácilmente mediante colectores planos que utilizan la energía solar.

El tener más capacidad de almacenamiento en las sustancias, reduce el tamaño de los sistemas de almacenamiento.

1.9.4. Almacenamiento en estanques solares.

Un estanque común con agua es capaz de captar una gran cantidad de energía solar a través de todos los días del año. Sin embargo, la temperatura del agua permanece baja debido a que también hay grandes pérdidas de energía por radiación, convección y evaporación principalmente. Una manera de evitar esas pérdidas de calor es mediante el uso de estanques con agua salada. Debido al aumento en la densidad del agua por efecto de las sales disueltas, no se da el efecto de la convección dentro del estanque y además esto permite que se desarrolle un gradiente de temperatura estable y positiva hacia abajo. De esta forma, la temperatura del fondo es mayor que la que se tiene en la superficie y por la tanto se evita la mayor parte de las pérdidas de calor que se dan en la superficie del líquido.

La captación de energía solar se puede mejorar si el fondo y paredes están pintados de negro. La remoción del calor se hace mediante intercambiadores de calor apropiados, para evitar que la solución tenga movimiento y por lo tanto se pierda el gradiente de temperatura positivo. Otro factor que puede contribuir a que se pierda dicho gradiente es el viento que pega en la superficie del líquido. Esto se puede evitar colocando una cubierta transparente adecuada sobre el estanque solar.

Podemos decir que en un estanque solar se distinguen tres regiones distintas, aunque difusas: Una capa de agua pura en la superficie, una intermedia donde ocurren los gradientes de densidad y una conectiva en el fondo. Esta última es lo que constituye en realidad el sistema de almacenamiento de energía, dado que tiene las mayores temperaturas y se encuentra aislada de la atmósfera por las capas superiores.

1.9.5. Almacenamiento por reacciones químicas.

La energía solar también puede almacenarse por medio de reacciones químicas. Estas deben ser reacciones endotérmicas reversibles, que se invierten cuando se requiere que la energía sea liberada. Para que una reacción sea utilizada en el almacenamiento de la energía solar, se requiere que:

1. La reacción sea reversible. 2. Los reactivos puedan hacer uso de la energía del espectro solar, tanto como sea posible.3. La energía almacenada en la reacción sea grande. Al menos del orden de 600 Wh/kg.4. Que los reactivos sean económicos.

En caso de que los productos de la reacción puedan separarse y usarse como combustibles, no se necesita que la reacción sea reversible.La energía solar también puede emplearse en los procesos de fermentación anaerobia de algas para la producción de metano(CH4). Este es estable a temperatura ambiente y al reaccionar con el oxígeno mediante una combustión, libera la energía almacenada para producir altas temperaturas.



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1.10. Conversión eléctrica: sistemas fotovoltaicos.

La conversión de la energía solar en energía eléctrica está basada casi por completo en el denominado "efecto fotovoltaico", o producción de una corriente eléctrica en un material semiconductor como consecuencia de la absorción de radiación luminosa.

Los semiconductores son sustancias, como el silicio, de conductividad eléctrica intermedia entre un aislante y un conductor y, según sus características, se clasifican en dos tipos: "tipo p" y "tipo n" (ver figura 1.8). Estas características se consiguen añadiendo impurezas que afectan a las propiedades eléctricas del semiconductor, proceso que se llama "dopado". Añadiendo al silicio impurezas de fósforo se consigue un semiconductor tipo n, mientras que añadiendo boro, se consigue un semiconductor tipo p. El alto grado de pureza necesario para la obtención de semiconductores será el motivo principal de su elevado costo.

Figura 1. 14 Silicio.

Un disco mono cristalino de silicio dopado en su superficie expuesta al Sol hasta hacerla de tipo n y en su parte inferior de tipo p, constituye una "célula solar fotovoltaica", completada por unos contactos eléctricos adecuados para hacer circular la corriente eléctrica por el circuito exterior, según se muestra en la Figura 1.8.

Figura 1. 15 Sistema Fotovoltaico.



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Generalmente, conectando 36 de ellas y montándolas entre dos láminas de vidrio que las protegen de la intemperie, se obtiene un "módulo fotovoltaico", capaz de proporcionar una corriente continua de 18 V con una iluminación de 1 𝐾𝐾𝑊𝑊 𝑚𝑚2⁄ .

Una serie de módulos montados sobre un soporte mecánico constituyen un "panel fotovoltaico"; según se conecten dichos módulos en serie o en paralelo (figura 1.9), puede conseguirse casi cualquier valor de tensión y de intensidad de corriente.

En la mayoría de las aplicaciones, el panel se conecta a una batería, para disponer de energía eléctrica almacenada, aunque también puede estar conectado en paralelo con la red, para emplear la energía de la misma cuando falte el Sol.

Figura 1. 16 Paneles fotovoltaicos en serie.

Entre los sectores de aplicación de la energía solar fotovoltaica cabe destacar cuatro, claramente diferenciados:

• Aplicaciones remotas: lugares donde sólo se prevé un pequeño consumo de electricidad (repetidores de radio y televisión, radiofaros, balizas, etc.), y en los que es necesario una acumulación a base de baterías

• Usos rurales: instalaciones aisladas de la red general que no suelen requerir acumulación (riego, molienda, descascarillado, etc.)

• Autogeneración: centros de consumo conectados a la red, utilizando la energía solar como base y la de la red como complemento

• Grandes centrales: generación masiva de electricidad, sólo posible en condiciones favorables de evolución de la tecnología fotovoltaica, el costo de las fuentes energéticas convencionales y las condiciones climáticas

Es necesario destacar finalmente que los costos de las células fotovoltaicas siguen siendo altos en la actualidad, debido principalmente a la complejidad de la fabricación de las mismas. Es por ello que se siguen realizando importantes investigaciones respecto a la reducción de costos de las células, centrados en dos facetas fundamentales:



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• Utilización de nuevos materiales: existen semiconductores con propiedades fotovoltaicas, cuyo costo de producción es mucho más bajo que el del silicio.

• Aumento de la radiación incidente: existen dos opciones al respecto; o utilizar células bifaciales, capaces de recibir la radiación solar por ambas caras, o utilizar concentración óptica por medio de lentes.

Vale la pena mencionar que en la actualidad también se está trabajando con generadores mixtos o híbridos, esto es, adaptar el generador fotovoltaico con otros generadores ya existentes como los eólicos o los generadores diesel. También podemos mencionar que actualmente se han construido algunas centrales fotovoltaicas que proporcionan una potencia considerable y que en un momento dado pueden llegar a ser rentables en ciertos casos, comparadas con las centrales tradicionales como las termoeléctricas o hidráulicas.

1.11. Aplicaciones reales y potenciales de la energía solar.

Figura 1. 17 Aprovechamiento de energía solar en una casa.

El calor recogido en los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar calefacción a los hogares, hoteles, colegios, fábricas, etc. También, y aunque pueda parecer extraño, otra de las más prometedoras aplicaciones del calor solar será la refrigeración durante las épocas cálidas precisamente cuando más sol hay. En efecto, para obtener frío hace falta disponer de un «foco cálido», el cual puede perfectamente tener su origen en unos colectores solares instalados en el tejado o azotea. En los países árabes ya funcionan acondicionadores de aire que utilizan eficazmente la energía solar, las aplicaciones agrícolas son muy amplias.

Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Las células solares, dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes.

La electricidad que así se obtiene puede usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores INGENIERÍA MECÁNICA Página 24


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para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio.

Si se consigue que el precio de las células solares siga disminuyendo, iniciándose su fabricación a gran escala, es muy probable que, para primeros de siglo, una buena parte de la electricidad consumida en los países ricos en sol tenga su origen en la conversión fotovoltaica. La energía solar puede ser perfectamente complementada con otras energías convencionales, para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de acumulación. Así, una casa bien aislada puede disponer de agua caliente y calefacción solares, con el apoyo de un sistema convencional a gas o eléctrico que únicamente funcionaría en los periodos sin sol. El costo de la factura de la luz sería sólo una fracción del que alcanzaría sin la existencia de la instalación solar.

1.11.1. Calefacción de agua doméstica.

Una de las aplicaciones de la energía solar que ha tenido mayor uso y divulgación es la calefacción de agua para consumo doméstico. Las primeras patentes de calentadores solares aparecieron en Estados Unidos hacia finales del siglo XIX. En México se han estado utilizando y desarrollando desde la década de los 40.

En los lugares con buen clima y buena insolación, los calentadores solares pueden ahorrar una fracción considerable del combustible para uso doméstico. Por otro lado, en lugares con clima extremoso, no basta el calentador solar para tener un ahorro tan significativo, dado que el principal consumo de energía se debe al aire acondicionado en verano, y a la calefacción en invierno.

En el caso de los calentadores solares domésticos, las temperaturas requeridas son del orden de 40 a60 °C. Esto implica que los colectores más adecuados, independientemente de otras ventajas que puedan tener, son los de placa plana. Dependiendo del diseño particular del calentador, puede requerir una o dos cubiertas transparentes. Una de las virtudes de este tipo de colector es que no sólo capta la radiación directa, sino también la difusa. Esto significa que un calentador solar bien dimensionado puede trabajar satisfactoriamente no sólo en días soleados, sino en días medio nublados, siempre que la irradiación total no caiga por debajo de ciertos límites y los usuarios no desperdicien el agua caliente.

Debido a que muchos usuarios prefieren el baño diario matutino, después de unas horas en las que no ha habido insolación, es necesario y práctico tener una reserva de agua caliente, considerando además que, en días muy nublados puede haber una baja significativa de la irradiancía solar. Con el uso de una reserva de agua caliente se logra satisfacer la demanda de agua cliente en más del 95% de los días del año.

1.11.2. Acondicionamiento térmico de albercas.

Los requerimientos de temperatura de una alberca van, dependiendo de su uso, desde los 22°C en una alberca deportiva hasta los 30°C en una alberca para niños. Mantener la temperatura dentro de estos límites requiere de grandes cantidades de energía. Debido a esto y al constante incremento de precios de la principal fuente de energía empleada, los hidrocarburos, muchos de los usuarios de sistemas tradicionales (calderas y/o calentadores de gas) para el calentamiento de sus albercas, han dejado de utilizarlos. Cuando las albercas no cuentan con algún tipo de calentamiento auxiliar sólo tienen una temperatura confortable en algunos meses del año, y rara vez se encuentran lo suficientemente tibia durante la tarde o muy temprano, por la mañana.



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Esto ha traído como consecuencia que se tengan que buscar nuevas alternativas de uso de energía y se ha encontrado que el uso de la energía solar encuentra aquí un campo de aplicación muy interesante, ya que la utilización de la energía solar en forma adecuada y eficiente puede suministrar toda la energía que se necesita para mantener la temperatura de la alberca dentro de un rango aceptable. Esta es una de las pocas aplicaciones en donde el costo del equipo solar es equiparable con el de los sistemas tradicionales. Si también se toma en cuenta que la energía solar es gratuita y que no contamina, la opción por el uso de energía solar para el calentamiento de albercas se hace mucho más atractiva e interesante.

La función del calentador solar es colectar la energía radiante que incide sobre una determinada área y transferirla a la alberca de la manera más eficiente que se puede y a un mínimo costo. Debido a las bajas temperaturas de operación de estos sistemas (20-30°C), se pueden utilizar colectores de energía solar desnudos o colectores con una o más cubiertas de vidrio o de algún plástico transparente adecuado, dependiendo sobre todo de la velocidad del viento.

Una regla de uso práctico para determinar el tamaño de los colectores solares para el calentamiento de albercas es, que la relación entre el área de colección y el área de la alberca debe ser igual a uno.

1.11.3. Secado Solar.

Muchos productos agrícolas requieren un secado post-cosecha para su adecuada conservación hasta que llegan a los centros de consumo. Aún en el caso de los productos que se comercializan en forma fresca, el secado ofrece una alternativa al agricultor cuando existen problemas de transporte o se producen bajas de precio por sobreproducción.

El secado al aire libre, donde los productos se exponen directamente al sol colocándolos sobre el suelo, es uno de los usos más antiguos de la energía solar y es aún uno de los procesos agrícolas más utilizado en nuestro país y en muchos países del mundo. Este procedimiento es de muy bajo costo pero puede producir fuertes mermas ocasionadas por las lluvias durante el proceso de secado y el ataque de insectos y animales. Por otro lado, la calidad del producto se ve afectada por la contaminación de polvos e insectos.

En las regiones industrializadas el bajo costo del combustible permitió hace varias décadas el desarrollo de procesos de secado artificial en gran escala basados en el uso de combustibles. En los últimos años, la escasez y mayores precios de los combustibles ha despertado un nuevo interés en el secado basado en el uso de la energía solar, tratando de desarrollar diversas técnicas que permiten solucionar los problemas mencionados en relación al secado al aire libre.

Forma de calentamiento solar.

Los dos elementos básicos de un secador solar son: el colector, donde la radiación calienta el aire y la cámara de secado, donde el producto es deshidratado por el aire que pasa. Estos elementos pueden diseñarse de diferentes formas para integrarse a diferentes equipos de secado solar:

• Secador solar indirecto: Los dos elementos están separados. El aire es calentado en el colector y la radiación no incide sobre el producto colocado en la cámara de secado. La cámara de secado no permite la entrada de la radiación solar. Este secador es esencialmente un secador convectivo convencional en que el sol actúa de fuente energética.



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• Secador solar directo: Los dos elementos pueden juntarse, en cuyo caso la cámara que contiene el producto también cumple la función de colector recibiendo la radiación solar.

• Secador solar mixto: Finalmente puede darse el caso en que la colección de radiación se realice tanto en un colector solar previo a la cámara como en la misma cámara.

• Refrigeración.

Actualmente hay dos maneras de utilizar la energía solar, se puede usar una bomba de calor como calentador auxiliar. Esta puede aumentar la energía captada durante el invierno y funcionar con fines de refrigeración durante los meses del verano.

Otra posibilidad son los enfriadores de absorción. Operan directamente con el tanque de almacenamiento de energía solar.

1.12. Bomba de calor.

Una bomba de calor es un acondicionador de aire montado al revés como se muestra en la figura 1.8.

Figura 1. 18 Diagrama de la bomba de calor.

La salida de calor (Condensador) se monta en el interior del local. El evaporador se monta hacia el exterior. Extrae calor del aire exterior. En el verano se invierten las posiciones del condensador y el evaporador, con lo cual se extrae el calor del interior y se bombea hacia fuera. La bomba de

calor logra esta función reversible si se modifica el flujo del refrigerante dentro del sistema.

1.13. Energía solar en México.

En México la fuente de energía primaria que tiene una mayor participación en la generación de electricidad son los hidrocarburos. Las fuentes alternas son la hidroelectricidad, el carbón, la núcleo electricidad, la geotermia y la energía eólica.

En 1996 se generó un total de 151889 GWh, de los cuales el 58.6%correspondió a los hidrocarburos, el 20.7% a hidroelectricidad, el 11.7% al carbón, el 5.2% a núcleo electricidad y el 3.8% a geotérmica y eólica.

Con la diversificación tecnológica de las fuentes de generación de electricidad, se promueve la mejor utilización de los recursos energéticos disponibles, lo que además, al promover el INGENIERÍA MECÁNICA Página 27


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aprovechamiento de los recursos renovables como aire, agua, sol y desperdicios sólidos, entre otros, reduce los efectos directos sobre el medio ambiente.

El aprovechamiento de estos recursos está limitado por la disponibilidad de las fuentes convencionales de generación, las cuales utilizan combustibles como el carbón, gas natural y diesel.

El potencial de aprovechamiento de energía solar en México es uno de los principales del mundo, ya que alrededor de 3/4 partes del territorio nacional son zonas con una insolación media del orden de los 5 KWh m2⁄ al día, más del doble del promedio en los E.U.A.

De acuerdo con el balance nacional de energía de 1995, en México se tenía instalada en ese año una capacidad para generación de energía eléctrica por medio de módulos fotovoltaicos con los cuales se generaron 17.5 GWh. La energía solar se ha utilizado, principalmente, en sistemas de iluminación, electrificación, señalización, comunicación, medios de recepción para educación vía satélite en comunidades alejadas, calentamiento, bombeo y purificación de agua.

Los costos de inversión en plantas que utilizan la energía solar siguen siendo elevados, por lo que actualmente solo se justifican en aquellos casos en que, por las grandes distancias entre las comunidades y la red eléctrica interconectada, se pueden instalar económicamente pequeñas estaciones con celdas fotovoltaicas para el suministro local. Las centrales que captan la irradiación solar con canales parabólicos para producir vapor tienen también elevados costos de inversión. Sin embargo, se pueden instalar acopladas a ciclos combinados que usan gas natural cuando el proyecto sea económicamente viable.

México, tanto por su extensión territorial como por su localización geográfica y sus características orográficas, cuenta con condiciones que permiten tener un importante potencial de generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables. La CONAE ha identificado un conjunto de proyectos específicos para su evaluación y, en su caso, promoverlos para su desarrollo. La lógica básica de esta estrategia es la de determinar los obstáculos técnicos, económicos y regulatorios a los que se enfrentan quienes desarrollan este tipo de proyectos.



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CAPÍTULO 2. Propiedades Físicas en Materiales

Es necesario saber las propiedades térmicas de los materiales, por lo tanto en este capitulo se estudian las propiedades termodinámicas y ópticas de los materiales, así como su comportamiento en la transferencia de calor. De aquí partiremos para seleccionar los materiales que mejor se comporten en el funcionamiento del calentador solar.



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2.1. Densidad. Si bien la densidad no es una propiedad térmica en sí misma, se trata de una característica que afecta de manera significativa el desempeño térmico de los materiales. La densidad, o masa específica de un material, es el cociente que resulta de dividir la cantidad de masa (kg) de dicho material por su volumen unitario (𝑚𝑚2). Así, la densidad que caracteriza al material se mide en kilogramos por metro cúbico (kg m3)⁄ . Los materiales empleados en la edificación presentan un amplio intervalo de densidades. Algunos productos aislantes apenas alcanzan una densidad de 10 (kg m3)⁄ , mientras que los más pesados, como el cobre, alcanzan densidades cercanas a los 8900(kg m3)⁄ .

2.2. Conductancia y resistencia. La conductancia y la resistencia (R) son propiedades de una capa de material, por lo que dependen del espesor específico de dicha capa. La conductancia representa la capacidad de la capa de material para conducir el calor y es igual a la conductividad multiplicada por el espesor, expresándose en Watts por metro cuadrado grado Celsius (𝑊𝑊 𝑚𝑚2⁄ ). La resistencia, por otro lado, representa la capacidad de una capa de material para resistir el flujo de calor y es igual a la resistividad multiplicada por el espesor, expresándose en metro cuadrado grado Celsius por Watt (𝑚𝑚2°𝐶𝐶 𝑊𝑊⁄ ). También, aunque casi en desuso, se encuentra la unidad metro cuadrado hora grado Celsius por kilocaloría (𝑚𝑚2ℎ𝑟𝑟 °𝐶𝐶 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾⁄ ): 1 𝑚𝑚2°𝐶𝐶 𝑊𝑊⁄ = 1.163 𝑚𝑚2ℎ𝑟𝑟 °𝐶𝐶 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾⁄ Dado que la resistividad es el inverso de la conductividad, y que los valores de conductividad de los materiales constructivos suelen ser más accesibles, la resistencia de un material generalmente se calcula con la siguiente fórmula:

𝑅𝑅 =𝑒𝑒𝑘𝑘

(2.1)

Donde: R = Resistencia térmica por unidad de área de la capa de material (𝑚𝑚2°𝐶𝐶 𝑊𝑊⁄ ), e = Espesor de la capa de material (m). k = Conductividad del material (𝑊𝑊 𝑚𝑚2⁄ °𝐶𝐶). Siguiendo el ejemplo anterior, una capa de acero de 5mm tendría una resistencia térmica de 0.0001 m2 °C W⁄ , mientras que una capa de poliestireno expandido de 50mm tendría una resistencia térmica de 1.67 (𝑊𝑊 𝑚𝑚2⁄ °𝐶𝐶). En algunos estudios el valor de la resistencia térmica de una capa de material se explica como la diferencia de temperatura que se requiere para producir una unidad de flujo de calor por unidad de superficie.



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2.2.1. Origen molecular de la conductividad.

Cuando se calienta la materia la energía cinética promedio de sus moléculas aumenta, incrementándose su movimiento. La conducción de calor que a nivel macroscópico puede modelarse mediante la ley de Fourier, a nivel molecular se debe a la interacción entre las moléculas que intercambian energía cinética sin producir movimientos globales de materia. Por tanto la conducción térmica difiere de la convección térmica en el hecho de que en la primera no existen movimientos macroscópicos de materia, que si ocurren en el segundo mecanismo. Todas las formas de materia condensada tienen la posibilidad de transferir calor mediante conducción térmica, mientras que la convección térmica en general sólo resulta posible en líquidos y gases. De hecho los sólidos transfieren calor básicamente por conducción térmica, mientras que para gradientes de temperatura importante los líquidos y los gases transfieren la mayor parte del calor por convección.

2.2.2. Coeficiente de conductividad térmica.

El coeficiente de conductividad térmica es una propiedad de cada elemento y expresa la magnitud de su capacidad de conducir el calor. Su símbolo es la letra (k). En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en vatio / metro × kelvin (W/(m·K)), en kilocaloría / hora × metro × kelvin (kcal/(h·m·K)), en el sistema técnico y (BTU/(h·ft·ºF)), en el sistema anglosajón. El coeficiente de conductividad térmica expresa la cantidad o flujo de calor que pasa a través de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensión infinita, caras plano paralelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias.

Tabla 2. 1 Conductividades térmicas de diversos materiales en W/(m K)[𝟑𝟑]

Material k Material k Material k Acero 47-58 Corcho 0.03-0.04 Mercurio 83.7 Agua 0.58 Estaño 64.0 Mica 0.35 Aire 0.02 Fibra de vidrio 0.03-0.07 Níquel 52.3

Alcohol 0.16 Glicerina 0.29 Oro 308.2 Alpaca 29.1 Hierro 80.2 Parafina 0.21

Aluminio 209.3 Ladrillo 0.80 Plata 406.1-418.7 Amianto 0.04 Ladrillo refractario 0.47-1.05 Plomo 35.0 Bronce 116-186 Latón 81-116 Vidrio 0.6-1.0

Zinc 106-140 Litio 301.2 Cobre 372.1-385.2 Madera 0.13 Tierra húmeda 0.8 Diamante 2300

2.3. Valor R. Es común expresar la resistencia térmica de los materiales, sobre todo de los productos aislantes, como valor R. Por ejemplo, el valor R de una típica colchoneta de fibra de vidrio suele ser de R2.4, es decir, 2.4 𝑚𝑚2°𝐶𝐶 𝑊𝑊⁄ . Si se toma el área total de una capa de este material (𝑚𝑚2), se multiplica por la diferencia de temperatura (°C) y se divide por 2.4, se obtiene el flujo de calor en Watts.


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Así, 100 𝑚𝑚2 de aislamiento a base de colchoneta de fibra de vidrio R2.4, expuesto a una diferencia de temperatura de 20°C, dejará pasar un flujo cercano a los 833 Watts. El valor R se expresa generalmente en𝑚𝑚2°𝐶𝐶 𝑊𝑊⁄ , pero en algunos países se emplea el pie cuadrado grado fahrenheit por unidad térmica británica (𝑓𝑓𝑓𝑓2°𝐹𝐹 ℎ𝑟𝑟 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵⁄ ) 1 𝑚𝑚2°𝐶𝐶 𝑊𝑊⁄ = 5.6745 𝑓𝑓𝑓𝑓2°𝐹𝐹 ℎ𝑟𝑟 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵⁄ 1 𝑓𝑓𝑓𝑓2°𝐹𝐹 ℎ𝑟𝑟 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵⁄ = 0.1761 𝑚𝑚2°𝐶𝐶 𝑊𝑊⁄ Es muy importante prestar atención a las unidades, ya que en esos países el valor R de la colchoneta en cuestión se expresaría como R13.6 (𝑓𝑓𝑓𝑓2°𝐹𝐹 ℎ𝑟𝑟 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵⁄ ). En realidad, como se indica en el apartado de resistencia total, los índices de transmisión de calor pueden variar ligeramente ya que existe una resistencia extra a la transmisión de calor entre el aire interior y la superficie del componente, así como entre la superficie expuesta y el aire exterior. Así mismo, la transmisión de calor puede variar dependiendo de la velocidad del viento.

2.4. Mejores materiales conductores. La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de transmitir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los polímeros, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío bajo. La tabla que se muestra a continuación se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica (k) caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1°C de temperatura entre las dos caras. La conductividad térmica se expresa en unidades de (𝑊𝑊 𝑚𝑚𝐾𝐾)⁄ (𝑀𝑀 𝑠𝑠𝑚𝑚°𝐶𝐶⁄ ). Es una propiedad intrínseca de cada material que varía en función de la temperatura a la que se efectúa la medida, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros. Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia pero predomina en los sólidos.

2.4.1. El Cobre.

El cobre, de símbolo Cu (del latíncuprum), es el elemento químico de número atómico 29. Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, caracterizada por ser los mejores conductores de electricidad. Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos.

El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones que generalmente presentan mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con el nombre de bronces y latones.


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http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica

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http://es.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%B3n


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El cobre es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas.

Tabla 2. 2 Propiedades del cobre.

Información general Nombre, símbolo, número Cobre, Cu, 29

Serie química Metal de transición Grupo, periodo, bloque 11 , 4, d Densidad, dureza Mohs 8960 kg/m³,1 3.0

Apariencia Metálico, cobrizo

Propiedades atómicas Peso atómico 63,536 u Radio medio† 135 pm2

Radio atómico calculado 145 pm2 Radio covalente 138 pm2

Radio de Van der Waals 140 pm2 Término del estado fundamental Sin datos

Configuración electrónica [Ar]3d104s1 Estados de oxidación (óxido) +2, +1 (levemente básico)

Estructura cristalina Cúbica centrada en las caras3

Propiedades físicas Estado de la materia Sólido (diamagnético)

Punto de fusión 1357.77 K (1084.62 °C)4 Punto de ebullición 3200 K (2927 °C)4

Entalpía de vaporización 300 kJ/mol5 Entalpía de fusión 13.1 kJ/mol5

Velocidad del sonido 3570 m/s a 293,15 K Electronegatividad 1.9 (Pauling)6 Afinidad electrónica 118.4 (kJ/mol)7

Calor específico 385 J/(kg•K)1 Conductividad eléctrica 58.108 × 106S/m8 Conductividad térmica 400 W/(m•K)4

Coeficiente de dilatación térmico lineal

16.5 x 10-6/K4

2.4.2. El Aluminio.

El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metalno ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales.En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis.

Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería mecánica, tales como su baja densidad (2.700 kg/m3) y su alta resistencia a la corrosión. Mediante


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aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es relativamente barato. Por todo ello, desde mediados del siglo XX, el metal que más se utiliza después del acero.Fue aislado por primera vez en 1825 por el físico danésH. C. Oersted. El principal inconveniente para su obtención reside en la elevada cantidad de energía eléctrica que requiere su producción. Este problema se compensa por su bajo coste de reciclado, su dilatada vida útil y la estabilidad de su precio.

Tabla 2. 3 Propiedades del aluminio.

Información general Nombre, símbolo, número Aluminio, Al, 13

Serie química Metales del bloque p Grupo, período, bloque 13, 3, p

Densidad 2698.4 kg/m3 Apariencia Plateado

Propiedades atómicas Densidad 26.9815386(8) u

Radio medio 125 pm Radio atómico (calc) 118 pm (Radio de Bohr)

Radio covalente 118 pm Configuración electrónica [Ne]3s23p1

Electrones por nivel de energía 2, 8, 3 Estado(s) de oxidación 3

Óxido Anfótero Estructura cristalina cúbica centrada en las

caras

Propiedades físicas Estado ordinario Sólido Punto de fusión 933.47 K

Punto de ebullición 2792 K Entalpía de vaporización 293.4 kJ/mol

Entalpía de fusión 10.79 kJ/mol Presión de vapor 2.42 × 10-6Pa a 577 K Volumen molar 1000×10-6m3/mol

Velocidad del sonido 6400 m/s a 20 °C Electronegatividad (Pauling) 1.61

Calor específico 900 J/(kg·K) Conductividad eléctrica 37.7 × 106S/m Conductividad térmica 237 W/(m·K)


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2.4.3. La Plata.

La plata es un metal de acuñar muy dúctil y maleable, algo más duro que el oro, la plata presenta un brillo blanco metálico susceptible al pulimento. Se mantiene en agua y aire, si bien su superficie se empaña en presencia de ozono, sulfuro de hidrógeno o aire con azufre. Su maleabilidad y ductilidad (sólo superadas por el oro) son tales, que es posible obtener láminas de 0,00025 mmy con 1 g de metal fabricar un hilo de 180 metros de longitud.

Tiene una de las más altas conductividades eléctricas de todos los metales, incluso superior a la del cobre el cual es el conductor por excelencia, pero su mayor precio ha impedido que se utilice de forma masiva en aplicaciones eléctricas. La plata pura también presenta la mayor conductividad térmica, el color más blanco y el mayor índice de reflexión (aunque refleja mal la radiación ultravioleta) de todos los metales. Algunas sales de plata son fotosensibles (se descomponen por acción de la luz) y se han empleado enfotografía.Se disuelve en ácidos oxidantes y puede presentar los estados de oxidación +1, +2 y +3, siendo el más común el estado de oxidación +1. El óxido y sulfato formado sobre la plata puede disolverse en ácido cítrico limpiándolo y formando citrato de plata.

Tabla 2. 4 Propiedades de la plata.

Información general Nombre, símbolo, número Plata, Ag, 47

Serie química Metal de transición Grupo, período, bloque 11, 5, d

Densidad 10490 kg/m3 Apariencia Plateado

Propiedades atómicas Densidad 107.8683 u

Radio medio 160 pm Radio atómico (calc) 165 pm (Radio de Bohr)

Radio covalente 153 pm Radio de van der Waals 172 pm

Configuración electrónica [Kr]4d10 5s1 Electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 1

Estado(s) de oxidación 1 (anfótero) Estructura cristalina cúbica centrada en las

caras

Propiedades físicas Estado ordinario Sólido Punto de fusión 1234.93 K

Punto de ebullición 2435 K Entalpía de vaporización 250.58 kJ/mol

Entalpía de fusión 11.3 kJ/mol Presión de vapor 0.34 Pa a 1234 K

Velocidad del sonido 2600 m/s a 20 °C Electronegatividad (Pauling) 1.93




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http://es.wikipedia.org/wiki/Ductilidad

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Calor específico 232 J/(kg·K) Conductividad eléctrica 63 × 106 m-1S/m Conductividad térmica 429 W/(m·K)

2.5. Materiales aislantes.

Cuando se habla de aislamiento térmico generalmente se piensa en el uso de materiales con una elevada resistencia térmica (o dicho en otros términos, un bajo nivel de conductancia), con los cuales se busca reducir el flujo de energía a través de los cerramientos en los que se incorporan. Sin embargo existe otro tipo de aislamiento, el reflectante, que funciona reduciendo el flujo de calor radiante. Algunos autores incluso señalan un tercer tipo de aislamiento, llamado capacitivo, si bien éste se explica mejor en términos de masa térmica. En los siguientes párrafos haremos una breve descripción del aislamiento conductivo y el aislamiento reflectante.

Entre las principales funciones de los materiales aislantes se encuentran las siguientes:

Minimizar el paso de calor a través de los cerramientos, reteniendo el calor en el interior de los edificios (aislamiento del frío) o evitando su ingreso (aislamiento del calor). Controlar las temperaturas superficiales de los cerramientos, manteniéndolas suficientemente altas para evitar las condensaciones, o suficientemente bajas para evitar elevadas temperaturas radiantes interiores. Modificar la inercia térmica de los cerramientos. En este caso los materiales aislantes generalmente se usan en combinación con materiales de elevada masa térmica. El comportamiento del cerramiento será muy diferente si la capa aislante se ubica hacia el interior o el exterior.

Aislamiento resistivo.

En general, además del vacío, los peores conductores de calor son los gases (como el aire), los cuales transmiten aún menos calor cuando se evitan sus movimientos convectivos. Esto último se puede lograr atrapando el gas en pequeños compartimentos o en cámaras muy delgadas. Debido a ello los materiales constructivos considerados como aislantes son precisamente aquellos que deben su ligereza a la gran cantidad de aire encapsulado en su interior, como las colchonetas hechas a base de fibras. Mientras más pequeños y numerosos sean los compartimientos de aire mayor será la capacidad de aislamiento. Tal es el caso de materiales como el poliuretano y el poliestireno, que son aun más eficientes que las colchonetas. Los materiales menos aislantes, obviamente, son los metales altamente conductivos como el acero y el cobre.

De acuerdo a algunas normas internacionales, se consideran aislantes los productos constructivos que tienen una conductividad térmica inferior a 0.06 W/m°C y una resistencia térmica superior a 0.5 𝑚𝑚2 °𝐶𝐶 𝑊𝑊⁄ (en este último parámetro entra en juego el espesor del material). Por lo que respecta a la conductividad, uno de los materiales más aislantes empleados en la construcción es el poliisocianurato, con un valor de 0.026 W/m°C, mientras que en el límite superior se encuentran materiales como la fibra de madera (0.06 W/m°C).

2.5.1. Productos aislantes resistivos.

Los productos aislantes resistivos se suelen encontrar en cuatro formas distintas: placas, fieltros, rociados (espreados), y rellenos:


Tabla 2.4 (continuación)


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Placas.

Las placas rígidas generalmente se hacen con espumas sintéticas como el poliestireno expandido (EPS) o extrudido (XPS), el poliuretano expandido y el poliisocianurato. En ocasiones también se producen mediante materiales fibrosos prensados. Algunas placas incluyen películas reflectantes para reducir también la transmisión de calor por radiación (ver la tabla 2.5).

Estos productos ofrecen un excelente aislamiento térmico (un elevado valor R) y acústico, además de que son relativamente resistentes a pesar de su ligereza. Por otro lado suelen brindar una buena cobertura superficial, reduciendo las pérdidas y ganancias de calor a través de fisuras, si bien es necesario tener cuidado con las juntas. Las placas aislantes generalmente se aplican en la parte externa de los cerramientos exteriores (muros y cubiertas) o en cámaras de aire. También es común su uso en cimentaciones, suelos y cielorrasos.

Fieltros.

Los fieltros (o colchonetas) se fabrican con distintos tipos de fibras que pueden ser sintéticas, de vidrio, minerales o naturales. La fibra de vidrio se produce con arena y vidrio reciclado, mientras que la fibra mineral se hace con una mezcla de roca basáltica y residuos metálicos triturados. Por lo que respecta a las fibras naturales, se han desarrollado fieltros a partir de la lana, el algodón e incluso productos como la cáscara de coco. Aunque no son tan eficientes como las placas aislantes, los fieltros representan una opción interesante desde el punto de vista de la sustentabilidad, sobre todo los que se derivan de productos naturales.

Los fieltros se encuentran disponibles en forma extendida o en rollos. Algunos incluyen películas textiles o plásticas, en una o ambas caras, con el objeto de brindarles mayor resistencia y estabilidad, impedir el paso del vapor de agua o incluso proporcionar aislamiento radiante. Una ventaja importante de los fieltros es su flexibilidad, ya que son muy fáciles de cortar y adaptar a distintas situaciones de obra.

Aislantes rociados.

Los aislantes rociados se componen de fibras sueltas o pequeños agregados, generalmente adicionados con adhesivos para hacerlos más resistentes. Generalmente se producen con fibras de vidrio, minerales o de celulosa, si bien en algunos lugares se emplean fibras de lana ovina. En el caso de las fibras de celulosa, casi siempre se producen a partir de papel reciclado y se tratan con químicos que retardan el fuego.

Estos aislantes suelen aplicarse sobre los cielorrasos o como relleno de cavidades en el interior de algunos cerramientos. Pueden proporcionar una buena resistencia a la infiltración si son lo suficientemente densos.

Espumas de relleno.

Las espumas de relleno, generalmente producidas con base en materiales como el poliuretano, se introducen directamente en las cavidades de algunos cerramientos. Al inyectarla, la espuma se expande hasta llenar por completo dichas cavidades. Una desventaja de las espumas es que casi siempre deben ser aplicadas por instaladores profesionales y con equipos especiales. Por otro lado, debido a la potencial toxicidad de algunas de ellas, es necesario garantizar que no queden expuestas al ambiente. Sin embargo ofrecen la posibilidad de generar un aislamiento perfectamente ajustado a las cavidades, haciendo más eficiente su función y reduciendo las infiltraciones de aire a través de la envolvente.



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Aislamiento reflectante (radiante).

A diferencia de los aislantes resistivos, que reducen la transferencia de calor por conducción, los aislantes reflectantes actúan como barrera a las ondas radiantes, principalmente aquellas ubicadas en el rango de los infrarrojos. Por lo general se producen fijando una capa de aluminio, u otro material de brillo similar, a una lámina más o menos flexible de plástico o de cartón.

En la gran mayoría de los materiales empleados en la construcción existe una relación directa entre su capacidad para absorber y emitir radiación, la cual depende tanto de su color como de sus características superficiales. Los materiales con acabado oscuro y mate suelen presentar valores altos de absortancia y emisividad, mientras que en los materiales con acabado claro y brillante estos valores suelen ser mucho más bajos. Estos últimos son los más adecuados para generar aislamiento reflectante. Obviamente mientras más claros y más brillantes sean será mayor su eficiencia.

Debido a que los aislantes reflectantes sólo reducen la transferencia de calor radiante (no son buenos para reducir la transferencia por conducción) deben aplicarse en la superficie interior o exterior de los cerramientos, o bien dentro de una cámara de aire. Por otra parte es importante considerar que su nivel de resistencia a los flujos de calor depende en buena medida de la dirección de dichos flujos. Generalmente resultan más efectivos ante los flujos de calor descendentes. Los aislantes reflectantes se pueden emplear para reducir tanto las ganancias de calor en los climas cálidos como las pérdidas en los climas fríos, aunque suelen ser bastante más eficientes en la primera situación. En todo caso para ser efectivos deben tener un alto índice de reflectancia por lo menos de 0.9.

2.6. Mejores materiales aislantes.

Existe una gran diversidad de materiales que son resistentes al paso de calor pero nos enfocaremos en aquellos cuyo coeficiente de transferencia de calor sean muy bajos, como son, fibra de vidrio, poliestireno, polietileno, poliuretano.

2.6.1. Lana de roca.

La lana de roca es un material aislante térmico, incombustible e imputrescible. Este material se diferencia de otros aislantes en que es un material resistente al fuego, con un punto de fusión superior a los 1200ºC.

Figura 2. 1 Panel rígido de lana de roca.

Las principales aplicaciones son el aislamiento de cubierta, tanto inclinada como plana (cubierta europea convencional, con lámina impermeabilizante auto protegida), fachadas ventiladas, fachadas monocapa, fachadas por el interior, particiones interiores, suelos acústicos y aislamiento de forjados. Cuando se tiene un techo de teja con machihembrado, se utiliza un fieltro sin revestimiento o bien otro con un papel kraft en una cara, lo que favorece la colocación. Además, se utiliza para la protección pasiva tanto de estructuras, como de instalaciones y penetraciones.


http://es.wikipedia.org/wiki/Lana_de_roca


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La lana de roca se comercializa en paneles rígidos o semirrígidos, fieltros, mantas armadas y coquillas. La lana de roca también es un excelente material para aislamiento acústico en construcción liviana, para suelos, techos y paredes interiores.

Coeficiente de conductividad (k): 0.030 a 0.041 𝑊𝑊 𝑚𝑚 𝐾𝐾⁄

Se fabrica en forma de manta, de paneles rígidos aglomerados con resinas o de coquillas para aislar térmicamente tuberías de sección circular.

- Manta.

Se trata de fibras de lana de roca entrelazadas de forma natural. Es adecuada para aislar elementos constructivos horizontales, siempre que se coloque en la parte superior, puesto que en vertical acabaría apelmazándose en la parte inferior del elemento y en la parte inferior de un elemento horizontal se descolgaría. Suelen venir protegidas por papel Kraft, papel embreado, o malla metálica ligera.

- Paneles rígidos.

Se trata de paneles aglomerados con alguna resina epoxídica, que da una cierta rigidez al aislante. Sirve para elementos constructivos verticales y horizontales por la parte inferior, a cambio de tener un coeficiente de conductividad ligeramente inferior al de la manta.

- Coquillas (medias cañas) de lana de roca.

Son tubos pre moldeados con distintos diámetros y espesores. Como todo buen aislante térmico, la sección debe de elegirse de modo que quede perfectamente ajustada a la superficie exterior de la conducción que se trata de aislar. Como toda lana mineral, es incombustible. La lana de roca resiste temperaturas hasta 1000 ºC

- Densidades: 100-160 kg/m³.

2.6.2. Lana de vidrio.

Cuando se tiene un techo de tejas con un machihembrado y se lo desea aislar con lana de vidrio se debe usar un producto para tal fin, que es una lana de vidrio en paneles con mayor densidad, hidrófugo e higroscópico. Cuando se tiene un techo de chapa, la línea de producto que se debe utilizar es el trasdosado con una hoja de aluminio reforzado en una cara para que actúe de resistencia mecánica, como barrera de vapor y como material reflectivo.

• Coeficiente de conductividad: 0.065 a 0,056 W/m K (0.056 a 0.049 kcal/h·m·ºC)

Como en el caso anterior se vende en forma de manta, de paneles aglomerados y coquillas de aislamiento de tuberías.

- Vidrio expandido.



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Aunque ahora se usa relativamente poco, es un material muy interesante, puesto que además de aislante es una barrera de vapor muy efectiva, lo que no suele ser normal en los aislantes térmicos.

Está formado por vidrio, generalmente reciclado y sin problemas de tratar el color, puesto que no importa el color del producto, que se hace una espuma en caliente, dejando celdillas con gas encerrado, que actúan como aislante. Como se ha dicho, funciona adecuadamente como barrera de vapor, lo que hace este material muy adecuado para aislar puentes térmicos en la construcción, como pilares en muros de fachada. Su rigidez le hace más adecuado que otros aislantes para poder recubrirlo de yeso.

2.6.3. Poliestireno Expandido (EPS).

El material de espuma de poliestireno, es un aislante derivado del petróleo y del gas natural del cual se obtiene el polímero plástico estireno en forma de gránulos. Para construir un bloque de, por ejemplo, 1m³, se incorpora en un recipiente metálico una cierta cantidad del material que tiene relación con la densidad final del mismo y al inyectar vapor de agua se expanden los gránulos hasta formar un bloque. Este se corta en placas del espesor deseado para su comercialización mediante un alambre metálico caliente.

Figura 2. 2 Fragmento de poliestireno expandido.

Dado que es inerte se utiliza como sustrato para el cultivo de orquídeas.

Debido a su combustibilidad se le incorporan retardantes de llama denominándoselo difícilmente inflamable.

• Posee un buen comportamiento térmico en densidades que van de 12 - 40 kg/m³ a 30 kg/m³.

• Tiene un coeficiente de conductividad de 0.045 a 0.034 W/m K, que depende de la densidad (por regla general, a mayor densidad menos aislamiento).

• Es fácilmente atacable por la radiación ultravioleta por lo cual se lo debe proteger de la luz del sol.

• Posee una alta resistencia a la absorción de agua en estado líquido.

2.6.4. Espuma celulósica.

El material de espuma de celulosa, posee un aceptable poder aislante térmico y es un buen fonoabsorbente. Ideal para aplicar por la parte inferior de galpones por ser un material 100% ignífugo de color blanco y por su rapidez al ser colocado.

Tiene un coeficiente de conductividad promedio de 0.03W/m K.

Temperatura superior a 45ºC se fundirá posteriormente.


http://es.wikipedia.org/wiki/Barrera_de_vapor

http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_t%C3%A9rmico

http://es.wikipedia.org/wiki/Poliestireno

http://es.wikipedia.org/wiki/Estireno

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2.6.5. Espuma de polietileno.

La espuma de polietileno se caracteriza por ser económica, hidrófuga y fácil de colocar. Con respecto a su rendimiento térmico se puede decir que es de carácter medio. Con respecto a su terminación es de color blanco o bien de color aluminio. Tiene un coeficiente de conductividad térmica de entre 0.036 y 0.046 W/mºC.

Figura 2. 3 Estructura química del polietileno.

2.6.6. Espuma de poliuretano.

La espuma de poliuretano es conocida por ser un material aislante de muy buen rendimiento. Su aplicación se puede realizar desde la parte inferior o bien desde la parte superior. Genera a partir del "punto de humeo" ácido cianhídrico: extraordinariamente tóxico para humanos.

Figura 2. 4 Espuma de poliuretano de alta densidad.

Propiedades:

• Densidad: 30-80 kg/m³. • Resistencia a compresión: 200 N/mm². • Conductividad térmica: 0.023 W/m K.

2.6.7. Espuma elastomérica.

Es un aislante con un excelente rendimiento en baja y media temperatura con fácil instalación, reduciendo al máximo los costos de mano de obra. Posee en su estructura, una barrera de vapor y un comportamiento totalmente ignífugo.

Coeficiente. de conductividad: 0.030 kcal/h·m·ºC.

Temperatura de trabajo óptima: -40 a 115 ºC.


http://es.wikipedia.org/wiki/Polietileno

http://es.wikipedia.org/wiki/Poliuretano



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2.6.8. Corcho.

El corcho es la corteza del alcornoque. Puede presentarse en bruto, como fruto directo de la extracción de la corteza del árbol, o elaborado para su utilización en diferentes áreas. El principal componente del corcho es la suberina La producción mundial de corcho es de unas 340.000 toneladas, de las cuales Portugal produce un 52%, España un 32% e Italia un 6%.

Figura 2. 5 Corte de tronco de alcornoque mostrando la capa de corcho.

Uno de los usos más difundidos del corcho es como tapón para recipientes de vidrio, en especial botellas de vino u otras bebidas espirituosas. En su origen, estos tapones se fabrican solo con corcho natural, pero aunque hoy en día se producen con otros materiales, principalmente plásticos, siguen denominándose de la forma genérica como corchos.

Figura 2. 6 Tapón de corcho.

Otra aplicación frecuente del corcho es la producción de paneles con fines acústicos o aislantes, que en ocasiones se colocan sobre las paredes, avisos u otros objetos livianos mediante chinchetas. Al igual que los tapones, este tipo de paneles se fabricaban originalmente con corcho natural; y aunque actualmente se los produce también con fibras plásticas o de celulosa, u otros materiales textiles, siguen denominándose a veces como corchos.

2.6.9. Fibra de vidrio.

La fibra de vidrio (del inglés fiberglass) es un material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a través de una pieza de agujeros muy finos (espinerette) y al solidificarse tiene suficiente flexibilidad para ser usado como fibra.

Sus principales propiedades son: buen aislamiento térmico, inerte ante ácidos, soporta altas temperaturas. Estas propiedades y el bajo precio de sus materias primas, le han dado popularidad en muchas aplicaciones industriales. Las características del material permiten que la Fibra de Vidrio sea moldeable con mínimos recursos, la habilidad artesana suele ser suficiente para la autoconstrucción de piezas de bricolaje tales como kayak, cascos de veleros, terminaciones de tablas de surf o esculturas, etc.


http://es.wikipedia.org/wiki/Quercus_suber

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81rbol

http://es.wikipedia.org/wiki/Suberina

http://es.wikipedia.org/wiki/Portugal

http://es.wikipedia.org/wiki/Espa%C3%B1a

http://es.wikipedia.org/wiki/Italia

http://es.wikipedia.org/wiki/Panel

http://es.wikipedia.org/wiki/Chincheta

http://es.wikipedia.org/wiki/Celulosa

http://es.wikipedia.org/wiki/Material

http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Espinerette&action=edit&redlink=1


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Debe tenerse en cuenta que los compuestos químicos con los que se trabaja en su moldeo dañan la salud, pudiendo producir cáncer. Existen guías que describen el procedimiento de fabricación y moldeado en fibra de vidrio.

La fibra de vidrio, también es usada para realizar los cables de fibra óptica utilizados en el mundo de las telecomunicaciones para transmitir señales lumínicas, producidas por láser o LEDs. También se utiliza habitualmente como aislante térmico en la construcción, en modo de mantas o paneles de unos pocos centímetros. Otro de los usos importantes de la fibra de vidrio es la fabricación de la Rejilla de fibra de vidrio, Barandales, Escaleras Marinas, Perfiles Estructurales, Tapas para Registros, que en algún momento también son clasificados como Productos FRP.

Figura 2. 7 Fibra de vidrio.

2.7. Calor específico. El calor específico es una propiedad simple de los materiales que se refiere, en términos generales, a la capacidad que tienen para acumular calor en su propia masa. También se puede definir como la cantidad de calor que es necesario suministrar a una unidad de peso del material para incrementar su temperatura en un grado Celsius. Mientras mayor sea el calor específico, más energía tendrá que suministrarse para calentar el material. Para designar al calor específico se utiliza el símbolo Cp. En el Sistema Internacional se utiliza como unidad del calor específico el Joule por kilogramo grado Celsius (J/kg°C). En ocasiones también se utiliza la kilocaloría por kilogramo grado Celsius (Kcal/kg°C), de acuerdo a la siguiente equivalencia:

1 J/kg°C = 0.239 Kcal/kg°C. El agua, curiosamente, tiene uno de los valores de calor específico más elevados, con cerca de 4200 J/kg°C. Sin embargo los valores de la gran mayoría de los materiales empleados en la edificación oscilan entre 700 y 1500 J/kg°C. En otras palabras, se trata de un parámetro que sólo representa diferencias importantes en el comportamiento térmico de los materiales cuando se le considera en relación con otras propiedades, como la densidad.

2.8. Calor específico volumétrico. El calor específico volumétrico representa la capacidad de almacenamiento de calor de un material, de acuerdo a su densidad. Se calcula multiplicando su densidad por su calor específico,


http://www.jsolana.com.mx/fibra/



http://es.wikipedia.org/wiki/Cable_de_fibra_%C3%B3ptica

http://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicaciones

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser

http://es.wikipedia.org/wiki/LED

http://es.wikipedia.org/wiki/Aislante_t%C3%A9rmico

http://es.wikipedia.org/wiki/Construcci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Rejilla_de_fibra_de_vidrio

http://www.fiberstructures.com/catalogos.html


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lo que nos da como unidad de medida el Kilo joule por metro cúbico grado Celsius (Kj/m3°C). Otra unidad de medida, aunque de uso menos común, es la Kilocaloría por metro cúbico grado Celsius (Kcal/m3°C). La equivalencia entre ambas medidas es como sigue:

1𝐾𝐾𝑀𝑀 𝑚𝑚3⁄ °𝐶𝐶 = 0.239 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 𝑚𝑚3⁄ °𝐶𝐶 Dado que en realidad el calor específico varía relativamente poco entre los principales materiales constructivos, su capacidad de almacenamiento de calor se relaciona estrechamente con la densidad: los materiales pesados, como el concreto, el ladrillo y la piedra, suelen presentar una elevada capacidad de almacenamiento de calor, mientras que con los materiales ligeros, como los aislantes, sucede lo contrario.

2.9. Capacidad térmica. La capacidad térmica representa una medida del calor que pueden almacenar las capas de material. Para cálculos simples, la capacidad térmica se puede determinar multiplicando la densidad del material por el espesor de la capa, y luego por su calor específico, de lo cual resulta la unidad Joule por metro cuadrado grado Celsius(J m2 °C)⁄ . Por ejemplo, la capacidad térmica de una capa de adobe de 30cm sería la siguiente:

1,600 𝐾𝐾𝑀𝑀 𝑚𝑚3⁄ °𝐶𝐶* 0.3 m * 1480 J/kg°C = 710400 𝑀𝑀 𝑚𝑚2⁄ °𝐶𝐶 = 710.40 𝐾𝐾𝑀𝑀 𝑚𝑚2⁄ °𝐶𝐶 Cuando se utiliza la capacidad térmica en cálculos en régimen dinámico (con temperaturas variables), por ejemplo para estimar el desempeño de un cerramiento, es necesario recurrir a cálculos complejos por lo que se suele recurrir a herramientas informáticas avanzadas.

2.10. Absortividad y absortancia. La absortividad es la propiedad de un material que determina la cantidad de radiación incidente que puede absorber. La absortancia, por otro lado, representa en sí la fracción de radiación incidente que es absorbida por un material, con valores que van de 0.0 a 1.0 (aunque también se puede expresar en términos de porcentaje, de 0% a 100%). La absortancia, en ocasiones denominada absorción superficial, depende fundamentalmente del color y el acabado de los materiales. La absortancia puede ser establecida en relación con radiaciones de diferentes longitudes de onda. Debido a ello es común encontrar tres formas distintas de absortancia: solar, visible y térmica: La forma más común se refiere a la absortancia solar, la cual incluye el espectro visible, el infrarrojo y el ultravioleta. Este parámetro generalmente se usa para estimar la forma en que la radiación solar afecta el balance térmico de las superficies (exteriores e interiores) de los elementos constructivos. En la tabla 2.5se indican los valores de absortancia solar de algunos materiales constructivos. Otro parámetro se refiere a la absortancia visible. Esta representa la fracción de la radiación visible incidente que es absorbida por un material. En ese sentido el rango de longitudes de onda considerado es mucho más estrecho que en el caso de la de radiación solar, ya que no se incluye el espectro infrarrojo ni el ultravioleta. Este parámetro también afecta el balance térmico superficial, aunque generalmente se emplea en los cálculos de iluminación.



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Un tercer valor es el de la absortancia térmica, el cual se puede considerar un parámetro equivalente a la emitancia. La absortancia térmica representa la fracción de la radiación incidente de onda larga (longitudes de onda infrarrojas) que es absorbida por un material. Este parámetro afecta el balance térmico superficial, pero suele usarse para calcular los intercambios de radiación de onda larga entre varias superficies. Al igual que en los casos anteriores, los valores de la absortancia térmica van de 0.0 a 1.0, donde 1.0 representa las condiciones de un cuerpo negro ideal, el cual absorbería (y emitiría) toda la radiación de onda larga incidente.

2.11. Emisividad. La emisividad de un material representa la proporción entre la energía radiada por dicho material y la energía que radiaría un cuerpo negro ideal, dada la misma temperatura y la misma superficie. En ese sentido se trata de una medida de la capacidad de un material para absorber y radiar energía. Si asignamos al cuerpo negro ideal un valor de 1.0, entonces cualquier objeto real tiene una emisividad mayor a 0.0 y menor a 1.0. Además de la temperatura, la emisividad depende de factores como las condiciones de las superficies (pulidas, oxidadas, grado de rugosidad), el ángulo de emisión y la longitud de onda. Sin embargo generalmente se asume que la emisividad y la absortividad de una superficie no dependen de la longitud de onda, sino que son constantes. Esto se conoce como el supuesto del cuerpo gris. De acuerdo a la ley de Kirchhoff, para un objeto en equilibrio térmico la emisividad es igual a la absortividad, de tal manera que un objeto que absorbe menos radiación de la que incide sobre él también emitirá menos radiación que un cuerpo negro ideal. En la siguiente tabla se muestran los valores de absortancia solar y emisividad de algunos materiales comunes en la edificación:

Tabla 2. 5 Propiedades superficiales selectivas para aplicaciones de energía solar.[𝟑𝟑]

Tipo de superficie 𝜀𝜀 𝛼𝛼 Negro de Ni sobre 0.93 0.06 Ni-Zn-S sobre Ni 0.96 0.07

Negro de Cr sobre Ni 0.92 0.10 Negro de Fe sobre acero 0.10 0.10

Negro de Zn 0.90 0.10 Negro de Cr 0.90 0.10

Negro de Cu sobre Cu 0.89 0.10 Oxido de Cu sobre Al 0.93 0.11 Oxido de Cu sobre Ni 0.81 0.17

Etanol C sobre Cu, ennegreciendo la superficie de Cu con capas de

CuO

0.90 0.10

Oxido de Cu sobre Al anodizado; el Al tratado con solución caliente

de Cu(NO3)2-KMn

0.85 0.11

Aluminio Pulido 0.09 0.03

Anodizado 0.34 0.84 Hoja 0.15 0.05

Cobre Pulido 0.18 0.03

Deslustrado 0.65 0.75 Acero inoxidable

Pulido 0.37 0.60 Opaco 0.50 0.21



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Metales plateados Oxido negro de níquel 0.92 0.08

Cromo negro 0.87 0.09 Concreto 0.60 0.88

Pintura negra 0.97 0.97 Pintura blanca 0.14 0.97

2.11.1. Cuerpo Gris.

La emisividad depende de factores como la temperatura, el ángulo de emisión y la longitud de onda. Una suposición usada comúnmente en ingeniería, asume que la emisividad espectral de la superficie y la absortividad no dependen de la longitud de onda, siendo, por lo tanto, ambos constantes. Esta regla se conoce como la suposición del cuerpo gris. Un ejemplo de cuerpo gris es la pizarra. De esta forma, definimos un cuerpo gris como aquel cuya emisividad es constante ante la longitud de onda. Cuando se habla de cuerpos no negros, la desviación del comportamiento de un cuerpo negro esta determinada por la estructura geométrica y la composición química, y sigue la ley de Kirchhoff para la radiación térmica: emisividad igual a absortividad (para un objeto en equilibrio térmico). Así un cuerpo que no absorbe toda la radiación, no emite toda la radiación respecto a un cuerpo negro.

2.11.2. Cuerpo Negro.

Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética.

Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.

A igualdad de temperatura, la energía emitida depende también de la naturaleza de la superficie; así, una superficie mate o negra tiene un poder emisor mayor que una superficie brillante. Así, la energía emitida por un filamento de carbón incandescente es mayor que la de un filamento de platino a la misma temperatura. La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también buen absorbedor de dicha energía. Así, los cuerpos de color negro son buenos absorbedores y el cuerpo negro es un cuerpo ideal, no existente en la naturaleza, que absorbe toda la energía

Los objetos reales nunca se comportan como cuerpos negros ideales. En su lugar, la radiación emitida a una frecuencia dada es una fracción de la emisión ideal. La emisividad de un material especifica cuál es la fracción de radiación de cuerpo negro que es capaz de emitir el cuerpo real. La emisividad puede ser distinta en cada longitud de onda y depende de factores tales como la temperatura y ángulo de emisión. En algunos casos resulta conveniente asumir una emisividad constante para todas las longitudes de onda. Esta aproximación se denomina aproximación de cuerpo gris. La Ley de Kirchhoff indica que la emisividad es igual a la absortividad de manera que


Tabla 2.5 (Continuacion)

http://enciclopedia.us.es/index.php?title=Ley_de_Kirchhoff&action=edit&redlink=1


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un objeto que no es capaz de absorber toda la radiación incidente también emite menos energía que un cuerpo negro ideal.

2.12. Reflectividad y reflectancia.

En óptica y termodinámica, la reflectividad representa la fracción de la radiación incidente que es reflejada por una superficie. En términos generales la reflectividad se considera una propiedad direccional, ya que además de la longitud de onda, depende de la dirección de la radiación incidente y de la dirección de la radiación reflejada.

Muchas superficies pueden catalogarse como especulares o difusas. Las superficies especulares, como el vidrio o los metales brillantes, son aquellas cuya reflectividad es cercana a cero en todas las direcciones, excepto en el ángulo de reflexión correspondiente. En cambio las superficies difusas, como la pintura blanca mate, presentan valores de reflectividad iguales (o casi iguales) en todas las direcciones. Estas últimas también se conocen como superficies Lambertianas. Sin embargo, en la realidad casi todas las superficies presentan una cierta mezcla de reflectividad difusa y especular.

En ciertos campos, la reflectividad se distingue de la reflectancia por el hecho de que la primera es un valor que se aplica para capas reflejantes gruesas, mientras que la segunda aplica para capas delgadas. Cuando la reflexión ocurre en capas delgadas, los efectos de la reflexión interna pueden provocar que la reflectancia varíe de acuerdo al grosor de la superficie.

2.13. Rugosidad.

La rugosidad de un material se suele expresar como el coeficiente entre el área real y el área aparente de su superficie. Si el área real es igual al área aparente el coeficiente de rugosidad es de 1.0. Es muy común, sin embargo, que el área real sea mayor al área aparente, en cuyo caso el coeficiente de rugosidad será mayor a 1.0 (nunca menor). Este parámetro afecta principalmente la convección superficial de los componentes constructivos.

2.14. Convección.

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Éstos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica o asistida).



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En la transferencia de calor libre o natural en la cual un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido. La transferencia de calor por convección se expresa con la “Ley del Enfriamiento de Newton” (ecuación 2.2):

𝑞𝑞 = ℎ(𝐵𝐵𝑠𝑠 − 𝐵𝐵𝑓𝑓 ) (2.2)

Donde; 𝑞𝑞 = Transferencia de calor por unidad de área (𝑊𝑊 𝑚𝑚2)⁄ . 𝐵𝐵𝑠𝑠 = Temperatura de la superficie solida (°𝐶𝐶). 𝐵𝐵𝑓𝑓 = Temperatura del fluido (°𝐶𝐶). h = Coeficiente de convección (𝑊𝑊 𝑚𝑚2 °𝐶𝐶⁄ ).

2.15. Coeficiente de convección.

El coeficiente de convección no es una propiedad del fluido y depende de varios factores, principalmente de la velocidad del fluido, en el régimen de flujo, la geometría y las propiedades del fluido. La convección se divide en forzada y natural, en la primera, el movimiento del fluido es causado por un agente externo, como una bomba o ventilador, el movimiento no depende de la diferencia de temperaturas de la superficie solida y del fluido. La convección natural el movimiento del fluido es causado por la diferencia en densidades que originan las fuerzas de flotación. El coeficiente de película o coeficiente de convección, representado habitualmente como h, cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección. El coeficiente de convección depende de múltiples parámetros relacionados con el flujo del fluido a través del cual se da la convección:

• Del tipo de convección (forzada o natural).• Del régimen del fluido (laminar o turbulento).• De la velocidad del flujo.• De la viscosidad del fluido.• De la densidad del fluido.• De la conductividad térmica del fluido.• Del calor específico del fluido.• Del coeficiente de dilatación del fluido.• De la forma de la superficie de intercambio.• De la rugosidad de la superficie de intercambio.• De su temperatura.

Las formas clásicas de estimarlo se basan en el empleo de correlaciones de números a dimensionales (número de Nusselt), de manera que en general se dispone de una igualdad entre el número de Nusselt, que es proporcional al coeficiente de convección, y una cierta expresión que involucra al número de Reynolds y al número de Prandtl en convección forzada, y al de Prandtl y al número de Grashof en convección natural.



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Tabla 2.6 Valores típicos del coeficiente de transferencia de calor por convección.

Tipo de convección h (𝑾𝑾 𝒎𝒎𝟐𝟐 °𝑪𝑪⁄ ) Convección libre de gases 2 – 25

Convección libre de líquidos 10 – 1 000 Convección forzada de gases 25 – 250

Convección forzada de líquidos 50 – 20 000 Ebullición y condensación 2500 – 100 000

2.16. Selección de materiales.

Los materiales para la construcción del calentador solar se seleccionan en base a sus propiedades termodinámicas, ópticas y económicas. Los materiales seleccionados para conformar la cubierta del colector solar, son dos cubiertas de vidrio templado, para la sección absorbedora se utilizara cobre, es decir, tubo de cobre tipo M y lamina de cobre con un recubrimiento de cobre negro para aumentar las propiedades ópticas, en la sección de aislante se opta por la fibra de vidrio ya que tiene una buena resistencia al flujo de calor, y se puede encontrar en distintos modelos.



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CAPÍTULO 3. Memoria de cálculo y diseño

termodinámico

Son varios los parámetros más importantes en el diseño de un colector solar. Es importante conocer lo siguiente: el material de los tubos, el diámetro nominal y su longitud, el numero de tubos y el espaciamiento entre estos; el material, el espesor y el acabado superficial de la placa de absorción; el número y tipo de cubiertas; el espesor y el tipo de aislante; el flujo de masa y el medio de trabajo y por último la inclinación del colector respecto a la horizontal.



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3.1. Consumo de agua caliente en una casa mexicana.

Para seleccionar (dimensionar) un calentador, el primer paso es definir cuánta agua caliente se requiere, tanto en forma simultánea como a lo largo del día. En el caso de los calentadores de gas, la selección es relativamente simple: estará en función del llamado número de servicios, que no es otra cosa sino el gasto de agua caliente que se requiere en forma simultánea.

Los manuales de los fabricantes ofrecen las siguientes definiciones: • 1 Servicio = 1 regadera.• ½ Servicio = 1 lavabo = 1 fregadero (lavado de trastos).

En relación con el consumo de agua por servicio, los siguientes ejemplos pueden considerarse como promedios:

• Regadera: 9 litros/ minuto (normado).• Cocina: 4.5 litros/minuto (fregadero o tarja).• Lavabo: 6.4 litros / minuto.

En el caso de los CSA, el dimensionamiento resulta más difícil, pues el usuario debe calcular, con la mayor precisión posible, el número de litros de agua caliente que consumirá en el día. En este punto siempre existe un «regateo» entre el usuario y la empresa (o persona) que va a instalar el sistema, debido a que el primero quiere comprar el sistema más pequeño, argumentando que consume muy poca agua, mientras que la segunda insiste en que el equipo sea el adecuado para cubrir las necesidades de la vivienda. Según datos de la Comisión Nacional del Agua, el consumo promedio, por persona al día, en las ciudades de Monterrey y el Distrito federal, es de 200 y 300 litros, respectivamente. La percepción es que en la capital de Nuevo León las personas tienen más cuidado en el uso del agua por la escasez del vital líquido.

A continuación se mencionan las experiencias de los diseñadores de sistemas solares, para determinar una buena selección de la capacidad de los mismos:

Número de personas en la vivienda: • Que viven.• Qué se bañan.• Edades: niños/ jóvenes/ mayores.• Número de veces que se bañan al día.

Nivel de equipamiento (considerando el tamaño y forma de uso). • Lavadora de ropa.• Lavatrastos.• Hidroneumático.• Otros equipos que utilicen agua caliente.

Asimismo, aspectos vitales a considerar son los hábitos de los usuarios, que están en función de sus edades y las condiciones climáticas del lugar. Algunas encuestas identifican como puntos importantes los siguientes:

• Las personas mayores se bañan rápido.• Los jóvenes.

• Se bañan hasta acabarse el agua caliente y consumen 2 ó 3 veces más que un adulto.



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Se bañan una o dos veces al día (dependiendo de la época del año y el tipo de actividades que realicen).

• En climas extremosos.• En época de invierno, las personas «toman calor » del baño; y• En el verano, utilizan agua templada.

En climas templados ocurre algo similar, pero en menor escala.

En cuanto al consumo de agua por usos finales, existen estudios que muestran cómo y cuánta agua caliente se usa en los hogares:

Características de una ducha. • 10 minutos.• 65 % agua caliente y 35 % agua fría.

Por lo anterior, y con base en la experiencia, una recomendación práctica para el dimensionamiento de un CSA, es considerar el consumo de agua caliente para el baño (ducha) en 50 litros por persona/día, y 25 litros de la misma para el uso de la lavadora de ropa o el lavado de trastos. Los requerimientos de agua caliente en otros equipos deben evaluarse con los distribuidores, en función del consumo y la forma de utilización.

3.2. Consideraciones previas.

El proyecto de instalación de un sistema de energía solar térmica para obtener agua caliente de uso sanitario, implica atender un conjunto de consideraciones de índole practico antes de materializarlo para cumplir con dos objetivo que deben ser prioritarios; conseguir la máxima integración de sus componentes externos en el entorno arquitectónico y también obtener el máximo rendimiento energético.

• Los paneles se orientan totalmente al sur en el hemisferio norte y al norte en el del sur.• Determinar el tipo de paneles solares a emplear y su instalación más adecuada con

criterios de integración y rendimiento energético.• Los paneles con sus múltiples accesorios de fijación disponibles, pueden situarse sobre

cubiertas, en terrazas, en fachadas, etc. lo que da una gran facilidad de instalación paracumplir con los objetivos, siempre teniendo en cuenta que las perdidas energéticas sonproporcionales a la longitud de las tuberías que se empleen.

• Determinar si la instalación es de tipo estacional o permanente, lo que afecta aldimensionamiento y a la elevación de los paneles.

• Prever accesos fáciles a todos los componentes del sistema para facilitar las tareas demantenimiento y, especialmente, para las revisiones tendentes a evitar la legionelosis.

• Disponer medios de seguridad y señalización en las tuberías por las que transite el fluidocaliente.

• Observar el cumplimiento con la norma vigente.• Obtener datos de la climatología del lugar (de la latitud correspondiente a la ubicación de la

instalación) a lo largo del año.• Si el empleo previsto para la instalación es solo estacional, se tomaran las

correspondientes a la media de los meses de ese periodo, y si es permanente los del mesmás desfavorable.

• Obtener datos sobre los hábitos de consumo de agua caliente sanitaria de los usuarios yasí mismo, el número de usuarios.



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• Temperatura deseada del agua caliente sanitaria, generalmente de 45°C. (318.15 K)

3.3. Dimensionamiento del calentador solar.

La ubicación del proyecto es en México D.F. para una familia integrada por 6 personas, solo para servicio sanitario.

La placa de absorción será de cobre, recubierto con cromo negro por tanto su emitancia es de 0.90 según la tabla 2.5, con un espesor de 8mm. Y cuya temperatura se supondrá de 60 °C.

Dos cubiertas de vidrio, con una emitancia de 0.88 según la tabla 2.5.

Tubos de cobre los cuales tienen las siguientes características. La siguiente tabla es proporcionada por el fabricante, en este caso NACOBRE.

Tabla 3. 1 Tubo de cobre “Tipo M” [7]

Medidas nominales, 𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾𝑝𝑝. Valores calculados con base en las medidas nominales.

Tamaño 𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾𝑝𝑝

Diámetro exterior.

Diámetro interior.

Espesor de pared

Área transversal libre, 𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾𝑝𝑝2

Superficie externa, 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒2𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒

Superficie interna, 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒2𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒

Peso 𝐾𝐾𝑙𝑙

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒

12 0.625 0.569 0.028 0.254 0.164 0.140 0.204

34 0.975 0.811 0.032 0.517 0.507 0.228 0.220

1 1.125 1.055 0.035 0.874 0.874 0.294 0.485

Como aislante se utilizara fibra de vidrio con un espesor de 4 cm en el fondo y en los lados, a la cual le corresponde un valor de 0.04 𝑊𝑊

𝑚𝑚2𝐾𝐾 de coeficiente de conductividad térmica (ver tabla 2.2)

Se empleará convección natural (termosifón) Medio de trabajo: agua Flujo másico: 0.01 𝐾𝐾𝑝𝑝

𝑠𝑠

Figura 3. 1 Partes del calentador solar.



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3.3.1. Cálculo de la capacidad del colector.

El sistema se calculará con una capacidad para una casa de seis personas ubicada en el D., F. Según la revista de energía solar una persona gasta 50 litros de agua en una ducha utilizando regadera ahorradora la cual gasta solamente 6 litros por minuto, pero solo el 65% es agua caliente.

Por tanto:

Capacidad= (50 𝐾𝐾𝑓𝑓𝑠𝑠𝑝𝑝𝑒𝑒𝑟𝑟𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾 ) * (6 personas) * (0.65) = 195 lts

3.3.2. Cálculo del calor demandado (QD) en invierno y verano.

Para calcular el calor demandado antes debemos saber: 1lt de agua = 1Kg de agua 195lts de agua = 195 Kg de agua

𝐶𝐶𝑝𝑝 = 4.186𝐾𝐾𝑀𝑀𝐾𝐾𝑝𝑝𝐾𝐾

𝑚𝑚 = 195𝐾𝐾𝑝𝑝 La temperatura requerida (Treq) a la salida del colector es de 45 °C (318.15 K). Las temperaturas del agua de la red de suministro son tomadas de la Norma Mexicana para Calentadores Solares. (NMX-ES-001-NORMEX-2005).

Tabla 3.2. Temperatura del agua a la entrada de colectores planos.[5] Clima 𝐵𝐵𝐾𝐾𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾 (°𝐶𝐶) Ciudad

Anual Dic. – Jul. Tropical 26.0 23.5 – 28.6 Chetumal, Q. R.

Templado 15.45 13.6 – 17.3 Distrito Federal Semiárido 22.5 15.1 – 29.9 Monterrey

El modelo matemático es el siguiente:

𝑄𝑄𝐷𝐷 =𝑚𝑚𝐶𝐶𝑝𝑝∆𝐵𝐵

1000 (3.2)

Donde: m = Peso específico del agua (Kg). Cp = Calor específico del agua ( 𝐾𝐾𝐾𝐾

𝐾𝐾𝑝𝑝𝐾𝐾).

∆T = Diferencia de temperaturas (K).

Calor demandado en invierno:

∆T = Treq – Tinv (3.3)

∆T = (318.15 K) – (287.85 K) = 30.3 K

Capacidad = 𝐾𝐾𝑓𝑓𝑠𝑠𝑝𝑝𝑒𝑒𝑟𝑟𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾

* (No. de personas) * (65%) (3.1)



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Sustituyendo:

𝑄𝑄𝐷𝐷 =(195 𝐾𝐾𝑝𝑝)(4.186 𝐾𝐾𝑀𝑀

𝐾𝐾𝑝𝑝𝐾𝐾)(30.3 𝐾𝐾)

1000= 24.733 𝑀𝑀𝑀𝑀

𝑄𝑄𝐷𝐷 = 24.733 MJ

Calor demandado en verano:

∆T = (318.15 K) – (296.75 K) = 21.4 K

𝑄𝑄𝐷𝐷 =(195 𝐾𝐾𝑝𝑝)(4.186 𝐾𝐾𝑀𝑀

𝐾𝐾𝑝𝑝𝐾𝐾)(21.4 𝐾𝐾)

1000= 17.468 𝑀𝑀𝑀𝑀

3.3.3. Eficiencia del colector para el D.F.

Esta eficiencia se calcula para la ubicación del proyecto y así se sabe que tan viable es para esa zona. Se calcula en base a la radiación menor registrada en un año entre la mayor registrada (ver ecuación 3.4).

𝜂𝜂 = Rmin𝑅𝑅𝑚𝑚𝐾𝐾𝑅𝑅

(3.4)

Donde: Rmin = Radiación total diaria en invierno = 13.68 𝑀𝑀𝑀𝑀

𝑚𝑚2 ∗ 𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾

Rmax= Radiacion total diaria en verano = 20.88 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑚𝑚2 ∗ 𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾

Datos obtenidos de tablas de “Irradiación global media en la República Mexicana” proporcionadas por la CONAE.

𝜂𝜂 = 13.68 MJ

m 2

20.88 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑚𝑚2*100 = 65 %

3.3.4. Cálculo del área para el colector en invierno y verano.

Para el cálculo del área utilizaremos el modelo matemático siguiente en el cual consideraremos una eficiencia de un 50% para el colector solo para asegurar que el área será suficiente para la transferencia de calor.

𝐴𝐴𝐾𝐾 =𝑄𝑄𝐷𝐷

𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝜂𝜂𝐾𝐾 (3.5)

Donde: 𝐴𝐴𝐶𝐶 = Área del colector 𝑄𝑄𝐷𝐷 = Calor demandado



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RS = Radiación solar total durante el día (es la suma de las radiaciones parciales en cada hora del día en que inciden los rayos del sol sobre el colector. (Tabla 3.2) 𝜂𝜂𝐾𝐾 = Eficiencia del colector

Tabla 3. 2 Irradiación en un día típico en un clima Templado.[4]

Julio Diciembre Hora No. Horario 𝑊𝑊 𝑚𝑚2⁄ 𝑊𝑊 𝑚𝑚2⁄

1 7 a 8 137.5 100.0 2 8 a 9 287.5 250.0 3 9 a 10 500.0 437.5 4 10 a 11 712.5 600.0 5 11 a 12 900.0 712.5 6 12 a 13 900.0 712.5 7 13 a 14 712.5 600.0 8 14 a 15 500.0 437.5 9 15 a 16 287.5 250.0

10 16 a 17 137.5 100.0 11 17 a 18 50.0 12.5

En invierno

𝐴𝐴𝐾𝐾 =24.733 𝑀𝑀𝑀𝑀

15.16 MJm 2 ( 0.5)

= 3.26𝑚𝑚2

En verano

𝐴𝐴𝐾𝐾 =17.468 𝑀𝑀𝑀𝑀

18.45 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑚𝑚2 ( 0.5)

= 1.89 m2

Por tanto para el diseño nos basaremos en el área obtenida para invierno, así garantizando que es área será la suficiente para colectar la radiación solar en todo el año para transferirla a el agua.

3.3.5. Dimensiones del calentador solar.

De acuerdo con el cálculo del área en invierno el calentador quedaría con las siguientes dimensiones.

Figura 3. 2 Corte intermedio del calentador solar



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Vidrio Placa absorvedora.

Red de tubos Fibra de vidrio (aislante).

Acot. (m)



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Caja del calentador solar.

Acot. (m) 3.4. Balance de energía.

Un balance de este tipo en un colector solar plano indica que solo una fracción de la radiación total incidente puede utilizarse en el medio de trabajo, dado que una parte se pierde hacia los alrededores por conducción, convección y radiación, otra se pierde por las características propias de reflexión de la cubierta y la placa de absorción y una ultima puede ser almacenada en el colector.

Figura 3. 3 Flujos de calor en el calentador solar.

Los pasos a seguir en el diseño de un colector pueden ahora resumirse de la siguiente manera:

1. Se supone una temperatura promedio 𝐵𝐵𝑝𝑝 en la placa de absorción del colector.2. Se calcula el coeficiente total de transferencia de calor (𝐵𝐵𝐿𝐿).



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3. Se evalúa el factor de eficiencia del colector (F´ ) para la configuración geometría encuestión

4. Se determina el factor de remoción de calor (𝐹𝐹𝑅𝑅) o la temperatura del fluido a la descarga.5. Se calcula el calor útil en el colector y la eficiencia del mismo.6. Se verifica el valor de la temperatura (𝐵𝐵𝑝𝑝)supuesto mediante el balance de energía.

La figura 3.4. Muestra el circuito térmico de un colector solar con dos cubiertas. En este diagrama se supone que las temperaturas de la placa de absorción y de las cubiertas son uniformes con referencia al fondo del colector, R1y R2, en la red constituyen las resistencias a la conducción atravez del aislante (R1 = 1

ka), y a la convección hacia el ambiente

Figura 3. 4 Circuito térmico para un colector plano con dos cubiertas.

3.5. Coeficiente total de transferencia de calor.

𝐵𝐵𝐿𝐿 = 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑𝑝𝑝 + 𝐵𝐵𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝 . + 𝐵𝐵𝐾𝐾 (3.6) Donde: 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑𝑝𝑝 = Coeficiente de transferencia de calor en el fondo. 𝐵𝐵𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝 . = Coeficiente de transferencia de calor en la superficie. 𝐵𝐵𝐾𝐾 = Coeficiente de transferencia de calor en los lados.

3.5.1. Coeficiente de transferencia de calor en el fondo.

𝐵𝐵𝑙𝑙 =𝑘𝑘𝐿𝐿 (3.7)

Donde: 𝑘𝑘 = Conductividad térmica del aislante. = 0.04 𝑊𝑊

𝑚𝑚𝐾𝐾(ver tabla 2.1)



UNIDAD AZCAPOTZALCO

𝐿𝐿 = Espesor del aislante. = 0.04 𝑚𝑚

Sustituyendo

𝐵𝐵𝑙𝑙 =0.04 𝑊𝑊

𝑚𝑚𝐾𝐾0.04 𝑚𝑚

= 1𝑊𝑊𝑚𝑚2𝐾𝐾

3.5.2. Coeficiente de transferencia de calor en la superficie.

𝐵𝐵𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝 . = 1

ℎ𝑝𝑝−𝐾𝐾 + ℎ𝑟𝑟 ,𝑝𝑝−𝐾𝐾+

1ℎ𝑤𝑤 + ℎ𝑟𝑟 ,𝐾𝐾−𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟

−1

(3.8)

Donde: ℎ𝑟𝑟 ,𝐾𝐾−𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟 = Coeficiente de convección entre la cubierta y el firmamento. ℎ𝑟𝑟 ,𝑝𝑝−𝐾𝐾 = Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la placa y la cubierta. ℎ𝑝𝑝−𝐾𝐾 = Coeficiente de convección entre la placa y el colector. ℎ𝑤𝑤 = Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el aire ambiente.

3.5.3. Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la placa y la cubierta.

ℎ𝑟𝑟 ,𝑝𝑝−𝐾𝐾 =𝜎𝜎(𝐵𝐵𝑝𝑝 + 𝐵𝐵𝐾𝐾)(𝐵𝐵𝑝𝑝2 + 𝐵𝐵𝐾𝐾2)

1𝜖𝜖𝑝𝑝

+ 1𝜖𝜖𝐾𝐾− 1 (3.9)

Donde: . 𝜎𝜎 =Constante de Bottzman = 5.67𝑅𝑅10−8 𝐵𝐵𝑝𝑝 =Temperatura promedio de la placa de absorción=60°C. 𝐵𝐵𝐾𝐾 = Temperatura de la cubierta.=40°C (esta temperatura se supone). 𝜖𝜖𝑝𝑝 =Emitancia de la placa.=0.90 (ver tabla 2.5) 𝜖𝜖𝐾𝐾 = Emitancia de la cubierta.=0.88 (ver tabla2.5)

ℎ𝑟𝑟 ,𝑝𝑝−𝐾𝐾 =5.67𝑅𝑅10−8(333.15 + 318.15)(333.152 + 318.152)

10.90

+ 10.88

− 1= 6.28

𝑊𝑊𝑚𝑚2𝐾𝐾

3.5.4. Coeficiente de convección entre la cubierta y el firmamento.

ℎ𝑟𝑟 ,𝐾𝐾−𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟 = 𝜎𝜎𝜖𝜖𝐾𝐾(𝐵𝐵𝐾𝐾 + 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟 .)(𝐵𝐵𝐾𝐾2 + 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟 .2 ) (3.10)

Donde: 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟 . = Temperatura efectiva del firmamento.

𝐵𝐵𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟 . = 0.0552(𝐵𝐵𝐾𝐾1.5) (3.11)



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Donde: 𝐵𝐵𝐾𝐾 =Temperatura ambiente = 287.85 K (𝐵𝐵𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟 .) Y (𝐵𝐵𝐾𝐾 ) están en K.

∴ 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟 . = 0.0552(287.851.5) = 269.58 𝐾𝐾

Sustituyendo ℎ𝑟𝑟 ,𝐾𝐾−𝑓𝑓𝑝𝑝𝑟𝑟 = 5.67𝑅𝑅10−8(0.88)(287.85 + 269.58)(287.852 + 269.582) = 4.32


3.5.5. Coeficiente de convección entre la placa y el colector.

ℎ𝑝𝑝−𝐾𝐾 = 1 − 0.0018(𝐵𝐵 − 10) 1.14(∆𝐵𝐵)0.310

ℓ0.30 (3.12)

Donde: 𝐵𝐵 = Temperatura promedio entre la placa y el colector (temperatura requerida).= (60+45)/2 = 52.5 °C ∆𝐵𝐵 = Diferencia de temperatura de la placa y el colector (temperatura requerida).= 15 °C. ℓ = Espacio entre tubos. = 3 cm.

ℎ𝑝𝑝−𝐾𝐾 = 1 − 0.0018(52.5− 10)1.14(15)0.310

30.30 = 1.75𝑊𝑊𝑚𝑚2𝐾𝐾

3.5.6. Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el aire ambiente.

ℎ𝑤𝑤 = 5.7 + 3.8 V 𝑊𝑊𝑚𝑚2𝐾𝐾

(3.13) Donde: V = Velocidad del viento (tabla 3.2). 5.7 + 3.8 = Factor para paredes lisas.

∴ ℎ𝑤𝑤 = 5.7 + 3.8 3𝑚𝑚𝑠𝑠 = 17.1


Sustituyendo en la ecuación (3.8).

𝐵𝐵𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝 . = 1

1.75 + 6.28+

117.1 + 4.32

−1

= 5.84𝑊𝑊𝑚𝑚2𝐾𝐾

Para ángulos de inclinación diferentes de 45°



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𝐵𝐵𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝 .45° =𝐵𝐵𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝 .

1− (𝑠𝑠 − 45)(0.00259 − 0.00144𝜖𝜖𝑝𝑝 (3.14)

𝐵𝐵𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝 .67° =5.84

1 − (67 − 45)(0.00259 − 0.00144(0.90))= 6.01


3.5.7. Coeficiente de transferencia de calor en los lados.

𝐵𝐵𝐾𝐾 =𝑘𝑘𝐾𝐾𝑀𝑀𝑀𝑀𝐿𝐿𝐴𝐴𝐾𝐾 (3.15)

𝑘𝑘𝐾𝐾 = Conductividad térmica del aislante. = 0.04 𝑊𝑊𝑚𝑚𝐾𝐾

𝑀𝑀 = Altura del colector. = 0.15 m. 𝑀𝑀 = Perímetro del colector. = 6.52 m. 𝐿𝐿𝐾𝐾 = Espesor del aislante en los lados. = 0.04 m. 𝐴𝐴𝐾𝐾 = Área del colector. = 3.26 m.

𝐵𝐵𝐾𝐾 =(0.04)(0.15)(6.52)

(0.04)(3.26)= 0.3


También podemos calcular con la siguiente ecuación el coeficiente de transferencia de calor por la parte superior, tomando en cuenta la radiación, conducción y convección.

𝐵𝐵𝑓𝑓 = 𝑁𝑁

334𝐵𝐵𝑝𝑝

𝐵𝐵𝑝𝑝−𝐵𝐵𝐾𝐾(𝑁𝑁+𝐹𝐹)

0.31 + 1ℎ𝑤𝑤

−1

+ 𝜎𝜎𝐵𝐵𝑝𝑝+𝐵𝐵𝐾𝐾 𝐵𝐵𝑝𝑝 2+𝐵𝐵𝐾𝐾 2

𝜀𝜀𝑝𝑝+0.0425𝑁𝑁1−𝜀𝜀𝑝𝑝−1+2𝑁𝑁+𝑓𝑓−1

𝜀𝜀𝑝𝑝−1

(3.16)

Donde: 𝑁𝑁 = Numero de cubiertas de vidrio. = 2. f = Coeficiente de película con el numero de cubiertas. = 0.5158 𝜀𝜀𝑝𝑝= Emitancia del vidrio. = 0.88 𝜀𝜀𝑝𝑝= Emitancia de la placa.= 0.90 Ta= Temperatura ambiente. = 287.85 K Tp= Temperatura de placa. = 333.15 K σ = Constante de Bottzman. = 5.67𝑅𝑅10−8 ℎ𝑤𝑤=Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el aire ambiente.= 17.1 𝑊𝑊

𝑚𝑚2𝐾𝐾

Calculando el coeficiente de película (f).

𝑓𝑓 = (1.0 − 0.04ℎ𝑤𝑤) + 5.0𝑅𝑅10−4)(ℎ𝑤𝑤2(1 + 0.058𝑁𝑁) (3.17)



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𝑓𝑓 = [(1.0 − 0.04(17.1)) + (5.0𝑅𝑅10−4)(17.12)](1 + 0.058(2)) = 0.5158

𝑓𝑓 = 0.5158

Sustituyendo valores:

𝐵𝐵𝑓𝑓 = 2

334333.15

333.15−287.85(1+0.5158 )

0.31 +

117.3

−1

+ (5.67𝑅𝑅10−8)(333.15 + 287.85)(333.152 + 287.852)

[0.90 + 0.0425(2)(1− 0.90)]−1 + 2(2)+(0.5158 )−10.88

− 1

𝐵𝐵𝑓𝑓 = 3.027 𝑊𝑊

𝑚𝑚2 𝐾𝐾


∴ 𝐵𝐵𝐿𝐿 = 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑𝑝𝑝 + 𝐵𝐵𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝 . + 𝐵𝐵𝐾𝐾 = 1 + 5.84 + 0.3 = 7.14 𝑊𝑊𝑚𝑚2𝐾𝐾

3.6. Calor útil.

Calculo del calor por unidad de longitud, que fluye por conducción a lo largo de la placa.

𝑞𝑞´𝐾𝐾𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑 = (𝑊𝑊− 𝐷𝐷)𝐹𝐹[𝑅𝑅 − 𝐵𝐵𝐿𝐿(𝐵𝐵𝑙𝑙 − 𝐵𝐵𝐾𝐾)] (3.18)

Donde: W = Separación entre tubos. D = Diámetro del tubo. S = HT(τα). HT = Radiación global incidente.= 382.95𝑊𝑊

𝑚𝑚2

(τα) = Producto absortancia - transmitancia. Tb = Temperatura de la placa. = 333.15 K Ta= Temperatura ambiente. = 287.85 K

3.6.1. Producto absortancia - transmitancia.

(τα) =τα

1− (1− α)Pd (3.19)

Donde: 𝜏𝜏 = Absortancia. 𝛼𝛼 = Transmitancia. = 0.90 (tabla 2.5). 𝑀𝑀𝑑𝑑 = Reflectancia difusa. = 0.24 (obtenido de tabla).

La absortancia puede calcularse por dos métodos.

1er Método



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𝜏𝜏 = 𝜏𝜏𝑟𝑟𝜏𝜏𝐾𝐾 (3.20) Donde:

𝜏𝜏𝑟𝑟 =12

1− 𝐺𝐺1

1 + 𝐺𝐺1+

1− 𝐺𝐺2

1 + 𝐺𝐺2

∴ 12

1− 0.2641 + 0.264

+1− 0.0201 + 0.020

= 0.77

𝜏𝜏𝐾𝐾 = 𝑒𝑒𝑅𝑅𝑝𝑝[−(𝑘𝑘) 𝐿𝐿𝐾𝐾𝑝𝑝𝑠𝑠𝑐𝑐

(3.21) Donde: L = Espesor del vidrio en (cm). k´= Coeficiente de extinción. = 1.3 (obtenido de tabla). 𝑐𝑐𝑟𝑟 = Angulo de refracción. = 37.10°

∴ 𝑒𝑒𝑅𝑅𝑝𝑝[−(1.3) 0.4𝐾𝐾𝑝𝑝𝑠𝑠 37 .10 = 0.52

𝜏𝜏 = (0.77)(0.52) = 0.40

2do Método.

𝜏𝜏 =1 − 𝜌𝜌1 + 𝜌𝜌 (3.22)

Para obtener 𝜌𝜌 utilizaremos el siguiente modelo matemático.

𝜌𝜌𝑐𝑐𝑓𝑓 =12𝑠𝑠𝑒𝑒𝑝𝑝2(𝑐𝑐𝑝𝑝 − 𝑐𝑐𝑟𝑟)𝑠𝑠𝑒𝑒𝑝𝑝2(𝑐𝑐𝑝𝑝 + 𝑐𝑐𝑟𝑟) +

𝑓𝑓𝐾𝐾𝑝𝑝2(𝑐𝑐𝑝𝑝 − 𝑐𝑐𝑟𝑟)𝑓𝑓𝐾𝐾𝑝𝑝2(𝑐𝑐𝑝𝑝 + 𝑐𝑐𝑟𝑟) (3.23)

Donde: 𝑐𝑐𝑝𝑝 = Angulo de incidencia de radiación = 67°

Para obtener el ángulo de refracción (𝑐𝑐𝑟𝑟 ) utilizaremos la ley de Snell.

𝑐𝑐𝑟𝑟 = 𝑠𝑠𝑒𝑒𝑝𝑝−1 𝑠𝑠𝑒𝑒𝑝𝑝𝑐𝑐𝑝𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟

(3.24) Donde: 𝑝𝑝𝑟𝑟 = Índice de refracción del vidrio.= 1.50 (valor de tabla de índices de refracción).

𝑐𝑐𝑟𝑟 = 𝑠𝑠𝑒𝑒𝑝𝑝−1 𝑠𝑠𝑒𝑒𝑝𝑝67°

1.52 = 37.10

Sustituyendo:

𝜌𝜌(67°) =12𝑠𝑠𝑒𝑒𝑝𝑝2(67° − 37.10°)𝑠𝑠𝑒𝑒𝑝𝑝2(67° + 37.10°) +

𝑓𝑓𝐾𝐾𝑝𝑝2(67° − 37.10°)𝑓𝑓𝐾𝐾𝑝𝑝2(67° + 37.10°) = 0.142



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Sustituyendo ρ en la ecuación 3.22

𝜏𝜏 =1− 0.1421 + 0.142

= 0.75

(τα) =(0.75)(0.90)

1− (1− 0.90)0.24= 0.71

3.6.2. Calculando la eficiencia de la placa absolvedora.

𝐹𝐹 = tanℎ 𝑚𝑚 𝑊𝑊−𝐷𝐷

2

𝑚𝑚 𝑊𝑊−𝐷𝐷2

(3.25)

Donde: 𝑊𝑊 = Separación entre tubos = 0.03 m. 𝐷𝐷 = Diámetro del tubo = ½” = .625 pulg.= 0.016 m.

𝑚𝑚 = 𝐵𝐵𝐿𝐿𝑘𝑘 ∗ 𝛿𝛿

(3.26)

Donde: 𝑘𝑘 = Conductividad térmica del material de la aleta =.386 𝑊𝑊

𝑚𝑚 𝐾𝐾 (tabla 2.1).

𝛿𝛿 = Espesor de la aleta = 0.0008 m.

𝑚𝑚 = 7.14386 ∗ 0.0008

= 4.80

𝐹𝐹 = tanℎ 4.80 0.03−0.016

2

4.80 0.30−0.0162

= 0.9996

𝐹𝐹 = 0.8693


𝑞𝑞´𝐾𝐾𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑 = (0.03 − 0.016)0.9996[600(0.71) − 7.14(333.15 − 287.85)]

𝑞𝑞´𝐾𝐾𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑 = 1.43 𝑊𝑊

El tubo recibe radiación solar por la parte superior.



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𝑞𝑞´𝑟𝑟𝐾𝐾𝑑𝑑 = 𝐷𝐷[𝑅𝑅 − 𝐵𝐵𝐿𝐿(𝐵𝐵𝑙𝑙 − 𝐵𝐵𝐾𝐾)] (3.27)

𝑞𝑞´𝑟𝑟𝐾𝐾𝑑𝑑 = 0.016[600(0.71) − 7.14(333.15 − 287.85)] = 1.64𝑊𝑊

Sumando las ecuaciones (3.18 y 3.27).

𝑞𝑞´𝑝𝑝𝑓𝑓𝑝𝑝𝐾𝐾 = [(𝑊𝑊 −𝐷𝐷)𝐹𝐹 + 𝐷𝐷][𝑅𝑅 − 𝐵𝐵𝐿𝐿(𝐵𝐵𝑙𝑙 − 𝐵𝐵𝐾𝐾)] (3.28)

𝑞𝑞´𝑝𝑝𝑓𝑓𝑝𝑝𝐾𝐾 = [(0.03 − 0.016)0.9996 + 0.016][600(0.71) − 7.14(333.15 − 287.85)] = 3.076𝑊𝑊

Resistencia térmica de convección interface tubo - fluido

𝑞𝑞´𝑝𝑝𝑓𝑓𝑝𝑝𝐾𝐾 = 𝜋𝜋𝐷𝐷𝑝𝑝ℎ𝑓𝑓(𝐵𝐵𝑙𝑙 − 𝐵𝐵𝑓𝑓) (3.29)

Donde: 𝐷𝐷𝑝𝑝 = Diámetro interior. = 0.014 m. ℎ𝑓𝑓 = Coeficiente de convección interface tubo – fluido. = 500 𝑊𝑊

𝑚𝑚2𝐾𝐾𝐵𝐵𝑓𝑓 = Temperatura del fluido en cualquier punto.= 45°C

𝑞𝑞´𝑝𝑝𝑓𝑓𝑝𝑝𝐾𝐾 = 𝜋𝜋(0.014)(500)(333.15 − 318.15) = 322.17𝑊𝑊

3.6.3. Calor útil en términos de las temperaturas ambiente y del fluido.

𝑞𝑞´𝑝𝑝𝑓𝑓𝑝𝑝𝐾𝐾 = 𝑊𝑊𝐹𝐹´𝑅𝑅 − 𝐵𝐵𝐿𝐿𝐵𝐵𝑓𝑓 − 𝐵𝐵𝐾𝐾 (3.30)

Donde: 𝐹𝐹´ = Factor de eficiencia del colector

𝐹𝐹´ =

1𝐵𝐵𝐿𝐿

𝑊𝑊 1𝐵𝐵𝐿𝐿 [𝐷𝐷+(𝑊𝑊−𝐷𝐷)𝐹𝐹] + 1

𝜋𝜋𝐷𝐷𝑝𝑝ℎ𝑓𝑓 (3.31)

Donde:

𝐷𝐷𝑝𝑝 = Diámetro interior del tubo. = 0.014 m. ℎ𝑓𝑓 = Coeficiente de transferencia de calor por convección en tubo-fluido.

𝐹𝐹´ =1

7.14

0.03 17.14[0.016+(0.03−0.016)0.9996] + 1

𝜋𝜋(0.014)(500 )

= 0.9901

𝑞𝑞´𝑝𝑝𝑓𝑓𝑝𝑝𝐾𝐾 = 0.03(0.9901)[600(0.71) − 7.14(318.15− 287.85)] = 6.28 𝑊𝑊



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3.6.4. Factor de eficiencia de remoción de calor.

Determinando el calor útil mediante el factor de remoción del calor.

𝐹𝐹𝑅𝑅 =𝑚𝐶𝐶𝑝𝑝(𝐵𝐵𝑓𝑓𝑠𝑠 − 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑒𝑒 )

𝐴𝐴𝐾𝐾𝑅𝑅 − 𝐵𝐵𝐿𝐿𝐵𝐵𝑓𝑓𝑒𝑒 − 𝐵𝐵𝐾𝐾 (3.32)

Donde: 𝑚 = Flujo másico. = 0.01 𝐶𝐶𝑝𝑝 = Calor especifico del agua a presión constante. 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑠𝑠 = Temperatura del fluido a la salida.= 45°C (318.15 K). 𝐵𝐵𝑓𝑓𝑒𝑒 = Temperatura del fluido a la entrada.= 13.6°C (286.75 K). 𝐴𝐴𝐾𝐾 = Área del colector.= 3.26 m. 𝐵𝐵𝐾𝐾 = Temperatura ambiente.= 14.7°C (287.85 K).

𝐹𝐹𝑅𝑅 = (0.01) (4186 )(318.15−286 .75)(3.26)[600(0.71)−7.14(286.85−287 .85)] = 0.9308

𝐹𝐹𝑅𝑅 =𝑚𝐶𝐶𝑝𝑝𝐴𝐴𝐾𝐾𝐵𝐵𝐿𝐿

1− exp −𝐵𝐵𝐿𝐿𝐹𝐹´𝐴𝐴𝐾𝐾𝑚𝐶𝐶𝑝𝑝

(3.33)

Donde: 𝑚 = Flujo másico. 𝐶𝐶𝑀𝑀 = Calor especifico del agua a presión constante.

𝐹𝐹𝑅𝑅 =(0.01)(4186)(3.26)(7.14)

1− exp−(7.14)(0.9901)(3.26)

(0.01)(4186) = 0.7613

𝐹𝐹𝑅𝑅 = 0.7613

3.6.5. Calor útil transferido al fluido.

𝑞𝑞𝑝𝑝𝑓𝑓𝑝𝑝𝐾𝐾 = 𝐴𝐴𝐾𝐾𝐹𝐹𝑅𝑅𝑅𝑅 − 𝐵𝐵𝐿𝐿𝐵𝐵𝑓𝑓𝑒𝑒 − 𝐵𝐵𝐾𝐾 (3.34)

𝑞𝑞𝑝𝑝𝑓𝑓𝑝𝑝𝐾𝐾 = (3.26)(0.7613)[600(0.71) − 7.14(286.75 − 287.85)] = 433.854 𝑊𝑊

3.6.6. Temperatura máxima del colector.

Temperatura máxima que puede alcanzar el fluido en un colector plano, cuando el flujo másico es igual a cero.

𝐵𝐵𝑓𝑓𝑠𝑠 𝑚𝑚𝐾𝐾𝑅𝑅 = 𝐵𝐵𝐾𝐾 +𝑅𝑅𝐵𝐵𝐿𝐿 (3.35)

En invierno.

𝐵𝐵𝑓𝑓𝑠𝑠 𝑚𝑚𝐾𝐾𝑅𝑅 = 14.7 +712.5(0.71)

7.14= 85.55 °𝐶𝐶



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En verano.

𝐵𝐵𝑓𝑓𝑠𝑠 𝑚𝑚𝐾𝐾𝑅𝑅 = 23.6 +900(0.71)

7.14= 113.09 °𝐶𝐶

3.7. Cálculo de la eficiencia del calentador solar.

𝜂𝜂𝐾𝐾 = 𝐹𝐹𝑅𝑅(𝜏𝜏𝛼𝛼)− 𝐹𝐹𝑅𝑅𝐵𝐵𝐿𝐿𝐵𝐵𝑓𝑓𝑒𝑒 − 𝐵𝐵𝐾𝐾𝐻𝐻𝐵𝐵

(3.36)

𝜂𝜂𝐾𝐾 = 0.7613(0.71) − 0.7613(7.14)286.75 − 287.85

600= 55.04 %

3.8. Calculo del tanque térmico. Primero se determinara la dimensión del termo tanque, para esto ya sabemos que la demanda del agua es igual a 195 litros, solamente debemos de convertir litros a metros cúbicos.

𝑉𝑉 = 195𝐾𝐾𝑓𝑓𝑠𝑠 1𝑚𝑚3

1000𝐾𝐾𝑓𝑓𝑠𝑠 = 0.195𝑚𝑚3

Ahora se calcula el diámetro pero debemos de tomar en cuenta el ancho del colector para que tenga la misma dimensión.

𝐷𝐷𝑝𝑝 = (𝑉𝑉)(4)(𝐿𝐿)(𝜋𝜋)

(3.37)

𝐷𝐷𝑝𝑝 = (0.195)(4)(1.64)(𝜋𝜋)

= 0.39𝑚𝑚

Sabiendo el diámetro se procede a determinar el espesor del aislante, y utilizaremos el método del radio crítico, descrito por el siguiente modelo matemático.

𝑟𝑟𝐾𝐾𝑟𝑟 =𝑘𝑘ℎ

(3.38)

Donde: 𝑟𝑟𝐾𝐾𝑟𝑟= Radio critico. 𝑘𝑘= Conductividad térmica del aislante, en este caso, fibra de vidrio =0.04 𝑊𝑊

𝑚𝑚𝐾𝐾 (ver tabla 2.1)

ℎ = Coeficiente de convección = 2 𝑊𝑊𝑚𝑚2𝐾𝐾



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𝑟𝑟𝐾𝐾𝑟𝑟 =0.04

2= 0.02𝑚𝑚

El radio 2 debe de ser mayor que el radio critico para que exista disminución de transferencia de calor. Por lo tanto se considera un espesor igual a 0.038m, recomendado por el fabricante de aislantes. El diámetro exterior es igual a 0.46m. A continuación se muestra el dimensionamiento del termo tanque.

Acot. (m)

El termo tanque estará conformado por lámina galvanizada, cubierto por fibra de vidrio, y los tubos de entrada y salida del agua serán de tubo de cobre de ¾ pulgada. 1 ---- 4 -------- 5 ----- 4

Figura 3. 5 Entradas y salidas de agua.

1.- Salida de agua caliente. 2.- Entrada de agua proveniente del colector. 3.- Salida de agua hacia el colector. INGENIERÍA MECÁNICA Página 69


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4.- Fibra de vidrio. 5.- Lamina galvanizada. Se aplicara el efecto denominado termosifón, este ciclo comienza en la entrada de agua al colector proveniente el la red de agua y a su vez se mezcla con el agua proveniente del termo tanque, hace el recorrido por el colector aumentando la temperatura hasta llegar al termo tanque, una vez en el termo tanque el agua con mayor temperatura es la destinada hacia la regadera. En la siguiente figura se muestra la dirección del flujo de agua.

Figura 3. 6 Flujo de agua, colector solar - termo tanque.

Se puede utilizar cualquier contenedor de agua, lo único que debe cumplir es con el volumen de almacenamiento y claro, aplicando un aislamiento. La conexión de la tubería del colector al termo tanque siempre deberá de ser, la salida de agua caliente del calentador solar a la parte posterior del termo tanque al igual que la salida de agua caliente del termo tanque. De la parte inferior del termo tanque debe a ver una salida conectada a la entrada del calentador solar para que circule el agua y siga conservando la temperatura requerida y al mismo tiempo la pureza.



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CAPÍTULO 4. Costo unitario del Equipo

El estudio económico del calentador solar se realiza en este capítulo para saber el costo que generara su construcción y así se calcula el ahorro que se logra al tener este sistema en un hogar del Distrito Federal, combinado con un sistema de calentamiento de agua como lo es el boiler y por tanto poder determinar en cuanto tiempo se recura la inversión. INGENIERÍA MECÁNICA Página 71


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4.1. Materiales para la construcción del calentador solar. Sección absorbedora.

• Dos cubiertas de vidrio templado 1.64m x 2.15m y un espesor de 0.004m. • Placa absorbedora, es decir, lamina de cobre calibre 22 de 1.56m x 2.07m. • Recubrimiento de cobre negro. • 32 tubos de cobre de ½” x 2.02m. • 2 tubos de cobre de 1” x 1.71m. • Soldadura de estaño. • Fibra de vidrio de 2.15m x 1.64m con un espesor de 0.038m

Para la caja utilizaremos:

• Lámina de aluminio de calibre 20. • 1 ángulo de 1" x 1/8" (se vende en tramos de 6 mts). • 1 ángulo de 3/4" x 1/8" (se vende en tramos de 6 mts). • Lámina negra de fierro de 1.22 x 2.44 (4 x 8 pies) calibre 20".

Para la estructura se utilizarán. • 1 corte de 1.64m. X 2.154m. • 1 corte de .1050m x 1.64m. • 1 corte de .1050m x 1.64m. • 2 cortes de .1050 cm x 2.154m.

Sobrantes de solera. • 7 tramos de 8 cm de solera de 1/8" por el ancho que haya. • 3 tramos de 6 cm de solera de 1/8" por el ancho que haya.

4.2. Precio del material para construir el calentador solar. Vidrio templado.

• Vidriería azcapotzalco S.A. de C.V. La hoja de vidrio de 1.64m x 2.15m con espesor de 4mm tiene un costo de $600.00 M.N.

• El templado es adicional y tiene un costo de $600.00 M.N. Costo total $1200.00 M.N.

• El costo total de la cubierta es de $2400.00 M.N. Placa absorbedora.

• Lámina de cobre calibre 22 0.91m x 2.44m. Peso 14.14Kg. El Kg de lamina de cobre tiene un precio de $155.00 Kg

• Por tanto (14.14Kg) (155) = $2191.70 es el costo de la lamina. Cromo negro.

• También debemos sumarle el costo del cromado electrolítico, el cual tiene un costo en la empresa Metal Cromic de $600.00 con la medida de 1.56m x 2.07m calibre 22.

Tubo de cobre.

• Tubos Monterrey. Tramo de tubo de cobre de ½” mide 6.10m



UNIDAD AZCAPOTZALCO

Para el colector necesitamos 38 tubos de 2.02m, de un tramo obtenemos tres tubos para el colector. 38/3 =12.6 por tanto se necesitan 13 tramos de tubo de cobre, cada tramo tiene un precio de $386.39 – 30% de descuento que proporcionan por que se considera mayoreo. ($386.39)(13) = $5023.07 – 30% = $3516.14 Y dos cabezales de cobre de1” x 1.70m. El metro de este tubo de cobre tiene un costo de $148.90 y se necesitan 3.40m, por tanto se compraría 4m de tubo. ($148.90)(4m) = $595.60

• El costo total de la red de tubos es de $4111.74

• Ferretería Zinbron Tubo de cobre de ½” tiene un costo $360.00 por tramo. (360.00)(13) = $4680.00 Tubo de cobre de 1” con un costo de $160.00 por metro. ($160)(4m) = $640.00

• El costo total de la tubería es de $5320.00. Fibra de vidrio.

• Distribuidora térmica y acústica del centro S.A.de C.V. Fibra de vidrio modelo RF – 4000 o 4125, con una dimensión de 0.61m x 1.22m y un espesor de1 ½” que es igual a 3.8cm, con un precio de $138.99. Para este colector se necesitan 3 placas. Por tanto (3)(138.99) = $416.97

• RATSA Aislantes S.A. de C.V.

Fibra de vidrio semirrígida con una dimensión de 0.61m x 1.22m x 1 ½” de espesor. Precio: $71.60 Utilizaremos tres placas: ($71.60)(3) = $215.00

Caja del colector solar. Lamina de aluminio.

• Distribuidora de aluminio S.A. de C.V. Lamina de aluminio calibre 20 con una dimensión de 1.22m x 3.66m y un peso de 10.76 KG. Costo: $750.00 Por las dimensiones del colector se requiere de una lámina con estas dimensiones ya que deberá formar la caja del colector solar.

Ángulo.

• El tramo de 6m., de 1” x 1/8” tiene un precio de $116.00, se necesitan 15.16m., por tanto se deben adquirir tres tramos de ángulo. (116.00)(3) = $348.00

• El tramo de 6m., de ¾” x 1/8” tiene un precio de $104.30. Soldadura.

• $42.00 el Kg. Solamente se utilizara ½ Kg. ∴ (42.00)/(2) = $21.00 Soldadura de estaño para la tubería.

• $18.70 el metro se necesitan 2m. ∴ (18.70)(2) = $37.40 Solera



UNIDAD AZCAPOTZALCO

• 7 tramos de 8 cm de solera de 1/8” por el ancho que se desea, se recomienda obtener de recortes sobrantes de solera.

• 3 tramos de 6 cm de solera de 1/8" por el ancho que se desea.

Tabla 4. 1 Costo total para construir un calentador solar.

Material Costo Vidrio templado $2400.00 Placa absorbedora $2191.70 Cromo negro (proceso electrolítico) $600.00 Tubo de cobre ½” $3516.14 Tubo de cobre 1” $595.60 Fibra de vidrio $215.00 Caja del colector solar Lamina de aluminio $750.00 Ángulo de 1” x 1/8” $348.00 Ángulo de ¾” x 1/8” $104.30 Soldadura $21.00 Soldadura de estaño $37.40 Solera $150.00 Costo total $10929.14

El costo total para construir el calentador solar es de $10929.14 MN El costo lo podemos reducir construyendo de aluminio la red de tubos, al igual que la placa absolvedora y el recubrimiento de esta puede ser de pintura negra mate. Claro que tendría una menor eficiencia, pero también cubriría las necesidades de temperatura requeridas y sin ningún problema. 4.3. Consumo de gas para el calentamiento de agua. El Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) realizó un estudio sobre los consumos de gas por usos finales en el sector domestico del Distrito Federal. A continuación se describe el gasto de gas generado por un calentador (boyler) de agua. Gasto de gas licuado de petróleo (GLP) en un calentador. -Almacenamiento = 0.015 lt.GLP/min. = 2.46 lt.GLP/día = 74.97 lt.GLP/mes = 899.74 lt.GLP/año. -Paso = 0.048 lt.GLP/min. =2.12 lt.GLP/día = 64.56 lt.GLP/mes = 774.78 lt.GLP/año. Tiempo de uso por día. La mezcla de agua en la regadera es un 65% agua caliente y en un 35% agua fría. Tomando como base la información anterior y considerando el gasto de agua caliente de acuerdo a los fabricantes del calentador de agua de almacenamiento es de 2.5 litros por minuto, se obtiene;



UNIDAD AZCAPOTZALCO

4.4. Consumo de agua caliente.

CAC = (50 𝐾𝐾𝑓𝑓𝑠𝑠𝑝𝑝𝑒𝑒𝑟𝑟𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾 ) * (6 personas) * (0.65) = 195 lts

Tiempo que el calentador esta encendido (195 lt. /día) / (2.5 lt./min) = 78 min./día. Consumo de gas. (0.0083 kilos/min.)(78 min./día) = 0.64 kilos de GLP / día. ¿Cuál es el ahorro de gas al utilizar un calentador solar de agua? Primero definimos en litros, el volumen de agua que se requiere calentar con la siguiente expresión.

𝐿𝐿𝑒𝑒𝐾𝐾 = 𝑀𝑀 ∗ 𝐶𝐶𝑝𝑝 ∗ 𝐵𝐵𝐾𝐾 − 𝐵𝐵𝑓𝑓 (4.1) Donde: Lea = Cantidad de energía requerida en el agua caliente (𝐾𝐾𝑀𝑀 𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾).⁄ M = Cantidad de agua caliente requerida (𝐾𝐾𝑓𝑓 𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾)⁄ 𝐶𝐶𝑝𝑝 = Calor especifico del agua (4.2 𝐾𝐾𝑀𝑀 𝐾𝐾𝑝𝑝°𝐶𝐶)⁄ 𝐵𝐵𝐾𝐾 = Temperatura del agua caliente requerida en el colector solar (50 °C). 𝐵𝐵𝑓𝑓 = Temperatura del agua de la red pública (13.6 °C).

𝐿𝐿𝑒𝑒𝐾𝐾 = (195 𝐾𝐾𝑝𝑝)(4.186𝐾𝐾𝑀𝑀 𝐾𝐾𝑝𝑝°𝐶𝐶⁄ )(50 − 13.6 °𝐶𝐶) = 29712𝐾𝐾𝑀𝑀 𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾⁄ Una vez calculada la energía requerida en el agua caliente, se determina el tamaño del colector solar plano de cobre, utilizando la siguiente formula:

𝐴𝐴 =𝐿𝐿𝑒𝑒𝐾𝐾

(𝜂𝜂𝑠𝑠𝑝𝑝𝐾𝐾𝐾𝐾𝑟𝑟 )(𝐼𝐼𝑚𝑚𝐾𝐾𝑅𝑅 )

(4.2)

Donde: A = Área del colector solar requerida (𝑚𝑚2). 𝜂𝜂𝑠𝑠𝑝𝑝𝐾𝐾𝐾𝐾𝑟𝑟 = Eficiencia del colector solar. 𝐼𝐼𝑚𝑚𝐾𝐾𝑅𝑅 = Radiación solar máxima diaria. = 5.8 𝐾𝐾𝑊𝑊ℎ𝑟𝑟

𝑚𝑚2𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾 x 3600 = 20880 𝐾𝐾𝑀𝑀

𝑚𝑚2𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾 3.9

L = Cantidad de energía que debe de contener el agua caliente (𝐾𝐾𝑀𝑀 𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾⁄ ).

A =29712

(0.55)(18450)= 2.92 𝑚𝑚2

Ahora se precede a de terminar el ahorro anual de energía.

𝐴𝐴𝑒𝑒 =𝐴𝐴 ∗ 𝐼𝐼𝑝𝑝𝑟𝑟𝑝𝑝𝑚𝑚 . ∗ 𝜂𝜂𝑠𝑠𝑝𝑝𝐾𝐾𝐾𝐾𝑟𝑟

𝜂𝜂𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾𝑒𝑒𝑟𝑟

(4.3) Donde: 𝐴𝐴𝑒𝑒 = Ahorro anual de energía (𝐾𝐾𝑀𝑀/𝐾𝐾ñ𝑝𝑝) 𝐼𝐼𝑝𝑝𝑟𝑟𝑝𝑝𝑚𝑚 . = Radiación promedio diaria 16.80 MJ

m 2 dia

𝜂𝜂𝑠𝑠𝑝𝑝𝐾𝐾𝐾𝐾𝑟𝑟 = Eficiencia del calentador solar.



UNIDAD AZCAPOTZALCO

𝜂𝜂𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾𝑒𝑒𝑟𝑟 = Eficiencia del calentador de agua (boiler).

𝐴𝐴𝑒𝑒 =2.92 𝑚𝑚216805 𝐾𝐾𝑀𝑀

𝑚𝑚2𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾 (0.55)

0.74= 36471 KJ/día x 365 día = 13312058 𝐾𝐾𝑀𝑀/𝐾𝐾ñ𝑝𝑝

Tenemos un requerimiento de 195 litros de agua caliente por día (de 13.6°C del agua potable en la entrada a 50°C en la salida), con una eficiencia de 55% y del boiler de gas 74% (típica), con una radiación solar promedio de 16.80 MJ

m 2 dia y máxima de 18.45 MJ

m 2 dia se requerirán 13312058

𝐾𝐾𝑀𝑀/𝐾𝐾ñ𝑝𝑝, los cuales se logran con un colector solar de 2.92 𝑚𝑚2. Consideramos que el poder calorífico del GLP es 26727 𝐾𝐾𝑀𝑀

𝐾𝐾𝑓𝑓 .𝐺𝐺𝐿𝐿𝑀𝑀

∴13312058 𝐾𝐾𝑀𝑀/𝐾𝐾ñ𝑝𝑝

26727 𝐾𝐾𝑀𝑀𝐾𝐾𝑓𝑓 .𝐺𝐺𝐿𝐿𝑀𝑀

= 498𝐾𝐾𝑓𝑓.𝐺𝐺𝐿𝐿𝑀𝑀𝐾𝐾ñ𝑝𝑝

Para saber cuanto dinero representan los 498 litros de GLP al año, debemos convertirlo a unidades de masa. En las tablas de conversiones de la CONAE el litro de GLP es igual a 0.5396 𝐾𝐾𝑝𝑝. ∴ (498)(0.5396) = 268.72𝐾𝐾𝑝𝑝 Y el 𝐾𝐾𝑝𝑝 de GLP tiene un precio de $9.53, por tanto debemos multiplicar para saber el costo del consumo y el ahorro que será generada en pesos. Multiplicamos 268.72𝐾𝐾𝑝𝑝 x $9.53 = $2560.9016 año Al utilizar un calentador solar de agua se dejaran de consumir 498 litros de GLP por año. Es de mencionarse que el CSA se calculo con la irradianza máxima, mientras que los ahorros se calcularon tomando la irradianza promedio lo que significa que no todos los días se llegue a calentar el volumen requerido. Esto implica que la diferencia resultante sea calentada con el sistema tradicional de calentamiento de agua mediante GLP ó GN. Para calcular el consumo total de gas, necesario para calentar 195 litros de agua al día, utilizaremos la siguiente ecuación.

𝑄𝑄𝑠𝑠 =𝐿𝐿𝑒𝑒𝐾𝐾𝜂𝜂𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾𝑒𝑒𝑟𝑟

(4.4)

Donde: 𝑄𝑄𝑠𝑠 = Cantidad de calor que se consume en forma de combustible (GLP). 𝐿𝐿𝑒𝑒𝐾𝐾 = Cantidad de energía para calentar el agua (KJ/día). 𝜂𝜂𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝𝐾𝐾𝑒𝑒𝑟𝑟 = Eficiencia del boiler (%).

𝑄𝑄𝑠𝑠 = 29712𝐾𝐾𝑀𝑀 𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾⁄0.72

= 41267 𝐾𝐾𝑀𝑀 𝑑𝑑𝑝𝑝𝐾𝐾⁄ x 365 día = 15062455 𝐾𝐾𝑀𝑀 𝐾𝐾ñ𝑝𝑝⁄

∴15062455 𝐾𝐾𝑀𝑀/𝐾𝐾ñ𝑝𝑝

26727 𝐾𝐾𝑀𝑀𝐾𝐾𝑓𝑓 .𝐺𝐺𝐿𝐿𝑀𝑀

= 563𝐾𝐾𝑓𝑓.𝐺𝐺𝐿𝐿𝑀𝑀𝐾𝐾ñ𝑝𝑝



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Así, observamos que utilizando un calentador de gas a lo largo del año, el consumo será de 563 litros de GLP. Sin embargo, ya instalado el calentador solar de agua, el sistema de respaldo, es decir, el boiler solo consumirá la diferencia del ahorro y el consumo de gas.

∴ 563𝐾𝐾𝑓𝑓.𝐺𝐺𝐿𝐿𝑀𝑀𝐾𝐾ñ𝑝𝑝 − 498

𝐾𝐾𝑓𝑓.𝐺𝐺𝐿𝐿𝑀𝑀𝐾𝐾ñ𝑝𝑝 = 65

𝐾𝐾𝑓𝑓.𝐺𝐺𝐿𝐿𝑀𝑀𝐾𝐾ñ𝑝𝑝

4.5. Tiempo para recuperar la inversión. La pregunta que normalmente se hacen las personas cuando piensan adquirir un CSA, es en cuanto tiempo se recupera la inversión. Y ese tiempo lo podemos calcular con el siguiente modelo matemático.

𝑓𝑓 = 𝐶𝐶𝐴𝐴𝑒𝑒

(4.5)

Donde: 𝑓𝑓= Tiempo de retorno de la inversión (en años). 𝐶𝐶 = Costo del sistema (pesos). 𝐴𝐴𝑒𝑒= Ahorro de energía (en pesos, por año).

𝑓𝑓 = 10929.142560.90 = 4 𝐾𝐾ñ𝑝𝑝𝑠𝑠

El tiempo de recuperación de la inversión será de 4 años. En este punto no debemos de olvidar que la vida útil de un calentador solar es de 20 a 25 años y a la vez tomemos en cuenta el incremento del precio de gas en el tiempo.



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Conclusiones. La energía solar es uno de nuestros mejores aliados, tiene grandes beneficios, es gratis, inagotable, se puede utilizar para generar calefacción, refrigeración, electricidad, utilizando paneles solares. En nuestro país tiene la gran fortuna de tener durante la gran mayoría de días del año con radiación solar, por lo tanto es necesario implementar paneles solares, en zonas calidas quizá no es necesario paneles solar para la calefacción de agua, pero si para brindar refrigeración, o extracción de calor, paneles fotovoltaicos para generación de electricidad donde aun no existe red eléctrica, existe muchas opciones de operación en este país para los paneles solares. Los calentadores solares funcionan a base de radiación solar, por lo cual si disminuye esta radiación, siendo resultado de las condiciones climatológicas, debemos pensar que se lograría el objetivo, pero esto solamente sucedería si estuviese totalmente nublado, debemos recordar que a diferencia del panel fotovoltaico que solamente funciona con radiación directa, un calentador solar aprovecha la radiación difusa lo cual también nos genera calor para ser transferido al fluido. Un calentador solar trae consigo grandes beneficios sobre todo en la parte económica y ambiental, aunque su construcción es costosa de principio pero como se pudo comprobar en el capitulo cuarto, esta inversión se recupera en 4 años lo cual es directamente proporcional al ahorro de hidrocarburo utilizado para calentar el agua durante un año, y de aquí partimos para decir que menor consumo de hidrocarburo es igual a menor contaminación.



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Referencias Bibliográficas.

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• Sánchez, M. (2009). Energía solar térmica:Limusa.

• Cengel, Y. (2007). Transferencia de calor:Mcgraw-hill.

• Rodriguez, O. (2006, 03). Dimensionamiento, Selección y Beneficios del uso de calentadores Solares de agua en el sector doméstico. La revista Solar. Pp 12-15.

• Rufes, P. (2012). Energia solar térmica para su aprovechamiento:Marcombo.

• Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.C., (2004). NMX-ES-001-NORMEX-2005

• Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.C., (2005). PROY-NMX-ES-002-

NORMEX-2006

• Comisión Nacional para el uso Eficiente de la Energía, L. (2010). Normalización. Obtenida el 19 de Febrero 2014, de http://www.conuee.gob.mx/

• Asociación de Energía Solar, (n.d.). Energías Renovables. Consultada el 7 de Marzo 2014, de http://www.anes.org/

• Nacobre, (n.d.). Hojas Tecnicas. Consultado el 20 de Febrero 2014, de http://www.nacobre.com.mx/



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Glosario.

Absorbedor. Componente de un colector solar destinado para absorber energía radiante y transferirla como energía calorífica a un fluido de trabajo. Anaerobia. Se dice del microorganismo que se desarrolla en ausencia de oxigeno libre y que usa como aceptores de electrones sales inorgánicas, nitratos, sulfatos, etc. Aphelio. Punto de la orbita elíptica de la Tierra, el cual estamas alejado del Sol, aproximadamente 152𝑅𝑅106 Km del Sol. Baliza Paso estrecho Eólicos. Instrumentos mecánicos que dependen del viento. Emitancia. Poder de emisión de radiación, Es el flujo de energía de radiación que emite un elemento de superficie, dividido por el área de tal elemento. Geotermia. Parte de la geofísica que estudia los fenómenos térmicos de la corteza, parte del calor terrestre puede aprovecharse como fuente de energía para el hombre. Heliostato. Espejos cilíndricos o planos con ubicación hacia un punto, con el fin de reflejar la mayor cantidad de energía solar. Irradiación (H). Es la cantidad de energía de irradiación que incide sobre una cierta superficie durante cierto tiempo y por unidad de área, representada por la integral de la irradiancia o densidad de flujo de energía de radiación que recibe la superficie en un intervalo de tiempo dado, intervalo que en general puede ser por una hora o un día. Irradiancia (G). Es la densidad de flujo de energía de radiación, o bien es la razón (o tasa) a la cual cierta cantidad de energía de radiación es emitida o recibida por un objeto por unidad de tiempo y por unidad de superficie. INGENIERÍA MECÁNICA Página 80


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Radiación infrarroja. Radiación electromagnética de longitudes de onda que están dentro del intervalo que va de 780nm a aproximadamente 1nm infrarrojo. Radiación ultravioleta. Radiación electromagnética de longitudes de onda menores que las de la luz visible (aproximadamente menores que 380 nm) y mayores a las de los rayos X. Radiación solar extraterrestre. Radiación solar que incide en el “límite superior” de la atmósfera de la tierra. Radiación visible o luz visible. Radiación que estimula los nervios ópticos humanos. Reflectancia. Factor de reflexión, relación del flujo de radiación reflejado por una superficie respecto de la radiación incidente. Sistema termosifón. Sistema que sólo utiliza los cambios de densidad del fluido de transferencia de calor para lograr la circulación entre el colector y el dispositivo de almacenamiento o entre el colector y el intercambiador de calor. Transmitancia. Factor de transmisión, Relación del flujo de radiación que pasa a través de un cuerpo respecto de a la radiación incidente.

Calentador solar.

No. Cantidad Descripción Parte 1 1 Lamina de aluminio calibre 20, de 1.22m x 2.44m. Caja del

colector solar. 2 1 Fibra de vidrio de 2.15m x 1.64m con un espesor de

0.038m. Aislante.

3 2 Tubo de cobre de 1” x 1.71m. Red de tubos. 4 32 Tubo de cobre de ½” x 2.02m. Red de tubos. 5 2 Vidrio templado de 1.64m x 2.15m, espesor 4mm. Cubierta. 6 2 Junta de 1.64m x 2.15m. Cubierta. 7 1 Lamina de cobre calibre 22, de 2.07m x 1.56m. Placa

absorbedora.


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INGENIERIA MECANICA Página 82

Planos del calentador solar.

IN

G. FRED

Y D

ON

IS.

SIN TRATAMIENTO TÉRMICO.

LAM

IN

A D

E ALU

MIN

IO

CALIBRE

20.

0.

CS

-0

01

.

SISTEM

A:

REVISÓ:

ALFRED

O JO

ZABH

AD

AN

DRAD

E JIM

EN

EZ.

REVISIÓN No.:

DIBUJO NÚMERO:

DIBUJÓ:

FECH

A:

02 D

E SEPTIEM

BRE 2014.

ESCALA:

1:1.

TÍTULO:

MATERIAL:

TRATAMIENTO TÉRMICO:

CAJA D

EL CO

LECTO

R SO

LAR

ACO

TACIO

NES:

METRO

S (m

).

GEN

ERAL

1.645

2.158

0.106

1.64

0.0009

1

IN

G. FRED

Y D

ON

IS.


FIBRA D

E VID

RIO

SEM

IRIG

ID

A

RF 3.8cm

.

0.

CS

-0

02

.

SISTEM

A:

REVISÓ:

ALFRED

O JO

ZABH

AD

AN

DRAD

E JIM

EN

EZ.

REVISIÓN No.:

DIBUJO NÚMERO:

DIBUJÓ:

FECH

A:

02 D

E SEPTIEM

BRE 2014.

ESCALA:

1:1.

TÍTULO:

MATERIAL:


FIBRA D

E VID

RIO

ACO

TACIO

NES:

METRO

S (m

).

GEN

ERAL

1.64

1.64

1.56

2.15

0.038

0.038

2.15

0.038

2

IN

G. FRED

Y D

ON

IS.


RED

D

E TU

BO

S D

E CO

BRE.

0.

CS

-0

03

.

SISTEM

A:

REVISÓ:

ALFRED

O JO

ZABH

AD

AN

DRAD

E JIM

EN

EZ.

REVISIÓN No.:

DIBUJO NÚMERO:

DIBUJÓ:

FECH

A:

02 D

E SEPTIEM

BRE D

EL

2014.

ESCALA:

1:1.

TÍTULO:

MATERIAL:


RED

D

E TU

BO

S D

E CO

BRE

ACO

TACIO

NES:

METRO

S (m

).

GEN

ERAL

1.72

2.0

0.025

0.029

2.0

1.72

0.016

1.68

3

4

IN

G. FRED

Y D

ON

IS.

TEM

PLAD

O.

RED

D

E TU

BO

S D

E CO

BRE.

0.

CS

-0

04

.

SISTEM

A:

REVISÓ:

ALFRED

O JO

ZABH

AD

AN

DRAD

E JIM

EN

EZ.

REVISIÓN No.:

DIBUJO NÚMERO:

DIBUJÓ:

FECH

A:

02 D

E SEPTIEM

BRE D

EL

2014.

ESCALA:

1:1.

TÍTULO:

MATERIAL:


VID

RIO

TEM

PLAD

O

ACO

TACIO

NES:

METRO

S (m

).

GEN

ERAL

1.644

2.158

0.004

1.644

1.56

0.038

5

6

IN

G. FRED

Y D

ON

IS.

CRO

MAD

O ELECTRO

LITICO

.

PLACA D

E CO

BRE CALIBRE 22.

0.

CS

-0

05

.

SISTEM

A:

REVISÓ:

ALFRED

O JO

ZABH

AD

AN

DRAD

E JIM

EN

EZ.

REVISIÓN No.:

DIBUJO NÚMERO:

DIBUJÓ:

FECH

A:

02 D

E SEPTIEM

BRE D

EL

2014.

ESCALA:

1:1.

TÍTULO:

MATERIAL:


PLACA ABSO

RVED

ORA

ACO

TACIO

NES:

METRO

S (m

).

GEN

ERAL

2.07

1.56

0.0008

7

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Anexos.

Irradiación global media en la República Mexicana

Datos en kWh/m2-día

Estado Ciudad Ene Feb Mar Abr

May Jun

Jul Ago Sep Oct Nov Dic Min Max Med

Sonora Hermosillo 4.0 4.6 5.4 6.6 8.3 8.6 6.9 6.6 6.7 6.0 4.7 3.9 3.9 8.6 6.0

Sonora Guaymas 4.5 5.7 6.5 7.2 7.3 6.8 5.9 5.8 6.3 5.9 5.1 5.6 4.5 7.3 6.0

Chihuahua

Chihuahua 4.1 4.9 6.0 7.4 8.2 8.1 6.8 6.2 5.7 5.2 4.6 3.8 3.8 8.2 5.9

Coahuila Piedras Negras 3.1 3.6 4.2 4.5 4.8 6.0 6.7 6.3 4.9 4.1 3.3 2.9 2.9 6.7 4.5

Coahuila Saltillo 3.8 4.2 4.8 5.1 5.6 5.9 5.9 5.6 5.2 4.4 3.6 3.3 3.3 5.9 4.8

Nuevo León Monterrey 3.2 3.6 4.1 4.3 4.8 5.5 6.1 5.6 5.0 3.8 3.3 3.0 3.0 6.1 4.4

San Luis Potosí Río Verde 3.6 4.0 4.6 4.9 5.4 5.6 5.8 5.8 5.1 4.3 3.7 3.3 3.3 5.8 4.7

San Luis Potosí

San Luis Potosí 4.3 5.3 5.8 6.4 6.3 6.1 6.4 6.0 5.5 4.7 4.2 3.7 3.7 6.4 5.4

Zacatecas

Zacatecas (La Bufa) 4.9 5.7 6.6 7.5 7.8 6.2 6.2 5.9 5.4 4.8 4.8 4.1 4.1 7.8 5.8

Campeche Campeche 4.0 4.1 5.5 5.8 5.5 4.9 4.9 5.1 4.7 4.4 4.2 3.7 3.7 5.8 4.7

Guanajuato

Guanajuato 4.4 5.1 6.1 6.3 6.6 6.0 6.0 5.9 5.8 5.2 4.8 4.6 4.4 6.6 5.6

Colima Colima 4.4 5.1 5.3 5.8 6.0 5.2 4.9 5.0 4.6 4.4 4.4 3.9 3.9 6.0 4.9

Colima Manzanillo* N.D. N.D. N.D.

N.D. N.D.

N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.

Aguascalientes

Aguascalientes 4.5 5.2 5.9 6.6 7.2 6.3 6.1 5.9 5.7 5.1 4.8 4.0 4.0 7.2 5.6

Guerrero Chilpancingo 4.1 4.5 4.9 5.2 5.2 5.2 5.1 5.1 4.7 4.4 4.1 3.8 3.8 5.2 4.7

Guerrero Acapulco 4.8 5.3 6.1 5.9 5.6 5.1 5.3 5.4 4.9 5.2 5.0 4.7 4.7 6.1 5.3

Nayarit Tepic 3.9 4.3 4.8 5.5 6.1 5.3 4.9 5.3 4.4 4.4 4.0 4.8 3.9 6.1 4.8

Veracruz Tuxpan 3.1 3.8 4.4 4.8 4.7 4.4 4.7 5.5 4.4 4.1 3.4 3.1 3.1 5.5 4.2

Veracruz Córdoba 3.1 3.3 3.6 3.8 4.1 4.4 4.6 4.5 4.1 3.5 3.1 2.8 2.8 4.6 3.7

Veracruz Orizaba 3.3 3.5 3.9 4.2 4.9 4.4 4.5 4.6 4.3 3.6 3.3 3.1 3.1 4.9 4.0

Veracruz Jalapa 3.2 3.5 3.8 4.3 4.6 4.4 4.9 5.0 4.4 3.7 3.3 3.0 3.0 5.0 4.0

Veracruz Veracruz 3.7 4.5 4.9 5.1 5.1 4.8 4.7 5.1 4.6 4.8 4.1 3.6 3.6 5.1 4.6

Chiapas Comitán 4.1 4.4 4.8 4.9 5.1 4.8 5.5 5.5 4.8 4.0 4.0 3.7 3.7 5.5 4.6

Chiapas Arraiga 5.1 5.4 5.5 5.9 5.6 5.2 5.9 5.5 5.1 5.3 5.1 4.7 4.7 5.9 5.4

Chiapas Tuxtla Gutiérrez 3.8 4.4 4.6 4.8 5.3 5.1 5.4 5.3 4.9 4.4 4.1 3.7 3.7 5.4 4.7

Chiapas San Cristóbal 4.0 4.3 4.5 4.5 4.8 4.7 5.4 5.3 4.6 4.2 3.9 3.7 3.7 5.4 4.5

Chiapas Tapachula 5.4 4.9 4.8 4.6 4.7 4.7 5.2 5.1 4.6 4.1 4.3 4.1 4.1 5.4 4.7

Quintana Roo Chetumal 3.9 4.7 5.4 5.7 5.3 4.7 4.9 5.0 4.5 4.4 4.0 3.7 3.7 5.7 4.7

Quintana Cozumel 3.9 4.6 5.3 5.7 5.2 4.8 4.9 4.9 4.6 4.4 4.0 3.8 3.8 5.7 4.7

Roo

Oaxaca Salina Cruz 5.4 6.3 6.6 6.4 6.1 5.0 5.6 5.9 5.2 5.9 5.7 5.2 5.0 6.6 5.8

Oaxaca Oaxaca 4.9 5.7 5.8 5.5 6.0 5.4 5.9 5.6 5.0 4.9 4.8 4.4 4.4 6.0 5.3

Jalisco Colotlán 4.6 5.7 6.5 7.5 8.2 6.6 5.8 5.6 5.8 5.3 4.9 4.1 4.1 8.2 5.9

Jalisco Lagos de Moreno 4.5 5.3 6.1 6.7 7.2 6.1 5.8 5.6 5.5 5.0 4.7 4.0 4.0 7.2 5.5

Jalisco Guadalajara 4.6 5.5 6.3 7.4 7.7 5.9 5.3 5.3 5.2 4.9 4.8 4.0 4.0 7.7 5.6

Durango Durango 4.4 5.4 6.5 7.0 7.5 6.8 6.0 5.6 5.7 5.1 4.8 3.9 3.9 7.5 5.7

Tamaulipas

Soto la Marina 3.4 4.2 4.9 4.9 5.1 5.3 5.4 5.4 4.9 4.6 3.7 3.2 3.2 5.4 4.6

Tamaulipas Tampico 3.3 4.1 4.7 6.4 5.0 4.9 4.9 4.9 4.6 4.6 3.7 3.2 3.2 6.4 4.5

Yucatán Progreso 4.1 4.9 5.4 5.5 5.3 5.1 5.3 5.3 5.0 5.0 4.4 4.0 4.0 5.5 4.9

Yucatán Valladolid 3.7 4.1 3.1 5.4 5.7 5.3 5.4 5.4 4.9 4.2 3.8 3.5 3.1 5.7 4.5

Yucatán Mérida 3.7 4.0 4.6 5.2 5.7 5.5 5.7 5.5 5.0 4.2 3.8 3.4 3.4 5.7 4.7

Baja California La Paz 4.4 5.5 6.0 6.6 6.5 6.6 6.3 6.2 5.9 5.8 4.9 4.2 4.2 6.6 5.7

Baja California

San Javier 4.2 4.6 5.3 6.2 6.5 7.1 6.4 6.3 6.4 5.1 4.7 3.7 3.7 7.1 5.5

Baja California Mexicali 4.1 4.4 5.0 5.6 6.6 7.3 7.0 6.1 6.1 5.5 4.5 3.9 3.9 7.3 5.5

Sinaloa Mazatlán 3.9 4.8 5.4 5.7 5.7 5.6 4.8 4.9 4.7 5.0 4.5 3.9 3.9 5.7 4.9

Sinaloa Culiacán 3.6 4.2 4.8 5.4 6.2 6.2 5.4 5.1 5.2 4.6 4.2 3.4 3.4 6.2 4.9

Querétaro Querétaro 5.0 5.7 6.4 6.8 6.9 6.4 6.4 6.4 6.3 5.4 5.0 4.4 4.4 6.9 5.9

D.F. Tacubaya 4.4 5.2 5.8 5.8 5.7 5.1 4.9 4.9 4.7 4.4 4.2 3.8 3.8 5.8 4.9

México Toluca 4.4 4.9 5.3 5.4 5.2 5.2 4.9 4.9 4.6 4.4 4.2 3.9 3.9 5.4 4.8

México Chapingo 4.5 5.1 5.6 5.8 5.9 5.4 5.2 5.2 5.0 4.7 4.6 3.9 3.9 5.9 5.1

Tlaxcala Tlaxcala 4.6 5.1 5.5 5.4 5.6 5.2 5.3 5.2 5.1 4.9 4.7 4.0 4.0 5.6 5.1

Puebla Puebla 4.9 5.5 6.2 6.4 6.1 5.7 5.8 5.8 5.2 5.0 4.7 4.4 4.4 6.4 5.5

Hidalgo Pachuca 4.6 5.1 5.6 6.8 6.0 5.7 5.9 5.8 5.3 4.9 4.6 4.2 4.2 6.8 5.4

Michoacán Morelia 4.2 4.9 5.5 5.8 5.9 5.2 5.0 5.1 4.9 4.6 4.3 3.7 3.7 5.9 4.9

Morelos Cuautla 3.2 3.9 4.7 5.5 5.7 5.4 5.4 5.3 4.6 4.4 3.7 3.1 3.1 5.7 4.6

Sonora Nogales 3.1 3.9 5.2 6.5 7.0 7.0 6.1 5.6 5.2 4.3 3.5 2.9 2.9 7.0 5.2

Veracruz Poza Rica 3.1 4.0 5.0 5.9 6.4 6.1 5.8 5.9 5.1 4.8 3.3 3.1 3.1 6.4 5.0

Quintana Roo

Playa del Carmen 4.1 5.0 5.8 6.6 6.3 6.1 6.1 6.0 5.3 4.8 4.3 3.9 3.9 6.6 5.3

Chihuahua

Cd. Juárez 3.1 3.9 5.2 6.4 6.9 7.0 6.4 5.6 5.0 4.2 3.5 2.9 2.9 7.0 5.0

Tamaulipas

Matamoros 2.9 3.9 5.3 6.0 6.7 7.0 6.8 6.7 5.5 5.1 3.7 2.8 2.8 7.0 5.5

Guerrero

Cd. Altamirano 4.8 5.5 6.4 6.7 6.6 5.7 5.9 5.8 5.2 5.3 5.0 4.1 4.1 6.7 5.6

Veracruz

San Andrés Tuxtla 3.5 4.4 5.6 6.6 6.5 5.8 5.8 5.6 4.9 4.6 3.9 3.4 3.4 6.6 5.2

Tamaulipas Reynosa 2.6 3.5 4.6 5.3 5.7 6.0 6.1 5.7 4.8 4.4 3.3 2.5 2.5 6.1 4.5

Sonora

San Luis Río Colorado 3.4 3.8 4.9 6.2 7.3 7.4 6.9 6.1 5.1 4.05 3.3 2.8 2.8 7.4 6.0

Sonora Cd. Obregón 3.6 4.5 5.9 7.1 7.7 7.5 6.07 5.8 5.6 4.9 4.09 3.4 3.4 7.7 5.7

Mínimo 3.1 3.3 3.1 3.8 4.1 4.4 4.5 4.5 4.1 3.5 3.1 2.8 2.8 4.5 3.7

Máximo 5.4 6.3 6.6 7.5 8.3 8.6 7.0 6.6 6.7 6.0 5.7 5.6 5.4 8.6 6.7

Promedio 4.1 4.7 5.3 5.7 5.9 5.6 5.6 5.5 5.1 4.7 4.3 3.8 3.8 5.9 5.0

Dudas y comentarios

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SERVICIO METEOROLÓGICO NACIONAL

NORMALES CLIMATOLÓGICAS 1971-2000

ESTADO DE: DISTRITO FEDERAL

ESTACION: 00009010 COLONIA AMERICA LATITUD: 19°24'45" N. LONGITUD: 099°12'06" W.

ALTURA: 2,271.0 MSNM.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------

ELEMENTOS ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT

NOV DIC ANUAL

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------

TEMPERATURA MAXIMA

NORMAL 22.2 23.8 26.1 27.2 27.1 25.3 24.1 23.8 23.2 23.5

23.6 22.5 24.4

MAXIMA MENSUAL 25.5 26.6 28.4 30.7 30.8 29.2 26.6 25.8 26.1 25.5

25.9 25.7

AÑO DE MAXIMA 1987 1987 1987 1983 1983 1983 1999 1982 1982 1987

1987 1987

MAXIMA DIARIA 31.5 31.0 33.0 38.5 35.5 33.0 30.0 30.0 30.0 30.0

29.5 30.0

FECHA MAXIMA DIARIA 23/1983 05/1983 20/1983 04/1982 03/1983 11/1983 03/1996 18/1998 29/1982 17/1998

08/1987 31/1983

AÑOS CON DATOS 15 15 14 14 15 15 14 15 15 15

14 15

TEMPERATURA MEDIA

NORMAL 14.5 16.0 18.1 19.3 19.7 18.9 18.0 18.0 17.5 16.9

16.2 15.1 17.4

AÑOS CON DATOS 15 15 14 14 15 15 14 15 15 15

14 15

TEMPERATURA MINIMA

NORMAL 6.9 8.2 10.2 11.5 12.3 12.4 11.8 12.2 11.9 10.4

8.9 7.8 10.4

MINIMA MENSUAL 1.3 1.8 5.2 7.3 7.6 6.4 7.4 7.8 6.9 3.9

3.3 2.6

AÑO DE MINIMA 1988 1988 1988 1988 1988 1987 1987 1987 1988 1987

1987 1988

MINIMA DIARIA 0.0 0.0 0.5 4.0 4.0 2.0 6.0 1.7 2.0 0.5

0.0 -1.0

FECHA MINIMA DIARIA 21/1988 07/1988 20/1988 04/1988 14/1987 22/1987 02/1987 18/1998 10/1988 23/1999

02/1988 13/1997

AÑ0S CON DATOS 15 15 14 14 15 15 14 15 15 15

14 15

PRECIPITACION

NORMAL 6.6 6.1 12.5 21.9 59.5 147.4 191.5 167.7 145.7 75.7

6.8 8.2 849.6

MAXIMA MENSUAL 32.6 27.0 61.3 57.9 120.1 288.0 349.2 295.5 316.4 194.6

28.0 44.4

AÑO DE MAXIMA 1980 1982 1978 1985 1972 1978 1984 1976 1998 1984

1988 1976

MAXIMA DIARIA 24.0 22.5 34.3 17.7 52.7 56.5 65.8 79.5 61.4 84.5

28.0 36.2


30/1988 01/1983

AÑOS CON DATOS 22 21 21 21 22 22 21 22 22 22

21 21

EVAPORACION TOTAL

NORMAL

AÑOS CON DATOS

NUMERO DE DIAS CON

LLUVIA 1.5 1.9 3.3 6.1 10.0 15.7 21.0 20.2 15.9 8.5

1.9 1.4 107.4

AÑOS CON DATOS 22 21 21 21 22 22 21 22 22 22

21 21

NIEBLA 0.1 0.0 0.8 1.6 1.9 2.0 3.6 3.5 2.2 1.2

0.3 0.5 17.7

AÑOS CON DATOS 22 21 21 21 22 22 21 22 22 22

21 21

GRANIZO 0.0 0.0 0.0 0.4 0.7 0.5 0.7 0.5 0.6 0.0

0.0 0.0 3.4

AÑOS CON DATOS 22 21 21 21 22 22 21 22 22 22

21 21

TORMENTA E. 0.1 0.0 0.1 0.0 0.0 0.2 0.0 0.0 0.0 0.0

0.1 0.2 0.7

AÑOS CON DATOS 22 21 21 21 22 22 21 22 22 22

21 21




ESTACION: 00009012 COL. ESCANDON LATITUD: 19°25'00" N. LONGITUD: 099°10'00" W.

ALTURA: 2,245.0 MSNM.

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NOV DIC ANUAL

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TEMPERATURA MAXIMA

NORMAL 22.3 24.1 27.1 28.0 27.7 25.4 24.1 24.3 23.7 23.5

23.1 22.1 24.6

MAXIMA MENSUAL 26.5 27.1 30.0 31.5 30.5 28.9 26.8 26.2 26.0 25.6

26.1 26.0

AÑO DE MAXIMA 1982 1988 1973 1983 1983 1983 1980 1987 1987 1985

1985 1987

MAXIMA DIARIA 30.0 34.0 34.2 39.0 35.0 33.7 30.1 29.0 29.7 30.6

30.0 31.0


01/1985 25/1987

AÑOS CON DATOS 16 17 17 18 18 18 18 16 18 16

16 16

TEMPERATURA MEDIA

NORMAL 15.3 16.7 19.4 20.6 21.0 19.9 18.7 18.9 18.6 17.9

16.7 15.6 18.3

AÑOS CON DATOS 16 17 17 18 18 18 18 16 18 16

16 16

TEMPERATURA MINIMA

NORMAL 8.3 9.3 11.7 13.3 14.3 14.3 13.4 13.6 13.5 12.3

10.3 9.1 12.0

MINIMA MENSUAL 7.0 6.7 9.8 10.6 13.0 13.4 12.1 12.8 12.0 10.9

9.1 6.9

AÑO DE MINIMA 1973 1976 1972 1971 1976 1971 1974 1971 1975 1987

1974 1975

MINIMA DIARIA 2.0 1.0 2.6 5.2 9.0 9.0 8.6 10.0 7.0 7.0

0.0 2.0


30/1977 04/1979

AÑ0S CON DATOS 16 17 17 18 18 18 18 16 18 16

16 16

PRECIPITACION

NORMAL 10.7 8.0 10.1 21.3 60.3 150.0 167.8 135.3 125.4 55.8

6.4 6.1 757.2

MAXIMA MENSUAL 71.0 46.1 54.7 69.9 141.3 325.9 233.2 195.6 263.1 173.2

19.8 34.8

AÑO DE MAXIMA 1975 1982 1978 1985 1972 1986 1984 1973 1984 1971

1980 1976

MAXIMA DIARIA 35.5 41.3 31.0 21.0 44.5 63.0 52.0 64.4 57.5 74.0

14.3 14.8


03/1980 04/1979

AÑOS CON DATOS 16 17 17 18 18 18 18 16 18 16

16 16

EVAPORACION TOTAL

NORMAL

AÑOS CON DATOS

NUMERO DE DIAS CON

LLUVIA 1.7 1.9 2.9 6.2 11.6 16.2 19.9 17.7 14.4 7.5

2.4 1.5 103.9

AÑOS CON DATOS 16 17 17 18 18 18 18 16 18 16

16 16

NIEBLA 0.0 0.0 0.1 0.1 0.9 0.3 0.1 0.9 0.1 0.0

0.0 0.0 2.5

AÑOS CON DATOS 16 17 17 18 18 18 18 16 18 16

16 16

GRANIZO 0.0 0.0 0.2 0.0 0.1 0.2 0.2 0.4 0.2 0.0

0.1 0.0 1.4

AÑOS CON DATOS 16 17 17 18 18 18 18 16 18 16

16 16

TORMENTA E. 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 0.0

0.0 0.0 0.1

AÑOS CON DATOS 16 17 17 18 18 18 18 16 18 16

16 16




ESTACION: 00009047 COLONIA TACUBA LATITUD: 19°27'00" N. LONGITUD: 099°11'00" W.

ALTURA: MSNM.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------


NOV DIC ANUAL

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------

TEMPERATURA MAXIMA

NORMAL 23.1 24.5 27.3 28.1 27.9 25.2 23.8 24.1 24.1 24.0

23.8 23.4 24.9

MAXIMA MENSUAL 27.3 29.3 31.0 31.6 30.8 27.7 25.4 25.3 26.6 26.6

27.5 27.9

AÑO DE MAXIMA 1972 1972 1973 1972 1971 1982 1980 1972 1971 1972

1971 1971

MAXIMA DIARIA 31.0 32.0 34.0 36.5 37.0 33.0 28.0 28.5 30.0 28.5

32.0 29.5


29/1971 01/1971

AÑOS CON DATOS 18 18 18 17 16 16 16 16 16 16

17 16

TEMPERATURA MEDIA

NORMAL 14.8 16.0 18.6 19.8 20.3 19.1 18.0 18.2 18.2 17.4

16.3 15.4 17.7

AÑOS CON DATOS 18 18 18 17 16 16 16 16 16 16

17 16

TEMPERATURA MINIMA

NORMAL 6.5 7.5 9.8 11.6 12.7 13.0 12.3 12.3 12.3 10.9

8.7 7.4 10.4

MINIMA MENSUAL 5.3 4.8 7.4 9.9 11.2 12.4 10.3 11.0 10.8 9.1

7.1 5.0

AÑO DE MINIMA 1981 1976 1972 1977 1976 1974 1974 1972 1974 1987

1981 1973

MINIMA DIARIA 0.0 -1.0 0.5 5.0 8.0 7.5 7.5 10.0 5.0 5.0

0.5 1.0


27/1974 22/1977

AÑ0S CON DATOS 18 18 18 17 16 16 16 16 16 16

17 16

PRECIPITACION

NORMAL 6.0 4.0 9.6 21.3 56.0 153.6 162.4 140.0 118.3 53.5

7.6 6.4 738.7

MAXIMA MENSUAL 33.0 17.5 45.4 64.1 128.5 315.1 234.5 303.5 209.5 159.5

41.5 32.0

AÑO DE MAXIMA 1975 1982 1988 1985 1975 1986 1973 1973 1976 1978

1980 1976

MAXIMA DIARIA 20.5 12.5 30.2 40.0 40.0 57.5 48.0 89.5 68.5 38.0

40.0 18.0


03/1980 01/1976

AÑOS CON DATOS 18 18 18 17 17 16 16 16 16 16

17 16

EVAPORACION TOTAL

NORMAL

AÑOS CON DATOS

NUMERO DE DIAS CON

LLUVIA 1.1 1.3 1.8 4.3 9.4 16.0 18.8 15.2 12.8 6.2

1.9 1.6 90.4

AÑOS CON DATOS 18 18 18 17 17 16 16 16 16 16

17 16

NIEBLA 4.8 5.7 5.4 7.1 6.6 9.1 11.5 10.3 9.7 8.6

6.1 6.9 91.8

AÑOS CON DATOS 18 18 18 17 17 16 16 16 16 16

17 16

GRANIZO 0.0 0.1 0.1 0.3 0.2 0.6 0.1 0.3 0.4 0.1

0.1 0.0 2.3

AÑOS CON DATOS 18 18 18 17 17 16 16 16 16 16

17 16

TORMENTA E. 6.6 6.2 5.8 7.6 10.0 11.7 10.8 13.0 10.6 9.7

8.0 5.1 105.1

AÑOS CON DATOS 18 18 18 17 17 16 16 16 16 16

17 16




ESTACION: 00009039 PRESA TACUBAYA LATITUD: 19°23'00" N. LONGITUD: 099°13'00" W.

ALTURA: MSNM.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------


NOV DIC ANUAL

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------

TEMPERATURA MAXIMA

NORMAL 22.0 23.0 25.8 26.3 26.2 24.2 22.9 23.5 23.1 23.2

22.7 22.0 23.7

MAXIMA MENSUAL 24.2 25.8 28.9 29.1 30.1 27.7 25.2 25.7 25.8 25.4

24.0 23.9

AÑO DE MAXIMA 1973 1973 1973 1983 1983 1983 1980 1988 1987 1979

1972 1988

MAXIMA DIARIA 29.5 29.5 33.5 32.5 37.5 32.0 28.5 36.5 29.5 30.0

29.0 29.0


08/1981 10/1983

AÑOS CON DATOS 18 17 18 17 18 18 17 18 18 18

18 18

TEMPERATURA MEDIA

NORMAL 12.0 12.8 15.3 16.5 17.6 17.5 16.6 16.8 16.7 15.6

13.8 12.7 15.3

AÑOS CON DATOS 18 17 18 17 18 18 17 18 18 18

18 18

TEMPERATURA MINIMA

NORMAL 2.1 2.6 4.8 6.8 9.1 10.8 10.3 10.1 10.3 8.1

4.9 3.4 6.9

MINIMA MENSUAL -1.0 0.3 0.8 4.4 6.1 9.5 7.8 5.5 4.5 3.5

2.0 0.7

AÑO DE MINIMA 1986 1986 1986 1971 1985 1985 1986 1987 1988 1988

1984 1984

MINIMA DIARIA -5.0 -5.0 -3.0 -0.5 2.0 4.0 4.0 2.0 1.2 1.0 -

3.0 -4.0


27/1974 23/1972

AÑ0S CON DATOS 18 17 18 17 18 18 17 18 18 18

18 18

PRECIPITACION

NORMAL 8.0 7.3 10.7 21.1 57.5 149.7 193.5 145.8 129.5 61.2

5.5 8.0 797.8

MAXIMA MENSUAL 31.5 26.8 52.4 55.8 106.0 247.5 289.8 310.2 228.8 178.2

18.1 46.6

AÑO DE MAXIMA 1983 1982 1978 1985 1972 1986 1984 1976 1984 1984

1983 1983

MAXIMA DIARIA 16.9 22.6 30.5 19.5 59.5 69.0 53.8 79.2 46.5 73.4

8.5 36.6


03/1981 01/1983

AÑOS CON DATOS 18 17 18 17 18 18 17 18 18 18

18 18

EVAPORACION TOTAL

NORMAL 101.0 118.8 173.0 166.1 148.9 118.2 107.1 105.9 98.5 99.6

93.4 83.0 1,413.5

AÑOS CON DATOS 18 17 18 17 18 18 17 18 18 18

17 16

NUMERO DE DIAS CON

LLUVIA 1.7 2.4 3.5 6.5 12.3 17.0 21.4 20.8 17.4 8.3

2.7 1.4 115.4

AÑOS CON DATOS 18 17 18 17 18 18 17 18 18 18

18 18

NIEBLA 0.6 0.5 1.1 1.6 1.4 0.3 0.9 0.5 0.3 0.7

1.7 0.8 10.4

AÑOS CON DATOS 18 17 18 17 18 18 17 18 18 18

18 18

GRANIZO 0.0 0.0 0.0 0.1 0.1 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1

0.0 0.0 0.9

AÑOS CON DATOS 18 17 18 17 18 18 17 18 18 18

18 18

TORMENTA E. 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.8 0.7 0.6 0.8 0.5

0.5 0.2 5.1

AÑOS CON DATOS 18 17 18 17 18 18 17 18 18 18

18 18

Minimass

Capita

l del E

sta

do

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

Anual

Aguascalien

tes, Ags.

4.0

5.0

7.7

10.6

12.7

14.1

13.8

13.5

13.0

10.2

6.6

5.0

9.7

Mex

icali, B.C

. 4.2

6.5

8.4

11.7

15.2

19.6

24.5

24.2

20.8

14.8

8.7

4.7

13.6

La P

az, B.C

.S.

11.9

11.7

12.0

13.1

14.6

17.6

22.0

22.9

22.6

19.4

15.6

12.8

16.4

Cam

pech

e, Cam

p.

18.1

18.4

20.6

22.3

23.7

23.9

23.0

22.9

22.9

21.9

20.1

18.3

21.3

Saltillo

, Coah

. 5.0

5.7

10.0

12.5

15.2

16.2

16.4

15.8

14.6

11.8

8.1

6.0

11.4

Colim

a, Col.

15.3

15.1

15.7

17.0

19.2

21.3

21.0

20.7

20.7

19.9

17.9

16.3

18.3

Tuxtla G

utiérrez, C

his.

12.0

12.6

13.8

15.1

15.7

15.1

14.2

15.3

14.1

13.5

12.3

11.6

13.8

Chih

uah

ua, C

hih

. 2.1

3.8

7.0

11.0

14.6

18.4

18.9

17.9

15.7

10.7

5.4

2.4

10.7

Distrito

Fed

eral 5.8

7.1

9.2

10.8

11.7

12.2

11.5

11.6

11.5

9.8

7.9

6.6

9.6

Duran

go, D

go.

4.5

5.5

7.9

10.9

13.2

15.3

15.1

14.9

13.8

10.8

7.4

5.7

10.4

Guan

ajuato

, Gto

. 7.5

8.2

10.4

12.5

14.0

14.7

14.1

14.1

13.8

11.8

9.6

8.4

11.6

Chilp

ancin

go, G

ro.

12.9

13.2

14.6

16.0

17.4

17.9

17.2

17.1

17.2

16.5

14.8

13.4

15.7

Pach

uca, H

go.

5.7

6.3

8.5

9.9

10.5

10.8

10.4

10.4

10.2

8.5

7.1

6.1

8.7

Guad

alajara, Jal. 6.9

7.7

9.3

11.5

13.7

16.1

15.4

15.4

15.1

12.6

9.3

8.2

11.8

Tolu

ca, Méx

. 1.8

2.8

4.7

6.7

7.9

9.1

8.5

8.5

8.2

5.9

3.8

2.3

5.9

Morelia, M

ich.

6.7

7.8

10.1

12.2

13.8

14.6

13.9

13.7

13.0

11.4

9.2

7.4

11.2

Cuern

avaca, M

or.

12.6

13.3

15.1

16.7

17.2

16.7

15.7

15.6

15.4

14.6

13.8

12.9

15.0

Tep

ic, Nay

. 8.8

8.3

9.1

10.5

12.5

16.8

18.1

18.2

18.2

16.3

12.2

10.6

13.3

Monterrey

, N.L

. 8.9

10.7

13.9

17.8

20.3

22.0

22.3

22.3

20.9

17.3

12.7

9.9

16.6

Oax

aca, Oax

. 8.1

9.5

11.9

14.4

15.2

15.8

14.8

14.7

14.7

12.4

9.7

8.3

12.5

Pueb

la, Pue.

6.0

7.1

9.7

11.3

12.1

12.6

11.5

11.7

11.5

10.0

7.9

6.1

9.8

Querétaro

, Qro

. 6.3

7.1

9.5

12.0

13.6

14.4

13.9

13.7

13.3

11.1

8.6

7.0

10.9

Chetu

mal, Q

.Roo.

18.0

18.0

21.6

22.1

24.0

23.7

23.1

22.4

22.8

21.2

19.6

17.5

21.2

San

Luis P

oto

sí, S.L

.P.

4.7

5.0

8.9

10.9

12.8

13.0

12.6

12.2

12.1

9.9

7.4

5.8

9.6

Culiacán

, Sin

. 12.4

12.2

13.3

15.8

18.8

23.6

24.2

23.7

23.8

21.3

16.3

13.4

18.2

Herm

osillo

, Son.

8.9

9.8

11.5

14.3

17.8

22.8

25.5

24.7

24.3

19.2

13.0

9.5

16.8

Villah

ermosa, T

ab.

19.2

19.9

21.1

22.5

23.0

23.0

22.8

22.9

22.8

22.2

21.2

19.7

21.7

Cd V

ictoria, T

amps.

10.2

11.3

14.7

18.7

21.1

22.6

22.7

22.6

21.4

18.1

13.9

10.8

17.3

Tlax

cala, Tlax

. 5.0

6.0

8.3

10.3

11.3

12.3

11.4

11.4

11.5

9.6

7.3

5.7

9.2

Jalapa, V

er. 10.9

11.2

14.5

15.5

16.3

16.2

15.4

15.7

15.7

14.4

12.9

11.6

14.2

Mérid

a, Yuc.

17.5

17.6

19.7

21.0

22.2

22.7

22.4

22.5

22.5

21.1

19.3

17.9

20.5

Zacatecas, Z

ac. 6.4

6.7

8.6

11.2

12.5

12.2

11.0

11.1

10.8

9.9

8.8

6.8

9.7

Máxim

as

Capita

l del E

sta

do

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

Anual

Aguascalien

tes, Ags.

22.3

24.0

27.0

29.0

30.8

29.2

27.2

27.0

26.3

25.6

24.6

22.2

26.3

Mex

icali, B.C

. 20.4

23.2

25.8

29.7

34.1

39.4

41.7

40.9

38.7

32.8

25.5

20.9

31.1

La P

az, B.C

.S.

23.5

25.1

27.1

30.1

33.1

35.1

36.4

36.1

35.1

32.9

28.6

24.8

30.7

Cam

pech

e, Cam

p.

27.8

28.7

31.6

33.4

34.0

33.5

32.8

32.4

31.8

30.2

28.8

27.7

31.1

Saltillo

, Coah

. 19.7

20.7

25.7

28.1

29.9

30.1

29.4

28.8

26.5

24.7

22.2

20.2

25.5

Colim

a, Col.

31.2

31.7

32.9

34.2

34.7

33.5

32.3

32.0

31.0

31.4

32.1

31.1

32.3

Tuxtla G

utiérrez, C

his.

30.4

31.7

33.5

35.4

35.3

33.8

32.7

32.5

31.8

31.0

31.0

31.0

32.5

Chih

uah

ua, C

hih

. 18.1

20.1

23.5

27.4

30.9

33.5

31.6

30.5

28.6

26.0

21.5

18.1

25.8

Distrito

Fed

eral 21.2

22.9

25.7

26.6

26.5

24.6

23.0

23.3

22.3

22.2

21.8

20.8

23.4

Duran

go, D

go.

19.3

21.2

23.9

26.9

28.7

29.4

27.0

26.3

25.2

24.2

22.3

19.1

24.5

Guan

ajuato

, Gto

. 21.2

22.7

25.4

27.3

28.2

26.5

25.0

25.0

24.0

23.9

22.8

21.1

24.4

Chilp

ancin

go, G

ro.

27.7

28.7

30.5

31.4

30.9

28.3

27.4

27.7

27.0

27.6

28.2

27.9

28.6

Pach

uca, H

go.

18.7

20.0

22.6

23.4

22.9

20.7

19.4

19.8

18.9

18.8

18.8

18.4

20.2

Guad

alajara, Jal. 24.0

25.6

28.4

30.5

31.8

29.4

26.3

26.4

26.1

25.9

25.5

23.6

27.0

Tolu

ca, Méx

. 17.0

18.1

20.4

21.3

21.1

19.5

18.0

18.3

18.1

18.3

17.6

16.9

18.7

Morelia, M

ich.

21.6

23.0

25.6

27.0

27.5

25.6

23.5

23.6

23.2

23.2

22.8

21.5

24.0

Cuern

avaca, M

or.

25.7

27.2

29.6

30.5

30.1

27.6

26.5

26.4

25.6

26.0

26.3

25.8

27.3

Tep

ic, Nay

. 26.0

26.8

28.1

29.2

30.9

30.0

29.3

29.1

28.9

28.9

28.0

26.4

28.5

Monterrey

, N.L

. 20.3

22.6

26.3

29.8

31.3

33.1

34.1

33.7

30.7

26.9

22.7

20.6

27.7

Oax

aca, Oax

. 27.9

29.3

31.5

32.6

32.1

29.1

28.0

28.1

27.2

27.4

28.0

27.5

29.1

Pueb

la, Pue.

21.8

23.0

25.7

26.8

26.6

24.5

23.6

24.0

23.2

23.5

22.9

21.8

24.0

Querétaro

, Qro

. 23.3

24.7

27.7

29.7

30.4

28.7

27.0

27.1

26.1

25.5

24.6

23.0

26.5

Chetu

mal, Q

.Roo.

28.8

29.2

30.3

31.3

32.3

31.5

31.7

32.0

31.4

30.8

30.0

28.5

30.7

San

Luis P

oto

sí, S.L

.P.

20.8

21.7

25.4

26.9

27.7

25.2

23.5

22.8

23.0

22.2

21.3

19.8

23.4

Culiacán

, Sin

. 27.7

29.3

31.1

33.5

35.3

36.1

35.9

35.3

35.0

34.4

31.8

28.6

32.8

Herm

osillo

, Son.

23.6

25.7

27.8

32.1

35.7

39.6

39.2

38.2

37.8

34.6

28.5

24.1

32.2

Villah

ermosa, T

ab.

31.1

33.1

34.4

36.0

36.7

36.2

35.5

36.3

36.0

34.9

33.4

31.7

34.6

Cd V

ictoria, T

amps.

23.6

24.9

28.9

33.0

34.2

35.0

34.9

35.5

33.1

29.7

25.7

23.9

30.2

Tlax

cala, Tlax

. 20.2

21.4

23.8

24.8

24.7

22.8

21.7

22.1

21.5

21.8

21.3

20.1

22.2

Jalapa, V

er. 19.7

20.5

23.4

25.5

25.9

24.8

23.9

24.5

23.9

22.5

21.2

20.0

23.0

Mérid

a, Yuc.

28.5

29.5

32.6

34.2

34.7

33.7

33.1

33.2

32.2

30.6

29.4

28.2

31.7

Zacatecas, Z

ac. 13.6

15.0

17.7

20.3

21.5

20.7

18.8

18.6

17.6

16.6

16.0

13.5

17.5

NMX-ES-001-NORMEX-2005 FECHA DE INICIO DE VIGENCIA: 14 DE OCTUBRE DE 2005

N. E. 001 Página 1 de 65

PREFACIO

La Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.C. (NORMEX), es un Organismo Nacional de Normalización establecido el 3 de diciembre de 1993 en términos del Artículo 4 de los estatutos de la Acta Constitutiva de la Sociedad. Acreditado el 8 de diciembre de 1993 por la SECOFI Actualmente Secretaria de Economía – Dirección General de Normas para elaborar y expedir Normas Mexicanas con fundamento en los Artículos 3 Fracción 1, 65 y 66 de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización y de conformidad con las directrices y procedimientos para la acreditación de Organismos Nacionales de Normalización. La Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.C. (NORMEX), fue acreditada por la Dirección General de Normas para elaborar, modificar y expedir Normas Mexicanas en el área de energía solar, el 26 de agosto de 2004, No. Acreditamiento 0001-D oficio con número de folio: DGN.312 .01.2004.458 Fundamentado en el Artículo 51-A Fracción III de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización y del Artículo 43 del Reglamento de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización, se publicó en el Diario Oficial de la Federación del día 18 de febrero del 2005 el aviso de consulta pública del proyecto de norma. Con base; al Artículo 34 Fracción XI y XXX de la Ley Orgánica de la Administración; a los Artículos 51-A y 66 Fracciones II y V de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización; al Artículo 24 Fracciones I y XV del Reglamento Interior de la Secretaría de Economía; y por conducto de la Dirección General de Normas; se publicó y expidió en el Diario Oficial de la Federación, del día 15 de agosto del 2005, la declaratoria de vigencia como Norma Mexicana. Esta Norma Mexicana, entra en vigencia 60 días naturales después del anuncio de declaratoria de vigencia, la fecha de vigencia se señala en el encabezado de la Norma. La presente Norma Mexicana fue elaborada por el Subcomité de Calentadores Solares; del Comité Técnico de Normalización Nacional para Energía Solar, NESO-13, coordinado por la Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.C., con la colaboración de las siguientes empresas e instituciones: Miembros Promoventes:

Asociación Nacional de Energía Solar (ANES)

Comisión Nacional del Ahorro de Energía (CONAE)

Consejo de Ciencia y Tecnología de Guanajuato (CONCYTEG)

H. Ayuntamiento de Cuautitlán. Miembros Participantes:

Cámara Nacional de la Industria de la Transformación (CANACINTRA SECCION 40)

Centro de Investigación de Energía (CIE-UNAM)

Grupo Ovonics

Heliocol de México



IIC-Universidad de Guanajuato

Instituto de Geofísica de la UNAM

Instituto Politécnico Nacional – Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (IPN-ESIME)

Instalaciones Técnicas Especializadas, S.A.

IMPREMA.

Programa Universitario de Energía de la Universidad Nacional Autónoma de México (PUE-UNAM)

Secretaria de Economía / Dirección General de Normas (SE/DGN)

Secretaria de Energía (SENER)

Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación, S. C.

Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM)

Usol, S.A. de C.V.

Esta Norma Mexicana cumple; las Directrices de los procedimientos para la elaboración y actualización de Normas (NOR-03/01); la Edición de documentos de normalización – Anteproyectos, Proyectos y Normas Mexicanas NORMEX (NOR-03/02); la aprobación por consenso del Comité Técnico de Normalización Nacional para Energía Solar (NESO-13) y la conformidad de la Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación, S.C. La presente Norma Mexicana esta bajo la jurisdicción del Comité Técnico de Normalización Nacional para Energía Solar y la Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación, S.C. Con base; al Artículo 51 de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización y al Artículo 48 del Reglamento de la misma Ley, deberá revisarse o actualizarse esta Norma, a los 5 años siguientes a la publicación de la declaratoria de vigencia. Los comentarios que puedan surgir deberán ser enviados a la sede del Comité Técnico, sito, Dirección de Normalización de NORMEX, Circuito Geógrafos No. 20, Ciudad Satélite Ote., Naucalpan de Juárez, C.P. 53101, Estado de México, Teléfono 53 74 14 02, Fax 53 74 20 37, Correo electrónico [email protected].



ÍNDICE

PÁGINA 0.0 Introducción ................................................................................................................................................4 1.0 Objetivo ......................................................................................................................................................4 2.0 Campo de aplicación..................................................................................................................................4 3.0 Referencias ................................................................................................................................................4 4.0 Definiciones, Nomenclatura, Símbolos y abreviaturas ...............................................................................4 5.0 Clasificación ...............................................................................................................................................8 6.0 Especificaciones ........................................................................................................................................8 7.0 Muestreo ...................................................................................................................................................9 8.0 Criterios de aceptación ..............................................................................................................................9 9.0 Métodos de prueba ....................................................................................................................................9 10.0 Información al público ..............................................................................................................................28 11.0 Etiquetado ................................................................................................................................................28 12.0 Bibliografía ...............................................................................................................................................29 13.0 Concordancia con Normas Internacionales .............................................................................................29 14.0 Transitorio ................................................................................................................................................29 15.0 Anexos y apéndices .................................................................................................................................31



ENERGIA SOLAR- RENDIMIENTO TÉRMICO Y FUNCIONALIDAD DE COLECTORES SOLARES PARA CALENTAMIENTO DE AGUA- MÉTODOS DE PRUEBA Y ETIQUETADO.

SOLAR ENERGY-THERMAL PERFORMANCE AND FUNCTIONALITY OF SOLAR COLLECTORS FOR

WATER HEATING - TEST METHODS AND LABELLING 0.0 INTRODUCCIÓN La presente Norma Mexicana es elaborada para disminuir el consumo de combustibles fósiles y su consecuente emisión de contaminantes, utilizando la radiación solar como fuente alterna de energía primaria, para calentamiento de agua de uso sanitario. 1.0 OBJETIVO Esta Norma establece los métodos de prueba para determinar el rendimiento térmico y las características de funcionalidad de los colectores solares que utilizan como fluido de trabajo agua, comercializados en los Estados Unidos Mexicanos. 2.0 CAMPO DE APLICACIÓN Esta Norma aplica a los colectores solares que proporcionen únicamente agua caliente en fase líquida. 3.0 REFERENCIAS Para la correcta aplicación de la presente Norma se debe consultar la siguiente Norma Oficial Mexicana vigente: 3.1 NOM-008-SCFI-1993, Sistema General de

Unidades de Medida. 4.0 DEFINICIONES, NOMENCLATURA,

SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS Para efectos de la presente Norma Mexicana, se establecen las siguientes definiciones: 4.1 Definiciones. 4.1.1 Absorbedor Componente del colector solar que recibe la radiación solar incidente y la transforma en energía térmica. 4.1.2 Aire circundante Aire alrededor del colector solar que se está probando.

4.1.3 Área bruta Máxima área proyectada del modulo completo del colector solar, incluyendo la estructura integral. 4.1.4 Área de apertura Máxima área proyectada a través de la cual la radiación solar no concentrada entra al colector. 4.1.5 Capa absorbedora Material que cubre la superficie de absorción con la cual se maximiza la capacidad absorbedora de la radiación solar del colector solar. 4.1.6 Colector solar Dispositivo que absorbe la radiación solar incidente, la convierte en energía térmica y la transfiere al fluido que pasa por el. 4.1.7 Corrosión Deterioro de una superficie causada por una reacción química o electroquímica con el ambiente. 4.1.8 Cubierta superior Material o materiales que cubren el área de apertura del colector solar metálico cubierto y permiten el paso de la radiación solar al interior de éste. 4.1.9 Deformación severa Cualquier condición que modifica las dimensiones, impide el funcionamiento adecuado del colector solar. 4.1.10 Delaminación Separación de un material en capas. 4.1.11 Deterioro severo Cualquier condición que impida el funcionamiento adecuado del colector solar. 4.1.12 Eficiencia Instantánea Es la relación entre la energía útil y la energía solar incidente en el instante de la medición. 4.1.13 Emisión de Gases Generación de vapores de los materiales durante su exposición a temperaturas elevadas y/o presiones reducidas.



4.1.14 Encapsulado del colector solar Marco estructural que sostiene los componentes del colector metálico cubierto encapsulado y protege a los elementos internos del medio ambiente. 4.1.15 Fluido de Transferencia Medio líquido, el agua en el caso de esta Norma, que pasa a través de, o está en contacto con el colector solar y transporta la energía térmica fuera de éste. 4.1.16 Irradiancia Es la relación entre la energía removida por el fluido de transferencia durante un periodo de medición dado, y la radiación solar total (irradiación en MJ/m²), que incide sobre el área bruta del colector solar, durante dicho periodo de medición, expresada en porcentaje. 4.1.17 Piranómetro Instrumento para medir la radiación solar incidente total (directa más difusa, y reflejada en el caso de estar inclinado) colocado en cierto punto sobre la

superficie terrestre, expresada en unidades de irradiancia (W/m2 ). 4.1.18 Pirheliómetro Instrumento para medir la radiación solar directa incidente, colocado en un cierto punto de la superficie terrestre expresada en unidades de irradiancia (W/m2 ). 4.1.19 Presión máxima de operación Es aquella definida por el fabricante como la presión de trabajo para la cual fue diseñado el colector solar. 4.1.20 Rendimiento Térmico Es la relación de la energía térmica útil que el colector solar entrega, respecto de la energía de radiación solar que incide sobre su Área de Apertura, tomando en cuenta las características de la salida térmica del colector solar, determinadas por las pruebas a las que se sometió y que se especifican en esta Norma.

4.2 Nomenclatura

Tabla 1. Nomenclatura

Símbolo Descripción Unidades

α Absortancia de la superficie absorbedora de la radiación solar del colector solar

Adimensional

θ Angulo entre los rayos solares directos incidentes y la normal a la superficie del colector solar plano de cara al Sol (Área de Apertura).

Grados

β Altura angular aparente del Sol Grados φ Ángulo acimutal solar Grados τ Transmitancia de la cubierta del colector solar Adimensional

(τα) e Producto efectivo de la transmitancia por la

absortancia. Adimensional

(τα)e, n Producto efectivo de la transmitancia por la

absortancia a incidencia normal Adimensional

ηg Eficiencia del colector basada en el área bruta del colector

%

A, b, a’, b’ Constantes usadas en ecuaciones modificadoras por efectos del ángulo de la radiación solar directa incidente

Adimensional

B0 Constante usada en la ecuación modificadora

por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa

Adimensional

E Ecuación del tiempo Minutos F’ Factor de eficiencia de absorción de la placa

absorbedora Adimensional



K Factor definido por la ecuación 11 Adimensional K1 Factor modificador por efectos del ángulo de

incidencia de la radiación solar directa sobre colectores biaxiales

Adimensional

K2 Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre colectores biaxiales

Adimensional

Kd Irradiancia de la radiación difusa incidente en la dirección del ángulo modificador

Adimensional

Kloc Longitud geográfica Grados (Oeste) KOT Factor modificador por efectos del ángulo de

incidencia de la radiación solar directa Adimensional

Lst Longitud geográfica del meridiano estándar que determina el huso horario de la zona y en base al cual se establece la hora estándar local del observador.

Grados (Oeste)

LST Hora estándar local Horas decimales LSTM Longitud geográfica del meridiano del punto en

donde se localiza el observador correspondiente a la hora estándar local

Grados (Oeste)

N Día del año, enpezando con 1 para enero 1 ρ Reflectancia de una superficie reflejante de la

radiación solar Adimensional

Pλ Reflectancia espectral de una superficie reflejante de la radiación solar

Adimensional

Y Fracción de la radiación reflejada especularmente por un reflector y que no llega al área de recepción del colector solar

Adimensional

λ Longitud de onda de la radiación solar µm ∆λ i Intervalo de longitud de onda µm λi Longitud de onda especifica de la radiación

solar µm

∆P Caída de presión a través del colector Pa ∆t Diferencia de temperaturas °C A Área transversal m2 A2 Área frontal transparente de un colector no

concentrador, o área de apertura de un colector concentrador

m2

Ag Área bruta del colector m2 Ar Área absorbedora de un colector no

concentrador o el área de recepción de un colector concentrador

m2

AST Tiempo solar (o Tiempo solar verdadero). Horas decimales B Ángulo efectivo para determinar la ecuación del

tiempo Grados

CA Capacidad efectiva de calentamiento del colector solar

J/°C

Cp Calor específico del fluido de transferencia de calor

J/(Kg.°C)

Eµ Irradiancia solar espectral promediada sobre ∆λ i centrado en λi , para una masa óptica relativa de aire de 1.5.

(W/m2 ) / µm

G Irradiancia de la radiación solar global W/m2 Gbp Iirradiancia de la radiación solar directa W/m2



incidente sobre el Área de Apertura del colector Gd Irradiancia de la radiación solar difusa incidente

sobre el Área de Apertura del colector W/m2

GDN Irradiancia de la radiación solar directa que incide normal a la superficie del colector

W/m2

Gsc Constante solar 1367 W/m2 Gt Irradiancia de la radiación solar global incidente

sobre el Área de Apertura del colector W/m2

Ha Entalpía de la mezcla vapor- aire-agua del ambiente

J/kg

Hfe Entalpía de la mezcla vapor-aire-agua del ambiente a la salida del colector

J/kg

Hfi Entalpía de la mezcla vapor-aire-agua del ambiente a la entrada del colector

J/kg

HL Entalpía de la fuga de mezcla de vapor- aire-agua

J/kg

M Masa óptica relativa del aire, igual a 1/Sen(β) para β≥20˚

Adimensional

M Masa del fluido de transferencia de calor kg/s Me Nivel del flujo de la masa de aire kg/s Mt Índice del flujo de la masa de aire corriente

arriba kg/s

ML Flujo de masa de aire filtrada kg/s Pf-i Presión estática del fluido de transferencia de

calor a la entrada del colector solar Pa (Ibf/in2)

Pfe Presión estática del fluido de transferencia de calor a la salida del colector solar

Pa (Ibf/in2)

Qs Índice del flujo de aire corregido a condiciones estándar

m3/s

Qmi Media volumétrica del índice de flujo de aire a la entrada del colector

m3/s

Qu Tasa de extracción de energía útil del colector (energía por unidad de tiempo)

W (J/s)

t- Temperatura efectiva definida por la ecuación VI.1

°C

t—HHL Temperatura efectiva para una prueba de pérdida de calor dada por el índice de flujo

°C

t1, t2 Tiempo al iniciar y al finalizar un periodo de prueba

Horas y fracciones decimales o segundos

Ta Temperatura del aire o Temperatura del ambiente

°C

Tf Temperatura promedio del fluido °C tf,i Temperatura del fluido de transferencia

entrando al colector °C

tf,e Temperatura del fluido de transferencia de calor saliendo del colector

°C

tf,e, inicial Temperatura del fluido de transferencia saliendo del colector al iniciarse el periodo de la prueba, para la estimación de la constante de tiempo.

°C

tf,e,T Temperatura del fluido de transferencia de calor saliendo del colector en un momento específico

°C

tp Temperatura promedio de la superficie absorbedora de un colector no concentrador

°C

tr Temperatura promedio de la superficie °C



absorbedora de un colector concentrador UL Coeficiente para estimar las pérdidas durante la

transferencia de calor en el colector solar W/m2/°C)

Wn Humedad específica kg(H2O)/kg(aire seco)

Tabla 2. SISTEMA DE UNIDADES

MAGNITUD BÁSICA

UNIDADES EN EL SISTEMA

INTERNACIONAL

OTRAS

UNIDADES

Equivalencia en el Sistema

Internacional

Símbolo Nombre Símbolo Nombre Tiempo s Segundo Min 60 s. Minuto

Hr 3600 s. Hora Masa Kg Kilogramo

Fuerza N Newton kgf 9.81N Kilogramo fuerza

Energía J Joule MJ 10**6 J Megajoule Longitud M Metro µm. 10**(-6)m Micrómetro

Área m² Metro cuadrado Volumen m³ Metro cúbico ml 10**(-6)m³ mililitro Presión

Pa Pascal lbf/in² 0.6896 N/cm²

Potencia

W Watt J/s W

Densidad g/cm³ kg/m³ Irradiancia

W/m²

Irradiación J/m²

WH/m² 3600 J/m²

Temperatura ºK Kelvin

ºC (273.16+ºC)ºK Celcius

Voltaje V Voltio

µV 10**(-6)V microvoltio

5.0 CLASIFICACIÓN El colector solar al cual aplica esta Norma distingue a los siguientes cuatro tipos: 1) Colector solar metálico cubierto. 2) Colector solar metálico descubierto. 3) Colector solar de plástico cubierto. 4) Colector solar de plástico descubierto.

Esta clasificación es enunciativa más no limitativa. Los métodos de prueba de esta Norma son aplicables a cualquier colector solar determinado en esta clasificación o pueden ser aplicados a cualquier innovación tecnológica propuesta, siempre y cuando sean sujetos de ser sometidos a dichas pruebas. 6.0 ESPECIFICACIONES

• El colector solar metálico cubierto consiste de un elemento que actúa como absorbedor, el cual generalmente está cubierto con un material que permite una



máxima absorción de la energía solar. Éste se encuentra dentro de una caja que lo protege del ambiente, además de darle rigidez. Cuenta con un aislamiento térmico en la parte inferior y las caras laterales de la caja. La parte superior es una cubierta transparente que permite el paso de la radiación solar y evita las pérdidas de calor por convección del viento sobre el absorbedor.

• El colector solar metálico descubierto es un

elemento fabricado de lámina metálica en el cual la superficie que absorbe la radiación solar es esencialmente la superficie del colector solar.

• El colector solar de plástico descubierto es

un elemento fabricado de plástico en el cual la superficie que absorbe la radiación solar es esencialmente la superficie del colector solar.

• El colector solar de plástico cubierto es un

elemento con absorbedor de plástico y cubierta transparente.

Los colectores solares deben ser evaluados de acuerdo a los siguientes métodos de prueba: 6.1 Funcionalidad. Para evaluar la funcionalidad del colector solar se deben realizar las siguientes pruebas, cuyos procedimientos se describen en el punto 9 de esta norma: 6.1.1 Inspección a la recepción del colector. 6.1.2 Presión estática previa a la prueba de

exposición de treinta días. 6.1.3 Exposición de treinta días. 6.1.3.1 Exposición a la radiación solar. 6.1.3.2 Choque térmico con rocío de agua fría. 6.1.3.2 Choque térmico con circulación de agua

fría. 6.1.4 Presión estática posterior a la prueba de

exposición de treinta días. 6.1.5 Desarmado e inspección final de los

componentes del colector.

6.2 Rendimiento térmico. Para determinar el rendimiento térmico del colector solar se deben realizar las siguientes pruebas, cuyos procedimientos se describen en el punto 9 de esta norma. 6.2.1 Determinación de la constante de tiempo. 6.2.2 Rendimiento térmico. 6.2.3 Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar. 7.0 MUESTREO 7.1 Selección de la muestra. Se debe elegir una muestra que conste de tres unidades del mismo modelo de colector solar que se desee certificar. 8.0 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN 8.1 Certificación Si durante el proceso de las pruebas de funcionalidad se determina que el colector solar no puede continuar con este proceso, este será suspendido y elaborado el informe respectivo, como se indica en el punto 9.10. En este caso, se establece un periodo mínimo de 3 meses, para repetir la prueba con el mismo modelo considerando las modificaciones pertinentes. Si el colector solar pasa todas las pruebas de funcionalidad especificadas por esta Norma y ha sido sometido a las pruebas de rendimiento térmico, se otorgará la certificación correspondiente, como se indica en el punto 9.10 La certificación debe incluir el reporte técnico del rendimiento térmico del colector solar, conforme a los formatos incluidos en los anexos. 9.0 MÉTODOS DE PRUEBA 9.1 Secuencia de las pruebas.



Las pruebas de funcionalidad y rendimiento térmico al colector solar deberán realizarse de acuerdo a la siguiente secuencia: a) Inspección a la recepción del colector solar,

descrita en el punto 9.2 de esta Norma. b) Presión estática previa a la prueba de

exposición a la radiación solar durante treinta días, descrita en el punto 9.3 de esta Norma.

c) Exposición a la radiación solar durante treinta días, descrita en el punto 9.4 de esta Norma. c.1) Exposición a la radiación solar, descrita en el punto 9.4.1 de esta Norma. c.2) Choque térmico con rocío de agua, descrita en el punto 9.4.2 de esta Norma. c.3) Choque térmico con circulación de agua fría, descrita en el punto 9.4.3 de esta Norma.

d) Presión estática posterior a la exposición de treinta días, descrita en el punto 9.5 de esta Norma.

e) Determinación de la constante de tiempo, descrita en el punto 9.6 de esta Norma.

f) Rendimiento térmico, descrita en el punto 9.6 de esta Norma.

g) Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa, descrita en el punto 9.6 de esta Norma.

h) Desarmado e inspección final, descrita en el punto 9.7 de esta Norma.

Para la realización de estas pruebas se debe utilizar agua que cumpla con la especificaciones indicadas en la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, Salud ambiental, agua para uso y consumo humano - Límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilización. 9.2 Inspección a la recepción del colector solar. 9.2.1 Fundamento. Con objeto de establecer el estado inicial del colector solar y determinar si sufre cambios después de haber sido sometido a las pruebas establecidas por esta Norma, éste se deberá inspeccionar y documentar antes de las pruebas, según se especifica en el punto 9.2.4 9.2.2 Instrumentación. • Bascula con una precisión de ± 2,00 %. 9.2.3 Aparatos y equipos.

• No se requieren. 9.2.4 Procedimiento. Registrar los valores solicitados en el Formato A: Recepción del colector solar del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma. 9.2.5 Criterio de aprobación. El colector solar no debe presentar daños visibles, y por lo tanto debe ser susceptible de ser sometido a la secuencia de pruebas establecida por esta Norma. 9.3 Prueba de presión estática previa a la prueba de exposición de treinta días. 9.3.1 Fundamento. Con objeto de verificar su resistencia y capacidad de soportar las presiones a las que el colector solar se verá sometido durante su operación, previo a la prueba de exposición a la radiación solar durante treinta días el colector debe someterse a una prueba de presión estática. Ésta prueba será llevada a cabo bajo la siguiente condición: • Para colectores solares metálicos con cubierta

que trabajen a presión. Estos deben ser sometidos a una presión de 1,5 veces la presión máxima de operación definida por el fabricante. El valor mínimo de la presión de prueba será de 400 kPa manométrica.

• Para colectores solares plásticos con y sin

cubierta que trabajen a presión. Estos deben ser sometidos a una presión de 1,5 veces la presión máxima de operación definida por el fabricante, El valor mínimo de la presión de prueba será de 150 kPa manométrica.

• Para colectores solares metálicos y de plástico

con y sin cubierta que trabajen a presión menor a 100 kPa. Estos deben ser sometidos a una presión de 1,5 veces la presión máxima de operación definida por el fabricante. El valor máximo de la presión de prueba no deberá ser mayor a 150 kPa manométrica..

9.3.2 Instrumentación. • Manómetro con una exactitud de por lo menos

± 3,5 kPa.



9.3.3 Aparatos y equipos. • Fuente de presión hidráulica. • Dos válvulas. 9.3.4 Procedimiento. Esta prueba debe realizarse bajo techo y a temperatura ambiente con una variación de máxima de ± 5 ºC a) Registrar los valores de presión nominal de

operación y de prueba en la Sección a) del Formato B: Prueba de presión estática previa a la prueba de exposición a la radiación solar durante 30 días, del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma.

b) Instalar el manómetro en el tubo de salida del

colector solar. c) Instalar las válvulas, una en el tubo de entrada,

y la otra en el tubo salida, inmediatamente después del manómetro.

d) Llenar completamente el colector solar de agua

a temperatura ambiente, hasta que todo el aire del interior haya sido removido.

e) Cerrar la válvula de salida y verificar que el

manómetro esté en un valor de 0,00 kPa. f) Aplicar presión gradualmente, hasta alcanzar

un valor estable en la presión determinada por esta Norma en el punto 9.3.1

g) Cerrar la válvula de entrada y mantener esta

presión durante 15 minutos, verificando mediante el manómetro que la presión no varíe, así como los posibles cambios, fugas y deformaciones que pueda sufrir el colector en sus conexiones, soldadura y otros puntos susceptibles de dañarse.

h) Desconectar el equipo de presión para permitir

que el colector regrese a la presión atmosférica, verificando que el manómetro indique un valor de 0,00 kPa.

i) Registrar los resultados obtenidos en la

Sección b) del Formato B Prueba de presión estática previa a la prueba de exposición de 30 días del Anexo I.

9.3.5 Criterio de aprobación. • No debe existir fuga de agua.

• No debe existir caída de presión. • No debe existir deterioro o deformación severa.

(dilatación o estiramiento) 9.4 Prueba de exposición a la radiación solar del colector solar durante treinta días. Durante la prueba de exposición a la radiación solar del colector solar durante treinta días, se llevarán a cabo las siguientes tres pruebas: a) Prueba de exposición a la radiación solar. b) Prueba de choque térmico con rocío de agua. c) Prueba de choque térmico con circulación de

agua fría. 9.4.1 Prueba de exposición a la radiación solar. 9.4.1.1.Fundamento. Con el objeto de verificar la integridad del colector solar, éste se debe exponer por lo menos durante 30 días a una radiación solar incidente con valores de irradianción mínima por día de 29,0 MJ/m2, medida en el plano de su área de apertura. 9.4.1.2 Instrumentación. • Piranómetro. • Termómetro. 9.4.1.3 Aparatos y equipos. • Bomba para la extracción del fluido del colector

solar. 9.4.1.4 Procedimiento. a) Llenar de agua el colector solar y

posteriormente drenarlo por gravedad durante un periodo de 15 minutos. En algunos casos será necesario inclinar el colector solar para su drenaje completo. Aquellas unidades que sean demasiado grandes, y que no puedan ser drenadas mediante una inclinación, tendrán que ser drenadas mediante una bomba, hasta que el colector solar esté completamente vacío.

b) Colocar el colector solar en el banco de

pruebas, con una inclinación igual a la latitud geográfica del lugar donde se lleva a cabo la prueba, con una variación de ± 2,5 grados.

Registrar el ángulo de inclinación utilizado, en la Sección a) del Formato C: Prueba de



exposición a la radiación solar del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma.

c) Sellar herméticamente los tubos de entrada y

de salida del colector solar. d) Exponer el colector solar, sin agua, por lo

menos durante cuatro horas diarias en 30 días acumulados, a una irradiancia mínima de 700,00 W/m2 medida en el plano de apertura del colector solar. La temperatura ambiente promedio durante la prueba será no menor que 20,0 °C.

e) Tanto el primero como el último día de esta

prueba se realizará una revisión detallada del estado en que se encuentran los componentes del colector solar, según se especifica en la Sección b) del Formato C: Prueba de exposición a la radiación solar del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma.

f) Registrar diariamente la radiación solar

integrada (irradiación total diaria en MJ/m2), la temperatura promedio del aire circundante al colector solar y la precipitación pluvial total, en la Sección c) del Formato C: Prueba de exposición a la radiación solar del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma.

g) Realizar una inspección visual semanal,

considerando que el tiempo entre las inspecciones no exceda de siete días, registrando las condiciones observadas del colector solar en la Sección d) del Formato C: Prueba de exposición a la radiación solar del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma.

9.4.1.5 Criterio de aprobación. Se dará por terminado el proceso de las pruebas, cuando sea evidente que, el colector solar ha sufrido algún daño o degradación de sus componentes. 9.4.2 Prueba de choque térmico con rocío de agua. 9.4.2.1 Fundamento. Con objeto de verificar la resistencia del calentador solar plano a condiciones reales donde, después de estar expuesto por un largo periodo de tiempo a la

radiación y recibir en algún momento precipitación pluvial, éste no debe sufrir ningún daño a consecuencia del choque térmico. 9.4.2.3 Instrumentación. • Medidor de Flujo de agua. • Piranómetro. • Termómetro. • Cronómetro. 9.4.2.2 Aparatos y equipos. • Sistema hidráulico capaz de suministrar el flujo

de agua en forma de rocío. 9.4.2.4 Procedimiento. Durante tres días diferentes, que se encontrarán comprendidos en los últimos 10 días de la prueba de exposición a la radiación solar de treinta días, se llevará cabo la prueba con el siguiente procedimiento: a) Exponer el colector solar a una irradiancia no

menor a 800,00 W/m2, por un periodo de tiempo de al menos 60 minutos y dentro de las dos horas del mediodía solar o las doce horas tiempo solar verdadero. Véase el Anexo II. Conversión de la hora civil a tiempo solar verdadero.

b) Rociar el colector solar en su parte superior

uniformemente (cubierta transparente) durante un período de 5 minutos, con un flujo de agua no menor a 20,00 ml/s por metro cuadrado de colector, con un patrón de rocío diseñado para mojar la superficie como si se tratará de una precipitación normal de lluvia. La temperatura del agua deberá ser de 24,00 °C ± 1,00 °C.

c) Registrar los resultados obtenidos en el

Formato D: Prueba de choque térmico con rocío de agua del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma.

9.4.2.5 Criterio de aprobación. No debe existir penetración de humedad al interior del colector solar, ni ninguna deformación que provoque un mal funcionamiento. 9.4.3 Prueba de choque térmico con circulación de agua fría. 9.4.3.1.Fundamento.



Con objeto de verificar que el colector solar no sufra daños ocasionados por el choque térmico, que ocurre cuando en su operación normal, por alguna razón es drenado completamente, quedando expuesto a la radiación solar, y en algún momento es llenado con agua a temperatura ambiente, deberá realizarse la prueba de choque térmico con circulación de agua fría. 9.4.3.2 Instrumentación. • Medidor de flujo de agua. • Piranómetro. • Termómetro. • Cronómetro. 9.4.3.3 Aparatos y equipos. • Equipo de bombeo hidráulico. 9.4.3.4 Procedimiento. Durante la prueba de exposición a la radiación solar, y cuando el colector se encuentre vacío, por una ocasión exponerlo a una irradiancia mínima no menor a 800,00 W/m2 durante una hora. a) Mientras el colector solar está siendo expuesto,

conecte el equipo de bombeo hidráulico a la conexión de entrada y haga circular a través de sus conductos un flujo de agua de aproximadamente 17,00 ml/s por metro cuadrado de colector solar, durante 5 minutos. La temperatura del líquido entrante durante la prueba será de 24,00 °C ± 5,00 °C.

b) Registrar los resultados obtenidos en el

Formato E: Prueba de Choque Térmico con circulación de agua fría del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma.

c) Drenar el colector solar por gravedad durante

un periodo de 15 minutos. En algunos casos será necesario inclinar el colector solar para su drenaje completo. Aquellas unidades que sean demasiado grandes, y que no puedan ser drenadas mediante una inclinación, tendrán que ser drenadas mediante una bomba, hasta que el colector solar esté completamente vacío.

h) Colocar el colector solar en el banco de

pruebas, con una inclinación igual a la latitud geográfica del lugar donde se lleva a cabo la prueba, con una variación de ± 2,5 grados.

d) Sellar herméticamente los tubos de entrada y de salida del colector solar.

9.4.3.5 Criterio de aprobación. No debe existir penetración de humedad al interior del colector solar, ni agrietamiento, alabeo o pandeo de la cubierta principal. Los colectores solares podrán certificarse sin esta prueba, si sus diseños son tales que esta prueba no esté permitida. Esta declaración deberá ser manifestada por el fabricante y deberá incluirse en el reporte final de las pruebas de esta Norma, así como en la etiqueta y la calcomanía de información al consumidor. 9.5 Prueba de presión estática posterior a la prueba de exposición de treinta días. Al término de la prueba de exposición de treinta días, realizar una segunda prueba de presión estática, siguiendo el procedimiento establecido en la Sección 9.3.4. Registrar los resultados obtenidos en las secciones a) y b) del Formato F: Prueba de presión estática posterior a la prueba de exposición de 30 días, del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma. 9.6 Pruebas para la determinación de la constante de tiempo, el rendimiento térmico y el factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar. 9.6.1 Fundamentos. 9.6.1.1 Prueba de determinación de la constante de tiempo. Con objeto de determinar el tiempo de respuesta del colector solar, a fin de evaluar su comportamiento transitorio y seleccionar los intervalos de tiempo apropiados para las pruebas de eficiencia en estado cuasi-estable, se debe obtener la constante de tiempo del colector solar, esto es el tiempo requerido para que el fluido a la salida del mismo alcance un 63,2% de valor de estado estable. 9.6.1.2 Prueba de rendimiento térmico. Con objeto de determinar la eficiencia instantánea del colector solar y poder caracterizar su



comportamiento bajo un amplio rango de temperaturas de operación, se deberán someter a la prueba que se indica en el punto 9.6.4, a aquellos que han pasado con éxito todas las pruebas de funcionalidad establecidas por esta Norma. 9.6.1.3 Prueba para estimar el factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar. Con objeto de establecer el rendimiento del colector solar a diferentes ángulos de incidencia de la radiación solar directa, se deben llevar a cabo las pruebas para determinar el factor denominado modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar. 9.6.2 Instrumentación. 9.6.2.1 Medición de la radiación solar. 9.6.2.1.1 Radiómetros. Deben usarse un piranómetro para medir la irradiancia solar total ( o global) y un pirheliómetro montado en un seguidor solar para medir la componente de la radiación solar normal directa. Ambos instrumentos deben contar al menos con las características que a continuación se enuncian, de acuerdo con las normas que se establecen en el documento: “Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, WMO No. 8 Secretariat of the World Meteorological Organization, Geneve Switzerland, 5th Edition, 1983”. 9.6.2.1.1.1 Cambio de respuesta o señal eléctrica debido a la variación de la temperatura de los instrumentos. Durante las pruebas, el cambio en la respuesta de los instrumentos debido a las variaciones de la temperatura del instrumento debe ser menor al ±1%/°C. La comprobación de esta especificación debe llevarse a cabo utilizando la curva de la Respuesta contra Temperatura, determinada por el fabricante para cada instrumento específico. 9.6.2.1.1.2 Variación en la respuesta espectral. Los piranómetros y pirheliómetros empleados deben tener una sensibilidad constante, dentro del ±2%, respecto de la radiación solar espectral que tenga longitudes de onda en el rango de 0,3 a 2,5 micrómetros.

9.6.2.1.1.3 No linealidad de respuesta o señal eléctrica. A menos que la respuesta del piranómetro o pirheliómetro se encuentre dentro del ±1% de linealidad dentro del rango de la variación de la irradiancia existente durante la prueba, el piranómetro o pirheliómetro debe usarse consultando su curva de calibración que relaciona la señal eléctrica con la irradiancia, la medición de estas variables debe realizarse con una exactitud de ±1%. 9.6.2.1.1.4 Constante de tiempo del piranómetro y del pirheliómetro. La constante de tiempo del piranómetro y el pirheliómetro, se define como el tiempo requerido por el instrumento para alcanzar una lectura reducida en 63,2% (0,632= (1-(1/e))) después de sufrir un cambio drástico en el valor de la irradiancia solar incidente inicial, este tiempo debe ser al menos menor a 5 segundos para ambos instrumentos. 9.6.2.1.1.5 Variación de la respuesta con el ángulo de incidencia de la radiación solar directa (solo para piranómetros). Idealmente la respuesta del piranómetro es proporcional al coseno del ángulo de incidencia (altura angular aparente del sol) de la radiación solar directa y es constante para todos los ángulos de acimut solar. A menos que la desviación de la respuesta o señal eléctrica del piranómetro por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sea menor que ±1 % con respecto a una respuesta ideal regida por el coseno de los ángulos de incidencia encontrados durante las pruebas, el piranómetro debe usarse utilizando la última curva de calibración que relaciona su respuesta con el ángulo de incidencia de la radiación solar directa, medida con una exactitud dentro del ± 1%. 9.6.2.1.1.6 Variación de la respuesta con la inclinación (solo para piranómetros). A menos que la respuesta del piranómetro varíe menos del ±1 % para inclinaciones que fluctúan desde la posición horizontal hasta una inclinación máxima encontrada durante cualquiera de las pruebas, el piranómetro debe usarse consultando la última curva de calibración que relaciona su



respuesta con el ángulo de inclinación, medida con una exactitud dentro del ±1 %. 9.6.2.1.1.7 Consideraciones que se deben tomar para que los efectos del gradiente de temperatura se minimicen. El instrumento (piranómetro o pirheliómetro) usado durante las pruebas debe ser colocado en su posición de prueba por lo menos durante 30 minutos para permitir que alcance su equilibrio térmico antes de iniciar la recolección de datos. 9.6.2.1.2 Sobre la vigencia y periodicidad de la calibración. El piranómetro y pirheliómetro deben ser calibrados respecto de su respuesta o señal eléctrica en función de la irradiancia solar incidente, a lo cual generalmente se le llama Constante de Calibración expresada en µV/(W/m²), a lo más 12 meses previos a cualquiera de las pruebas a las que se someterá el colector solar. Esta calibración debe realizarse contra instrumentos de referencia (piranómetro o pirheliómetro, según sea el caso) cuya incertidumbre en su calibración, de acuerdo con las normas de medición establecidas, sea conocida. Cualquier cambio en su Constante de Calibración mayor al ±1 %, dentro de un periodo de un año, justificará una calibración más frecuente o el reemplazo del instrumento. Todas las Constantes de Calibración deben estar referidas a la Referencia Radiométrica Mundial, RRM (World Radiometric Reference o WRR). La Referencia Radiométrica Mundial representa la medición estándar de una unidad de irradiancia, en el Sistema Internacional de unidades, con una incertidumbre del ±0.3%. La RRM fue adoptada por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y se puso en vigencia a partir del 1 de julio de 1980. Esta referencia se establece en base al Grupo Estandar Mundial (WSG por sus siglas en inglés) formado por 7 radiómetros absolutos de cavidad, los cuales mantienen una estabilidad de largo periodo con una variación de no más del ±0.2% y una exactitud y precisión dentro de los límites de la RRM. Este Grupo tiene como sede el Centro Radiométrico Mundial, en Davos, Suiza. 9.6.2.2 Mediciones de temperatura. 9.6.2.2.1 Métodos. Las mediciones de temperatura deben realizarse de acuerdo con la Norma ASHRAE 41.1-74 , de

acuerdo a la Norma ASHRAE Standard 41.1-74, “Standard Measurement Guide: Section on Temperature Measumerements”, ASHRAE,Inc., 1971 Tulli Circle NE,Atlanta, GA 30329. 9.6.2.2.2 Exactitud y precisión. La exactitud y precisión de los instrumentos, incluyendo sus mecanismos asociados debe estar dentro de los límites como sigue: Precisión del

Instrumento* Exactitud del Instrumento**

Temperatura ±0,5 °C ±0,2 °C Diferencia de Temperatura

±0,1 °C ±0,1 °C

* La capacidad del instrumento para indicar el valor real de la cantidad medida. ** Proximidad de los datos medidos en forma repetida de la misma cantidad física. 9.6.2.2.3 Constante de tiempo. En la mayoría de los casos de prueba en estado cuasi-estable, el tiempo de respuesta de los sensores de temperatura es de importancia secundaria. Los casos en que el tiempo de respuesta puede ser importante son durante las mediciones de la constante de tiempo en estado transitorio y las mediciones del factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa con valores altos usando el Método 2 descrito en la Sección 9.6.5.2. Deben usarse termopares y termistores con constantes de tiempo de menos de 1 segundo, y termómetros de resistencia de precisión con constantes de tiempo menores a 10 segundos. 9.6.2.2.4 Medidas de diferencia de temperatura a través del colector solar. Los mecanismos de medición de diferencia de temperatura deben ser calibrados para el rango de temperaturas y la diferencia de temperaturas encontradas en cualquiera de las pruebas. Los mecanismos recomendados para medir la diferencia de temperatura del agua a través del colector solar son: a) Un termopar tipo T. b) Termómetros de resistencia de precisión,

separados o conectados en dos brazos de un circuito puente.

c) Termómetros de precisión.



d) Termistores de precisión separados o conectados en dos brazos de un circuito puente.

e) Juego de termopares tipo T. Esta lista es enunciativa mas no limitativa, por lo que se pueden utilizar otros dispositivos semejantes o mejores que los listados anteriormente. 9.6.2.3 Mediciones de flujo másico de agua a través del colector solar. La precisión en la medición del flujo másico de agua debe ser menor al ±1,0 % del valor medido en unidades de masa por unidad de tiempo. 9.6.2.4 Registradores de datos. 9.6.2.4.1 Escala del instrumento. En ningún caso la escala del instrumento o del sistema de éste debe exceder dos veces la precisión especificada. Por ejemplo, si la precisión especificada es ±0,1 °C, la escala no debe exceder 0,2°C. 9.6.2.4.2 Exactitud del instrumento. Los registradores de datos digitales y análogos deben tener una exactitud igual o mayor que ± 0,5% de la lectura de escala completa, y tener una constante de tiempo menor a 1 segundo. La indicación de señal pico debe encontrarse entre el 50% y el 100% de la escala completa. 9.6.2.4.3 Precisión del instrumento. Las técnicas digitales y los integradores electrónicos usados deben tener una precisión igual o mayor que ±0,1% del valor medido. 9.6.2.4.4 Impedancia del instrumento. La impedancia de entrada de los registradores debe ser mayor que mil veces la impedancia de los sensores o 10,00 MΩ cualquiera que sea mayor.

9.6.2.5 Mediciones de presión en el colector solar. La presión de entrada del colector solar y la caída o cambio de presión a través del mismo deben ser medidas con un dispositivo que tenga una precisión de ±3,50 kPa. 9.6.2.6 Tiempo transcurrido. Las medidas de tiempo transcurrido deben ser hechas para una precisión de ±0,20%. 9.6.2.7 Velocidad del viento. La velocidad del viento debe ser medida con un instrumento y un dispositivo asociado que permita la lectura de la señal de salida cada minuto, para determinar la velocidad del viento promedio a partir de la integral correspondiente a cada periodo de prueba, durante el cual se realizarán las mediciones con una precisión de ± 0,80 m/s. 9.6.3 Aparatos y equipos. 9.6.3.1 Fluido de transferencia. La configuración de prueba para los colectores solares se muestra en la figura 1, la cual es esquemática y no se encuentra a escala. 9.6.3.2 Montaje del colector solar. El colector solar debe ser montado sobre el banco de prueba aislado tal como fue recibido (ver el Formato A: Recepción del colector solar del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas), de tal forma que se permita el libre flujo de aire alrededor de todas sus superficies. 9.6.3.3 Mediciones de temperatura ambiente. Las mediciones de temperatura ambiente deben ser representativas de las condiciones de temperatura ambiental que rodea al colector solar durante las pruebas. Cualquiera de los siguientes dos métodos es aceptable.



Figura 1. Configuración del banco de pruebas: circuito cerrado.



MMééttooddoo 11:: el sensor de temperatura ambiente o termómetro debe ser alojado en un abrigo o garita meteorológica estándar bien ventilada, con la parte baja del sensor a 1,25 m por encima del nivel del piso. La puerta del abrigo debe estar orientada hacia el norte; cuando éste se encuentre abierto se deberá tener cuidado de que los rayos directos del sol no incidan sobre el sensor. El abrigo del instrumento debe ser pintado de blanco por fuera y no debe encontrarse a una distancia menor de dos veces la altura de alguna obstrucción (árboles, bardas, edificios, etc.). MMééttooddoo 22:: el sensor de temperatura ambiente debe ser alojado en un receptáculo con pantalla sombreadora de dimensiones adecuadas, ubicado por lo menos a 15,00 cm detrás del colector solar para que su temperatura no aumente por la incidencia de la radiación solar directa. Ver Norma ASHRAE 41.1-74 , de acuerdo a la Norma ASHRAE Standard 41.1-74, “Standard Measurement Guide: Section on Temperature Measumerements”, ASHRAE,Inc., 1971 Tulli Circle NE,Atlanta, GA 30329 9.6.3.4 Mediciones de la radiación solar global y directa. Las mediciones de la radiación solar (global o directa) deben reportarse en términos de su irradiancia dada en W/m², acompañadas de la fecha, hora local y de la hora en Tiempo Solar Verdadero que corresponda al sitio de pruebas. Ver Anexo III: Determinación de la cantidad de agua caliente obtenida por día. El piranómetro debe cumplir con los requisitos especificados en la Sección 9.6.2.1 y debe ser montado de tal manera que su sensor sea coplanar al plano de apertura del colector solar y no debe proyectar ninguna sombra sobre éste durante el período de prueba. Asimismo debe ser montado de tal forma que reciba la misma radiación solar por unidad de área que el colector solar y sea adyacente a la periferia media superior del mismo. También se debe cuidar que los cables u otros componentes de conexión se encuentren sombreados, con objeto de minimizar el calentamiento de las conexiones eléctricas. Deben tomarse precauciones para minimizar la incidencia de la radiación reflejada proveniente del colector solar y en dirección del piranómetro. Algunos de estos cuentan con plato delimitador de su campo de visión y los que no lo tienen, pueden

ser susceptibles de error debido a reflejos de radiación solar que se originen por debajo del plano del sensor. La irradiancia de la radiación solar directa normal debe medirse usando un pirheliómetro montado en un seguidor solar (helióstato); además, el pirheliómetro debe cumplir con las especificaciones de la Sección 9.6.2.1. 9.6.3.5 Mediciones de diferencia de temperatura a través del colector solar. La diferencia de temperatura del agua entre la entrada y la salida del colector solar debe ser medida de acuerdo a la Sección 9.6.2.2. Para minimizar los errores en la medición de temperatura, cada sonda debe estar ubicada tan cerca como sea posible de la entrada o salida del colector solar y debe colocarse dentro de un dispositivo mezclador ubicado como se muestra en la figura 1. Adicionalmente, la tubería o el cabezal entre el dispositivo mezclador y el colector solar debe estar aislada de tal manera que la pérdida o ganancia calculada de calor por el aire ambiente no cause un cambio en la temperatura para ningún periodo de prueba de más de 0,05°C entre cada dispositivo mezclador y el colector solar. Véase el Anexo IV: Procedimiento para evaluar y corregir las pérdidas de calor en los cabezales. 9.6.3.6 Medición de temperatura del fluido de transferencia. La temperatura del agua en cada una de las dos posiciones citadas en el punto 9.6.3.5, debe también ser medida colocando sensores apropiados dentro de los dispositivos de mezclado (excepto para el caso en que se empleen termómetros de precisión para determinar la diferencia de temperatura). Ver Norma ASHRAE 41.1-74, de acuerdo a la Norma ASHRAE Standard 41.1-74, “Standard Measurement Guide: Section on Temperature Measumerements”, ASHRAE,Inc., 1971 Tulli Circle NE,Atlanta, GA 30329. 9.6.3.7. Mediciones de presión. Se debe tener precaución al determinar la presión manométrica del agua entrante y al determinar la caída de presión a través del colector solar. Para los requerimientos en precisión ver la sección 9.6.2.5. La presión debe ser medida usando tomas de presión estática. Los bordes de las perforaciones para las tomas en su superficie



interior deben estar libres de irregularidades y su diámetro no debe exceder 40,00 % del espesor de la pared o 1,60 mm. Las tomas de presión deben ser colocadas entre la entrada o salida del colector solar y la sección de medición de temperatura correspondiente. Si la entrada y la salida se encuentran a diferentes alturas, debe hacerse una corrección por la presión estática ocasionada por esta diferencia. 9.6.3.8 Aparato de acondicionamiento de agua. El aparato de acondicionamiento de agua debe controlar, en todo momento durante el periodo de prueba, la temperatura del agua que entra al colector solar dentro de ± 0,05 °C del valor de prueba deseado. El uso de un banco de pruebas de circuito cerrado requiere el uso de un intercambiador de calor para enfriar el agua y el uso de un calentador de resistencia eléctrica ajustable en línea, para controlar la temperatura de entrada a los valores de prueba prescritos, tal como se muestra en la figura 1. 9.6.3.9 Equipo adicional. Deben instalarse una bomba y un dispositivo para ajustar el flujo de agua en los sitios mostrados en la figura 1. Dependiendo del diseño del banco de prueba, puede requerirse el uso de una válvula de control adicional en la línea, precediendo la entrada al colector solar para tener un control apropiado del flujo. Tal y como se muestra en la configuración de prueba de circuito cerrado, figura 1, deben instalarse un tanque de almacenamiento, un tanque de expansión, un sistema de purga de aire y una válvula de alivio. Esto con objeto de estabilizar el flujo de agua y permitir que ésta se expanda y contraiga libremente en el sistema. Dependiendo del diseño, en algunas ocasiones, un tanque de expansión y una válvula de alivio deben instalarse entre la bomba y el colector solar cuando se utilice un banco de pruebas de circuito abierto. Deben instalarse filtros y una mirilla transparente dentro del banco de pruebas, con objeto de asegurar que el agua que está pasando a través del colector solar esté libre de contaminantes, incluyendo burbujas de aire y otros gases no condensables.

9.6.3.10 Condiciones de viento para las pruebas. La medición de la velocidad de viento debe hacerse en los alrededores inmediatos del colector solar, a la altura media del mismo, y en una ubicación en la que el anemómetro no tenga obstrucciones de viento y que a la vez no proyecte sombra sobre el colector solar durante las pruebas. También debe ser determinada y reportarse la dirección del viento promedio para cada periodo de prueba. 9.6.4 Procedimientos de prueba y cálculos. 9.6.4.1 Descripción. El rendimiento térmico del colector solar se determina mediante la obtención de valores de eficiencia instantánea de una combinación de valores de radiación incidente, temperatura ambiente, y la temperatura del agua de entrada. Esto requiere medir experimentalmente la radiación solar incidente sobre el colector solar, así como la tasa de incremento de la energía calorífica en el agua mientras pasa a través del colector solar, todo bajo condiciones de estado estacionario o cuasi-estacionario. Asimismo, deben realizarse pruebas para determinar las características del tiempo de respuesta del colector solar, así como la manera en que su eficiencia térmica en estado estacionario varía según los diferentes ángulos con los que la radiación solar directa incide respecto de la normal al área de apertura del colector solar. Los procedimientos delineados en esta Norma han sido desarrollados para controlar las condiciones de prueba, de tal manera que se pueda obtener una curva de eficiencia bien definida con un mínimo de dispersión de datos. 9.6.4.2 Ecuaciones básicas de la eficiencia térmica. El rendimiento de un colector solar operando bajo condiciones de estado estables puede ser descrito con la siguientes relación: Ecuación 1

)t -(t C A

m )t -(t UF - )( FGt Aq

if,ef, Pa

aif,LReRa

u &== τα

Si la eficiencia del colector solar se define como: Ecuación 2



lectoreSobreElcoarIncidentEnergiaSollcolectorregadaPorEEnergiaEnt

g =η

entonces, la eficiencia del colector solar se obtiene con la siguiente ecuación: Ecuación 3

GA

)t-.(tC m ])/Gt-(t U- )[(F )AA(

tg

if,ef,Ptaif,Le R

g

a &== ταηg

La ecuación 3 indica que si la eficiencia ηg , para un colector solar se gráfica en función de (tf,i – ta)/Gt , se obtiene una línea recta, o casi recta, lo que

muestra que UL es constante. La pendiente es igual a (Aa/Ag) FR UL y la intersección en el eje de las ordenadas es igual a (Aa/Ag) FR (τα)e. (véase anexo V: Método de cálculo del valor ponderado del producto de la transmitancia - absorbancia). En realidad, UL no es siempre una constante pero puede ser una función de la temperatura de la placa absorbedora del colector solar y de las condiciones climáticas del ambiente. Además, el producto (τα)e varía con el ángulo de incidencia de la radiación solar. La figura 2 muestra resultados típicos de las pruebas.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 0.2 0.4 0.8

Efic

ienc

ia té

rmic

a de

l CSP

Absorebdor de cobre con Cromo selectivo negro, una cubierta de vidrio, agua enfriada

Absorebdor de cobre con pintura negra, una cubierta de vidrio, agua enfriada

Figura 2. Ejemplos de curvas de eficiencia térmica.

A pesar de que una representación lineal de la curva de eficiencia suele ser suficiente para muchos colectores solares, algunos otros pueden requerir el uso de una ecuación de mayor grado como se indica en el punto 3 Referencias 9.6.4.3 Ecuaciones básicas de la Constante de tiempo del colector solar. Es necesario determinar el tiempo de respuesta del colector solar para poder evaluar su comportamiento transitorio y seleccionar los intervalos de tiempo apropiados para las pruebas de eficiencia en estado cuasi-estable o en estado estable.

Siempre que existan condiciones transitorias, las igualdades definidas por las ecuaciones 1 a 3 no definen el rendimiento térmico del colector solar ya que una parte de la energía solar absorbida es usada para calentar al colector solar y a sus componentes, o una parte de la energía perdida enfría al colector solar. La ecuación del comportamiento transitorio de un colector solar es: Ecuación 4

)t-(t AC m )t-(t UF - )(GF

dTdt

AC

if,ef,g

Paif,LRet R

f

a

a &== τα

Si:

(tf,i – ta)/Gt



(a) la radiación solar Gt sufre un cambio rápido

y permanece constante, y si (b) (τα)e, UL, ta. m, y Cp pueden ser

considerados constantes durante el periodo de transición, y si

(c) la tasa de cambio de la temperatura del fluido de transferencia de salida en el tiempo está relacionada a la tasa de cambio de la temperatura promedio del agua en el tiempo por la relación:

Ecuación 5

dTdt

dTdt ef,f K=

Donde, de acuerdo al documento de Simon, F.F., “Flat-Plate Solar Collector Performance Evaluation with a Solar Simulator as a Basis for Collector Selection and Performance Prediction”, NASA TM X-71793, 1975 and Solar Energy, Vol. 18, 1976. Ecuación 6

][ 1-FF'

A UF'C m

RaL

P&=K

Entonces la ecuación 4 se puede resolver para obtener la temperatura de salida del fluido de transferencia cómo función de tiempo en la forma siguiente: Ecuación 7

]TC/K Cm[ - if,iniciale,f,aPaif,LRet R

if,Te,f,aPaif,LRet R Ape )t-)(t/AC m(-)t-(t UF - )(GF

)t-)(t/AC m(-)t-(t UF - )(GF &

&

&=

τατα

La cantidad KCA/mCp se conoce como constante de tiempo y representa el tiempo requerido por la cantidad del lado izquierdo en la ecuación 7 para cambiar de 1,00 hasta 0,368, dónde 0,368 es igual a 1/e. 9.6.4.4 Ecuaciones básicas para determinar el factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar. El factor de transmitancia-absortancia efectiva (τα)e en la ecuación 3 puede ser reemplazado por el valor a la incidencia normal, (τα)e,n , si el factor

llamado modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar, Kατ , es introducido. Entonces, la ecuación 3 se convierte en: Ecuación 8

] G

)t-(t U- )([KF )AA(

t

aif,Lne, R

g

a ταη ατ=g

Por lo tanto, para colectores solares: Ecuación 9

)(K )( ne,e τατα ατ= Se puede mostrar que para una gran variedad de colectores solares, Kατ debe variar con el ángulo con el que la radiación solar incide, de acuerdo con la expresión general: Ecuación 10

1) - cos

1(1K 0θ

τα b−=

Para determinar la constante bo , debe utilizarse el procedimiento mostrado en el Anexo VI: Del procedimiento para determinar el factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa. La figura 3 muestra la variación de Kατ con el ángulo de incidencia para tres colectores solares. La figura 4 muestra trazos para Kατ cómo una función de [(1/cosθ - 1)], y verifica la aplicabilidad de la forma general de la ecuación 10. La importancia del modificador de ángulo de incidencia en los procedimientos de prueba aquí descritos es que los valores de eficiencia térmica son determinados por el colector solar en, o cerca, de condiciones de incidencia normales. Por lo tanto, la intersección en el eje de las ordenadas en la curva de eficiencia es igual a (Aa/Ag)FR. (τα)e,n para un colector solar. Para determinar el valor de Kατ se hace una medición aparte, de tal forma que el rendimiento del colector solar pueda ser predicho bajo un amplio rango de condiciones y/o horas del día usando la ecuación 8.



Figura 3. Factor modificador por efectos del

ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar para tres colectores solares con una capa no selectiva en el absorbedor, en función del ángulo de incidencia.

Figura 4. Factor modificador por efectos del

ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar para tres colectores solares con una capa no selectiva en el absorbedor en función de [(1/cosθ - 1)].

El procedimiento para utilizar la curva de eficiencia normal y los factores modificadores por efectos del ángulo de incidencia, para calcular la energía generada en un día, se ilustran en el Anexo III: Determinación de la cantidad de agua caliente obtenida por día. Asimismo, se debe considerar, para determinar la irradiación solar horaria (en MJ/m²), el Tiempo Solar Verdadero, y la altura solar aparente, ya que la irradiancia solar total que incide sobre la superficie varía dependiendo de la hora del día (anexo VII: Fórmulas para la determinación del ángulo θ, que forman la dirección de incidencia de la radiación solar directa y la normal a la superficie del colector). 9.6.4.4 1 Colectores solares que requieren más de un modificador de ángulo de incidencia. Se reconoce que hay colectores para los cuales Kστ no es simétrico con respecto a la dirección de incidencia de la radiación solar. Algunos colectores solares con un diseño asimétrico en las cubiertas, o en las placas absorbedoras, pueden requerir la determinación de los modificadores del ángulo de incidencia en más de un plano para determinar la respuesta asimétrica a la irradiancia, según el azimut solar y la variación de los ángulos de altitud a lo largo del día. 9.6.5. Procedimiento para la prueba. La primer prueba de rendimiento que debe realizarse a un colector solar, es la determinación de su constante de tiempo. El método para realizar esta prueba se explica en la sección 9.6.5.2.1. Después de ser completada, una serie de pruebas de eficiencia térmica se llevan acabo como se explica en la sección 9.6.5.2.2.1 Finalmente el Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar es determinado como una función del ángulo de incidencia de acuerdo con la sección 9.6.5.2.3. Los resultados de estas pruebas deben reportarse usando el formato del Anexo VIII: Datos e información a registrar de las Pruebas de Rendimiento Térmico.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

0 15 30 45 60

Ángulo de incidencia en Grados

Mod

ifica

dor d

el á

ngul

o de

inci

denc

ia

Cubierta sencilla

Cubierta doble

Mylar + Cubierta sencilla

Coeficiente de extinción del vidrio = 0.08 cm

Indice de refracción de del vidrio=1.53

Absorción del absorbedor = 0.9

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

0 15 30 45 60

Ángulo de incidencia en Grados

Mod

ifica

dor d

el á

ngul

o de

inci

denc

ia

Cubierta sencilla

Cubierta doble





0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Mod

ifica

dor d

el á

ngul

o de

inci

denc

ia

Cubierta sencilla

Cubierta doble





(1/cos θi) - 1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Mod

ifica

dor d

el á

ngul

o de

inci

denc

ia

Cubierta sencilla

Cubierta doble





(1/cos θi) - 1



9.6.5.1 Condiciones para las pruebas. Para determinar la eficiencia térmica o el Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar mediante 9.6.5.1.2, se deben cumplir las siguientes condiciones. 9.6.5.1.1 Valor mínimo de irradiancia solar. Las pruebas deben ser desarrolladas de tal manera que el promedio de la irradiancia global medida en una superficie normal a la dirección de incidencia del flujo de energía solar (irradiancia) directa, no sea menor de 800,00 W/m2. Un registro gráfico con una velocidad de graficación de 30,00 cm/h o mayor, debe ser usado para monitorear la señal de salida del piranómetro, de tal forma que se pueda asegurar que la radiación incidente se ha mantenido estable durante el periodo de prueba. Asimismo, cualquier integrador electrónico o banda de papel para registro gráfico pueden ser usados para determinar los valores integrados de la radiación solar incidente (irradiación en MJ/m²). 9.6.5.1.2 Irradiancia de la radiación solar difusa. Las pruebas deben ser realizadas durante los períodos en los que la irradiancia de la radiación solar difusa promedio que incide en el área de apertura del colector solar no es mayor de 20 % del total de la irradiancia de la radiación solar global (hemisférica) que incide sobre el área de apertura del colector solar. Para determinar y reportar la fracción de la radiación solar incidente que es difusa por cada valor de eficiencia, se requiere el uso de un pirheliómetro y un piranómetro como se explicó en la sección 9.6.3.4., o bien usando un piranómetro con un dispositivo sombreador. La componente difusa de la radiación solar global en el área efectiva del colector es simplemente Gd=Gt – GDN Senβ. 9.6.5.1.3 Rango de temperatura ambiente. El valor de temperatura ambiente para todos los puntos de prueba reportados que comprenden la curva de eficiencia debe ser menor a 30,00 °C. 9.6.5.1.4 Condiciones de Viento. Para las mediciones hechas para determinar la eficiencia térmica y el modificador de ángulo de incidencia, la velocidad de viento promedio debe estar entre 2,5 m/s durante cualquier periodo de prueba y un tiempo mínimo de 10,00 minutos o dos

constantes de tiempo, cualquiera que sea mayor, para el colector solar bajo prueba, justamente antes del inicio del periodo de prueba. Algunos colectores solares con una cubierta de vidrio pueden necesitar un tiempo de hasta 20,00 minutos o cuatro constantes de tiempo, cualquiera que sea mayor. Esto es porque el tiempo de respuesta térmico transitorio del vidrio puede ser menor que el de la placa absorbedora. 9.6.5.1.5 Flujo de agua a través del colector solar. El flujo de agua a través del colector solar debe ser el mismo para todos los puntos. Los valores recomendados de flujo por unidad de área (cubierta transparente o área de apertura) para pruebas son de Colector metálico con cubierta 0,02 kg/s-m2. Colector de plástico con o sin cubierta 0,06 kg/s-m2. En algunos casos en los que el colector solar está diseñado para un valor de flujo muy diferente al especificado anteriormente, debe usarse éste registrándolo en los resultados de las pruebas. 9.6.5.2 Determinaciones experimentales. 9.6.5.2.1 Constante de tiempo del colector solar. La prueba para determinar la constante de tiempo del colector solar se lleva a cabo como se indica a continuación. La temperatura de entrada del fluido de transferencia, tf,i , es ajustada lo más cercano posible a la temperatura ambiente (preferentemente en un ±1,00 °C) y es controlada como se especifica en la sección 9.6.3.8, mientras el fluido de transferencia circula a través del colector solar dentro del valor especificado en la sección 9.6.5.1, manteniéndose en un estado estable o cuasi-estable con un irradiancia solar mayor a 800,00 W/m2. La energía solar incidente se reduce entonces abruptamente a cero, cubriendo el colector solar con una tapa opaca y blanca o volteando el colector solar al norte (esto, cuando se utiliza un banco de pruebas movible). La cubierta debe estar suspendida sobre la superficie del colector solar, de manera que el aire del ambiente pueda pasar sobre el colector solar antes de empezar la prueba transitoria. La temperatura del fluido de transferencia en la entrada tf,i, , y en la salida t f,e , son continuamente registradas como función del tiempo hasta:



30.0t

,,

,fe,T <−

−

ifeinicialf

if

ttt

La constante de tiempo, es el tiempo T requerido para que la cantidad [(tf,e,T – tf,i)/(tf,e inicial –tf,i)] cambie de 1,00 a 0,368. 9.6.5.2.2 Eficiencia térmica del colector solar. Durante las pruebas para determinar la eficiencia térmica en condiciones de incidencia casi-normal, el ángulo de incidencia debe estar en el rango en el cual el Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar no varíe más de ± 2,00 % del valor de incidencia normal. Para las pruebas que se realicen para determinar el Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar, la orientación del colector solar debe ser tal que ésta se mantenga dentro del rango de ± 2,50 grados del ángulo de incidencia para el cual la prueba se este realizando, durante el período de prueba. 9.6.5.2.2.1 Distribución de la temperatura de entrada. Una distribución aceptable de las temperaturas de entrada se obtiene poniendo (tf,i –ta) a 0,00 , 30,00 , 60,00 y 90,00 % del valor de (tf,i –ta), obtenido a la temperatura ambiente del aire para la prueba, y las recomendaciones del fabricante para la temperatura de operación máxima del colector solar. Una distribución alternativa es tal que los valores de (tf,i –ta) correspondan en primera aproximación a la eficiencia térmica del colector que se ven reducidos de (Aa/Ag) Fr(τα)e,n , por un 0,00 , 30,00 , 60,00 y 90,00 % , respectivamente. 9.6.5.2.2.2 Numero de puntos a considerar. Por lo menos cuatro puntos deben ser tomados por cada valor de tf, i . Para el caso de aparatos de pruebas con montura fija, dos de los cuatro puntos deben ser tomados durante el periodo de tiempo anterior al mediodía solar y los otros dos deben ser tomados en el periodo posterior al mediodía solar, cuidando que los periodos específicos se seleccionen de manera que los datos representen tiempos simétricos respecto al mediodía solar. Estos requerimientos son hechos

para que cualquier efecto transitorio que se pueda presentar no altere la tendencia de los resultados de la prueba, cuando estos son usados con propósitos de diseño. Los requerimientos para obtener puntos simétricos respecto al mediodía solar no son obligatorios cuando se esta probando con una montura altazimuth. Todos los datos de prueba deberán ser reportados en adición a la curva ajustada (ver anexo VIII: Datos e información a registrar de las pruebas de rendimiento), para que cualquier diferencia en la eficiencia debida solamente al nivel de temperatura de operación del colector solar pueda ser discernida en el reporte de la prueba. La curva debe ser establecida por los puntos que representen valores de eficiencia determinadas por la integración de los datos sobre un periodo de tiempo igual a la constante de tiempo, ó 5,00 minutos, cualquiera que sea mayor, como se indica en la sección 9.6.5.1. El valor integrado de la energía solar incidente será dividido entre el valor integrado de la energía obtenida del colector solar para obtener el valor de la eficiencia para ese periodo de prueba como se describe en la sección 9.6.7.2. 9.6.5.2.2.3 Condiciones de estado estable. Para obtener condiciones de estado estable o cuasi-estable el fluido debe circular a través del colector solar a los valores adecuados de temperatura de entrada y de flujo hasta que permanezca constante dentro del ± 2,00 % o ± 1,00 °C y ± 0,000315 l/s cualquiera que sea mayor, respectivamente, por 15,00 minutos antes de cada periodo en el cual los datos sean tomados para calcular los valores de eficiencia. También, la temperatura ambiente debe variar como máximo ± 1,50 °C durante el mismo intervalo de tiempo. 9.6.5.2.2.4 Revisión de polvo y humedad. La superficie de la cubierta de la placa principal del colector solar, así como las cubiertas o envolturas expuestas del piranómetro y pirheliómetro deben estar limpias y secas antes del período de prueba. Si existe un depósito de contaminación local o polvo en las superficies transparentes, la limpieza debe llevarse a cabo con mucho cuidado, preferentemente después de sacudir la mayoría del material suelto o después de humedecerlo, para no rayar la superficie. Esto es particularmente importante para los instrumentos que miden la radiación solar, puesto que la acción abrasiva puede alterar apreciablemente



las propiedades de transmisión originales de la envoltura. El piranómetro debe ser revisado antes de la prueba para ver si existe alguna acumulación de vapor de agua encerrada en la cubierta de vidrio. No se permite el uso de piranómetros húmedos. 9.6.5.2.3 Determinación experimental del factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar del colector. La prueba del colector solar para determinar su Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar puede ser hecha con cualquiera de dos métodos que se indican a continuación. Sin embargo, durante cada periodo de prueba, la orientación del colector solar debe ser tal que ésta se mantenga dentro de ± 2,50 grados del ángulo de incidencia, para el cual la prueba está llevándose a cabo. MMééttooddoo 11:: Este método es aplicable para pruebas usando un banco de pruebas movible (montaje altazimutal del colector solar), de tal forma que la orientación del colector solar pueda ser ajustada con respecto a la dirección de la radiación solar incidente. El colector solar es orientado de tal manera que los ángulos incidentes de prueba, entre él y la radiación solar directa para las cuatro condiciones de prueba, son aproximadamente 0,00 , 30,00 , 45,00 y 60,00 grados, respectivamente. Se recomienda que estos datos sean tomados durante un solo día. Para algunos colectores solares, con características ópticas inusuales, otros ángulos de incidencia serán más adecuados. Para cada punto de lectura, la temperatura de entrada del fluido de transferencia de calor debe ser controlada para estar dentro de un rango de ± 1,00 °C en relación con la temperatura ambiente del aire. Los cuatro valores de eficiencia separados son determinados de acuerdo con la Sección 9.6.5.2.2. MMééttooddoo 22:: Este método es aplicable para pruebas en exteriores usando un banco de pruebas estacionario, donde la orientación del colector solar no es ajustada arbitrariamente con respecto a la dirección de la radiación solar incidente (excepto para los ajustes en la inclinación). Para cada punto de lectura, la temperatura de entrada del fluido de transferencia de calor debe ser controlada para estar dentro de un rango de ± 1,00 °C en relación con la temperatura ambiente del aire.

Los valores de eficiencia son determinados en pares, donde cada par incluye un valor de eficiencia antes del mediodía solar y un segundo valor después del mediodía solar. El ángulo de incidencia promedio para ambos puntos de lectura es el mismo. La eficiencia del colector solar para el ángulo de incidencia específico debe ser considerada igual al promedio de los dos valores. Los valores de eficiencia son determinados de acuerdo al método descrito en la Sección 9.6.5.2.2. En forma similar al método 1, los datos deben ser medidos para ángulos de incidencia de aproximadamente 0,00 , 30,00 , 45,00 y 60,00 grados Asimismo, para algunos colectores solares con características de eficiencia óptica inusuales, otros ángulos de incidencia serán necesarios. 9.6.5.2.3.1 Colectores solares con seguimiento en un solo eje. 9.6.5.2.3.1.1 Angulo incidente perpendicular al eje de seguimiento. Esta prueba es usada para determinar el ángulo de aceptación del colector solar, que a su vez puede ser usado para determinar la exactitud de seguimiento requerida para el colector solar. La temperatura de entrada del agua debe ser controlada para estar tan cerca como sea posible, dentro de un rango entre ± 1,00 °C, a la temperatura ambiente del aire que rodea al colector solar, durante el periodo de prueba. Cualquiera de los siguientes dos métodos de prueba pueden ser usados. MMééttooddoo 11:: EEjjee NNoorrttee--SSuurr.- Cuando sea montado un calentador solar plano para seguimiento en el eje norte-sur, la prueba debe ser realizada aproximadamente al mediodía solar. El colector solar es ajustado a una inclinación de 7,50 grados a 10,00 grados hacia el sol, y entonces permanecerá estacionario durante el resto de la prueba, que deberá durar 60,00 minutos en una dirección de 7,50 grados o 80,00 minutos para una inclinación de 10,00 grados. Durante este período, la irradiancia normal directa debe exceder los 800,00 W/m2

y deberá permanecer lo más constante posible. El colector solar puede ser colocado con una inclinación igual a la latitud, a una inclinación de 90,00 grados menos la altitud máxima del sol para ese día y ubicación, o puede ser colocado horizontalmente, de acuerdo con el uso que establezca el fabricante. El aumento en la



temperatura del fluido debe ser tomado y registrado en intervalos de un minuto, o más seguido de ser necesario, durante el tiempo que el sol esté dentro de los cinco minutos del plano de enfoque del colector. MMééttooddoo 22:: EEjjee eessttee--ooeessttee.- Cuando sea montado el colector solar para seguimiento en el eje este-oeste, la prueba debe realizarse de manera continua de 10:00 a.m. a 2:00 p.m. del tiempo solar aparente del sitio donde se realiza la prueba. La temperatura de entrada del fluido debe ser ajustada a un nivel tal que, tf,i-ta , pueda mantenerse constante durante la prueba. El colector solar debe ser ajustado a un ángulo que equivalga a la altitud solar a las 11:00 a.m. Para la ubicación con respecto al sitio de prueba (altitud) y época del año (mes), los ángulos en que debe colocarse el colector solar, se indican en el anexo VI: Tablas para la determinación de la posición e insolación solar. Durante todo el periodo de prueba la irradiancia normal directa debe exceder los 800,00 W/m2 y debe ser tan constante como sea posible. El incremento en la temperatura del fluido debe ser tomado y registrado en intervalos de un minuto, o con mayor frecuencia de ser necesario, y de preferencia, en el período 10:00 a.m. a 2:00 p.m. 9.6.6 Cálculos. 9.6.6.1 Constante de tiempo del colector solar. De acuerdo a la definición de constante de tiempo dada en la sección 9.6.4.3, éste es el tiempo requerido para que el miembro izquierdo de la Ecuación 9.7 sea igual a 0,368. Independientemente del método experimental de la Sección 9.6.4.3 que sea usado, la radiación solar incidente es igual a cero, y la temperatura de entrada del fluido es mantenida suficientemente cerca de la temperatura ambiente, de tal forma que (tf,i-ta ) = 0,00 . Por lo tanto, mediante el monitoreo de las temperaturas de entrada y de salida como una función de tiempo, la constante de tiempo es el tiempo requerido para: Ecuación 11

0,368 )t-(t

)t-(t if,iniciale,f,

if,Te,f,=

En el caso en que la temperatura de entrada del fluido no pueda ser controlada para estar dentro del rango de ± 1,00 °C, un estimado del producto (Aa/Ag) FR UL debe ser evaluado para el colector solar, para las condiciones de la prueba y de la constante de tiempo calculada como el tiempo requerido para: Ecuación 12

0,368 )t-)(t/AC m()t-(t UF - )/A(A

)t-)(t/AC m()t-(t UF - )/A(A if,iniciale,f,PPaif,LRga

if,Te,f,aPaif,LRga=

++&

&

9.6.6.2 Eficiencia térmica del colector solar. Para el intervalo de prueba y para cada punto de eficiencia, el valor de la eficiencia es calculado usando la ecuación: Ecuación 13

dTG A

)dTt-(tC m2

1

2

1

T

Tg

if,ef,PT

T

∫∫

=&

gη

Nótese que el área del colector solar usada para el cálculo no es el área de la superficie absorbedora, sino más bien el área neta del colector solar. Para aquellos colectores solares que no acepten radiación difusa, G en el denominador de la ecuación 13 es sólo el componente directo en el plano de apertura, Gbp. Para colectores solares, debe usarse la irradiancia global incidente, Gt . Para el establecimiento de la curva de eficiencia se deben obtener, por lo menos, diez y seis puntos. Asimismo, la ecuación de la curva debe ser obtenida usando el método de mínimos cuadrados; la curva no debe ser extrapolada más allá de los límites de información. 9.6.7.3 Cálculo del factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar. Independientemente del método experimental de la Sección 9.6.5.2.3 que sea usado, los valores de la eficiencia térmica del colector deben ser determinados para cada valor del ángulo incidente. Sólo cuatro ángulos de incidencia son necesarios: 0,00 , 30,00 , 45,00 y 60,00 grados. Es conveniente hacer notar que éste método de prueba debe requerir que Kσι sea medido para un conjunto diferente de ángulos de incidencia. Puesto que la temperatura de entrada del fluido se mantiene suficientemente cercana a la temperatura ambiente, de tal manera que (tf,i –ta) es igual a cero, las relaciones entre Kσι y la eficiencia es, de acuerdo a la ecuación 8: Ecuación 14



ne, Rga )(F )/A(AK

ταη

ατg

=

Puesto que (Aa/Ag) FR (ισ) e,n ya fue obtenida como la intersección en el eje de las ordenadas de la curva de eficiencia, determinada de acuerdo a las Secciones 9.6.5.2.2 y 9.6.6.2, los valores de Kσι pueden ser calculados para los diferentes ángulos de incidencia usando la ecuación 14 (véase sección 9.6.5.2.3). Otros métodos de correlación deben ser usados para describir una ecuación para el factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar, e.g., Kστ (θ). Si la temperatura de entrada del fluido no puede ser controlada para mantener la temperatura ambiente dentro del rango de ± 1,00 °C, un estimado del producto (Aa/Ag) FR UL debe ser evaluado para el colector solar para las condiciones de la prueba y cada valor de Kστ calculado como: Ecuación 15

[ ] neRga

taifLRgag

FAAGttUFAAK

,

,

)/(/)()/(

ταη

ατ−+

=

Alternativamente, cada punto puede ser graficado en la misma gráfica de la curva de eficiencia determinada de acuerdo a la Sección 9.6.5.2.2 y 9.6.7.2 y una curva trazada a través de cada punto paralelo a la curva de eficiencia, hecha para intersectar en el eje de las ordenadas. Los valores de intersección en el eje de las ordenadas son los valores de eficiencia que se habrían obtenido habiendo estado controlada la temperatura del agua a la entrada para igualar la temperatura del aire ambiente. Por lo tanto, estos valores pueden ser usados en conjunción con la ecuación 15 para calcular los diferentes valores de Kστ. 9.6.7 Determinación de la cantidad de agua caliente obtenida por día. Con objeto de proporcionar al usuario final, un parámetro de comparación entre los diferentes colectores solares, se deberá determinar la cantidad de agua caliente obtenida por unidad de área para un día normalizado, utilizando el método especificado en Anexo III: Determinación de la cantidad de agua caliente obtenida por día. 9.7 Desarmado e inspección final. 9.7.1 Fundamento.

Con objeto de determinar los cambios sufridos por el colector solar en sus componentes durante las pruebas de funcionalidad, al término de la prueba del factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar debe desarmarse para ser inspeccionado visualmente, según se especifica en el punto 9.7.4. 9.7.2 Aparatos y equipos. Ninguno. 9.7.3 Instrumentación. Ninguno. 9.7.4 Procedimiento. Al termino de la secuencia de las pruebas descritas en los puntos 9.1 al 9.6 de esta Norma, el colector solar será desarmado para realizar una inspección visual de sus componentes, según se especifica en las Secciones a) y b) del Formato G: Prueba de desarmado e inspección final del Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas, de esta Norma. 9.7.5 Criterio de aprobación. El colector solar no pasa la prueba si muestra alguna de las siguientes condiciones:

I. Deformación severa del absorbedor. II. Deformación severa de los conductos de

flujo de fluido. III. Pérdida de contacto entre los conductos de

flujo de fluido y la placa absorbedora. IV. Fugas en los conductos de flujo de fluido o

en alguna de sus conexiones. V. Pérdida de integridad de la caja del

colector. VI. Corrosión u otros deterioros severos

causados por acción química. VII. Agrietamiento, desprendimiento y/o

abombamiento de la capa absorbedora. VIII. Retención excesiva de humedad en el

interior de la caja del colector solar. IX. Dilatación o emisión excesiva de gases en

detrimento del aislamiento. X. Agrietamiento, pérdida de elasticidad y/o

pérdida de la adhesión excesiva de las juntas y los sellos.

XI. Fuga hidráulica en el absorbedor o daño severo en las conexiones hidráulicas.

XII. Agrietamiento, ruptura, alabeo o pandeo severo, permanente de la cubierta superior.



XIII. Ruptura o deformación severa de los materiales de la caja del colector solar.

Se considera severa o excesiva cualquier condición que impida el funcionamiento del colector solar. 9.8 Informe de las pruebas. Con objeto de documentar los resultados de las pruebas se debe elaborar el informe respectivo, según se especifica en Anexo IX: Informe de las Pruebas de Funcionalidad. 10.0 INFORMACIÓN AL PÚBLICO Los colectores solares objeto de esta Norma, que se comercialicen en los Estados Unidos Mexicanos, deben proporcionar a los usuarios la información relacionada con su certificación de funcionalidad y el valor de su rendimiento térmico. 11.0 ETIQUETADO Los colectores solares objeto de esta Norma que se comercialicen en los Estados Unidos Mexicanos deben llevar una calcomanía, con lo cual se pueda comparar con otros de su mismo tipo. La calcomanía debe contener la información y cumplir con los requerimientos indicados en el punto 11.1 de esta Norma. 11.1 Etiqueta o calcomanía. 11.1.1 Permanencia. La calcomanía debe ir adherida al producto de tal forma que no pueda ser removida fácilmente. 11.1.2 Ubicación. La calcomanía debe estar ubicada en un área del producto visible al consumidor. 11.1.3 Información. La calcomanía debe contener la información que se lista a continuación: 11.1.3.1 La leyenda "RENDIMIENTO Y EFICIENCIA TÉRMICA", en tipo negrita. 11.1.3.2 La leyenda “Modelo” seguida del modelo del fabricante.

11.1.3.3 La leyenda "Marca“ seguida del nombre registrado del fabricante. 11.1.3.4 La leyenda "Tel:" seguida del número telefónico del fabricante. 11.1.3.5 La leyenda “Area de apertura (m2): seguida del área en metros cuadrados. 11.1.3.6 La leyenda “Fecha de prueba”: seguida del mes y año en que el laboratorio entregó el informe de resultados. 11.1.3.7 La leyenda “Presión Máxima de operación (kPa) seguida de la especificación indicada por el fabricante. 11.1.3.8 La leyenda "Temperatura del agua (°C):" seguida del valor numérico de la temperatura promedio del agua, utilizando un número entero de dos dígitos, según el punto 9.7 de esta Norma. 11.1.3.9 Una tabla que muestre, para diferentes usos el colector solar, la temperatura típica de operación, el calor útil y la capacidad de calentamiento de climas prevalecientes. Los diferentes usos del colector solar son: alberca, doméstico e industrial. La temperatura de operación está en grado Celsius. El calor útil se presenta en Mega Joules/ (dia·m2) y la capacidad de calentamiento en litros / (dia·m2) . Los climas prevalecientes son: Tropical, Templado y Semidesértico. Así mismo, la capacidad de calentamiento debe expresarse en un rango correspondiente a valores representativos de los meses de julio y diciembre. 11.1.3.10 La leyenda "Ecuación de Eficiencia Térmica”, inmediatamente abajo se presentará dicha ecuación desglosada: h = 0 , 691-3,5 x-12, 2 x 2; x =(Tin – Ta) / G- 11.1.3.11 La leyenda flujo recomendado del colector solar (l/min): en litros por minuto, en enteros y un decimal. 11.1.3.12 La leyenda "Producto certificado de conformidad con las especificaciones requeridas de funcionalidad y calidad de acuerdo a los procedimientos establecidos en la Norma Mexicana NMX-ES-001-NORMEX-2005. 11.1.3.13 Aparecerá un recuadro en el cual se especificaran los símbolos referentes a la ecuación de eficiencia térmica.



11.1.3.14 Los valores de temperatura del agua son: para uso doméstico la ambiente promedio anual y para industrial 18 °C 11.1.3.15 La leyenda "IMPORTANTE", en tipo negrita, seguida del texto “El sustento del rendimiento térmico y funcionalidad efectiva del producto dependerá del mantenimiento preventivo y localización del producto”. 11.1.3.16 El tipo de letra de fuente puede ser Arial o Helvética, en tipo normal. 11.1.4 Dimensiones. Las dimensiones de la etiqueta son las siguientes: • Alto 7,00 cm • Ancho 24,00 cm 11.1.5 Distribución de la información y colores. La información debe distribuirse como se muestra en la figura 5, que presenta un ejemplo de etiqueta. 11.1.6 Distribución de los colores. Toda la información descrita en el inciso 11.3, así como las líneas de la gráfica debe ser de color negro. • El contorno de la etiqueta debe ser sombreado. • El resto de la etiqueta debe ser de color

amarillo. 12.0 BIBLIOGRAFÍA 12.1 Florida Solar Energy Center, “Collector Test

Methods, Test Methods and Minimum Standards for Certifying Solar Collectors”, FSEC-GP-5-80, (Supersedes FSEC-77-5), January 1980.

12.2 The American Society of Heating,

Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc, “Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors”, ASHRAE STANDARD, ANSI/ASHRAE 93-1986(RA 91).

12.3 Junta de Andalucia, “Especificaciones Técnicas de Diseño y Montaje de Instalaciones Solares para la Producción de Agua Caliente”, Consejería de Fomento al Trabajo, Dirección General de Industria, Energía y Minas, 1990.

12.4 Comisión de Reglamentos Técnicos y

Comerciales-INDECOPI; “Norma Técnica Peruana”; NTP 399.400; 2001.

12.5 “Guide to Meteorological Instruments and

methods of Observation”, WHO No.8 Secretariat of the World Meteorological Organization, Geneva Switzerland, 5th Edition, 1983.

12.6 Proctor, D., “A Generalized Method for

Testing all Classes of Solar Collector- I. Attainable Accuracy, II. Evaluation of Collector Thermal Constants, III. Linearized Efficiency Equations”, Solar Energy, Vol. 32, No. 3, 1984, pp. 377-399.

12.7 ASHRAE STANDARD, ANSI/ASHRAE 93-

1986(RA 91), Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors, The American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc.

12.8 ISO 9806-1: 1994, Test methods for solar

collectors – Part 1: Thermal performance of glazed liquid heating collectors including pressure drop.

13.0 CONCORDANCIA CON NORMAS INTERNACIONALES La presente Norma Mexicana concuerda parcialmente con la siguiente Norma Internacional: ISO 9806-1: 1994. 14.0 TRANSITORIO La presente Norma Mexicana será certificable a partir del momento en que exista un laboratorio de pruebas acreditado para tal fin.



Figura 5.- Ejemplo de la etiqueta.

15.0 ANEXOS Y APÉNDICES

Anexo I. Registro de Datos de las Pruebas Formato A: Recepción del colector solar Sección I: A continuación se indica la información que debe proporcionar el fabricante del

calentador solar Nombre del fabricante Modelo del colector solar

Dimensiones del colector solar (en metros y hasta dos decimales) Largo m Ancho m Profundidad m Área bruta (largo . ancho) m2

Dimensiones frontales de la cubierta transparente (en metros y hasta dos decimales)

Largo m Ancho m Área (largo . ancho) m2 Características de la superficie:

Existe algún ángulo de uso específico del colector solar SI NO Hay contacto eléctrico entre la caja y el absorbedor? En caso afirmativo, especifique:

Flujo recomendado l/min Temperatura de operación °C Presión Máxima de operación kPa

Fabrican Modelo

Marca Tel.

Area de apertura Fecha de prueba Flujo recomendado del colector solar

Presión máxima de operación

Símboloh > Eficiencia, Tin > Temperatura de entrada ºC, Ta > Temperatura ambiente ºC

** Temperatura típica de operación N.A. No aplica

*Los valores de la temperatura del agua fría de entrada se consideran variables de acuerdo a la norma.

2,5 l/min

CERT No. 000/NESO/CP. De conformidad con los criterios

establecidos en el esquema de certificación

NORMEX/ESQ/NESO/000/2005 El cual considera: Las

especificaciones de la Norma NMX-ES-001-NORMEX-2005.

Buenas prácticas de manufactura y control de los puntos

críticos de proceso.

G > Irradiancia solar W/m²

Kpa

peraturaºC

Para uso típico

ECUACION DE EFICIENCIA TERMICA

h =0,691-3,5 X -12,2 X² ; X = (Tin - Ta)/G

5,5-12,3

Calor útil al día/m²Mega Joules/(día·m²)

Templado Semidesérticolitros/(día·m²)*

N.A

RENDIMIENTO Y EFICIENCIA TÉRMICA

Tropical Templado Semidesértico

** Tem

507,2-11,1 7,7-9,3

11-4139-104

706,5-10,4 6,6-8,25,1-9,1

DomésticoIndustrial 5,6-7,3

Tropical

3,2-10,367-109 46-5819-36 21-28

N.A. N.A.4,5-11,5

Dimensiones aproximadas 24 x 7 cm

Debe ser calcomanía no placa metálica

Martín Gómez y Asociados S.A. C.V. B-727

enAlberca

1,8

400

30

Capacidad de Calentamiento

m²/



Descripción de los materiales del colector solar (cambiar esta tabla). Concepto Material

Aislamiento de fondo Aislamiento lateral Aleta o placa del absorbedor Cabezales del absorbedor Caja del colector Recubrimiento del absorbedor Cubierta superior Marco para fijar la cubierta Medios de soporte Porcentaje del perímetro del tubo de transferencia de calor, que esta en contacto con la aleta o placa absorbente

Sellos entre la caja del colector y tubos de entrada y salida

Sellos entre la cubierta transparente y la caja Unión entre aleta o placa y los tubos de transferencia de calor

Tubos de entrada y salida del colector solar Tubos de transferencia de calor del absorbedor

Comentarios y sugerencias del fabricante para el manejo del colector solar :



Sección II: Información que debe ser recabada por la persona que recibe el colector solar, durante la inspección-recepción del mismo

a) Datos generales Nombre del Fabricante Modelo del colector solar b) Estado en el que se recibe el colector solar SÍ NO ¿Nota algún daño en el contenedor de transporte del colector solar? ¿Nota algún daño en el colector solar? (Ponga especial atención en elementos como: cubierta de vidrio (si tiene), la estructura, los cabezales, soportes y sellos)

Material impreso, componentes sueltos; especifique

Explique cualquier daño que haya sido detectado: SÍ NO De acuerdo a las condiciones observadas ¿el colector solar es susceptible de ser sometido a las pruebas?

Si la respuesta es positiva continúe con el procedimiento indicado; por el contrario, de por terminado el proceso y elabore el reporte indicado en el punto 9.10 de esta Norma. c) Dimensiones del colector solar (en metros y hasta dos decimales) Nota: No incluya protuberancias, tales como los tubos de entrada de agua. Si el colector, notoriamente no tiene la forma geométrica de un rectángulo, dibuje un bosquejo en el recuadro al final de este formato, donde muestre sus dimensiones.

Largo m Ancho m Profundidad m Área bruta (largo . ancho) m2 Material(es) de la cubierta transparente

d) Dimensiones frontales de la cubierta transparente (en metros y hasta dos decimales)

Largo m Ancho m Área (largo . ancho) m2 Características de la superficie:



e) Capacidad volumétrica (en m3 y hasta cuatro decimales) Mediante una báscula determine el peso de los siguientes rubros (en Newtons y hasta dos decimales)

Peso del colector solar seco N Peso del colector solar lleno de agua N

Calcule el peso del agua, empleando la siguiente formula:

Peso del agua = peso del colector lleno – peso del colector seco

Peso del agua N Temperatura del agua °C

Calcule la masa de agua utilizando la siguiente formula:

Masa del agua = Peso del agua / 9,80665 Calcule el volumen de agua en litros, empleando la siguiente fórmula:

Volumen de agua = Masa del agua / Densidad del agua Use la densidad del agua a 25,00 °C la cual es 1 000,00 kg/m3 ; Multiplique por 1 000,00 para obtener litros.

m3 litros Volumen del agua

Área para dibujar un bosquejo del colector solar:

NOMBRE (responsable de la prueba) FIRMA FECHA(día/mes/año)



Formato B: Prueba de presión estática previa a la prueba de exposición de 30 días a) Valores de presión para la prueba Nota: los valores de presión deberán registrarse en kPa.

Presión máxima de operación Presión de la prueba

b) Prueba hidrostática del colector solar

Presión Inicial Presión Final

SÍ NO ¿Existe evidencia de fuga de agua? ¿Presenta deterioro severo? ¿Se observó alguna caída de presión durante la prueba?

Comentarios: Si alguna de las respuestas es positiva de por terminado el proceso de pruebas y elabore el reporte indicado en el punto 9.10 de esta Norma; en caso contrario continúe con el procedimiento indicado.




Formato C: Prueba de exposición a la radiación solar a) Ángulo de inclinación para la prueba

Ángulo de inclinación para la prueba grados b) Inspecciones inicial y final durante la prueba de exposición de treinta días Inspección en el

primer día Inspección en el

último día

Fecha (día/mes/año)

Tubos de entrada y salida del absorbedor SÍ NO SÍ NO Deformación severa del absorbedor Deformación severa de los conductos de flujo de fluido y la placa absorbedora

Perdida de contacto entre los conductos de flujo de fluido o en alguna de sus conexiones

Fugas en los conductos de flujo de fluidos o en alguna de sus conexiones

Perdida de integridad de la caja del colector Corrosión u otros deterioros severos causados por acción química

Agrietamiento, desprendimiento o abombamiento de la capa absorbedora

Retención excesiva de humedad al interior de la caja del colector solar.

Dilatación o emisión excesiva de gases en detrimento del aislamiento.

Agrietamiento, pérdida de elasticidad o pérdida de la adhesión excesivas de las juntas y los sellos.

Fugas hidráulicas en el absorbedor o daño severo en las conexiones hidráulicas.

Agrietamiento, ruptura, alabeo o pandeo severo permanente de la cubierta superior.

Ruptura o deformación severa de los materiales de la caja del colector solar.

Condiciones observadas durante las pruebas de inspección SI NO SI NO ¿El colector solar es susceptible de ser sometido a las pruebas?

--------------------- ¿El colector solar es susceptible de ser certificado? ----------------- Si la respuesta es positiva continúe con el procedimiento indicado; en caso contrario, si su respuesta es negativa de por terminado el proceso y elabore el informe indicado en el punto 9.10 de esta Norma.



NOMBRE (responsable de la prueba)

FIRMA FECHA(día/mes/año)

Inspección previa

Inspección posterior



c) Condiciones de radiación solar y meteorológicas de la prueba de exposición de 30 días

Laboratorista Día Fecha (día/mes/año)

Radiación solar integrada (MJ/m2)

Temperatura promedio del aire

(°C)

Precipitación pluvial (mm) Iniciales Antefirma

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30




d) Inspecciones semanales durante la prueba de exposición de treinta días Durante las inspecciones poner especial cuidado en los siguientes puntos: • Encapsulado • Cubierta superior • Absorbedor • Capa absorbedora • Aislamiento, juntas y sellos • Tubos de entrada y salida Detalle cualquier cambio observable indicando su localización exacta; sea tan específico como sea posible:

Laboratorista Fecha de la inspección

(día/mes/año)

Resultados de la inspección

Iniciales Antefirma

Condiciones observadas durante las inspecciones semanales SI NO ¿El colector solar presentó algún daño? Si la respuesta es negativa continúe con el procedimiento indicado; en caso contrario, si su respuesta es positiva de por terminado el proceso y elabore el reporte indicado en el punto 9.10 de esta Norma.

NOMBRE (responsable de las pruebas) FIRMA FECHA(día/mes/año)



Formato D: Prueba de choque térmico con rocío de agua Prueba Fecha de la

prueba (día/mes/año)

Temperatura del agua de rocío

(°C)

Hora de inicio

Promedio de radiación solar

(W/m2)

Algún cambio notable

1 SÍ NO 2 SÍ NO 3 SÍ NO

Observaciones:

Laboratorista Prueba Descripción Iniciales Antefirma

1

2

3

¿En la cubierta transparente se presentó alguno de los daños listados a continuación? SÍ NO Agrietamiento severo Ruptura excesiva Pandeo severo Delaminación severa Alabeo excesivo Otros (especifique) Si todas las respuestas son negativas continúe con el procedimiento indicado; en caso contrario, si existe alguna respuesta positiva dé por terminado el proceso y elabore el reporte indicado en el punto 9.10 de esta Norma.




Formato E: Prueba de Choque térmico con circulación de agua fría Fecha de la prueba Hora de inicio de la prueba Condiciones del agua de entrada: Temperatura (°C) Flujo (ml/s) Observaciones: Indique si los tubos de circulación y cabezales del absorbedor presentan alguno (s) de los daños listados a continuación: SÍ NO Deformación severa Corrosión excesiva Fugas hidráulicas Separación (pérdida de contacto) con las aletas del absorbedor o con otros componentes

Otros (especifique) Si todas las respuestas son negativas continúe con el procedimiento indicado; en caso contrario, si existe alguna respuesta positiva dé por terminado el proceso y elabore el reporte indicado en el punto 9.10 de esta Norma.




Formato F: Prueba de presión estática posterior a la prueba de exposición de 30 días a) Valores de presión para la prueba. Nota: los valores de presión deberán registrarse en kPa.

Presión de operación máxima recomendada

Presión de la prueba

b) Prueba de presión del colector solar.

Presión Inicial Presión Final

SÍ NO ¿Existe evidencia de fuga de agua? ¿Presenta dilatación ó estiramiento severo?

Comentarios: Si alguna de las respuestas es positiva de por terminado el proceso y elabore el reporte indicado en el punto 9.10 de esta Norma; en caso contrario, si las respuestas son negativas continúe con el procedimiento indicado.




Formato G: Desarmado e inspección final a) Inspección durante la prueba de desarmado e inspección final

Inspección final con el colector solar desarmado

Fecha

Caja del colector, sujetadores SÍ NO Agrietamiento Alabeo Corrosión Otros (especifique)

Medios de soporte (ménsula de soporte, pestañas, etc.) SÍ NO Pérdida de rigidez del soporte Otros (especifique)

Sellos y empaquetaduras del marco metálico SÍ NO Agrietamiento Pérdida de Elasticidad Pérdida de Adhesión Otros (especifique)

Cubiertas o Reflectores SÍ NO Agrietamiento Ruptura Pandeo Delaminación Alabeo Otros (especifique)

Capa Absorbedora SÍ NO Agrietamiento Abombamiento Ruptura



Continuación: Inspección durante la prueba de desarmado e inspección final

Inspección final con el colector solar desarmado

Tubos de entrada y salida del absorbedor SÍ NO Deformación Corrosión Fugas Otros (especifique)

Tubos de circulación del absorbedor SÍ NO Deformación Corrosión Fugas Separación (pérdida de contacto) con las aletas del absorbedor o con otros componentes

Otros (especifique)

Cabezales del absorbedor SÍ NO Deformación Corrosión Fugas Otros (especifique)

Estructura del absorbedor SÍ NO Pérdida de rigidez Otros (especifique)

Aislamiento SÍ NO Retención de agua Inflado Emisión de Gases Otros (especifique)



Continuación: Inspección durante la prueba de desarmado e inspección final b) Mediciones de la prueba de desarmado e inspección final

Dimensiones frontales de la cubierta transparente (hasta tres decimales) Espesor m Largo m Ancho m Tipo de sello (especifique material)

Absorbedor (hasta dos decimales) Largo m Ancho m Espesor cm Número de tubos Separación entre los tubos (desde el centro de estos) cm Diámetro externo del tubo cm Diámetro externo de los cabezales cm Espacio de aire entre la cubierta transparente y el absorbedor cm Patrón de flujo Tipo de unión de la placa con los tubos Tipo de unión de los tubos con los cabezales Capa absorbedora

Caja del colector solar Material (costados) Material (posterior) Acabado de la superficie Sujetadores (tipo y material) Tipo de barrenos (sin rosca, con rosca) Selladores de los barrenos (tipo y material)

Aislamientos Material Espesor (cm) Lateral Inferior

Tipos de sellos o empaques del encapsulado

Cubierta de vidrio

Orificios para los tubos de entrada y de salida




Anexo II. Conversión de la hora civil (también llamada hora oficial) a la hora en Tiempo Solar Verdadero La hora en Tiempo Solar Verdadero (TSV) corresponde a la posición aparente del Sol en la Bóveda Celeste. El TSV se calcula en términos de la hora oficial, ofcT , según el huso horario que le corresponda al punto geográfico de que se trate, como sigue:

ε+−+=

15locst

ofcLLTTSV ,

en donde: stL es la longitud del meridiano de referencia (estándar) correspondiente al huso horario del lugar,

locL es la longitud geográfica del lugar y ε es la llamada Ecuación del Tiempo que se refiere al efecto acumulado de la variación del Día Solar, v.g. del retraso o adelanto del paso del Sol por el meridiano del lugar, como consecuencia de dos factores principales: 1) el radio vector del Sol a la Tierra barre áreas iguales en tiempos iguales sobre el plano de la eclíptica en su movimiento de translación alrededor del Sol, y 2) el eje de rotación de la Tierra permanece oblicuo respecto del plano de la eclíptica. El promedio de esta variación a lo largo del año se ajusta a cero de tal manera que el efecto acumulativo anual de estas variaciones se anula. • El valor del Meridiano de Referencia (Lst) en grados (°)

MERIDIANO DE REFERENCIA

ESTADOS

Del último domingo de octubre a partir de las 3 de la mañana y hasta el primer domingo de abril, hasta las 3 de la mañana

De primer domingo de abril a partir de las 3 de la mañana y hasta el último domingo de octubre, hasta las 3 de la mañana

Sonora 105 ° Baja California 120 ° 105 ° Baja California Sur, Chihuahua, Sinaloa y Nayarit

105 ° 90 °

Resto de las entidades federativas 90 ° 75 ° El Sol toma cuatro minutos para cruzar 1° de longitud geográfica o bien 15° en una hora, por lo que la corrección en cuanto a la diferencia de la longitud geográfica local respecto del Meridiano de Referencia (Estandar) está dada por el término:

15locst LL −

, en horas,

o bien, 4(Lst – Lloc), en minutos. La ecuación del tiempo se puede calcular usando ciertas fórmulas empíricas que existen en la literatura especializada, por ejemplo:

ε = 9.87*sin(2B) – 7.53cos(B) – 1.5sin(B), en donde: • B = (n-81)(360/364) • n es el día del año correspondiente a la fecha de realización de la prueba (n=1 para el primero de enero).



Ejemplo de calculo: Convertir la hora civil de 11:30 horas a la hora en TSV, para un sitio localizado a 99° grados de longitud al Oeste de Grenwich, tomando como referencia el meridiano de 90°, y para el día 30 de junio de 2003. Calculamos B:

B = (n-81)*360/364

El día 30 de junio de este año no bisiesto es el día número 181 (n= 181)

B = (181-81)*360/364= 98.90 Sustituyendo en la ecuación del tiempo para encontrar ε, se tiene que:

ε = 9.87*sin(2*98.90) – 7.53cos(98.90) – 1.5*sin(98.90)= -3.334, minutos,

o bien,

ε = -3.334/60 = - 0.0556 horas Sustituyendo en la ecuación del TSV, se tiene que:

ε+−+=

15locst

ofcLLTTSV

TSV = 11.5000 - 0.0556 – 0.6000.

Por lo tanto:

TSV = 10.8444 horas = 10:50:40

O bien:

TSV = 11 horas:30 minutos – 3.334 minutos + 4*(90 – 99) minutos.

Por lo tanto:

TSV = 11:30 –00:3.334 – 00:36 = 10:50:40



Anexo III. Determinación de la cantidad de agua caliente obtenida por día Este método es aplicable a los colectores solares sujetos a la presente norma. Parámetros que intervienen en los cálculos: a) Temperatura Promedio de Operación del Calentador Solar (Tuso). Es la temperatura que debe considerarse para la operación del colector solar. Para el caso de colectores domésticos, ésta es de 50°C, para el caso de usos industriales ésta se considerará igual a 70°C y para el caso de albercas debe considerarse una temperatura de 30°C. b) Temperatura del agua a la entrada del colector para diferentes usos (Tagua). Colectores cuya temperatura de trabajo sea de 30ºC (uso típico en albercas) la temperatura del agua a la entrada del colector se considerará de 29ºC, para cualquier clima. Colectores cuya temperatura de trabajo sea de 50ºC y 70ºC (usos típicos doméstico e industrial), la temperatura del agua a la entrada del colector se considerará igual a la temperatura promedio anual diaria para cada uno de los tres tipos de clima prevalecientes que se considera existen en el país y que abarcan amplias zonas territoriales, como se muestra en la Tabla III.1

Tabla III.1 Temperaturas del agua a la entrada de colectores con temperatura de trabajo de 50ºC y 70ºC

CLIMA Tagua ( ºC ) EJEMPLO Anual dic-jul TROPICAL 26.0 23.5-28.6 Chetumal, Q.R. TEMPLADO 15.45 13.6-17.3 Distrito Federal SEMIÁRIDO 22.5 15.1-29.9 Monterrey c) Irradiancia Solar Promedio Horaria (Iph,) Se considerará aquella que corresponda a la de un día típico para cada uno de los climas prevalecientes que se considera existen en el país y que abarcan amplias zonas territoriales, dada en promedios horarios para un periodo de al menos 10 horas. En la Tabla III.1.1, Tabla III.1.2 y Tabla III.1.3, se muestran estos valores.

Tabla III.1.1 Irradiancia en un día Típico en un Clima Tropical

julio diciembre

Hora No. Horario W/m² W/m² 1 7 a 8 225.0 87.5 2 8 a 9 412.5 212.5 3 9 a 10 625.0 375.0 4 10 a 11 825.0 562.5 5 11 a 12 962.5 725.0 6 12 a 13 962.5 725.0 7 13 a 14 825.0 562.5 8 14 a 15 625.0 375.0 9 15 a 16 412.5 212.5 10 16 a 17 225.0 87.5 11 17 a 18 87.5 12.5



Tabla III.1.2 Irradiancia en un día Típico en un Clima Templado

julio diciembre Hora No. Horario W/m2 W/m²

1 7 a 8 137.5 100.0 2 8 a 9 287.5 250.0 3 9 a 10 500.0 437.5 4 10 a 11 712.5 600.0 5 11 a 12 900.0 712.5 6 12 a 13 900.0 712.5 7 13 a 14 712.5 600.0 8 14 a 15 500.0 437.5 9 15 a 16 287.5 250.0 10 16 a 17 137.5 100.0 11 17 a 18 50.0 12.5

Tabla III.1.3 Irradiancia en un día Típico en un Clima Semidesértico

julio diciembre

Hora No. Horario W/m2 W/m² 1 7 a 8 325.0 50.0 2 8 a 9 537.5 125.0 3 9 a 10 725.0 250.0 4 10 a 11 875.0 437.5 5 11 a 12 962.5 612.5 6 12 a 13 962.5 612.5 7 13 a 14 875.0 437.5 8 14 a 15 725.0 250.0 9 15 a 16 537.5 125.0 10 16 a 17 325.0 50.0 11 17 a 18 137.5 0.0

Procedimiento. Se debe utilizar la ecuación de eficiencia de segundo grado obtenida según el punto 9.6 de esta norma, la cual es de la forma:

η = a – bx – cx2 (III.1) Donde a, b y c son las constantes evaluadas para cada colector solar según se establece en el punto 9.6 de esta norma, y x se evalúa usando la siguiente ecuación.

x = (Tuso.- Tambiente) / Iph (III.2)



Cálculos. El calor útil total para cada hora se calcula con la siguiente ecuación:

q(horario) = η Iph ∆t (III.3) En donde η está dada por la ecuación III.1 y en donde I (en W/m²) es la irradiancia promedio horaria dada en la tabla III., la cual se multiplica por ∆t (en segundos) para obtener la irradiación (en J/m²) horaria, la cual corresponde al sitio en donde se realizó le prueba del calentador solar. La sumatoria de los valores de calor para cada hora, será el calor total para el día de la prueba, esto es:

( )∑=

=

−−=10

1

22 /,6.3i

ii mkJcxbxaxIQ (III.4)

Para determinar el volumen (cantidad en litros) de agua caliente por cada metro cuadrado del colector solar y para cada hora en un periodo de al menos diez horas, se usará la siguiente fórmula:

Vagua (horario)= q(horario) / (4,186 (Tuso- Tagua)) (III.5) El volumen total de agua caliente obtenida durante el periodo de la prueba será la suma de los volúmenes horarios. Ejemplo de cálculo. A continuación se presenta un ejemplo del cálculo para la determinación de la cantidad de agua caliente obtenida por día, considerando un calentador solar para uso doméstico con una eficiencia determinada mediante el procedimiento que se establece en la presente Norma, la cual se representa por la siguiente ecuación de segundo grado:

η = 0,526 – 0,96x – 0,526x2

El cálculo se realiza para un lugar de clima templado y en las épocas de verano (julio) e invierno (diciembre). Para los efectos de este ejemplo, se considera la temperatura del agua dada en la Tabla III.0 y los valores de irradiancia en un día típico los que están dados en la Tabla III.1.2. La evaluación del calor útil y el volumen de agua caliente para cada hora se presenta en las siguientes Tablas:



ANEXO III: EJEMPLO (VERANO)

Tuso 50 °C

Horario Irradiancia(Ι ) Temperatura x η ηΙ Calor AguaW/m2 °C (m2 °C/ W) W/m2 kJ/m2 l/m2

7 a 8 137.5 15.50 0.251 0.25 34.65 124.7 0.98 a 9 287.5 15.50 0.120 0.40 115.93 417.3 2.99 a 10 500.0 15.50 0.069 0.46 228.63 823.1 5.7

10 a 11 712.5 15.50 0.048 0.48 340.78 1226.8 8.511 a 12 900.0 15.50 0.038 0.49 439.58 1582.5 11.012 a 13 900.0 15.50 0.038 0.49 439.58 1582.5 11.013 a 14 712.5 15.50 0.048 0.48 340.78 1226.8 8.514 a 15 500.0 15.50 0.069 0.46 228.63 823.1 5.715 a 16 287.5 15.50 0.120 0.40 115.93 417.3 2.916 a 17 137.5 15.50 0.251 0.25 34.65 124.7 0.917 a 18 50.0 15.50 0.690 -0.39 -19.34 -69.6

Valor total diario 8224.1 57.8

ANEXO III: EJEMPLO (INVIERNO)

Tuso 50 °C

Horario Irradiancia(Ι ) Temperatura x η ηΙ Calor AguaW/m2 °C (m2 °C/ W) W/m2 kJ/m2 l/m2

7 a 8 100.0 15.50 0.345 0.13 13.22 47.6 0.38 a 9 250.0 15.50 0.138 0.38 95.88 345.2 2.49 a 10 437.5 15.50 0.079 0.45 195.57 704.1 4.9

10 a 11 600.0 15.50 0.058 0.47 281.44 1013.2 7.011 a 12 712.5 15.50 0.048 0.48 340.78 1226.8 8.512 a 13 712.5 15.50 0.048 0.48 340.78 1226.8 8.513 a 14 600.0 15.50 0.058 0.47 281.44 1013.2 7.014 a 15 437.5 15.50 0.079 0.45 195.57 704.1 4.915 a 16 250.0 15.50 0.138 0.38 95.88 345.2 2.416 a 17 100.0 15.50 0.345 0.13 13.22 47.6 0.317 a 18 12.5 15.50 2.760 -6.13 -76.63 -275.9

Valor total diario 6626.0 46.2

De esta manera se determina el volumen (en litros) de agua caliente a 50 °C, que se obtiene por cada metro cuadrado del colector solar, de acuerdo con lo establecido por la presente norma.



Anexo IV: Procedimiento para evaluar y corregir las pérdidas de calor en los cabezales Durante las pruebas de rendimiento térmico del colector solar, debido a la mezcla o los requerimientos en los estados de transición, las medidas de temperatura a la entrada y salida son tomadas a cierta distancia de la entrada y salida del mismo. Las pérdidas de calor en el cabezal, si no se aplica alguna corrección, podrían producir un error sistemático en las diferencias de temperatura y consecuentemente en la eficiencia. Por lo que se sugiere evaluar estas pérdidas y corregirlas usando el siguiente procedimiento. a) Inicie con los cabezales bien aislados y de idéntica construcción. b) Coloque los dos cabezales punta a punta. Use la misma instrumentación que usa durante las pruebas,

evalúe t tomando lecturas de temperatura del fluido de transferencia a la entrada (tf,i) y a la salida (tf,e), así como de la temperatura ambiente, utilizando la siguiente fórmula:

)2(2,,

,,

efif

aefif

tttttt

−++

= IV.1

Dado que “t” es proporcional al flujo másico, una “t” obtenida para cierto valor de flujo másico es sólo aplicable para ese único valor de flujo. Para otros flujos, por ejemplo “m”, su correspondiente “t”, puede evaluarse mediante la siguiente ecuación:

perper

tmmt ×=)( &&

IV.2

Esta corrección es valida dado que el incremento resultante (o decremento) en la resistencia del coeficiente de transferencia de calor de la película interna es insignificante comparado con la resistencia del aislante que cubre al cabezal.

El valor mínimo (tf,i – tf,e) necesario para mantener la incertidumbre aleatoria en la diferencia de temperatura (debido a las pérdidas de calor en el cabezal) bajo 0.5% puede ser evaluado usando la figura IV.1. Estas curvas están basadas a una precisión en las mediciones de (tf,i – tf,e) de 0.1 °C (véase la sección 9.6.2.2). En la figura IV.1 Y= X/t.

ifef

aaefif

ttttttX

,,

),, 2/2(+

−++= (IV.3)

c) Usando la siguiente ecuación corrija la diferencia de temperatura obtenida en las mediciones (tf,i –

tf,e)med para obtener la diferencia ya corregida (tf,i – tf,e)corr.

)2(2)()( ,,,,,, aifefmedifefcorrifef tttt

tttt −++−=− (IV.4)



d) Ejemplo de un calculo. Dos cabezales son colocados punta a punta y las mediciones arrojan los siguientes valores:

m= 0.025 kg/s tf,i = 100.00 °C ta = 24.4 C tf,i – tf,e = 0.95 °C

Entonces: t = 320.3

Las condiciones de la prueba de rendimiento térmico fueron:

tf,i = 60.00 °C ta = 20.00 °C tf,e = 70.00 °C

Entonces X = 4.5 y Y = 0.014 Usando la ecuación IV.3 la diferencia de temperatura corregida es (tf,i – tf,e)corr = 10.56 De la figura 9 se estima que la incertidumbre aleatoria en la diferencia de temperatura (o en la eficiencia) para una incertidumbre en tf,e – tf,i= de 0.1 °C es de aproximadamente de 0.5%.

(tf,e – tf,i= de 0.1) ° C

Figura IV.1 Mínimo valor de (tf,e – tf,i ) necesario para mantener la diferencia

de incertidumbre aleatoria de temperatura por debajo de ± 5 %.

Incertidumbrealeatoria entf,e - tf,i debido alas pérdidas decalor en elcabezal (%)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50Incertidumbre aleatoria

2.0 0.21.0 0.5 0.4 0.3

Y=0.0

25

0.010 0.005

0.0025

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50Incertidumbre aleatoria

2.0 0.21.0 0.5 0.4 0.3

Y=0.0

25

0.010 0.005

0.0025



Anexo V : Método de cálculo del valor ponderado del producto de la transmitancia-absortancia El intervalo [ λ1 ; λn ] que contiene la totalidad del espectro se divide en intervalos ∆λi, centrado en los valores λi por las cuales se conoce el valor de la irradiancia espectral Eλi. Se asigna a cada intervalo el valor :

∆λ1 = λ2 -λ1 ∆λn = λn - λn-1

y para los otros valores de i:

∆λi = (λi+1 - λi-1)/2 El valor ponderado τα del producto de la transmitancia - absorbencia se calcula a partir de los valores individuales τα(λi) del producto de la transmitancia - absorbencia conocidas para cada longitud de onda λi, según la formula :

τα = Σi( τα(λi)* Eλi *∆λi) / Σi(Eλi *∆λi)



Anexo VI: Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar .

A continuación se muestra el procedimiento recomendado para determinar bo. Para los colectores solares cuyas propiedades de radiación son simétricas con respecto a θ, (τα)e., puede ser correlacionado con θ con la ecuación:

(τα)e = a-b/cosθ VI.1 Combinando esta ecuación con la ecuación 9, el factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar es

b-a

) b/cos - a θτα =K VI.2

o

1)- cos

1(b-a

b 1 θ

τα −=K VI.3

Sea:

bo = b/(a-b) VI.4 Entonces Kστ varía con el ángulo de incidencia de acuerdo a la expresión general dada por la ecuación 10, es decir:

1) - cos

1(1K 0θ

τα b−= VI.5

Entonces, Kστ es una función lineal del parámetro [(1/cosθ)-1]. La correlación de la constante bo puede ser determinada a partir de las ecuaciones 3 y VI.4. Primero, considere

a´ = (Aa / Ag) FR a VI.6

b´ = (Aa / Ag) FR b VI.7 Entonces, la ecuación 3 puede ser escrita como:

θταη ´cos´ )(F )AA( R

g

a baeg −== VI.8

Donde ŋg es la eficiencia medida al colector para (tf,i = ta) al ángulo de incidencia θ. Entonces,

a´-b´b´

b-ab

= VI.9

de donde:



bo = b´/(a´-b´) VI.10 Las constantes a´ y b´ pueden ser fácilmente determinadas por mínimos cuadrados o a partir de una ecuación de primer orden descrita en la ecuación VI.8 y los valores que se obtengan en la sección 9.6.5.2.3 Determinación experimental del factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar del colector. El valor de bo se determina de la ecuación VI.10. Ejemplo de cálculo: Datos:

De la expresión de mínimos cuadrados y usando la ecuación VI.8 obtenemos a = 0,846 y b = 0,0992, lo que da:

θη cos0992,00,846 −=g VI.11 Entonces, de la ecuación VI.10 se obtiene:

bo = 0.133 Finalmente,

1) - cos

1(133,01Kθ

τα −=

? (Aa/Ag)FR(ta)e0 0.77030 0.71630 0.72045 0.70245 0.71060 0.64760 0.652



Anexo VII: Fórmulas para calcular el ángulo que forman la dirección de incidencia de la radiación solar directa y la normal a la superficie del colector.

Si θ es el ángulo que forman el vector s y n como se muestra en la figura de abajo, entonces

( ) nsCos ˆˆ •=θ

en donde s y n son vectores unitarios definidos de la siguiente manera:

( )∆∆Ψ∆Ψ= CosSenCosSenSenn ,,ˆ

( )CosZCosASenZSenASenZs ,,ˆ =

Como resultado del producto escalar en tre n y s, se tiene que:

( ) ( ) ∆+Ψ−∆= CosZCosACosSenZSenCos θ en donde: ∆ es el ángulo que forma el colector con el plano horizontal igual al ángulo que forma la normal a la superficie del colector (dada por n) y la vertical al plano horizontal Ψ es el ángulo acimutal de la proyección de la normal (n) a la superficie del colector, sobre el plano horizontal. Z es el ángulo cenital de Sol, ángulo complementario de la altura angular aparente del Sol, es decir β = 90 - Z, y A es el ángulo acimutal del Sol, A = 0 al Sur, al Oriente A < 0 y A > 0 al Poniente. Se sabe también que:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )ωφδφδ CosCosCosSenSenZCos += =Sen (β) en donde: δ es la declinación solar y se puede calcular usando alguna de las fórmulas empíricas que existen en la literatura, como la siguiente:

( ) ( )

−= − 82

365360399.01 jSenSenjδ ,

en donde j es el día del año. φ es la latitud geográfica del sitio en donde se realiza la prueba. ω es el ángulo horario el cual se calcula en términos del TSV de la siguiente manera:



( )1212

−= TSVπω

Para calcular el Ángulo Acimutal del Sol, A, se tienen que:

Si ( ) 0<ASen , entonces: ( )( )ACosCosA 1−−=

Si ( ) 0>ASen , entonces: ( )( )ACosCosA 1−+=

θ

snCos ˆˆ ⋅=θ

Rdirecta(normal al colector)=Rdirecta Cos(θ )

( )Ψ∆,n

( ) RdirectaAZs ↑↑,ˆ

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )ZSenCos

SenZCosSenACosφ

δφ −=

( ) ( ) ( )( )ZSenSenCosASen ωδ

=



Ejemplo: Calcule la posición del Sol en la bóveda celeste en términos de sus coordenadas locales: Altitud Angular Aparente y Ángulo Acimutal, cuando son las 11:30 de la mañana del día 3 de octubre en un lugar cuyas coordenadas geográficas son: Latitud: 18°: 50´ N y Longitud 99°: 14´ W. El día del año correspondiente a esa fecha es j = 277 Para j = 277, se tiene que:

( ) ( ) 35:482277365360399.0277 1 ′−=

−= − oSenSenδ ,

( ) oB 8462.19336436081277 =−= ,

( ) ( ) ( ) ( ) HorasBSenBCosBSen segmin 20428.016:125.153.7287.9277 ==−−=ε ,

HorasTSV 08873.1120428.015

233.999050.11 =−−

+= ,

( ) oTSV 66905.131212180

−=−=ω (grados antes del medio día solar).

Con los valores calculados de estos parámetros, se tiene que:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 88881.0=+= ωφδφδ CosCosCosSenSenCosZ , entonces el ángulo cenital es: Z = 27.276° y la altura angular aparente del Sol es: β = 62.7240° Con estos mismos datos, el ángulo acimutal del Sol se calcula como sigue:

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 85792.0=

−=

ZSenCosSenZCosSenACos

φδφ

( ) 51378.0−=ASen

Si ( ) 0<ASen , entonces: ( )( ) oACosCosA 9160.301 −=−= − (medidos al Oriente de la línea Norte-Sur).



Ejemplo: Con los datos del ejemplo anterior, calcular el ángulo θ que forman la dirección de incidencia de la radiación solar directa y la normal a la superficie de un colector solar plano orientado al Sur y tiene una inclinación igual a la latitud geográfica de ese lugar. Calcule este mismo ángulo para cuando el colector esté orientado al Sur pero con una inclinación de 30° respecto del plano horizontal. Del ejemplo anterior se tiene que:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 88881.0=+= ωφδφδ CosCosCosSenSenZCos ,

( ) 45828.0=ZSen

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 85792.0=

−=

ZSenCosSenZCosSenACos

φδφ

( ) 51378.0−=ASen

Para el primer caso, se tienen que: Ψ = 0° Si ∆ = φ = 18°: 50′ = 18.8333°, entonces:

( ) 32282.0=∆Sen

( ) 94646.0=∆Cos Por lo tanto:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )∆+Ψ−∆= CosZCosACosSenZSenCos θ 96815.094646.088881.085792.032282.045828.0 =⋅+⋅⋅= , de donde:

( ) oa 4999.1496815.0cos ==θ Para el segundo caso, se tienen que: Ψ = 0° y ∆ = 30° entonces:



( ) 50000.0=∆Sen

( ) 86603.0=∆Cos Por lo tanto:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )∆+Ψ−∆= CosZCosACosSenZSenCos θ 96815.086603.088881.085792.050000.045828.0 =⋅+⋅⋅= , de donde:

( ) oa 4912.1496815.0cos ==θ



Anexo VIII: Datos e información a registrar de las Pruebas de Rendimiento Térmico VII.1 Eficiencia térmica del colector solar a) Recolección de datos de prueba para calcular la eficiencia energética

• Obtener al menos 16 puntos

FORMATO DE RECOLECCIÓN DE DATOS Flujo másico m (kg/s) Hora de inicio de la prueba Calor específico Calor específico Cp Hora de termino de la prueba Angulo de inclinación del colector (grados) Duración (minutos) Angulo azimutal del colector (grados) Angulo incidente (grados)

Temperatura del fluido (°C) Viento Medición Hora (hora : minuto) Entrada Salida

Porcentaje de radiación

incidente difusa (%)

Velocidad (m/s)

Dirección (grados desde

el norte) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

b) Obtenga la gráfica de la eficiencia contra (tf,i--t a )/Gt

• Graficar los puntos obtenidos de la prueba del inciso anterior, en forma similar a la figura 4. c) La ecuación para la curva de eficiencia (ηg)

• Obtención de los términos a, b y c de la ecuación III.1 d) Una gráfica de la Irradiancia G como una función continua de tiempo




VII.2 Constante de tiempo del colector a) Recolección de datos de prueba para calcular la constante de tiempo del colector (minutos)


FORMATO DE RECOLECCIÓN DE DATOS Flujo másico m (kg/s) Hora de inicio de la prueba Hora de termino de la prueba

Duración (minutos)

Temperatura del fluido (°C) Medición

Hora (hora : minuto) Entrada Salida

Temperatura ambiente ° C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Describa la cubierta para redcir abruptamente la iiradianza: b) En una misma gráfica presentar:

• La temperatura de entrada del colector solar, tf,i , contra el tiempo • La temperatura de salida del colector solar, tf,e , contra el tiempo • La temperatura ambiente, ta , contra el tiempo • Indique el tiempo de inicio y tiempo de terminación de la prueba

c) Si la temperatura de entrada no puede ser igualada con la temperatura ambiente, proporcionar los siguientes

datos para calcular la constante de tiempo: (Aa / Ag) FR UL W/ (m2 °C) Calor específico del fluído, Cp J/(kg °C) Area absorvedora del colector, Ar m2




VII.3 Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar. a) Recolección de datos de prueba para calcular la constante de tiempo del colector (minutos)


FORMATO DE RECOLECCIÓN DE DATOS Flujo másico m (kg/s) Hora de inicio de la prueba Calor específico Calor específico Cp Hora de termino de la prueba (Aa/Ag)FRUR (W/m2 °C) Duración (minutos) Método de prueba 1 2

Temperatura del fluido (°C)

Viento Medición Hora (hora : minuto) Entrada Salida

Temperatura ambiente del

aire

Porcentaje de radiación

incidente difusa (%)

Velocidad(m/s)

Dirección (grados desde

el norte) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

b) Obtenga la gráfica

• K ατ Vs. Θ ó [(1/cos θ ) – 1]




Anexo IX. Informe de las Pruebas de Funcionalidad

¿Aprobó la prueba?

Prueba

SÍ NO

En caso negativo, explique por qué

Inspección a la recepción del colector

Presión estática previa a la prueba de exposición de treinta días

Prueba de exposición a la radiación solar

Prueba de choque térmico con rocío de agua

Prueba de choque térmico con circulación de agua fría

Presión estática posterior a la exposición de treinta días

Desarmado e inspección final de los componentes del colector solar



Continuación: Informe de las pruebas de funcionalidad Existen discrepancias entre la información proporcionada por el fabricante y la observada y/o medida por el inspector en el momento de la recepción

SI NO

En caso afirmativo especifique: Concepto: Discrepancia:

Anexar una copia de todos los formatos del Anexo 1: Registro de Datos de las Pruebas ¿De acuerdo a los criterios de prueba de la presente norma, el colector solar ha obtenido la certificación de funcionalidad?

SÍ NO

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