UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA ACADÉMICA DE FÍSICA APLICADA

PERFIL DE PROYECTO

“OPTIMIZACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UN COLECTOR

SOLAR DE AIRE DE PLACA PLANA (CSAPP) CON

GENERADORES DE TURBULENCIA”

Presentado por:

MOLLO ACERO, ABRAHAM JOSÉ

Diciembre, 2015

TACNA - PERÚ

14

RESUMEN

El presente proyecto es de carácter teórico y diseño experimental en la línea de las

Energías Renovables.

La utilización de aire caliente en diversos procesos hace necesario el desarrollo de

investigaciones que hagan más eficientes y económicos los métodos de fabricación, por

lo cual el primer paso es evaluar los colectores solares y optimizar su eficiencia.

Basándose en modelos matemáticos del comportamiento térmico en un colector solar y

tomando en cuenta trabajos en el ámbito de la simulación por ordenador, se pretende

implementar generadores de turbulencia al diseño estructural de un colector solar de aire

de placa plana con la finalidad de optimizar su eficiencia.

CONTENIDO

1. DATOS GENERALES

1.1. Título

1.2. Área de Investigación

1.3. Autor

1.4. Asesor

1.5. Institución/Localidad donde se realizará la investigación

2. MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes

2.2. Bases Teóricas

2.2.1. Calor total incidente absorbido por unidad de tiempo en el colector

2.2.2. Cálculo de las pérdidas de calor.

2.2.3. Factor de Eficacia

2.2.4. Ecuación del Balance Energético

2.2.5. Eficiencia y/o Rendimiento de un Colector.

2.3. Definiciones Conceptuales

2.3.1. Colector Solar

2.3.2. Convección natural

2.3.3. Convección forzada

2.3.4. Eficiencia y/o Rendimiento

3. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

3.1. Justificación de la Investigación

3.2. Formulación del Problema

3.3. Objetivos

3.3.1. Objetivo General

3.3.2. Objetivos Específicos

3.4. Hipótesis

3.5. Variables

3.5.1. Caracterización de las Variables

3.5.2. Definición Operacional de las variables

4. MARCO METODOLÓGICO

4.1. Caracterización del diseño de Investigación

4.2. Materiales y/o instrumentos

4.3. Técnica y método de recolección de datos

4.4. Procesamiento y análisis de datos

4.5. Cronograma de Trabajo

5. ASPECTOS ADMINISTRATIVOS

5.1. Fuentes de financiamiento y presupuesto

6. REFRENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

7. ANEXOS

1. DATOS GENERALES

1.1. Título

OPTIMIZACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UN COLECTOR SOLAR DE AIRE

DE PLACA PLANA (CSAPP) CON GENERADORES DE TURBULENCIA

1.2. Área de Investigación

Energías Renovables

1.3. Autor

Est. Abraham Mollo Acero

1.4. Asesor

1.5. Institución/Localidad donde se realizará la investigación

Institución: CERT

Ciudad: Tacna

Provincia: Tacna

Departamento: Tacna

País: Perú

2. MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes

El estudio de colectores ha ido evolucionando respecto a encontrar una mejor

eficiencia térmica. En trabajos recientes se ha estudiado el incremento de la

transferencia de calor hacia el fluido y la minimización de pérdidas por transferencia.

Con la llegada del avance tecnológico y la simulación, los trabajos en la línea de

investigación fueron creciendo cada vez más. Los investigadores Miguel Condori y

Gonzalo Durán (2002) nos aportan un modelo unidimensional d colectores de aire.

Ellos y sus posteriores se basaron en el uso numérico de diferencias finitas, las cuales

permiten obtener puntos dentro del colector y tomarlos como ecuaciones, entre más

puntos se tome más detallada será el resultado.

Entre los colectores solares de aire, los de placa plana representan una de las

configuraciones más económicas, de fácil instalación y mantenimiento (Kalogirou,

2004). En este artículo nos detalla las diferencias entre los diversos tipos de

colectores solares de aire, haciendo énfasis en la transferencia térmica.

Los investigadores Miguel Baritto y Adriana Lammardo (2010) realizan un modelo

matemático sobre el comportamiento térmico de un colector solar de placas planas a

una inclinación definida. La investigación pudo determinar la distribución espacial y

temporal de temperaturas dentro del colector.

Ricardo López (2012) hace el uso del software ANSYS para la simulación del fluido

dentro de un colector solar, dando como respuesta algunos parámetros a considerar a

la hora de la construcción. El software en mención usa el método de diferencias

finitas para calcular el trayecto del fluido.

Renzo Bedregal (2014) propone un diseño por simulación donde incorpora

generadores de turbulencia usando ventilación forzada, los resultados motivan a

seguir desarrollando nueva tecnología con el método de simulación.

2.2. Bases Teóricas

Los colectores solares son intercambiadores de calor que aprovechan la radiación

solar global (directa y difusa) para calentar un fluido calo-portador. (Jenaro Paz

2006)

Se entiende por intercambiador de calor al proceso de transformar la energía radiante

del sol en energía térmica.

2.2.1. Calor total incidente absorbido por unidad de tiempo en el colector

Qabs=Qu+Qp (1)

Donde:

Qabs: calor total incidente absorbido por unidad de tiempo en el colector.

Qu : calor útil que finalmente se transfiere al fluido.

Qp : pérdidas de calor hacia los alrededores por radiación, convección y conducción.

Por lo tanto,

Qu=Qabs−Qp (2)

A su vez,

Qabs=S I (3)

Donde:

S : superficie de la placa absorbedora.

I : energía incidente sobre el colector por unidad de tiempo

La placa absorbedora no recoge toda la energía que incide sobre el colector, sino que

hay que contar con las pérdidas que se producen en la cubierta por la transmitancia (τ

) y absortancia (α) de la placa.

Por lo tanto la energía que en realidad consigue llegar a la placa absorbedora será:

Qabs=τ α S I (4)

Donde:

Qabs: energía que consigue llegar a la placa absorbedora en Wm-2.

τ : transmitancia.

α : absortancia.

S : superficie de la placa en m2.

I : energía incidente sobre el colector en Wm2

2.2.2. Cálculo de las pérdidas de calor.

En cuanto a la energía que se pierde, Q, su cálculo es muy complejo ya que se

consideran las pérdidas de calor producidas por transmisión, convección y radiación

en el sistema.

Para simplificar este cálculo, se define un coeficiente global de perdidas, U, que se

mide experimentalmente.

Consideraremos que no existen pérdidas por conducción debajo de la placa

absorbedora, o que estas sean despreciables.

Se define un coeficiente combinado de transferencia de calor por convección y

radiación,Ut , el cual está definido por la ecuación :

Ut=hw+hrca1

Ut= 1

hw+hrca (5)

Donde:

hw : coeficiente convectivo de pérdidas térmicas de la cubierta hacia el ambiente;

sus unidades son Wm2°C.

hrca: coeficiente de transferencia entre la cubierta y el cielo; sus unidades son

Wm2°C.

Duffie y Beckman (1991) enuncian que probablemente los efectos de la convección

libre y radiación están incluidos en una sola ecuación y establecen que el valor del

coeficiente convectivo está dada por:

hw=2.8+3V w (6)

donde V w es la velocidad del viento en m/s.

El coeficiente de transferencia por radiación entre la cubierta y el cielo h(rca),

referido a la temperatura del ambiente está definido según Duffie y Beckman (1991),

por:

hrca=(T c2+T s

2)(Tc+T s)[T c−T s

T c−Ta

] (7)

Donde la temperatura del cielo en grados Kelvin, (T s), se calcula con:

T s=0.0552 (Ta)1.5021 (8)

El valor de Qp se determina en función de la diferencia de temperatura entre la placa

y el ambiente:

Qp=SU t (T c−Ta) (9)

Donde:

Qp : pérdidas de calor del sistema.

S : superficie.

T c : Temperatura de la placa absorbedora.

T a : Temperatura del ambiente

2.2.3. Factor de eficacia

La temperatura de la placa absorbedora es difícil de determinar, por lo que se suele

sustituir por la temperatura media del fluido que atraviesa la placa, según la

expresión:

T m=T s−T e

2

(10)

Donde:

T m : temperatura media de la placa absorbedora.

T s : temperatura de salida del fluido.

T e : temperatura de entrada del fluido.

Por esta razón, es necesario introducir un factor de eficacia o coeficiente de

transporte de calor (F) que siempre será inferior a 1.

Qu=F [Qabs−Qp ] (11)

2.2.4. Ecuación del Balance Energético

Reemplazando las ecuaciones (4) y (9) en (11) queda de la siguiente manera:

Qu=F ¿ (12)

Qu=FS [I (τ α )−U t (T c−T a )] (13)

Operando y agrupando F U t en U L:

Qu=S [F I (τ α)−U L (T c−Ta ) ] (14)

2.2.5. Eficiencia y/o rendimiento de un colector solar de aire

La eficiencia común para convección natural es del orden del 40-60%, siendo

mayores para convección forzada con un caudal de aire adecuado.

La eficiencia del colector se define como la potencia calorífica que transmitimos a la

corriente de fluido, en este caso aire, y la potencia que le llega al captador solar en

forma de energía solar (Ricardo López 2012):

η=QuS I

(15)

Siendo S el área de captación en m2, I la radiación total sobre la superficie inclinada

del colector en Wm-2 y Qu el calor que absorbe la corriente de aire desde que entra al

colector hasta que sale de él y tiene unidades de W.

Qu=ma c pa (T s−Te ) (16)

Siendo ma el caudal másico de aire (kg/s), c pa el calor específico del aire (J/kg°C),

(T s−T e ) la diferencia de temperaturas entre la entrada y salida del colector.

Finalmente la expresión del rendimiento o eficiencia del colector solar de aire es:

η=ma c pa (T s−T e)

S I (17)

2.3. Definiciones Conceptuales

2.3.1. Colector Solar:

Sistema de captación energética, en el que la energía solar incidente atraviesa una o

varias capas de material transparente, antes de alcanzar una placa de absorción,

donde la energía radiante es convertida en calor. Este es transferido por convección a

un fluido de trabajo, el cual la transfiere a un medio de almacenamiento térmico.

(Arnoldo Verdeza, 2013)

2.3.2. Convección natural:

El flujo resulta solamente de la diferencia de temperaturas del fluido en la presencia

de una fuerza gravitacional. La densidad del fluido disminuye con el incremento de

temperatura. Este cambio de densidades genera el movimiento. (Jenaro Paz 2006)

2.3.3. Convección forzada:

El flujo se obliga a fluir mediante medios externos, es decir, se añade algún tipo de

mecanismo como un ventilador o algún sistema de bombeo, dicho mecanismo

acelera la velocidad de las corrientes de convección natural. (Jenaro Paz 2006)

2.3.4. Rendimiento y/o Eficiencia Térmica:

El rendimiento de un panel evalúa la conversión de la energía solar en

aprovechamiento térmico. Este valor depende de diversos factores externos o

ambientales y de factores propios del colector. (Cleanergysolar.com 2011)

3. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

3.1. Justificación de la Investigación

Ante el creciente aumento de la población, la demanda de energía crece

considerablemente, la tecnología actual subsidia esto mediante el uso de energías

convencionales pero el uso masivo de estas energías contribuye al agravamiento de

los problemas medioambientales por lo cual se hace necesario impulsar el desarrollo

de nuevas tecnologías en el ámbito de las energías renovables.

3.2. Formulación del Problema

En Perú, el avance de la ciencia y tecnología en el ámbito de las energías renovables

avanza de poco en poco. El problema radica en la relación costo-beneficio que se

presenta al investigar en esta área.

El desarrollo de nueva tecnología se ve limitada por los recursos existentes en los

laboratorios. Así mismo, la eficiencia de los nuevos equipos desarrollados se ven

limitados por los materiales y/o su geometría.

En un caso particular se encuentra el diseño estructural de los colectores solares, los

cuales tienen un rendimiento y/o eficiencia que se puede optimizar.

3.3. Objetivos

3.3.1. Objetivo General

Optimizar la eficiencia de un colector solar de aire de placa plana

(CSAPP) con generadores de turbulencia.

3.3.2. Objetivos Específicos

Modelar el comportamiento térmico dentro de un CSAPP.

Diseñar una estructura para el CSAPP mediante simulación.

Construir el CSAPP utilizando el diseño estructural simulado.

Evaluar y determinar la eficiencia del CSAPP.

3.4. Hipótesis

El Colector Solar de Aire de Placa Plana con generadores de turbulencia alcanza un

rango de eficiencia entre 10% a 15% más que los modelos actuales.

3.5. Variables

3.5.1. Caracterización de las Variables

V. Independiente

Diseño del Colector Solar de Aire: Comprende la estructura geométrica

del Colector solar de Aire.

V. Dependiente

Eficiencia del Colector: Relación que existe entre la energía entregada

del sistema y la energía captada por el sistema.

3.5.2. Definición Operacional de las variables

Para el diseño, se tomará en cuenta el área de la superficie, la radiación

total del lugar, la temperatura ambiente, la velocidad del viento que

ingresará al colector.

Para la construcción, se tomará en cuenta la conductividad de los

materiales a utilizar y la temperatura interna dentro del colector, así como

también el material de la placa absorbente.

4. MARCO METODOLÓGICO

4.1. Caracterización del diseño de Investigación

Investigación Aplicada: Es la utilización de los conocimientos en la práctica, para

aplicarlos, en la mayoría de los casos, en provecho de la sociedad.

Investigación Experimental: manipula una o más variables de estudio, para

controlar el aumento o disminución de esas variables y su efecto en las conductas

observadas.

4.2. Materiales y/o instrumentos

Se hará uso de material de laboratorio, entre ellos:

Piránometros (2)

Multímetros con función de Termómetro (2)

Termocuplas (2)

Anemómetro digital (1)

Se contará con un ordenador y el software ANSYS Fluent – lic. Estudiantes.

4.3. Técnica y método de recolección de datos

La técnica usada para el diseño será mediante la simulación. Usando el software

ANSYS Fluent con licencia para estudiantes, se analizará el diseño de un CSAPP

con generadores de turbulencia en contraste con la eficiencia térmica producida.

Los métodos para la recolección de datos serán de dos formas: de manera empírica y

con datos obtenidos mediante la simulación por ordenador.

La adquisición de datos de la Radiación solar incidente se hará usando un

piranómetro, el cual se expondrá directamente al sol. La unidad de medida es

W/m2.

La Temperatura se medirá usando termocuplas acopladas a un multímetro con

función de termómetro que se colocará dentro y fuera del colector solar. La

unidad de medida es grados centígrados (°C).

Para la velocidad del viento se usará un anemómetro a la entrada del colector de

manera directa. La unidad de medida es m/s.

La eficiencia será evaluada respecto la ecuación (16).

En todos los casos anteriores, los resultados se contrastarán con los datos entregados

por el mismo simulador ANSYS.

4.4. Procesamiento y análisis de datos

Se usará el ordenador como registrador y luego se hará el tratamiento adecuado de

los datos mediante tablas y gráficas para una mejor visualización.

4.5. Cronograma de Trabajo

La duración del proyecto está programada para cuatro (4) meses. Las actividades

están detalladas en la Tabla I adjuntado en el anexo.

5. ASPECTOS ADMINISTRATIVOS

5.1. Fuentes de financiamiento y presupuesto

En el cuadro siguiente se muestra un costo aproximado del proyecto a realizar.

Tabla I. Presupuesto y gastos programados.

GRUPO DE GASTOS MONTO (S/.)

1. Recursos Humanos 250

2. Viajes Técnicos 200

3. Capacitación 150

4. Equipos 100

5. Recursos de Software 100

6. Materiales y Suministros 300

7. Servicios y Transporte 150

8. Extras 125

TOTAL 1375

Fuente: Elaboración propia.

6. REFRENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Baritto, Miguel. Bracamonte, Johane (2013). Ecuación aproximada para la

generación de entropía en colectores solares no isotérmicos para calentamiento

de aire. Revista Iberoamericana de Ingeniería Mecánica. Vol 17, No 2, págs. 149

– 162.

Bedregal Tissieres, Renzo (2014). Diseño, modelo matemático y simulación de

un olector soalr de doble flujo y ventilación forzada, con generadores de

turbulencia. XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente. Piura.

Condori, Miguel A. Durán, Gonzalo J. (2012). Modelo unidimensional

estacionario de un colector solar de aire, simulación por diferencias finitas.

Mecánica computacional Vol XXXI, págs. 1967 – 1983.

Duffie, John A. Beckman, William A. (2013). Solar Engineering of termal

Processes. Fourth edition, United States if America.

Kalogirou, Soteris A. (2004). Solar termal collectors and applications. Progress

in Energy and Combustion Science 30, págs. 231- 295

Lammardo, Adriana. Baritto, Miguel (2010). Modelo matemático del

comportamiento térmico de un colector solar de placas planas inclinadas para

calentamiento de aire. Revista Ingeniería UC, Vol 17, No 3, Diciembre 2010,

págs. 19 – 27.

López Martínez de Guereñu, Ricardo (2012). Simulación y optimización del

captador de un secadero solar. Universidad Carlos III de Madrid, España.

Paz Gutiérrez, Jenaro Carlos (2006). Colectores solares planos Tratamiento

téorico. Vol 1. Universidad Autónoma de Ciudad de Juárez, México.

Verdeza V. Arnaldo, Mendoza F. Jorge (2013). Colector solar de placa plana de

paso doble con lecho poroso. Revista Visión Electrónica Año 7, No 2, págs. 57-

66.

Artículo “Captación térmica: balance de energía en un colector solar plano”.

Publicado el 4 de septiembre, 2011. Recuperado el 25 de noviembre del 2015

de http://www.cleanergysolar.com/2011/09/04/tutorial-solar-termica-

captacion-termica-balance-de-energia-en-un-colector-solar-plano/

7. ANEXOS