PROYECTO:

CALENTADOR SOLAR PARA CASAS DE LIMA

INICIO

1. OBJETIVOS

General

Construcción de un calentador solar de agua que nos permita disminuir el consumo de gas y electricidad y así fomentar el uso de energía limpia.

Específico

Conocer los tipos y partes que componen un calentador solar. Comprender el funcionamiento de un calentador solar

2. NECESIDAD

Debido a que hoy en día, el consumo de energía proveniente de los hidrocarburos (recurso natural no renovable) ha incrementado sus costos económicos y ambientales, por lo que es necesario hacer un cambio en nuestro consumo de fuentes de energía.

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

3. ALCANCE

Construcción de un calentador solar de 200 litros para satisfacer las necesidades de una familia de 4 – 5 personas

4. JUSTIFICACIÓN

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

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

5. NORMAS TÉCNICAS NORMA DIN 4753 para el diseño del acumulador (tanque de 200 litros) Normas técnicas peruanas NTP 339 y NTP 400, en el diseño del colector

ANÁLISIS DEL PROBLEMA

1. CONOCIMIENTOS

La utilización del proceso del calentador solar de agua casero ecológico, es en la actualidad la forma más económica y adecuada de calentar el agua. Consiste en la utilización de botellas plásticas que unidos a una manguera de color negro puestas correlativamente y en paralelo, arman así el colector del calefón puesto al sol en un techo de chapa y orientada hacia el norte, preferentemente después se introduce agua por la parte inferior y al cabo de 15 min de exposición a los rayos solares, sale por la parte superior agua a unos 45 o 50ºC, esto sucede por un principio físico llamado “termosifón”.

Material Costo

(S/.)

-          Tanque grande 200 litros (tanque de aceitunas

reciclados)

30.00

-          Tanque pequeño limpio 100 litros (para la ducha y

otros)

20.00

-          Aislante (papel reciclado de periódico molido) 10.00

-          4 tubos PVC ¾” 11.00

-          30 botellas plásticas recolectadas 1 ½ L 5.000

-          12 metros de manguera para riego color negro ¾” 30.00

-          Accesorios de tuberías (codos, llaves, válvulas,

uniones “T”, etc.)

35.00

-          Disponer de un taladro eléctrico (no es

indispensable)

50.00

-          1 mecha de copa de ¾ de pulgada (si hubiera

taladro)

12.00

-  1 cuchillito tipo sierra de cocina (si no cuenta con

taladro)

12.00

-  2 rollos de teflón 10.00

-  2 m2 Techo de chapa 20.00

TOTAL 245.00

PRECIO DE VENTA RECOMENDADO 450.00

•ECONOMÍAEl sistema termosifón de 200 litros sirve para las duchas con agua caliente de 4 - 5 personas y tiene un costo aproximado de 245 soles. Para saber a partir de que tiempo se recuperara la inversión, se divide el costo del sistema solar por el costo del mismo servicio con otra fuente de energía.

GASTOS POR CONSUMO EN ENERGIA

ELECTRICA

GASTO

COSTO POR CONSUMO DE CADA

PERSONA

1.25KWh/día

CONSUMO PROMEDIO POR FAMILIA (5

PERSONAS)

6.25 KWh/día

COSTO ENERGIA ELECTRICA EN PERU

(1KWh)

S/. 0.3408

GASTO APROXIMADO EN 1 AÑO S/. 766.8

GASTOS POR COMPRA DEL TERMOSIFON S/. 450

AHORRO EN EL PRIMER AÑO S/. 316.8

Al año tienen que pagar para su agua caliente de las duchas la suma de 12x63.9 = s/766.8.dividiendo los aprox. s/450 del sistema termosifón por el costo anual de energía eléctrica (s/766.8), resulta que en 7.04 eq. 7 meses se podrá recuperar el gasto invertido.Por lo tanto recuperas tu inversión en 7 meses aprox. luego ahorras S/.766.8 anual.

CAUSAS

La necesidad de contar con agua caliente en diversos sectores de lima de marcado nivel social, por ende de poco acceso a contar con termas eléctricas, por su excesivo costo y de consumo, es que la realización del proyecto se nota como una solución económica al tema.

Generar salubridad tanto a las personas como al planeta, al utilizar esta forma renovable y ecológica de fuente de energía que es el sol y evitar así consumir combustibles, corriente eléctrica que de alguna u otra manera contaminan el medio ambiente.

Actualmente hay una gran demanda de agua caliente en lima, por lo que el producto obtenido puede ser de más fácil acceso sin pagar combustibles ni electricidad, ofreciéndolo a un costo único y bastante rebajado sería más fácil venderlo.

DATOSEl estudio de datos se basa en resultados reales sobre nuestro mercado objetivo. Una muy buena manera es utilizar encuestas y porcentajes generalizados al país:

REQUERIMIENTOS

Se construirá primero el colector del calefón con la contratación de una concesionaria indicando las dimensiones requeridas para cada proceso y la instalación de las mangueras.

Se harán las instalaciones correspondientes y la compra de los diversos accesorios de la empresa que vende a menor costo estos materiales.

Se unen las botellas una a una dentro de las cuales están las mangueras y los tanques uno dentro de otro de acuerdo a las normas elaboradas.

Se unirá al calentador de agua solar una tubería para alimentarlo de agua fría o normal proveniente del tanque de agua cisterna o de una bomba centrifuga.

Se instala el equipo ecológico realizado al sistema de tuberías de la casa como medio de transporte del agua caliente.

Se requiere también de:- 30 botellas descartables de gaseosas de un litro y medio, todas

iguales (importante) y quitarles la etiqueta.- 12 metros de manguera para riego color negro (es importante que

sea de ese color) y de ¾ de pulgada de diámetro.- 8 uniones “T” y dos codos. - 1 rollo de teflón. - 2 llaves esféricas de ¾ de pulgada.- taladro eléctrico y una mecha de copa de ¾ de pulgada. - 1 cuchillito tipo sierra de cocina para agujerear las botellas.- vidrio o acrílico plano (optativo).- 1 techo de chapa.- 1 caucho de silicona para pegar.- 1 tanque de 200 litros, con el que se construye un termo-tanque

casero. para que el agua calentada por el sol, durante el día, se pueda utilizar también de noche.

- 1 tanque limpio chico dentro del grande (100 L).- aislante térmico (bollos de papel periódico) para el termo-tanque

casero.- 2 válvulas de retención.- Agua de red.

EFECTOS

IDEAS PRELIMINARES

IDEALIZACIÓN

ESQUEMA GENERAL

IDEAS BÁSICAS DE LAS OPCIONESCalentamiento del agua por radiación usando el efecto TERMOSIFÓN

IDEALIZACIÓN

IDEAS BÁSICAS DE LAS OPCIONESUso de células fotovoltaicas

IDEALIZACIÓN

CAPTADOR SOLARa) Sistema calentador de agua usando panel solar casero, hecho con botellas de plástico y mangueras negras de material termoplástico pasantes.

LISTA DE IDEAS

CAPTADOR SOLARb) Sistema calentador de agua usando panel con tuberías metálicas, cubierta de vidrio y placa para absorber la radiación.

LISTA DE IDEAS

CAPTADOR SOLARc) Sistema calentador de agua usando doble tubos como colectores, con estructura metálica que concentra el calor.

LISTA DE IDEAS

CAPTADOR SOLARd) Sistema calentador de agua usando terma eléctrica alimentado por panel solar con celdas fotovoltaicas.

LISTA DE IDEAS

TANQUE PARA ALMACENAMIENTOa) Doble tanque ambos de polietileno relleno de material aislante.

LISTA DE IDEAS

TANQUE PARA ALMACENAMIENTOb) Con estructura - caja aislante de poliestireno o poliuretano.

LISTA DE IDEAS

TANQUE PARA ALMACENAMIENTOc) Tanque de acero horizontal para almacenamiento de agua caliente.

LISTA DE IDEAS

TUBERÍAS DE TRANSMISIÓN DE AGUA

LISTA DE IDEAS

b) Tuberías PVC y CPVC, tubos y codos.

a) Mangueras flexibles de jebe y lona, y mangueras con

elastómeros para agua caliente.

AMPLIACIÓN

ANÁLISIS

CIENCIA

PRINCIPIOS BASICOS DE LA FISICA DEL CALENTADOR SOLAR

Termodinámica.

Rama de la física que estudia las transformaciones de energía en calor. Primera ley de la termodinámica; “La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”.

Calorimetría

Es el intercambio de calor entre cuerpos

Transferencia De Calor

Cuando la radiación solar es absorbida por un cuerpo, se transforma en calor, o sea, éste se calienta. Un cuerpo caliente se enfría cuando le pasa calor a otro cuerpo por contacto (por conducción) o a un fluido, aire o agua en movimiento que lo rodea (por convección) y por la emisión al exterior (por radiación).

Principio del termosifón.

Se tiene un panel solar lleno con agua fría. Como el Sol calienta el colector, el agua en el interior comienza a aumentar su temperatura, por lo que disminuye su peso específico, se dilata, se torna más ligera y tiende a subir hacia la parte más alta del tanque. El agua fría, más pesada, queda en la parte baja del colector, donde se calienta, comienza el proceso y comienza su trayecto hacia la parte superior del tanque, y así, sucesivamente.

INGENIERÍA

Diseño del acumulador: cálculos en base a la norma DIN 4753

EL acumulador solar contiene ánodos de magnesio, y un intercomunicador, aislamiento de la espuma de poliuretano (espesor de 35 mm) de alta densidad para brindar máxima seguridad, para facilitarnos en el montaje, gracias al doble soporte de fijación para su colocación al colector.

ACUMULADOR SOLARUNIDA

DES200 LITROS

Capacidad L 200Altura total mm 1425Diámetro acumulador incluido soporte

mm 525

Resistencia eléctrica kW 2.5Alimentación V 230Material   AceroEspesor mm 2Protección contra corrosión  

Certificado según DIN 4733 grosor 180 m

Montaje resistencia   En brida ø86Superficie del intercambiador

m2 0.6

Volumen del intercambiador L 3.24Caudal del intercambiador L/h 420Perdida de carga mca 0.30Peso en vacío Kg 64Presión máxima de servicio bar 8Presión máxima de servicio del acumulador

bar 4

Temperatura máxima de utilización

ºC 75

El termo-tanque o acumulador es de acero inoxidable con las dimensiones ya especificadas con recubrimiento exterior de pintura epóxica color blanco y con un recubrimiento interior contra la corrosión con una capacidad de almacenamiento de 200 litros empleando un material de aislante como el poliuretano y la estructura de soporte está conformado por perfil de acero galvanizado

Diseño del colector: (componente principal del sistema)

1) Descripción del colectorParte superior: la cubierta, destinada a dejar pasar l radiación solar hacia la placa de absorción y a disminuir las pérdidas de calor por convección y radiación

Superficie captadora: recibe el calor para transferir a los tubos de cobre, que estos se encuentran en la circulación.

Parte inferior: Aislantes térmicos para disminuir las pérdidas de calor al ambiente.

2) Análisis de la radiación solar

a) Cubierta Transparente

Análisis térmico, se tiene en cuenta las propiedades de la radiación como la reflectividad, absortividad y la transmisitividad

coeficiente de ganancia de calor solar (CGCS)

b) Placa Absorbedora

Conductividad térmica mayor a 125 W/m-ºC y una absortancia mayor a

0,9, como el acero, cobre o aluminio, en un espesor mínimo de 0,5 mm, 0,2

mm y 0,4 mm respectivamente.

3) Análisis de transferencia de calor y pérdidas de calor en el colector

•Analogía eléctrica de la transferencia de calor en el colector

•Detalle del tubo caloportador.Fig. Resistencias térmicas del colector.

Las pérdidas de calor por:

4) Cálculo de la transferencia de calor en el colector

•Análisis de la radiación Solar Térmica.La cubierta consta de un vidrio transparente normal de 3 mm de espesor que transmite 86 %, refleja 8 % y absorbe 6 % de la radiación que incide sobre él. Entonces: Radiación total

Radiación Transmitida Radiación absorbida Radiación reflejada

Ganancia de calor solar a través de la

cubierta.

Radiación absorbida por la placa.

La placa absorber

Los valores de absortividad y emisividad son de

•Coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC).

Parte Pérdida

[kW]

Superior 2,561

Inferior 0,413

•Calor generado en las resistencias

MEJORA

MEJORASBosquejos

Mejoras económicas

MEJORAS

BosquejosMejoras

estructurales

MEJORASBosquejos

Elección de materiales

DECISIÓN FINAL

Comparación de captador plano y tubo de vacío

Comparación de captador plano y tubo de vacío

BOSQUEJO 1Captador solar plano con tanque de acero y tuberías de acero

BOSQUEJO 2Captador solar con tubos de vacío tanque de fibra de

vidrio y tubería de acero

BOSQUEJO 3Captador solar con manguera negra forrada de botellas, tanque de fibra de vidrio cubierto con aislante y tuberías

de PVC

TABLA DE CRITERIOS PARA DECISIÓN FINAL

 

Cantidad de Calor

Económico Facilidad  

observación

absorbeperdid

asCosto

producción

ensamble

adaptarmantenimiento

Tiempo de vida

Captador solar plano con tanque de acero y tuberías de acero  

buenaregula

ralto

regular

complicado

complicado

RegularMax 15

años

Es buena absorbiendo energía, pero menos eficiente y perpendicular al sol

Captador solar con tubos de vacío tanque de fibra de vidrio y tubería de acero 

excelente

bajasMuy alto

regular

regular

regular regularMax 10

años

Excelente absorbiendo energía a 45° durante todo el día, y muy eficiente

Captador solar con manguera negra forrada de botellas, tanque de fibra de vidrio cubierto con aislante y tuberías de pvc 

buenaregula

rbajo alta fácil fácil sencillo

Max 15 años

Absorbe mucho calor, pero a cierta horas del día y a 45° menos eficiente

GRACIAS