UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN CENTRO DE ENERGIAS RENOVABLES

CER – EE

CURSO

“TERMAS SOLARES” TEMA: “CALCULO Y DIMENSIONAMIENTO”

Expositor: Mg. Gonzalo Chávez Oblitas

Octubre 2014

CONTENIDO

Antecedentes

Niveles de radiación en los principales departamentos del Perú

Partes principales de la terma solar tradicional

Colector, tipos, partes y función

Tanque termo, arquitectura, partes y función

Cálculo del colector

Ejms. de cálculo del colector (caso práctico 1; caso práctico 2)

Dimensionamiento del tanque termo

Aislante térmico

Forro del tanque termo

Ejms. de dimensionamiento del tanque

Tanque mixto solar - eléctrico

ANTECEDENTES

La energía Solar la tenemos millones de años y estará presente, millones

mas. El sol recién se ha consumido en un 10%.

La radiación solar se mide en Kw/m2 y se la expresa en promedio diario

de Kw-h /m2. En Arequipa se llega a registrar hasta 900 w/m2 y en

promedio se usa 7,0 Kw-h/m2 para el cálculo del colector solar.

La energía solar se transforma en Calor y Electricidad. La conversión en

calor es la que logramos en el colector; la transformación en electricidad

es con las celdas fotovoltaicas.

En el Perú el departamento que tiene mayor radiación solar es Arequipa

seguido de Puno, Ayacucho, Cajamarca etc. la gran ventaja que presenta

esta Zona sur es que la mayor parte del año esta con sol (96%).

La experiencia de calentar agua con la energía solar es tan antigua como el

hombre, pero usar principios de la física para hacer este procedimiento

continuo es lo que hace eficiente a un sistema de calentamiento de agua,

así mismo innovar con nuevas técnicas y materiales

NIVELES DE RADIACION SOLAR EN

EL PERU (Kw-h/m2)

PARTES PRINCIPALES DE UNA TERMA SOLAR

EFECTO TERMO SIFON

NO OCURRE EL EFECTO TERMO SIFÓN

COLECTOR SOLAR (panel)

Es la parte mas importante de la terma solar, de su calidad y buena construcción depende la eficiencia de la terma solar.

Su función es la de transformar la radiación solar en energía calorífica

Como elemento de ingeniería mecánica viene hacer un intercambiador de calor, existen varios diseños

Los antiguos se fabricaban de fierro negro, luego de tubos galvanizados, luego hubo un tiempo que se los hacia de PVC, pero el cobre es el material ideal para su fabricación.

Para termas solares de grandes dimensiones el tipo Serpentín da buenos resultados.

Este intercambiador tipo serpentín o el de tubos paralelos va contenido en una caja metálica, de madera o de concreto, un aislante térmico y un vidrio por la parte superior.

A mayor área de colector mas calentamiento del agua, se recomienda realizar un adecuado cálculo del área. En m2.

COLECTOR SOLAR DE PLACAS

PLANAS

COLECTOR TIPO SERPENTIN

CALCULO DEL COLECTOR SOLAR

E = m Cp (Ts – Ti)

E = Energía en KJ

m = masa Kg.

Cp = Capacidad calorífica del agua 4,18 KJ/Kg ºC

Ts = Temperatura de salida

Ti = Temperatura de ingreso

Ejm. Cual es la energía para calentar 120 litros de agua de

15 ºC hasta 40 ºC.

E= 120 x 4,18 (25)

E = 12 540 KJ

CALCULO DEL AREA DEL COLECTOR

A = E / 3 600 R e

A = Área en m2

E = Energía KJ

R = Radiación KW-h /m2 …. Arequipa = 7 KW-h

e = Eficiencia (0,5)

A = E / 12 600 (m2) solo para Arequipa.

Ejm. Para calentar los 120 litros de 15 a 40 ºC ¿Qué área se

requiere de colector?

A = 12 540 / 12 600

A = 0,99 m2 = 1 m2

Ejm. Caso practico 1: Casa residencial s.s.e. “A”

Una familia de 5 miembros habita una casa con tres baños e

instalación de agua caliente en el lavadero de la cocina,

todos los miembros acostumbran tener un baño diario.

1.- Determinar la capacidad de la terma:

Consumo moderado: 20 l/persona

Consumo normal: 30 “

Consumo extra: 40 “ ……… * se escoge

Consumo en la cocina 40 litros

Consumo diario = 5 x 40 + 40 = 240 litros

Ejm. Caso practico 1: Casa residencial s.s.e. “A”

2.- Determinar la cantidad de energía para calentar el agua

de 10 ºC a (20, 30, 40, 50 ºC) se escoge 50 ºC.

E = m Cp (Ts – Ti)

E = 240 x 4, 18 x (40)

E = 40 128 KJ.

3.- Determinar el área de colector

A = E / 12 600

A = 40 128 / 12 600

A = 3,18 m2 …………………….. A = 4 m2

Ejm. Caso Practico 2 Casa modesta s.s.e. “C”

Se tiene una vivienda familiar de un solo baño y habitan 5 miembros, la

instalación de agua caliente es solo para el baño.

1.- Determinar la capacidad de la terma:

Consumo diario = 20 litros x 5 personas = 100 litros.

2.- Determinar la energía para calentar estos 100 litros de 10 ºC

hasta (20,30,40,50 ºC) ….. 40 ºC

E = 100 x 4,18 x (30)

E = 12 540 KJ

3.- Determinar el área del colector

A = E / 12 600

A = 12 540 / 12 600

A = 0,99 m2 ……………….. A = 1 m2

Caso Practico 3: Propuesto

Un hotel de 20 habitaciones y 30 camas, requiere contar con agua

caliente con energía solar, el servicio debe ser confiable y deberá contar

con agua caliente las 24 horas. Según el propietario habrá momentos

donde todas las duchas estén siendo utilizadas (10 duchas).

1.- Determinar la capacidad

2.- Determinar la energía

3.- Determinar el área del colector.

TANQUE TERMO

CAPACIDADES DEL TANQUE TERMO

1.- Existen capacidades nominales en litros como:

60 litros

90 “

120 “

160 “

240 “

500 “

2.- Las planchas metálicas vienen comercialmente de 1,20 m de ancho,

al rolar estas se obtiene una circunferencia de 38 cm. Por lo tanto por

la formula de Volumen de un cilindro se tiene: 2

V = (0,38) * π * H ---------------------------------------

4

CAPACIDADES CON D/H

TANQUES CILINDRICOS Y ESFERICOS

CALCULO DEL ESPESOR DEL TANQUE

1.- Por resistencia de materiales resulta 1 a 1,2 mm.

2.- Por facilidad del proceso de soldado se emplea plancha

de 2 mm. Inoxidable.

Si se emplea plancha negra comercial se deberá usar

como mínimo el espesor de 1/8” = 3 mm.

3.- Normalmente se debe contemplar el vacio que se puede

originar en un corte de agua, el tanque falla.

MATERIALES DE FABRICACION

1.- Los tanques interiores se han venido fabricando por años de plancha

negra y luego se le daba un tratamiento como el zincado.

2.- Algunos tanques se les colocaba ánodos de sacrificio.

3.- Existen revestimientos interiores como la fibra de vidrio, porcelanas,

etc. Todos ellos para evitar la corrosión.

4.- Los tanques de acero inoxidable 304 son los que han dado resultados

satisfactorios a un precio razonable, son los que en la actualidad se

viene usando. El tiempo de vida esta sobre los 20 años.

5.- La recomendación es que el proceso de soldadura sea con el proceso

TIG para evitar que la plancha se oxide el momento de soldar.

AISLANTES TERMICOS

1.- A lo largo del tiempo se han venido usando diferentes materiales,

antiguamente se usaba lana de oveja, pelo de vaca, cascara de arroz, en la

actualidad tenemos fibras especiales como la lana de vidrio que es un buen

aislante.

2.- Teóricamente no existe aislante ideal, siempre existirá fuga de calor

al exterior.

3.- Una recomendación es no comprimir la fibra, dado que la puedes

hacer trabajar como conductor, hay que respetar su densidad.

4.- Como investigación se debe conseguir un tanque con aislante de

vacio para aumentar la eficiencia.

TERMAS MIXTAS SOLAR-ELECTRICAS

OTRAS APLICACIONES DE LA

ENERGIA SOLAR

Secadores Solares para alimentos

Cocinas y hornos solares

Tratamiento de agua potable por destilación solar

Generación de vapor para procesos.

Colector solar paraboloide para fundición

Climatización de ambientes (viviendas)

Refrigeración solar

Calefacción de casas por las noches

Generación termosolar de energía eléctrica.

Temperado de piscinas

Invernaderos de temperatura constante para flores

Etc.

NORMALIZACION

REVISION DE LAS NTP

EXPOSICION DE GRUPOS DE 2 ALUMNOS:

NTP 399.482 2007: Sistemas de Calentamiento de Agua con

Energía Solar. Procedimiento para su instalación eficiente.

NTP 399.404 2006: Sistemas de Calentamiento de Agua con

Energía Solar. Fundamentos para su dimensionamiento

eficiente.

NTP 399.400 2001: Colectores Solares. Método de ensayo para

determinar la eficiencia de los colectores solares.

TEMAS DE INVESTIGACION

1.- Sistema de calentamiento termo solar de agua industrial a razón

de 500 litros/hora (8 horas día) Tagua ingreso = 20 ºC

Tagua salida = 50 °C, con colectores planos.

2.- Sistema de calentamiento termo solar de agua industrial a razón

de 200 litros/hora (8 horas día) Tagua ingreso = 20 ºC

Tagua salida = 90 °C, proponga el tipo de colector.

3.- Sistema de desalinización de agua 500 litros/dia con energía

solar

4.- Calefacción termo solar con serpentín para piso radiante de

vivienda rural (Caylloma) 40 m2 Tambiente= 0 ºC; Tcasa

noche = 20 °C

5.- Temperado de piscina de 6mx4mx2m en Challapampa Arequipa.

6.- Diseño de terma solar de 240 litros para la ciudad de Puno.

7.- Tema libre propuesto por el alumno.

SE PIDE:

1.- Titulo

2.- Objetivos

Objetivo general

Objetivos específicos

3.- Hipótesis

4.- Alternativas de solución

Alternativa conveniente

4.- Determinación de tus variables

Formulas y ecuaciones

5.- Diseño y resultados

6.- Análisis de costos o impactos como el Social, medio ambiental y la sostenibilidad.

7.- Conclusiones

Bibliografía

Planos

Anexos

Tres requisitos para el tema de una investigación

COPIMERA 2013 (Santa Cruz)

1.- Contribuir para atenuar el efecto invernadero

2.- Contribución al sector social mas necesitado

3.- Sostenibilidad económica en el tiempo

Tema propuesto:

Gracias

gonchavezo5@hotmail.com