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Universidad Nacional de Ingeniera

Fenmeno de TransporteTrabajo basado en la Feria de Energa Renovable y Vida SostenibleAutores: Cinthya Castro PrezFabio Gonzlez VargasZugania Zniga Garca

Grupo: 3TQDocente: TknL Rodolfo EspinosaNombre del Proyecto: Calentador solar de agua a travs de por tubos paralelos

Autores: III ao de Ingeniera en Energa Renovable

Procedencia:UNAN - FAREM EstelEl equipo consiste en un calentador de tubos paralelos de cobre recubiertos con pintura negra, de 12 mm de dimetro externo y 3/8 in de dimetro interno, que se encuentran en el interior de una cmara, compuesta por una cubierta de vidrio en la parte superior y por placas de Zinc liso en las paredes laterales y la parte inferior, igualmente recubiertas con pintura negra, la dimensin de dicha cmara es de 1m de largo x 0.94 m de ancho.

1. Descripcin del Sistema Real

Esta tiene una inclinacin de 15 grados con respecto a la horizontal.Las paredes laterales se encuentran aisladas con fibra de vidrio en la parteinterior, y en la pared inferior por la parte externa. La cmara se alimenta desde un recipiente cilndrico de 2mm de espesor, con unacapacidad de 80 Litros, a travs de tubos PVC. Ambos, tanto elrecipiente como los tubos se encuentran recubiertos por fibra devidrio. En la placa absorbedora haban dos perforaciones.El espesor de toda la fibra utilizada es de 5mm

La fuente de energa del sistema es el sol, este es la fuente primaria de calor de la Tierray la irradiancia solar sobre la superficie perpendicular (en este caso seria el vidrio) alos rayos solares se llama irradiancia solar o constante solar.

Cuando la radiacin solar choca contra la superficie externa del vidrio ,parte de ella esreflejada de regreso al exterior, otra parte es absorbida dentro del vidrio y el resto estransmitida hacia el interior de la cmara.

Como la mayor parte de la radiacin se transfiere hacia adentro, esta radiacin esabsorbida por los tubos que se encuentran colocados en paralelo, los tubos estnpintados de color negro, cuando las superficies se encuentran recubiertas de colornegro de humo tienden al comportamiento del cuerpo negro idealizado.

2. Indicar la fuente de energa y hacia donde o que se dirige (para que es til, propsito del equipo)Un cuerpo negro idealizado se define como un emisor y absorbedor perfecto de la radiacin.

Los tubos al absorber la radiacin transmiten la energa calorficaal agua por medio del mecanismo de Conduccin.

El propsito del equipo es calentar el agua que se conduce atravs de los tubos, es por eso que se requiere solamente entregarenerga al sistema, no removerla.

Habra que remover si se desea mantener la temperatura pordebajo de la temperatura mxima que podra alcanzar el equipo.3. Descripcin y esquematizacin de todos los mecanismos de TdQ involucrados

ExteriorInteriorEsquema del sistema: Se tom para el anlisis la cmara de el equipo solamente, no el tanque de almacenamiento del agua.La superficie exterior de la cubierta de vidrio se calienta debido a la radiacin incidente sobre esta, el vidrio permite que la radiacin solar entre pero no deja que escape la radiacin infrarroja proveniente de las superficies interiores. Esto causa una elevacin en la temperatura interior como resultado de la energa que se acumula dentro de la cmara del calentador. Los tubos de cobre debido a que estn pintados de color negro absorben energa por radiacin del sol.Luego la energa se transfiere a travs del espesor del vidrio por conduccin hacia el aire estancado, este aire se calienta y transfiere energa por conveccin natural hacia la superficie externa de los tubos de cobre, luego se transfiere el calor conduccin desde la superficie externa del tubo hacia la superficie interna de este, a continuacin se transfiere desde la superficie interna del tubo hacia el fluido por conveccin natural.Es importante aclarar que el aire estancado tambin transmite calor hacia las paredes internas laterales de la cmara por conveccin natural.

Descripcin de la TdQEl flujo de alimentacin de la cmara proviene del recipiente cilndrico que se transporta a travs de tubos PVC, conectados a una fuente de agua externa. El agua que fluye a travs de estos tubos llevan consigo cierta velocidad provocado por la presin hidrosttica del fluido que sale del recipiente de almacenamiento, como el proceso es continuo la presin hidrosttica no tendr variacin apreciable.Transferencia de MomentoEn el proceso de calentamiento del agua, una vez colocado el calentador apropiadamente, el agua de la red se conecta a la parte inferior del tanque. Los tubos del calentador, por los que circula el agua, se colocan longitudinalmente de manera que el agua fra (la cual proviene del tanque de almacenamiento) entre por la parte baja y una vez que se calienta por la radiacin solar, sale por la parte superior del calentador debido a su menor densidad, (el agua caliente sube por conveccin al tanque sin que haya necesidad de bomba- EFECTO TERMOSIFON).

Otra vez ingresa al calentador agua fra del tanque, pero esta vez ms caliente que en el ciclo anterior, se calienta ms por la radiacin solar y sube otra vez al tanque.Una vez utilizada una cantidad de agua caliente, se sustituye automticamente con agua fra de la red con el fin de que el tanque siempre tenga 80 litros de agua.Transferencia de MasaRadiacinEl sistema presenta perdidas de calor desde el instante en que losrayos solares se ponen en contacto con la superficie del vidrio, el8% es reflejada de regreso al exterior, de 5-50% es absorbidadentro del vidrio, y el resto es transmitido hacia el interior delvidrio.

Conveccin En la superficie externa del vidrio, parte del calor absorbido porel vidrio se transfiere al aire circundante mas prximo a l. Laconveccin puede ser natural o forzada en dependencia de lo queprovoque el movimiento del aire.4. Descripcin de la Prdida de CalorPresenta prdidas de calor por conveccin desde todas las paredes de la cmara hacia el aire, incluso an con las paredes recubiertas con aislante de fibra de vidrio.Los tubos que salen del sistema aunque estn recubiertos con el aislante, van a tener perdidas de calor por conveccin, hacia el aire circundante mas prximo a estos.

5. Clculos de las ganancias y prdidas de energas del calentador

SuposicionesEl sistema se encuentra en estado estacionario.Se tomar el valor de 5,500 Wh/m2 da para Managua la radiacin solar que incide sobre la superficie del calentador.El calentador solar es de 1m de largo por 0.94 m de ancho. Se inclina formando un ngulo de 15 con respecto a la horizontal.Las paredes laterales y el lado posterior de la placa estn aisladas con fibra de vidrio.La cubierta de vidrio y la placa de absorcin se mantienen a una temperatura de 40C y 80C, respectivamente.El aire est a una temperatura de 27C.Los tubos se encuentran en contacto directo con la placa de absorcin.Se asume que los tubos estn a la misma temperatura de 80C que la placa de absorcin.El vidrio transparente estndar para ventana de doble resistencia, una sola hoja y 3 mm de espesor, trasmite 86%, refleja 8% y absorbe 6% de la radiacin que incide sobre el. Dato tomado del Cenguel, TdQ y M, 3era edicin. Pg. 693.

La placa tiene un espesor de 1 mm.La temperatura a la que entra el agua es de 27C y la temperatura a la que sale una vez calentada es de 47C.

El esquema del calentador es el siguiente:

Aunque la placa este aislada, siempre van a haber prdidas de calor.No solamente por las paredes laterales de la placa ni por la parte de abajo, si no tambin por la cubierta de vidrio que refleja parte de la radiacin que recibe.Para el anlisis se tom solamente la parte de la placa de absorcin, se obvio el tanque que almacenaba el agua.Se plantea el balance total de Energa Qfuente del sol = Q se aprovecha para calentar agua + Qperdido

El calor se pierde por los tres mecanismos: por conveccin, conduccin y radiacin.Se tiene que el calor que gana el agua es igual a :

Q= mCp(Tw,s-Tw,e)

Pero este calor va a ser igual al calor que gana por conveccin el agua que se encuentra dentro de los tubos. Q= h A (T,tubo Tw,prom)

De el valor de radiacin solar para Managua, que son: 5,500 Wh/m2 da y asumiendo que el vidrio de 3 mm de espesor, absorbe el 6%, refleja el 8% y transmite el 86% podemos obtener que cantidad de energa se pierde y que cantidad de energa se transmite:

Se multiplica por 0.94 m2 porque esta es el rea de el calentador solar que se tiene. Entonces el calentador solar recibe 215.416 W.De estos 215.416 W, el 8% se refleja, el 6% se absorbe y el 86% se transmite, obteniendo estos porcentajes se tiene:

El calor que se trasmite por balance va a ser igual a: Qtransmitido=Qvvidrio_aire=Qvaire_tubo=Qcparedexternatubo_paredinternatub=Qvtubo_agua=Qcondtubo_placa=Qcondplaca_aislante= Qconvaire + Qrad al ambiente

Entonces se plantea el siguiente balance para encontrar el flujo msico de agua que entra al calentador:Qfuente del sol = Q se aprovecha para calentar aguaEn este caso es el Q que se transmite al calentador:

Despejando m de la ecuacin:

Siendo 2.240 gr/s de agua lo que entra al calentadorPor balance se encuentra el coeficiente convectivo del agua:

Se tienen todos los datos, el rea de los 7 tubos es:

Introduciendo todos los datos en la ecuacin anterior se puede despejar el coeficiente convectivo h que tendr el agua:

El coeficiente convectivo encontrado es aceptable, puesto que el coeficiente convectivo para el agua est entre 3000 y 10,000Si calculamos las prdidas de energa que tiene el calentador, estas son:

Qabsorbe el vidrio: 12.92 WQrefleja el vidrio: 17.23 W

Si se asume que el sistema se encuentra en estado estacionario, entonces el calor que se transmite debe regresar al aire por conveccin y al ambiente por radiacin.

Qtransmitido= Qconvaire + Qrad al ambienteQtransmitido=187.41 W

Una parte de la energa que se transmite al calentador llega de nuevo al aire y la otra parte por radiacin al ambiente. Cumplindose la ley de conservacin de la energa y la suposicin de un sistema en estado estacionarioNo es conveniente pintar las paredes laterales de la cmara en negro puesto que tambin estn absorbiendo radiacin, eso incurre en prdidas de energa y gasto de material aislante.

Se puede construir una caja externa de madera, que contenga en su interior la lmina de zinc pintada de color negro, esta caja de madera debe pintarse tanto en su interior como en su exterior en color blanco de aceite, para madera, esto aumentara la durabilidad de la caja y disminuira las prdidas de energa

6. Sugerencias de mejoras

Para reducir las prdidas del vidrio se puede colocar una placa reflectora encima de la cmara del calentador, como se muestra en la siguiente figura de este sistema:

Corrugar la placa absorbedora para aumentar la transferencia de calor.

Esto devolvera al sistema el 8% de la radiacin que refleja el vidrio de ventana que utilizaron los elaboradores del proyecto

Tienen el mismo principio de trabajo que los calentadores planos, o sea, la radiacin es recibida por el absorbedor y llevada en forma de calor hacia un tanque acumulador. La diferencia consiste en que el absorbedor esta formado por tubos en los cuales se ha hecho vaco para disminuir las prdidas de calor y dentro del tubo van colocadas las secciones del plato absorbedor. Existen los calentadores como el de tubos al vacoMUCHAS GRACIAS