Univerisdad Aut´onoma de la Ciudad de
M´exico
CARACTERIZACI´
ON DE UN SISTEMA SOLAR-T´
ERMICO
Profesor: Dra Donaji Melchor Quintas
Manuel Alvarez
Rosario Naranjo
Michael Rojas
Calentadores Solares
M´exico,CDMX. Noviembre
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Diseño de un Sistema Solar Térmico para Precalentar Agua en un Hospital, Guías, Proyectos, Investigaciones de Ciencias Ambientales
Caracterizacion de un sistema solar termico
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
2022/2023
1 / 36
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Univerisdad Aut´onoma de la Ciudad de
M´exico
CARACTERIZACI ON DE UN SISTEMA SOLAR-T´ ERMICO´
Profesor: Dra Donaji Melchor Quintas
Manuel Alvarez
Rosario Naranjo
Michael Rojas
Calentadores Solares
M´exico,CDMX. Noviembre
´Indice
- Resumen
- Planteamiento del problema
- Descripci´on general
- 3.1. Ubicaci´on
- 3.2. Selecci´on del colector
- 3.3. Descripci´on del sistema
- An´alisis te´orico
- 4.1. Arreglo de colectores
- 4.2. Dimensionamiento del sistema t´ermico
- 4.3. Dimensionamiento de la tuber´ıa
- 4.4. Simulaci´on
- An´alisis econ´omico
- Conclusiones generales
- Caldera SZS10-1-25-Y(Q) ´Indice de figuras
- Hospital general de zona 1a: vista satelital
- Comparaci´on entre tecnolog´ıa de colectores
- Colector elegido
- Eficiencia Instant´anea del colector
- Aproximaci´on de la eficiencia
- Tanque con intercambiador de calor
- Banco de colectores
- Interconexi´on de los colectores
- Valores nominales de la caldera ´Indice de cuadros
- Caracter´ısticas t´ecnicas del colector solar
- Calor Requerido
- Irradiancia global en plano en la localidad
- Caracter´ısticas del tanque de inercia
- Dimensionamiento del sistema
- Balance econ´omico
- Resumen
Figura 1: Caldera SZS10-1-25-Y(Q)
T.A. es Temepratura de alimentaci´on
A.C es Area de calentamiento.´
En donde en la Figura 1 se muestra una imagen de la caldera que ahora se encuentra instalada en la unidad hospitalaria, en donde este tipo de calderas puede emplear como combustible Diesel, gas natural, gas LP. La eficiencia t´ermica de este dispositivo oscila entre los 95 % y los 97 % lo que hace que sea un sistema t´ermico muy usado en diferentes ´areas e industrias, para el caso le hospital general de zona 1A es del desconocimiento de los autores el tipo de combustible que usa, para fines de an´alisis se considerar´a que usa como combustible gas natural. Adem´as de cubrir el servicio de esterilizaci´on, la caldera se encarga de otros servicios donde es necesario el ACS (agua caliente sanitaria), en general es necesario satisfacer un total de 5000[ (^) dialt ] que es equivalente a 0.0579[lts ]. Para saber el costo que implica tener a la caldera funcionando en el hospital es necesario realizar el an´alisis termodin´amico del sistema t´ermico para en ese sentido de acuerdo al an´alisis termodin´amico de la caldera se tiene lo siguiente
m˙gas = m˙vapor ηP CI(h^2 − h^1 ) (1)
bajo las condiciones mencionadas de operaci´on de la caldera se tiene lo siguiente
m˙vapor = 0 .0579[kg s
]
h 2 = 2785 .69[kJkg ]
h 1 = 83 .915[kJkg ] η = 95 % P CI = 44000[ (^) kgkJ f uel
]
sustituyendo los par´ametros en (1) se tiene que
m˙gas = 0.0037[kgf uel s
] (2)
por lo tanto, se necesita la siguiente cantidad de combustible por d´ıa
m˙gas = 323.178[kg diaf uel ] (3) si el costo del gas natural en el mes de noviembre se encuentra en $15.51 pesos por kilo, entonces se necesita invertir cerca de $5012.5 pesos diarios en la compra de combustible para alimentar la caldera instalada. Con la instalaci´on de los colectores y considerando la nueva temperatura de entrada de la caldera se tiene que
m˙gas = 293.3009[kgf uel dia
] (4)
por lo tanto se tiene un ahorro de $465.9726 pesos al d´ıa, dentro de este trabajo se mostrar´a la inversi´on necesaria para instalar los colectores necesarios as´ı como el tiempo de retorno de la inversi´on.
- Descripci´on general
En esta secci´on se muestra las consideraciones geogr´aficas y t´ecnicas para el desarrollo de este estudio.
3.1. Ubicaci´on
La ubicaci´on del hospital general de zona 1a se encuentra en Municipio Libre 270, en la colonia Portales Norte en la alcald´ıa Benito Ju´arez, 03303 Ciudad de M´exico, CDMX, es- pec´ıficamente, el hospital se encuentra en las siguientes coordenadas geogr´aficas 19. 36993
∆T = (80 − 20)[◦C] = 60[◦C]. (5)
En Goswami (2022) se hace la comparaci´on entre diferentes tipos de colectores solares tal como se muestra en la Figura 3
Figura 3: Comparaci´on entre tecnolog´ıa de colectores
en la Figura 3 que fue obtenida de Goswami (2022) se puede observar como la tecno- log´ıa que tiene una mayor eficiencia para mayores incrementos de temperatura corresponde a colectores con tubos evacuados, en el caso de nuestra aplicaci´on un colector plano con una cubierta y una superficie de cromo negro ser´ıa la mejor opci´on. Dentro de las carac- ter´ısticas b´asicas de flujo que debe de cumplir el colector debe ser un flujo m´ınimo de 3 .4740[ (^) minlt ]. Con esto en mente y con la base te´orica mostrada en la Figura 3 se encontr´o en el mercado un colector plano con recubrimiento absorbedor selectivo de cromo negro de la marca SHENZHEN BEILI NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD, dicho colector se muestra en la Figura 4. Seg´un el fabricante, este colector tiene las siguientes caracter´ısticas cualitativas^1
La soldadura de cobre es muy firme y gruesa, la uni´on de cada punto de soldadura est´a perfectamente integrada para garantizar que no haya riesgo de fugas.
El revestimiento absorbente selectivo de cromo negro es muy firme, puede soportar (^1) Estas caracter´ısticas fueron obtenidas de http://es.solarshine01.com/high-class-c-series -flat-plate-solar-collector-with-black-chrome-coating-product/
Figura 4: Colector elegido
altas temperaturas bajo la radiaci´on solar sin riesgo de que se elimine o se desva- nezca.
El sellado es con 2 capas de caucho EPDM^2 dentro y fuera de la cubierta de vidrio, cada esquina del colector est´a hecha de sellado de refuerzo de silicona, sin riesgo de que el agua del exterior salpique al colector. El caucho EPDM es un material perfecto para cualquier aplicaci´on de sellado, con un buen rendimiento anticorrosivo, anticalentamiento, flexible, de larga duraci´on, etc.
La carcasa del marco es de aleaci´on de aluminio, con un grosor de pared de 1.4[mm] para garantizar una buena resistencia, la superficie de la carcasa del marco es elec- troforesis anticorrosiva, el marco puede permanecer en condiciones exteriores sin deformaci´on alguna.
El aislamiento de la parte posterior es de aluminio + placa de espuma fen´olica de alta densidad, esta es una de las principales caracter´ısticas y el punto competitivo de nuestro colector de panel solar.
Producto garantizado por 10 a˜nos con vida ´util aproximadamente, dependiendo del mantenimiento, 15 a˜nos
En relaci´on con las caracter´ısticas t´ecnicas, en el Cuadro 2 se muestran las principales caracter´ısticas t´ecnicas de este colector. (^2) eilo-propileno-dieno tipo M
Mes D´ıas m˙a[ (^) diakg ] Ta ∆T Qu[kW h] Enero 31 5000[ (^) diakg ] 14 .3[◦C] 65 .7[◦C] 11852 .46[kW h] Febrero 28 5000[ (^) diakg ] 13 .5[◦C] 66 .5[◦C] 10835 .8055[kW h] Marzo 31 5000[ (^) diakg ] 15[◦C] 65[◦C] 11726 .18056[kW h] Abril 30 5000[ (^) diakg ] 14 .6[◦C] 65 .4[◦C] 11417 .75[kW h] Mayo 31 5000[ (^) diakg ] 18[◦C] 62[◦C] 11184 .9722[kW h] Junio 30 5000[ (^) diakg ] 20[◦C] 60[◦C] 10475[kW h] Julio 31 5000[ (^) diakg ] 25[◦C] 55[◦C] 9922 .1527[kW h] Agosto 31 5000[ (^) diakg ] 22 .5[◦C] 57 .5[◦C] 10373 .1597[kW h] Septiembre 30 5000[ (^) diakg ] 16 .7[◦C] 63 .3[◦C] 11051 .125[kW h] Octubre 31 5000[ (^) diakg ] 15 .6[◦C] 64 .4[◦C] 11617 .9388[kW h] Noviembre 30 5000[ (^) diakg ] 14 .5[◦C] 65 .5[◦C] 11435 .2083[kW h] Diciembre 31 5000[ (^) diakg ] 14 .2[◦C] 65 .8[◦C] 11870 .5027[kW h] Cuadro 3: Calor Requerido
10[ (^) minlt ] adem´as la instalaci´on necesaria para aprovechar el vapor generado por la caldera mostrada en la Figura 1. En este trabajo se mostrara en la Secci´on 4.2 se muestran los elementos necesarios para su instalaci´on y su funcionamiento
- An´alisis te´orico
En esta secci´on se abordaran los elementos te´oricos necesarios a considerar para poder dise˜nar el sistema t´ermico-solar de acuerdo a a las condiciones establecidas en la secci´on
Para empezar el an´alisis te´orico es necesario calcular el calor requerido para esta aplicaci´on, para esto considere la siguiente expresi´on
Qu = ˙maCp(TACS − Tin)n (6)
donde
m˙a es el flujo de fluido diario.
Cp Capacidad t´ermica del agua
TACS Temperatura del agua caliente
Tin Temperatura de entrada
n d´ıas en el mes
entonces el calor requerido se muestra en el Cuadro 3.
4.1. Arreglo de colectores
Para poder establecer el dise˜no del sistema t´ermico es necesario establecer caracter´ısti- cas geom´etricas adecuadas para su dise˜no. Como primer paso se establecer´an las condi- ciones de eficiencia que tienen estos colectores para la situaci´on geogr´afica donde ser´an instalados, que es latitud 19. 369930 ◦^ y longitud − 99. 155800 ◦, los datos de irradiancia mensuales son los siguientes^4
Mes D´ıas Irradiancia Global en el plano Enero 31 0 .2403[kWm 2 ] Febrero 28 0 .2910[kWm 2 ] Marzo 31 0 .3041[kWm 2 ] Abril 30 0 .2733[kWm 2 ] Mayo 31 0 .2774[kWm 2 ] Junio 30 0 .2226[kWm 2 ] Julio 31 0 .2112[kWm 2 ] Agosto 31 0 .1990[kWm 2 ] Septiembre 30 0 .1903[kWm 2 ] Octubre 31 0 .2074[kWm 2 ] Noviembre 30 0 .24[kWm 2 ] Diciembre 31 0 .2422[kWm 2 ] Total anual — 0 .61166[kWm 2 ] Cuadro 4: Irradiancia global en plano en la localidad
cabe mencionar que los datos procesados fueron obtenidos para el a˜no 2022, por lo tanto podemos considerar estos datos como base para plantear nuestro dise˜no. Otra variable necesaria para poder establecer las condiciones de nuestro dise˜no es el c´alculo de la eficiencia para las condiciones geogr´aficas y clim´aticas de nuestro punto de instalaci´on, con ese objetivo se consideran los sigueintes puntos sobre la gr´afica de eficiencia dada por el fabricante en la hoja de datos tal como se muestra en la Figura 6 (^4) Los datos de irradiancia con los que se obtuvo este cuadro fueron obtenidos de https:// globalsolaratlas.info/map?=19.36993,-99.1558,
por lo tanto la eficiencia del colector es
η = 0. 8 − 6. 5 60[
◦C]
- 61116 × 103 [ (^) mW 2 ]
Con la eficiencia calculada en (11), el flujo de 0.0579[lts ], la variaci´on de temperatura 60[◦C] y Cp que para este caso tiene un valor de 4. (^19) kgkJ◦C que establece la aplicaci´on es posible calcular el ´area requerida para satisfacer las necesidades de ACS y vapor para esterilizaci´on que necesita el hospital general de zona 1A, el ´area se encuentra dada por la siguiente expresi´on
Ac = m˙aηGCp∆T T
(0.0579[kgs ])(4. (^19) kgJ◦C × 103 )(60[◦C]) 0 .1618(611.166[ (^) mW 2 ])
= 147.1994[m^2 ] (12)
por lo tanto y de acuerdo a lo establecido por el fabricante en donde el area absorbedora Ab = 2.5[m^2 ] es necesario considerar la compra de
Npiezas = Ac Ab
=^147 .1994[m
2 ]
2 .5[m^2 ]
= 58.8797[piezas] ≈ 59[piezas] (13)
Ahora en la siguiente subsecci´on se muestra el dimensionamiento total del sistema t´ermico con los colectores obtenidos.
4.2. Dimensionamiento del sistema t´ermico
Para el dimensionamiento del sistema t´ermico es necesario considerar varios puntos
En este caso no es necesario hacer un an´alisis de volumen de expansi´on en un deposito debido a que el vapor ser´a generado por la caldera mostrada en 1.
Es necesario adem´as de los colectores es un tanque con intercambiador de calor de 500 litros como se muestra en la Figura 7; este tanque para almacenar agua caliente es de la marca SHENZHEN BEILI NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD.
Es necesario mantener la temperatura de entrada de la caldera en 80[◦C] para ga- rantizar la eficiencia de la m´aquina t´ermica conectada en el circuito de consumo, por lo tanto es necesario implementar un lazo de control de temperatura para garantizar dicho objetivo.
Se deben considerar vasos de expansi´on debe ser considerados entre el sistema solar t´ermico y la caldera.
Establecer las caracter´ısticas t´ecnicas del circuito hidr´aulico necesario para instalar el sistema t´ermico-solar.
Figura 7: Tanque con intercambiador de calor
Para empezar es necesario caracterizar el volumen del deposito cumpla con lo siguiente
50 < VA < 180 (14)
entonces para nuestro sistema t´ermico, para eso considere la siguiente expresi´on
V = 75Acolector = 60(147.1994) = 8831. 964 ≈ 10000 (15) por lo tanto se eligen dos acumuladores como el mostrado en la Figura 7 de 5000 litros un deposito con acumulador y un dep´osito sin acumulador.
Caracter´ıstica Valores Aislamiento Espuma de poliuretano de alta densidad Intercambiador de calor Bobina de acero inoxidable Funci´on Almacenamiento y calefacci´on Presi´on de trabajo 0 .6[M P a] Dimensi´on [mm] 700 de diametro y 1860 de alto Capacidad de almacenamiento 5000[lt] Cuadro 5: Caracter´ısticas del tanque de inercia
Para esta aplicaci´on se contempla la siguiente interconexi´on, cabe mencionar que lo
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
m
n
Figura 8: Interconexi´on de los colectores
por lo tanto la distancia entre colectores es
d = 2.5024[m] (19)
4.3. Dimensionamiento de la tuber´ıa
De acuerdo con la Figura 8 se tiene lo siguiente
Ida Vuelta N. de colectores Caudal esp. [lth ] Caudal Tramo [lth ] Di´ametro nom. a-b m-n 60 145 .8333[lth ] 8749 .998[lth ] 54[mm] b-c m-l 50 145 .8333[lth ] 7291 .665[lth ] 54[mm] c-d l-k 40 145 .8333[lth ] 5833 .332[lth ] 42[mm] d-e k-j 30 145 .8333[lth ] 4374 .999[lth ] 42[mm] e-f j-i 20 145 .8333[lth ] 2916 .666[lth ] 35[mm] f-g i-h 10 145 .8333[lth ] 1458 .333[lth ] 28[mm] Cuadro 6: Dimensionamiento del sistema
4.4. Simulaci´on
En la siguiente secci´on se muestra la simulaci´on del sistema dise˜nado, dicha simulaci´on se realizo con el software Tsol.