análisis termo-hidráulico del sistema de calentamiento de ... ... evacuated tube solar...

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  • Análisis termo-hidráulico del sistema de calentamiento de agua de

    una alberca semi-olímpica Mario Najera-Trejo, Ivan Vazquez-Alday, Luis F. García-Godina, Ignacio R. Martin-Domínguez, Jorge

    A. Escobedo-Bretado

    Centro de Investigación en Materiales Avanzados

    Victoria 147, Zona Centro, Durango, Dgo.

    mario.najera@cimav.edu.mx

    Resumen Un sistema de calentamiento solar de agua de

    una piscina semi-olímpica opera en un centro

    de educación local. Este sistema se compone

    de 90 colectores de tubos evacuados de uso

    industrial, instalados en el techo de dos

    edificios diferentes. El objetivo del sistema

    solar térmico es reducir el consumo de gas

    debido a la utilización de una caldera que

    calienta el agua todo el año para obtener una

    temperatura en la piscina confortable. Debido

    a una restricción en la garantía sobre

    cualquier modificación en el sistema, fue

    necesario realizar el análisis con un estudio de

    simulación hidráulica utilizando Pipe Flow

    Expert, en donde se concluye que el sistema

    tiene fallas de diseño e instalación,

    principalmente demostrando un

    funcionamiento hidráulico deficiente.

    Abstract A solar heating system for a semi-olimpic

    swimming pool is used in a local educational

    facility. This system composed by 90

    evacuated tube solar collectors (for industrial

    purpose) is located on the roof of two

    different buildings. The system objective is to

    reduce the LPG consumption due to the use

    of a water heater which is all year long used

    to keep the swimming pool water

    comfortable. For warranty reasons over any

    modification, it was necessary to analyze the

    system malfunction by means of Pipe Flow

    Expert simulation. It was concluded that the

    system design and installation presented

    deficiencies mainly on the hydraulic

    installation.

    Palabras clave: Solar, calentamiento de

    albercas, simulacion, hidraulica.

    Introducción Con el paso del tiempo la población mundial y

    la demanda de recursos naturales han ido en

    aumento para la realización de las actividades

    cotidianas, por lo que algunos combustibles

    de origen fósil se han ido agotando generando

    un aumento en el costo de los mismos.

    Distintas entidades han optado por buscar

    alternativas energéticas, tal es el caso del

    Instituto Tecnológico de Durango que cuenta

    con una red de Colectores Solares para

    calentar una alberca semi-olímpica. El uso de

    la energía solar supone un beneficio para la

    Institución ya que reduce los costos de

    combustible, además reduce las emisiones de

    gases a la atmosfera con lo que contribuye a

    la preservación de recursos y propone un

    ejemplo a seguir para generaciones futuras.

    La energía solar térmica es una alternativa

    técnica y económicamente factible para el

    calentamiento de agua para albercas cuando

    se diseña de manera adecuada. Actualmente

    existen casos de fracaso porque su necesidad

  • energética no fue suplida como se esperaba

    (Vijayaraghavan y Goswami, 2004).

    Antecedentes El Instituto Tecnológico de Durango cuenta

    con un sistema de calentamiento solar de

    agua utilizado para elevar y mantener la

    temperatura de la alberca semi-olimpica a

    28°C. Debido a que esta función no se lleva

    acabo se vio la necesidad de revisar el

    funcionamiento de dicho sistema. El flujo

    másico que circula a través de la red de

    Colectores y la energía que generan son

    incógnitas, por lo que como objetivo principal

    se plantea conocer el funcionamiento de la

    red por medio de un análisis no intrusivo.

    El sistema está dividido en dos secciones. La

    sección 1 se encuentra en el techo del edificio

    de la dirección y consta de 6 filas conectadas

    en paralelo, en donde cada fila está

    conformada por entre 9 y 11 colectores

    conectados en serie sumando un total de 60

    colectores de esta primera sección como se

    muestra en la Fig. 1.

    Fig. 1 Esquema de distribución de los colectores solares en la sección 1.

    La sección 2 se encuentra en el techo de

    gestión tecnológica y vinculación. Esta sección

    consta de 5 filas conectadas en paralelo y,

    cada fila está conformada de 6 colectores

    solares conectados en serie, sumando un

    total de 30 colectores como se muestra en la

    Fig. 2.

    Fig. 2 Esquema de distribución de los colectores solares en la sección 2.

    La diferencia más notable entre las secciones

    es la altura entre ellas, ya que la sección 1

    (Edificio de Dirección) tiene una altura de 6.7

    m, mientras que la sección 2 (edificio de

    Vinculación) tiene una altura de 3.7 m; otra

    diferencia muy palpable es el número de

    colectores por sección ya que la sección 1

    cuenta con el doble de colectores que la

    sección 2.

    El sistema cuenta con una bomba encargada

    de la recirculación del flujo programada con

    un ciclo de 25min. En este ciclo, la bomba

    permanece encendida durante 15 minutos y

    10 minutos apagada. Dicho ciclo de

    funcionamiento fue propuesto por la

    empresa que instaló el sistema de

    calentamiento solar, como tal se desconoce la

    razón de programar la bomba de esta

    manera.

    Además de la bomba principal WFK-12., existe

    en el sistema otra bomba que se encuentra

    casi a la descarga y que tiene una potencia de

    1 ½ HP.

  • Objetivo general Estudiar el funcionamiento del sistema de

    calentamiento solar de agua de la alberca del

    ITD, y determinar las causas de su mal

    funcionamiento.

    Metodología De acuerdo con ciertas limitaciones de

    modificación o invasión al sistema impuestas

    por el proveedor, no se pudo realizar pruebas

    del tipo intrusivas como la desconexión de

    tuberías para la medición de flujos, presiones,

    etc. Para llevar a cabo el estudio y revisión del

    funcionamiento del sistema de calentamiento

    solar. Se realizaron mediciones de

    temperatura sobre la tubería a la entrada y

    salida en ambas secciones del sistema, así

    como también en cada fila de colectores.

    En la se observa las direcciones de los flujos y

    los puntos donde fueron medidas las

    temperaturas de la sección 1.

    Fig. 3. Esquema de los puntos de medición en la sección 1.

    En Fig. 4 la se observa el comportamiento

    térmico de las filas de la sección 1 y la

    radiación durante la prueba. Cuando existe

    circulación, el fluido entra a la sección 1 con

    una temperatura promedio de 26.5°C y sale

    de la sección aproximadamente con una

    temperatura promedio de 39.9°C. Se aprecia

    un incremento promedio de temperatura en

    el fluido de 13.4°C. Este incremento de

    temperatura al fluido, solo es durante 15

    minutos de flujo. Sin embargo se observa que

    la fila 2 de esta sección siempre presenta

    temperaturas muy elevadas por encima y

    debajo del punto de ebullición del agua (73°C

    y 115°C).

  • Fig. 4 Medición de temperaturas a la entrada y salidas de la sección 1

    Debido a los resultados, se dedicó una prueba

    adicional a la fila 2. En la figura 4.9 se observa

    la dirección del flujo y los puntos donde

    fueron medidas las temperaturas entre los

    colectores de la fila 2.

    Fig. 5 Medición de temperaturas a la entrada y salidas de la sección 1

    En la Fig. 6 se observa el comportamiento de

    temperatura entre cada colector de la fila 2 y

    la radiación solar durante la prueba. Se

    observa que las temperaturas exceden el

    punto de ebullición del agua. Debido a las

    temperaturas elevadas se puede predecir que

    el flujo de agua existente dentro de esta fila,

    es muy pequeño o nulo, causando el

    incremento excesivo de temperatura y

    presión dentro de la fila 2, lo que resulta en

    daños a la instalación.

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    900

    1000

    1100

    1200

    1300

    25

    45

    65

    85

    105

    125

    145

    165

    185

    0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500

    R ad

    ia ci

    ó n s

    o la

    r (W

    /m 2 )

    T em

    p er

    at u ra

    ( °C

    )

    Tiempo (S)

    P1

    P2

    P3

    P4

    P5

    P6

    P7

    P8

    Radiación

  • Fig. 6 Medición de temperatura en la fila 2 de la sección 1

    Posterior al diagnóstico de temperaturas se

    realizo la simulación de la red hidráulica del

    sistema utilizando el software Pipe Flow

    Expert, integrando en la simulacion las

    temperaturas obtenidas así como las

    condiciones actuales de trabajo, para obtener

    un diagnostico.

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