análisis termo-hidráulico del sistema de calentamiento de...
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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.
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
Rad
iaci
ón s
ola
r (W
/m2)
Tem
per
atura
(°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.
Pipe Flow Expert permite simular redes
hidráulicas complejas. Los resultados que se
obtienen después de realizar la simulación,
destacan el flujo, la velocidad y la presión de
cada tubería, lo mismo para cada uno de los
nodos, las características de la bomba, la
energía utilizada por el sistema, entre otros.
La simulación del sistema se realizó
añadiendo todos los elementos del sistema,
considerando las tuberias, materiales,
accesorios, alturas, las bombas principal y
auxiliar, entre otros, con lo que se propuso el
diagrama de la Fig. 7.
Fig. 7 Red hidráulica esquematizada en el software Pipe Flow Expert.
Resultados Se obtiene la curva de trabajo para la bomba
principal mostrada en donde el punto de
operación se marca en rojo, indicando un flujo
de 4.2 L/s a una presión de 2.9161 bar
(manométrico).
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
Rad
iaci
ón S
ola
r (W
/m2)
Tem
per
atura
(°C
)
Tiempo (S)
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
P9
P10
P11
Radiación
Fig. 8 Punto de operación para la bomba principal.
La Fig. 9 presenta la curva de trabajo y el
punto de operación para la bomba auxiliar
con un flujo de 4.2 L/s y 0.487 bar. Es posible
observar que el punto de operación se aleja
de la gráfica generada por el software, por lo
que se extrapolan los datos para realizar la
simulación.
Fig. 9 Punto de operación para la bomba auxiliar.
Se obtuvo la presión en los cabezales de la
sección 1 en los puntos mostrados en la Fig.
10 considerando las diferentes temperaturas
del fluido.
Fig. 10 Mediciones en la sección 1
Se observa en la que la presión es casi
constante para la entrada a los colectores, sin
embargo debido al número de colectores por
fila se tienen variaciones para el valor de la
presión a lo largo de la sección.
Fig. 11 Presiones de entrada y salida para la sección 1
Así mismo se observa en la Fig. 12 que los
flujos obtenidos en las filas no varían en gran
medida, manteniendo valores de alrededor
de 0.3 L/s. Sin embargo este valor está muy
por encima de los valores recomendados para
ese tipo de colector de 0.088
Fig. 12 Flujo en la sección 1
La sección 2 se caracteriza por tener una
entrada y una salida, así como una
distribución homogénea entre los colectores,
tanto en el número de unidades por fila, como
en las distancias que los separan como se
muestra en la Fig. 13
Fig. 13 Mediciones en la Sección 2
Se observa en la Fig. 14 que las caídas de
presión entre la entrada y salida de las filas de
la sección 2 son menores a las de la sección 1
Fig. 14 Presiones de entrada y salida para la sección 2
Por otra parte, en la Fig. 15 se observa que los
valores de flujo son más altos que en la
sección 1
Fig. 15 Flujo en la sección 2
Conclusiones Según el levantamiento del número de
colectores, la altura, así como la longitud de
tubería y cantidad de accesorios de cada
sección, es bastante obvio que existe un
1.6551 1.6286 1.6317 1.6227 1.6203 1.6345
-0.7871 -0.7963 -0.7977 -0.8646 -0.8635 -0.8634
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0 2 4 6 8
Bar
(M
ano
met
rico
)
Fila
Entrada Salida a Salida b
0.35420.3359 0.3218
0.3404 0.3411 0.3406
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0 1 2 3 4 5 6 7
L/s
Fila
1.8967 1.8883 1.8834 1.8811 1.8806
-0.3677 -0.3596 -0.3548 -0.3526 -0.3523
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 1 2 3 4 5 6
Bar
(Man
om
etri
co)
Fila Entrada Salida
0.4282 0.4263 0.4252 0.4247 0.4246
00.05
0.10.15
0.20.25
0.30.35
0.40.45
0 1 2 3 4 5 6
L/s
Fila
balanceo hidráulico muy pobre, lo que lleva a
tener distintas caídas de presión en el sistema
así como distintos flujos de trabajo afectando
así el desempeño del sistema.
Por medio del análisis de comportamiento
térmico es posible observar que la fila 2 de la
sección 1 alcanza temperaturas muy
elevadas. Por lo que se puede predecir que el
flujo de agua que corre por esta fila es muy
pequeño. De esta forma, al manejar el mismo
diámetro en la tubería es muy probable que
ésta se encuentre obstruida.
El funcionamiento intermitente de la bomba
provoca estancamiento en los colectores, lo
que conlleva a un aumento excesivo de
temperatura, provocando cambio de fase. El
aumento en la presión por el cambio de fase
en conjunto con la alta temperatura en las
tuberías de cobre provoca daños en las
conexiones del sistema.
El flujo de certificación de los colectores de
referencia corresponde a 0.088 L/s, por otra
parte el simulador determinó un flujo de
entre 0.3 y 0.4 L/s. Este flujo es más de 4 veces
más alto que el recomendado, por lo que la
eficiencia, así como las caídas de presión en
los colectores se ven afectadas.
La bomba auxiliar es forzada a trabajar fuera
de sus capacidades nominales incurriendo en
riesgo de cavitación, ya que depende del flujo
suministrado por la bomba principal. Una
simulación realizada retirando la bomba
auxiliar resulta en menores caídas de presión
en las filas de los colectores.
Bibliografia Cengel, Y. A. (2011). Termodinámica y
Transferencia de Calor. En A. J. Yunus A.
Cengel, Transferencia de Calor (pág. 2).
México D.F.: McGraw Hill.
Crane. (s.f.). Flujo de fluidos en valvulas
accesorios y tuberias. McGraw Hill.
Munson, B. R., Donald, F. Y., Theodore, H. O.,
& Wade, W. H. (2010). Fundamentals of Fluid
Mechanics. United States of America: John
Wiley & Sons Inc.
Apricus. (2013). Product Overview AP
Evacuated Tube Solar Collector. Apricus Solar
Co., Ltd.
Agradecimientos Se agradece el apoyo económico recibido por
parte del:
Centro Mexicano de Innovación en Energía
Solar (CeMIE-Sol),
A través del Proyecto:
P13 “Laboratorios de pruebas para baja y
media temperatura, laboratorio para el
diseño e integración de sistemas termo
solares asistido por computadora”
Perteneciente a la Convocatoria 2013-02,
del:
FONDO SECTORIAL CONACYT - SENER -
SUSTENTABILIDAD ENERGÉTICA.
Para el desarrollo y presentación de éste
trabajo.
