capitulo 4 analisis estructural del colector solar sometido a fuerza del viento utilizando catia...
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CAPITULO 4 ANALISIS ESTRUCTURAL DEL COLECTOR SOLAR SOMETIDO
A FUERZA DEL VIENTO UTILIZANDO CATIA V5R20.
4.1 CATIA V5R20 Y ANALISIS DE ELEMENTO FINITO
Este producto se adapta más a las necesidades de los especialistas en análisis de
elemento finito, manteniendo una relación constante entre ingenieros de diseño y
especialistas (mayor funcionalidad en el campo de la definición de las condiciones de
frontera y la aplicación de cargas). Esto permite la creación y la solución simultánea de
casos de análisis múltiples, para los casos estáticamente determinados, análisis de
frecuencia, y para el análisis de deformaciones, así como de soluciones con opciones de
análisis adicionales. El elemento bajo diseño debe estar estáticamente determinado en el
momento de hacer un análisis con el MEF. Por ejemplo, para cuando fije a un elemento
de la pieza (empotrar o privar de desplazamiento), dicho elemento no debería sufrir
ningún tipo de deformación. Sin embargo, es posible que se dé una condición de frontera
estáticamente indeterminada. Las condiciones de frontera también permiten al usuario
simular el grado de libertad (empotramiento, translaciones y rotaciones) de la pieza, en el
momento de definir las condiciones a las que se encuentra sometida.
4.2 ESFUERZO DE VON MISES
Con frecuencia en diseño se plantea la hipótesis de que haya una distribución uniforme de
esfuerzo. Con la ayuda de esta herramienta se tiene la opción de visualizar (en
distribución de colores) las diferentes zonas de concentración de esfuerzos generadas por
la aplicación de cargas y reacciones de alojamientos. Al igual que para el caso de un
esfuerzo plano o biaxial, existe una orientación particular del elemento en el espacio, en la
que todos los componentes del esfuerzo cortante son iguales a cero.
Cuando un elemento tiene dicha orientación, las normales a las caras corresponden a las
direcciones principales y los esfuerzos normales ejercidos sobre esas caras corresponden
a las direcciones de los ejes principales. Los esfuerzos normales ejercidos sobre estas
caras son los llamados esfuerzos principales (σ 1, σ2 , σ3). Esto es para el caso de un
elemento en 2D de un esfuerzo triaxial, pero cuando se trata de un elemento en 3D con
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una distribución nodal de tetraedros, cada una de las componentes de los esfuerzos que
se indican se multiplican por el área sobre la que se ejerce, con el fin de obtener la fuerza
correspondiente.
4.3 VELOCIDAD PROMEDIO DEL VIENTO
Una de las principales ventajas que tiene el estado de Oaxaca son las ráfagas de viento,
las rafas de viento son una de las principales problemas a vencer en las estructuras ya
que estas generan esfuerzos distribuidos en toda la base y parte de la carcasa del
colector, veremos a continuación una relación de vientos que esta la sierra sur al ser una
zona ubicada en zona montañosa las velocidades de velocidad son consideradas
Los datos obtenidos fueron proporcionados por el meteorológico nacional pero del estado
de Oaxaca. La cual registró un promedio anual de 35.672 kilómetros por hora.
4.4. FORMULA DE ESFUERZOS DE FATIGA DE LA ESTRUCTURA
Cuando el viento actúa sobre una construcción, genera presiones sobre sus superficies,
que varían según la intensidad de la velocidad y la dirección del viento. La presión que
ejerce el flujo del viento sobre una superficie plana perpendicular a él, para el cálculo de la
presión del viento, se toma la siguiente expresión:
q A=12ρV M
2 (A)
Donde:
ρ = es la densidad del aire, a 25 °C es 1,25 Kg/m3.
VM = es la velocidad máxima del aire.
A = es el área de contacto con la superficie de la estructura.
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Aplicando esta fórmula a los resultados obtenidos anteriormente, se obtiene la presión
media, estas presiones, al multiplicarse por el valor del área resistente de tubular se
convertirán en fuerzas, por lo tanto, es necesario encontrar dichas áreas.
4.5. DATOS UTILIZADOS
A continuación se mencionan las propiedades del material que se utilizo para el cálculo de
elemento finito del eje principal del mecanismo (ver tabla).
PROPIEDADES DEL PERFIL TUBULAR
Modulo de Young 100.0 GPa
Relación de Poisson 0.211
DENSIDAD DEL MATERIAL 70.6 KN/m³.
Parámetros de entrada para la realización del análisis estático del tubular
4.6. ESTRUCTURAS DE SOPORTE
Los colectores solares deben asentarse sobre estructuras que se adapten al diseño
arquitectónico del edificio y que además resistan condiciones climáticas adversas, como
son: vientos fuertes, intensas lluvias, granizo, etc. Las estructuras deberán estar
construidas con materiales que resistan las agresiones del ambiente, contando para ello
con tratamientos anticorrosivos y empleo de acero inoxidable en tornillería y otros
componentes auxiliares. Otras consideraciones a tomar en cuenta son:
- El anclaje de los colectores a la azotea del edificio deberá estar diseñado para soportar
ráfagas de viento de promedio
- En estructuras de soporte montadas en el exterior, el fabricante deberá especificar los
valores máximos de la velocidad media del viento.
- Evitar que la estructura y los componentes de sujeción de los colectores arrojen sombra
sobre estos mismos.
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- Durante el diseño de la instalación habrá que calcular los esfuerzos de las estructuras,
de conformidad con la normatividad y reglamentos de construcciones vigentes.
- Cualquier perforación que se haga en la azotea o área destinada para el anclaje de los
colectores, deberá sellarse perfectamente para no perjudicar la impermeabilización. Es
necesario consultar el Reglamento de Construcciones y las Normas Técnicas
Complementarias, a fin de que las cargas máximas que habrá que soportar la estructura
no sean causa de riesgo para los colectores, sus accesorios y el propio establecimiento. A
continuación se muestran algunas estructuras de montaje para colectores solares, para su
colocación en superficie planas
La figura muestra el colector solar y su base esto hecho por alumnos de ing.mecanica
Algunas de estas estructuras o soportes incorporan elementos que permiten ajustar la
inclinación de los colectores, a fin de obtener un máximo aprovechamiento de la energía
solar.
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4.7 ANALISIS POR MEDIO DE CATIA V5R20
En esta parte se verá los esfuerzos en la base del colector solar, en la figura se muestra
las diferentes vistas del colector solar.
En la parte inferior se muestra la ecuación de fuerza con respecto a la velocidad promedio del viento y las especificaciones de que debe de soportar velocidades de 100 kilómetros por hora. La cual resiste la velocidad que está estipulada.
Pero las cargar resultante genera esfuerzos en las partes de conexión que son la parte de la base anclada a la tierra y la otra en el tubular que está situado en la parte media
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La figura muestra los esfuerzos
4.8 PROBLEMAS A ENFRENTARSE EN LA OPERACIÓN DE UNA
INSTALACIÓN SOLAR.
En el capitulo anterior describimos los criterios de diseño que deben ser aplicados a una
instalación solar para que pueda ser dimensionada correctamente. El no hacer caso a
dichos criterios ocasionara problemas en la instalación.
4.9 MALA ORIENTACIÓN DEL SISTEMA SOLAR
En la fotografía se tiene la presencia de sombras sobre los colectores solares, las cuales
pudieron haberse evitado. Esta mala orientación provoca una baja captación de la
radiación solar, que a su vez repercute en la eficiencia del sistema teniéndose una menor
a la esperada. Además de que en ciertas estaciones del año, en vez de calentar agua se
enfría.
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LA MALA INCLINACION PROBOCA PERDIAD EN LA EFICIENCIA DEL COLECTOR
4.10. FALLAS POR CONGELAMIENTO
El dejar “cargados” los colectores solares (llenos de agua), aunado a un aislamiento no
adecuado de las tuberías de agua, puede ocasionar que en las noches de invierno se
presenten problemas de enfriamiento en el sistema y en algunos casos el congelamiento
de ciertos tramos de tubería. Como consecuencia de ello se presentaran fugas en el
sistema Hidráulico.
4.11 FALLAS POR SOBRE CALENTAMIENTO
Esta falla se presenta cuando se dejan “cargados” los calentadores (llenos de agua), en el
día y sin circulación de agua, esto puede ocasionar la evaporación del agua y en
consecuencia el rompimiento de los tubos o fugas de agua en los mismos.
4.12. DEFICIENCIA DE CALENTAMIENTO
La mala limpieza de los colectores por parte de los usuarios, hace que la transferencia de
calor decaiga y debido a ello el calentamiento de agua no es el adecuado.
En Figura siguiente, se observa que los colectores desnudos de plástico (copolimeros) en
su parte inferior tienen tierra y basura acumulada, además de que toda la superficie de los
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tubos se encuentra también cubierta de tierra. En lo que respecta a los colectores con
cubierta de vidrio se observa que la superficie tiene tierra, que impide el paso de los rayos
solares, por otro lado existe polvo acumulado en el interior de los colectores, que están
cubriendo parcialmente la superficie de calentamiento.
4.13. FUGAS POR SOBRE PRESIONES EN EL SISTEMA
El operar manualmente un sistema puede provocar además de las fallas mencionadas
anteriormente, golpe de ariete o sobre presiones en el sistema hidráulico.
Pequeña fuga de agua debido a sobre presión en el sistema.
4.14. DISEÑO HIDRÁULICO
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Algunos instaladores tienen la mala costumbre de diseñar el sistema hidráulico mediante
prueba y error, pues carecen de experiencia o de herramientas para pronosticar el
comportamiento hidráulico del arreglo. Esto hace que aparezcan problemas de fugas por
sobre presiones y sub dimensionamiento del sistema de bombeo
CONCLUSIÓN.
Una vez realizado el estudio completo de la instalación de colectores solares para
se procederá con unas conclusiones.
Una instalación solar térmica presenta problemas de regularidad en la producción
ya que no dispone de la misma cantidad de irradiación en los meses de verano
que en invierno. Un sistema geotérmico viene a producir prácticamente lo mismo a
lo largo de todo el año.
El sistema de calentamiento y climatización propuesto prescinde completamente
de la combustión actual de gasóleo C. La emisión de CO2 y otros gases nocivos
de efecto invernadero, corresponderá a la que representa la generación de la
corriente eléctrica consumida por la republica. Suponiendo una reducción de
estos gases en más de un 95%. Se concluye que la energía solar es muy
sostenible a nivel medioambiental, liderando con creces la reducción de estas
emisiones.
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En un contexto actual de una gran sensibilidad y concienciación con el fenómeno
medioambiental y de la dependencia energética del exterior y dentro de un marco
social, económico y político de creciente difusión de las necesidades actuales de
sostenibilidad, que requiere un decidido compromiso por todas las partes, para el
máximo desarrollo de nuestro país.
La aplicación de un colector solar en las regiones de Oaxaca se una de la mejores
propuestas de reducción del consumo de combustibles fósiles y tala inmoderada
de arboles y la disminución de las enfermedades respiratorias
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BIBLIOGRAFIA
Agua Caliente Solar (Manual Práctico), Kevin Mc Cartney.H. Blume Ediciones.
España, 1981.
Arquitectura y Energía Natural, Rafael Serra Florensa – Helena Couch Roura. Alfa
omega, 1era Edición 2005.
Guía del Instalador de Energías Renovables, Tomas Perales Benito. Limusa
Noriega Editores, 1era Edicion 2006.
Energía Solar – Conceptos Básicos y su Utilización, Shyam S.Nandwani
Manual sobre Energía Renovable – Solar Térmica, Bun Centro América, PNUD,
GEF.
Instalaciones de Energía Solar Térmica – Pliego de condiciones técnicas de baja
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Requerimientos mínimos para la instalación de sistemas solares térmicos, para el
Calentamiento de Agua, Muhlia V. Agustín, Sánchez F. Alfredo, Sierra C. Federico
y Ramoneda R. Enrique. Noviembre 2005, México.
Transferencia de calor. J.P. Hollman. Editorial MC GRAW HILL.MEXICO, 1985
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