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STS-21 SIMULACION Y DISEÑO DE UN ACCIONADOR SOLAR TERMICO PARA EL CONTROL DE FLUJO DE UN SISTEMA DE DESINFECCION SOLAR DE AGUA DE FLUJO CONTINUO José A. Burciaga-Santos , Ignacio R. Martín-Domínguez* y María T. Alarcón-Herrera Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. Miguel de Cervantes 120, Complejo Industrial Chihuahua. 31109 Chihuahua, Chih. México. * (614) 439-1148 [email protected] RESUMEN Se presenta la modelación, simulación y diseño de un dispositivo accionador termo-mecánico, destinado a controlar el flujo que circula por un sistema solar para la desinfección de agua, de flujo continuo. Se describe el funcionamiento deseado del sistema, estableciendo la necesidad de contar con un dispositivo controlador de flujo, que limite el paso del agua contaminada cuando la radiación solar disponible no sea suficiente para garantizar la correcta desinfección del agua. Se presentan los requerimientos de funcionamiento con que deberá cumplir el dispositivo buscado. Se analizan varios dispositivos propuestos en la literatura, y finalmente se llega a un diseño conceptual que satisface los requerimientos impuestos. Se presenta la modelación matemática del funcionamiento del dispositivo y la codificación del mismo en el paquete EES (Engineering Equation Solver). Se presenta el análisis paramétrico del diseño del dispositivo, mediante la simulación numérica de su funcionamiento y costo de construcción, variando los tamaños de sus componentes principales. En base al costo, se selecciona el diseño funcional óptimo, capaz de cumplir con el servicio deseado ABSTRACT The modeling, simulation and design of a thermo- mechanical actuator device is presented, intended to control the flow in a solar water disinfection system. The desired operation of the disinfection system is described, establishing the requirement to have a flow controller device, that should limit the flow of contaminated water when the available solar radiation is not enough to guarantee a complete water disinfection. The operational requirements that the device must have are presented. Several devices proposed in the literature are analyzed, and finally a conceptual design that satisfies the imposed requirements is presented. A mathematical model of the operation of the device and its codification in the EES package (Engineering Equation Solver) are presented. A parametric analysis of the device physical behavior and construction costs is developed, varying the sizes of its main components. On the basis of cost, the optimal functional design that is able to fulfill the required service is selected. Palabras clave: Válvula termo-accionada, desinfección solar de agua, diseño dispositivo térmico, simulación en EES, INTRODUCCIÓN Desinfección de agua Uno de los problemas sociales más importantes en la actualidad es el acceso a agua para consumo humano, de una calidad bacteriológica aceptable. Esto se acentúa especialmente en áreas rurales marginadas, en las cuales las limitaciones para tener acceso a agua limpia son mayores, y donde las condiciones locales dificultan la aplicación de métodos tradicionales para su desinfección. Dicha necesidad ha motivado el desarrollo de diversos métodos de desinfección de agua para su aplicación en zonas rurales. La desinfección de agua mediante energía solar, conocida como SODIS, ha recibido creciente atención y su aplicación se promueve activamente en vario países latinoamericanos (Moser et al., 2005). El proceso SODIS consiste en la exposición de agua contaminada a la radiación solar, contenida en botellas de plástico PET, durante periodos de al menos 5 horas. El uso seguro de esta tecnología requiere que se ponga atención a los varios factores que afectan la eficiencia de desinfección del método, los cuales incluyen el tiempo mínimo de exposición a la radiación solar, la intensidad de la misma, que a su vez depende de la localización geográfica, la temporada y condiciones del clima (SODIS, 1998). El método SODIS es un proceso por lotes (Batch), en el cual se desinfecta el agua contenida en una botella. Con el fin de aumentar la producción de agua se diseñó un nuevo sistema para trabajar con flujo continuo (Alarcon-Herrera et al., 2006). El dispositivo requiere, sin embargo, de un mecanismo de control de flujo que permita el paso del agua solo cuando el nivel de radiación solar incidente sea el adecuado para garantizar la desinfección de la misma. FUNCIONALIDAD ESPERADA Para garantizar el funcionamiento seguro del sistema de desinfección solar de agua, de flujo continuo, se requiere que Memorias de la 32 Semana Nacional de Energía Solar. ANES - ISES Mérida, Yucatán. México. Octubre 20-22, 2008

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STS-21STS-21
SIMULACION Y DISEÑO DE UN ACCIONADOR SOLAR TERMICO PARA EL CONTROL DE FLUJO DE UN SISTEMA DE DESINFECCION SOLAR DE
AGUA DE FLUJO CONTINUO
José A. Burciaga-Santos, Ignacio R. Martín-Domínguez* y María T. Alarcón-Herrera Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.
Miguel de Cervantes 120, Complejo Industrial Chihuahua. 31109 Chihuahua, Chih. México.
* (614) 439-1148 [email protected]
RESUMEN Se presenta la modelación, simulación y diseño de un
dispositivo accionador termo-mecánico, destinado a controlar el flujo que circula por un sistema solar para la desinfección de agua, de flujo continuo.
Se describe el funcionamiento deseado del sistema, estableciendo la necesidad de contar con un dispositivo controlador de flujo, que limite el paso del agua contaminada cuando la radiación solar disponible no sea suficiente para garantizar la correcta desinfección del agua.
Se presentan los requerimientos de funcionamiento con que deberá cumplir el dispositivo buscado. Se analizan varios dispositivos propuestos en la literatura, y finalmente se llega a un diseño conceptual que satisface los requerimientos impuestos.
Se presenta la modelación matemática del funcionamiento del dispositivo y la codificación del mismo en el paquete EES (Engineering Equation Solver).
Se presenta el análisis paramétrico del diseño del dispositivo, mediante la simulación numérica de su funcionamiento y costo de construcción, variando los tamaños de sus componentes principales.
En base al costo, se selecciona el diseño funcional óptimo, capaz de cumplir con el servicio deseado
ABSTRACT The modeling, simulation and design of a thermo-
mechanical actuator device is presented, intended to control the flow in a solar water disinfection system.
The desired operation of the disinfection system is described, establishing the requirement to have a flow controller device, that should limit the flow of contaminated water when the available solar radiation is not enough to guarantee a complete water disinfection.
The operational requirements that the device must have are presented. Several devices proposed in the literature are analyzed, and finally a conceptual design that satisfies the imposed requirements is presented.
A mathematical model of the operation of the device and its codification in the EES package (Engineering Equation Solver) are presented.
A parametric analysis of the device physical behavior and construction costs is developed, varying the sizes of its main components. On the basis of cost, the optimal functional design that is able to fulfill the required service is selected.
Palabras clave: Válvula termo-accionada, desinfección solar de agua,
diseño dispositivo térmico, simulación en EES,
INTRODUCCIÓN Desinfección de agua
Uno de los problemas sociales más importantes en la actualidad es el acceso a agua para consumo humano, de una calidad bacteriológica aceptable.
Esto se acentúa especialmente en áreas rurales marginadas, en las cuales las limitaciones para tener acceso a agua limpia son mayores, y donde las condiciones locales dificultan la aplicación de métodos tradicionales para su desinfección. Dicha necesidad ha motivado el desarrollo de diversos métodos de desinfección de agua para su aplicación en zonas rurales. La desinfección de agua mediante energía solar, conocida como SODIS, ha recibido creciente atención y su aplicación se promueve activamente en vario países latinoamericanos (Moser et al., 2005). El proceso SODIS consiste en la exposición de agua contaminada a la radiación solar, contenida en botellas de plástico PET, durante periodos de al menos 5 horas. El uso seguro de esta tecnología requiere que se ponga atención a los varios factores que afectan la eficiencia de desinfección del método, los cuales incluyen el tiempo mínimo de exposición a la radiación solar, la intensidad de la misma, que a su vez depende de la localización geográfica, la temporada y condiciones del clima (SODIS, 1998).
El método SODIS es un proceso por lotes (Batch), en el cual se desinfecta el agua contenida en una botella. Con el fin de aumentar la producción de agua se diseñó un nuevo sistema para trabajar con flujo continuo (Alarcon-Herrera et al., 2006). El dispositivo requiere, sin embargo, de un mecanismo de control de flujo que permita el paso del agua solo cuando el nivel de radiación solar incidente sea el adecuado para garantizar la desinfección de la misma.
FUNCIONALIDAD ESPERADA Para garantizar el funcionamiento seguro del sistema de
desinfección solar de agua, de flujo continuo, se requiere que
Memorias de la 32 Semana Nacional de Energía Solar. ANES - ISES Mérida, Yucatán. México. Octubre 20-22, 2008
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solo exista flujo a través del equipo cuando el nivel de radiación solar supere un valor mínimo predeterminado. En los dispositivos de flujo en lotes (batch), el usuario mismo debe asegurarse que las botellas estuvieron suficiente tiempo sometidas a la irradiación solar, sin embargo en un sistema de flujo continuo se requiere contar con un dispositivo automático que permita el flujo de agua a través del colector solo cuando se tengan los niveles de radiación adecuados, y que cierre el paso del liquido cuando el nivel de irradiación disminuya por abajo del mínimo permisible. Esto evitara que agua de baja calidad biológica llegue hasta el depósito de agua ya desinfectada, contaminándola y poniendo en riesgo la salud de los usuarios.
Inicialmente se pensó en utilizar una válvula con accionamiento eléctrico, tipo solenoide, pero el elevado costo de los paneles fotovoltaicos obligó a buscar una solución alternativa más económica. Debido a que se buscaba un mecanismo capaz de abrir y cerrar una válvula en función del nivel de irradiación solar, fue obvio pensar que el mecanismo deseado debería ser accionado precisamente por la radiación solar, y habiendo descartado el efecto fotovoltaico, necesariamente debería basarse en el efecto fototérmico. Por ello se realizo una búsqueda bibliográfica para determinar si existían diseños de dispositivos con tales características. Se encontraron muy pocas referencias sobre dispositivos térmicos con funcionalidades adecuadas para tal aplicación. De los trabajos encontrados solo dos eran de aplicación factible para el sistema de desinfección solar de flujo continuo.
El primero de ellos (Woodruff, 1997) consistía en un dispositivo que mantiene estrangulado a un tubo flexible entre dos placas, oprimidas mediante un resorte. La apertura del mismo se logra por medio de una barra de cobre que se dilata al ser calentada mediante radiación solar, y al hacerlo empuja una de las placas opresoras, liberando el paso del flujo, y se cierra nuevamente al disminuir la radiación incidente.
El segundo dispositivo encontrado (Valdez-Mújica y Oliva- Arias, 2003) se basaba en la expansión de un gas que es sometido a calentamiento con radiación solar, incidente sobre un recipiente metálico sellado y pintado en color negro mate en cuya única apertura se coloca una membrana elástica, dentro de esta cavidad el gas esta atrapado a presión atmosférica. El gas al calentarse incrementa su volumen ejerciendo una presión sobre la superficie de la membrana flexible deformándola y empujando a un actuador que a su vez comprime el resorte de una válvula de un solo paso para permitir el flujo de liquido. Este dispositivo, sin embargo, solo fue analizado teóricamente y no se fabricaron prototipos.
MECANISMO PROPUESTO EN ESTE TRABAJO El dispositivo que se propone en este trabajo consiste en una
válvula de esfera comercial y de un balancín, cuyo eje de giro estará unido al vástago de la válvula (Figura 1). El balancín estará dotado de un termosifón bi-fásico, dentro del cual una substancia de trabajo (agua) se desplazará de un extremo del balancín al otro cuando sobre el sistema incida suficiente radiación solar. El desplazamiento del líquido dentro del termosifón producirá un par sobre el balancín, que deberá ser suficiente para vencer el par opuesto por la válvula para su apertura y cierre. El principio de funcionamiento consiste en lograr que el líquido se acumule en un extremo del balancín cuando no se tenga suficiente radiación solar incidente, y que ello mantenga cerrada la válvula de esfera, y que el calentamiento producido por la incidencia de radiación solar produzca la migración del líquido hacia el extremo opuesto del balancín, logrando con ello generar un cambio en el sentido del par, hasta lograr un valor suficiente para abrir y mantener
abierta la válvula durante el periodo de tiempo que se tenga suficiente radiación incidente en el sistema. Para ello se requiere que una parte del termosifón se encuentre expuesta a la radiación solar, mientras que la otra deberá estar cubierta para lograr un calentamiento desigual. Con ello la parte expuesta al sol funcionará como un evaporador, mientras que la parte cubierta funcionará como condensador.
COMPONENTES DEL SISTEMA El sistema propuesto se muestra ensamblado en la Figura 2,
y está formado por una válvula de esfera comercial, una pantalla para evitar que la radiación solar incida sobre el condensador, una superficie plana para servir de soporte y balancín, y el termosifón, que consiste en un circuito cerrado de tubos de cobre sellados herméticamente mediante soldadura blanda, y pintado parcialmente de color negro mate (evaporador) para favorecer la absorción de radiación solar. La substancia de trabajo contenida en su interior ocupa un 30% ó 40% del volumen total en forma líquida, y el resto del volumen contiene su vapor, con lo cual se mantiene siempre un estado de saturación termodinámica. El termosifón esta unido a la superficie plana y rígida, formando el balancín deseado. Este, a su vez, está unido rígidamente al vástago de giro extendido de la válvula, de forma que el giro del conjunto provoca la apertura o el cierre de la válvula.
El cuerpo de la válvula estará fijo a la estructura que soporta al sistema de desinfección de agua.
Principio de operación Posición inicial.-
El sistema consta de dos serpentines y dos tubos que los interconectan, como puede observarse en las Figuras 1, 2 y 3. Inicialmente el balancín se encuentra en una posición cercana a la vertical, formando un ángulo αinicial, como se muestra en la Figura 4. En esa posición la válvula de esfera se encuentra cerrada, y el líquido dentro del termosifón se encuentra ocupando el interior del serpentín inferior (evaporador). Debido a que tanto la superficie sólida del balancín y los tubos son simétricos con respecto al eje de giro, por si solos están en equilibrio con respecto al mismo. Sin embargo, la masa en fase líquida de la substancia de trabajo, cuya densidad es tres órdenes de magnitud mayor que la fase de vapor, puede generar un par en el balancín dependiendo de su ubicación dentro del termosifón, el cual se transmite al vástago de la válvula y puede llegar a accionarla.
A su vez, la válvula opone un par cuando se hace girar su vástago, tanto para abrirla como para cerrarla, debido a la fricción entre sus componentes. El balancín deberá generar suficiente par para vencer la resistencia de la válvula y así abrirla o cerrarla.
Si inicialmente el sistema está en la posición de cerrado, su posición es cercana a la vertical y el líquido se encuentra almacenado en la parte inferior. Al incidir la radiación solar sobre la parte inferior del circuito (serpentín evaporador) se induce la evaporación del líquido ahí almacenado debido a que éste se encuentra en condiciones de líquido saturado. Simultáneamente se inicia la condensación del vapor en la parte superior del circuito (serpentín condensador), la cual se encuentra sombreada y a una temperatura inferior a la del evaporador. Los tubos que interconectan ambos serpentines son diferentes en diámetro, el que conduce el vapor hacia arriba es de mayor diámetro para permitir el paso libre del vapor, mientras que el de retorno de líquido es de diámetro reducido, para restringir el retorno del líquido hacia en evaporador.
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Con lo anterior se pretende lograr el desplazamiento total de la fase liquida hacia el serpentín superior. Se requiere que aún y cuando el fluido de trabajo estará en desplazamiento continuo entre ambos serpentines, el líquido que llegue al evaporador se vaporice de inmediato y regrese al condensador, con mayor facilidad de flujo que la que tiene el líquido para regresar al evaporador, consiguiendo de tal forma que la fase líquida se acumule en el condensador, generando con ello un par en sentido contrario al que generaba al estar en el evaporador.
Al desplazarse el líquido desde el evaporador hasta el condensador, se tienen masas de líquido en ambos serpentines, y cada una genera un par con diferente sentido de giro. La diferencia entre ambos, es el par neto que se transmite al vástago de la válvula. La magnitud de dichos pares dependerá de la cantidad de líquido almacenado en cada serpentín y de la posición del centro de gravedad de ambas masas. Por ello, el par neto variará desde un valor máximo en un sentido de giro, cuando la totalidad del líquido se encuentra en uno de los serpentines, hasta un punto de equilibrio con valor cero y continuará hasta otro valor máximo pero en sentido de giro contrario, cuando todo el líquido haya migrado hasta el serpentín opuesto.
Apertura.- Si el par generado es suficiente para vencer el par resistivo
de la válvula, esta empezará a girar en el sentido de apertura, y al hacerlo el brazo de giro aumentará, ocasionando un incremento súbito en el par neto y la consecuente apertura rápida de la válvula. Por medio de un restrictor de desplazamiento se obligará al balancín a detenerse en la posición de “Abierto”, como se muestra en la Figura 4, a 5º de la horizontal. Esto con el propósito de permitir que el líquido almacenado en el condensador pueda seguir retornando hacia el evaporador por gravedad.
Cierre.- Al reducirse la intensidad de la radiación incidente sobre el
evaporador, la tasa de vaporización disminuirá y el líquido empezará a migrar hacia el evaporador. El desplazamiento de la masa de líquido de un extremo a otro del termosifón se traduce en un cambio gradual del par neto, reduciéndose hasta cero y luego cambiando nuevamente de sentido. Al alcanzar un valor igual al par resistivo de la válvula (la válvula siempre se opone al giro), ésta empezará a cerrarse. El giro del balancín durante el proceso de cierre reduce el brazo de palanca con el que actúa el peso del líquido, por lo cual el cierre es gradual. Estos procesos se pueden apreciar en las figuras 4 y 6, que se discutirán más adelante.
Magnitud del par.- La magnitud del par neto generado por el sistema aquí
descrito dependerá de las dimensiones físicas de los diferentes componentes del termosifón, como son el diámetro de los tubos, el número de pasos de los serpentines, el ancho y lo largo del conjunto. Diferentes valores de estos parámetros generarán diferentes valores de par neto obtenido, y simultáneamente, representarán costos de fabricación diferentes debido a los materiales requeridos para su construcción.
DISEÑO ÓPTIMO Se requiere entonces el poder encontrar un diseño que sea
capaz de generar un par neto suficiente para abrir y cerrar la válvula, con dimensiones físicas razonables y cuyo costo sea lo más bajo posible.
Si bien el diámetro de los tubos está restringido a los valores de las tuberías comerciales existentes, los demás
parámetros pueden variar ampliamente. Aun considerando tuberías de diámetros comerciales de ½”, ¾” y 1”, es posible obtener miles de diferentes combinaciones de los restantes parámetros, aunque solo algunos resultarán capaces de accionar la válvula.
OBJETIVO DEL TRABAJO El propósito de este trabajo es no solo proponer la idea
conceptual del sistema antes descrito, sino también desarrollar un modelo matemático del mismo, que simule tanto el comportamiento físico como el económico. Implementar el modelo en la plataforma de simulación EES (Engineering Equation Solver). Utilizar el simulador para generar información de diseño y económica, y analizar dicha información para seleccionar un diseño funcional de costo óptimo.
MODELADO MATEMÁTICO A partir de los valores de parámetros tales como el diámetro
de tubos a utilizar, ancho del dispositivo y separación entre serpentines, el modelo matemático determina las dimensiones físicas restantes del dispositivo.
Se determina el par neto generado por el dispositivo para un ciclo completo de operación. Un ciclo consiste en un proceso completo de evaporación de la substancia de trabajo en el serpentín inferior y su migración completa hasta el serpentín superior, y un proceso completo de retorno del líquido hacia el serpentín inferior. Dichos procesos se dividen en varias etapas, definidas por el valor del Factor de Llenado, que es la fracción de líquido que se encuentra en el condensador en un instante dado.
En un ciclo completo el factor de llenado va de cero a la unidad en el proceso de evaporación, y de la unidad a cero en el retorno del líquido al evaporador.
El par generado por el líquido presente en ambos serpentines es calculado en función de las dimensiones físicas seleccionadas, del peso del volumen de líquido existente en cada serpentín a cada diferente valor de Factor de Llenado, de la posición del centro de gravedad de los volúmenes de líquido y del ángulo que guarda el dispositivo respecto a la vertical. De tal forma se obtiene el par neto resultante para diferentes valores de llenado y con ello se describe el comportamiento del ciclo.
Este procedimiento se muestra mediante un diagrama de flujo en la Figura 5.
SIMULACIÓN El modelo matemático fue implementado en el paquete EES
(Engineering Equation Solver), para poder llevar a cabo las simulaciones numéricas.
El simulador así desarrollado permitió obtener directamente las gráficas de par contra factor de llenado para cualquier valor seleccionado de los parámetros de diseño mencionados, como se muestra en las figuras 6, 7 y 8.
El funcionamiento del dispositivo depende de su capacidad de abrir y cerrar una válvula tipo esfera comercial. La válvula opone siempre un torque contrario al movimiento de giro debido a la fricción existente entre la esfera y sus empaques, dicho torque fue medido experimentalmente en el laboratorio para una válvula de ½”, y fue incluido en la simulación para determinar la funcionalidad de cada diseño analizado.
Memorias de la 32 Semana Nacional de Energía Solar. ANES - ISES Mérida, Yucatán. México. Octubre 20-22, 2008
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CICLO DE OPERACIÓN El ciclo de operación de un dispositivo funcional inicia
cuando este se encuentra en la posición de cerrado, como se muestra en la Figura 4, y todo el líquido se encuentra almacenado en el serpentín inferior (fracción de llenado igual a cero). Esa condición corresponde al punto (1) en la gráfica de la figura 6. La figura 6 muestra un caso de ejemplo, tomado de entre los varios miles simulados, y los valores numéricos mostrados en ella corresponden a un diseño que funcionó adecuadamente.
Al migrar el líquido hacia el condensador, como resultado del calentamiento del evaporador al ser expuesto a la radiación solar, el par neto se reduce gradualmente hasta alcanzar un punto de equilibrio, punto (2) en la gráfica. Al aumentar aún más la fracción de llenado el par neto cambia de sentido (cambio de signo en la gráfica) y aumenta hasta alcanzar un valor igual al que opone la válvula para girar, punto (3) en la gráfica. Al iniciarse el giro de la válvula, el ángulo que guarda el dispositivo respecto a la vertical aumenta, lo que origina que el par neto también aumente. Ello origina un proceso de apertura súbito, pasando del estado (3) al (4) en la gráfica. El giro es detenido por un restrictor de movimiento, fijo a la estructura de soporte del equipo, y el balancín queda a 85º de la vertical para permitir que el líquido continúe fluyendo hacia el evaporador.
Con el balancín en tal posición, y la válvula abierta, el resto del líquido migra hasta el condensador, y el par neto aumenta hasta su valor máximo para el diseño dado, llegando al punto (5). El líquido que regresa al evaporador por escurrimiento se vuelve a evaporar y regresa al condensador mientras que se tenga suficiente irradiación solar incidiendo en el evaporador. De tal forma se logra tener la totalidad del líquido en el condensador.
Al reducirse la intensidad de irradiación solar la capacidad de evaporación del serpentín inferior disminuye, y se empieza a almacenar líquido en el, con lo cual el par neto empieza a reducirse gradualmente. El proceso se muestra en la gráfica de la Figura 6 como la trayectoria entre los puntos (5) y (6). El par se reduce hasta hacerse cero, cambia de sentido y empieza a actuar para cerrar la válvula. Al alcanzar el punto (6) se igualan el par neto generado con el par resistivo de la válvula y empieza el cierre de la misma. En este caso el cierre es gradual, ya que el giro del balancín hacia la posición de cerrado reduce el brazo de palanca del par neto, por ello el proceso describe la trayectoria (6) a (7). Al terminar de cerrar el resto del líquido continúa migrando hacia el evaporador y se llega al estado final (8), que cierra el ciclo de funcionamiento.
El ciclo de funcionamiento descrito corresponde a un ciclo ideal, que deberá complementarse con un análisis de transferencia de calor en ambos serpentines para determinar si las áreas, coeficientes de transferencia de calor y niveles de radiación solar son los necesarios para originar los procesos descritos, o si se requiere considerar la adición de superficies extendidas.
Análisis económico Se incluyó en la simulación del sistema un modelo
económico para calcular el costo del diseño analizado. Una vez definidas las dimensiones físicas de un diseño, se cuantifica el material requerido para su construcción. Se calcula el costo en base a los precios actuales de mercado de los diferentes componentes, como son tramos rectos de tubería y codos de cobre, de acuerdo al diámetro seleccionado para cada diseño.
RESULTADOS OBTENIDOS El giro normal de operación de una válvula de esfera es de
90º. Inicialmente se pensó que el dispositivo aquí descrito operaría desde un ángulo de 5º hasta otro de 85º respecto a la vertical, para permitir que en la posición de cerrado existiera un brazo de palanca y pudiese generarse el par de apertura, y que en la posición de abierto el líquido continuara regresando al evaporador por escurrimiento.
Con los primeros resultados fue evidente que el ángulo inicial de 5º respecto a la vertical originaba diseños de dimensiones excesivas, pues el brazo de palanca inicial resultaba muy pequeño. Por ello se relajó tal restricción, permitiendo que dicho ángulo tuviera valores posibles de hasta 45º respecto a la vertical, evaluándose ángulos de 5º, 15º, 30º y 45º. Lo anterior implica que la válvula operaría en condiciones de apertura parcial, con valores desde 80º hasta 40º respectivamente. Esto, sin embargo, no afecta la funcionalidad esperada del dispositivo al acoplarse al sistema de desinfección solar de agua de flujo continuo, por las siguientes razones:
• El sistema de desinfección es de bajo flujo
• Las válvulas de esfera son de apertura rápida, obteniéndose un alto porcentaje de flujo con aperturas parciales
• Se puede utilizar una válvula de mayor diámetro y obtener así mayor flujo total
Análisis paramétrico La implementación del modelo en el paquete EES permite
ingresar valores de cualquiera de los parámetros de diseño del sistema, y se obtienen los correspondientes valores de todas las demás variables y la gráfica de funcionamiento.
Los parámetros que se variaron y sus rangos son:
• Diámetro de los tubos: ½”, ¾” y 1”
• Número de pasos de los serpentines: de 1 a 10
• Ancho de los serpentines: 10, 20, 30, 40, 50 y 60 cm
• Distancia del eje de giro al inicio de los serpentines: 5, 15, 25, 35 y 45 cm
• Ángulo respecto a la vertical en la posición de cerrado: 5º, 15º, 35º y 45º
Se obtuvieron 3,600 diferentes diseños al variar los parámetros mencionados, cada uno con su costo resultante, algunos de ellos no-funcionales. Un diseño no-funcional es aquel que no logra generar suficiente par neto para lograr abrir la válvula, y su ciclo de operación resulta como el mostrado en la Figura 7. Igualmente se obtuvieron diseños sobre dimensionados, en los cuales el par máximo generado resultaba excesivo, como el que se muestra en la Figura 8.
Se intentó obtener representaciones gráficas de los resultados, pero el número de variables involucradas y el carácter discreto de las mismas impidieron el poder obtener curvas de comportamiento. Por ello se optó por manejar los resultados en forma tabular y fijar algunos criterios para seleccionar el diseño óptimo encontrado. La Tabla 1 muestra la hoja de cálculo con los criterios seleccionados para el filtrado de resultados.
Criterios de selección El primer criterio fue, obviamente, diseños funcionales. De
los 3,600 analizados, 723 resultaron no-funcionales.
Memorias de la 32 Semana Nacional de Energía Solar. ANES - ISES Mérida, Yucatán. México. Octubre 20-22, 2008
Se restringió la selección a sistemas con anchos igual o menores a 40 cm y longitudes totales igual o menor a 80 cm.
Para obtener diseños que pudieran abrir la válvula antes de que todo el líquido tuviese que migrar hasta el condensador, se restringió el factor de llenado de apertura a valores menores al 90%.
Diseño óptimo Con lo anterior se obtuvo que un diseño con tubos de ¾”, un
solo paso en los serpentines, 40 cm de ancho, 74.45 cm de longitud total y colocado a 45º de la vertical es un diseño funcional y tiene un costo de solo $217, como puede observarse de la Tabla 1. En la misma tabla pueden observarse los diseños con costos cercanos al óptimo, y sus características físicas. Es decisión ya del usuario el escoger el diseño de mínimo costo o re-definir los criterios de selección para seleccionar otra combinación de parámetros deseada.
De los 3,600 diseños analizados, a modo de comparación, el más caro resultó ser de casi $5,500.
CONCLUSIONES Se ha logrado conocer el comportamiento del elemento de
control de flujo propuesto mediante su simulación
La magnitud del par neto generado por el balancín depende de las dimensiones físicas de los diferentes componentes del termosifón, la variación de estos parámetros representaran costos de fabricación diferentes debido a los materiales requeridos para su construcción.
Ya que el análisis de funcionamiento del elemento de control de flujo se hizo de manera ideal debe complementarse con un análisis de transferencia de calor.
Con los primeros resultados fue evidente que el ángulo inicial de 5° respecto a la vertical originaba diseños de dimensiones excesivas, pues el brazo de palanca inicial de la masa de líquido resultaba muy pequeño, por lo cual se evaluó la inclinación inicial del balancín en 4 ángulos diferente 5°, 15°, 30° y 45°, ya que las características de flujo de la válvula de esfera lo permitieron.
Se intentó obtener la representación gráficas de los resultados, pero el número de parámetros involucrados y el carácter discreto de estos impidió obtener curvas de comportamiento.
Es deseable que esta simulación se compare con un modelo real para validar resultados
REFERENCIAS Alarcón-Herrera, M.T.; Martín-Domínguez, I.R.; Virrey-Corral,
E.Y.; Flores-Ocampo, J.E. Design and optimization of a continuous flow system for the solar disinfection of water, for use in rural communities. Proceedings of ANES/ASME Solar Joint 2006. XXX Mexican National Solar Energy Week Conference. Artículo: ANES/ASME 2006-0022. ISBN 0- 7918-3791-2. Order No. I758CD Veracruz Ver., Mexico. October 2-6, 2006.
FUNDACIÓN SODIS, 1998, Noticias Técnicas de la No. 1 a la 17, http:/www.sodis.ch., Cochabamba Bolivia
Moser S., Heri S., Mosler H.J., Determinants of the diffusion of SODIS. A quantitative field study in Bolivia. Summary Report. EAWAG, 2005, Dübendorf
Woodruff-Seth, D., Sun actuated automated distillation apparatus, patent No. 5628879, 1997, E.U.A.
Valdez-Mújica, D. y Oliva-Arias, A. I., Caracterización de una válvula solar para destiladores de flujo continuo. Memorias de la XXV Semana Nacional de Energía Solar. ANES. San Luis Potosí, S.L.P. Octubre 1 al 5, 2001
Tabla 1. Filtrado de resultados
Numero Pasos
( mm )
( $ )
( mm )
( $ )
1 0.75 400 350 45 744.5 89.7% Si $217 2 0.50 400 250 45 708.3 85.2% Si $239 3 0.50 300 150 45 684.8 86.0% Si $301 2 0.75 200 250 35 787.5 87.4% Si $318 2 0.75 200 250 45 787.5 78.5% Si $318 1 1 400 250 45 557.2 81.1% Si $330 2 0.75 300 150 35 587.5 88.9% Si $333 2 0.75 300 150 45 587.5 80.4% Si $333 3 0.50 400 150 35 684.8 88.1% Si $349 3 0.50 400 150 45 684.8 80.2% Si $349 1 1 300 350 45 757.2 79.9% Si $352 2 0.75 300 250 35 787.5 78.4% Si $364 2 0.75 300 250 45 787.5 71.9% Si $364 1 1 400 350 35 757.2 81.7% Si $374 1 1 400 350 45 757.2 72.7% Si $374 2 0.75 400 150 35 587.5 82.3% Si $379 2 0.75 400 150 45 587.5 75.5% Si $379 4 0.50 300 50 45 661.4 87.0% Si $393 2 0.75 400 250 15 787.5 88.9% Si $410 2 0.75 400 250 35 787.5 73.4% Si $410 2 0.75 400 250 45 787.5 68.3% Si $410 3 0.75 200 50 45 630.5 84.7% Si $418 4 0.50 400 50 35 661.4 88.6% Si $460 4 0.50 400 50 45 661.4 82.7% Si $460 3 0.75 300 50 35 630.5 84.8% Si $495 3 0.75 300 50 45 630.5 79.7% Si $495 2 1 100 150 45 659.7 85.5% Si $555 3 0.75 400 50 35 630.5 80.9% Si $572 3 0.75 400 50 45 630.5 76.9% Si $572 2 1 200 50 45 459.7 88.0% Si $577 2 1 200 150 35 659.7 81.4% Si $622 2 1 200 150 45 659.7 75.2% Si $622
Figura 1. Componentes del sistema accionador
5
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Figura 2. Sistema ensamblado
WC
WE
WC
WE
Apert ura
Ap er
tu ra
Ci er
VALORES DE
Figura 5. Algoritmo de cálculo
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
Cierre Final
Cierre Inicial
Figura 6. Ciclo de operación del dispositivo
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
Figura 7. Comportamiento de un sistema no-funcional
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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
1
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3
8
4
Figura 8. Sistema sobre-diseñado
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