Calentador de agua

Fig -.3 y 4 Calentadores solares

Justificación

Un calentador solar se usa con el fin de aprovechar la energía solar, la cual que es gratis y no es aprovechada adecuadamente. Además esta energía es limpia, es decir, no produce contaminantes ni daña el medioambiente como lo hacen los hidrocarburos (petróleo, gas L.P., gas Natural, etc.). El Sol es una fuente inagotable de energía por la razón de que siempre está presente en nuestro medio, el calentador solar de agua a la larga conviene en el factor económico ya que no genera gastos durante el tiempo que es utilizado, sólo con la instalación del equipo al principio, por otro, los sistemas convencionales de calentamiento de agua generan gastos a lo largo del tiempo en que se usa el servicio. Este proyecto se realizará con el propósito de adquirir conocimiento sobre el calentador solar de agua y asi tener una fuente alterna de energía para el calentamiento de agua. 3Se realizarán pruebas de diferentes materiales para que el calentador tenga un funcionamiento óptimo

En esta gráfica podemos observar que el cobre es el material que llego a mayor temperatura y mantuvo una constante de temperatura.

En la gráfica podemos observar que el tubo pintado de color negro fue el que calentó más con una notable diferencia de los otros dos tubos.

Fig.-8 y 9 pruebas de tubo de cobre; sin pintura, pintado de blanco y pintado de negro.

Tercera prueba se harán tres cajas de madera rectangulares de 10x20cm a las cuales se les hizo una perforación parte ancha para poder introducir un termómetro con el cual medirá la temperatura del agua además se coloco una placa de lamina a dos de las cajas una sin pintar y otra pintada de negro. En un periodo de una hora en la cual durante los 10 primeros min se tomara la temperatura cada minuto después durante 20 min se tomara cada 5 min y después se tomara cada diez hasta completar una hora.

Resultados

Se puede analizar que la lámina funciona como aleta la cual incrementa la transferencia de calor. Por tal motivo se puede observar que de lamina negra le robo calor al tubo por tal motivo sale con menor temperatura el agua en comparación de los otros

Fig.-10 y 11 pruebas con las cajas de madera las cuales tienen tubo de cobre pintado de negro; con lamina pintada de negro, lamina sin pintar y con lamina.

Cuarta prueba: cajas de madera con lámina y vidrio

La cuart

En el presente trabajo se desarrolla la construcción de un calentador solar de agua para uso en el DF, el cual se diseña a partir de pruebas experimentales para los materiales y elementos que componen a un calentador solar de placa plana. De tal forma que se prueban los diferentes elementos de acuerdo a su función, además se caracteriza el calentador construido obteniendo su eficiencia con respecto a la radiación solar.

En el trabajo se muestran las diferentes pruebas, la metodología de las pruebas y el armado del calentador, así como los cambios que se fueron realizando a partir de los resultados de las pruebas. También se hace un análisis de costos entre el calentador construido y los calentadores de gas más eficientes. Planteamiento del problema Hoy en día, el consumo de energía proveniente de los hidrocarburos ha incrementado sus costos económicos y ambientales, debido al agotamiento de estos recursos naturales no renovables, por lo que es necesario hacer un cambio en nuestro consumo de fuentes de energía.

Fig.-1y 2 boiler de gas 2

Uno de los puntos en los que se consume gran cantidad de energía en las casas es en el calentamiento de agua, en cuanto a un calentador de agua podemos sustituir el uso de gas por la energía solar.

Fig -.3 y 4 Calentadores solares

Justificación

Un calentador solar se usa con el fin de aprovechar la energía solar, la cual que es gratis y no es aprovechada adecuadamente. Además esta energía es limpia, es decir, no produce contaminantes ni daña el medioambiente como lo hacen los hidrocarburos (petróleo, gas L.P., gas Natural, etc.). El Sol es una fuente inagotable de energía por la razón de que siempre está presente en nuestro medio, el calentador solar de agua a la larga conviene en el factor económico ya que no genera gastos durante el tiempo que es utilizado, sólo con la instalación del equipo al principio, por otro, los sistemas convencionales de calentamiento de agua generan gastos a lo largo del tiempo en que se usa el servicio. Este proyecto se realizará con el propósito de adquirir conocimiento sobre el calentador solar de agua y asi tener una fuente alterna de energía para el calentamiento de agua. 3Se realizarán pruebas de diferentes materiales para que el calentador tenga un funcionamiento óptimo

. Fig 5.- Esquema general del calentador solar de placa plana

Objetivo General

Diseñar y construir un calentador solar diseñado para las condiciones climáticas del distrito federal, con los mejores materiales, una gran resistencia y a un buen precio. Objetivos específicos Conocer los tipos y partes que componen un calentador solar Comprender el funcionamiento de un calentador solar Diseñar pruebas experimentales para determinar los materiales de construcción para el calentador solar. Hipótesis Se realizarán pruebas de resistencia al calor, a golpes, al agua; a diversos materiales que compondrán las diferentes partes del calentador. Se realizará con una excelente resistencia y un excelente precio. A través de las pruebas y diseño del calentador construiremos un dispositivo que sea competente con los actuales en el mercado en cuanto a funcionalidad y costos, aprovechando la energía solar y evitando contaminar el ambiente. 4Marco teórico Un calentador solar es un aparato que se utiliza para calentar alguna substancia, como puede ser agua, glicol, salmuera, aceite entre otras; con la energía proveniente del sol. Un buen calentador solar de agua puede durar funcionando hasta 15 ó 20 años. La energía termal del sol puede ser utilizada para calentar agua a temperaturas inferiores a los 100oC o para la calefacción de ambientes. Se recomienda limpiar el colector cada 4 o 6 meses para aumentar su eficiencia y vida útil. Debido a que la inclinación terrestre modifica el ángulo de la incidencia de los rayos del sol a lo largo del año, es conveniente ajustar la inclinación del colector. Se recomienda tener un margen de +15° y -15° con respecto al ángulo de los rayos del sol en el equinoccio.

Fig.-6 calentador solar serpentín

Esquema del calentador solar

Este consta de principalmente de 3 partes:

 El colector solar plano

 El termo tanque

 El sistema de tuberías

El colector: es el encargado de capturar la energía solar. Se instala en el techo de la casa y orientado a la radiación del sol todo el día. Para lograr la mayor captación de la radiación solar, el colector solar plano se coloca con cierta inclinación, la cual depende de l sol. La radiación electromagnética del sol, incluyendo la luz visible e infrarroja, penetra dentro de un colector y es absorbida por alguna superficie ubicada dentro del mismo. Una vez que la radiación es absorbida por las superficies dentro del colector, la temperatura aumenta. El colector solar plano está formado por aletas captadoras y tubos por donde circula el agua, los cuales capturan el calor proveniente de los rayos del sol y lo transfieren al agua que circula en su interior.

Existen 2 tipos:

Colectores de placa plana

Los colectores de placa plana son sofisticados invernaderos que atrapan y utilizan el calor del sol para aumentar la temperatura del agua hasta alrededor de los 70oC. Consisten en una caja herméticamente cerrada con una cubierta de vidrio algún otro material transparente. En su interior se ubica una placa de absorción la cual esta en contacto con unos tubos por los que circula un liquido que transporta el calor. Los colectores tradicionales, como los de serpentina o los de tubos paralelos, consisten en varios tubos de cobre orientados en forma vertical con respecto al colector y en contacto con una placa de color oscuro, generalmente esta placa es metálica aunque que en algunos casos puede ser de plástico o algún otro material.

Colectores de tubos paralelos

En el caso de los colectores de tubos paralelos, se colocan tubos de mayor sección en la parte inferior y superior, para asistir a la extracción de agua caliente y al ingreso de agua fría para su calefacción. La placa de absorción es aislada de la pared exterior con material aislante para evitar pérdidas de calor. Los colectores de tubo de vació se encuentran entre los tipos de colectores solares más eficientes y más costosos. Estos colectores se aprovechan al máximo en aplicaciones que requieren temperaturas moderadas, entre 50 oC y 95 oC, y/o en climas muy fríos. Termo tanque: mantiene el agua caliente y está forrado con un aislante térmico para evitar que se pierda el calor ganado. Termofónico: el agua circula por todo el sistema y esto provoca la diferencia de temperatura. Esto es lo que sucede entre el colector solar plano y el termo tanque, con lo cual se establece una circulación natural, sin necesidad de ningún equipo de bombeo. El sistema de tuberías es por donde el agua circula. El arreglo de tubos se coloca horizontalmente sobre el suelo, con una inclinación específica dependiendo de la localidad terrestre. El agua entra por uno de los extremos del tubo horizontal más bajo, sube por todos los tubos verticales y sale por el extremo contrario del tubo horizontal más alto.

Serpentín

Una manguera o tubo se dispone en una formación de vaivén o espiral. La superficie expuesta al sol recibirá la energía directamente sobre el conducto.

Tubos de vacío

El colector utiliza tubos de vidrio al vacío. Dentro de los tubos se encuentran los conductos del colector. El vacío previene los fenómenos de conducción y convección, aumentando la eficiencia.

Tipos de calentadores

Activos

Son los aquellos que utilizan una bomba o algún tipo de energía externa para mover el agua dentro de su ciclo.

Pasivos

Pasivos no requieren de energía externa para funcionar. Utilizan el principio de convección para mover el agua dentro del sistema. Ramas de la física que nos sirven para entender el funcionamiento de un calentador solar

 Mecánica

 Óptica

 Termodinámica

Uno de los procesos físicos más importantes en el funcionamiento del calentador es la transferencia de calor por convección. La convección es una de las formas de transferencia de calor. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Éstos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, disminuyen su densidad y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. En sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

Desarrollo

De acuerdo a la investigación bibliográfica, el calentador que decidimos construir es el calentador solar de placa plana con tubos en paralelo, ya que es el que presenta mejor funcionamiento y mayor facilidad en su construcción. Para el diseño y construcción del calentador es necesario experimentar con diferentes materiales para conocer sus características y así definir cuáles son los más apropiados para construir el calentador solar. Para la prueba de materiales dividiremos el calentador en dos partes, el tanque de almacenamiento y el colector. Para ambas partes se utilizaran materiales en general con ciertas características como resistencia al medio ambiente, que puedan contener el agua sin sufrir corrosión, que sean buenos aislantes térmicos. Además de estos materiales en general, debemos buscar para cada parte características especiales, como la cubierta del colector, el color interno del colector, tipo de tuberías. Para el tanque debemos buscar el tipo de conexiones que se deben usar para interconectarlo con el colector, la ubicación de la salida de agua hacia la casa y la entrada de agua proveniente del colector.

Diseño de pruebas experimentales

1.- resistencia al medio ambiente

Utilizamos madera por que es muy resistente a pesar de q ue se hincha con el agua, sin embargo con un barniz adecuado esto se puede evitar. Se podría utilizar lámina pero es muy mal aislantes de calor, por este motivo no seria útil este material para el colector ya que lo que necesitamos es que guarde el calor.

2.- Aislante térmico

El aislante térmico que se ara es en el tanque para que guarde el calor. Para el tanque del calentador es necesario que este cubierto con un buen aislante, fácil de trabajar y barato que seria unisel además para cubrir este de la intemperie será resguardado con plástico. Con respecto al colector se necesita un material que conserve el calor y que sea resistente a la intemperie por ese motivo como se menciono anteriormente utilizara madera la cual sus características físicas son las requeridas.

3.- Cubierta del colector:

Para la cubierta del colector es necesario permitir la entrada del sol por lo tanto se necesita algo que sea transparente, del cual podría ser plástico, acrílico y vidrio las desventajas con los dos primeros es que absorberían el calor y lo retienen, no dejaría entrar los rayos solares. En cambio el vidrio si permite la entrada de estos además produce un efecto invernadero y no deja escapar el calor dentro del colector.

4.- Tanque contenedor de agua

Para el tanque del calentador solar es necesario utilizar un material que guarde el calor, que presente resistencia a las condiciones de la intemperie y del agua. Por tal motivo se decidió utilizar un bote de plástico común el cual cumple con lo requerido este tendrá 3 entradas y 1 salida del agua.

5.- material de la tubería

Para la tubería se necesita un material que caliente el agua rápidamente y que la mantenga caliente y que sea fácil de manejar; los materiales que podrían ser son cobre, pvc y galvanizado con los cuales se realizaran pruebas para ver cual es el mas eficiente. Con lo cual se formaría la estructura de la tubería del colector. Se tomaron tres tubos de 20 cm de distintos materiales para observar cual es le mejor absorbe el calor en este caso fue cobre, galvanizado y PVC se les coloco un tapón en un extremo, se les agrego 20 ml de agua y se colocaron al sol durante una hora. Como resultado obtuvimos que tubo mas eficiente fue el de cobre con una diferencia notable de temperatura a diferencia de los otros tubos PVC y galvanizado.

6.- color de la tubería

El color de la estructura del colector debe ser el que mejor absorba el calor por lo cual se harán pruebas para saber que color absorbe mas si el blanco, negro o el del material (sin pintar). Con los resultado podremos saber que forma es la mas Resultados eficiente para calentar agua y así pintar la estructura del colector. Para saber con que material se realizara la estructura del colector se haciéndola siguientes pruebas:

Primera prueba fue colocar 3 tubos de 1⁄2 pulgada de cobre, pvc y galvanizado se tapara un extremo de estos y se le añade 20ml de agua. Se colocara al sol durante una hora, se tomara el tiempo durante los 10 primeros min se tomara la temperatura cada minuto después cada 10 minutos. En la otra salida que no esta tapada se colocara un termómetro.

Resultados

En esta gráfica podemos observar que el cobre es el material que llego a mayor temperatura y mantuvo una constante de temperatura.

Fig.-6 y 7 pruebas de diferentes tubos; galvanizado, pvc y cobre

Segunda prueba “de color”; se utiliza el tubo de cobre ya que fue con el que obtuvimos mejores resultados. Se usaran 3 tubos los cuales uno se pintara de blanco y otro de color negro el tercer tubo se dejara sin pintar. Con esto podremos saber de que color es el tubo más eficiente. Y como la prueba anterior se ara lo mismo de los termómetros. Se tomo durante media hora; los diez primeros minutos fueron cada minuto tomada la temperatura, los otros diez minutos fue cada cinco minutos tomada la temperatura y después cada diez minutos completando media hora.

Resultados

En la gráfica podemos observar que el tubo pintado de color negro fue el que calentó más con una notable diferencia de los otros dos tubos.

Fig.-8 y 9 pruebas de tubo de cobre; sin pintura, pintado de blanco y pintado de negro.

Tercera prueba se harán tres cajas de madera rectangulares de 10x20cm a las cuales se les hizo una perforación parte ancha para poder introducir un termómetro con el cual medirá la temperatura del agua además se coloco una placa de lamina a dos de las cajas una sin pintar y otra pintada de negro. En un periodo de una hora en la cual durante los 10 primeros min se tomara la temperatura cada minuto después durante 20 min se tomara cada 5 min y después se tomara cada diez hasta completar una hora.

Resultados

Se puede analizar que la lámina funciona como aleta la cual incrementa la transferencia de calor. Por tal motivo se puede observar que de lamina negra le robo calor al tubo por tal motivo sale con menor temperatura el agua en comparación de los otros

Fig.-10 y 11 pruebas con las cajas de madera las cuales tienen tubo de cobre pintado de negro; con lamina pintada de negro, lamina sin pintar y con lamina.

Cuarta prueba: cajas de madera con lámina y vidrio

La cuartea prueba se realizó de manera similar que la tercera, sin embargo se colocó un vidrio de 12 x 22 cm. En un periodo de una hora en la cual durante los 10 primeros min se tomará la temperatura cada minuto después durante 20 min se tomará cada 5 min y después se tomará cada diez hasta completar la hora.

Resultado

En la gráfica se puede notar que la caja con la lámina negra con el vidrio alcanzó la más alta temperatura y en menor tiempo en comparación con las otras dos y mantuvo una constante de temperatura.

Fig.-12 y 13 pruebas con las cajas de madera cubiertas con vidrio: lamina negra, lamina sin pintar y sin lamina.

Pruebas para el colector

Se hicieron rectángulos de unisel y vidrio de 10 por 10cm, de diferente grosor. Estos se colocaron en soportes universales; por la parte de abajo se coloco un foco de 100 wats y arriba el material el cual tenían 10cm d mitad se coloca un termómetro, por la parte de arriba del material también tiene un termómetro con una distancia de 5cm de espacio entre ellos. Se tomara la temperatura durante dos horas los primeros diez minutos se tomara cada minuto después cada diez minutos hasta contemplar una hora después cada media hora hasta completar las dos horas.

Resultados

Podemos observa que el vidrio de 6 mm deja pasar menor cantidad de calor en comparación de los otros.

Fig.- 14 y 15 pruebas de vidrio

En esta gráfica se observa que unisel 1.5 cm se mantiene constante al no dejar pasar calor.

Fig.-16 y 17 pruebas de unisel

Construcción del calentador solar de placa plana

PROCEDIMIENTO DEL ARMADO DEL CALENTADOR SOLAR

Se compraron 2 tablas de madera de 120 por 80 cm con las cuales se elaboró la caja, se observó en las pruebas que la madera no transmitía el calor fácilmente además que conserva el calor y por su resistencia se utilizaría. Se colocaría posteriormente la tubería y la lamina del calentador. Se hizo de largo 120 por 64 cm (exterior) y de alto 11 cm, por la parte interior se colocó el pegamento llamado no más clavo para poder sellar perfectamente el cajón. Se pintó de negro mate ya que las pruebas realizadas con anterioridad demostraron que el negro absorbe más calor ya que absorbe toda la radiación sol a diferencia de otros colores y mate porque los otros reflejarían los rayos del sol. Para realizar la tubería del colector se realizaron varias pruebas previas para saber que material sería el más eficiente para calentar y mantener el agua caliente y fue el cobre con mejores resultados y por esa razón es de este material. Se utilizaron 13 m de cobre, 25 “T” de cobre, un codo y 8 conectores macho todo con medida de media pulgada para crear la estructura.

Fig.-18 armado de la tubería del colector

Se cortó una lámina de acero inoxidable con medidas más pequeñas que las del cajón, después se perforó la lámina para poder sujetar la estructura de cobre a ésta con alambre galvanizado para que le sirviera como una aleta para mejorar la transferencia de calor.

Fig.-19 perforación de la lámina.

Se hicieron 4 perforaciones en las esquinas de la lámina para fijarla al cajón pero antes de fijarla se hicieron perforaciones al cajón que serviría para las entradas y salidas del agua con un tamaño suficientemente grande para que pasara el tubo de PVC de media pulgada después de esto se fijó la lámina al cajón.

Fig.- 20 colocación los conectores de PVC en las salidas del agua

Se cortaron 4 segmentos de tubo de PVC de 10 cm de largo cada uno, se fijaron con cemento a los tapones machos de PVC dentro del cajón por los orificios ya hechos anteriormente para conectarlos a otros conectores machos de PVC por fuera del cajón, se utilizó pvc ya que en nuestras pruebas resultó que es una mal conductor de temperatura y esto nos ayuda a que el colector no tenga perdida de calor, como las perforaciones quedaron más grandes de lo previsto se rellenaron con silicón para evitar perdida calor.

Se pintó el interior del cajón nuevamente de negro mate pero esta vez con la estructura de cobre ya colocada en la lámina y fija en el cajón.

Fig.-21 colector terminado (sin vidrio) con conexiones de pvc.

Se realizó la prueba de cuanta era la capacidad de agua que la tubería podía almacenar. Era de 2.75 litros y también para ver si no tenia fugas en las uniones de los conectores. Al colector se le fabricaron un par de patas en la parte posterior para darle una inclinación de 15 grados ya que la distancia del ecuador hace necesaria una inclinación de 15 grados, para lograr esta inclinación y saber el tamaño de las patas se usaron las leyes de senos y cosenos para triángulos.

Fig.-22 colocación de las patas del colector

Se cortó un vidrio de 1,18 x 62 cm para cubrir el colector y se pegó con silicón el vidrio, éste se colocó para crear un efecto invernadero dentro del colector y así aumentar la temperatura de éste, ya que el vidrio permite la entrada de la radiación solar y al ser absorbida por el colector este la re emite como calor (radiación infrarroja) y el vidrio tiene la característica de que no permite el paso de los rayos infrarrojos. Este efecto es el mismo que se genera en los carros cuando se cierran y se quedan al sol, cuando se abren se siente una temperatura más alta que la del medio ambiente, al igual que el efecto del CO2 en la atmosfera y es lo que se conoce como efecto invernadero. Al hacer una prueba con el colector (sin el tanque) ya terminado para determinar la temperatura que alcanzaba al lapso de 50 minutos llegó a los 90o grados, esto produjo que los conectores de PVC no resistieran, se ablandaran y se deformaran y a la larga se produjeran fugas dentro del colector, esto se resolvió quitando dichos conectores y remplazándolos con conectores de cobre, sin embargo con esto se tendrá una perdida de calor pero una mayor resistencia a la temperatura máxima que alcance el calentador (90o). La tubería de PVC fue remplazada por el cobre, y el silicón fue remplazado por resina epóxica para evitar fugas tanto de agua como de calor ya que el silicón no resiste altas temperaturas.

Fig.-23 y 24 colector en prueba de temperatura.

Fig.-25 y 26 piezas de pvc que se deformaron.

Para almacenar el agua se creo un contenedor utilizando un bote de plástico con capacidad de 20 litros, a éste se le hicieron 4 perforaciones; tres en la parte de la base para conectar con el panel y formar corrientes de convección y una más en un costado en la parte superior que servirá como salida de nuestra agua caliente ya que ésta es menos densa que la fría y por eso se encuentra el la parte superior del bote.

Fig.-27 y 28 construcción del tanque.

En los orificios introdujimos conectores de PVC machos los cuales se sujetaron con tuercas obtenidas de tapones recortados de PVC y se le colocó silicón para evitar fugas de agua de igual forma se selló la tapa con silicón. Para reforzar la tapa del bote se colocaron dos maderas en la parte de arriba y se fijaron con alambres que a su vez estos se fijaron a la parte superior de bote esto con la intención de que si el calentador es conectado a un tinaco en un sitio alto la tapa no se bote por la presión ejercida por el agua.

Fig.-29 y 30 fijación de la tapa del tanque

La primera prueba del colector totalmente armado hubo resistencia de parte del tanque después de unos momentos se detectaron algunas fugas dentro del tanque en el sello de la tapa del tanque. Por lo tanto se destapo el bote y se volvió a sellar con silicón pero ahora tiene arriba una tabla de madera mas ancha que el tapón y todo se fijó con alambre al banco. Además se colocaron mangueras coflex vinil.

Fig.-31 tanque reconstruido.

Fig.- 32 tanque con las mangueras.

Cálculos de eficiencia del calentador solar

Una vez que nuestro calentador fue construido procedimos a probarlo y de acuerdo a la energía que recibe del sol y la energía que absorbe el agua podemos obtener la eficiencia del calentador.

La ecuación que nos permite conocer la energía que absorbe el agua es

Energía absorbida:

Los parámetros y equivalencias que utilizamos fueron:

1J= 0.24 cal

Cp agua=997.5 cal/Kg oc = 4156.25 J/ Kg oc

Panel Solar de placa plana

Energía recibida al momento de la prueba de acuerdo a las estaciones meteorológicas de la UNAM (PEMBU) 650 W/m2.

Área del colector: A= 0.7137 m2

Masa del agua 2.75 l = 2.75 Kg

Temperatura inicial del agua Ti= 21 oc

Temperatura final del agua Tf = 90 oc

Tiempo de operación 50 min

Energía absorbida por el agua:

Para comparar con la radiación solar de 650 W/m2

Energía de irradiación= Irradiación*área*tiempo de operación

La eficiencia del panel se calcula con:

Eficiencia= (energía absorbida/energía irradiada)x100

Calentador (panel y Tanque)

Energía recibida al momento de la prueba de acuerdo a las estaciones meteorológicas de la UNAM (PEMBU) 700 W/m2.

Área del colector A= 0.7137 m2

Área del Tanque At=0.16 m2

Masa del agua 22.75 l = 22.75 Kg

Temperatura inicial del agua Ti= 26 oc

Temperatura final del agua Tf = 35 oc

Tiempo de operación 1 hora

Energía absorbida por el agua:

Para comparar con la radiación solar de 700 W/m2

Energía de irradiación= Irradiación*área*tiempo de operación

La eficiencia del panel se calcula con:

Eficiencia= (energía absorbida/energía irradiada)x100

Relación costo beneficio

Costos del material utilizado para la construcción del calentador (No incluye material para las pruebas)

El costo del calentador solar es de $1949.00 si lo comparamos con los calentadores actuales, los más económicos son lo de paso, los cuales tienen precios que oscilan entre los $1400.00 los más económicos, si tomamos en cuenta que los calentadores de gas a parte de la inversión inicial, se tiene que pagar el gas que se consume, que para el calentamiento de agua es de aproximadamente 33$100.00 al mes, podemos observar que a los 6 meses de uso ya se habrá recuperado la inversión que se tendría que hacer para construir el calentador solar. Por lo que podemos ver que el calentador solar nos presenta realmente un beneficio económico, ya que a parte de la inversión inicial, solo se le tiene que dar mantenimiento, lo cual implica la limpieza del vidrio, y la durabilidad del calentador es de aproximadamente 15 años. En la siguiente tabla vemos una comparación de gastos entre los calentadores.

Conclusiones

En nuestro trabajo pudimos construir un calentador solar con buenas características y funcional. Podemos observar que el calentador solar es competitivo con los calentadores convencionales de gas, es importante mencionar que el calentador solar tiene la limitante de que su eficiencia baja muchísimo en días con gran nubosidad, lo sucede de acuerdo a la época del año, en el DF es común en épocas de lluvia, por lo que proponemos el uso del calentador solar en combinación con uno convencional, con el fin de contar en cualquier época del año con agua caliente, este sistema híbrido permite disminuir considerablemente el uso de gas y se disminuye la contaminación. En cuanto a los objetivos que nos planteamos, estos se cumplieron, ya que entendimos como se construye y funciona un calentador solar, además de que lo construimos, con base en pruebas experimentales para determinar los mejores materiales para su óptimo funcionamiento. a prueba se realizó de manera similar que la tercera, sin embargo se colocó un vidrio de 12 x 22 cm. En un periodo de una hora en la cual durante los 10 primeros min se tomará la temperatura cada minuto después durante 20 min se tomará cada 5 min y después se tomará cada diez hasta completar la hora.

Resultado

En la gráfica se puede notar que la caja con la lámina negra con el vidrio alcanzó la más alta temperatura y en menor tiempo en comparación con las otras dos y mantuvo una constante de temperatura.

Fig.-12 y 13 pruebas con las cajas de madera cubiertas con vidrio: lamina negra, lamina sin pintar y sin lamina.

Pruebas para el colector

Se hicieron rectángulos de unisel y vidrio de 10 por 10cm, de diferente grosor. Estos se colocaron en soportes universales; por la parte de abajo se coloco un foco de 100 wats y arriba el material el cual tenían 10 cm d mitad se coloca un termómetro, por la parte de arriba del material también tiene un termómetro con una distancia de 5 cm de espacio entre ellos. Se tomara la temperatura durante dos horas los primeros diez minutos se tomara cada minuto después cada diez minutos hasta contemplar una hora después cada media hora hasta completar las dos horas.

Resultados

Podemos observa que el vidrio de 6 mm deja pasar menor cantidad de calor en comparación de los otros.

Fig.- 14 y 15 pruebas de vidrio

En esta gráfica se observa que unisel 1.5 cm se mantiene constante al no dejar pasar calor.

Fig.-16 y 17 pruebas de unisel

Construcción del calentador solar de placa plana

PROCEDIMIENTO DEL ARMADO DEL CALENTADOR SOLAR

Se compraron 2 tablas de madera de 120 por 80 cm con las cuales se elaboró la caja, se observó en las pruebas que la madera no transmitía el calor fácilmente además que conserva el calor y por su resistencia se utilizaría. Se colocaría posteriormente la tubería y la lamina del calentador. Se hizo de largo 120 por 64 cm (exterior) y de alto 11 cm, por la parte interior se colocó el pegamento llamado no más clavo para poder sellar perfectamente el cajón. Se pintó de negro mate ya que las pruebas realizadas con anterioridad demostraron que el negro absorbe más calor ya que absorbe toda la radiación sol a diferencia de otros colores y mate porque los otros reflejarían los rayos del sol. Para realizar la tubería del colector se realizaron varias pruebas previas para saber que material sería el más eficiente para calentar y mantener el agua caliente y fue el cobre con mejores resultados y por esa razón es de este material. Se utilizaron 13 m de cobre, 25 “T” de cobre, un codo y 8 conectores macho todo con medida de media pulgada para crear la estructura.

Fig.-18 armado de la tubería del colector

Se cortó una lámina de acero inoxidable con medidas más pequeñas que las del cajón, después se perforó la lámina para poder sujetar la estructura de cobre a ésta con alambre galvanizado para que le sirviera como una aleta para mejorar la transferencia de calor.

Fig.-19 perforación de la lámina.

Se hicieron 4 perforaciones en las esquinas de la lámina para fijarla al cajón pero antes de fijarla se hicieron perforaciones al cajón que serviría para las entradas y salidas del agua con un tamaño suficientemente grande para que pasara el tubo de PVC de media pulgada después de esto se fijó la lámina al cajón.

Fig.- 20 colocación los conectores de PVC en las salidas del agua

Se cortaron 4 segmentos de tubo de PVC de 10 cm de largo cada uno, se fijaron con cemento a los tapones machos de PVC dentro del cajón por los orificios ya hechos anteriormente para conectarlos a otros conectores machos de PVC por fuera del cajón, se utilizó pvc ya que en nuestras pruebas resultó que es una mal conductor de temperatura y esto nos ayuda a que el colector no tenga perdida de calor, como las perforaciones quedaron más grandes de lo previsto se rellenaron con silicón para evitar perdida calor.

Se pintó el interior del cajón nuevamente de negro mate pero esta vez con la estructura de cobre ya colocada en la lámina y fija en el cajón.

Fig.-21 colector terminado (sin vidrio) con conexiones de pvc.

Se realizó la prueba de cuanta era la capacidad de agua que la tubería podía almacenar. Era de 2.75 litros y también para ver si no tenia fugas en las uniones de los conectores. Al colector se le fabricaron un par de patas en la parte posterior para darle una inclinación de 15 grados ya que la distancia del ecuador hace necesaria una inclinación de 15 grados, para lograr esta inclinación y saber el tamaño de las patas se usaron las leyes de senos y cosenos para triángulos.

Fig.-22 colocación de las patas del colector

Se cortó un vidrio de 1,18 x 62 cm para cubrir el colector y se pegó con silicón el vidrio, éste se colocó para crear un efecto invernadero dentro del colector y así aumentar la temperatura de éste, ya que el vidrio permite la entrada de la radiación solar y al ser absorbida por el colector este la re emite como calor (radiación infrarroja) y el vidrio tiene la característica de que no permite el paso de los rayos infrarrojos. Este efecto es el mismo que se genera en los carros cuando se cierran y se quedan al sol, cuando se abren se siente una temperatura más alta que la del medio ambiente, al igual que el efecto del CO2 en la atmosfera y es lo que se conoce como efecto invernadero. Al hacer una prueba con el colector (sin el tanque) ya terminado para determinar la temperatura que alcanzaba al lapso de 50 minutos llegó a los 90o grados, esto produjo que los conectores de PVC no resistieran, se ablandaran y se deformaran y a la larga se produjeran fugas dentro del colector, esto se resolvió quitando dichos conectores y remplazándolos con conectores de cobre, sin embargo con esto se tendrá una perdida de calor pero una mayor resistencia a la temperatura máxima que alcance el calentador (90o). La tubería de PVC fue remplazada por el cobre, y el silicón fue remplazado por resina epóxica para evitar fugas tanto de agua como de calor ya que el silicón no resiste altas temperaturas.

Fig.-23 y 24 colector en prueba de temperatura.

Fig.-25 y 26 piezas de pvc que se deformaron.

Para almacenar el agua se creo un contenedor utilizando un bote de plástico con capacidad de 20 litros, a éste se le hicieron 4 perforaciones; tres en la parte de la base para conectar con el panel y formar corrientes de convección y una más en un costado en la parte superior que servirá como salida de nuestra agua caliente ya que ésta es menos densa que la fría y por eso se encuentra el la parte superior del bote.

Fig.-27 y 28 construcción del tanque.

En los orificios introdujimos conectores de PVC machos los cuales se sujetaron con tuercas obtenidas de tapones recortados de PVC y se le colocó silicón para evitar fugas de agua de igual forma se selló la tapa con silicón. Para reforzar la tapa del bote se colocaron dos maderas en la parte de arriba y se fijaron con alambres que a su vez estos se fijaron a la parte superior de bote esto con la intención de que si el calentador es conectado a un tinaco en un sitio alto la tapa no se bote por la presión ejercida por el agua.

Fig.-29 y 30 fijación de la tapa del tanque

La primera prueba del colector totalmente armado hubo resistencia de parte del tanque después de unos momentos se detectaron algunas fugas dentro del tanque en el sello de la tapa del tanque. Por lo tanto se destapo el bote y se volvió a sellar con silicón pero ahora tiene arriba una tabla de madera mas ancha que el tapón y todo se fijó con alambre al banco. Además se colocaron mangueras coflex vinil.

Fig.-31 tanque reconstruido.

Fig.- 32 tanque con las mangueras.

Cálculos de eficiencia del calentador solar

Una vez que nuestro calentador fue construido procedimos a probarlo y de acuerdo a la energía que recibe del sol y la energía que absorbe el agua podemos obtener la eficiencia del calentador.

La ecuación que nos permite conocer la energía que absorbe el agua es

Energía absorbida:

Los parámetros y equivalencias que utilizamos fueron:

1J= 0.24 cal

Cp agua=997.5 cal/Kg oc = 4156.25 J/ Kg oc

Panel Solar de placa plana

Energía recibida al momento de la prueba de acuerdo a las estaciones meteorológicas de la UNAM (PEMBU) 650 W/m2.

Área del colector: A= 0.7137 m2

Masa del agua 2.75 l = 2.75 Kg

Temperatura inicial del agua Ti= 21 oc

Temperatura final del agua Tf = 90 oc

Tiempo de operación 50 min

Energía absorbida por el agua:

Para comparar con la radiación solar de 650 W/m2

Energía de irradiación= Irradiación*área*tiempo de operación

La eficiencia del panel se calcula con:

Eficiencia= (energía absorbida/energía irradiada)x100

Calentador (panel y Tanque)

Energía recibida al momento de la prueba de acuerdo a las estaciones meteorológicas de la UNAM (PEMBU) 700 W/m2.

Área del colector A= 0.7137 m2

Área del Tanque At=0.16 m2

Masa del agua 22.75 l = 22.75 Kg

Temperatura inicial del agua Ti= 26 oc

Temperatura final del agua Tf = 35 oc

Tiempo de operación 1 hora

Energía absorbida por el agua:

Para comparar con la radiación solar de 700 W/m2

Energía de irradiación= Irradiación*área*tiempo de operación

La eficiencia del panel se calcula con:

Eficiencia= (energía absorbida/energía irradiada)x100

Relación costo beneficio

Costos del material utilizado para la construcción del calentador (No incluye material para las pruebas)

El costo del calentador solar es de $1949.00 si lo comparamos con los calentadores actuales, los más económicos son lo de paso, los cuales tienen precios que oscilan entre los $1400.00 los más económicos, si tomamos en cuenta que los calentadores de gas a parte de la inversión inicial, se tiene que pagar el gas que se consume, que para el calentamiento de agua es de aproximadamente 33$100.00 al mes, podemos observar que a los 6 meses de uso ya se habrá recuperado la inversión que se tendría que hacer para construir el calentador solar. Por lo que podemos ver que el calentador solar nos presenta realmente un beneficio económico, ya que a parte de la inversión inicial, solo se le tiene que dar mantenimiento, lo cual implica la limpieza del vidrio, y la durabilidad del calentador es de aproximadamente 15 años. En la siguiente tabla vemos una comparación de gastos entre los calentadores.

Conclusiones

En nuestro trabajo pudimos construir un calentador solar con buenas características y funcional. Podemos observar que el calentador solar es competitivo con los calentadores convencionales de gas, es importante mencionar que el calentador solar tiene la limitante de que su eficiencia baja muchísimo en días con gran nubosidad, lo sucede de acuerdo a la época del año, en el DF es común en épocas de lluvia, por lo que proponemos el uso del calentador solar en combinación con uno convencional, con el fin de contar en cualquier época del año con agua caliente, este sistema hibrido permite disminuir considerablemente el uso de gas y se disminuye la contaminación. En cuanto a los objetivos que nos planteamos, estos se cumplieron, ya que entendimos como se construye y funciona un calentador solar, además de que lo construimos, con base en pruebas experimentales para determinar los mejores materiales para su óptimo funcionamiento.