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Informe de laboratorio: Medici´on de la variaci´on
de la eficiencia del colector solar de placa plana
con la temperatura de funcionamiento y caudal de
agua
Johann David Rinc´on Torres – 20212375025 Rafael Esteban Avenda˜no - 20212375043
Juan Carlos Espejo Ram´ırez – 20212375012 Brayan Nicolas Corredor - 20212375034
Yors Ruiz Cuero - 20212375040
Abstract—En este documento se establece de manera grafica la correlaci´on de porcentaje de eficiencia t´ermica con respecto a la temperatura media de un colector solar plano
- De igual manera, se determina calor efectivo, caudal de agua caliente a la purga, eficiencia instant´anea y temperatura media del panel.
I. INTRODUCCI ON´
En el siguiente laboratorio describe de forma experimen- talmente el proceso de transferencia de calor por radiaci´on evaluado a un colector solar. De lo anterior, es necesario resaltar que el captador t´ermico es afectado por la energ´ıa suministrada por dos columnas de bombillas ubicadas al frente de la superficie del panel, con el fin de elevar la temperatura de un flujo de agua que recorre de manera ascendente la superficie del mismo. Seguido de esto, se determinaron valores de flujo solar, flujo m´asico y volumen del agua, para determinar y evaluar los valores de eficiencia y temperatura media en el sistema.
II. MATERIALES Y METODOLOG´IA
A. Caracter´ısticas del colector solar Hilton RE
Este dispositivo presenta la facilidad de simular artifi- cialmente los rayos emitidos por el sol en una superficie opaca que permite simular la transformaci´on de dicha en- erg´ıa a t´ermica con carga m´ınima la cual se podr´ıa aplicar como calefacci´on o para calentadores de agua. Este sistema funciona con tres sistemas bases que en uni´on arroja las mediciones necesarias para determinar el funcionamiento del mismo.
- Sistema de lectura de datos: El sistema presenta para el hallazgo de los datos de tres termocuplas ubicadas es- trat´egicamente a lo largo del mismo, tambi´en se compone de un panel de control que presenta el interruptor de encendido (12), solari metro digital (14), indicador de temperatura de las tres termocuplas (15) y por ultimo el seleccionador de las termocuplas (16).
Figura 1. Consola (Panel) de control y visualizaci´on de temperaturas
- Sistema de generaci´on y recepci´on solar: Este se compone de dos sectores de luz que presentan una potencia de 3kW cada uno distribuidos en 6 l´amparas que disparan rayos hacia el panel oscuro, encargado de dar cobertura a un intercambiador de serpent´ın el cual, conduce el agua con un caudal determinado previamente y calibrado por medio de la v´alvula de salida del equipo.
Figura 2. Panel receptor y simulador solar
B. Sistema de presurizaci´on y control hidr´aulico
- Entrada del fluido
- Salida del fluido
- Termocupla 1
- Man´ometro
- Bomba de recirculaci´on
- Caudal´ımetro
- Regulador de presi´on
Figura 3. Sistema de presurizaci´on y control hidr´aulico
El sistema est´a compuesto por un panel solar de area´ 3.1937, recepta los rayos emitidos desde 12 focos de luz (el d´ıa del experimento se encontraban en funcionamiento 10 de ellos), los cuales transfieren calor al l´ıquido que pasa a trav´es del intercambiador de calor de serpent´ın, que conduce agua potable impulsado por su cuerpo a una presi´on media de 1.5 bar otorgada por la bomba de recirculaci´on tomadas desde la v´alvula de presi´on y que por medio de una v´alvula hidr´aulica de cierre se varia el caudal de dicho fluido, esto con la finalidad de visualizar el cambio de temperatura respecto a un caudal determinado. El cambio de temperatura ser´a mostrado por medio de la consola de control que permite accionar o detener el accionamiento del sistema y que a su vez muestra dichos valores arrojados en las tres termocuplas ubicadas en el sistema de la forma mostrada en el diagrama (Figura 4).
Figura 4. Sistema de presurizaci´on y control hidr´aulico
Mediante este proceso experimental se ten´ıa como fin poder validar la eficiencia de conversi´on que posee el colector solar, para esto era necesario obtener los valores del caudal real sobre el caudal ideal (Ecuaci´on 5), por lo que se realiz´o la medici´on tanto de valores reales como ideales, el primero que se busc´o medir fue el ideal, el cual se obtuvo utilizando el conector solar, al medir con el solarimetro la radiaci´on solar que este emite en un punto especifico y multiplic´andolo por ´area efectiva del panel seg´un nuestra consideraci´on, de esta manera se calcul´o el calor ideal, posteriormente se calcul´o el valor real de la siguiente manera: primero se abri´o la llave la cual se transporta el flujo desde la tuber´ıa hasta la primera termocupla que se tiene el sistema, donde se midi´o la primer temperatura, la cual se infiere que no es una temperatura alta ya que el agua que sale es fr´ıa, luego de pasar por la termocupla el agua pas´o por una bomba la cual le permite que el flujo este de manera recirculante por todo el sistema, todo esto teniendo en cuenta que el sistema va tener un caudal´ımetro el cual mantendr´a constante el flujo masico que incide en el panel y que este no se vea afectado por la presi´on de agua en la llave, en este proceso se evidenci´o que se contaba con otra termocupla la cual estaba justo antes de comenzar el transporte del fluido por el panel, por lo cual se infiere que tendr´ıa la misma medida de temperatura de la termocupla inicial, despu´es de pasar por esto el fluido pas´o por medio de un serpent´ın hasta llegar a la termocupla donde se obtuvo la tercer temperatura, es decir la temperatura despu´es del calentamiento obteniendo el agua caliente (Agua de purga), teniendo as´ı a T1 como la temperatura de entrada, T2 el agua que va al panel y T3 el agua de purga.
III. OBJETIVOS
- Identificar de manera pr´actica el funcionamiento de un captador t´ermico.
- Analizar y comparar los datos obtenidos en la pr´actica con la teor´ıa.
- Determinar el calor efectivo disponible en el panel, as´ı como la temperatura media, el caudal de agua caliente a la purga y la eficiencia instant´anea.
- Tabular y graficar el comportamiento del sistema, te- niendo en cuenta las variables de porcentaje de eficien- cia y temperatura media para cinco momentos.
- Observar el comportamiento y variaci´on en las propiedades del fluido de estudio.
IV. RESULTADOS Y DISCUSI ON´
Para la pr´actica se realizan 5 mediciones de temperatura con el piran´ometro en diferentes regiones del panel y la evaluaci´on de tiempos en el proceso de purga del colector (Tabla 1). Muestra N° 1 2 3 4 5 q flujo solar (W/m2) 510 551 446 708 369 T1 agua de entrada (°C) 15 15,2 15,5 15,7 16, T2 agua a panel (°C) 26,9 29 32,5 35,9 39, T3 agua a purga (°C) 32,2 35 37,9 41 44, T4 aire ambiente (°C) 18,1 18,1 18,1 18,1 18, V volumen de purga (ml) 500 500 500 500 500 t tiempo para volumen 31,44 39,34 64,26 81,93 142, m caudal de panel 29 29 29 29 29 Tabla I REGISTRO DE TEMPERATURAS, FLUJO SOLAR Y TIEMPO CON CAUDAL Y VOLUMEN DE PURGA CONSTANTES
Como primera medida es necesario calcular el area´ de acci´on o ´area efectiva del colector solar, para esto, medimos la regi´on de trabajo del panel seg´un el criterio del grupo. Los valores establecidos fueron (1,09 y 2,93)m ancho y alto respectivamente. De esta manera el valor de Ap ser´a igual a 3,1937m^2.
Posteriormente, hallamos el valor de calor efectivo disponible para el panel, empleando la ecuaci´on 1.
Q^ ˙Solar = ˙qSolar ∗ Ap (1)
Luego fueron tabulados los valores de flujo solar y calor efectivo. qSolar (W/m2) Qsolar (W) 510 1628, 551 1759, 446 1424, 708 2261, 369 1178, Tabla II VALORES DE FLUJO SOLAR Y CALOR EFECTIVO
Con ayuda de la ecuaci´on 2 fue posible hallar la temperatura media del sistema para las 5 muestras.
TM edia =
T 2 + T 3
Figura 7. Diagrama de eficiencia versus temperatura con ajuste de datos
De el diagrama anterior, fue posible inferir que as´ı exista disparidad moderada en los datos, el resultado de la pr´actica ser´a el mismo o como en este caso, no presenta mayor diferencia un an´alisis del otro.
V. CONCLUSIONES
De esta pr´actica se puede concluir que el panel solar o captador t´ermico no registra valores de temperatura en su superficie de manera sim´etrica. Esto puede deberse tal vez a las l´amparas o bombillas utilizadas en el laboratorio, tanto su posici´on como potencia. Se cree que este puede ser un factor que determine de gran medida la temperatura irregular que presenta el panel.
Se puede inferir que el calor del sistema afecta de manera directa pero no severa el ambiente que lo rodea y que, para esta pr´actica en particular, el sistema var´ıa los valores de temperatura ambiente pero no se ven inmersos en los c´alculos correspondientes a los estados del sistema. Adem´as, se evidencia que la afectaci´on en el calor infligido por el sistema al ambiente es de forma unilateral y no se representa de forma global o bilateral.
Al aumentarse la temperatura del agua el panel disminuye su eficiencia, debido a que la energ´ıa interna del panel aumenta y son mayores las perdidas por convecci´on y radiaci´on hacia el medio.
Otro factor que incidi´o directamente en que la eficiencia del colector disminuyese a lo largo de la pr´actica fue la disminuci´on del caudal de sangrado, ya que como vimos la eficiencia es directamente proporcional a este.
REFERENCIAS
[1] Mott R.L., Mec´anica de Fluidos Aplicada. Prentise Hall Hispanoamer- icana, M´exico, 4ta ed. 1996. [2] W. McCabe, J.Smith, P. Harriot – Operaciones unitarias en ingenier´ıa qu´ımica. McGraw-Hill Interamericana, M´exico, 7ma ed. 2007. [3] P.A. HILTON LTD. Manual experimental y de funcionamiento - Colector de energ´ıa solar de placa plana - RE550A. Reino Unido,
