OPS/CEPIS/03___ UNATSABAR UNIDAD DE APOYO TÉCNICO PARA EL SANEAMIENTO BÁSICO DEL ÁREA RURAL

VALIDACIÓN DEL PROGRAMA DE CÁLCULO DEL CALENTADOR SOLAR DE AGUA

Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana – Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud

Auspiciado por:

UNIDAD DE APOYO TÉCNICO PARA EL SANEAMIENTO BÁSICO DEL ÁREA RURAL

VALIDACIÓN DEL PROGRAMA DE CÁLCULO DEL CALENTADOR SOLAR DE AGUA

Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana – Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud Auspiciado por la Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación Lima, 2003

OPS/CEPIS/03___ UNATSABAR

Tabla de contenido Página 1.

Antecedentes ................................................................................................. 3

2.

Introducción .................................................................................................. 3

3.

Objetivo ......................................................................................................... 3

4.

Programa de cálculo ...................................................................................... 4

5.

Validación del programa de cáculo ............................................................... 4 5.1 Parámetros atmosféricos ...................................................................... 4 5.2 Parámetros evaluados .......................................................................... 4 5.3 Parámetros calculados mediante el programa del calentador solar ...... 5

6.

Resultados ..................................................................................................... 5

7.

Análisis de los resultados .............................................................................. 7

8.

Conclusión .................................................................................................... 7

-2-

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VALIDACIÓN DEL PROGRAMA DE CÁLCULO DEL CALENTADOR SOLAR DE AGUA 1.

Antecedentes

En los últimos años se viene fomentando el empleo de tecnologías apropiadas para la atención de las necesidades básicas de las personas, en especial de las que habitan en el medio rural o urbano marginal. Precisamente, uno de los grandes problemas de los pobladores que habitan en áreas climáticas frías como la zona alto andina, son los hábitos de higiene limitados como consecuencia de la carencia de agua caliente, lo que contribuye a la presencia de enfermedades de la piel, entre otras. De otra parte, en el mercado local existen algunos modelos de calentadores solares, pero su pobre difusión, alto precio y falta de sustento técnico en el diseño del sistema de calentamiento para determinadas condiciones climáticas, ha conducido a que tenga muy poca demanda por parte de las poblaciones pobres. Sin embargo, de acuerdo con la experiencia tenida en la implementación de módulos sanitarios comunales en zonas rurales, se ha observado que la población, principalmente la escolar, hace un amplio uso de estas instalaciones. La instalación de calentadores solares a nivel de módulos sanitarios comunales, significa una economía para la comunidad, en vista que el requerimiento por día y por persona de agua caliente es mínimo. 2.

Introducción

A fin de contribuir con el diseño de calentadores solares se desarrolló un programa que facilitará esta tarea; para ello se realizó una revisión bibliográfica con la finalidad de seleccionar una serie de fórmulas aplicables al diseño de calentadores solares de agua. Para validar el programa de cálculo, se evaluó el calentador solar instalado en la OPS/CEPIS, teniendo en cuenta todas las características físicas del calentador, así como, las condiciones climáticas imperantes en el momento de la prueba. El calentador utilizado para la validación fue el calentador solar mejorado que se documenta en el trabajo titulado "Mejoramiento del colector solar prototipo". Este es un documento técnico, realizado gracias al apoyo de la Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación (COSUDE). 3.

Objetivo

Validar el programa de cálculo para calentadores solares desarrollado en la OPS/CEPIS.

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4.

Programa de cálculo

El programa desarrollado permite predecir el comportamiento de un calentador a partir de sus características físicas como: dimensiones del colector, material y número de tubos de la rejilla, material y espesor de las aletas, inclinación del colector solar, material y número de cubiertas, ubicación del depósito respeto al colector, etc.; y de las condiciones de trabajo como: radiación solar, temperatura del agua, temperatura ambiental, velocidad del aire, etc. Una amplia revisión bibliográfica sobre transferencia de calor, termodinámica y dinámica de fluidos, permitió seleccionar una serie de fórmulas aplicables al diseño de calentadores solares, las cuales, en conjunto permitieron construir el “programa de cálculo del calentador solar de agua”. Las formulaciones empleadas en el programa de cálculo se encuentran en el documento titulado “Teoría para el diseño de calentadores solares de agua”. 5.

Validación del programa de cálculo

La validación del programa de cálculo consistió en medir los parámetros más importantes del calentador solar, y compararlos con los valores obtenidos mediante el programa de cálculo. Además se midió la radiación solar y la temperatura ambiental. 5.1

Parámetros atmosféricos

Se registró la temperatura del aire, así como, la radiación solar. En la determinación de la radiación solar se empleó el solarímetro casero que se documenta en el trabajo titulado “Estimación de la radiación solar”. 5.2

Parámetros evaluados Los parámetros evaluados directamente en el calentador fueron:

a)

Caudal

Para ello, se determinó la velocidad de circulación del agua en el colector solar. La determinación se realizó empleando una mezcla de tetracloruro de carbono, benceno y ditizona. La ditizona se empleó para colorear y visualizar la mezcla de tetracloruro de carbono y benceno. De esta manera de midió la velocidad del agua en la manguera de plástico transparente que alimentaba al colector solar. b)

Temperatura de ingreso y de salida del colector La medición de la temperatura se realizó con un termómetro de bulbo.

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c)

Calor útil

El calor útil almacenado en el depósito se determinó mediante el producto del caudal por la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida del colector. 5.3

Parámetros calculados mediante el programa del calentador solar

Los parámetros calculados mediante el programa fueron: el caudal, la temperatura de ingreso al colector, la temperatura de salida al colector y el calor útil. Los valores se obtuvieron a partir de las características físicas del calentador y de las condiciones ambientales. El cálculo de la temperatura de ingreso al colector se realizó asumiendo una mezcla completa en el depósito de almacenamiento. 6.

Resultados

En el cuadro 1 y en el gráfico 1 se presentan las condiciones ambientales y los parámetros del calentador, tanto los medidos, como los calculados mediante el programa de cálculo.

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OPS/CEPIS/03___ UNATSABAR Cuadro 1. Condiciones ambientales y parámetros del calentador solar (medidos y calculados) Parámetros operativos del calentador solar Condiciones ambientales

Temperatura de ingreso al colector (ºC)

Temperatura de salida del colector (ºC)

Calor útil (W)

Caudal (l/h)

Temperatura de ingreso al colector (ºC)

Temperatura de salida del colector (ºC)

Calor útil (W)

319 537 745 835 1004 1043 988 861 773 626 469

25 26 28 29 30 31 29 27 25 23

Caudal (l/h)

7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

Radiación Incidente (W)

Temperatura ambiental (ºC)

Hora

27,41 29,69 30,98 33,93 33,93 32,39 30,98 29,69 26,39 21,59

26,0 28,0 30,0 30,5 30,5 32,5 35,0 37,0 38,5 39,0

33,0 36,5 39,5 40,5 42,0 43,0 44,0 44,5 45,0 44,0

211 286 318 367 348 294 216 139 45 -

25,02 28,79 30,67 33,39 34,19 33,82 32,11 30,16 26,86 22,53

26,0 27,5 29,7 32,2 35,1 37,8 40,2 41,9 43,1 43,5

33,5 36,6 39,2 42,7 45,4 47,2 48,3 49,1 48,9 47,9

198 280 315 369 353 301 223 146 52 -

Error (comparación de calores útiles) (%)

Calculados mediante el programa

Medidos

-6,2% -2,1% -0,9% 0,5% 1,4% 2,4% 3,2% 5,0% 15,6%

1200 Radiación Calor útil observado Calor útil según programa

Radiación (W/m 2)

1000

800

600

400

200

0 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Hora del día

Gráfico 1. Radiación, calor útil observado y calculado

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7.

Análisis de los resultados

Los valores del calor útil medido y del calculado presentan pequeñas diferencias, que en promedio, son del orden del ±5% para un periodo de insolación desde las 9:00 hasta las 15:00 horas. Por otro lado, los cálculos del caudal y de las temperaturas de entrada y de salida del colector también muestran una diferencia respecto de los valores observados, estas variaciones están en el orden del ±5%, ±16% y ±10% respectivamente. Estas variaciones se deben a que en el programa se asume una mezcla completa en el depósito; mientras que en la realidad, lo que sucede es una estratificación del agua producto la diferencia de densidades de la misma. A pesar de ello, como consecuencia, que el programa se centra en la obtención del calor útil para el diseño de sistemas de calentamiento, estas diferencias no representan limitaciones para su aplicación. 8.

Conclusión

El programa de cálculo predice el comportamiento de cualquier modelo de calentador solar con un porcentaje de error de ±5 % respecto al calor útil, esto lo convierte en una herramienta confiable para el diseño de sistemas de calentamiento de agua por energía solar.

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