CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA CURSO CAPEV 2011

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1 CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA CURSO CAPEV 2011
CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL: PERSPECTIVA DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA EN AMÉRICA LATINA Y EL CARIBE Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México de abril 2011

2 Colectores Solares Calentamiento de Agua

3 Calentamiento solar de agua
Uso sanitario Lavado de utensilios y ropa Uso recreativo y terapeuta (piscinas e hidroterapia). Calentamiento de espacios Procesos industriales

4 Calentamiento de agua para piscinas °C Absorbedor metálico de plástico Captador plano Con cubierta Captador al vacío Captador solar plano al vacío Captador con tubo evacuado Captador ICS Canal directo caloriducto con reflector Conexión seca Sin doméstico 20 °C °C °C Calentamiento doméstico y de apoyo 80 °C °C húmeda

5 Sistema de Calentamiento Solar de Agua, SCSA
Sistema de captación Sistema de almacenamiento Sistema de intercambio térmico Sistema hidráulico Sistema de calentamiento auxiliar Sistema de regulación y control

6 Metodología de diseño de instalaciones solares para el calentamiento de agua
Datos de inicio Cálculo de la demanda Cálculo de la energía solar disponible Evaluación de la superficie de captadores y disponible y del volumen de almacenamiento Diagrama del principio de la instalación Selección de la configuración básica Selección del fluido de trabajo Diseño del sistema de captación Diseño del sistema de almacenamiento térmico Diseño del sistema de intercambio térmico Diseño del circuito hidráulico Diseño del sistema auxiliar de calentamiento Diseño del sistema eléctrico y de control Características técnicas de los componentes Materiales y protecciones Diseño de la estructura de soporte Recepción y pruebas de funcionamiento

7 Consumos unitarios Uso del edificio Clasificación Consumo unitario
litros-persona-día Residencial Vivienda1) 40 Hotel menor o igual a 3 estrellas 55 Hotel de 4 estrellas 80 Hotel de 5 estrellas 100 Camping 30 Cuartel Centro penitenciario Residencia de estudiantes Residencia de ancianos 60 Albergue 35 Deportivo Deportivo, gimnasio, piscina Docente Con duchas Otros usos 6 Sanitario Hospital, clínica Ambulatorio, centro de salud Industrial Vestuarios Restaurantes Restaurante 12 Cafetería 2

8 (RESTAURANTES Y HOTELES)
Temperatura de uso EQUIPOS (VIVIENDAS) TEMPERATURA DE USO (° C) (HOSPITALES) Lavamanos y lavabos 35 Bañera y ducha de limpieza Fregadero 45-50 Bañera y ducha 40 Baño de asiento 42 Baño de asiento y lavapiés Bidé 38 Baño medicinal 32-38 APARATOS (RESTAURANTES Y HOTELES) (INDUSTRIAS) (°C) Lavamanos Serie de lavabos con grifo Lavabos Serie de lavabos con piña ducha Baño Fuente de lavabo circular para 6-8 personas Ducha Pila de enjuagar 50

9 Cálculo de la demanda térmica Condiciones de funcionamiento
DET = QACS (TU ) · CP · (TU –TAF ) DET es la demanda media diaria de energía térmica (kWh/día ó MJ/día), Qacs(TU ) es el consumo medio diario de agua caliente a la temperatura TU ,  es la densidad del agua, CP es el calor específico del agua a presión constante, TU es la temperatura de uso del agua caliente y TAF es la temperatura del agua fría. Condiciones de funcionamiento Captador solar 1.25 ≤ 100 A/g ≤ 2 Siendo A el área de captadores en m2 y g el consumo de agua caliente en litros/día Almacenamiento térmico. Los modos de funcionamiento son estratificado y (10%) mezclado. V/A ≈ 50 y 100 litros/ m2 valor recomendado 80 litros/m2 0.8 G ≤ V ≤ g

10 La fracción solar La fracción solar se describe como la relación del calor solar producido entre los requerimientos totales de energía para el calentamiento de agua, de acuerdo a la ecuación siguiente: Donde FS es la fracción solar, %, QS es el calor solar producido (kWh), y QAUX es el calor auxiliar requerido (kWh). Un valor alto en la fracción solar implica un mínimo valor en la cantidad de energía convencional requerida para el calentamiento auxiliar, en el caso extremo la FS es 100%, no en todos ellos. La figura representa la evolución de la FS en función de la superficie de colección, en donde se puede apreciar, que la FS aumenta rápidamente al aumentar la superficie, sin embargo, a medida que esta aumenta, la evolución de FS es cada vez menor, por lo que es conveniente establecer en cada uno de los casos, la FS óptima, ya que a partir de un cierto valor, la recuperación de una mayor cantidad de energía solar, requerirá cada vez una mayor superficie, resultando en una alta inversión, haciendo poco rentable el proyecto de calentamiento solar.

11 demanda de energía = energía solar + energía auxiliar

12 Configuración de la instalación
Sistemas con circulación natural Los sistemas en donde la convección natural provocada por la diferencia en densidades, origina el movimiento del agua desde el colector al termotanque. A estos sistemas se les conoce con el nombre de “ termosifónicos”. Sistemas con circulación forzada Los sistemas con circulación forzada cuando la transferencia de calor se realiza por el movimiento del fluido producido por una bomba.

13 Sistemas termosifónicos
Principio de funcionamiento En las instalaciones con circulación natural o termosifón,la circulación del fluido inicia cuando existe una diferencia de densidad entre los distintos puntos del fluido, como consecuencia de la diferencia de temperaturas, que genera una fuerza impulsora superior a la pérdida de carga de la instalación. Esta fuerza impulsora es a partir de la diferencia en densidades, por lo que su valor depende, entre otros parámetros, de la irradiancia solar incidente sobre el captador, la cual al aumentar, aumenta tanto el caudal de circulación a través de los captadores como el incremento de temperatura entre la salida y la entrada del captador solar. Para realizar un análisis sobre el funcionamiento de estas instalaciones, es necesario analizar diferentes parámetros que intervienen en su funcionamiento como son: Dimensiones de la instalación Distribución de las temperaturas Dependencia de la densidad en función de la temperatura Diferencia de presiones provocadas por las diferencias en densidades Caudales de circulación resultantes

14 Determinación del caudal
Con base a estos resultados y considerando irradiancias solares máximas, el aumento máximo obtenible es de 10 °C. y a partir de esta información, es posible obtener el valor del caudal de circulación de una manera aproximada, por medio de la siguiente relación: en donde FR es el factor de eficiencia, A la superficie de colección, ατ, la absortancia del absorbedor y la transmitancia de la cubierta, UL el coeficiente global de pérdidas térmicas, CP , el calor específico y TS , TE y TAMB , las temperaturas de entrada, y salida del captador y del ambiente.

15 Instalaciones con circulación natural
Los sistemas solares termosifónicos, pueden tener configuraciones sin intercambiador entre el captador (directo) y el termotanque o configuraciones indirectas, con intercambiador en el depósito, tipo intercambiador interno o termotanque con intercambiador tipo envolvente o encamisado. Sistema termosifónico directo

16 Sistema termosifónico directo
Sistema termosifónico directo. Las instalaciones directas son más económicas y tienen un rendimiento energético superior que las instalaciones indirectas. Se aconseja su empleo en pequeñas instalaciones individuales. Por lo general no se recomienda su empleo, principalmente en regiones en donde se registran bajas temperaturas ambiente, ya que la circulación directa del agua de red por el circuito de colectores plantea los siguientes problemas: a) La congelación del agua en el colector en los lugares donde la temperatura exterior puede bajar de 0 °C. b) Algunos captadores no soportan la presión de la red hidráulica. c) Las aguas duras (alto contenido en sales) al calentarse por encima de 60 °C desprenden sales calcáreas que generan incrustaciones en los captadores y en el circuito. Con respecto a la calidad del agua, es posible integrar un tratamiento del agua, para disminuir la dureza.

17 Instalaciones con circulación natural
Sistemas termosifónicos indirectos Estos sistemas disponen normalmente de intercambiadores de doble envolvente, debido a su pequeña pérdida de carga, además que tienen un mayor costo, el inconveniente principal, es la mayor pérdida de carga, por la integración del intercambiador. En localidades con frecuencia de heladas se emplean mezclas acuosas de aditivos anticongelantes como fluido en el circuito primario, para evitar su congelación. Considerando las razones anteriores, es mejor la utilización de un circuito primario en donde circula un fluido o una mezcla que por sus propiedades térmicas no se congele y este circuito trasmita el calor a un circuito secundario. Para esta operación se requiere un intercambiador de calor entre ambos circuitos. Los intercambiadores más usados son del tipo serpentín y de doble envolvente.

18 Sistema termosifónico con intercambiador
integrado al termotanque, tipo serpentín Sistema termosifónico con intercambiador integrado al termotanque, tipo envolvente

19 Consideraciones: Los captadores solares deben colocarse siempre por debajo del termotanque. Con el objeto de evitar que se produzca durante la noche la inversión del flujo, la tubería de salida del colector debe situarse al menos 30 centímetros por debajo de la tubería de salida del depósito. En las instalaciones en donde esto no fuera posible, se permite el uso de una válvula antiretorno en el circuito primario de tipo vertical. Debido al movimiento del fluido que se genera a causa de las pequeñas diferencias de densidad, provocadas a su vez por las diferencias de temperaturas en el sistema, la potencia disponible de bombeo natural es muy reducida y por tanto las fuerzas debidas a la fricción del fluido en las tuberías deberán de reducirse al máximo. Con base a lo anterior no se instalarán filtros, válvulas u otro tipo de estrangulamientos al flujo, con excepción de la válvula antiretorno y del purgador de aire, el cual se deberá colocar siempre en la parte más alta del circuito. No se instalarán codos a 90°. Deben evitarse las tuberías horizontales y en ningún caso el diámetro de la tubería será inferior a ½ pulgada, para fines de diseño, el diámetro se considera el normalizado inmediatamente superior al necesario en una instalación con circulación forzada. En el diseño del intercambiador se debe evitar que las circulaciones del fluido provoque cambios de dirección que bloquen el efecto termosifónico. Los cambios de dirección se realizarán con curvas de un radio mínimo de tres veces el diámetro del tubo. Se puede reducir el aislamiento de la tubería de retorno para facilitar el efecto termosifónico. Se debe mantener una diferencia de temperaturas de almenos 10°C para su correcta operación.

20 Tipos de sistemas termosifónicos
Sistema termosifónico compacto. Existen sistemas termosifónicos llamados compactos en donde el termotanque esta integrado al cuerpo del captador solar, son muy simples, fiables y de un costo menor, son más utilizados en pequeñas instalaciones individuales. Su mayor inconveniente reside en la escasa estética del sistema motivada por la necesidad de situar el tanque en posición superior, lo que dificulta su integración arquitectónica.

21 Captador solar autocontenido o unidad integral de captador y termotanque. En el captador autocontenido el fluido permanece estacionario y el mismo captador funciona como almacenamiento. Por lo general son de forma cilíndrica o rectangular y sólo calientan el volumen contenido en su interior. Sus principales ventajas son que no requiere de sistemas de circulación y de control ni mantenimiento ni protección anticongelante, ya que su gran volumen de agua caliente almacenada, evita su propia congelación. Sus principales desventajas son las grandes pérdidas de calor durante la noche. Por lo general se recomienda su uso, cuando el consumo de agua caliente se realiza durante la tarde o las primeras horas de la noche.

22 Conexión en serie de un sistema termosifónico con un sistema de calentamiento auxiliar de gas

23 Instalaciones con circulación forzada
Instalaciones directas sin cambiador de calor . Instalaciones con intercambiador de calor integrado al termotanque. En este caso el intercambiador de calor puede ser interior de tipo serpentín o similar o del tipo con doble envolvente Instalaciones con intercambiador de calor separado tipo placas o tubular

24 Instalaciones con circulación forzada
Sin intercambiador Intercambiador interno tipo serpentín Intercambiador externo Intercambiador interno tipo envolvente

25 Sistemas termosolares a circulación forzada Sistema abierto
Para prevenir la formación de bolsas de aire, los captadores deben de estar colocados estrictamente de acuerdo con las instrucciones referentes a la inclinación de las tuberías. Deben instalarse purgadores automáticos en el punto más alto del sistema. La salida del agua caliente, al punto de consumo, debe de estar en el lugar más alto del tanque. Las tuberías deben estar aisladas térmicamente. Se debe de asegurar que las distancias entre el captador y el termotanque sean los más cortas y derechas posibles, sin curvas y siempre inclinadas hacia arriba. f) La capacidad de la bomba respecto al caudal, presión, etc. debe estar de acuerdo a la superficie del captador y a la longitud de las tuberías. Un caudal de 50 a 80 litros por hora por metro cuadrado de área de captador es recomendado.

26 Sistema termosolar cerrado unifamiliar
Este sistema se utiliza cuando la red de suministro de agua municipal contiene sales (principalmente de calcio) que pueden provocar incrustaciones o una corrosión excesiva del captador, o cuando existe la posibilidad de la congelación, lo que obliga a utilizar un anticongelante. Se debe adicionar al sistema un tanque de expansión, para mantener una presión constante en el sistema de circulación y termointercambiador. El tanque de expansión generalmente esta integrado a la tubería que conecta el tanque con la bomba. Todas las indicaciones que se hicieron en el caso anterior son aplicables a este sistema

27 Sistema termosolar central cerrado con termotanques individuales e interintercambiador interno.
Este sistema termosolar está diseñado especialmente para bloques de departamentos de varios pisos, en donde cada departamento esta equipado con un termotanque individual . Se debe de instalar una válvula principal en la entrada de cada departamento, así como un termostato diferencial, un sensor y una válvula solenoide. En cada tanque existe un elemento calefactor independiente (generalmente eléctrico) controlad por un termostato En este sistema existen los tanques de expansión instalados en el lado de succión de las bombas, las que deberán de suministrar un caudal que este de acuerdo con la superficie de captación (60 litros por metro cuadrado) y con una carga de agua de 10 metros.

28 Sistema termosolar central cerrado con termotanques individuales e interintercambiador externo y calentamientoauxiliar En el sistema central cerrado con interintercambiador externo y calefactor auxiliar, hay un tanque de almacenamiento central del cual se abastece de agua caliente a cada uno de los departamentos a través de un circuito aparte de agua caliente para el consumo, por medio de una bomba, cuando las distancias entre el punto de consumo y el termotanque son considerables. El contar con un circuito separado para los consumidores les permite obtener agua caliente tan pronto como abren la llave

29 Sistema abierto con dos termotanques y calentamiento interno auxiliar.
En este sistema existe un circuito del termotanque de los captadores, un termostato diferencial que controla la bomba de circulación y una válvula solenoide, cuyo propósito es impedir la circulación termosifónica de reflujo cuando los captadores están fríos . . En ambos tanques, las entradas de agua están provistas de difusores de corriente, El calefactor auxiliar está instalado en el tanque 2, así como dos termostatos controlados por medio de un reloj. Por medio de esta configuración se obtiene el calentamiento adecuado del agua de forma controlada y sin desperdiciar energía.

30 Sistema abierto (instalación central o individual) con calentamiento adicional externo.
La configuración para conectar el tanque de almacenamiento con la caldera se muestra en la figura anexa. Este sistema se parece al caso anterior y por lo mismo las indicaciones son válidas también para este sistema

31 Sistema cerrado con un termotanque, termointercambiador externo y calefactor auxiliar
Este sistema cerrado, se utiliza como en los casos anteriores, cuando el agua de suministro es dura y se debe prevenir el bloqueo en las tuberías por los depósitos calcáreos o cuándo se requiere un anticongelante. En este sistema se recomienda instalar un tanque de expansión para asegurar una presión constante en el sistema. La bomba instalada entre el intercambiador externo y el captador debe de satisfacer las demandas tanto del captador como del termointercambiador. Se debe instalar una válvula de retención entre el tanque y el interintercambiador, para prevenir el reflujo termosifónico de calor entre el termotanque y el intercambiador, impidiendo así la pérdida de calor a través del captador.

32 Sistema termosolar cerrado con dos termotanques, intercambiador externo y calefactor auxiliar.
Este es un ejemplo de sistema que integra dos tanques de almacenamiento, con caldera y un intercambiador de calor externo. En realidad es posible incorporar tres o incluso más tremotanques en instalaciones similares. Los termostatos diferenciales en el circuito entre los termiotanques deben estar instalados de tal forma que cada uno de ellos transfiera calor al que le sigue en línea, con el objetivo de asegurar : A) Bajas temperaturas en el tanque de almacenamiento 1, lo que es conveniente para una mejor absorción de la energía solar. B) Que la caldera se alimente a todo momento con agua caliente al nivel más alto posible, con el objeto de disminuir el tiempo de funcionamiento del calefactor auxiliar. Hay que considerar, que es preferible tener un solo almacenamiento más grande, para mejor conservar la energía y ser más económico. Lo que se ha comentado anteriormente, también puede ser aplicado en este caso.

33 Sistema de calentamiento de agua para uso sanitario y climatización en una escuela

34 Calentamiento de agua de uso doméstico para una casa unifamiliar

35 Aplicaciones industriales con función estructural

36 Climatización de invernaderos, áreas de crianza de aves y animales en general y aplicaciones en la agricultura

37 Calentamiento de agua para instalaciones en campamentos

38 Sistema de calentamiento de agua para uso sanitario para instalaciones hoteleras

39 Sistema de calentamiento de agua para uso sanitario y recreativo en un centro deportivo

40 Clasificación de captadores solares
Movimiento Tipo de captador solar Forma del absorbedor Relación de concentración Dominio de temperaturas (°C) Estacionario Captador plano (CP) plano 1 30-80 Captador de tubo evacuado (CTE) 50-200 Captador parabólico compuesto (CPC) Tubular 1-5 60-200 Un sólo eje de seguimiento 5-15 80-300 Captador con reflector lineal Fresnel (CRLF) 10-40 80-250 Captador con reflector de canal parabólico (CP) 15-45 Captador de canal cilíndrico (CCC) 10-50 Dos ejes de seguimiento Captador con disco parabólico (CDP) Puntual Captador con campo de helióstatos (CCH)

41 BALANCE DE ENERGÍA EFICIENCIA INSTANTÁNEA EFICIENCIA ÓPTICA EFICIENCIA TÉRMICA

42

43 Superficie absorbedora
A) Absorbedores formados por dos placas conformadas y soldadas entre sí. B) Absorbedores constituidos por una parrilla de tubos unidos a una placa o conjunto de aletas. C) Absorbedores formados por una placa y un serpentín unido a la misma.

44 Tipos de recubrimientos
Propiedades ópticas de algunos recubrimientos selectivos. Recubrimiento selectivo Sustrato metálico Absortividad solar Emisividad infrarroja Cromo negro Acero,. cobre 0-91 – 0.96 0.07 – 0.16 Cobre negro Aluminio 0.81 – 0.93 0.11 – 0.17 Níquel negro Níquel, acero 0.89 – 0.96 0.07 – 0.17 Óxidos de aluminio aluminio 0.90 - Oxidos de fierro acero 0.85 -

45 Captador solar plano de plástico (Polipropileno) para el Calentamiento de una alberca en Cancún, Q.R.

46 Captadores solares planos

47 Captadores solares con tubos evacuados
Una técnica para disminuir las pérdidas convectivas consiste en evacuar el aire que rodea al absorbedor, en este caso; a estos captadores solares se les conoce con el nombre de; “captadores solares evacuados. El captador solar evacuado más conocido consiste en un tubo de vidrio ( boro silicato), en cuyo interior se coloca un absorbedor solar de placa plana unido a un tubo en donde circula el agua a calentar y que cuenta además con un recubrimiento selectivo. Existen comercialmente dos tipos de colector solar evacuado,: los del tipo vidrio-vidrio y lo del tipo vidrio-metal. Clasificación Captador solar a vacío con circulación directa. Captador solar a vacío con caloriducto Captador solar a vacío con efecto "Termo" Captador solar a vacío tipo "Schott"

48 Tubo evacuado tipo vidrio-vidrio
El colector solar evacuado consiste de dos tubos concéntricos de vidrio, por lo general de material de borosilicato. Los tubos están unidos entre si y durante su fabricación, (a la sección anular que los separa), se les extrae la mayor parte del aire, hasta alcanzar una muy baja presión, lo cual actúa como un aislante térmico En la superficie exterior del tubo interior se deposita una superficie selectiva y el agua circula y se calienta dentro de este tubo. La figura 6, muestra un diagrama de un captador solar evacuado vidrio-vidrio. Sección evacuada Vidrio exterior Vidrio exterior con recubrimiento absorbenteVidrio exterior con recubrimiento absorbente Agua caliente Agua fría Agua caliente Vidrio exterior con recubrimiento absorbente

49 Tubo evacuado tipo vidrio-metal
El diseño mas común del tipo vidrio-metal, consta de un absorbedor metálico de placa plana con recubrimiento selectivo encerrado en un tubo de vidrio de borosilicato unido al metal por medio de una junta de expansión para amortiguar las diferencias en la dilatación térmica. Se extrae el aire al interior hasta alcanzar un vacío suficiente para reducir al máximo las pérdidas de calor por convección Junta de expansión vidrio metal Tubo metálico para transporte del agua Aleta metálica absortiva Agua caliente Agua fría Agua caliente Envolvente de vidrio Sección evacuada

50 El captador a vacío con circulación directa
Esta técnica fue la primera en desarrollarse hace más de 30 años, con el objeto de mejorar la eficiencia del captador plano normal. La concepción del absorbedor y los ductos de circulación del fluido térmico son como las del captador plano, con la diferencia que las entradas y salidas son estrechas para poderse introducir al interior de un tubo de vidrio, en cuyo interior el aire se evacua, haciendo el vacío necesario y cerrando posteriormente de manera hermética. Existen en versiones vidrio-vidrio y metal-vidrio, en donde la complejidad radica en la formulación de los sellos vidrio/ metal.

51 Tecnología de captadores solares con tubos evacuados
Estos equipos al trabajar al vacío tienen menos pérdidas térmicas por convección 47 < T < 190 OC Absorbedor de tubo con placa, tipo estacionario Tubo al Vacío entrada salida vidrio vacío agua

52 Tecnología china de tubos evacuados tipo termo

53 El captador solar a vacío con caloriducto
La diferencia con un captador solar a circulación directa es que el intercambio de calor se lleva a cabo siguiendo un mecanismo natural de evaporación y de condensación de un fluido. Este dispositivo de intercambio térmico se llama caloducto o caloriducto o por su nombre en ingles: heat pipe. El caloriducto esta en contacto con el absorbedor y permite transferir el calor captado fuera del tubo para calentar un fluido en el captador. En todos los casos existe una unión vidrio/metal hermética. Los caloriductos deben estar inclinados para permitir la termocirculación del fluido en el caloriducto. 1. Captador aislado al interior de la envolvente de protección, 2. Condensador del caloriducto, 3. Circulación del agua en el captador, 4. Tubo de acero hermético, 5. Absorbedor , 6. Liquido descendiendo 7. Vapor subiendo, 8. Tubo de vidrio al vacío

54 Captadores solares al vacío con concentración óptica
En algunos casos se integra a este tipo de capatadores los reflectores del tipo de concentradores parabólicos compuestos, CPC, ya que como la superficie del absorbedor es cilíndrica cubre la totalidad de la superficie del tubo interior. Así la cara al sol puede captar la radiación directa y la parte oculta la radiación por reflexión.

55 Sistemas de calentamiento de agua con captadores solares con tubos evacuados
Son una excelente opción para climatización con sistemas de absorción, adsorción y desecantes.

56 Captadores solares parabólicos compuestos, CPC
Captadores parabólicos compuestos CPC tienen la capacidad de reflejar al absorbedor toda la radiación incidente dentro de un gran límite, teniendo por lo general un forma truncada. A pesar de ser superficies cóncavas, su movimiento se puede reducir al máximo si se usa un canal con dos secciones de una parábola una frente a la otra, en cuyo fondo se encuentra el absorbedor de las radiaciones múltiples, el cual puede ser cilíndrico o plano. Por lo general se coloca una cubierta transparente para evitar la entrada de polvo y otros materiales y con esto reducir la reflectividad de las paredes. Estos captadores son mas usados del tipo lineal o de canal y su orientación se refiere a su ángulo de aceptancia.

57 Sistemas de calentamiento solar de agua para uso doméstico

58 Propiedades ópticas de cubiertas transparentes
Material plástico transmitancia Temperatura máxima, ºC Resistencia a la intemperie policarbonatos 0.73 – 0.84 100 – 130 De pobre a media poliésteres 0.80 – 0.87 140 De media a buena polietilenos 0.90 50 pobre Polivinil fluoruro 0.92 – 0.94 160 De buena a excelente Fibra de vidrio reforzada 0.77 – 0.87 90 buena acrílicos 0.80 – 0.90

59 Criterios de diseño del colector.
Rígidez de la caja protectora y la sujeción del absorbedor, de forma que se evite su deformación y pérdida de estanqueidad por fatiga térmica Diseño de la fijación de la cubierta que permita absorber las dilataciones e impida la entrada de agua. Un proceso industrial de aplicación del recubrimiento de la superficie absorbedora que garantice su calidad Selección del material de juntas de forma que se asegure el cumplimiento de las normas de prueba de estos materiales. Control de calidad de las especificaciones del aislamiento térmico utilizado. El material de la cubierta transparente en el caso del vidrio sea normal o templado, el espesor de debe ser igual o inferior a 3mm y su trasmisividad mayor o igual a 0.8. La distancia media entre la cubierta transparente y el absorbedor no debe ser inferior a 2 cm ni superior a 4 cm. En ningún caso, el recubrimiento del absorbedor se debe de aplicar sobre lamina galvanizada. La caja protectora del captador deberá contener un orificio de ventilación de un diámetro superior a los 4 mm colocado en la parte inferior, para poder eliminar las posibles acumulaciones de agua. El agua deberá drenarse sin afectar al aislamiento térmico. Se sugiere no utilizar más de una cubierta transparente

60 Orientación e inclinación

61 Declinación magnética
La declinación magnética es el ángulo formado entre la meridiana geográfica (o norte geográfico) y la meridiana magnética (o norte magnético). Cuando ese ángulo se presenta al oeste del norte geográfico, se habla de declinación oeste y en el caso opuesto se habla de declinación este. Dado el carácter dinámico del campo magnético terrestre, la declinación también es cambiante, y para un mismo lugar la declinación medida en una fecha es distinta a la medida en otra fecha distinta, pese a tratarse del mismo punto de la superficie terrestre. Esta variación se mide en una tasa anual, que establece en qué magnitud angular la declinación variará y en qué sentido será el giro (hacia el este o el oeste) Líneas isogónicas en la Tierra

62 Declinación magnética en la República Mexicana

63 Análisis de sombras En las instalaciones solares es muy importante realizar un análisis de la proyección de sombras sobre el sistema debido a los obstáculos adyacentes, como la posibilidad de nuevas construcciones anexas y el crecimiento de árboles y plantas y por las mismas hileras de captadores y termotanques. El criterio generalmente aceptado es que las sombras proyectadas por lo captadores sobre total de la instalación no deben superar el 10% de la superficie de captación al mediodía del solsticio de invierno. Este criterio debe ser ajustado por el diseñador para cada caso particular. La distancia entre filas de captadores no deberá ser inferior a la obtenida por la siguiente expresión: D = kh En donde k es un coeficiente en función de la inclinación y h es la altura del colector. Inclinación 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º k 1.532 1.638 1.732 1.813 1.879 1.932 1.970

64 Cálculo de la inclinación del colector
Determinación del ángulo α: Medir la distancia d Medir la altura h Calcular α h α d B. 1. Conociendo , (se toma como valor la altura solar mínima durante el año; siendo el 21 de diciembre a la 12:00 h, tiempo solar) 2. Conociendo el valor de h, 3. Se calcula d que es la distancia mínima que hay que colocar el captador para evitar el sombreado.

65 Espaciamiento entre captadores
L hm i X1 X2 X

66 Circuito hidráulico La instalación de los colectores debe asegurar que el recorrido hidráulico sea el mismo para todos, de forma que se obtengan similares pérdidas de carga y en consecuencia, flujos similares en todos los captadores. De otra forma, los incrementos térmicos en los captadores serán diferentes, reduciéndose el rendimiento global. Para asegurar lo anterior se propone la utilización del retorno invertido, de forma tal que la parte más corta del circuito primario corresponda a los tramos de la salida caliente de los captadores. El caudal de los captadores se determinará en función del área de captadores instalados y este no debe ser inferior a 0.4 litros/m2 minuto. De esta forma se asegura un adecuado coeficiente de transmisión de calor entre el absorbedor y el fluido. Los valores óptimos se sitúan entre 0.7 y 1 litro/m2 minuto. La longitud de las tuberías debe ser lo más reducida posible con el fin de disminuir las pérdidas hidráulicas y térmicas. Las pérdidas de calor en tuberías y accesorios deben reducirse al mínimo, evitando zonas mal aisladas y puentes térmicos. El diseño del campo de colectores debe evitar la formación de bolsas de aire atrapado. El diseño debe facilitar el montaje y desmontaje de los colectores. El diámetro de las tuberías se seleccionará de forma que el dominio de velocidades se encuentre entre 0.6 y 1.5 m/s. La conexión entre captadores solares se realiza para obtener un sistema equilibrado desde el punto de vista hidráulico. Una distribución uniforme de caudales es fundamental para evitar zonas inactivas o de bajo rendimiento en los captadores y conseguir incrementos de temperatura homogéneos y similares. Los captadores solares pueden conexionarse entre ellos de tres formas: en paralelo, en serie o una combinación de ambas (serie-paralelo ).

67 Interconexión en paralelo
Externo. En este caso para conseguir una distribución uniforme de caudales en los distintos captadores basta con utilizar adecuadamente el esquema de retorno invertido, es decir, que la longitud de las tuberías de ida y de retorno sea la misma para cada uno de los distintos captadores. En el proceso de selección del diámetro de las tuberías se ha de considerar el grado de equilibrio hidráulico que se pretende alcanzar, el costo de la instalación y la potencia de bombeo necesaria. Este conexionado proporciona un funcionamiento similar en todos los colectores, siempre que el número de colectores de la fila no supere los valores permitidos por el fabricante La interconexión en paralelo proporciona buen rendimiento, pero incrementa el diámetro necesario, al ser el flujo total la suma de los flujos en todos los captadores. Se requiere instalar un purgador a la salida. Para impedir la formación de bolsas de aire la batería de los captadores debe estar instalada con una inclinación de aproximadamente un grado sobre la horizontal, de manera a que todas las tuberías están instaladas con una inclinación hacia arriba. Con el conexionado en paralelo se pretende hacer circular el mismo caudal de fluido a través de cada captador, siendo el caudal total la suma de los caudales individuales que circulan por cada captador. Este tipo de conexionado se utiliza en instalaciones de flujo normal o alto por lo que habitualmente oscila entre 40 y 80 l/hm2. En función de que los tubos distribuidores horizontales sean interiores o exteriores se diferencia entre dos posibles formas de conexionado: el externo y el interno.

68 Paralelo externo La conexión hidráulica recomendada es la retorno inverso en donde la parte más corta del circuito corresponda a la tubería de salida del agua caliente. de los captadores.

69 Paralelo interno Interno.
En este tipo de conexionado, no se usan tuberías exteriores, lo que disminuye considerablemente el costo de la instalación. Para esto se tienen conductos distribuidores horizontales en la parte inferior y superior con diámetros superiores a los del resto del absorbedor. Para minimizar el posible desequilibrio hidráulico hay que asegurar que los recorridos sean prácticamente iguales (retorno invertido) por lo que la tubería de entrada ha de estar en el extremo contrario al de la tubería de salida. Para un determinado caudal el número de captadores que se pueden conectar es función del diámetro de estos conductos distribuidores. Con el objeto de aumentar el número, se aumenta el diámetro de los tubos distribuidores, consiguiendo con esto disminuir las pérdidas de carga y obtener una distribución más uniforme del caudal de circulación. Con este tipo de configuración no se recomienda conectar más de cinco entre sí. En general el conexionado en paralelo el caudal total de circulación es bastante elevado, se obtienen elevaciones moderadas de temperatura y la pérdida de carga en captadores corresponde exclusivamente a la de un captador

70 Interconexión en paralelo
La interconexión en paralelo proporciona buen rendimiento, pero incrementa la longitud de tuberías y el diámetro necesario, al ser el flujo total la suma de los flujos en todos los captadores. Aumenta también el número de accesorios. Todo ello incrementa el costo de la instalación y del bombeo, la cantidad de fluido en el circuito y las pérdidas de calor.

71 Interconexión en serie
La conexión en serie permite menores flujos y secciones de tubería y recorridos más cortos. Esto reduce los costos de instalación y operación. Mediante este tipo de conexión el mismo fluido y caudal de circulación pasa a través de todos los captadores. Por tanto el caudal total coincide con el caudal que circula por cada uno de los captadores. Normalmente se utiliza con caudales relativamente bajos, comprendidos entre 10 y 25 l/hm2 por lo que se obtienen aumentos de temperatura relativamente grandes. El fluido se va calentando a medida que pasa a través de los captadores por lo que, de acuerdo a la curva de rendimiento de un captador, este va disminuyendo. El objeto de disminuir el aumento de temperatura en cada captador, se utilizan caudales de circulación mayores hasta cerca de 40 l/hm2 si bien esta medida provoca un aumento en las pérdidas. En este tipo de conexionado, la pérdida de carga corresponde a la suma de la pérdida d carga de cada uno de los captadores conectados entre sí, por o que se recomienda utilizar captadores con pequeña pérdida de carga, para minimizar este efecto. En general el conexionado en serie el caudal total de circulación coincide con el caudal que circula por cada uno de los captadores que es normalmente baja, se obtienen aumentos elevados de la temperatura y la pérdida de carga en captadores es superior a las del conexionado en paralelo. Algunos montajes tienen el inconveniente de los cambios de dirección que pueden originar bolsas de vapor en las zonas señaladas, si los flujos no son suficientes o e

72 Interconexión en paralelo
La conexión en serie permite menores flujos y secciones de tubería y recorridos más cortos. Esto reduce los costos de instalación y operación. El mayor inconveniente es que al ir calentándose el agua, cada captador funciona más caliente que el anterior y su rendimiento disminuye. Si no se sobrepasa un número de 3 o 4 colectores en serie, las ventajas del sistema superan los inconvenientes.

73 Interconexión mixta En las grandes instalaciones, es común emplear los dos tipos de conexionado, normalmente se conectan en paralelo entre sí y estos se conectan entre sí bien en serie o en paralelo En caso de que las baterías se conecten entre sí en paralelo los conductos de distribución horizontales se colocan en el exterior, por lo que aumentan significativamente el costo Si las baterías se conectan en serie entre sí, va disminuyendo el rendimiento de estas a medida que aumenta la temperatura de entrada a los mismos. Sin embargo, se necesita un menor trazado al exterior de tuberías para conectarlas entre sí que en el caso en paralelo. En cuanto a las pérdidas térmicas, si bien la temperatura es mayor en el conexionado en serie, y por tanto será mayor la pérdida térmica por unidad de longitud, al ser de menor longitud el trazado de las tuberías en la conexión en serie, puede resultar que las pérdidas térmicas globales sean inferiores en comparación con el conexionado en serie

74 Interconexión mixta serie-paralelo
La interconexión en paralelo de grupos de colectores en serie o de grupos en paralelo de grupos de colectores en serie, se denomina mixta. Este sistema es el aconsejable en grandes instalaciones.

75 Interconexión mixta serie-paralelo
Interconexión mixta de sistemas de baterias de captadores conectados en retorno inverso

76 Ejemplo de interconexión en grandes instalaciones

77 Elementos de interconexión.
Conexiones metálicas rígidas . Soportan bien las temperaturas pero pueden crear problemas de dilataciones y alineamiento. Su utilización requiere considerar las fijaciones del captador que permitan los posibles movimientos producidos por dilataciones del conjunto del campo. Conexiones metálicas flexibles . Las conexiones metálicas flexibles no presentan problemas pero su costo es elevado. Mangueras flexibles . Estas conexiones eliminan los problemas de dilatación y alineamiento, pero hay que considerar los problemas derivados de la resistencia del material de la tubería a temperaturas elevadas y la calidad de las conexiones. Las mangueras para agua caliente con conexiones en los extremos disponibles en el mercado pueden proporcionar buenos resultados, pero debe darse especial atención a las juntas utilizadas.

78 Soporte y fijación Previamente al montaje de los colectores solares, deberá comprobarse que el apoyo de la estructura es apto para soportar las sobrecargas que el sistema de captación puede generar. Deben considerarse las cargas que puedan producirse durante el montaje y durante las operaciones de mantenimiento.La estructura soporte debe estar calculada y construida de forma que resista todas los esfuerzos los que pueda estar sometida En el diseño estructural se debe tomar en cuenta el ángulo de inclinación, su orientación y la facilidad de montaje y desmontaje, así como el acceso a los captadores. Las estructuras metálicas deben estar protegidas superficialmente para garantizar su durabilidad frente a las acciones ambientales. Es recomendable la utilización de estructuras prefabricadas de preferencia normalizadas y galvanizadas en caliente que soportan bien las condiciones ambientales. Cuidar los procesos de montaje para que no se empleen soldaduras que eliminen la protección del galvanizado. Las estructuras se pueden proteger mediante galvanizado por inmersión, pinturas orgánicas de zinc o tratamientos anticorrosivos. Se recomienda utilizar con precaución los perfiles metálicos huecos (tubulares) en los que es difícil vigilar los procesos de corrosión interna. En los casos de cubiertas solares integradas, donde el propio sistema actúa como cubierta del edificio, todos los elementos de sellado y efecto teja deben quedar montados y protegidos de manera que se garantice su colocación e integridad en el tiempo. El conjunto de la estructura se diseñará para que su peso por m2 de superficie proyectada en el plano horizontal no supere los 100 kg/m2 .

79 Distribución de flujos térmicos en un sistema de almacenamiento térmico

80 Consideraciones en el diseño de los sistemas de almacenamiento térmico
Resistencia del material y tratamiento a la temperatura máxima del fluido (90ºC). Expansión térmica del fluido entre 5 y 90ºC. Pérdidas de calor y requerimientos de aislamiento. Problemas de estratificación y formas del termotanque. Ubicación de las conducciones de entrada y salida y evitar los caminos preferentes. Previsión de corrosiones y degradaciones. Ubicación y cargas sobre el local de ubicación. Sistemas de seguridad. Costo.

81 Materiales de construcción
Depósitos de hierro galvanizado y hierro vitrificado. Los depósitos de hierro al carbón o galvanizado son los más utilizados, su principal limitación está en la temperatura de degradación del galvanizado que comienza a partir de los 60 ºC. Para pequeñas instalaciones, con depósitos de hasta 200 litros, los tanques de hierro son una solución eficaz contra las corrosiones y soportan temperaturas más elevadas. Una solución es el tratamiento interior con pinturas epóxicas, capaces de resistir 100 ºC. El mayor problema lo constituye la calidad del proceso de pintado y su costo. Depósitos de acero inoxidable. Los depósitos de acero inoxidable son una solución teóricamente adecuada; carecen de problemas de corrosión y soportan elevadas temperaturas. El principal problema es su elevado costo sobre todo en las instalaciones de baja temperatura. Depósitos de hormigón. Los depósitos de hormigón se han utilizado en grandes instalaciones, sin embargo, su fabricación es muy delicada por el peligro de la aparición de fisuras. E Depósitos de asbesto-cemento Estuvieron en uso durante mucho tiempo, sin embargo, se ha descubierto su carácter cancerígeno y esta prohibido su uso en instalaciones sanitarias. Depósitos de fibra de vidrio. Los tanques de fibra de vidrio tienen como principales limitaciones la temperatura máxima que soporta el material (60 ºC), el peligro de ruptura por el peso propio y su escasa resistencia a la presión. Su principal ventaja radica en su resistencia a la corrosión. En todo caso, deben utilizarse con precaución. Depósitos de materiales plásticos Su uso se ha generalizado en los últimos años en depósitos de agua para uso sanitario, en su mayoría son de polipropileno o polietileno de alta densidad, son muy resistentes a la corrosión, ligeros, pero no se recomiendan para agua caliente debido a su baja resistencia térmica.

82 Funcionamiento Los termotanques pueden funcionar con una estratificación u homogenización de la temperatura, en ambos casos no se realiza a un 100%. Para establecer una correcta estratificación la alimentación del fluido deberá ser en lo posible horizontalmente y no debe de haber obstrucciones que modifiquen la dirección que pudieren romper esta estratificación. En sistemas en donde se tienen diferencias importantes de temperatura es posible alimentar el agua caliente a diferentes niveles del termotanque , acomodando los niveles térmicos en forma descendente. Esta estratificación se ve mejorada en termotanques verticales. En instalaciones de gran tamaño no es necesario instalar tanques verticales que son de difíciles de ubicar. Los tanques horizontales normalizados proporcionan similares rendimientos que los verticales. En este caso debe prestarse atención a la situación de las salidas y entradas de circuitos primario y secundario al depósito. No resulta rentable en ningún caso la división del tanque solar en varios tanques para aumentar la estratificación.

83 Funcionamiento Influencia de la estratificación. La estratificación del tanque favorece el rendimiento. Los datos experimentales muestran que la reducción del calor útil entre la plena estratificación y la completa mezcla se sitúa alrededor al 7%. La estratificación se favorece utilizando depósitos verticales, Sin embargo, en grandes instalaciones son difíciles de situar. En estos casos, es preferible utilizar depósitos horizontales, cuyo efecto es escaso en grandes tamaños. Circulación en el tanque . En el diseño debe cuidarse la ubicación de las conexiones de salida y entrada al depósito para evitar los caminos preferentes del fluido. Las conexiones deben situarse de forma que se favorezca el calentamiento de todo el tanque Pérdidas térmicas . Se consideran aceptables valores del coeficiente global de pérdidas de calor inferiores a 5 W/m3 K. En todo caso, este valor es difícil de medir. El diseño debe considerar el aislamiento del tanque evitando los puentes térmicos con los soportes. Es aconsejable una capa de aislamiento térmico mínima equivalente a 50 mm. de fibra de vidrio.

84 Ubicación. La ubicación de los depósitos pequeños no implica, en general, problemas. Los acumuladores de gran tamaño se han situado usualmente en sótanos o plantas bajas. Sin embargo, esto conduce, que en edificios de varias plantas, a tener largos circuitos primarios, que pueden generar problemas de pérdidas de calor y mal funcionamiento hidráulico. Es interesante la solución de situar los depósitos en tapancos, ya que no presenta especiales problemas constructivos y permite circuitos primarios cortos. La instalación interna del tanque reduce el costo de aislamiento y el mantenimiento.

85 Sistemas de intercambio térmico
El intercambiador de calor constituye un elemento importante de la instalación solar que en la actualidad no presenta problemas especiales si se dimensiona adecuadamente. Su utilización es necesaria cuando se desea separar el agua de consumo del circuito primario para evitar las incrustaciones calcáreas en los captadores. La instalación del intercambiador introduce un rendimiento adicional que inicialmente causa una disminución de los servicios en comparación con una instalación sin intercambiador en donde los depósitos calcáreos terminan invirtiendo los factores de rendimiento. La instalación del intercambiador permite adicionalmente utilizar colectores con presión de trabajo inferior a la de red y fluidos caloportadores con aditivos para evitar corrosiones y protección antiheladas.

86 Tipos de intercambiadores
Intercambiadores sumergidos en el interior del depósito. De tipo serpentín o tipo horquilla, Normalmente están constituidos por uno o más tubos arrollados en espiral. Requieren mayor longitud que los serpentines tradicionales para calentamiento de depósitos con agua procedente de calderas a 80ºC, cuyo uso debe evitarse. Se utilizan en instalaciones medianas con buenos resultados. La

87 Intercambiadores de calor constituidos por una doble envolvente del depósito.
La única precaución que hay que tener con estos depósitos es la sobre presión del circuito primario sobre el termotanque. El rendimiento es bastante bueno. Se recomienda su uso en instalaciones pequeñas y medianas

88 Caracterización funcional
Los intercambiadores de calor quedan caracterizados por: a) la potencia térmica, b) el rendimiento térmico y c) la pérdida de carga. Potencia térmica. La potencia térmica debe corresponder a la máxima potencia que se desea transmitir y normalmente se adopta el siguiente criterio de diseño: rendimiento de captación del 60 % ,intensidad de radiación de 1,000 W/m2. El rendimiento térmico. expresa las características de intercambio de calor como el cociente entre la energía intercambiada y la máxima que podría intercambiarse. Los valores de rendimiento aceptados comúnmente en el diseño de sistemas solares son del orden del 60%. Para los intercambiadores incorporados en el depósito, los factores de potencia térmica y rendimiento se suelen utilizar en forma global y referidos en metros cuadrados de superficie útil de intercambio por metro cuadrado de superficie de captadores. Los valores normalmente utilizados deben estar comprendidos entre 0.25 y 0.40.

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90 Selección y diseño Selección
La selección entre un intercambiador independiente o integrado, para condiciones de funcionamiento similares, suele realizarse por razones económicas. La experiencia demuestra que para las instalaciones grandes es más ventajosa la utilización de intercambiadores de placas. Para instalaciones con capacidades de almacenamiento inferiores a 1,500-2,000 litros empieza a interesar las instalaciones con intercambiador integrado. Este límite está evolucionando a la baja a medida que los intercambiadores de placas se hacen más económicos. Diseño. En el diseño de los intercambiadores considerarse los siguientes puntos: Independientes a) Los flujos de los circuitos primario y secundario deben ser iguales, en todo caso el flujo del circuito secundario nunca deben exceder al caudal del circuito primario. b) Los intercambiadores externos deben aislarse convenientemente. Integrados Los intercambiadores integrados deben definirse teniendo en cuenta los siguientes aspectos: Los de doble envolvente son de más difícil construcción y su costo es, en general, mayor que los de tipo serpentín. Sin embargo, existen acumuladores de doble envolvente de tamaños normalizados cuyas características los hacen competitivos. Su mayor peligro reside en la posibilidad de producirse deformaciones por diferencias de presión y debe evitarse la presurización de uno solo de los lados en los intercambiadores de doble forro, con el objeto de evitar deformaciones de la placa.

91 Fluido Térmico de Intercambio
Fluido térmico Agua A nivel práctico y para sistemas térmicos de baja temperatura la mejor solución es utilizar agua o agua con aditivos, anticongelantes y/o anticorrosivos. El agua tiene calor específico elevado, lo que permite lograr altos rendimientos en colectores y cambiadores de calor, con velocidades reducidas del fluido. Su bajo costo y disponibilidad, junto con su baja viscosidad, no toxicidad y no inflamabilidad, terminan por hacer obligada su utilización. En el caso de utilizar otro tipo de fluido diferente al agua, es necesario verificar su composición y vigilar que su calor específico sea superior a 0.7 kcal/kg °C. El agua como fluido caloportador presenta inconvenientes importantes: El agua con PH ácido contienen oxígeno y anhídrido carbónico. En las tuberías de metales ferrosos se produce herrumbre, adquiere un volumen diez veces mayor que el del metal, pudiendo obstruir las tuberías dejándolas fuera de servicio en pocos años. Desde este punto de vista, los materiales más resistentes son el latón y el cobre, pero en los tubos de latón puede producirse pérdida del recubrimiento y entonces pequeñas partículas de zinc son arrastradas por el agua y los tubos se hacen porosos. Los tubos de aleaciones no férricas no se obstruyen sino que pierden impermeabilidad. En determinados casos se hace necesario neutralizar con aditivos.

92 Las aguas duras contienen sales minerales de calcio y magnesio.
Por encima de 70 ºC estas sales se desprenden produciendo depósitos calcáreos en las tuberías, cualquiera que sea el material de las mismas, pudiendo obstruirlas en pocos años. En todo caso en los depósitos e intercambiadores de calor se reducen las propiedades de transferencia de calor, disminuyendo los rendimientos y aumentando al mismo tiempo la pérdida de carga. El incremento de la temperatura favorece estos procesos. En los casos extremos es necesario descalcificar para evitar la formación de incrustaciones. Para cuantificar el contenido en el agua de sales de calcio y de magnesio, se utiliza el término dureza, que se puede expresar como mg/l de CaCO3 disueltos en agua. En función de los compuestos que aporten estos cationes, la dureza es total, temporal (sólo bicarbonatos) y permanente (sulfatos, cloruros y nitratos) Clasificación Contenido de CaCO3 Blanda < 100 Semi-dura Dura muy dura > 500

93 La utilización de agua obliga a tomar precauciones en lugares cuya temperatura ambiente pueda descender por debajo de 2 ºC. En general la salinidad del agua del circuito primario no excederá de 500 mg/l totales de sales solubles. En el caso de las sales de calcio estás no excederán de los 200 mg/l expresados como contenido de carbonato de calcio. El límite de dióxido de carbono libre contenido en el agua no deberá exceder de 50 mg/l

94 Aire Este fluido no ofrece ningún cambio de fase, por lo general no es corrosivo y presenta gran disponibilidad, sin embargo tiene una muy baja capacidad térmica y tiende a fugarse dentro de los sistemas termosolares. Es muy utilizado para su acoplamiento a procesos de secado y climatización en general, es difícil su conservación térmica y su disponibilidad para la extracción de calor. Mezclas de etilen glicol con agua Las mezclas de glicol-agua, tienen una relación glicol-agua de 50/50 o de 60/40. El etilen glicol es extremadamente tóxico y sólo puede usarse cuando hay recipientes con doble pared en sistemas cerrados. Se puede usar la mezcla glicol-agua con grado alimentario en un intercambiador de una sola pared, la cual ha sido certificada como no tóxica. Para asegurar, su no toxicidad se le adicionan inhibidores. Muchos de los glicoles se deterioran a muy altas temperaturas. Es necesario verificar anualmente el valor del PH, punto de congelación e la concentración de los inhibidores y hacer los ajustes necesarios para mantener su estabilidad y efectividad. Aceites base hidrocarburos Los aceites base hidrocarburos tienen una alta viscosidad y un calor específico más bajo que el agua, requieren más energía para ser bombeados. Son relativamente baratos costosos y tienen un bajo punto de congelación. Las categorías básicas de aceites de hidrocarburos son de hidrocarburos sintéticos, parafínicos y aceites minerales refinados. Los sintéticos son relativamente no tóxicos y requieren poco mantenimiento.

95 Fluidos refrigerantes
Este tipo de fluidos térmicos existen en muy diversas clases, por lo general se usan en refrigeradores, aires acondicionados y bombas de calor. Tienen por lo general un bajo punto de ebullición y una alta capacidad térmica. Durante mucho tiempo los refrigerantes clorofluorocarbonados,(CFC) refrigerantes, como el Freon R-12, fueron los primeros fluidos usados en los refrigeradores, aires acondicionados y bombas de calor, debido a no son inflamables, bajos en toxicidad, estables, no corrosivos y no congelan. Sin embargo, debido a su efecto negativo hacia el ozono estratosférico, su producción ha disminuido y pronto desaparecerá. Se han estado buscando otras alternativas, básicamente mezclas azeotrópicas de freones, con un mínimo de impacto ambiental, aunque algunos de ellos contribuyen al calentamiento global por el efecto de invernadero. Existen otros refrigerantes que pueden utilizarse, los cuales no tienen efectos ambientales como el amoniaco, el agua, los alcoholes y las aminas . Silicones Los silicones tienen u bajo punto de congelación y un alto punto de ebullición. No son corrosivos y tienen una larga duración. Debido a su alta viscosidad y baja calor específico, requieren de mayor energía para ser bombeados. Los silicones también fugan fácilmente entre los hoyos microscópicos en un circuito termosolar.

96 Corrosión Corrosión galvánica. Hay que distinguir entre dos tipos de corrosión: a) la superficial y b) la profunda. En tuberías de hierro el proceso es el siguiente: el hierro contiene en su estructura ferrita y carburo de hierro; si su superficie está en contacto con agua se forman elementos galvánicos de pequeñísimas dimensiones. En la serie de contactos carburo de hierro-agua-ferrita, esta última constituye el cátodo y se disgrega. a) Corrosión superficial. En la corrosión superficial se disminuye poco a poco el espesor de las paredes del fierro que están en contacto con el agua. Este proceso es muy lento y por tanto, sólo tras largos años de servicio llega a ocasionar dificultades de funcionamiento. b) Corrosión profunda. En la corrosión profunda se producen debilitamientos localizados en las paredes de los tubos en contacto con el agua. A causa de ello se producen perforaciones, que obligan a veces a renovar las partes de la instalación afectadas al cabo de pocos años de servicio. El desarrollo de los procesos de corrosión es muy complejo. La destrucción del material se reduce esencialmente a un fenómeno electrolítico.

97 Medidas de protección. a) El tratamiento químico y físico del agua, para evitar la formación de incrustaciones. b) Se eliminan en su mayor parte los problemas cuando se emplean materiales suficientemente resistentes a la corrosión como son el cobre electrolítico y el fierro galvanizado. c) No emplear juntos materiales de distinta especie, como hierro y cobre, por ejemplo. d) Limitar la temperatura del agua de consumo a 60ºC como máximo. En las instalaciones solares de circuito cerrado, realizadas correctamente, no deben presentarse problemas de corrosión. El contenido en gases y sales del agua en los circuitos cerrados va disminuyendo, perdiendo el agua sus propiedades agresivas. Si el suministro de agua nueva es nulo o muy pequeño se eliminan las probabilidades de la corrosión. A veces se producen depresiones en el circuito que provocan la entrada de aire en el mismo de forma que aumentan los riesgos de corrosión originados por el oxigeno del aire. Por ejemplo, debido a la diferencia de presión entre los periodos de calentamiento y enfriamiento, se producen descensos nocturnos de presión y muchas veces los sistemas de cierre y purga, lo mismo que los purgadores automáticos, no están lo suficientemente herméticos y permiten la entrada de aire. Otra causa de entrada de aire pueden ser las pequeñas pérdidas que tienen algunas instalaciones en equipos, accesorios y conexiones.

98 Protección contra heladas
En los climas con riesgo de producirse temperaturas bajo cero, es necesario equipar las instalaciones solares con sistemas que eviten la congelación del fluido de trabajo. Los procedimientos usados son: Utilización de mezclas anticongelantes ventajas a) Permite mantener presurizado el circuito de colectores. b) Los aditivos que se añaden al anticongelante evitan las corrosiones y protegen y limpian el circuito, aumentando su vida útil. c) Los fallos detectados han sido debidos a una disminución de la concentración del anticongelante, normalmente producido por fugas en el circuito, las cuales se resuelven reponiendo el agua de red. Desventajas a) El sistema requiere un control periódico de la concentración del anticongelante. b) Un segundo problema puede provenir de la degradación del anticongelante con el tiempo, afectando no sólo a la posible congelación del sistema sino también al rendimiento y duración de la instalación

99 Drenaje automático de la instalación sin recuperación del fluido.
Cuando el sensor de temperatura colocado en el colector detecta una temperatura entre +2ºC y +5ºC, acciona la electroválvula de drenaje En el caso de que no pueda drenarse todo el sistema por gravedad a través de la válvula , el control acciona, simultáneamente, la válvula y la bomba. Drenaje automático con recuperación del fluido. Un procedimiento bastante utilizado consiste en evacuar el agua de los colectores, cuando la temperatura baja de +5 ºC, a un tanque auxiliar de almacenamiento. Por lo demás, el procedimiento es similar al anterior. Una variante de uso de este procedimiento consiste en drenar los colectores cada vez que la bomba de circulación se para. Ambos sistemas requieren colocar un cambiador de calor entre los colectores y el acumulador para mantener en éste la presión de suministro de agua caliente. Los sistemas de drenaje automático tienen como principal problema el fallo de las válvulas de drenaje y ventilación.

100 Aislamiento térmico Los materiales aislantes utilizados en las instalaciones deberán tener valores de conductividades térmicas igual o ingeriores a 0.45 kcal/hm ºC y ser resistentes a temperaturas superiores a los 80 ºC. Consideraciones: a) Existen materiales con capacidad aislante adecuada pero no hay procedimientos económicos para el montaje del aislamiento. b) Los materiales aislantes utilizados tienen escasa resistencia a la intemperie, por lo que deben protegerse. c) No existen procedimientos de protección seguros y económicos, especialmente contra la humedad y la radiación ultravioleta. d) La protección exterior del aislamiento de tuberías con asfaltos asegura una protección correcta pero costosa y de corta duración. e) La protección de tuberías con placa de aluminio es satisfactoria pero su costo repercute de forma notable en las instalaciones solares para agua caliente. f) El aislamiento de tuberías en interiores puede realizarse con medias cañas de fibra de vidrio o tubos de celda cerrada, pero por igual es lenta la colocación y por tanto costosa. g) Es siempre ventajoso diseñar con el menor recorrido posible de tuberías, especialmente en el exterior. h) La utilización de tubos preaislados no ofrece especiales ventajas. i) El aislamiento de depósitos grandes puede hacerse con lana de vidrio directamente en obra. Es imprescindible proteger la lana de vidrio al menos con manta y yeso, considerando el costo de las cubiertas de aluminio. j) Para los sistemas pequeños son aconsejables, técnica y económicamente los depósitos aislados en fábrica con espuma de poliuretano y protección final metálica o en material plástico.

101 Selección del aislamiento
El material para aislamiento térmico en instalaciones solares, debe en lo posible, tener las siguientes características: a) Baja conductividad térmica. Los materiales disponibles varían en torno a W/m h ºC a una temperatura de 50ºC. b) Resistencia al deterioro mecánico. c) Resistencia a la absorción de humedad. d) Baja inflamabilidad. e) No toxicidad. f) Bajo costo. Como norma general los espesores de aislamiento deben seleccionarse de forma que las pérdidas no superen el 5% de la potencia útil captada. Sin embargo, este valor es difícil l de verificar. De acuerdo a ciertas reglamentaciones existentes se exigen espesores mínimos de aislamiento para tuberías en función de su diámetro y para un material con un coeficiente de conductividad térmica de W/m2 ºC. El aislamiento de los termotanques cuya capacidad es inferior a los 300 litros, deberán tener un espeso mínimo de 30 mm, para volúmenes superiores el mínimo será de 50 mm. Para termotanques en el exterior con una capacidad superior a los 2 m3, el espesor mínimo será de 100 mm. El espesor para el intercambiador de calor no deberá ser inferior a 30 mm.

102 Espesor del aislamiento
Como norma general los espesores de aislamiento deben seleccionarse de forma que las pérdidas no superen el 5% de la potencia útil captada. Sin embargo, este valor es difícil l de verificar. De acuerdo a ciertas reglamentaciones existentes se exigen espesores mínimos de aislamiento para tuberías en función de su diámetro y para un material con un coeficiente de conductividad térmica de W/m2 ºC. El aislamiento de los termotanques cuya capacidad es inferior a los 300 litros, deberán tener un espeso mínimo de 30 mm, para volúmenes superiores el mínimo será de 50 mm. Para termotanques en el exterior con una capacidad superior a los 2 m3, el espesor mínimo será de 100 mm. El espesor para el intercambiador de calor no deberá ser inferior as 30 mm. Los espesores de aislamiento térmico de tuberías y de accesorios colocados en el interior, no deberán de ser inferiores a los siguientes valores:

103 Diseño del circuito hidráulico
a) Trazado del circuito b) Cálculo del flujo necesario en el campo de captadores de acuerdo a los criterios establecidos. c) Determinación de las secciones de paso de tuberías fijando la velocidad de circulación entre 1 y 2 m/s y limitando los valores unitarios de pérdida de carga a 40 mm/m. En todo caso deben considerarse los márgenes de velocidad compatibles con el material de la tubería para evitar corrosiones. d) Cálculo de las pérdidas de carga en tuberías y totales añadiendo las del resto de los componentes. e) Selección de las características de las bombas de circulación en función del flujo y la pérdida de carga del circuito. f) Selección de accesorios hidráulicos.

104 Diseño del circuito con circulación forzada.
Mantener trazados rectos, paralelos o perpendiculares alineas constructivas. Prever la dilatación térmica de las tuberías instalando juntas de expansión. En sistemas con circulación forzada es imprescindible instalar válvulas antirretorno en los circuitos primarios y secundarios. Las conexiones de tuberías pueden hacerse roscadas, al ser éstos sistemas de baja presión, o soldadas. Es aconsejable la utilización de tuercas de unión que faciliten el desmontaje de los componentes de la instalación. En la selección de tuberías, mangueras y juntas se debe poner especial atención a la compatibilidad entre el material y el fluido de trabajo y la resistencia a la temperatura. En lo posible es preferible evitar el uso de metales no compatibles, incorporando en otro caso, uniones de material dieléctrico.

105 Diseño del circuito por termosifón.
Los diámetros de tubería deben ser mayores que en los sistemas de circulación forzada. Como regla general puede utilizarse el criterio de emplear tuberías normalizadas del diámetro superior a las correspondientes en sistemas de circulación forzada, pero debe considerarse necesario un cálculo específico y detallado. En la construcción del circuito debe evitar restricciones internas, por ello no se instalarán válvulas antirretorno, filtros ni otras estrangulaciones al flujo. El trazado de la tubería deberá ser lo más corto posible, situando el depósito cercano a los colectores. Deben evitarse las tuberías horizontales y en todo caso colocarlas con una ligera inclinación, de al menos el 3%, Y siempre en dirección hacia el acumulador. En el colector el flujo debe ser orientado de forma tal que favorezca el funcionamiento por termosifón, evitándose captadores con conductos horizontales o cambios complejos de dirección del flujo interno.

106 Componentes Bombas a) Las bombas de circulación serán en línea, las cuales se montarán en tramos de tubería vertical, evitando las zonas más bajas del circuito y se seleccionarán en base a las especificaciones dadas por el fabricante en cuanto al flujo y la pérdida de presión. b) En instalaciones superiores a 50 m 2 se montarán dos bombas idénticas en paralelo, una de reserva, tanto en el circuito primario como en el secundario. En este caso se preverá su funcionamiento alternativo manual o automático. c) Se utilizarán bombas con capacidad de regulación del flujo por variación de la potencia consumida. d) La bomba deberá ser resistente a la presión máxima del circuito, a la corrosión y sus materiales deben ser compatibles con las mezclas anticongelantes y en general con el fluido utilizado. Además deberá contener efectuar de forma simple las operaciones de eliminación del aire acumulado o purga. Válvulas La instalación de válvulas de corte en grandes instalaciones para aislar parte del campo de captadores en previsión de posibles fallos, tiene algunos inconvenientes que hay que considerar en el diseño. Se instalarán válvulas de corte, para facilitar la substitución o reparación de componentes sin necesidad de realizar el vaciado completo de la instalación, que independicen los captadores, el intercambiador, el termotanque y la bomba. Se colocarán a la entrada de agua fría y salida de agua caliente del termotanque. En cada zona del campo de captadores que se hayan colocado válvulas de corte se instalarán válvulas de seguridad. El aumentar el número de válvulas de la instalación aumenta los costos de montaje, complica la instalación y aumenta las pérdidas de calor, y por lo general no compensa las posibles ventajas.

107 Selección de válvulas La selección de las válvulas se realizará de acuerdo con la función que desempeñan y las condiciones extremas de funcionamiento tanto de presión como de temperatura de acuerdo a los siguientes criterios: Para aislamiento: válvulas de esfera Para equilibrar los circuitos: válvulas de asiento Para vaciado, llenado y purga de aire: válvulas de esfera Para seguridad: válvulas de resorte Para retención: válvulas de disco de doble compuerta. Se hará un uso limitado de válvulas para el equilibrado del circuito, ya que en la fase de diseño se debe prever un circuito equilibrado. No se aconseja la utilización de válvulas de compuerta. La presión nominal mínima de cualquier tipo de válvula y accesorio deberá ser igual o superior a 4 kg/cm2

108 Vaso de expansión cerrado
Son de tipo membrana presurizados por aire... Deben de resistir una temperatura mínima de 110 °C. En los vasos de expansión cerrados la presión mínima en frío en el punto más alto del circuito no será inferior a 1.5 kg/cm2 y la presión máxima en caliente en cualquier punto del circuito no superará la presión máxima de trabajo de los componentes. Estos circuitos deben de incorporar un sistema de llenado manual o automático que permita llenar el circuito y mantenerlo presurizado.

109 Vasos de expansión abiertos
Se utiliza un depósito elevado, que puede servir al mismo tanque como purgador de aire y se pueden usar como sistema de llenado y purgador de aire. La salida del rebose se situará de forma que el incremento del volumen del agua antes del rebose sea igual o mayor que un tercio del volumen del depósito. Al mismo tiempo., permitirá que, con agua fría, el nivel sea tal que al incrementar la temperatura de agua en el sistema a 80 ºC, no se produzca derrame de la misma . En ningún caso la diferencia de alturas entre el nivel de agua fría en el depósito y el rebosadero será inferior a 3 cm. El diámetro del rebosadero será igual o mayor al diámetro de la tubería de llenado. En todo caso, el diseño del diámetro del rebosadero asegurará que con la válvula del flotador totalmente abierta y una presión en la red de 4 kg/m2, se produzca el derrame de agua. La capacidad de aforo de la válvula de flotación cuando se utilice como sistema rellenado no será inferior a 5 l/min. En todo caso, el diámetro de la tubería de llenado no será inferior a ½ pulgada o 15 mm. El flotador del sistema de llenado resistirá, sin deterioro, la inmersión en agua a 100 ºC durante 48 horas.

110 Seguridad Es de gran importancia la instalación de válvulas de seguridad en los circuitos presurizados. La descarga de la válvula debe, obligatoriamente, ser libre, sin que se permita su conexión a tuberías de desagüe o la instalación de llaves de cierre. . En cada zona del campo de captadores que se hayan colocado válvulas de corte se instalarán válvulas de seguridad. Un factor a tener en cuenta para la instalación de válvulas de seguridad es la de incorporarlas a todos los circuitos que pueden presurizarse durante eventuales operaciones de mantenimiento. Los casos más habituales son los campos de captadores que disponen de llaves de corte para independizarla del resto y los acumuladores conectados en paralelo. En el circuito primario cerrado es imprescindible el montaje de un vaso de expansión y de una válvula de seguridad. El vaso de expansión debe conectarse al circuito sin ninguna válvula de cierre intermedia. Los vasos de expansión fallan con cierta frecuencia, un signo de ello puede ser el goteo de la válvula de seguridad con el fluido caliente. En el circuito del depósito de agua caliente es frecuente no utilizar vasos de expansión, eliminando el exceso de presión por válvula de seguridad. La descarga de las válvulas de seguridad debe ser mediante escape conducido o desagüe sin conexión al mismo

111 Sistemas de llenado Llenado automático con depósito regulador
De vaso de expansión abierto utilizado para llenado Llenado con válvula automática

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113 Sistemas de energía auxiliar.
El acoplamiento a una instalación solar exige considerar los siguientes aspectos: La temperatura de salida del acumulador solar puede variar en un amplio margen. El sistema de calentamiento auxiliar no debe interferir el proceso de aprovechamiento de la radiación solar. Debe optimizarse el acoplamiento para conseguir el máximo rendimiento del conjunto. Para ello es necesario que el agua, en el sentido de circulación, se caliente primero en el acumulador solar y después pase por el sistema auxiliar antes de ser consumida.

114 Sistemas de regulación y control
En instalaciones con circulación forzada es de uso generalizado el control diferencial de temperaturas para activar la bomba en función de las temperaturas de salida de colectores y del termotanque.

115 Sistemas de regulación y control
En instalaciones con intercambiador de calor independiente y cuando el circuito primario tenga mucha inercia térmica es conveniente la instalación de un doble control diferencial utilizándose el segundo para controlar el funcionamiento de la bomba del circuito secundario en función de la diferencia de temperaturas entre la entrada del primario al intercambiador y la parte baja del acumulador.

116 En el diseño de la instalación debe cuidarse la ubicación de los sensores de temperatura de forma que se detecten exactamente las temperaturas que se desean, instalándose los sensores en el interior de termopozos y evitándose las tuberías separadas de la salida de los colectores y las zonas de estancamiento en los depósitos. La precisión del sistema de control y la regulación de los puntos de diseño asegurará que en ningún caso las bombas estarán en marcha con diferencias de temperaturas menores de 2 ºC y en ningún caso paradas con diferencias superiores a 7 ºC. La diferencia de temperaturas entre el punto de arranque y parada del termostato diferencial no será inferior a 2 ºC. El sistema de control asegurará que en las instalaciones para agua sanitaria en ningún caso se alcancen en el termotanque temperaturas superiores a 58 ºC. Las máximas soportadas por los materiales, componentes y tratamientos del circuito secundario. Cuando la protección contra heladas se realice por arranque del abomba o vaciado automático del circuito primario, el sistema de control asegurará que en ningún punto la temperatura del fluido caloportador descienda por debajo de una temperatura 3 ºC superior a la congelación del fluido. El sistema de control incluirá señalizaciones luminosas de la alimentación del sistema y del funcionamiento de las bombas. El dominio de temperatura ambiente de funcionamiento del sistema de control será como mínimo entre -10 y 50 ºC.

117 El resto de funciones de regulación y control que se pueden realizar en una instalación solar para calentamiento de agua son: a) Limitación de temperatura máxima en el termotanque para proteger a los materiales y a los consumidores de posibles sobrecalentamientos. b) Protección anticongelante en los captadores. c) Regulación de la temperatura del equipo auxiliar. En todos estos casos se utilizan los termostatos disponibles en el mercado y especial atención debe prestarse a la fiabilidad del regulador y a la histéresis de funcionamiento, ya que hay determinados modelos (normalmente muy económicos) que tienen márgenes de actuación muy amplios. En el diseño del control eléctrico de las instalaciones, es conveniente disponer de conmutadores para la actuación de las bombas en las operaciones de mantenimiento. Actualmente se está evolucionando en los sistemas de control para, además de conseguir una fiabilidad total, integrar otras funciones muy interesantes que permitan al propio usuario la supervisión y control de funcionamiento. En este sentido cabe destacar: a) La visualización digital y en ubicaciones de fácil acceso las temperaturas de operación más interesantes. b) Contadores de horas de funcionamiento de los equipos como bombas y sistema de energía auxiliar. c) Contadores de consumo y de energía térmica proporcionada por la instalación solar y el sistema auxiliar. d) Detector y señalización de fallas que permita avisar al usuario de cualquier anomalía que pueda producirse en su instalación.

118 Mantenimiento y Reparación de un sistema termosolar
Lista de una inspección periódica A continuación se propone de manera muy general una lista de puntos a verificar, que el propietario de un sistema termosolar podrá efectuar por el mismo. Sombreado. La eficiencia de un captador solar se puede afectar de manera importante por el sombreado. El crecimiento de la vegetación, una nueva construcción propia a la de un vecino pueden producir sombras que en el momento de la instalación no se presentaron. Debe de hacerse una verificación ocular durante el día (a media mañana, medio día y media tarde) sobre una base anual. Ensuciamiento. Captadores con polvo o sucios funcionan con una baja eficiencia, por lo que dependiendo de la zona de ubicación deberán limpiarse con la frecuencia que sea necesaria, sobre todo en lugares secos y climas polvorientos. Cubiertas transparentes y sellos. En este caso hay que buscar fracturas en las cubiertas y verificar si los sellos están en buenas condiciones. Las cubiertas plásticas, si están excesivamente amarillentas hay que reemplazarlas. Sistema hidráulico.. Verificar si hay fugas en las tuberías, conexiones y sellos del sistema hidráulico del sistema. Los ductos pueden sellarse con mastique especial.

119 Soportes y estructuras
Soportes y estructuras. Verificar que todos los tornillos y tuercas que fijan los captadores a las estructuras de soporte estén bien colocados y atornillados. Debe de ponerse especial atención en las perforaciones que se hagan sobre el techo, las cuales deben estar bien selladas para evitar filtraciones de agua. Válvula de alivio. Este tipo de válvula se utiliza en los sistemas de calentamiento de líquidos y debe de asegurarse que no estén cerradas. Reguladores de tiro. Estos dispositivos se usan en sistemas de calentamiento de aire y debe de asegurarse que abren y cierren apropiadamente. Bombas y ventiladores. Verificar que tanto los motores como los ventiladores estén operando adecuadamente en función de la intensidad de la radiación solar y se deberá escuchar su funcionamiento, si esto no es claro significa un posible mal funcionamiento. Fluidos térmicos. Los anticongelantes en los sistemas hidrónicos termosolares necesitan reemplazarse periódicamente, dejando a una persona calificada para esta operación. Si el agua tiene un alto contenido de minerales, dependiendo de su naturaleza, necesitará removerse o controlar su depósito, endulzando el agua de suministro por medio de soluciones moderadamente ácidas. Sistema de almacenamiento térmico (termotanque). Verificar si los tanques de almacenamiento térmico, rajaduras, goteras, herrumbre u otros signos de corrosión.

120 ASHRAE 93 [ANSI/ASHRAE Standard 93-2003, 2003
ASHRAE 93 [ANSI/ASHRAE Standard , Methods of Testing to Determine Thermal Performance of Solar Collector

121

122 Eficiencia de un colector plano