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Trabajo Fin de Grado

Ingeniería de Tecnologías Industriales

Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas

de energía solar para ACS

Autor: Adrián Ladeza González

Tutor: Jose Julio Guerra Macho

Dep. Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

III

Proyecto Fin de Grado

Ingeniería de Tecnología Industriales

Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas

de energía solar para ACS

Autor:

Adrián Ladeza González

Tutor:

Jose Julio Guerra Macho

Catedrático de Univeridad

Dep. de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

V

Proyecto Fin de Grado: Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS

Autor: Adrián Ladeza González

Tutor: Jose Julio Guerra Macho

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2016

El Secretario del Tribunal

VII

Agradecimientos

A mi familia.

A mis maestros.

Sevilla, 2016

Resumen

Los sistemas de energía solar térmica convencionales llevan asociados unos caudales del orden de 0.01- 0.02

𝐾𝑔/𝑠𝑚2, pero existen otros sistemas que trabajan con caudales entre cinco y diez veces menores que éstos.

En este proyecto se abarca la influencia que pueda tener el caudal en el rendimiento final del sistema.

Está organizado en tres capítulos, uno primero de introducción donde además de realizar una revisión

bibliográfica del estado del arte respecto a este tema, se habla de la situación de la energía solar térmica en el

mundo actualmente, así como una clasificación de la tipología de sistemas existentes

El segundo capítulo está centrado en el captador solar plano, que es el elemento principal de todo sistema de

ACS. Se define el aparato y sus elementos fundamentales, su principio de funcionamiento y las ecuaciones que

lo rigen.

Por último se hace un análisis de la influencia del caudal sobre el rendimiento en este tipo de sistemas,

apoyándose en simulaciones teóricas de diferentes sistemas de ACS situados en diferentes localizaciones.

IX

Índice

Agradecimientos VII

Resumen VIII

Índice IX

Índice de Tablas XI

Índice de Figuras XII

Notación XIV

1 Objetivo e Introducción 3 1.1 Objetivo 3 1.2 Estado del arte. Revisión bibliográfica 3 1.3 Radiación solar 5 1.4 Energía solar térmica 7

1.4.1 Situación actual de la energía solar térmica en el mundo 7 1.4.2 Situación actual en Europa 8 1.4.3 Situacón actual en España 9 1.5 Sistemas de energía solar térmica 9 1.5.1 Intoducción 9 1.5.2 Clasificación de sistemas de energía solar 9 1.5.3 Sistemas de energía solar para ACS 12 1.5.4 Elementos principales de un sistema para ACS 12 1.5.5 Clasificación de los sistemas de energía solar para ACS 18

2 Captador solar plano 22 2.1 Introducción 22 2.2 Elementos de un captador solar plano 22 2.3 Principio de funcionamiento de un captador solar plano 24 2.4 Clasificación de captadores solares planos 24 2.5 Modelo en regimen permanente 27

2.5.1 Balance global 27 2.5.2 Producto transmitancia-absortancia(𝝉𝜶) 28 2.5.3 Coeficiente global de pérdidas 𝑼𝑳 32 2.5.4 Modelo de aleta unidimensional 33

3 Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs 39 3.1 Introducción 39

3.2 Influencia del caudal en sistemas de ACS 39 3.2.1 Influencia de la distribución de tubos del captador solar. 40 3.2.2 Influencia de la estratificación en el tanque 46 3.2.3 Influencia del intercambiador de calor 48

3.3 Análisis del comportamiento de sistemas trabajando con caudales no convencionales 54 3.3.1 Descripción de los sistemas de ACS 54 3.3.2 Resultados de las simulaciones 54

4 Resumen y conclusiones 59 4.1 Resumen 59 4.2 Conclusiones 59

Referencias 61

XI

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3-1: Rendimiento de los sistemas ACS en Albuquerque (Nuevo México) 55

Tabla 3-2: Rendimiento de los sistemas ACS en Madison (Wisconsin) 56

Tabla 3-3: Rendimiento de los sistemas de ACS en Miami (Florida) 57

Tabla 3-4 : Rendimiento de los sistemas de ACS en Washington (DC) 58

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1: Componentes de la radiación solar 5

Figura: 1-2 Irradiancia media global en Europa [ KWh/m2dia ] 6

Figura 1-3: Distribución de la irradiancia global media en España. Abril 2006 [KWh/m2dia ] 6

Figura 1-4: Capacidad global en operación [GW] y energía suministrada [TW] en 2014 7

Figura 1-5: Evolución de la capacidad térmica solar en funcionamiento de 2000 a 2014 8

Figura 1-6: División de la potencia térmica instalada 2014 8

Figura 1-7: Ejemplos de sistemas solares pasivos. 10

Figura 1-8: Central termosolar PS10 en Sanlúcar la Mayor (Sevilla). 11

Figura 1-9: Esquema básico de una instalación de baja temperatura con aplicación ACS 12

Figura 1-10: Captadores planos con cubierta 13

Figura 1-11: Captador solar de tubo de vacío 13

Figura 1-12: Captadores planos sin cubierta 14

Figura 1-13: Producción de ACS con interacumulador 15

Figura 1-14: Producción de ACS con intercambiador externo 15

Figura 1-15: Esquema general de las conexiones en un acumulador 16

Figura 1-16: Clasificación de sistemas de energía solar para ACS. 20

Figura 1-17: Clasificación de sistemas de energía solar para ACS. 21

Figura 2-1: Elementos básicos de un captador solar plano. 22

Figura 2-2: Proceso de captación y absorción de la radiación solar en un captador solar plano. 24

Figura 2-3: Configuración de los tubos del captador de la superficie absorbente

en placas, en parrilla y en serpentín respectivamente. 25

Figura 2-4: Conexionado de captadores solares planos en serie y paralelo. 26

Figura 2-5: Agrupación de captadores solares planos en paralelo. 26

Figura 2-6: Agrupación serie-paralelo de captadores solares planos. 26

Figura 2-7: Reflexión y refracción de la radiación electromagnética en una interfaz plana

que separa dos medios con propiedades ópticas diferentes. 29

Figura 2-8: Intercambio radiante en medio semitransparente 30

Figura 2-9: Reflexiones múltiples entre la placa absorbedora y el sistema de cubiertas. 31

Figura 2-10: Distribución de los tubos en la placa absorbedora 34

Figura 2-11: Balance térmico sobre elemento diferencial de la placa absorbedora 34

Figura 2-12: Balance de los flujos de calor sobre la placa. Energía útil transferida. 36

Figura 2-13: Balance energético sobre elemento diferencial de uno de los tubos. 37

XIII

Figura 3-1: Configuración de parrilla de los tubos de captador solar 40

Figura 3-2: Distribución del flujo a través del captador en función de varios caudales. 42

Figura 3-3: Distribución de presiones a través de un captador en función de diferentes caudales. 42

Figura 3-4: Configuración de serpentín de los tubos del captador solar. 43

Figura 3-5: Comparación de la pérdida de presión a través de la configuración de parrila

y de serpentín para captadores solares planos. 44

Figura 3-6: Comparación del factor de evacuación de calor entre la configuración de parrilla

y serpentín para captadores solares planos. 46

Figura 3-7: Sensibilidad de la estratificación en el tanque (número de nodos) en la fracción

solar con respecto al caudal. Madison, Wisconsin. 47

Figura 3-8: Sensibilidad de la estratificación en el tanque (número de nodos) en la fracción

solar con respecto al caudal. Miami, Florida. 47

Figura 3-9: Factor de corrección del intercambiador de calor. 49

Figura 3-10: Efectividad de un intercambiador en función del caudal circulante para dos

longitudes equivalentes. 50

Figura 3-11: Demanda cubierta frente a NTU para un caudal por el captador de 0.004 Kg/sm2 51



Figura 3-14: Intercambiador de carcasa y tubos. 53

Figura 3-15: Variación de UA de un intercambiador de carcasa y tubo con la temperatura,

usando caudales y anticongelantes diferentes. 53

Figura 3-16: Rendimiento de los sistemas de ACS en Albuquerque (Nuevo México) 55

Figura 3-17: Rendimiento de los sistemas de ACS en Madison (Wisconsin) 56

Figura 3-18: Rendimiento de los sistemas de ACS en Miami (Florida) 57

Figura 3-19: Rendimiento de los sistemas de ACS en Washington (DC) 58

Notación

𝐴 Absortancia

𝐴𝑐 Área del captador solar 𝑚2

𝐶𝑝 Calor específico 𝐽/𝐾𝑔𝐾

𝐷 Diámetro nominal 𝑚

𝐷𝑖 Diámetro interior 𝑚

𝑓 Factor de fricción

𝐹´ Factor de eficiencia de aleta

𝐹𝑅 Factor de evacuación de calor

𝐺 Caudal específico del captador solar 𝐾𝑔/𝑠𝑚2

ℎ𝑣 Coeficiente de película exterior 𝑊/𝑚2𝐾

𝐼 Irradiancia 𝐴

𝑘𝑖 Conductividad del material "𝑖" 𝑊/𝑚𝐾

𝑘𝑒𝑥𝑡 Coeficiente de extinción 𝑚−1

�̇� Caudal másico 𝐾𝑔/𝑠

𝑀 Caudal másico del captador solar 𝐾𝑔/𝑠

𝑛𝑖 Índice de refracción del medio "𝑖"

𝑁𝑇𝑈 Número de unidades de transferencia

𝑅 Reflectancia

𝑇 Transmitancia

𝑇𝑎 Temperatura ambiente 𝐾

𝑇𝑓𝑠 Temperatura del fluido a la salida del captador 𝐾

𝑇𝑓𝑒 Temperatura del fluido a la entrada del captador 𝐾

𝑇𝑝̅̅ ̅ Temperatura media de la placa absorbente 𝐾

15

𝑈 Coeficiente de pérdidas 𝑊/𝑚2𝐾

𝛼 Absortividad

휀 Efectividad del intercambiador

𝛿𝑖 Espesor del material "𝑖" 𝑚

𝜂 Rendimiento del captador

𝜃𝑖 Ángulo de reflexión del medio "𝑖" 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠

𝜌 Reflectividad

𝜏 Transmisividad

(𝜏𝛼) Rendimiento óptico o producto transmitancia-absortancia

3

1 OBJETIVO E INTRODUCCIÓN

1.1 Objetivo

Este proyecto se centra en la influencia que tiene el caudal que circula por los circuitos de un sistema de agua

caliente sanitaria en el rendimiento del sistema. Cobra un carácter protagonista, como es lógico, el elemento

principal de este tipo de instalaciones, el captador solar plano, al cual se le dedicará un capítulo con la

intención de comprender su funcionamiento y el papel que desempeña cada uno de los elemento que lo

componen, así como su situación dentro el conjunto de un sistema de ACS.

Los objetivos de este proyecto son, en primer lugar, hacer una revisión bibliográfica para ver como se ha

tratado este tema a lo largo de los años y documentarse para, en segundo lugar, esclarecer como afecta al

rendimiento de nuestro sistema el uso de caudales no convencionales apoyándonos para ello en simulaciones

experimentales anteriormente realizadas.

1.2 Estado del arte. Revisión bibliográfica

1.Simon Furbo and Svend Erik Mikkelsen (1987)

Estudio llevado a cabo por la universidad de Dinamarca, en el que se compara el funcionamiento de tres

sistemas de agua caliente sanitaria. Sea un sistema de referencia o base, un sistema que bombea un caudal más

bajo, y un sistema de termosifón.

Los tres sistemas son probados bajo las mismas condiciones. En el artículo aparecen los resultados obtenidos

para cada una de las diferentes opciones.

Finalmente se llega a la conclusión de que el sistema que trabaja con menor caudal funciona un 20% mejor

que el sistema de referencia y en torno a un 10% mejor que el termosifón.

2.Hollands and Lighstone (1989)

Con el uso de captadores que trabajan con un caudal más bajo y controlando la estratificación del tanque, la

energía útil captada por el sistema puede verse incrementada sustancialmente.

Además permite un ahorro bastante considerable en los costes de instalación del sistema al usar un diámetro de

tuberías inferior al habitual.

Así mismo este artículo repasa el estado del arte hasta la época, dando las explicaciones teóricas del mejor

funcionamiento y ahorro en los costes del sistema. Se centra en buena parte en una explicación física en lo que

al tanque de estratificación se refiere, haciendo además una importante comparación gráfica entre los sistemas

usuales con alto caudal (0.015𝐾𝑔/𝑠𝑚2) y tanques completamente mezclados, y los estudiados de bajo caudal

(0.002 𝐾𝑔/𝑠𝑚2) que aprovechan la estratificación en el tanque.

También se hace una comparación de experimentos a gran escala de otros estudios anteriores al artículo donde

se observa que el sistema de bajo caudal (0.0025 𝐾𝑔/𝑠𝑚2) supone un aumento del 17%(±3%) en la energía

que absorbe el sistema respecto al sistema con un caudal superior(0.02 𝐾𝑔/𝑠𝑚2).

Objetivo e Introducción

4

3.Ziquian Chen, SImon Furbo, Bengt Perers, Elsa Andersen. (2012)

En este artículo realizado por la universidad de Dinamarca se comparan dos captadores de placas solares

diseñados de igual forma salvo por la incorporación de una capa de ETFE entre el recubrimiento de vidrio y la

capa absorbente en uno de ellos. Se realizan ensayos con diferentes caudales (25 l/min, 10 l/min y 5 l/min)

para evaluar la eficiencia así como otros factores comparándolos con los resultados teóricos.

Como resultado puede extraerse que para las dos tipos de placas, un aumento del caudal supone un aumento de

la eficiencia. Además la eficiencia de partida de la placa sin ETFE es 2-3 puntos menores que con dicha capa.

También se observa que el coeficiente de pérdida es 0.4-1 𝑊/𝑚2𝐾 menor que con ETFE.

Para una misma placa, la eficiencia es mayor a medida que el caudal es mayor, pero sólo es obvia cuando la

diferencia de temperaturas, 𝑇𝑚∗ es relativamente alta, es decir la temperatura de entrada al captador es mayor.

Vemos que los resultados experimentales se ajustan a los supuestos teóricos y que el comportamiento es

prácticamente idéntico para valores de diferencia reducida de temperatura no superiores a 0.1 𝐾𝑚2/𝑊 .

4. Jorge Facao (2015)

El funcionamiento de los captadores solares está muy ligado a la distribución de los caudales a través de los

tubos. Aquí se busca una optimización de estos caudales tanto a la entrada como a la salida del captador así

como de las dimensiones más efectivas de los mismos.

Para optimizar el diseño del captador se ha desarrollado un modelo para bajas presiones de la evolución del

flujo dentro del captador simulado en 3D por el software CFD. Para una buena distribución del flujo se llega a

la conclusión de que las dimensiones de salida del captador debe ser mayor que la de entrada.

Al mismo tiempo que se hace un análisis en este software, se obtiene un modelo numérico para simular la

distribución del flujo en EES(2012).

También se incluye un análisis experimental con unos valores determinados para validar los resultados de la

simulación numérica.

Como conclusión principal se determina que para una buena distribución del flujo, y por tanto para mejor

funcionamiento del sistema las dimensiones de entrada al captador deben ser menores que las de salida del

mismo.

5. Sula Ntasaluba, Bing Zhu, Xiaohua Xia (2016)

A través de un determinado sistema en estudio, formado por un captador, dos tanques de almacenamiento

operando por completo en régimen mixto para evitar la estratificación del tanque, un intercambiador y dos

bombas para hacer circular el caudal por los dos circuitos, se quiere optimizar el rango de caudal de las

bombas para régimen forzado.

El objetivo principal es determinar ese rango óptimo de caudal tanto en el primario como en el secundario para

maximizar la energía transferida. Se usa un modelo teórico sencillo de ecuaciones para maximizar la diferencia

entre la energía extraída del captador y la suma combinada de la energía en el intercambiador y las usadas por

las dos bombas.

Posteriormente se obtienen resultados de la maximización de esta función en MATLAB , que para que las

ganancias energéticas sean máximas, la suma de las energías extraídas por el intercambiador y las bombas

deben ser mínimas.

Este modelo simula el proceso con un rango de flujo entre 0.00001 y 0.1𝐾𝑔/𝑠 para un intervalo de 24 horas.

Se representan numerosas gráficas donde se comparan diferentes estrategias de control del caudal.

Los resultados al comparar dichas técnicas muestran un incremento del 7.82% en la energía extraída cuando

comparamos las otras técnicas de control con la técnica más adecuada. Además muestran que el rango de las

pérdidas térmicas en el sistema están entre 5.54% y 7.38% .

5

5 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS

Myrna Dayan (1997)

Es una tesis de la universidad Madison-Wisconsin que se centraen sistemas que trabajan con caudales más

bajos que los convencionales. Tiene una parte de este trabajo que se centra en la incorporación de placa

fotovoltaica a sistemas de ACS. Pero lo mas interesante de este texto son una serie de simulaciones

experimentales que se realizan con diferentes sistemas y localizaciones comparando el efecto que tiene el uso

de distintos caudales así como incorporación o no de intercambiadores de calor. Para la realización de este

proyecto ha sido una pieza clave ya que es el documento del que mas información se ha obtenido.

1.3 Radiación solar

La radiación solar se podría definir como el flujo de energía que recibimos del sol en forma de ondas

electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarrojos o ultravioleta)

Lo que conocemos como radiación global es la suma de tres componentes (Figura 1-1): radiación difusa,

aquella que es absorbida o reflejada por las nubes y va en todas direcciones, radiación reflejada que es la que

refleja la superficie terrestre y que depende del coeficiente de reflexión de la superficie en la cual incide, y la

radiación directa, que es la que no sufre ningún tipo de desviación en su dirección.

La magnitud que mide la energía solar recibida por unidad de área es la irradiancia (𝑊/𝑚2)

Figura 1-1: Componentes de la radiación solar

España es uno de los países con mayor irradiancia solar del planeta. De hecho es el país de la zona europea que

presenta una mayor cantidad de radiación, según muestran los datos de aemet que recogen en un documento la

irradiancia media global en horizontal de toda Europa entre 1983 y 2005 (Figura 1-2).

Es por eso que el uso de esta energía, gratuita y limpia, es uno de los campos que más se ha desarrollado en los

últimos años en nuestro país, y que sigue en continuo desarrollo por otras zonas del mundo donde esta energía

es incluso mayor, interesándose cada vez mas por esta fuente.


6

Según los datos del ministerio de agricultura, alimentación y medioambiente la irradiación global media de

España se situa en torno a los 5 𝐾𝑤ℎ/𝑚2𝑑𝑖𝑎 , como puede verse en el mapa extraido de un documento que

recoge los datos del mes de abril de 2006 (Figura 1-3).

Figura 2. Figura: 1-2 Irradiancia media global en Europa[ 𝑲𝑾𝒉/𝒎𝟐𝒅𝒊𝒂 ]

Figura 1-3: Distribución de la irradiancia global media en España. Abril

2006 [𝑲𝑾𝒉/𝒎𝟐𝒅𝒊𝒂 ]

7


1.4 Energía solar térmica

La energía solar térmica aprovecha la radiación del Sol para calentar un fluido que, por lo general, suele ser

aire o agua. La capacidad de transformar los rayos solares en calor es, precisamente el principio elemental en

el que se basa esta fuente de energía renovable.

En el caso de una instalación solar térmica el captador solar utilizará superficies de color oscuro para absorber

la mayor cantidad de radiación solar posible.

Con el objetivo de evitar fugas de energía, los sistemas de captación solar imita un proceso natural que sucede

en la tierra, como es el denominado “efecto invernadero”.El cristal, como la atmósfera de nuestro planeta,

tiene la propiedad de ser atravesado fácilmente por las ondas cortas de los rayos solares, al mismo tiempo que

se comporta como un muro impenetrable para las radiaciones de onda larga. Cuando los rayos solares inciden

en la superficie del cristal se produce un aumento de la temperatura que lo encierra. Entonces, el habitáculo

actúa como una trampa para el calor que impide que salga hacia el exterior. Resumiendo, el sistema de

captación solar se basa en la combinación de dos efectos, el de cuerpo negro y el de efecto invernadero para,

en primer lugar aprovechar la mayor parte de radiación que llega al captador y, por otro, impedir que haya

fugas de calor.

Este calor ganado es utilizado para calentar el fluido de trabajo, que posteriormente es usado en múltiples

acciones como calentar ACS, calefacción o producción de energía eléctrica.

1.4.1 Situación actual de la energía solar térmica en el mundo

Según datos del Solar-Heat WorldWide de 2014 la capacidad total estimada para captadores solares en

operación es de 406 GW, o lo que es lo mismo 580.000.000 𝑚2 instalados (Figura 1-4). Más del 82% de la

capacidad instalada se corresponde con los mercados de sólo 5 paises, sean China, Alemania, India, Brasil, y

Australia.

En compración con otras formas de energía renovable, la contribución de los sistemas de captación solar para

satisfacer la demanada global de energía es solo superada por la energía eólica

Figura 1-4: Capacidad global en operación [GW] y energía suministrada [TW] en

2014


8

La capacidad térmica global de los captadores solares en funcionamiento siguen sufriendo un aumento

considerable. En el año 2000 había instalado un total de 89 millones de metros cuadrados (62GW), y los datos

que se tienen para el año 2014 casi multiplican por 7 esta cifra, con un total de 580 millones de metros

cuadrados (406GW) (Figura 1-5).

1.4.2 Situación actual en Europa

La mayor parte de la capacidad mundial instalada sigue siendo china con casi un 70% del total.

Europa le sigue con aproxidamente un 12%, aunque gracias a las políticas de apoyo de energías renovables

que se vienen implantando en los países de la zona euro se espera que estos datos aumenten.

La superficie instalada en la Unión Europea se concentra mayoritariamente en tres países, Alemania con

5.442.000 𝑚2, Grecia con 2.887.000 𝑚2y Austrria con 2.711.000 𝑚2, que conjuntamente superan el 78% del

total.

Figura 1-5: Evolución de la capacidad térmica solar en funcionamiento de 2000 a 2014

Figura 1-6: División de la potencia térmica instalada 2014

9


1.4.3 Situacón actual en España

Según el plan de energías renovables puesto en marcha por idae el gobierno para los próximos años (2010-

2020), el sector solar térmico conto en 2010 en España con 2.366.534𝑚2 (1657MW) que produjeron

2.128GWh.

El sector está compuesto, en 2010, por mas de 100 empresas, de las cuales aproximadamente 40 son empresas

fabricantes de captadores y otros equipos. Además se prevé un descenso en los costes debido a las mejoras en

fabricación y a la contrucción de mayores instalaciones.

En cuanto a la tipología de instalaciones, lo más importante es que se va a expandir las aplicaciones de estos

sistemas fuera de lo meramente residencial, con instalaciones de mediano y gran tamaño que proporcionaran

energía térmica para usos de ACS, de climatiazcion e industriales.

Entre las acciones propuestas en los añao venideros destaca dotar al sector de un sistema de retribución de la

energía producidad basado en incentivos al calor renovable (ICAREN), favorecer a penetración de la energía

solar térmica en lo modelos de venta de energía a través de empresas de servicios enerrgéticos (ESE´s) y

fortalecer la I+D en el sector.

1.5 Sistemas de energía solar térmica

1.5.1 Intoducción

La aplicación mas generalizada de los sistemas solares es la generación de agua caliente sanitaria (ACS), tanto

en viviendas como en establecimientos hoteleros, residencias, hospitales, instalaciones deportivas, etc., donde

la tecnología mas extendidad a nivel comercial en España es la de los captadores planos de vidrio. Con este

grupo de captadores también se permite la calefacción mediante suelo radiante.

Por otro lado, siguen presentes las aplicaciones de calentamiento del agua en piscinas, y otras aplicaciones que

se van incorporando progresivamente como la calefacción por elementos radiantes o la incorporación de

aplicaciones de refrigeración mediante máquinas de absorción alimentadas con energía solar.

Las principales aplicaciones de estos sistemas son las siguientes:

- Agua caliente y precalentamiento de agua de proceso: es la aplicación mas habitual y rentable, ya que

utilizando unas instalaciones simples se obtienen unas temperaturas próximas a las de uso durante todo el año.

- Calefacción: la elección del tipo del captador del sistema depende del uso (suelo radiante, fan-coils,

elementos radiantes…). Tiene la desventaja de que el periodo de mayor demanda coincide con la época del

año que menor radiación solar recibimos.

- Refrigeración: Se puede usar la energía sola térmica para la producción de frio acoplando una máquina de

absorción. Una ventaja para esta aplicación es que la época de mayor demanda coincide con la de mayor

radiación.

- Climatización de piscinas: Puede ser un complemento en piscinas cubiertas o para alargar la temporada de

baño de las piscinas exteriores. Es una aplicación barata y rentable.

1.5.2 Clasificación de sistemas de energía solar

Sistemas pasivos: Los sistemas pasivos (Figura 1-7) permiten captar y acumular el calor a través de ventanas,

muros o tejados sin necesidad de utilizar otros dispositivos electromecánicos como ventiladores o bombas de

recirculación. Su eficiencia energética aprovecha los recursos solares a partir de los mecanismos básicos de

transferencia de calor (convección, conducción y radiación).


10

Figura 1-7 Ejemplos de sistemas solares pasivos.

Sistemas activos: Son aquellos sistemas que aprovechan la energía solar para captar y acumular su calor,

utilizando dispositivos electromecánicos para sus diferentes usos y aplicaciones.

- Aplicaciones a alta temperatura: La radiación solar puede servir para la generación de electricidad a gran

escala. Mediante un proceso que convierte el calor en energía mecánica y posteriormente en energía eléctrica,

se consiguen altas capacidades en la producción de electricidad.

Las instalaciones solares de alta temperatura, también conocidas como centrales termosolares (Figura 8)

utilizan sistemas de concentración formados por lentes o espejos parabólicos. En este tipo de centrales se

llegan a alcanzar los 2000ºC de temperatura por medio de un gran número de espejos enfocados hacia un

mimo punto (la cúpula de una torre o un tubo de vidrio dispuesto a lo largo del tramo central del espejo

concentrador), con el fin de calentar un fluido hasta convertirlo en vapor. Gracias a la elevada presión

alcanzada es posible accionar una turbina, que a su vez impulsará un generador eléctrico.

Además, estos sistemas de concentración requieren un seguimiento continuo del Sol, ya que sólo aprovechan

la radiación directa.

11


Figura 1-8 Central termosolar PS10 en Sanlúcar la Mayor (Sevilla).

- Aplicaciones a media temperatura: La tecnología de media temperatura va destinada a aquellas aplicaciones

que requieren temperaturas más elevadas de trabajo. A partir de los 80ºC los catadores convencionales

presentan unos rendimientos muy bajos. Al igual que en las centrales termosolares se utilizan lentes y espejos

para concentran la radiación y así poder generar vapor a temperaturas entre 100ºC y 250ºC.

Las aplicaciones más usuales en instalaciones a media temperatura son la producción de vapor para procesos

industriales y generación de energía eléctrica a pequeña escala en centrales de 30 a 2000 KW. También se usa

en otras aplicaciones como la desalinización o la refrigeración mediante energía solar.

- Aplicaciones a baja temperatura: La energía solar que llamamos de baja temperatura es aquella que

acostumbramos a utilizar en el ámbito doméstico y suele instalarse en azoteas de vivienda o edificios

comerciales. Pero por aprovechamiento de baja temperatura se entiende toda aquella aplicación en los que el

fluido calentado no supera los 100ºC. Como ya se comentó en la introducción de este apartado, las principales

aplicaciones en este tipo de sistemas son para calefacción, refrigeración, en climatización de piscinas y sobre

todo para la producción de agua caliente sanitaria.

1.5.3 Sistemas de energía solar para ACS

Los sistemas de energía solar para ACS se componen de dos circuitos independientes por los que circulan, por

un lado el fluido calorportador, que suele ser agua o en su defecto alguna solución, y por otro el agua de red

que pretendemos acondicionar. Estos dos circuitos están interconexionados mediante un intercambiador, en el

que se produce la transferencia de calor entre ambos fluidos (Figura 1-9).

De esta manera, podemos definir los siguientes conceptos dentro del entorno de nuestro sistema de ACS:

- Circuito primario: Circuito del que forman parte los captadores y las tuberías que los unen, en el cual el

fluido recoge la energía solar y la transmite al sistema de acumulación.

- Circuito secundario: Circuito en el que se recoge la energía transferida del circuito primario para su

almacenamiento y distribución a los puntos de consumo.

- Circuito de consumo: Circuito por el que circula el agua caliente de consumo.


12

Figura 1-9: Esquema básico de una instalación solar de baja temperatura con aplicación de agua

caliente sanitaria

1.5.4 Elementos principales de un sistema para ACS

Para el mejor entendimiento de un sistema de este tipo en su totalidad, se suele diferenciar entre diversos

subsistemas:

- Subsistema de captación. Es el encargado de recibir la energía solar y transformarla en energía térmica para

calentar el fluido calorportador.

- Subsistema de intercambio. Tiene la función de transmitir el calor ganado por el fluido calorportador al

agua de red que se consume.

- Subsistema de acumulación. Necesario para el almacenamiento del agua caliente obtenida, cuya demanda

no tiene por qué coincidir con el momento de producción.

- Subsistema de apoyo auxiliar. Sistema de energía convencional para satisfacer la demanda cuando se vea

superada por a prevista.

- Subsistema de regulación y control. Por un lado se asegura del correcto funcionamiento de la instalación

mediante el sistema de válvulas y por otro protege de múltiples factores de riesgo como sobrecalentamiento o

congelación.

- Circuito hidráulico. Formado por la red de tuberías cuya función principal es garantizar el correcto

transporte del fluido por toda la instalación.

1.5.4.1 Sistema de captación

Este subsistema se encarga de transformar la energía que recibe del Sol en energía térmica y transmitirsela al

fluido calorportador. Para poder conseguir esto es necesario un captador solar plano, que es el objeto principal

de este trabajo y estudiaremos más a fondo en el capítulo 2.

Los captadores más utilizados en las aplicaciones que se desarrollan en el DB-HE4 son los captadores planos

con cubierta. Sin embargo, hay otros tipos de captadores térmicos como los de “tubo de vacío” o los

captadores de caucho EPDM para la climatización de piscinas.

- Captadores planos con cubierta: Sus componentes principales son la placa absorbedora, que recoge la

energía y la transfiere al fluido por un serpentín o bacteria de tubos, la cubierta transparente de vidrio o plástico

que aprovecha el efecto invernadero y la caja que integra el conjunto (Figura 1-10). Las principales

aplicaciones son producción de ACS, climatización de piscinas cubiertas, calefacción, refrigeración solar y

procesos industriales.

13


- Captadores de tubo de vacío. (Figura 1-11)

Heat Pipe: El calor se transfiere al fluido calorportador mediante un proceso de evaporación-condensación de

un alcohol, calentado por el absorbedor. Sus aplicaciones más usuales son en procesos industriales trabajando

con temperaturas en torno a los 100ºC, aunque también se usan para ACS, calefacción, etc.

Flujo directo: El fluido calorportador se introduce en el tubo, y el intercambio de calor se lleva a cabo por

conducción desde el absorbedor al conducto por el que éste circula. Sus aplicaciones suelen ser las mismas que

las descritas en el captador de tubo de vacío de tipo Heat Pipe, pero su principal característica es que se pueden

instalar totalmente horizontales contando con una inclinación de la placa de al menos 25º, lo cual facilita la

integración arquitectónica.

- Captadores planos sin cubierta: Son captadores formados por una serie de tubos de caucho (EPDM), los

cuales expuestos al sol absorben la radiación solar y se la transmiten al fluido que atraviesa su interior (Figura

1-12). Su aplicación principal es la climatización de piscinas descubiertas debido a su bajo rendimiento fuera

de la época veraniega.

Figura 1-10: Captadores planos con cubierta

Figura 1-11: Captador solar de tubo de vacío


14

Figura 1-12: Captadores planos sin cubierta

1.5.4.2 Sistema de intercambio

El sistema de intercambio es uno de los elementos más importantes para el correcto funcionamiento de la

instalación. Por ello es necesario un dimensionado óptimo de este elemento. Los intercambiadores de calor

pueden ser de dos tipos:

- Interacumulador: El intercambiador está incorporado en el interior del acumulador (Figura 1-13), y los dos

tipos más comunes en el mercado son el de doble envolvente y el de serpentín. En los interacumuladores de

doble envolvente el fluido que circula por el interior lo hace por tuberías pegadas a las paredes del acumulador

de forma concéntrica. Presentan poca pérdida de presión por lo que son muy recomendables para los sistemas

de termosifón. Por otro lado, los de tipo serpentín presentan altos rendimientos pero una mayor pérdida de

carga y un coste elevado.

- Intercambiador externo: El intercambiador es independiente del acumulador (Figura 1-14) y se sitúan en el

exterior como otro elemento más del sistema. Pueden ser de dos tipos, de haz de tubos o de placas. Presentan

un mayor rendimiento que los interacumuladores, pero son más costosos y tienen mayores pérdidas de carga.

En una instalación de energía solar térmica la temperatura de entrada al intercambiador (Tª caliente) varia

continuamente.

El dimensionado del intercambiador se debe hacer en función de la potencia térmica que son capaces de

transmitir los captadores. La potencia mínima de diseño del intercambiador independiente, P, en vatios, en

función del área de captadores A, en metros cuadrados, cumplirá la condición:

𝑃 ≥ 500𝐴

El intercambiador independiente será de acero inoxidable o cobre y deberá soportar las temperaturas y

presiones máximas de trabajo de la instalación.

La relación entre superficie útil de intercambio del intercambiador incorporado y la superficie total de

captación no será inferior a 0,15.

En caso de aplicación para ACS se puede utilizar el circuito de consumo con un intercambiador, teniendo en

cuenta que con el sistema de energía auxiliar y de producción instantánea en línea o en acumulador secundario

hay que elevar la temperatura hasta 60ºC y siempre en el punto más alejado de consume hay que asegurar

50ºC.

15


Figura 1-13: Producción de ACS con interacumulador

Figura 1-14: Producción de ACS con intercambiador externo

1.5.4.3 Sistema de acumulación

El sistema de acumulación está compuesto por uno o varios depósitos que se disponen como un

almacenamiento de agua caliente, para hacer frente al consumo de ACS en el momento de la demanda, el cual

no tiene por qué coincidir con el momento de producción.

El sistema suele estar constituido por un único deposito en configuración vertical y ubicado en zonas interiores

de la edificación.

Con objeto de aprovechar al máximo la energía captada y evitar la pérdida de la estratificación por temperatura

en los depósitos, la situación de las tomas para las diferentes conexiones (Figura 1-15) se deben realizar de la

siguiente manera:

- La conexión de entrada de agua caliente que proviene del intercambiador se deberá realizar, preferentemente,

a una altura entre el 50% y el 75% de la altura total.

- La conexión de salida de agua fría del acumulador hacia el intercambiador o los captadores se realizará por la

parte inferior de éste.

- En caso de producción de ACS, la alimentación de agua fría de red al depósito se realizará por la parte

inferior del acumulador solar si está conectado en serie o de ambos si están conectados en paralelo. La

extracción de agua caliente del depósito se realizará por la parte superior.


16

Figura 1-15: Esquema general de las conexiones en un acumulador

Las conexiones de entrada y salida se situarán de forma que se eviten caminos preferentes de circulación del

fluido.

La instalación deberá ser capaz de elevar la temperatura del acumulador a 60ºC y hasta 70ºC con objeto de

prevenir la legionelosis, tal como se establece en el RD 865/2003.

Para ello, en caso de aplicaciones para ACS, es conveniente realizar un conexionado entre el sistema auxiliar y

el solar de forma que se pueda calentar este último con el auxiliar, para poder cumplir con las medidas de

prevención de legionella.

Existen otras alternativas para prevenir la legionelosis en este tipo de instalaciones, como pueden ser:

- Cerrar el circuito solar de consumo y utilizar el propio campo de captación para subir la temperatura del

depósito hasta 70ºC.

- Utilizar depósitos de acumulación de inercia e intercambiadores instantáneos de producción de ACS.

En caso de que el acumulador solar esté directamente conectado con la red de distribución de agua caliente

sanitaria, deberá ubicarse un termómetro en un sitio claramente visible para el usuario.

1.5.4.4 Sistema de apoyo auxiliar

Para asegurar la continuidad en el abastecimiento de la demanda térmica, las instalaciones de energía solar

deben disponer de un sistema de energía auxiliar.

En caso de que se tenga que diseñar el sistema auxiliar, es decir, que no esté impuesto, éste se realizará en

función de la aplicación de la instalación, de forma que solo entre en funcionamiento cuando sea estrictamente

necesario y que se aproveche lo máximo posible la energía extraída del campo de captación solar. Se siguen

los siguientes criterios:

- Pequeñas cargas de consumo: se recomienda usar un sistema de energía auxiliar en línea, siendo para estos

casos los sistemas de gas modulantes en temperatura los más idóneos.

- Medianas y grandes cargas de consumo: sistemas de acumulación siendo el sistema de energía auxiliar una

caldera de calefacción por regla general.

No está permitida la conexión de un sistema auxiliar en el acumulador solar, ya que esto puede suponer la

disminución de las posibilidades de la instalación solar para proporcionar las prestaciones energéticas que se

pretenden obtener con este tipo de instalaciones.

17


1.5.4.5 Sistema de regulación y control

El diseño del sistema de control asegurará el correcto funcionamiento de las instalaciones, intentando obtener

un óptimo aprovechamiento de la energía captada y asegurando un uso correcto de la energía auxiliar. El

sistema de regulación consta de un control del funcionamiento del circuito primario y del secundario si

existiese. Además, debe contar también sistemas de protección y seguridad de las instalaciones contra

sobrecalentamientos y heladas.

El sistema de control también debe verificar que en ningún caso se sobrepase la temperatura máxima

soportada por los materiales, componentes y tratamientos de todos los circuitos.

Este sistema de control se llevará a cabo mediante un mediante un dispositivo electrónico (módulo de control

diferencial) que es un control diferencial de temperaturas, cuya función es comparar la temperatura del

captador con la de acumulación o retorno. El sistema de control actuará y estará ajustado de manera que la

bomba no esté en marcha cuando la diferencia de temperaturas sea menos de 2ºC y no estén paradas cuando

sea mayor de 7ºC. Además, la diferencia de temperatura entre el punto de arranque y el de parada del

termostato diferencial no será menor de 2ºC.

El sistema de control asegura que en ningún punto la temperatura del fluido de trabajo descienda por debajo de

una temperatura de tres grados por encima a la de congelación del fluido.

Las instalaciones con varias aplicaciones deberán ir dotadas con un sistema individual para seleccionar la

puesta en marcha de cada una de ellas, complementando con otro que regule la aportación de energía. Se

puede actuar bien controlando la temperatura o bien controlando el caudal, actuando sobre la válvula de

reparto, bomba de circulación o por combinación de ambos mecanismos.

1.5.4.6 Circuito hidraúlico

Con carácter general cuando nos encontramos en la fase de diseño debemos entender que el circuito está

equilibrado de por sí. Si no fuera posible, el flujo debe ser controlado por válvulas de equilibrado.

Para aplicaciones de ACS, el circuito hidráulico del sistema de consumo debe cumplir los requisitos

especificados en UNE-EN 806-1.

En cualquier caso, los materiales del circuito deberán cumplir lo especificado en ISO/TR 10217.

Las partes principales de lo que consideramos el circuito hidráulico son las siguientes:

Tuberías:

Con el objetivo de disminuir las pedidas térmicas, la longitud de las tuberías deberá ser tan corta como sea

posible. Además, se evitará en la medida que sea posible el uso de codos y demás accesorios que provocan

pérdidas de carga. El diseño y los materiales del sistema es un punto bastante importante por el hecho de que

posibles obstrucciones, o depósitos de cal en los circuitos pueden influir muy negativamente en el rendimiento

del sistema.

Bombas:

Si el circuito de captadores está dotado con bomba de circulación, la caída de presión se debería mantener

aceptablemente baja en todo el circuito. Siempre que sea posible, las bombas en línea se montarán en las zonas

más frías del circuito.

Las tuberías conectadas a las bombas se soportarán en las inmediaciones de éstas, de forma que no provoquen

esfuerzos recíprocos de torsión o flexión. El diámetro de las tuberías de acoplamiento no podrá ser nunca

inferior al diámetro de la boca de aspiración de la bomba.

Vasos de expansión:

El dispositivo de expansión es un elemento clave en las instalaciones de energía solar térmica, ya que ayuda a

la estabilización del circuito primario en caso de sobrecalentamientos. Los vasos de expansión preferentemente

se conectarán en la aspiración de la bomba y la tubería de expansión no se aislará nunca ni presentará llaves de

cierre en su recorrido.


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Purgadores:

Los purgadores son dispositivos, cuya función dentro del circuito hidráulico es dejar salir el aire que pueda

quedar retenido en las tuberías, ya que la presencia de aire en el circuito dificulta mucho la fluidez en la

circulación.

En los puntos altos de la salida de baterías de captadores y en todos aquellos puntos de la instalación donde

pueda quedar aire acumulado, se colocarán sistemas de purga constituidos por botellines de desaireación y

purgador manual o automático.

Fluido de trabajo:

El fluido calorportador es el encargado de absorber la energía a través del captador y transportarla por la

instalación.

Las principales características exigibles al fluido que utilicemos en nuestro sistema para agua caliente sanitaria

deberían ser las siguientes:

- Calor específico elevado.

- Temperatura de ebullición alta.

- Temperatura de congelación baja.

- Alta estabilidad en el rango de temperaturas y presiones de trabajo.

- Protección frente a la corrosión.

- Compatibilidad con los materiales de la instalación.

La mezcla de agua con anticongelante es el tipo de fluido que mayoritariamente se emplea en este tipo de

instalaciones, ya que la mezcla provoca una interesante variación en las propiedades del agua. Es por ello que

la mezcla, así como la instalación también deben de cumplir determinadas exigencias, de las cuales las más

importantes son las siguientes:

- Estabilidad: La mayor parte de los productos anticongelantes se degradan a partir de temperaturas de 120ºC y

pueden generar productos corrosivos para los materiales integrantes de las partes del circuito. Por tanto, será

un factor a tener en cuenta.

- Toxicidad: Algunos anticongelantes son tóxicos, por lo que es necesario asegurar la imposibilidad de mezcla

entre éstos y el agua de consumo, mediante un intercambiador de calor.

1.5.5 Clasificación de los sistemas de energía solar para ACS

Por el sistema de circulación:

- Instalaciones por termosifón o circulación natural: La principal ventaja de estos sistemas es que no

necesitan las bombas de impulsión, ya que aprovechan la circulación natural del agua caliente. Este tipo de

sistemas son muy utilizados en áreas geográficas con climas cálidos y sólo se utilizan en instalaciones solares

pequeñas.

- Instalaciones por circulación forzada: Estos sistemas están basados en una bomba de impulsión movida

por un aporte exterior de energía eléctrica. La función de la bomba es transportar de forma más rápida el fluido

calorportador para impedir posibles pérdidas calóricas en el proceso de distribución.

Por el sistema de intercambio:

- Instalaciones de transferencia directa sin intercambiador de calor: Instalaciones donde el fluido

calorportador es el propio agua de consumo que pasa por los captadores y, por lo tanto no necesitan incorporar

un intercambiador.

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- Instalación con intercambiador de calor en el acumulador solar: Son instalaciones que funcionan con

dos circuitos que se interconexionan mediante un intercambiador de calor que puede estar dentro del

acumulador solar o bien tratarse de un intercambiador de calor independiente en el exterior. Estos

intercambiadores suelen ser en su gran mayoría de doble envolvente o de tipo sumergido.

Por la forma de acoplamiento:

- Sistema compacto: Se llama así a los equipos solares cuyos elementos se encuentran montados en una sola

unidad, aunque físicamente pueden estar diferenciados.

- Sistema partido: Equipo solar en el que el sistema de captación y el depósito de acumulación se encuentran

divididos por una distancia relevante.

- Sistema integrado: En este tipo de sistemas no es posible diferenciar físicamente los elementos principales,

es decir el captador y el acumulador ya que constituyen un único componente.

Por el sistema de expansión:

- Sistema abierto: Se trata de sistemas que transfieren directamente el agua caliente producida en el captador

solar hacia el depósito de acumulación. Cuando el captador solar hace que el agua aumente su temperatura,

ésta se desplaza hacia arriba y al llegar al depósito de almacenamiento otra cantidad igual de agua sale del

depósito en dirección al captador

- Sistema cerrado: En este caso existen dos circuitos, el circuito primario que introduce un líquido que circula

por dentro del captador y transmite el calor al agua del tanque de almacenamiento por medio de un

intercambiador y el segundo circuito es aquel que lleva el agua del tanque al resto de la instalación. Lo que se

quiere conseguir con este tipo de sistemas es que no se mezcle el líquido que proviene del captador con el agua

depositada en el tanque, ya que con este cambio se puede utilizar como fluido del circuito primario

anticongelantes que permitan su instalación en zonas donde la temperatura baje de cero grados.

Por el sistema de energía auxiliar:

- Sistema de energía auxiliar en acumulador secundario individual: Un sistema de acumulación externo

como puede ser una caldera de calefacción, para demandas de carga muy elevados, o bien sistemas de gas para

las demandas menores como viviendas unifamiliares.

- Sistema de energía auxiliar en acumulador secundario centralizado: Una única caldera de calefacción

sirve como apoyo de todas las viviendas del edificio.

- Sistema de energía auxiliar en acumuladores secundarios distribuidos: El apoyo de energía necesario

para el sistema se aporta mediante acumuladores individuales, que suelen ser un sistema de gas de temperatura

modulante, situados cada uno de ellos en el interior de las diferentes viviendas del edificio.

- Sistema de energía auxiliar en línea centralizado: En este caso no se usan otros acumuladores, sino que se

trata de un único sistema instantáneo que aporta energía auxiliar en caso de que hiciera falta para el conjunto

del sistema.

- Sistema de energía auxiliar en línea distribuido: Para cada una de las viviendas existiría un apoyo de

energía instantáneo en línea con el sistema.

- Sistema de energía auxiliar en acumulador solar: La incorporación de un sistema auxiliar en el

acumulador es algo que no está permitido por el CTE, ya que puede suponer una disminución de las

posibilidades de la instalación para proporcionar las prestaciones que se pretenden obtener.

Por su aplicación:

- Instalaciones para calentamiento de agua sanitaria.

- Instalaciones para usos industriales.


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- Instalaciones para calefacción.

- Instalaciones para refrigeración.

- Instalaciones para climatización de piscinas.

- Instalaciones de uso combinado.

- Instalaciones de precalentamiento.

Figura 1-16: Clasificación de sistemas de energía solar para ACS.

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Figura 1-17: Clasificación de sistemas de energía solar para ACS.

Captador solar plano

22

2 CAPTADOR SOLAR PLANO

2.1 Introducción

El elemento principal de todo sistema de energía solar térmica para ACS es el captador solar. Es un

intercambiador que transforma la radiación solar en energía térmica aumentando la temperatura de un fluido

de trabajo que circula por el interior del captador.

Los captadores planos son los más utilizados debido a su relación coste-producción de calor más favorable. El

captador se ubica en una caja rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilan entre 80 y 120 cm de ancho,

los 150 y 200 cm de alto y los 5 y 10 cm de grosor. La cara que recibe la radiación está cubierta por un vidrio

muy fino, mientras que las cinco caras restantes son opacas y están aisladas térmicamente. Dentro de la caja se

sitúa una placa metálica que está expuesta al sol. Esta placa es la que está unida a una serie de conductos por

los que circula el fluido calorportador. Para aumentar la absorción de calor se le aplica un tratamiento selectivo

o simplemente se pinta de negro.

En este segundo capítulo se definen todos los elementos que componen el captador y la función de cada uno

de ellos, así como el principio de funcionamiento por el que se rige el captador. Además de esto se definen las

ecuaciones del modelo en régimen permanente de un captador, la transmisividad en medios semitransparentes,

producto (𝜏𝛼), el cáculo del coeficiente global de pérdidas del captador y el modelo de aleta unidimensional.

2.2 Elementos de un captador solar plano

Los elementos principales de todo captador solar plano son esencialmente la cubierta, la placa absorbedora, el

aislante térmico y la carcasa que lo envuelve (Figura 2-1).

Figura 2-1: Elementos básicos de un captador solar plano.

23


Cubierta transparente

La función principal de la cubierta es reducir las pérdidas por convección al exterior lo máximo posible. Esto

se consigue transmitiendo el máximo de radiación incidente de onda corta bloqueando las pérdidas por

radiación térmica. La cubierta debe facilitar un “efecto invernadero” que minimice las pérdidas térmicas del

captador. Además tiene la función de aislar el captador de las condiciones ambientales externas.

Puede haber múltiples cubiertas, pero en la práctica, el costo y la disminución de la transmitancia, limitan su

número a una o a lo sumo dos cubiertas. El material típico para la cubierta es el vidrio con bajo contenido en

hierro, ya que combina una alta transmitancia (𝜏 ≈ 0.85 − 0.90) de onda corta, con una baja emitancia

infrarroja.

Debido a la relativa fragilidad del vidrio y para bajar costos, se han usado cubiertas de plástico que también

tienen alta transmitancia de onda corta. Sin embargo, tienen varios inconvenientes, como que las pérdidas

térmicas suelen ser mayores que con vidrio o que no son tan opacas en onda larga. Por otra parte, el plástico

suele degradarse debido a las altas temperaturas y demás efectos ambientales.

Placa absorbedora

Se trata de elemento más crítico del captador ya que es donde se capta la energía solar y se transmita al fluido

calorportador. El objetivo es que la placa absorba la mayor radiación solar posible, la convierta en energía

térmica y la entregue al fluido que circula por los tubos adheridos a dicha placa, siempre minimizando las

pérdidas térmicas y los costos de construcción. El recorrido de estos tubos debe ser tal que recorra una gran

cantidad del área total para conseguir una transmisión de calor óptima entre placa y fluido. Por el mismo

motivo el coeficiente de conductividad tanto de los materiales del circuito del agua como de las soldaduras que

los unen a la placa. Además, si el fluido de trabajo es agua, los tubos deben tener resistencia a la corrosión y no

favorecer la formación de depósitos de cal durante la vida útil del captador.

Los materiales más usados para estas placas son el cobre, el aluminio o el acero inoxidable.

Para maximizar su absortancia, la placa se puede pintar de negro (superficie no selectiva), pero tendrá una alta

emitancia en onda larga. Una buena placa absorbedora debe estar cubierta por una superficie selectiva, que

combinan una alta absorbancia en onda corta y una baja emitancia en onda larga.

Aislamiento térmico

El aislamiento térmico evita las pérdidas por conducción por la parte posterior de la placa y por los laterales.

Es importante que el material aislante elegido no altere sus propiedades con el calor y que no se degrade con

éste.

Los materiales aislantes que más se utilizan son lanas minerales, aunque también es frecuente el uso de

espumas de poliuretano o poliestireno.

Carcasa

La carcasa es el elemento protector que envuelve toda la placa absorbedora y suele estar fabricado en aluminio

o aluminio galvanizado. Además, los elementos estructurales (gabinete, cabezal para los tubos, fijaciones)

deben presentar condiciones que no reduzcan la vida útil del captador y a su vez den resistencia mecánica al

conjunto y protejan la placa absorbedora de los elementos externos.


24

2.3 Principio de funcionamiento de un captador solar plano

La radiación solar incide sobre la superficie semitransparente, o lo que es lo mismo sobre el vidrio del

captador, que debido a sus propiedades es muy transparente a las radiaciones de onda corta y dejan pasar la

mayor parte de la energía. Esta energía calienta la placa absorbedora que, cumpliendo con su función,

transmite el calor al fluido calor portador mediante los tubos que están adheridos a dicha placa. Esta placa se

convierte a su vez en emisora de radiación en onda larga, pero como el vidrio es muy opaco a esas longitudes

de onda, a pesar de que es un mal aislante térmico, se consigue que el recinto encerrado en la caja se caliente

por encima de la temperatura exterior.

Este principio de funcionamiento se basa en un efecto invernadero, para reducir al máximo las pérdidas

térmicas que es posible por la característica que tiene un cuerpo transparente o semitransparente, y por el

efecto de cuerpo negro que tiene la placa absorbedora, que permite absorber la máxima cantidad de energía.

El rendimiento de los captadores mejora cuanto menor sea la temperatura de trabajo, ya que a mayor

temperatura dentro de la caja, mayores son las pérdidas por transmisión en el vidrio. También, mientras la

temperatura sea mayor en la place, las emisiones de radiación aumentaran y con ella las pérdidas térmicas, por

lo que la eficiencia se verá reducida.

Figura 2-2: Proceso de captación y absorción de la radiación solar en un captador solar plano.

2.4 Clasificación de captadores solares planos

Los captadores solares pueden clasificarse en función de múltiples factores:

- Según el número de cubiertas:

Sin cubierta

Una cubierta

Varias cubiertas

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- Según el material de la cubierta:

Vidrio

Plástico

- Según el tipo de superficie absorbente:

Con superficie selectiva

Con superficie negra

- Según el material de la superficie absorbente:

Cobre

Acero

Aluminio

Caucho

- Según el fluido de trabajo:

Captadores de agua

Captadores de aire

- Según la configuración de la superficie absorbente (Figura 2-3):

Serpentín

Parrilla

Placa

Figura 2-3 Configuración de los tubos del captador de la superficie absorbente en placas, en parrilla y

en serpentín respectivamente.

Otro aspecto muy importante a tener en cuenta en los captadores solares planos es el tipo de conexionado que

se va a utilizar, ya que influye de una manera muy importante en el rendimiento total de la instalación. Los

captadores pueden conexionarse en serie, paralelo, o utilizar una conexión serie-paralelo. (Figura 2-4,2-5,2-6)


26

Figura 2-4: Conexionado de captadores solares planos en serie y paralelo.

Figura 2-5: Agrupación de captadores solares planos en paralelo.

Figura 2-6: Agrupación serie-paralelo de captadores solares planos.

27


2.5 Modelo en regimen permanente

2.5.1 Balance global

Si hacemos un balance de energía en el captador, la energía útil no es más que la energía incidente menos las

pérdidas. La energía que incide en el captador será la irradiación sobre la superficie absorbente del captador y

las pérdidas se calculan como una transferencia de calor desde la superficie absorbente al exterior.

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎 = 𝑄𝑢

𝑄𝑢 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠

𝑄𝑢 = 𝐼(𝜏𝛼)𝐴 − 𝑈𝐿𝐴(𝑇𝑝̅̅ ̅ − 𝑇𝑎)

Además, si se hace un balance energético al fluido calorportador que circula por los tubos del captador se llega

a que la energía útil es:

𝑄𝑢 = 𝑀𝐶𝑝( 𝑇𝑓𝑠 − 𝑇𝑓𝑒)

Si lo expresamos en función del caudal específico G (𝐾𝑔/𝑠𝑚2):

𝑄𝑢 = 𝐺𝐴𝐶𝑝( 𝑇𝑓𝑠 − 𝑇𝑓𝑒)

Debido a la dificultad de calcular y/o medir la temperatura de la placa absorbente 𝑇𝑝 , ya que dicha

temperatura varía a lo largo y ancho de la misma, es necesario definir el factor de evacuación de calor del

captador solar, 𝐹𝑅.

𝐹𝑅 es la relación entre el energía útil que recibe el captador y el máximo posible que recibiría si toda la placa

se encontrase a una temperatura 𝑇𝑓𝑒.

𝐹𝑅 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑖 𝑡𝑜𝑑𝑎 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑠𝑒 𝑒𝑛𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎 𝑇𝑓𝑒

𝐹𝑅 =𝑄𝑢

𝐼(𝜏𝛼)𝐴 − 𝑈𝐿𝐴(𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎)

𝑄𝑢 = 𝐼𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝐴 − 𝐹𝑅𝑈𝐿𝐴(𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎)

Una vez que hemos definido el factor de evacuación de calor, debemos determinar el rendimiento del

captador, que se define como la relación entre la energía captada por la placa absorbente y la energía incidente

sobre el captador:

𝜂 =𝑄𝑢𝐼𝐴=𝐼𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝐴 − 𝐹𝑅𝑈𝐿𝐴(𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎)

𝐼𝐴


28

𝜂 = 𝐹𝑅(𝜏𝛼) − 𝐹𝑅𝑈𝐿 𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎

𝐼

Podemos expresar el rendimiento en dos partes, un factor de ganancias 𝐹𝑅(𝜏𝛼), que se corresponde con el

corte de la recta de rendimiento al paso del eje de coordenadas, y un factor de pérdidas, que se corresponde

con la pendiente de dicha recta 𝐹𝑅𝑈𝐿 (Figura 2-7)

Figura 2-7: Recta de rendimiento del captador

2.5.2 Producto transmitancia-absortancia(𝝉𝜶)

Para poder cuantificar la cantidad de calor que es capaz de absorber nuestro captador solar plano debemos

tener en cuenta todos los fenómenos que se producen a lo largo que la radiación recorre el equipo.

Los parámetros que caracterizan el intercambio radiante en un medio semitransparente son la reflectancia (R)

la transmitancia (T) y la absortancia (A).

En primer lugar, debemos analizar como la radiación incide en una interfase entre dos medios de transmisión

con índices de refracción diferentes como son el aire y el vidrio.

Según la ley de Snell (Figura 2-7). para superficies especulares:

𝑛1 sin 𝜃1 = 𝑛2𝑠𝑖𝑛𝜃2

Siendo 𝑛1= 1 y 𝑛2= 1.526 los indices de refracción del aire y del vidrio respectivamente.

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Figura 2-8 Reflexión y refracción de la radiación electromagnética en una interfaz plana que separa dos

medios con propiedades ópticas diferentes.

En Segundo lugar, debemos saber que fracción de flujo incidente es reflejada por la interfaz, es decir la

reflectividad. Este valor depende del índice de refracción de los medios, del ángulo de incidencia y del estado

de polarización de la luz y se calcula según las ecuaciones de Fresnel:

𝜌⊥ = [𝑛1𝑐𝑜𝑠𝜃1 − 𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃2𝑛1𝑐𝑜𝑠𝜃1 + 𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃2

]2

𝜌∥ = [𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃1 − 𝑛1𝑐𝑜𝑠𝜃2𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃1 + 𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃2

]2

Para el caso de una interfaz aire-vidrio, y que además presenta una incidencia normal a la superficie (𝜃 = 0) la

reflectividad queda determinada según la expresión:

𝜌(0) = (𝑛 − 1

𝑛 + 1)2

Ahora pasamos a determinar la cantidad de radiación que absorbe la cubierta. Según la ley de Beer al atravesar

un recorrido “s” en un material de coeficiente de extinción k, la fracción de flujo de radiación absorbida es:

𝜏 = 𝑒−𝑘𝑠 = 𝑒−

𝑛𝑘𝑑

√𝑛2−sin2 𝜃1

Para incidencia normal (siendo d el espesor de la cubierta de vidrio) esta expresión se simplifica a:

𝜏(0) = 𝑒−𝑘𝑑


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De toda la radiación incidente que pasa por el sistema de cubiertas y llega a la placa absorbente, una parte es

reflejada por la placa hacia el sistema de cubiertas, y de esa parte que llega al sistema de cubiertas otra parte es

reflejada de nuevo hacia la placa. Esto se repite de forma sucesiva y es lo que se conoce como reflexiones

multiples.

Debido al fenómeno de reflexiones múltiples en medio semitransparente, una cierta fracción T de la radiación

incidente que llamamos transmitancia, es transmitida al otro lado de la placa, mientras que otra parte es

absorbida en la misma, A, absortancia.

Para el primer trayecto del flujo, la cantidad de radiación que se transmite será:

𝑇0 = 𝜏(1 − 𝜌)2

Para el segundo trayecto, y todos los sucesivos, se agrega un término (𝜏2𝜌2), de forma que la fracción

transmitida después de n etapas es:

𝑇𝑛 = 𝜏(1 − 𝜌)2(𝜏2𝜌2)𝑛

La transmitancia, T, es la suma de todas esas transmisiones parciales:

𝑇 = ∑𝑇𝑛∞

𝑛=0

=𝜏(1 − 𝜌)2

1 − 𝜏2𝜌2

Procediendo de una forma similar se puede llegar a la expresión de la reflectancia total R, resultante de las

reflexiones múltiples en el material.

𝑅 = 𝜌 [1 + 𝜏2(1 − 𝜌)2

1 − 𝜏2𝜌2] = 𝜌(1 + 𝜏𝑇)

Para la absortancia se llega a:

𝐴 =(1 − 𝜌)(1 − 𝜏)

1 − 𝜏𝜌

Figura 2-9: Intercambio radiante en medio semitransparente

31


El producto transmitancia-absortancia (𝜏𝛼) no es más que la eficiencia óptica del captador. Para poder

determinar su valor debemos conocer que fracción de radiación solar será absorbida en la placa, lo cual define

la absortividad de la placa.

La relación entre la fracción que queda absorbida por la placa y el flujo de radiación solar transmitido por la

cubierta transparente que incide sobre la placa absorbedora es la absortividad de la placa, 𝛼, propiedad del

material.

𝛼 =𝐹𝑎𝑏𝑠

𝐹𝑖𝑛𝑐´

El resto del flujo será reflejado por la placa con reflectancia de placa 𝜌 = 1 − 𝛼, ya que la placa absorbedora

es opaca a la radiación solar (no transmite).

La fracción de energía que absorbe la placa en un principio es 𝜏𝛼 y la reflejada hacia el sistema de cubiertas es

(1 − 𝛼)𝜏 . La fracción que llega a la cubierta es radiación difusa, mientras que a que llega de nuevo a la placa

es (1 − 𝛼)𝜏 𝜌𝑑 , donde 𝜌𝑑 esla reflectancia de la cubierta para la radiación incidente-difusa y su valor se

puede determinar utiliando la reflexión especular para un sistema de varias cubiertas con ángulo de incidencia

de 60º:

𝜌𝑑 = 1 − 𝜏𝑟(60º)

Debido al efecto de las reflexiones múltiples en la región entre la placa y el absorbedor se tienen que sumar

todas las contribuciones de flujo absorbido por la placa después de n reflexiones para determinar el valor del

flujo que incide sobre la superficie absorbedora (𝐹𝑖𝑛𝑐´ )

𝐹𝑖𝑛𝑐´ = 𝑇𝐹𝑖𝑛𝑐∑[(1 − 𝛼)𝑅]𝑛 =

𝑇

1 − (1 − 𝛼)𝑅𝐹𝑖𝑛𝑐

∞

𝑛=0

Siendo 𝐹𝑖𝑛𝑐 el flujo de radiación solar incidente sobre el captador entero.

Figura 2-10: Reflexiones múltiples entre la placa absorbedora y el sistema de cubiertas.

Si definimos el rendimiento óptico , (𝜏𝛼), como la fracción de flujo incidente sobre el captador que es

absorbido por la placa, llegamos a la siguiente expresión:


32

(𝜏𝛼) =𝑇𝛼

1 − (1 − 𝛼)𝑅

2.5.3 Coeficiente global de pérdidas 𝑼𝑳

Para poder evaluar de una manera sencilla las pérdidas de calor que se dan en el captador definimos un

coeficiente global de pérdidas que será la suma de las pérdidas frontal (𝑈𝑡), lateral (𝑈𝑒) e inferior (𝑈𝑏) del

aparato.

𝑈𝐿 = 𝑈𝑡 + 𝑈𝑒 + 𝑈𝑏

Puede verse como una suma de resistencias desde la temperatura de la placa (𝑇𝑝̅̅ ̅), que suponemos constante a

lo largo de ella, hasta la temperatura ambiente (𝑇𝑎𝑚𝑏).

Coeficiente de pérdidas superior 𝑼𝑳

Por la parte superior de la placa se producen las mayores pérdidas de calor debido a la ausencia de aislamiento

térmico en esta zona.

𝑈𝑡 =

(

𝑁

(𝐶𝑇𝑝̅̅ ̅(𝑇𝑝̅̅ ̅ − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑁 + 𝑓

)

𝑒

)

+1

ℎ𝑣

)

−1

+𝜎(𝑇𝑝̅̅ ̅ + 𝑇𝑎𝑚𝑏) ((𝑇𝑝

2̅̅̅̅ ) + 𝑇𝑎𝑚𝑏2 )

(휀𝑝 + 0,00591𝑁ℎ𝑣)−1+ (2𝑁 + 𝑓 − 1 + 0,133휀𝑝

휀𝑣) − 𝑁

- 𝑁 es el número de cubiertas

- ℎ𝑣 es el coeficiente de película exterior en 𝑊/𝑚2𝐾 y se calcula mediante la ecuación, ℎ𝑣 = 2.8 + 3𝑣 ,

siendo 𝑣 la velocidad en 𝑚/𝑠.

- 𝐶 = 520(1 − 0.000051𝜃2) , siendo 𝜃 el ángulo de inclinación del captador solar.

- 𝑓 = (1 + 0.089ℎ𝑣 − 0.1166ℎ𝑣휀𝑝)(1 + 0.07866𝑁)

- 𝑒 = 0.43(1 −100

𝑇𝑝̅̅ ̅)

- 𝜎 es la constante de Stefan-Boltzman, y tiene un valor de 5.67 ∗ 10−8 𝑊/𝑚2𝐾4

- 휀𝑝 𝑦 휀𝑣 son las emisividades de la placa absorbedora y del vidrio respectivamente.

Coeficiente de pérdidas lateral

Este coeficiente lo podemos expresar simplemente como el coeficiente de pérdidas de una placa plana

horizontal, corrigiendo el área:

𝑈𝑒 =𝑘𝑎𝑖𝑠𝛿𝑎𝑖𝑠𝑒

∗𝐴𝑙𝑎𝑡𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

33


𝐴𝑙𝑎𝑡 = (2𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 + 2𝑎𝑙𝑡𝑜)𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 [𝑚2]

𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 ∗ 𝑎𝑙𝑡𝑜 [𝑚2]

𝑘𝑎𝑖𝑠 es la conductividad del aislamiento usado en [𝑊/𝑚𝐾] y 𝛿𝑎𝑖𝑠𝑒 el espesor de éste en la parte lateral de la

placa en [𝑚].

Coeficiente de pérdidas inferior

Es la parte de la placa que presenta las pérdidas más reducidas, ya que el espesor de aislamiento suele ser del

orden del doble que el aislamiento en el lateral.

𝑈𝑏 =𝑘𝑎𝑖𝑠𝛿𝑎𝑖𝑠𝑏

2.5.4 Modelo de aleta unidimensional

Para obtener un modelo matemático de una forma sencilla y que se acerque lo máximo posible a la realidad

debemos asumir una serie de hipótesis de forma que simplifique el problema:

- Régimen permanente.

- Propiedades físicas constantes.

- Transferencia de calor unidimensional.

- Captador solar de placa y tubos en parrilla.

- Colectores de distribución cubren un área pequeña.

- El caudal es uniforme por el interior de los tubos.

- La temperatura en la base del tubo es uniforme.

- La absorción en la cubierta es nula.

- Gradientes de temperatura nulos en la cubierta.

- Conducción axial despreciable en la placa absorbente.

- Efectos de sombra y polvo en la cubierta despreciables.

Para llegar a unas expresiones reducidas de las que podamos extraer los resultados que necesitamos en el

análisis de un captador solar de un sistema de ACS, como pueden ser la temperatura del fluido a la salida del

captador, o el factor de evacuación hay que realizar previamente, teniendo en cuenta las hipótesis

anteriormente citadas, el cálculo del campo de temperaturas en la placa absorbente, así como el cálculo de la

energía útil transferida al fluido de trabajo. Además, se debe conocer el campo de temperaturas del fluido de

trabajo en cuestión.


34

Campo de temperaturas en la placa absorbente

Figura 2-11: Distribución de los tubos en la placa absorbedora

Tomando como referencia la disposición de los tubos de la figura 2-11, con una distancia W entre tubos, un

diámetro externo de los tubos D, y un espesor de la placa absorbedora 𝛿𝑝, para poder conocer el campo de

temperaturas en la placa se hace un balance térmico sobre ella. La dirección del flujo de calor es de la placa

absorbedora hacia los tubos. El balance térmico (figura 2-12) lo haremos sobre un elemento diferencial de la

aleta comprendida entre la línea central que separa los tubos y su base.

Figura 2-12: Balance térmico sobre elemento diferencial de la placa absorbedora

Según las ecuaciones básicas de transferencia de calor el resultado de este balance sería:

𝑘𝑝𝛿𝑝𝑑2𝑇𝑝

𝑑𝑥2− 𝑈𝐿(𝑇𝑝 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) + 𝐼(𝜏𝛼)

Cuyas condiciones de contorno son:

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 0 → 𝑑𝑇𝑝

𝑑𝑥= 0

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑥 =𝑊 − 𝐷

2 → 𝑇𝑝 = 𝑇𝑏

Para simplificar y cambiar la ecuación diferencial llamaremos 𝑆 = 𝐼(𝜏𝛼), y además definimos dos nuevos

parámetros:

35


Temperatura equivalente (𝜃):

𝜃 = 𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −𝑆

𝑈𝐿

Parámetro m (𝑚):

𝑚 = √𝑈𝐿𝑘𝑝𝛿𝑝

Si resolvemos la ecuación diferencial introduciendo estos nuevos parámetros la solución para el campo de

temperaturas sería:

𝜃𝑝(𝑥) =𝜃𝑏 cosh(𝑚𝑥)

cosh (𝑚(𝑊 − 𝐷)

2)

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑥 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 0 𝑦 𝑊 − 𝐷

2

Energía útil transferida al fluido

Conociendo como es el campo de temperaturas en la placa absorbedora, podemos determinar la expresión del

flujo de calor desde la placa hacia la base del tubo, sabiendo que dicho flujo procede de los dos lados del tubo.

𝑞𝑝𝑏 = −2𝑘𝑝𝛿𝑝𝑑𝑇𝑝𝑑𝑥

= −2𝑘𝑝𝛿𝑝𝑑𝜃𝑝𝑑𝑥

Definimos F como el factor de eficiencia de la aleta:

𝐹 =𝑡𝑔ℎ (

𝑚(𝑊 − 𝐷)2 )

𝑚(𝑊 − 𝐷)2

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑥 =𝑊 − 𝐷

2 → 𝑞𝑝𝑏 = −(𝑊 − 𝐷)𝐹𝑈𝐿𝜃𝑏

Para poder determinar la energía útil transferido al fluido realizamos un balance de los flujos de calor sobre la

placa, como aparece en la figura 2-13.


36

Figura 2-13: Balance de los flujos de calor sobre la placa. Energía útil transferida.

La energía útil recibida por la parte superior del tubo, 𝑞𝑏, es el siguiente:

𝑞𝑏 = 𝐷(𝑆 − 𝑈𝐿(𝑇𝑏 − 𝑇𝑎𝑚𝑏)) = −𝐷𝑈𝐿𝜃𝑏

Completando el balance, vemos que la energía útil total transferida al fluido de trabajo, 𝑞𝑢, será la suma de

𝑞𝑏 y 𝑞𝑝𝑏:

𝑞𝑢 = 𝑞𝑝𝑏 + 𝑞𝑏 = −𝑈𝐿[(𝑊 − 𝐷)𝐹 + 𝐷]𝜃𝑏

Por otro lado sabemos que la expresión para la energía transferida desde una placa plana con conductancia 𝐶𝐵

a un tubo de diámetro externo D, diámetro interno 𝐷𝑖, y un coeficiente convevtivo entre el tubo y el fluido ℎ𝑓

es la siguiente:

𝑞𝑢 =𝑇𝑏 − 𝑇𝑓

𝑅=𝜃𝑏 − 𝜃𝑓

𝑅

Siendo R el valor de la resistencia al calor expresado como:

𝑅 =1

𝐶𝐵+

1

𝜋𝐷𝑖ℎ𝑓

Por tanto el valor de 𝜃𝑏 queda determinado y llegamos a una expresión de la energía útil transferida:

𝑞𝑢 = −𝑊𝑈𝐿𝐹´𝜃𝑓

Definiendo 𝐹´ como el factor de eficiencia del captador. Este valor depende de la disposición de los tubos

conectados a la placa absorbedora y se define como el cociente entre la resistencia a la transferencia de calor

entre la placa y el ambiente, es decir, el coeficiente global de transferencia de la placa,1/𝑈_𝐿, y la resistencia

de calor entre el fluido y el ambiente, 1/𝑈0:

37


𝐹´ =

1𝑈𝐿

𝑊(1

𝑈𝐿(𝐷 + (𝑊 − 𝐷)𝐹)+ 𝑅)

𝐹´ =

1𝑈𝐿1𝑈0

El factor de eficiencia del captador depende levemente del caudal que circula por los tubos ya que R depende a

través del coeficiente convectivo. No obstante, este valor es muy débil respecto a la conductancia de la placa y

la cámara de aire que son las resistencias de calor controlantes.

Campo de temperaturas del fluido

Para definir el comportamiento del fluido en el captador solar también debemos conocer el campo de

temperaturas del fluido calorportador a lo largo de su paso por los tubos. Esto podemos hacerlo de forma

similar al modo empleado para conocer el campo de temperaturas sobre la placa, con la excepción de que

ahora la dirección del fluido es sobre otro eje, en este caso el eje Y. Haciendo un balance térmico sobre un

elemento diferencial de un tubo (figura 2-14) llegamos a una expresión para el campo de temperaturas.

Figura 2-14: Balance energético sobre elemento diferencial de uno de los tubos.

�̇�𝐶𝑝𝑑𝑇𝑓

𝑑𝑦+ 𝑞𝑢 = 0

Que, sustituyendo por el valor de la energía útil transferida anteriormente obtenida, nos quedaría la siguiente

expresión:

�̇�𝐶𝑝𝑑𝜃𝑓

𝑑𝑦+𝑊𝐹´𝑈𝐿𝜃𝑓 = 0

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑦 = 0 → 𝜃𝑓 = 𝜃𝑓𝑒


38

Resolviendo la ecuación diferencial llegamos a una expresión para el campo de temperaturas del fluido:

𝜃𝑓(𝑦) = 𝜃𝑓𝑒𝑒𝑥𝑝[−𝑈𝐿𝑊𝐹´

𝑚𝑡𝑢𝑏𝑜̇ 𝐶𝑝𝑦]

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑦 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 0 𝑦 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜

Con esto ya podemos obtener una expresión para la temperatura de salida del captador solar, y por

consiguiente, el factor de evacuación de calor

𝑇𝑓𝑠 = ((𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −𝐼(𝜏𝛼)

𝑈𝐿)exp(

−𝑈𝐿𝑊𝐹´

𝑚𝑡𝑢𝑏𝑜𝐶𝑝̇𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜)) + 𝑇𝑎𝑚𝑏 −

𝐼(𝜏𝛼)

𝑈𝐿

𝐹𝑅 =𝐺𝐶𝑃𝑈𝐿

[1 − exp(−𝑈𝐿𝐹´

𝐺𝐶𝑝)]

Una vez que tenemos estas expresiones, debemos analizar la influencia del caudal en cada uno de los

parámetros que aparecen en la expresión del rendimiento del captador:

𝑈𝐿: No depende del caudal.

𝐹´: Depende muy débilmente del caudal, ya que lo hace a través del coeficiente convectivo de la resistencia R,

y este valor es muy débil respecto a la conductancia de la placa y la cámara de aire que son las resistencias de

calor controlantes en dicha resistencia.

𝐹𝑅: Depende directamente del caudal.

𝑇𝑓𝑠: Podemos ver claramente que la temperatura de salida del fluido del captador depende del caudal que

circule por los tubos.

En la gráfica de la figura podemos ver la influencia del caudal en el comportamiento del captador,

representado como 𝐹´´ = 𝐹𝑅/𝐹´

Figura 2-15: Influencia del caudal en el comportamiento del captador

39

3 ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DEL CAUDAL EN

SISTEMAS DE ACS

3.1 Introducción

La importancia que va adquiriendo la energía solar térmica a nivel mundial hace que se esté siempre buscando

optimizar su rendimiento. En este proyecto nos centramos en cómo puede influir el uso de un caudal diferente,

no convencional, en el funcionamiento de la instalación.

Los sistemas de agua caliente sanitaria comúnmente trabajan con caudales que varían entre 0.01 y 0.02

𝐾𝑔/𝑠𝑚2. Los sistemas de bajo flujo trabajan con caudales del orden de 0.001 a 0.002 𝐾𝑔/𝑠𝑚2.

Estos sistemas son muy interesantes porque debido a la baja velocidad que tiene el fluido calorportador hace

que los costes de instalación se vean reducidos ya que permite unos tubos con diámetros más pequeños sin que

la pérdida de carga aumente. Además, bajos caudales conllevan un aumento de la estratificación del tanque,

que se traduce en que la temperatura de entrada al captador sea menor y por lo tanto la potencia útil producida

por el sistema aumente.

Por otro lado, hay aspectos negativos que hay que analizar para llegar a una conclusión respecto al uso de

caudales reducidos en este tipo de sistemas. Una de las principales desventajas es que el factor de evacuación

de calor, 𝐹𝑅, disminuye cuando lo hace el caudal ya que es directamente proporcional a éste :

𝐹𝑅 =𝐺𝐶𝑝

𝑈𝐿[1 − exp(

−𝑈𝐿𝐹´

𝐺𝐶𝑝)]

La cuestión que se intenta resolver es si existe un caudal óptimo de funcionamiento de este tipo de sistemas.

Los máximos rendimientos se obtienen cuando el caudal que circula por el circuito primario, el circuito del

lado del captador es del mismo orden del caudal que circula por el circuito secundario, que engloba al tanque

de estratificación.

Cuando se habla de bajos caudales en el circuito primario, una pequeña desviación de éste parámetro puede

inducir en un importante cambio en el funcionamiento del sistema, afectando de manera considerable sobre el

rendimiento del sistema. Sin embargo, cuando se trabajan con caudales elevado en el circuito, el

funcionamiento del sistema es prácticamente insensible a variaciones en el caudal.

En este capítulo vamos a analizar la influencia que tiene el caudal en varios elementos de un sistema de ACS,

sobre el rendimiento del sistema. En primer lugar, hablaremos sobre la influencia de la distribución de los

tubos en el captador solar, después comentaremos la influencia de la estratificación en el depósito, y por último

estudiaremos el comportamiento de los intercambiadores de calor. Además, hay un apartado en el que se hace

un análisis del comportamiento de sistemas trabajando con caudales no convencionales basado en varias

simulaciones.

3.2 Influencia del caudal en sistemas de ACS

A la hora de optimizar el rendimiento en los sistemas de ACS, tradicionalmente se ha buscado maximizar el

factor de evacuación de calor, 𝐹𝑅, o bien reducir todo lo posible el coeficiente de pérdidas.

El hecho de aumentar el factor de evacuación de calor no tiene por qué traducirse en un aumento del

Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs

40

40

rendimiento, ya que a medida que la velocidad del flujo aumente, la temperatura a la entrada del captador solar

puede ser superior a lo deseable, aumentando de ese modo las pérdidas energéticas en forma de calor.

Este hecho puede deberse en parte a que el fluido no estratifica en el tanque y hay una circulación más

continua.

A continuación, vamos a analizar diferentes elementos de un sistema de ACS que influyen en el rendimiento

del sistema, y los efectos que tiene el uso de diferentes caudales en ellos.

3.2.1 Influencia de la distribución de tubos del captador solar.

3.2.1.1 Configuración de parrilla.

Este tipo de configuración consta de dos tuberías horizontales y una serie de tuberías conectadas de forma

vertical tal como se muestran en la Figura 3-1.

Figura 3-1: Configuración de parrilla de los tubos de captador solar

Para el análisis de la placa plana hacen falta determinar varias suposiciones (Duffie y Beckman):

- Los tubos horizontales pueden despreciarse ya que abarcan un área pequeña.

- Estos tubos horizontales proporcionan un flujo uniforme en los tubos.

- El flujo de calor es unidimensional.

- Los gradientes de temperatura alrededor de los tubos se pueden despreciar.

- Los gradientes de temperatura en la dirección del flujo y entre los tubos pueden ser tratados de forma

independiente.

Para analizar el comportamiento del flujo a través del captador solar hay dos factores que debemos controlar si

queremos estudiar cómo evoluciona el rendimiento en función de parámetros como el caudal: la distribución

de las presiones y el coeficiente de pérdida de calor.

Distribución de presiones

En primer lugar, vamos a centrarnos en la distribución de las presiones a lo largo de los tubos, ya que la forma

41


en que circula el fluido por los tubos no es uniforme y esto afectará al comportamiento de la instalación. Las

pérdidas de carga a lo largo de las tuberías son mayores en los extremos que en el centro de la placa, por ellos

los flujos más altos se darán en los tubos finales y los flujos más bajos en los centrales.

Se ha probado experimentalmente (Fanney y Klein,1985) que para caudales bajos de menos de 0.0025

𝐾𝑔/𝑠𝑚2 existe un desequilibrio en la distribución del flujo a través de un campo de captadores.

En las regiones que existe caudales más bajos, hay mayores pérdidas de calor y una eficiencia térmica más

baja debido a temperaturas más altas en esa zona. También se probó que la distribución de temperatura es más

desigual conforme el caudal es mayor.

En 1970, Dunkle probó que la eficiencia de un sistema de agua caliente sanitaria se reduce si el flujo está

distribuido de una forma no uniforme través de los tubos. Se encontró que el flujo en la parte central disminuía

en comparación con los extremos y esto provoca unas mayores pérdidas, y por consiguiente una reducción de

la eficiencia debido a las altas temperaturas en dichas zonas.

Gerhart y Gross (1985) dieron un coeficiente de pérdidas para las uniones en forma de T que fueron usados

para este tipo de configuración de los tubos. Estos coeficientes se usaban para determinar una longitud

equivalente de los tubos para calcular la pérdida de presión de la siguiente forma:

𝐿𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 =𝐾𝐷

𝑓

Donde K es el coeficiente de pérdidas dado por Gerhart y Gross, D el diámetro de tubería y 𝑓 el factor de

fricción. En la actualidad las fichas técnicas recomiendan un rango de caudales en los que especifican con una

gráfica como la de la figura 3-2, entre qué valores oscilarán las pérdidas de carga en los tubos del captador.

Dicha gráfica está extraída del catálogo técnico del captador solar 25-S4 Heliostar

Figura 3-2: Caudales y sus correspondientes pérdidas de carga

En referencia al caudal y no a la temperatura se llegó a la conclusión (Dayan,1997) de que a medida que el

caudal es reducido el flujo a través de la placa se distribuye de una forma más uniforme.

En la figura 3-2 se muestra la ratio entre el caudal a través de los tubos verticales y el flujo entrante en el

captador en función del número de tubos.

Puede verse que a medida que el caudal másico aumenta, el flujo relativo a través de las tuberías centrales

(5,6,7,8,9,10,11,12) disminuye, mientras que el flujo relativo de los tubos de los extremos (1,2,3,4 y

13,14,15,16).


42

42

Figura 3-3: Distribución del flujo a través del captador en función de varios caudales.

Además, también se determinó la caída de presión en los tubos horizontales para una situación en la que el

agua entra por la parte baja de uno de los tubos y sale por la parte baja del tubo superior en el lado contrario al

que ha entrado. Es decir, para diferentes caudales se conoce la caída de presión a lo largo de los tubos

horizontales. (Figura 3-3).

Figura 3-4: Distribución de presiones a través de un captador en función de diferentes caudales.

Factor de evacuación de calor

Todo esto se ve reflejado en su influencia en el factor de evacuación de calor. A pesar de que se piense que un

caudal más alto hará que funcione mejor el sistema porque el factor de evacuación sea mayor, también hay que

tener en cuenta que al ser caudales menores tienen la ventaja de permitir que el depósito de acumulación se

encuentre más estratificado , y esto significa que el gradiente de temperatura a lo largo de la altura del depósito

43


será elevado, es decir que el fluido más caliente, el que se encuentra en la parte superior del tanque

estratificado, estará disponible para satisfacer la demanda requerida por el usuario, y el líquido más frio

circulará por la parte inferior del depósito y será la que vaya a la entrada del captador solar.

Una ventaja añadida es la disminución en el coste asociado al bombeo del fluido. Los sistemas de bajo caudal

pueden dar un mejor funcionamiento al sistema si se escoge una buena configuración de las tuberías del

captador. Ya ha sido demostrado que para un caudal bajo, la configuración de parrilla tendrá una distribución

uniforme del flujo, pero los flujos inferiores que circulan por las tuberías horizontales antes de cada tubería

vertical o elevador pueden afectar negativamente a los coeficientes de transferencia de calor y por lo tanto al

rendimiento.

3.2.1.2 Configuración de serpentín.

Esta configuración consiste en un conducto en forma de zigzag o serpentín, por el que circula el fluido unido a

una placa de absorción. (Figura 3-3).

Este tipo de captadores es una buena solución para los problemas de los captadores de parrilla, ya que, para

caudales bajos, las caídas de presión a través del serpentín son escasas. El uso de captadores que tenga una

configuración de serpentín permite que el flujo que puede soportar es mayor lo que hace que se pueda reducir

el diámetro de los tubos y aumentar el régimen turbulento del fluido.

El coeficiente interno de transferencia de estos sistemas hace que funcionen mejor que los tradicionales

sistemas con configuración de parrilla.

Figura 3-5: Configuración de serpentín de los tubos del captador solar.

Distribución de presiones

Con respecto a las pérdidas de presión a lo largo del serpentín, se pueden evaluar con la siguiente expresión:

𝑃 = 𝜌𝑓𝐿𝑒𝑞𝑣

2

2𝐷𝑖

Podemos ver claramente que las pérdidas aumentarán con la longitud del tubo y con la masa de flujo que

circule por él.

La razón por la que el uso de este tipo de captadores ha quedado en un segundo plano es la pérdida de presión,

la cual se acentúa con caudales mayores. En la figura 3-5 se representa una comparación entre las pérdidas de

presión que se producen en los dos tipos de configuraciones de los tubos expuestas.


44

44

Figura 3-6: Comparación de la pérdida de presión a través de la configuración de parrilla y de

serpentín para captadores solares planos.

La caída de presión en el serpentín es mucho mayor, sin embargo para caudales menores de 0.002 𝐾𝑔/𝑚𝑠2

los papeles se intercambian y este valor se situa por debajo de los 15kPa. Esta caída de presión tan elevada

para caudales mayores se traduce en gastos de impulsión mayores.

En la gráfica que muestra la figura 3-7 se representa la potencia de bombeo necesaria para un captador solar de

tipo serpentín en función del caudal específico que circula por el tubo. Podemos ver que dicha potencia para

un caudal de 0.002 𝐾𝑔/𝑚𝑠2 es aproximadamente de 0.1 W.

Figura 3-7: Potencia de bombeo necesaria para captador de tipo serpentín.

Factor de evacuación de calor

El factor de evacuación de calor para el serpentín de un captador es mucho más difícil de calcular que para uno

convencional, ya que, a diferencia del anterior, ahora si hay una transferencia de calor entre los tubos y el

45


serpentín.

Lund (1989) expresó el factor de evacuación de calor en función de la efectividad-NTU, determinando el

factor de forma según la conducción a través del tubo y la forma del tubo. Este análisis es más útil para

régimen turbulento ya que en estos casos se incrementa el coeficiente de transferencia. Para N=2, es decir, dos

pasos por los tubos, obtuvo resultados compatibles a los que obtuvo Zhang y Lavan (1985), que presentaron

una solución analítica donde decía que generalmente el factor de evacuación de calor tenía un máximo cuando

N=1 y un mínimo para N=2

Chiu y Perera (1986) también analizaron el serpentín del captador para diferente número de vueltas. Este

análisis mostraba que para la mayor parte del día la eficiencia del serpentín era menor que la eficiencia para un

captador solar plano convencional. Sin embargo, durante las primeras horas de la mañana y las últimas de la

tarde, la configuración de serpentín funciona mejor en términos de factor de evacuación de calor. Esto tenía

dos explicaciones, la primera, que había una mayor pérdida de presión que podía crear desequilibrios de flujo,

lo que conlleva a una pérdida en la transferencia de calor y la segunda, que el calor transferido entre el fluido y

la placa se va reduciendo conforme va saliendo del serpentín.

En la figura 3-7 podemos ver representado el efecto del diámetro de los tubos para un caudal dado de

0.002 𝐾𝑔/𝑠𝑚2. Como puede apreciarse, en la configuración de parrilla juega un papel poco importante. Sin

embargo para el captador tipo serpentín el diámetro del tubo es muy significativo, ya que un diámetro menor

provoca la aparición de régimen turbulento, lo que beneficia al factor 𝐹𝑅.

Figura 3-8: Efecto del diámetro de los tubos en captadores solares

Comparando la configuración de serpentín con los captadores convencionales de parrilla (Figura 3-8),

podemos destacar que funcionan mejor debido al alto coeficiente de transferencia para caudales mayores de

0.001 𝐾𝑔/𝑠𝑚2.


46

46

Figura 3-9: Comparación del factor de evacuación de calor entre la configuración de parrilla y

serpentín para captadores solares planos.

Conclusiones

A modo de resumen podemos decir que la distribución del flujo a través de la configuración de parrilla tiene

un mejor rendimiento si se trabajan con caudales más reducidos, que disminuyen los desequilibrios de flujo.

Sin embargo, esta configuración sufre la disminución de energía útil, consecuencia del uso de menores

caudales. Los captadores que usan configuración de serpentín funcionan ligeramente mejor que éstos con el

mismo área, diámetro de tubos y separación entre ellos. Esto se debe al inicio más temprano del régimen

turbulento, que aumenta el coeficiente de transferencia de calor y por tanto el rendimiento. Sin embargo,

cuando el flujo empieza a ser turbulento, la potencia requerida para el bombeo se incrementa de forma muy

significativa.

3.2.2 Influencia de la estratificación en el tanque

Otra forma de optimizar el rendimiento es precisamente controlando la estratificación en el tanque de

almacenamiento del fluido calorpotador. El aumento de la estratificación hace que exista un gradiente de

temperaturas a lo largo del tanque.

Se ha confirmado experimentalmente que con caudales bajos existe una mayor estratificación (Fanney y

Klein,1988). Llegaron a la conclusión de que el caudal óptimo estaba entre un 10 y un 30% del caudal usado

en los sistemas típicos de circulación forzada. En sus ensayos testaron dos sistemas de ACS, uno con un caudal

de 0.02 𝐾𝑔/𝑠𝑚2, reconmendado por el fabricante y otro sistema basado en las observaciones sobre la

estratificación del tanque dadas por Van Koppen (1979) y Wuestling (1983) con un caudal de 0.0033 𝐾𝑔/𝑠𝑚2.

El sistema que trabajaba con un caudal inferior obtuvo un 8% más de energía útil entregada y un 10% menos

de energía auxiliar consumida.

La simulación del tanque de estratificación puede realizarse según un enfoque multi-nodo o un enfoque de

flujo-pistón. Para ver el efecto que tiene la estratificación en el funcionamiento de los sistemas de ACS se

utiliza un enfoque multi-nodo (Dayan 1997) que consiste en representar el depósito como un conjunto de N

secciones y realizar balances energéticos individuales a cada nodo.

Si se simula únicamente con un nodo, sería lo mismo que hablar de un depósito completamente mezclado, y a

medida que se fueran aumentando nodos, la estratificación sería mayor. Se testó para dos ubicaciones

diferentes, Madison (Wisconsin) y Miami (Florida), y poder así sacar conclusiones.

47


Figura 3-10: Sensibilidad de la estratificación en el tanque (número de nodos) en la fracción solar con

respecto al caudal. Madison, Wisconsin.

Figura 3-11: Sensibilidad de la estratificación en el tanque (número de nodos) en la fracción solar con

respecto al caudal. Miami, Florida.

Otro factor a tener en cuenta es el tamaño del depósito de almacenamiento. Un volumen reducido puede

traducirse en una recirculación forzosa, mientras que un tanque sobredimensionado puede conllevar unas

pérdidas muy grandes por convección al ambiente, además de unos costes iniciales mucho más elevados. En la

figura 3-12 se representa los efectos de variar el volumen del tanque respecto a la carga diaria media en dos

localidades diferentes. Las pérdidas del tanque se asumen despreciables, pero si fueran incluidas, al aumentar

el volumen las pérdidas aumentarían y por consecuencia el rendimiento disminuiría.


48

48

En la gráfica queda evidenciado que el volumen óptimo no depende de la localización, y que para la carga

dada el volumen óptimo sería de aproximadamente 0.4 𝑚3. Si el volumen fuera menor no permitiría la

estartificación en el depósito, y si fuera mayor no tendría efectos positivos sobre el rendimiento debido a las

pérdidas convectivas por un área de transferencia mayor.

Conclusiones

Una reducción del flujo puede traducirse en un incremento del calor útil ganado, gracias a la estratificación en

el depósito. Sin embargo, el volumen de almacenamiento, la carga media y su distribución, tienen diferentes

efectos sobre el caudal óptimo debido a la recirculación que se produce. Es por eso que el volumen del tanque

debe ser seleccionado de una forma cuidadosa para asegurar que para el caudal con el que se trabaje se

alcanzará un óptimo en el rendimiento del sistema.

3.2.3 Influencia del intercambiador de calor

Un aspecto importante en sistemas de ACS es la protección frente a congelaciones. Una de las formas más

usuales de hacer esto es mediante un sistema de circuito cerrado con un intercambiador de calor, ya que el

intercambiador permite circular liquido anticongelante en el lado del captador solar.

Además, el intercambiador permite una mayor circulación a través del captador promovido por un aumento en

el factor de evacuación de calor sin afectar directamente a la estratificación del tanque. Por desgracia el

intercambiador de calor lleva asociado un rendimiento térmico, así como un coste inicial y de instalación.

Revisando la bibliografía para este trabajo parece que ha existido cierta controversia con respecto a si existe un

caudal óptimo para ambos lados del intercambiador. Según Hollands (1992) existe un óptimo si el UA del

intercambiador se considera una variable fija. Llegó a este supuesto contradiciendo a Fanney y Klein (1988),

quienes postularon que no había caudales óptimos para un sistema con intercambio de calor, alegando que

usaron un intercambiador cuyo UA era muy variable en función del caudal.

Se probó experimentalmente (Fanney y Klein,1988) que reducir el caudal que circulaba por el lado del tanque

de almacenamiento en un sistema de ACS no se traducía en una mejora considerable. Los experimentos

consistían en una mezcla de etileno circulando a través del circuito primario con un caudal de 0.0151𝐾𝑔/𝑠𝑚2.

Se hizo pasar diferentes caudales por el otro circuito del sistema de 0.020 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 y 0.0025 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 y se

probó que el sistema con menos caudal circulante por el tanque requería un 7% más de energía auxiliar. Sin

embargo, es difícil determinar si estos experimentos son suficientes para determinar un caudal óptimo

La disminución del rendimiento con el caudal más bajo se explica por una disminución importante en el UA

del intercambiador que resulta con dicho caudal.

Las pérdidas por el intercambiador de calor se ven más que contrarrestadas por la mejora de ganancia debido a

la estratificación del tanque.

Efectividad del intercambiador

La efectividad de un intercambiador, 휀, se puede definir como la cantidad de calor que transfiere comparada

con la máxima posible que pudiera transferir.

휀 =𝑄𝑖𝑛𝑡

(�̇�𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛∆𝑇𝑚𝑎𝑥

Siendo ∆𝑇𝑚𝑎𝑥 la diferencia entre la temperatura de entrada del fluido caliente y la temperatura de salida del

fluido frio.

El parámetro NTU lo podríamos definir como el número de unidades de transferencia y expresa la dimensión

del intercambiador:

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𝑁𝑇𝑈 =𝑈𝐴

(�̇�𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛

Siendo A el área de transferencia de calor en 𝑚2 y U el coeficiente de transferencia del intercambiador en

𝑊/𝑚2𝐾, cuyo valor puede obtenerse de la siguiente forma:

1

𝑈𝐴=

1

ℎ𝑖𝐴𝑖+ln (𝐷𝑜𝐷𝑖)

2𝜋𝑘𝐿

1

ℎ𝑜𝐴𝑜

Siendo ℎ𝑖 , ℎ𝑜 𝑦 𝐷𝑖 , 𝐷𝑜 los coeficientes de convección y los diámetros internos y externos, respecivamente.

L, expresada en metros es la longitud equivalente del intercambiador.

Dependiendo de la disposición o configuración del flujo y la geometría del intercambiador, se usarán unas u

otras correlaciones para hallar la efectividad del intercambiador, dada su NTU o viceversa.

Un método efectivo para analizar el impacto que tiene el intercambiador en el sistema de ACS es usando una

corrección del factor de evacuación de calor del captador solar:

𝐹𝑅´

𝐹𝑅= [1 + (

𝐹𝑅𝑈𝐿𝐴

(𝑚𝐶𝑝)𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 )((𝑚𝐶𝑝)𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟

휀(𝑚𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛− 1)]

De esta forma podemos valorar como afecta la eficiencia del intercambiador a nuestro sistema (Figura 3-9).

Este valor indica el área adicional de captador requerida para entregar la misma cantidad de energía útil.

Figura 3-12: Factor de corrección del intercambiador de calor.


50

50

Los sistemas que trabajan con caudales bajos tenderán a tener un factor de evacuación de calor más reducidos

que los que trabajan con caudales de flujo convencionales, por lo que la mejora en el funcionamiento del

sistema se basa en la reducción de la temperatura de entrada a la placa, debido a la mejora en la estratificación

del tanque. El factor de corrección del intercambiador falla cuando se quiere predecir adecuadamente el

comportamiento del sistema para un caudal bajo con tanque de estratificación.

Haciendo un inciso, la figura 3-10 demuestra el rendimiento de un intercambiador para un caudal por el

circuito secundario de 0.0035 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 frente a varios caudales distintos por el primario. El ensayo está

realizado para dos longitudes diferentes del intercambiador, 0.15 m. y 0.75 m. Según podemos ver en el

gráfico, el intercambiador tiene mejor rendimiento trabajando con flujos convencionales, que con flujos más

bajos. También podemos apreciar un salto drástico en torno a 0.005 𝐾𝑔/𝑠𝑚2, y la explicación es sencilla, es

en ese momento cuando se produce el paso de régimen laminar a régimen turbulento.

En sistemas de ACS, si el tamaño del intercambiador es pequeño, tiene una longitud equivalente reducida,

pueden existir grandes diferencias en el rendimiento si hablamos de un caudal convencional o un caudal bajo.

Figura 3-13: Efectividad de un intercambiador en función del caudal circulante para dos longitudes

equivalentes.

En la búsqueda por encontrar un óptimo caudal para sistemas que incorporen un intercambiador de calor, en el

texto ya citado en varas ocasiones de la tesis de M.Dayan (1997) se hacen varias simulaciones para un mismo

sistema con las siguientes características:

- Área captador solar: 3.185 𝑚2

- Volumen del depósito: 0.4 𝑚3

- Carga media: 0.0035 𝐾𝑔/𝑠𝑚2

Sin variar la geometría del intercambiador, se va variando los (𝑚𝐶𝑝)𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 y (𝑚𝐶𝑝)𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 , es decir, los

caudales a ambos lados del intercambiador. Se representa el NTU del intercambiador en el eje de abscisas para

poder comparar fácilmente los diferentes caudales para un intercambiador con el mismo NTU.

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Figura 3-14: Demanda cubierta frente a NTU para un caudal por el captador de 0.004 𝑲𝒈/𝒔𝒎𝟐



52

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Como resultados se puede comprobar que la máxima fracción solar útil está entre 0.63 y 0.64, entendiendo

como fracción solar la demanda cubierta y siempre ocurre para una NTU en torno a seis.

Sabiendo que una UA más pequeña es lo mismo que decir que el intercambiador será más pequeño y

económico, podemos apreciar que a caudales más bajos y ratios (𝑚𝐶𝑝)𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟/(𝑚𝐶𝑝)𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 menores, los

intercambiadores resultantes serán más reducidos. Como podemos ver, por ejemplo, comparando el UA

resultante para un caudal en el captador y en el lado del tanque de 0.004 𝐾𝑔/𝑠𝑚2, es decir, ratio igual a 1, de

valor 273 𝑊/𝑚2 (Figura 3-7) con el UA para un caudal de 0.015 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 y un ratio de 3, es decir, un caudal

por el lado del tanque tres veces menor que el caudal que pasa por el captador, de valor 1026 𝑊/𝑚2 (Figura

3-8) .

Se puede llegar a la conclusión que existe unas dimensiones para el intercambiador y unos caudales que

optimizan el sistema desde el punto de vista térmico y económico.

El caudal que circule por el lado del tanque del intercambiador debe ser siempre aproximadamente igual que la

carga media para que, en términos térmicos, se habla de un funcionamiento óptimo del sistema. Además,

también incurrirán indirectamente en una reducción de costes. Caudales más bajos se traducen en sistemas

hidráulicos más baratos. Para caudales mayores del fluido que circula por la parte del captador, el caudal

óptimo del tanque afecta menos al funcionamiento, por lo tanto, un incremento en el caudal puede que haga

funcionar algo mejor el sistema, pero que los costes económicos se vean fuertemente incrementados.

Para un intercambiador dado, unos caudales mayores pueden incrementar la eficiencia del sistema, pero esto

puede incurrir en mayores costes debido al bombeo y circulación de mayor masa.

Usar diferentes fluidos anticongelantes, con otros calores específicos también pueden ayudar al

funcionamiento del sistema.

Resumiendo, sí que hay caudales óptimos para cada sistema y situación a ambos lados del intercambiador,

como ya predijera Hollands. El desacuerdo anteriormente expuesto frente Fanney y Klein se debe a que se

examinó como evolucionaba el sistema cuando se hacían funcionar con caudales más elevados.

Para ver el efecto que tiene sobre el tamaño del intercambiador (UA) algunos aspectos como el uso de uno u

otro anticongelante o el caudal óptimo a usar se dispondrá de una simulación de un intercambiador de calor de

carcasa y tubos con UA de 250 𝑊/𝑚2𝐾 aproximadamente para un caudal por el lado del captador y del lado

del tanque, ambos de 0.004 𝐾𝑔/𝑠𝑚2. El fluido usado en el lado del captador suele ser una solución al 50% en

glicol, aunque también puede usarse etileno glicol o propileno glicol. La dependencia de la viscosidad de

ambos anticongelantes con la temperatura es muy grande. A bajas temperaturas son muy viscosa y si además

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nos encontramos en régimen laminar el coeficiente de transferencia se ve significativamente reducido.

Figura 3-17: Intercambiador de carcasa y tubos.

El gráfico de la figura 3-15 muestra la variación del tamaño del intercambiador con la temperatura, para

iguales caudales a ambos lados del mismo usando dos anticongelantes diferentes. Se puede apreciar que el

cambio de régimen turbulento se produce a unos 20º para flujos convencionales, y a unos 66º para caudales

más bajos para etileno glicol. El incremento de la viscosidad del glicol impide el inicio de la turbulencia, que

es fundamental para el coeficiente de transferencia de calor del intercambiador.

Figura 3-18: Variación de UA de un intercambiador de carcasa y tubo con la temperatura, usando

caudales y anticongelantes diferentes.

Conclusiones

Los intercambiadores de carcasa y tubo dependen mucho de las variaciones de las propiedades del fluido que

los atraviesa según su temperatura. El etilenglicol da mejores resultados que el propilenglicol, pero éste

anticongelante es tóxico y es necesario un intercambiador de doble tubo. Cuando usamos este anticongelante

un aumento del caudal se transforma en un funcionamiento mejor del sistema. Esto se debe al régimen

turbulento que provoca, y por consiguiente a una mejora en la transferencia de calor, cosa que no ocurre a

bajos caudales debido a la viscosidad de éstos.

El rendimiento del sistema se incrementa con la estratificación en el depósito de almacenamiento. El caudal

óptimo en el lado del tanque siempre se encuentra muy cerca de la carga media. Pequeñas variaciones de éste

caudal puede disminuir drásticamente el rendimiento del sistema.

Hollands (1989) parece que acertaba al decir que existe un caudal óptimo si se fija el UA del intercambiador.


54

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Incluso sin fija este parámetro existe un óptimo económico para fijar el caudal. Los resultados obtenidos por

Fanney y Klein también son correctos, para un caudal dado por el lado del captador, si el caudal que pasa por

el lado del tanque es más grande que la carga media, la influencia sobre el rendimiento es despreciable.

3.3 Análisis del comportamiento de sistemas trabajando con caudales no convencionales

3.3.1 Descripción de los sistemas de ACS

Para analizar cómo influye el caudal en los sistemas de ACS de una manera experimental me ayudaré de las

simulaciones realizadas por M.Dayan basadas en cuatro sistemas con diferentes configuraciones y caudales

que son testados en cuatro localizaciones con climas muy variados de los Estados Unidos: Albuquerque

(Nuevo México), Madison (Wisconsin), Miami (Florida), Washington (DC)

Sistema 1

Sistema que trabaja con caudal bajo y sin intercambiador de calor. Captador solar de tipo serpentín de 18 pasos

y un área de 3.185 𝑚2 por el que pasa un caudal de 0.0035𝐾𝑔/𝑠𝑚2. El depósito tiene un volumen de 0.4 𝑚3

y se usan 20 nodos para modelar la estratificación en él.

Sistema 2

Este sistema incorpora un intercambiador de calor. El fluido anticongelante usado es etilenglicol. El

intercambiador de calor es de carcasa y tubo con UA 250𝑊/𝑚2𝐾. El sistema utiliza un caudal bajo similar al

primero, siendo el caudal que circula por el circuito primario 0.004 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 y 0.0035 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 por el

secundario. El tanque se modela nuevamente usando 20 nodos.

Sistema 3

Se trata de un sistema con un caudal convencional sin intercambiador de calor. Captador solar con

configuración de parrilla con un caudal de 0.02 𝐾𝑔/𝑠𝑚2. El tanque también se modela con 20 nodos.

Sistema 4

El último sistema es similar al anterior, pero con un intercambiador de calor. El caudal que circula por el

circuito secundario se mantiene en 0.0035 𝐾𝑔/𝑠𝑚2

3.3.2 Resultados de las simulaciones

Simulación en Albuquerque (Nuevo México)

El captador se simula con una pendiente de 35º para maximizar la radiación solar captada.

Debido a las condiciones climáticas de la zona, el rendimiento del sistema es muy bueno usando el sistema 4,

es decir, un sistema con un caudal convencional con intercambiador de calor. No se consideran los meses en

los que la temperatura bajan de cero grados Celsius. El rendimiento del sistema en Albuquerque se muestra en

la Figura 3-14

55


Figura 3-19: Rendimiento de los sistemas de ACS en Albuquerque (Nuevo México)

Puede apreciarse que los sistemas sin intercambiador de calor funcionan mejor durante los meses de verano.

Además, en estos meses los sistemas que trabajan con caudales más bajos y sin intercambiadores de calor

funcionan mejor que los sistemas con caudales convencionales.

El intercambiador de calor es necesario en esta zona debido a las bajas temperaturas que se dan en los meses

de inviernos para impedir congelaciones. El intercambiador de calor permite incrementar la demanda cubierta

en un sistema con caudal reducido desde 44% hasta el 64%. Para este sistema, y en esta zona, los sistemas con

caudales convencionales funcionan mejor que los de bajo caudal. En comparación, el rendimiento es superior

en más de diez puntos.

Tabla 3-1: Rendimiento de los sistemas ACS en Albuquerque (Nuevo México)

Simulación en Madison (Wisconsin)

Para la latitud de esta zona se ha optado por una inclinación del captador solar de 40º. El rendimiento de los

sistemas para esta zona climática se resume en la tabla 3-2.

El rendimiento evoluciona de una manera similar a como lo hace en Albuquerque, teniendo incluso periodos


56

56

más largos de posibles congelaciones, por lo que es aún más necesario la incorporación de intercambiador de

calor.

Sistema Descripción Demanda cubierta

1 Sistema de bajo caudal sin intercambiador de calor 0.30

2 Sistema de bajo caudal con intercambiador de calor 0.39

3 Sistema convencional sin intercambiador de calor 0.29

4 Sistema convencional con intercambiador de calor 0.46

Tabla 3-2: Rendimiento de los sistemas ACS en Madison (Wisconsin)

El aporte del intercambiador tanto en los sistemas que trabajan con caudal bajo, como con los que lo hacen con

caudales convencionales les suma un plus de mejora. La razón por la cual en los meses de frio el rendimiento

sea tan bajo se debe a la combinación de dos efectos obvios, por un lado, la disminución de la radiación solar,

y por otro, la disminución drástica de la temperatura ambiente.

Figura 3-20: Rendimiento de los sistemas de ACS en Madison (Wisconsin)

Simulación en Miami (Florida)

Para la simulación del sistema de ACS en Miami se optimiza la inclinación del captador solar para maximizar

su rendimiento y se coloca formando 25º con la horizontal.

El clima en Miami, hace que el uso de intercambiadores de calor sea innecesario. En ningún momento del año

se va a trabajar con temperaturas cercanas o inferiores a 0º Celsius.

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Sistema Descripción Rendimiento





Tabla 3-3: Rendimiento de los sistemas de ACS en Miami (Florida)

Además, según la tabla mostrada, vemos que los sistemas que trabajan con caudales bajos funcionan de una

forma más eficiente que los que trabajan con flujos convencionales. Trabajar con caudales bajos permite una

estratificación en el tanque mayor, lo que conlleva a que las temperaturas de entrada al captador sean más

bajas, algo que aumenta el rendimiento del sistema.

Debido a las condiciones meteorológicas de esta zona, podemos apreciar que no existen unas diferencias

brutales en el rendimiento entre los meses de frio y los de calor.

Figura 3-21: Rendimiento de los sistemas de ACS en Miami (Florida)

Simulación en Washington (DC)

La última de las simulaciones se lleva a cabo en Washington, con una latitud de 39º, por lo que la inclinación

del captador para alcanzar un máximo en el funcionamiento de los diferentes sistemas de ACS que se ha

tomado es de 40º.

El clima en esta zona es más parecido al clima de Madison, que incluye 6-7 meses en los que las temperaturas

pueden descender de los 0º Celsius.


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Sistema Descripción Demanda cubierta





Tabla 3-4 : Rendimiento de los sistemas de ACS en Washington (DC)

Esta localización es la más desfavorable para instalar este tipo de sistemas, y queda reflejado en los

rendimientos, que son muy bajos. Sistemas que trabajan sin intercambiador de calor, hace que el rendimiento

lógicamente caiga mucho, sin depender en exceso de si se trabaja con un caudal u otro.

Figura 3-22: Rendimiento de los sistemas de ACS en Washington (DC)

El rendimiento de estos cuatro sistemas depende mucho de la localización en que trabajen. Aquellos

emplazamientos donde a lo largo del año se daban las temperaturas más bajas era necesario el uso de

intercambiadores de calor para evitar congelaciones en el sistema. En los meses de mayor irradiación se podría

mejorar el rendimiento haciendo que la inclinación de la placa diera lugar a que los rayos incidentes del Sol

adoptaran una entrada óptima en la superficie absorbedora. Sin embargo, en los meses de inviernos, esta

inclinación haría que la penalización fuera mucho mayor y en términos globales anuales se sufriría una pérdida

de rendimiento.

Los sistemas que trabajan con caudales más bajos que los sistemas convencionales funcionan igual o mejor

que éstos. Comparando numéricamente los resultados, en Albuquerque, Madison y Washington las mejoras en

los rendimientos son prácticamente inexistentes, tan sólo un aumento entre 1 y 2 puntos con respecto a los

sistemas convencionales. Sin embargo, Miami, que es la que presenta un mejor clima para este tipo de

instalaciones, incrementa su rendimiento en un 5% usando caudales más bajos que los convencionales. Pero la

verdadera ventaja de trabajar con menores caudales reside en las reducciones de costes de la instalación, que

permite tuberías de menos diámetro que se traduce en un ahorro inicial en materiales, así como una reducción

en los costes de operación debido a la reducción de los costes de bombeo del fluido.

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4 RESUMEN Y CONCLUSIONES

4.1 Resumen

Este proyecto se estructura en tres apartados diferenciados, un primer capítulo de introducción, uno centrado

en el captador solar y otro para estudiar la influencia del caudal sobre el rendimiento.

Lo primero que encontramos en el capítulo de introducción es una revisión bibliográfica sobre artículos y tesis

relacionados con los sistemas que trabajan con caudales bajos, que nos sirve para tener una vista general de la

preocupación a lo largo de los años sobre este tema, y además servirán de apoyo para la realización del

proyecto en sí.

En el primer capítulo de introducción se quiere poner de manifiesto la importancia de aprovechar la energía

solar. Según datos de la Solar Heat Worldwide de 2014 hay una capacidad mundial instalada de 406 Gw,

únicamente superada por otra energía renovable, la eólica. De toda esta capacidad instalada, Europa representa

un 12%, mientras que la primera potencia en este sector sigue siendo China con un 70% de esta capacidad.

Después hay otra parte importante dentro del primer apartad en el que se definen los elementos de un sistema

de ACS y se clasifican los diferentes sistemas de energía solar para ACS.

El segundo capítulo se centra en el elemento principal de todo sistema de energía solar para ACS, el captador.

Aquí se definen todos los elementos que la componen y su funcionalidad dentro del sistema, así como el

principio de funcionamiento por el que se rige el captador. Además de esto se definen las ecuaciones del

modelo en régimen permanente de un captador, teniendo en cuenta la reflectividad y absortividad en medios

semitransparentes para el cálculo del producto (𝜏𝛼), y el coeficiente global de pérdidas del captador.

El tercer capítulo explica la influencia que tiene en el rendimiento de los sistemas de ACS el caudal que circule

por el interior de los tubos. En primer lugar, se habla sobre cómo se ha buscado tradicionalmente optimizar el

rendimiento de los captadores, para después indicar la influencia de la distribución de los tubos, de la

estratificación en el tanque y del intercambiador de calor en el sistema.

Finalmente, hay un apartado en el que se hace un análisis del comportamiento de sistemas trabajando con

caudales no convencionales. Este estudio se apoya en simulaciones extraídas de una de las tesis que se indican

al inicio del proyecto en el apartado del estado del arte, y para cada sistema y localización va comparando el

rendimiento y así poder sacar conclusiones.

4.2 Conclusiones

Uno de los objetivos de este proyecto era analizar el comportamiento de los sistemas para ACS cuando

trabajan con caudales bajos. Cuando esto ocurre, hay dos consecuencias directas sobre el sistema, y sobre su

rendimiento. La primera es que un caudal más reducido implica que la estratificación en el depósito de

acumulación aumente, por lo que tendremos el agua más caliente disponible para la demanda solicitada y, por

otro lado, el agua que sale por la parte inferior del depósito hacia el captador solar está a una temperatura

menor. Y esto es otro aspecto positivo, ya que, si la temperatura de entrada al captador es menor, las pérdidas

por convección del captador son menores, y si las pérdidas térmicas son menores, el rendimiento es mayor.

Parece evidente que si se trabaja con caudales menores y, por lo tanto, el factor de evacuación de calor sea

menor, esto afecte negativamente al rendimiento, pero no tiene por qué ser así ya que a medida que la

velocidad del flujo va disminuyendo, la temperatura de entrada al captador puede reducirse, lo que se traduce

en unas pérdidas térmicas menores.

Se traten de caudales convencionales o no, se ha comprobado que los mejores rendimientos se obtienen

cuando los caudales del circuito primario y secundario son del mismo orden.

Resumen y conclusiones

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Respecto a las placas de parrilla, podemos decir que caudales menores hacen que la distribución de

temperaturas sufra un desequilibrio, pero que conforme los caudales son menores el flujo se distribuya de una

forma más uniforme.

Otro aspecto que debemos valorar es el hecho de que al trabajar con caudales menores los costes de operación

debidos al bombeo se reducen y, además permiten que el diámetro de los tubos sea menor, algo que ahorra

costes de instalación.

Según las simulaciones de las que se han extraído los datos, hay otros dos factores muy importantes antes de

valorar si es mejor un caudal de trabajo u otro y son la localización de la instalación y el clima de esa zona.

El sistema que presentaba los mejores rendimientos era un sistema convencional con un intercambiador de

calor en un clima donde era necesario el uso de intercambiador para evitar problemas de congelación en la

placa. Sin embargo, usando caudales reducidos en un clima como el de Miami, que es más estable durante

todo el año, el rendimiento anual era de casi 5 puntos por encima que el de los sistemas convencionales.

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