EVALUACIONES PRELIMINARES DE UN TUBO DE VACIO PARA TERMA SOLAR

1. EVALUACIONES PRELIMINARES DE UN TUBO DE VACIO PARA TERMA SOLAR MSc. Ing. Pedro Bertín Flores Larico Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética de la U.N.S.A. (CER-EE- UNSA)

2. TEORIA HEAT PIPE • TUBO DE CALOR • Los tubos de calor se consideran dispositivos de acoplamiento térmico automodulados, que emplean el fenómeno de cambio de fase como mecanismo de transferencia de calor.

3. Tubo de Calor y sus componentes

4. Componentes principales • Un contenedor hermético de buena conductividad térmica. • Una pequeña cantidad de un fluido de trabajo que pueda cambiar de fase (por ejemplo agua, alcohol, etilenglicol, propilenglicol, amoníaco, etc.), sin gases no condensables.

5. Componentes principales • Un mecanismo de “bombeo interno de líquido”, por ejemplo una mecha o estructura capilar en el caso de un tubo de calor. • Un sistema de interconexión con el medio ambiente, con delimitación de zonas de transferencia de calor de entrada, de salida y zona adiabática

6. FUNCIONAMIENTO • Un extremo del tubo de calor (el evaporador) se calienta, el fluido de trabajo de esta zona se vaporiza absorbiendo un calor latente e incrementando localmente la presión que impulsa este vapor a través de la zona adiabática, hasta el otro extremo del tubo (el condensador)

7. FUNCIONAMIENTO • La temperatura es ligeramente inferior, produciéndose la condensación y la reducción local de presión favoreciendo el flujo másico del vapor en el núcleo del tubo y liberando el calor latente de cambio de fase induciendo el calentamiento del condensador.

8. FUNCIONAMIENTO • El liquido condensado fluye hacia el otro extremo del tubo (el evaporador) bombeado por efectos de la gravedad o efecto de fuerzas capilares.

9. COLECTORES DE VACÍO CON TUBO DE CALOR

10. COLECTORES DE VACÍO • El tubo de vacío es un cilindro de vidrio, con dos capas coaxiales entre las que se ha practicado el vacío. Está hecho de una única pieza, de forma que uno de sus extremos es cerrado y el otro abierto, siendo totalmente estanco. En su extremo inferior dispone de un soporte metálico entre ambas capas de vidrio, que le permiten absorber vibraciones.

11. COLECTORES DE VACÍO • Por el extremo abierto se introduce el Heat-Pipe, que queda así totalmente envuelto por el tubo de vacío, salvo por un extremo, lo que le permite su conexión al depósito. • Esta tecnología permite reducir en gran medida las pérdidas por convección y conducción al quedar el Heat-Pipe envuelto por el tubo de vacío.

12. COLECTORES DE VACÍO CON TUBO DE CALOR

13. COLECTORES DE VACÍO CON TUBO DE CALOR • En este tipo de colectores el intercambio de calor se realiza mediante la utilización de un tubo de calor, que conceptualmente consiste en un tubo hueco cerrado por los dos extremos, sometido a vacío y con una pequeña cantidad de fluido vaporizante (mezcla de alcohol) en su interior.

14. RECUBRIMIENTO SELECTIVO DEL TUBO DE VIDRIO INTERIOR • El tubo interior está tratado con recubrimientos selectivos, que proporciona la más alta eficiencia (95%) y estabilidad térmica, al tiempo que evita pérdidas térmicas inferiores al 5%. La técnica del tratamiento selectivo del tubo interior se realiza en tres etapas:

15. RECUBRIMIENTO SELECTIVO DEL TUBO DE VIDRIO INTERIOR

16. RECUBRIMIENTO SELECTIVO DEL TUBO DE VIDRIO INTERIOR • Primera capa: Capa de cobre de alta pureza de baja emisión de radiación y reflexión hacia el evaporador del heat pipe. • Segunda capa: Capa de acero inoxidable ionizado mezclada con gases de Argón y Nitrógeno. • Tercera capa: Nitrato de Aluminio con muy baja emisión (5%) y alta absorción (95%).

17. PROCESO DE FABRICACION • Los tubos de vacío son de material vidrio borosilicato 3.3 marca “SCHOTT “. Para realizar el tubo de vacío hemos hecho uso de los siguientes diámetros comerciales: • -Diámetro externo: 46 mm • -Diámetro interno: 37 mm.

18. TUBO VIDRIO INTERIOR • Para el diámetro interior se utiliza el sulfato de cobre para el cobreado y será recubierto por una película de nitrato de aluminio en concentración saturada,

19. TUBOS DE VIDRIO

20. TUBO INTERIOR TRATADO

21. SEPARACION ENTRE TUBOS DE VIDRIO

22. TUBO DE COBRE O HEAT PIPE • Seleccionamos la longitud, y los diámetros para el tubo absorbedor y el condensador. • - Tubo absorbedor: ½ pulg. • - Condensador: ¾ pulg. • - Longitud del absorbedor: 1.15 mts. • - Longitud del condensador: 14 cm.

23. HEAT PIPE

24. CONDENSADOR

25. REFRIGERANTE • En el interior del tubo de cobre va depositado el fluido caloportador, para este caso se optó usar una mezcla de agua + propilenglicol. El propilenglicol cumple la función de refrigerante, esto ayuda a que el agua no se congele en épocas de heladas.

26. HEAT PIPE • Los porcentajes de agua + propilenglicol, son calculados en base a la temperatura mínima histórica existida en Arequipa. • Los datos históricos indican que la temperatura mínima existida en arequipa ha sido de -2 ºC • A este valor se le añade un valor de -5ºC • Tdiseño = -2+(-5) = -7 º C

28. HEAT PIPE • Porcentaje de propilenglicol= 20 % en peso. • Entonces la mezcla será: 20% propilenglicol + 80% agua. • La mezcla tiene que llegar aproximadamente hasta un 30% del volumen total de la tubería de cobre, esto se hace con la finalidad de que quede un espacio libre en el cual pueda darse la evaporación del fluido caloportador y su posterior condensación en la parte superior.

29. HEAT PIPE • Dcon = 5/8”, Lcon = 0.14m. Dabs=3/8”, Labs=1.15m • Vol total = 146.7 cm3 • Volmezcla = Voltotal*0.3 = 44 cm3 • Volagua = Vol mezcla*0.8 = 35.2 cm3 • Volpropi = Volmezcla*0.2 = 8.8 cm3

30. HEAT PIPE INYECTANDOLE MEZCLA

31. HEAT PIPE HACIENDO VACIO

32. CONCENTRADOR COMPUESTO PARABÓLICO • Los CPC son estáticos y presentan una superficie reflectante cuya sección es una curva compuesta por dos curvas que para el caso de un absorbedor cilíndrico, son una parábola y la envoluta del absorbedor transparente

33. CPC • Radio interno del captador: 42.8 mm • Radio externo del captador: 46 mm

34. GEOMETRIA CPC

35. CPC

36. CPC TERMINADO

37. CPC Y TUBO DE CALOR

38. ECUACIONES UTILIZADAS PARA CONVECCIÓN LIBRE • Tα: Temperatura del fluido adyacente,ºC, • Tw: Temperatura de la superficie, ºC • Tf: Temperatura de película, ºC • To, Ti: Temperaturas exterior e interior, ºC • Tp: Temperatura promedio, ºC • Tα en ºK • Numero de Grashof • Lc: Longitud característica, Do tubo, m; Lc = (Do-Di)/2, para tubos concéntricos, m; ν: viscosidad cinemática m2/s; • K: Conductividad Térmica W/m-ºK; Pr: Numero de Prandtl

39. ECUACIONES • Numero Rayleigh Numero Nusselt h: Coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2- ºK

40. ECUACIONES CONVECCION LIBRE • Para superficie exterior cilíndrica Qc: Calor por convección, W; Aw = πDoL Área de transferencia de calor, m2

41. ECUACIONES CONVECCION LIBRE • Para superficies concéntricas Do, Di: diámetros exterior e interior, m Fcil: Factor geométrico Kef: Conductividad térmica efectiva Si Fcil*Ra ≤ 100 → Kef = K L: Longitud tubería, m

42. ECUACIONES UTILIZADAS PARA RADIACIÓN • Superficie exterior cilíndrica Tw, Tα: Temperaturas de superficie y del aire en ºK εw: Emisividad de la superficie, σ=5.67x10-8 W/m2-ºK4

43. ECUACIONES DE RADIACIÓN Superficies Concéntricas Ai: Área interior; Qr: Calor por radiación, W εi, εo: Emisividad interior y exterior; Di, Do: Diámetro interior y exterior; Ti, To. Temperatura interior y exterior , ºK

44. CALOR TOTAL Y EFICIENCIA • CALOR TOTAL PERDIDO • Qt=Qc+Qr Qt: Calor total ,W • EFICIENCIA

45. RESULTADOS EXPERIMENTALES • CÁLCULO TUBERÍA DE COBRE EXPUESTA A LA RADIACIÓN CON UNA INCLINACIÓN 20º • Tα=18ºC, Tw=35ºC, Do=.010m, L=1.15m, εo=0.1 • Calor pérdido por convección libre • Para Tf=26.5ºC=299.5ºK K=0.025695 W/m-ºK, ν =1.585x10-5 m2/s, Pr=0.7289 • Gr =2216.5, Ra =1615.6 Ra≤1012 • Nu = 2.9 h = 7.45 W/m2-ºK • Qc = 6.86W • Calor pérdido por radiación • Tα = 291ºK, Tw = 308ºK • Qr = 0.562W • Calor total perdido • Qt = 7.43W • Radiación Solar 800W/m2, Área apertura = Do*L=0.0115m2 • I = 800*0.0115 = 9.2 W • Qu = 1.77 W , η = 19.24%

46. RESULTADOS EXPERIMENTALES • CONCÉNTRICOS DE VIDRIO (VIDRIO TRATADO NEGRO INTERIOR Y NORMAL b) TUBOS EN EL EXTERIOR) CON HEAT PIPE • - Cálculo Tubo Exterior de vidrio y Ambiente • Tw = 28ºC = 301ºK, Tα = 18ºC = 291ºK →Tf = 23ºC = 296ºK ν = 1.544*10-5 m2/s • K = 0.0256W/m2-ºK Pr = 0.73015 • Convección Lc=Do = 0.046m • Gr = 135318.2, Ra = 98802.6, Nu = 7.78, h = 4.33 W/m2-ºK • Qc = 7.2 W • Radiación εw = 0.8 Aw = 0.1662m2 • Qr = 7.82 W • Qt = 15.02 W • I = 800 W/m2*AaCPC = 800*0.15*1.15 = 138 W • Qu = 138-15.02 = 123 W º → η = 89.13%

47. RESULTADOS EXPERIMENTALES • Cálculo Tubo vidrio negro y tubo vidrio exterior concéntricos • Ti = 37ºC = 310ºK, To =28ºC = 301ºK, Tp = 32.5ºC = 305.5ºK → ν = 1.6315*10-5 m2/s • K = 0.026065W/m-ºK Pr = 0.7275 • Convección Do = 0.0428m, Di = 0.037m → Lc = 2.0*10-3m → Fcil = 0.036136 • Gr = 26.48, Ra = 19.26, Fcil*Ra = 0.69 ≤100 → Kef = K • Qc = 11.64 W • Radiación εo = 0.8, εi = 0.4 , Ai =3.1416*0.037*1.15 = 0.1337m2 • Qr = 2.87 W • Qt = 14.51 W

48. RESULTADOS EXPERIMENTALES • Cálculo tubo de cobre y parte interior tubo vidrio tratado • To = 37ºC = 310ºK, Ti = 28ºC=301ºK, Do = 0.035m, Di = 0.010m Tp = 32.5ºC = 305.5ºK • K = 0.02665W/m-ºK, ν =1.6315*10-5m2/s, Pr = 0.7275 • Convección Lc = 0.0125m, Fcil = 0.1827 • Gr = 2120.59, Ra = 1542.7 , Fcil*Ra = 281.86 > 100 → Kef = 0.03467 • Qc = 1.8 W • Radiación εo = 0.9, εi = 0.2, Ai = 3.1416*0.010*1.15 = 0.036m2 • Qr = 0.42 W • Qt = 2.22 W Calor que llega al tubo de cobre del tubo de vidrio tratado quimicamente

49. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES • La eficiencia es alta cuando se coloca los tubos concentricos , η = 89.13 % • Efectuar evaluación sin tubos tratados • Efectuar evaluación experimental para la determinación de la razón de condensación i/o evaporación

50. cer-ee@unsa.edu.pe • GRACIAS