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DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE CALENTADOR SOLAR DE AGUA

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Kevin Andrs

on 13 August 2014

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DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE CALENTADOR SOLAR DE AGUA
INTRODUCCION
Este proyecto tiene como finalidad la realización de un calentador solar de agua ecológico para reducir los consumos de luz y GLP incentivando al reciclaje para la elaboración del calentador.
Vamos a verificar si este calentar solar ecológico es eficiente para instalarlo en un hogar, determinaremos la eficiencia promedio del calentador, trabajaremos solo con la transferencia de calor por radiacion.

Planteamiento del problema
Las personas que habitan en ciudades de clima frío, suelen utilizar calefones de agua para bañarse en las mañanas; aparatos que se alimentan de electricidad o gas para llevar a cabo su función.
El aumento futuro del costo de gas y de energía eléctrica, son inconvenientes que queremos evitar con nuestro proyecto, ya que afectaría a la mayoría de la población ecuatoriana, pero sobre todo a las poblaciones de bajos recursos económicos.

¿Cómo se puede realizar un prototipo de calentador solar de agua de uso doméstico para reducir el gasto de energías no renovables en el barrio San Diego, Quito?

Formulación del problema
Objetivo general

Diseñar un prototipo de calentador solar de agua de uso doméstico para reducir el gasto de energías no renovables en el barrio San Diego, Quito.

Justificacion e importancia
El propósito de diseñar este prototipo es aprovechar las radiaciones solares para elevar la temperatura del agua que será conducida por los tubos PVC que a su vez estarán cubiertos por botellas de plástico recicladas lo cual permitirá una mejor absorción de la energía solar, toda el agua caliente se dirigirá a un tanque para su futuro uso, ya sea para ducharse, lavar la ropa, los platos, etc. y así dependiendo de los usos que cada familia requiera.
He aquí la importancia de aprovechar la luz del sol como fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberar a las personas definitivamente de la dependencia de combustibles o de otras alternativas poco seguras o, simplemente muy contaminantes
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
 
CURSO DE NIVELACIÓN DE CARRERA
 
PROYECTO INTEGRADOR DE SABERES

DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE CALENTADOR SOLAR DE AGUA
 
AUTORES:
Changoluisa Kevin
Collaguazo Johanna
Escobar Karen
Jima Jhonny
 
PARALELO: M 4
GRUPO N: 01
Abril -Agosto 2014
DM. QUITO-ECUADOR


ENFOQUE CUALITATIVO
METODO EXPERIMENTAL
MÉTODO DE OBSERVACIÓN
METODOLOGÍA
ENERGIA
La energía se define como la entidad intangible(invisible) por medio de la cual podemos generar movimiento, trabajo y calor, la energía junto con la materia son los 2 ingredientes básicos que componen todo el universo que nos rodea.

ENERGÍA SOLAR
La energía solar es una fuente de energía de origen renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol.
Plástico PET (polietileno tereftalato) es un materia termoplástico, caracterizado por su alto grado de ligereza transparencia y brillo, presenta una baja velocidad de cristalización y puede encontrarse en estado amorfo-transparente o cristalino.

TIPO DE CALENTADORES
Calentador de plato plano en cristalizado

Calentador solar parabólico

Calentador solar de tubo de vacío

Calentador Solar de Agua
El calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol (energía solar) para calentar alguna sustancia
Calentador solar ecológico a base de botellas de PET
Un calentador solar de agua domestico tienen un funcionamiento muy sencillo. Se compone de un colector solar plano a base de botellas PET, donde se captura la energía proveniente del sol; que después será transferida a la tubería PVC para calentar el agua que pasa por ella.


la Botellas de PET
Plástico PET (polietileno tereftalato) es un materia termoplástico, caracterizado por su alto grado de ligereza transparencia y brillo, presenta una baja velocidad de cristalización y puede encontrarse en estado amorfo-transparente o cristalino.

Propiedades Físicas-Químicas

Cristalinidad y transparencia, aunque admite cargas de colorantes.
 Alta resistencia al desgaste
 Buena resistencia química
 Muy buena barrera a CO2, aceptable barrera a O2 y humedad.
 Totalmente reciclable
 Aprobado para su uso en productos que deban estar en contacto con productos alimentarios.
Alta rigidez y dureza.
Alta resistencia a los agentes químicos y estabilidad a la intemperie.

Los tubos de P.V.C
Las siglas PVC significan (poli cloruro de vinilo) y es un plástico blanco rígido que se usa en las líneas de deshechos sanitarios, tuberías de ventilación, y trampas de desagüe para aplicaciones domésticas y comerciales.

Propiedades Físicas-Químicas

Rango de temperatura de trabajo -15ºC +60ºC.
Resistencia, rigidez y dureza mecánicas elevadas
resistencia a sustancias químicas
Impermeable a gases y líquidos
Mínima absorción de agua
Resistente a la acción de hongos, bacterias, insectos y roedores
Fácil de pegar y soldar Resistente a la intemperie (sol, lluvia, viento y aire marino).

La Calorimetría
Es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada en ciertos procesos físicos o químicos.

El calor
Calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura entre ellos.

Transmisión de Calor
La transmisión de calor en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción.

convección
La temperatura
Es una propiedad física o magnitud que nos permite conocer las temperaturas, es decir nos da una acabada idea de cuánto frío o calor presenta el cuerpo de una persona, un objeto o una región determinada.

ESCALAS DE TEMPERATURA

Escala Celsius
℃=5(℉−32)
9

Escala Kelvin

°K=℃+273
Escala Fahrenheit

℉=(9℃+175)
5
Escala Rankine

°Ra=℉+46

Botellas plásticas PET
Tubos y codos PVC
Pintura color negra
Tanque de agua
Esponja


Materiales para la construcción
3.Retirar la etiqueta de las botellas.

Pruebas de funcionamiento

• Se realizaron varias pruebas con el fin de garantizar el proyecto y dar una calidad adecuada al mismo

• Se regulo el fluido de agua para que el tanque de almacenamiento no colapse ya que con un fluido de agua constante se llenaba el tanque en menos de 1 hora. Con un fluido de agua medio el tanque se llenó en 4 horas lo cual nos hizo cambiar el fluido de agua a bajo en donde el tanque se llenó en 8 horas lo que permitía mantener el agua caliente y permitía que el tanque no colapse.

• El Angulo de las botellas vario para recibir la mayor luz solar posible, debimos cambiar varias veces el ángulo de captación solar hasta llegar al indicado que fue N20°O en donde recibió la mayor radiación solar

• Se añadió una hoja de aluminio por debajo de las botellas para reflejar mejor la luz solar en las botellas y elevar la temperatura del agua llegando a tener 50°C

 


• La construcción del calentador solar de agua no requiere complejidad alguna el sistema puede ser instalado con gran facilidad que está al alcance de cualquier hogar.

• Al reciclar o reutilizar materiales que alguna vez fueron desechados ayuda a disminuir el impacto ambiental , en este caso el reciclaje de botellas PET .

• Poder calentar el agua de forma ecológica y a la vez gratis aprovechando los recursos de la naturaleza incentiva a las personas a utilizar este sistema que es muy eficaz.

• En el barrio de San Diego-Quito un 70% de personas no han escuchado hablar sobre que es un calentador solar , Sin embargo un 94% de las personas desearía tener este sistema instalado en su hogar por la facilidad que tiene a la hora de construir .

• Este sistema tiene una eficiencia del 48.9% con esto concluimos que puede tener un ahorro de energía eléctrica de 30.24$ al año , y de gas 36$ al año , lo cual es bueno teniendo en cuenta que es calentador casero a diferencias de los calentadores de fábrica, que son más eficientes pero tenemos que tener en cuenta los altos precios que cuestan, a diferencia del calentador domestico que no se gasta más de 20$ en su construcción , también todo depende del tamaño del tanque que cantidad de agua contenga , mientras más grande será más ahorro tendrá .



reciclaje de botellas
cortar la base de la botella

Armado del sistema
Retirar la etiqueta de las botellas.
Introducir las botellas en la tuberia
Pintar las botellas de color negro
Colocación de Codos y Tes en los tubos PVC.
Realizamos una entrada y salida de agua en el tanque.

Instalacion final del sistema
PASOS PARA LA FABRICACIÓN
CALENTADOR SOLAR
DE
AGUA ECOLÓGICO
VENTAJAS
* Económico: La energía que alimenta el calentador es GRATUITA, pues proviene de la luz solar.
* Ecológico:100% compatible con el medio ambiente pues no generan CO2.
* Los tubos son económicos y fácilmente reemplazables.
* Seguro y confiable: Presenta mucho menos riesgos que un calentador eléctrico o a gas ya que esta libre de cualquier explosión

DESVENTAJAS
* Darles mantenimiento en temporadas de lluvias
* Dependiendo el volumen y el momento en que se usa el agua caliente, ésta puede tener o no la temperatura deseada.
* Depende de las condiciones climáticas.
Restricción en hora de utilización del agua caliente

ANÁLISIS DE RESULTADOS
Con estos datos calculamos el rendimiento de eficiencia del calentador solar de agua ecológico, concluimos que el calentador solar de agua ecológico, tiene un eficiencia de un 48,9% Cifra que demuestra que este tipo de calentador tiene un buen porcentaje, teniendo en cuenta que es un calentador casero y que para su construcción se gastó 19$ por lo que los materiales soy muy económico , a diferencia que otros calentadores solares planos que son de fábrica y su costo es de 900$ teniendo una eficiencia de 78% , son gastos muy elevados a diferencia de este calentador casero.

AHORRO MENSUAL

Con este calentador solar
ecológico se puede ahorrar al mes 1.26 dólares por persona, nuestro calentador solar abastece para dos personas porque el tanque contiene 40 litros de agua, lo que nos da un ahorro mensual de 2.56 dólares. Teniendo en cuenta que la ducha es de 3200W y en ese hogar viven 4 personas. A continuación los siguientes datos:

RECOMENDACIONES
Limpie periódicamente las botellas del colector solar ya que el polvo puede obstruir la absorción de la luz y no aprovecha el sol a su máxima capacidad.

Limpie periódicamente el tanque de almacenamiento de agua para tener agua pura sin impurezas que se puedan almacenar

Revise periódicamente las uniones de los tubos ya que puede existir pequeñas fugas de agua lo que produciría un desperdicio innecesario del agua.

Regule la entrada del agua al termo-tanque ya que podría llenarse demasiado y estallar al haber mucha concentración de agua.

No manipule mucho al calentador solar ya que las uniones se pueden zafar y ocasionar fugas de agua o a su vez fuga de calor.

Por último se recomienda darle mantenimiento una vez al año para prolongar su tiempo de vida útil.

CONCLUSIONES
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
ENERGÍA SOLAR

VENTAJAS
La energía solar no contamina al medio ambiente.

Frente a otras energías, esta es la menos ruidosa

Es una fuente casi inagotable.

Es totalmen gratis
DESVENTAJAS
La variación de la radiación solar puede variar en diferentes zonas reduciendo la eficacia de la energía.

Los lugares donde hay mayor radiación, son lugares desérticos y alejados


Calculo del área del tubo PVC 3/4
Calculo del volumen de los tubos PVC 3/4
Ecuación para la eficiencia del calentador solar
Masa del agua
Con los valores que hemos tomado después de haber realizados la prueba para ver cuánto se eleva la temperatura del agua después de 1hora y media (T2=45℃ ) anteriormente tómanos la temperatura del agua antes de exponerla al sol teniendo (T1=18℃), procedemos a calcular la trasferencia de calor por radiación con la siguiente formula.
Remplazando datos en la ecuación
Datos para aplicar la formula de la transferencia de calor por radiación
Datos para aplicar en la ecuación de la eficiencia del calentador solar

Porcentaje de rendimiento del calentador solar
Proceso para el calculo del rendimiento
Tomando en cuenta que utilizamos (L=10m), el radio es (r=0.009525m) remplazamos valores en la siguiente ecuación.
Sabiendo que la densidad del agua es: 999.97 kg/m^3
calcularemos la masa del agua

Emisividad del tubo PVC
Para calcular necesitamos le emisividad de los tubos PVC (Epvc=0.9), la constante universal conocida también como constante de Stefan- Boltzmann es:
Temperatura
del
ambiente
La temperatura del ambiente ese día estuvo a (T=8℃), las temperaturas tiene que están el °Kelvin.
8°C=281°K
Obteniendo este valor del calor por radiación obtendremos el porcentaje de eficiencia del calentado solar de agua ecológico, lo cual utilizaremos la siguiente ecuación:
Cantidad de calor absorbido "Q"
Para ello necesitamos calcular la cantidad de calor absorbido por el calentador, el coeficiente de calor del agua es (H2O=1Cal/g/℃) remplazamos los valores obtenidos anteriormente en la siguiente ecuación:
Reemplazo de valores en la ecuación
Obtenido todos los valores reemplazaremos en las incontritas de la ecuación
El resultado obtenido esta en Cal
por lo que procedemos a cambiarle a Joule,
1Cal=4.186J
Q=322112.7 J

En la ecuación de la transferencia por radiación nos da en W así que de la misma manera el J cambiamos a W,
1W=J/s , (t=2 horas)

Transformación de W=J/s
n*100%
0.489*100%=48.9%

Obtenido todos los valores necesarios calculamos el porcentaje de eficiencia del calentador solar.
Objetivos específicos
Conocer las propiedades fisicoquímicas de los materiales
que se utilizaran para el diseño del prototipo.
Conocer el rendimiento de eficiencia del calentador solar.
Analizar los precios de mercado de un calentador
solar vs un calentador casero.
Calcular la variación de la temperatura del agua del prototipo
del calentador solar después de un tiempo determinado.
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