Temas 3 y 4 de Energía Solar en la Edificación (PDF)

Energía Solar en la Edificación 4º curso Grado de Ingeniería de la Energía Universidad de Málaga Tema 3 – Captador solar térmico Fernando Domínguez Muñoz Departamento de Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos [email protected] Contenidos...

Energía Solar en la Edificación 4º curso Grado de Ingeniería de la Energía Universidad de Málaga Tema 3 – Captador solar térmico Fernando Domínguez Muñoz Departamento de Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos [email protected] Contenidos 3.1 Introducción 3.2 Tipología de captadores 3.2.1 Captador descubierto 3.2.2 Captador plano de líquido 3.2.3 Captador plano de aire 3.2.4 Captador de tubo de vacío 3.3 Balance de energía 3.4 Caracterización experimental de captadores (UNE-EN ISO 9806:2020) 3.4.1 Introducción 3.4.2 Rendimiento térmico 3.4.3 Temperatura de estancamiento estándar 3.4.4 Modificador por ángulo de incidencia 3.4.5 Caída de presión 3.1 Introducción Dispositivo que capta la radiación solar y la transfiere a un fluido calo-portador, aumentando su temperatura Es el principal componente del sistema de captación y el elemento más representativo de las instalaciones solares térmicas. Además de producir el calor de manera eficiente, el colector debe estar diseñado para soportar la continua exposición a condiciones exteriores tales como lluvia, nieve, granizo, polvo, etc. y para resistir las altas y bajas temperaturas a las que va a estar sometido. Tamaño más común en el rango de los 2m2 aunque se fabrican colectores de diferentes tamaños. Peso aproximado de un colector plano con una cubierta de cristal, que es el más utilizado en instalaciones de ACS, varía entre 15 y 25 kg/m2 3.2 Tipología de captadores 3.2 Tipología de captadores 3.2.1 Captador descubierto 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Cubierta semitransparente Reduce pérdidas por radiación y convección y asegura la estanqueidad del colector. Mayoritariamente se utilizan cubiertas de vidrio con un espesor mínimo entre 3 y 5 mm, para evitar su rotura y garantizar la resistencia mecánica del conjunto. No se recomienda el uso de cubiertas plásticas, ya que suelen degradarse por efectos de la radiación solar ultravioleta y de las altas temperaturas. Además, por su mayor grado de dilatación térmica, es difícil asegurar la estanqueidad. Gracias al comportamiento espectral del vidrio se logra el “efecto invernadero”, que mejora enormemente el rendimiento de los captadores solares: ‒ De la radiación solar incidente (longitud de onda corta 0,3 ‒ 3 μm), una parte es reflejada, otro pequeño porcentaje es absorbido por la cubierta y una gran parte incide sobre el absorbedor, aumentando su temperatura ‒ El absorbedor, al calentarse, emite radiación en una longitud de onda larga (3 ‒ 30 μm), para la cual el vidrio es opaco 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Transmisividad espectral del vidrio – concepto 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Transmisividad espectral del vidrio – información de un producto comercial 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Absorbedor o placa Absorbe la radiación solar, aumentando su temperatura. Una fracción de la energía captada se cede al fluido que circula por la red de tubos soldados a la placa, el resto se pierde al ambiente. Existen absorbedores por bandas o de lámina continua, y se fabrican en aluminio (lo más habitual) o cobre. El rendimiento del colector solar depende del tratamiento superficial del absorbedor, concretamente de dos propiedades: absortividad (solar) y emisividad (infrarroja). Existen dos posibles tratamientos superficiales: Pintura negra: proporciona una elevada absortividad (0,95) pero también una elevada emisividad (0,85-0,95). Normalmente se utilizan pinturas solares específicas que soportan las temperaturas de trabajo, con aglomerantes para que no se degraden y le proporcionen máxima durabilidad. 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Tratamientos selectivos: logran simultáneamente una elevada absortividad (0,95) y una baja emisividad (0,05-0,15). Existe una gran variedad de tratamientos selectivos. Tradicionalmente electrodeposiciones de cromo negro aplicado sobre un sustrato de cobre. También se utilizan tratamientos selectivos obtenidos mediante procesos de pulverización, deposición física o química en fase vapor, etc. Recordatorio:       1   Ley de Kirchoff Balance de energía para radiación en la superficie    E  b d  E  b d Emisividad total   0   0 T 4 E 0 b d   I  inc ,  d Absortividad total  0  I 0 inc ,  d 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Circuito hidráulico del absorbedor Por él circula el fluido de trabajo, que evacúa calor del colector. Los tubos suelen ser de cobre (buena conductividad térmica y resistencia a la corrosión), separados entre 10 cm y 12 cm (compromiso entre maximizar la transferencia de calor al fluido y minimizar los costes de producción) y conectados en parrilla o serpentín: En los absorbedores tipo parrilla, el circuito hidráulico está constituido por varios tubos paralelos que se unen a dos tubos distribuidores, formando la denominada “parrilla de tubos” Baja pérdida de carga. Posibilidad de desequilibrio hidráulico interno En los absorbedores tipo serpentín, el circuito hidráulico lo constituye una única tubería con dicha forma que recorre el absorbedor completo. Sin problemas de desequilibrio hidráulico. Para mismo caudal total y diámetro de tubos, tiene mayor pérdida de carga que una parrilla. Buena opción cuando el caudal es variable 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Aislamiento térmico Se coloca en la parte posterior y en los laterales de la carcasa para reducir las pérdidas térmicas en las partes no expuestas al Sol. Normalmente se utiliza lana de vidrio o lana mineral (resisten altas temperaturas) Muy importante evitar la entrada de agua en el interior del captador (o las fugas del circuito hidráulico), ya que el material perderá su propiedad aislante. Carcasa Es la caja que contiene al resto de los componentes, los protege del exterior y da rigidez al conjunto. La carcasa debe tener una elevada resistencia mecánica, un buen comportamiento frente a la corrosión y a las variaciones de temperatura. Habitualmente se emplea aluminio, acero inoxidable, acero galvanizado y lacado o material plástico reforzado con fibra de vidrio. 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Resumen de ideas clave Maximizar ganancias 1. Cubierta transparente en onda corta 2. Superficie absorbente de elevada absortividad (color oscuro) Minimizar pérdidas 1. Superficie activa Pérdidas convectivas: cámara de aire de 2 a 4 cm Pérdidas radiantes: vidrio claro de 3 a 5 mm 2. Superficie posterior: aislamiento térmico 5 cm aprox. 3. Superficie lateral: aislamiento térmico 1 cm aprox. 4. Opcionalmente: tratamiento selectivo de la superficie absorbente (reduce emisividad onda larga desde 0,84 a 0,1 aprox.) 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Resumen variantes de diseño Según número de cubiertas Sin cubierta Una cubierta Dos cubiertas Según el material de la cubierta Vidrio Plástico Según el material de la superficie absorbente Cobre Aluminio Acero Caucho Según el tratamiento superficial de la superficie absorbente Superficie negra (no selectiva) Superficie selectiva Según el fluido de trabajo Agua Aire Según el conexionado de los tubos Tubos paralelos (parrilla) Serpentín Placa mojada 3.2 Tipología de captadores 3.2.2 Captador plano de líquido Otros diseños No se utilizan en la práctica 3.2 Tipología de captadores 3.2.3 Captador plano de aire 3.2 Tipología de captadores 3.2.4 Captador de tubo de vacío 3.3 Balance de energía Flujos de calor relevantes para la operación de un captador plano Ejercicio: identificar los flujos de calor en el caso de un captador de tubo de vacío  3.3 Balance de energía Balance: Energía útil = Radiación absorbida - Pérdidas térmicas Para un colector plano, suponiendo que la placa esté a una temperatura media Tpm: Qu  AGT ( )0  AU L (Tpm  Tamb ) Pérdidas = área del captador (A, Potencia cedida al fluido m2) x coeficiente global de  p T fo  T fi  Radiación absorbida = área del Qu  mc pérdidas (UL, W/m2K) x captador (A, m2) x radiación total diferencia de temperatura placa – incidente sobre el captador (GT, ambiente (K) 2 W/m ) x fracción que absorbe la placa (τα) (0 a 1) Tamb T fo GT Tmp A m T fi 3.3 Balance de energía Problema de la ecuación anterior: Tpm es difícil de calcular y de medir Solución: La ecuación de balance se reescribe en términos de una temperatura fácilmente accesible, como la temperatura de entrada del fluido o la temperatura media del fluido Qu  FR  AGT ( )0  AU L (T fi  Tamb )  Hay que introducir un factor de corrección (FRTfi) Igualmente se podría escribir la ecuación de balance en términos de la temperatura media del fluido: Qu  FM  AGT ( )0  AU L (T fm  Tamb )  T fi  T fo T fm  2 3.3 Balance de energía La ecuación de balance puede mejorarse haciendo que el coeficiente de pérdidas dependa de la temperatura. La dependencia más sencilla es lineal: U L  U 0  U1 (T fi  Tamb ) Sustituyendo: Qu  FR ( )0 AGT  AU o (T fi  Tamb )  AU1 (T fi  Tamb ) 2 Puede plantearse una ecuación análoga en Tfm 3.4 Ensayo de captadores (UNE-EN ISO 9806:2020) Para comercializar un captador térmico hay que ensayarlo previamente en un laboratorio certificado. La norma UNE-EN ISO 9806:2020 “Energía solar. Captadores solares térmicos. Métodos de ensayo” especifica cómo deben realizarse los siguientes ensayos (se marcan con los que se estudian en la asignatura): Presión interna para canales de fluido Fugas de aire (captadores de aire) Rotura o colapso (captadores de aire) Temperatura de estancamiento estándar Exposición y pre-exposición Choque térmico exterior Choque térmico interno Penetración de lluvia Resistencia a heladas Carga mecánica Impacto Rendimiento térmico Modificador por ángulo de incidencia Laboratorios certificados: Capacidad térmica efectiva y constante de tiempo CENER (Navarra), SPF Caída de presión (Suiza),… 3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico El rendimiento o eficiencia de un captador se define como: Potencia útil cedida al fluido Q u   Radiación total incidence AT GT El término Qu puede desarrollarse utilizando alguna de las expresiones vistas en §3.3 FR ( )0 GT A  FRU L A(T fi  Tamb ) T fi  Tamb T fi  Tamb   FR ( )0  FRU L  0  a1 AGT GT GT En general Tx  Tamb   0  a1 GT 2 Donde x = fi o fm Tx  Tamb  T T    0  a1  a2GT  x amb  GT  GT  3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico Ejemplo 1 0.9 0.8 0.7 0.6 T fm  Tamb   0.8  4.5 0.5 GT 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Actividad en clase: interpretar físicamente los términos de la ecuación de rendimiento 3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico Ejercicio: Determinar las condiciones de salida del agua y la potencia captada en una instalación de dos captadores conectados en serie. Cada captador tiene un área de 2 m2 y la siguiente curva de rendimiento T fi  Tamb   0.8  4.5 GT La temperatura de entrada al primer captador es de 40ºC, el caudal es de 0,04 kg/s, la radiación total incidente es de 900W/m2 y la temperatura ambiente 20ºC. Interpretar los resultados. 3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico Esquema de principio de la instalación para medir el rendimiento de un captador de líquido. La fuente de radiación puede ser el Sol (ensayo en exterior) o un simulador solar (ensayo en interior). 3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico Condiciones básicas para realizar el ensayo Obstruccio nes < 5% Ángulo substendido < 15º Nada específico acerca de Talrededor, Tcielo o Albedo G TOTAL, COLECTOR > 700 W/m2 Fracción difusa < 30%  < 20º v = 3m/s  1m/s Tin, 4 niveles M in, nominal ó 0.02 kg/s·m2 de apertura N FA La norma establece requisitos sobre la incertidumbre de medida de los instrumentos y la desviación de las variables medidas durante un periodo de medida 3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico Ejemplo de conjunto de medidas de un captador ensayado en exteriores: 3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico Representación gráfica de las medidas anteriores 0.80 0.75 0.70 Eficiencia 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 (Tm-T amb)/GT 3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico Las medidas se correlan empleando un ajuste lineal o cuadrático (preferentemente éste segundo, a no ser que la curvatura c2 salga nula o positiva)   a1  b1 xm   a2  b2 xm  c2 GT xm2 Tm  Tamb xm  GT Se obtiene: Tm  Tamb  LINEAL  0.782  4.117 GT Tm  Tamb  2 Tm  Tamb CUADRÁTICO  0.772  3.211  0.0143 GT GT 3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico Valores típicos de los coeficientes del ajuste lineal para captadores comercializados en España 8,5000 b1 (coeficiente lineal de pérdidas W/m2K) 7,5000 6,5000 5,5000 4,5000 3,5000 2,5000 0,6000 0,6500 0,7000 0,7500 0,8000 0,8500 a1 (rendimiento óptico)  3.4 Ensayo de captadores 3.4.1 Rendimiento térmico Curvas de eficiencia de diferentes tipos de captador y su relación con el tipo de aplicación  evacuated tube 2 covers 1 cover Ti  Ta  IT 3.4 Ensayo de captadores 3.4.2 Temperatura de estancamiento estándar La temperatura de estancamiento (Tstg) es la que alcanza el captador cuando no hay circulación de fluido y está sometido a alta radiación y temperatura. Su valor estándar se determina para una radiación incidente de Gs = 1000 W/m2 y una temperatura ambiente de Tamb = 30ºC. (A) Determinación experimental: ‒ El captador debe vaciarse de líquido ‒ Sellar tubos para evitar la circulación natural del aire ‒ Instalar la sonda de Tª: insertar en el tubo sensor o fijar al absorbedor a 2/3 de altura y mitad de ancho del absorbedor ‒ Exponer al captador durante al menos 1,5 horas a unas condiciones estables de estancamiento: irradiancia total entre 900 y 1100 W/m2, temperatura ambiente entre 20ºC y 40ºC, velocidad del aire < 1m/s (deben verificarse estos rangos durante todo el ensayo) ‒ Durante el ensayo se registra la temperatura del absorbedor a intervalos de 1 min como máximo. ‒ La temperatura de estancamiento es el promedio de las medidas anteriores 3.4 Ensayo de captadores 3.4.2 Temperatura de estancamiento estándar (B) Determinación a partir de la curva de rendimiento En condiciones de estancamiento el calor útil producido es nulo, ya que no hay caudal. Por lo tanto, la Tstg puede estimarse calculando el punto en que el rendimiento es nulo: 2 Tstg  Tamb  Tstg  Tamb  0  a1  a2Gs   0 GS  GS  Despejando:   a1  a12  40 a2GS  Tstg  1.2  Tamb   Gs = 1000 W/m2  2a2  Tamb = 30ºC   Donde el factor 1,2 se introduce para compensar la mayor velocidad de aire que se utiliza durante las medidas de rendimiento (2-4 m/s). Ejemplo: Ensayo: 192ºC Cálculo a partir de la curva: 1,2*176,58 = 211,9ºC  3.4 Ensayo de captadores 3.4.3 Modificador por ángulo de incidencia La curva de rendimiento del captador se mide a incidencia normal (θ=0º) en días claros (70%) en las condiciones de ensayo 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90  3.4 Ensayo de captadores 3.4.3 Modificador por ángulo de incidencia Las curvas de ensayo normalmente pueden aproximarse por funciones de ajuste sencillas, La siguiente se utiliza habitualmente: 2  1   1  k ( )  1  b0   1  b1   1  cos    cos   Normalmente b1 ≈ 0, y el valor de la constante de ajuste b0 se determina de alguna de las siguientes maneras: ‒ Conociendo el valor de IAM para un ángulo, típicamente IAM(θ = 50º) ‒ Usando valores típicos: 0.1 (plano 1 vidrio); 0.17 (plano 2 vidrios) 1 Nota: La función anterior tiene el AJUSTE TANGENTE problema de ser singular para θ = 0º, 0.8 devolviendo valores erróneos en las cercanías de la singularidad. 0.6 Otra posible función de ajuste es: 0.4 AJUSTE COSENO   0.2 k ( )  1  tan n   ENSAYO 2 0 Precaución Con n entre 3 y 4 para captadores -0.2 cerca de 90º planos -0.4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 3.4 Ensayo de captadores 3.4.3 Modificador por ángulo de incidencia Para calcular IAMT usaremos dos posibles procedimientos Procedimiento 1  1  cos(  )   1  cos(  )  GB  IAM B ( )  Gsky     IAM SKY   GND  G  T , HTAL    IAM GND  2   2  IAM T  GT Suponemos que: La curva medida en el ensayo se aplica para la radiación directa IAMB (θ) = k(θ) Las componentes difusas se tratan como radiación directa incidiendo con los ángulos que se obtienen de las siguientes ecuaciones:  eq , sky  59.7  0.1388  0.001497  2 Donde β es la inclinación del captador en  eq , gnd  90  0.5788  0.002693 2 grados sexagesimales (0 a 90º) Este procedimiento es aproximado y sólo sirve para captadores planos 3.4 Ensayo de captadores 3.4.3 Modificador por ángulo de incidencia  1   1   1   1  b0   1 IAM GND  1  b0   1 IAM B ( )  1  b0   1 IAM SKY cos   cos    cos  SKY   GND   1  cos(  )   1  cos(  )  GB  IAM B  Gsky     IAM SKY   GND  G  T , HTAL    IAM GND  2   2  IAM T  GT Ejemplo. Considere un captador solar plano con área de apertura 2.345m2, rendimiento óptico 0.716, coeficientes de pérdidas 3.87 W/m2K y 0.0069 W/m2K2, modificador por ángulo de incidencia 0.87 para un ángulo de incidencia de 50º, y caudal 100 litros/h. En un instante determinado opera bajo las siguientes condiciones: radiación total en superficie horizontal 260 W/m2, radiación difusa en superficie horizontal 70 W/m2, ángulo de incidencia de la radiación directa sobre el captador 60º, ángulo cenital del Sol 65º, inclinación del captador 45º, reflectividad del terreno 0.4 Calcular (a) rendimiento óptico hemisférico para las condiciones indicadas, (b) radiación total absorbida por el captador, (c) rendimiento y calor útil si la temperatura de entrada es de 35ºC y la temperatura ambiente es de 15ºC 3.4 Ensayo de captadores 3.4.3 Modificador por ángulo de incidencia Procedimiento 2 El método de cálculo FCHART precisa modificadores promedio mensuales, que se aplican sobre la energía incidente sobre la superficie del captador a lo largo del mes. En este caso: Calculamos el ángulo de incidencia promedio mensual ( ) de la radiación sobre el captador. Usar gráficas específicas. Calculamos un modificador promedio aproximado, sin diferenciar las componentes de la radiación incidente  1  IAM ( )  1  b0   1  cos   3.4 Ensayo de captadores 3.4.4 Caída de presión Este ensayo mide la caída de presión que experimenta el fluido al pasar por el captador. Las condiciones generales de este ensayo son: − Normalmente se emplea agua pura o una mezcla agua-propilenglicol − La temperatura estándar del fluido durante el ensayo es de 20±2ºC, si bien la norma permite modificarla − Deben minimizarse las pérdidas de carga vinculadas a las conexiones de entrada y salida del equipo de ensayo − La caída de presión debe medirse para, al menos, 5 diferentes caudales dentro del rango de funcionamiento del equipo Valores típicos Ejemplo de resultado de un ensayo Captadores de tubos paralelos: baja velocidad en los tubos y longitudes pequeñas, para un caudal nominal de 50 litros/h·m2 se tiene P de 20 a 40 mm c.a. (aprox. 200 a 400 Pa) Captadores de serpentín: único tubo para todo el caudal, mayor velocidad y longitud, para un caudal nominal de 50 litros/h·m2 se tiene P del orden de 1400 mm c.a. (aprox. 14000 Pa) Se puede reducir aumentando el diámetro  Energía Solar en la Edificación 4º curso Grado de Ingeniería de la Energía Universidad de Málaga Tema 4 – Diseño del sistema de captación Fernando Domínguez Muñoz Departamento de Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos [email protected] Contenidos 4.1 Introducción 4.2 Condiciones de funcionamiento del sistema de captación 4.3 Conexionado de los captadores 4.4 Protección contra la recirculación nocturna 4.5 Protección contra heladas 4.6 Protección contra el sobrecalentamiento 4.7 Protección contra el estancamiento 4.8 Sistemas drain-back 4.9 Selección de las tuberías del primario 4.10 Cálculo de la pérdida de carga del primario 4.11 Selección del aislamiento de las tuberías 4.12 Selección del intercambiador de calor 4.13 Selección del vaso de expansión 4.14 Selección de la bomba 4.1 Introducción Este capítulo trata sobre el diseño del sistema de captación (también llamado circuito primario) de la instalación. Su componente principal son los captadores solares, pero debe incluir otros elementos hidráulicos y de regulación y seguridad para funcionar: ‒ Tuberías y accesorios (codos, tés, etc.) ‒ Aislamiento térmico de las tuberías ‒ Bombas ‒ Intercambiador de calor ‒ Vaso de expansión ‒ Válvulas (seguridad, anti-retorno, equilibrado, etc.) ‒ Llaves de corte ‒ Purgadores ‒ Sistema de llenado ‒ Llaves de vaciado ‒ Dilatadores, etc. Estos elementos se encuentran en cualquier instalación de producción de calor. La característica distintiva de una instalación solar es que el sistema de captación está expuesto al ambiente exterior, con el consecuente riesgo de helada, estancamiento y sobrecalentamiento. Estas circunstancias deben tenerse en cuenta a la hora de seleccionar materiales y sistemas de seguridad. 4.2 Condiciones de funcionamiento del sistema de captación El primario está expuesto a temperaturas tanto altas como bajas Altas temperaturas Presión típica de llenado 5 bar → temperatura de saturación 150ºC Estancamiento (Gs y Tamb elevadas, m=0) → T >200ºC en captadores y > 150ºC parte de tuberías Material tuberías: cobre o acero inoxidable. Nunca plásticos (T>130ºC) ni acero negro (problemas de corrosión por par galvánico con el cobre de los captadores) Vaso de expansión correctamente dimensionado Válvulas de seguridad frente a sobrepresión Bajas temperaturas Expuesto al ambiente en noches frías (baja T aire y baja T de bóveda celeste) Congelación agua → expansión volumen → rotura tubos captador y tuberías Bajar punto de congelación del agua (0ºC) usando anticongelante, normalmente propilenglicol Circular agua cuando exista riesgo de congelación Vaciar el circuito cuando la bomba esté parada (drain back)  4.3 Conexionado de los captadores Los captadores pueden conectarse en paralelo o en serie (o combinaciones) Conexión dos en serie (ns=2) Conexión paralelo (ns=1) El caudal de circulación de la bomba de primario (mp) depende del tipo del captador y del conexionado del campo: m col A m p  ns Donde mcol (litros/m2h) es el caudal nominal por el captador (bajo flujo 12 a 20, alto flujo 40 a 80, típico 60), A es el área total de captación, ns es el número de captadores en serie. 4.3 Conexionado de los captadores Los captadores se agrupan en baterías, internamente conectadas en paralelo (ver figura). El número de captadores que se pueden incluir en una batería es un dato que debe definir el fabricante, ya que depende del caudal máximo que puede circular por los tubos distribuidores y de la pérdida de carga que se origina (típico: máximo entre 5 y 8 captadores/batería) Cada batería debe incluir los siguientes accesorios: La válvula de equilibrado sólo estará presente si se utiliza ese sistema para equilibrar hidráulicamente el circuito 4.3 Conexionado de los captadores Válvula de esfera, bola o corte: dispositivo que sirve para interrumpir el paso de un fluido canalizado. El obturador es una esfera perforada que puede girar alrededor de su eje, entre asientos elásticos, por acción de una palanca. Se colocan válvulas de corte a la entrada y a la salida de cada batería, a fin de poder aislarla del resto del circuito para realizar alguna operación de mantenimiento o reparación sin afectar al resto. Válvula de seguridad: mantiene la presión del circuito por debajo de un valor predefinido o ajustable en un mando giratorio. La válvula tiene un resorte y un obturador que permanece cerrado por acción de un muelle. Cuando la presión del fluido es superior a la que ejerce el resorte, éste cede y el obturador se desplaza dejando pasar fluido hacia el exterior. La válvula debe tararse para la presión máxima que soportan los captadores, que debe de aparecer en la documentación técnica del captador (valor típico: 10 bar) 4.3 Conexionado de los captadores Purgador de aire. Sirve para evacuar el aire que hay dentro del circuito (2 situaciones: sacar el aire durante el llenado o sacar el aire que entra a consecuencia de fugas de líquido) El aire tiende a concentrarse en las partes altas de los circuitos, motivo por el cual los purgadores deben instalarse a la salida de las baterías de captadores. Purgador automático. Uso no Purgador manual. Formado por recomendado con captadores solares, ya una tubería de mayor diámetro en la que el purgador no puede diferenciar el que se acumula el aire, conectada a aire del vapor. Esto conduce a pérdidas una tubería y llave de purga que de fluido (eventualmente vaciado) y a la debe abrirse periódicamente para modificación de la concentración de extraer el aire acumulado. anticongelante 4.3 Conexionado de los captadores Equilibrado hidráulico: lograr que circule el mismo caudal por todos los posibles caminos por los que discurre el fluido. Método 1. Retorno invertido 4.3 Conexionado de los captadores Ejemplos de retorno invertido: En el siguiente caso nótese el equilibrado entre baterías correlativas y entre ambas filas: 4.3 Conexionado de los captadores Método 2 Válvulas de equilibrado: introducen caídas de presión adicionales y controladas en los tramos con menor resistencia hidráulica. Esta resistencia adicional puede ser fija (ajustada in situ durante la puesta en marcha de la instalación) o variable (ajustada de manera automática por válvulas a las que se indica el caudal máximo deben dejar pasar, válvula Tour & Anderson)  4.4 Protección contra la recirculación nocturna La válvula anti-retorno evita la circulación natural inversa en el circuito primario cuando la temperatura de los captadores es menor que la del acumulador. El uso de esta válvula es ineludible cuando los captadores se encuentran a una cota superior que los acumuladores. El principio de funcionamiento de una válvula antirretorno es sencillo: En la siguiente figura se muestran 4 posibles esquemas hidráulicos para evitar la recirculación nocturna en el circuito primario: A: Válvula AR en la impulsión de una bomba simple B: Idem en el caso de una bomba doble C: Válvula normalmente cerrada en la impulsión de la bomba. La válvula cierra el paso cuando la bomba está parada D: Instalación con 2 bombas en paralelo (una en reserva) En primarios con intercambiador de placas, se puede optar por instalar la válvula AR en el secundario  4.5 Protección contra heladas Habitualmente mezcla propilenglicol + agua, en una concentración tal que la temperatura de congelación de la mezcla sea 5ºC inferior a la temperatura mínima registrada en la localidad en un periodo de 20 años. Inconvenientes de usar agua + propilenglicol: 1. Mayor viscosidad, menor conductividad y menor calor específico → mayor pérdida de carga y peor transporte de calor 2. Posibilidad de degradación a altas temperaturas → existen aditivos para evitarlo 3. Sistema de llenado y vaciado conducido → llenado con bomba auxiliar y vaciado conducido a depósito 4. Elevado coste del propilenglicol → diseñar primario minimizando volumen de fluido en la instalación 4.5 Protección contra heladas Cuando se utiliza una mezcla agua + propilenglicol, no se puede realizar el llenado del primario directamente desde la red. Hay que instalar un sistema de llenado formado por un depósito y una bomba de llenado, que debe ser capaz de proporcionar la presión necesaria en el circuito (altura de la columna sobre el punto de llenado + al menos 1 bar) 4.5 Protección contra heladas En localidades cuyas temperaturas exteriores sean suaves, pueden aplicarse otras medidas más sencillas para la protección contra heladas: Arrancar la bomba del primario a partir de una temperatura exterior prefijada (por ejemplo 3ºC), de manera que se minimice la posibilidad de congelación Complementar la medida anterior con la inyección de calor desde el acumulador, a fin de elevar unos grados la temperatura del primario Válvulas de descarga térmica, que vacíen el campo de captadores a partir de una temperatura exterior prefijada (asegurar pendiente en todos los tramos de tubería para asegurar el vaciado por gravedad) Instalaciones drain-back (ver sección §4.6) 4.6 Protección contra el sobrecalentamiento Sobrecalentamiento. Situación en la cual el acumulador está cargado de energía (ha alcanzado su temperatura máxima, aprox. 90ºC en la parte superior) y debe cesar el aporte de energía al mismo. La energía producida por los captadores no puede almacenarse ni utilizarse. Si no se hace nada, el campo de captadores queda sin circulación de fluido y expuesto a radiación, quedando en situación de estancamiento. El sobrecalentamiento es común en verano, ya que la demanda suele ser menor (mayor Tª de agua de red, menor consumo por baja ocupación o vacaciones, etc.) y la irradiación es mayor. Existen varias técnicas para reducir los efectos perjudiciales del sobrecalentamiento: ‒ Aerotermos ‒ Disipadores estáticos ‒ Tapado (y/o) vaciado parcial del campo de captadores ‒ Sistemas de drenaje por gravedad (drain-back) Otra opción es no hacer nada y dejar Instalación en el límite de entrar en que el sistema quede estancado sobrecalentamiento (apartado §4.7) 4.6 Protección contra el sobrecalentamiento Aerotermo Disipa la energía producida por los captadores a la atmósfera. El aerotermo consiste en una batería (intercambiador de tubos aleteados) agua/aire y un ventilador. La batería se conecta en paralelo al circuito primario. Cuando la temperatura de los captadores supera un valor prefijado, una válvula cierra el paso hacia el intercambiador de calor del primario y deriva el flujo hacia el aerotermo. Se accionan la bomba del primario y el ventilador del aerotermo. De esta manera, la energía producida por los captadores se disipa a la atmósfera y se mantiene acotada la temperatura del circuito primario. Con 2 válvulas de 2 vías Con 1 válvula de 3 vías 4.6 Protección contra el sobrecalentamiento Ejemplo de catálogo de selección de aerotermos (empresa: Salvador Escoda) 4.6 Protección contra el sobrecalentamiento Disipadores de calor estáticos Se trata de disipadores de calor que se acoplan a los captadores (ver figura) Utilizan una válvula que desvía el fluido hacia el disipador a partir de una determinada temperatura (por ejemplo 90ºC) Lo ideal es que funcionen sin suministro eléctrico (movimiento del fluido por fuerza de flotación), de manera que eviten la formación de vapor en situaciones de estancamiento por falta de fluido eléctrico.  4.6 Protección contra el sobrecalentamiento Tapado parcial del campo de captadores Muchas instalaciones quedan sobredimensionadas en verano por falta de demanda, por ejemplo residencias de estudiantes por baja ocupación. Una solución sencilla es tapar con lonas parte del campo de captadores, dejando esas baterías sin circulación mediante las llaves de corte. Tapado 4.7 Protección contra el estancamiento Estancamiento. Ausencia de circulación de fluido por los captadores cuando la radiación solar es elevada y no pueden tomarse medidas correctoras (p.ej. activar un aerotermo) a consecuencia de una avería o de un fallo de suministro eléctrico. La temperatura de los captadores sube por encima de 120ºC, produciéndose vapor que eleva la presión del circuito. ‒ Situación más extrema en términos de T y P en el circuito; debe tenerse en cuenta en su diseño 35 hidráulico Presión de saturación [bar] 30 ‒ El sistema debe soportar el estancamiento sin 25 perder fluido al exterior, de manera que sean 20 capaces de restaurar su funcionamiento normal sin intervención externa 15 ‒ El vaso de expansión debe compensar la 10 producción de vapor, de manera que la presión 5 del circuito nunca supere la de disparo de las 0 válvulas de seguridad. Instalar purgadores 100 120 140 160 180 200 220 240 automáticos y dejarlos abiertos es una mala Temperatura [ºC] idea porque se abrirán si se forma vapor Los sistemas con drenaje del primario no presentan los problemas asociados a la formación de vapor. Durante el estancamiento, el circuito está lleno de aire (situación similar a las condiciones del ensayo normalizado de temperatura de estancamiento) 4.7 Protección contra el estancamiento En función de la posición relativa del vaso de expansión y de la válvula anti-retorno, pueden diferenciarse dos tipos de estancamiento: (1) vaciado lento, (2) vaciado rápido   En un esquema de vaciado lento, la válvula anti-retorno impide que el vapor empuje al líquido fuera de los captadores hacia el vaso de expansión a través de las tuberías de impulsión. Esto dificulta el vaciado. El líquido se irá evaporando lentamente, aumentando la presión del circuito y llenando las tuberías de retorno de vapor. En un esquema de vaciado rápido, el vapor puede empujar al líquido por la tubería de impulsión hacia el vaso de expansión. Sin líquido dentro del captador, se detiene la formación de vapor. El vapor queda retenido en la parte superior del circuito. La presión no aumenta tanto como en un esquema de vaciado lento. 4.7 Protección contra el estancamiento Secuencia de vaciado lento 4.7 Protección contra el estancamiento Secuencia de vaciado rápido 4.7 Protección contra el estancamiento Comentarios: ‒ La configuración más habitual en las instalaciones es la de vaciado lento (vaso aguas arriba de la bomba) porque es la que se utiliza habitualmente en los sistemas de calefacción para evitar cavitación en la bomba ‒ Sin embargo, la de vaciado rápido es muy interesante de cara al comportamiento frente al estancamiento. En principio presenta mayor riesgo de cavitación, pero no es tan grave porque la diferencia de presión en las bombas de los campos de captadores es pequeña. Presurizando correctamente el primario, no debe de haber problemas de cavitación. ‒ El arranque de la bomba tras un episodio de estancamiento puede ser complicado en instalaciones con intercambiador de calor externo y mucha diferencia de altura entre captadores y bomba: la burbuja de vapor rompe la continuidad del líquido y obliga a la bomba a elevar una columna de líquido a la vez que a vencer las pérdidas de carga de la red. Hay que comprobar que la bomba sea capaz de mover el fluido con el tubo de retorno vacío. Si no puede, lo mejor es no arrancar la bomba cuando la T del primario sea > 120ºC  4.8 Sistemas drain-back Vaciado automático del campo de captadores cuando la bomba de primario se detiene. El fluido drena por gravedad y se almacena en un depósito abierto: ‒ Se evitan los riesgos tanto de congelación como de sobrecalentamiento ‒ El nivel de fluido con la instalación parada debe quedar por encima de las bombas, de manera que siempre estén cebadas ‒ Trazado de tuberías en pendiente (instalación delicada) ‒ No se requieren vaso de expansión, válvulas de purga ni antirretorno ‒ Presión bomba > altura + pérdida de carga del circuito ‒ Circuito abierto → problemas de proliferación de hongos y microorganismos (añadir biocida al agua) ‒ Sólo se usa para instalaciones pequeñas ( 500 [W / m2 ] siendo A(m2) el área total de captación. Las temperaturas nominales de diseño del intercambiador se muestran en la siguiente tabla: Intercambiador Captadores de bajo flujo Captadores de alto flujo PRIMARIO Primario Secundario Primario Secundario T. entrada (ºC) 75ºC ó 67ºC Objetivo: 30ºC 58ºC ó 56ºC Objetivo: 40ºC T. salida (ºC) 33ºC 68ºC ó 60ºC 44ºC 52ºC ó 50ºC Potencia específica campo = 500 W/m2, DTLM = 5K, Potencia específica del intercambiador = 100 W / K ·m2 4.12 Selección del intercambiador de calor Ejercicio: calcular el calor intercambiado (Q) y la efectividad (ε) del intercambiador de calor de la figura 4.13 Selección del vaso de expansión Los circuitos tendrán un vaso de expansión de tipo cerrado que permita absorber el aumento de volumen debido a la dilatación del fluido. Se puede aplicar la norma UNE 100155 para dimensionarlos En el caso del vaso de expansión del primario de una instalación solar, el volumen útil que debe absorber el vaso es el del vapor formado el los captadores en una situación de estancamiento 4.13 Selección del vaso de expansión Es el dispositivo que absorbe las variaciones de volumen y presión en un circuito cerrado causadas por las variaciones de temperatura del fluido circulante. Corresponde a un depósito dividido en dos partes mediante una membrana elástica. A un lado de la membrana se encuentra el fluido de trabajo correspondiente en estado líquido y en el otro aire o un gas inerte como el nitrógeno. Al dilatarse el fluido aumenta la presión y la membrana se desplaza comprimiendo el aire del otro lado. La presión inicial en el lado del aire viene preestablecida por el fabricante pero debe ser ajustada a las condiciones de la instalación. Se recomienda que la presurización se realice con nitrógeno ya que el uso de aire, por la mezcla de oxigeno y humedad que incorpora, puede oxidar el interior y reducir la vida útil del mismo. 4.13 Selección del vaso de expansión Ecuación para cálculo del volumen total del vaso (VT): PM Pm VT  VU  PM  Pm Pi Donde: VU = Volumen útil de dilatación Pi = Presión inicial del vaso Pm = Presión mínima (de llenado) PM = Presión máxima de funcionamiento Habitualmente se toma Pm/Pi = 1,25 de manera que: PM VT  1, 25 VU PM  Pm 4.13 Selección del vaso de expansión  4.14 Selección de la bomba del circuito primario Trabajan con agua o mezclas agua + propilenglicol (máx. 50%) En situaciones de estancamiento pueden alcanzar temperaturas de más de 100ºC. Usar bombas para circuitos de calefacción o especiales para energía solar A partir de superficies de captación de más de 20m2, es habitual instalar dos bombas en paralelo (una de reserva) Las potencias requeridas en los circuitos primarios suelen ser pequeñas. Por ejemplo, una instalación de 100 captadores (200m2) puede operar con una bomba de potencia inferior a 1kW. Las alturas manométricas de los circuitos primarios suelen variar entre 4 y 7 m.c.a. Las bombas de rotor húmedo se utilizan en aplicaciones pequeñas y medianas (potencia bomba < 200W, superficie de captación < 50 m2, cifras aproximadas) En estas bombas, el propio fluido circulante se utiliza para refrigerar el motor. Son silenciosas y transmiten pocas vibraciones. No deben funcionar en seco porque pueden sobrecalentarse y dañarse. Las bombas de rotor seco se utilizan en instalaciones de gran tamaño (S> 50 m2, aprox.) y tienen mejores rendimientos aunque son más ruidosas. Posiciones de montaje rotor húmedo Posiciones de montaje rotor seco 4.14 Selección de la bomba del circuito primario Seleccionaremos las bombas haciendo uso de programas de selección de fabricantes (online), por ejemplo Wilo-select 4.14 Selección de la bomba del circuito primario