Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 11
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRESFACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA MECANICAMAESTRIA EN CIENCIAS DE LA
INGENIERIA MECANICA
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN N DE UN PROCESO TERMICO DE LA PROCESO TERMICO DE LA
RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN N SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUECOLECTORES DE ESTANQUE””
Ing. Ing. MScMSc. Edgar Tapia Terrazas. Edgar Tapia Terrazas
La Paz, septiembre de 2005La Paz, septiembre de 2005
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 22
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
El uso y explotación de las energías no renovables es limitado, la investigación
se orienta hacia el uso de lasEnergías Renovables
Obtener una tecnologíapropia para la evaluación de
colectores solares endiseño y eficiencia.
Esta es una propuesta científicadestinada a orientar e impulsar
futuras investigaciones.
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 33
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
El sol es un gigantesco reactor nuclear.El sol es un gigantesco reactor nuclear.
De la enorme cantidad de energDe la enorme cantidad de energíía que emitea que emiteconstantemente el Sol, una parte llega a laconstantemente el Sol, una parte llega a la
atmatmóósfera terrestre en forma de Radiacisfera terrestre en forma de Radiacióón Solar. n Solar.
La energía emitida por el Sol no llega a la Tierra de manera uniforme, varía de acuerdo
la hora del día, por la inclinación estacional del globo terráqueo respecto del Sol
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 44
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
Una energUna energíía garantizada para losa garantizada para losprpróóximos 6.000 millones de aximos 6.000 millones de añños.os.
ConversiConversióón en energn en energíía ta téérmicarmica
Un colector solar es un intercambiador de energUn colector solar es un intercambiador de energííaaque transforma la energque transforma la energíía radiante del Sol en calor. a radiante del Sol en calor.
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 55
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
Transferencia de energTransferencia de energíía de una a de una fuente radiante (Sol), hacia un fluido (agua).fuente radiante (Sol), hacia un fluido (agua).
Colector diseColector diseññado, de baja temperatura, utilizadoado, de baja temperatura, utilizadoen aplicaciones donde se requiere que la energen aplicaciones donde se requiere que la energíía a
sea liberada a bajas temperaturas.sea liberada a bajas temperaturas.
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 66
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
Concentra la Concentra la radiaciradiacióón solarn solar
No necesitan No necesitan mantenimientomantenimiento
Son mecSon mecáánicamente nicamente de construccide construccióónn
mmáás simples simple
VENTAJAS:VENTAJAS:
No requieren No requieren movimiento continuomovimiento continuo
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 77
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
MediciMedicióón n de temperaturas de temperaturas
(que son componentes(que son componentesdel proceso tdel proceso téérmico).rmico).
CuantificaciCuantificacióón de parn de paráámetros metros ttéérmicos para el calorrmicos para el calory las temperaturas.y las temperaturas.
FormulaciFormulacióón de ecuacin de ecuacióón n caractercaracteríística del proceso tstica del proceso téérmico rmico
para optimizar el disepara optimizar el diseñño o del colector solar. del colector solar.
Trazo de curvas de rendimiento.Trazo de curvas de rendimiento.
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 88
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
•• El presente trabajo aprovecha una disciplina que estudia las El presente trabajo aprovecha una disciplina que estudia las energenergíías renovables, de cas renovables, de cóómo llega la energmo llega la energíía solar a la Tierra y su a solar a la Tierra y su aprovechamiento. Para ello es necesario desarrollar tecnologaprovechamiento. Para ello es necesario desarrollar tecnologíías, as, para sacarle el mayor provecho de la radiacipara sacarle el mayor provecho de la radiacióón.n.
Diversas etapas de cDiversas etapas de cáálculolculo
Toma de datos experimentales de temperaturas internas en el
tanque de almacenamiento.
Uso de datos de radiación solar y temperatura ambiente
Cálculo del calor almacenado en el tanque
Rendimiento del colectorRendimiento del colector
Cálculo de rendimiento del colector y su ecuación
característica.
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 99
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
El prototipo se trata de un colector deEl prototipo se trata de un colector deuso domuso domééstico, que muy bien puedestico, que muy bien puede
usarse en el usarse en el áárea rural.rea rural.
Y el lY el líímite,mite, comprende hastacomprende hasta lala verificaciverificacióónnde lade la EstabilidadEstabilidad oo InestabilidadInestabilidad deldel proceso proceso
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1010
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
•• Variables que influencian en la capacidad Variables que influencian en la capacidad del colector.del colector.
Rendimiento del Colector solar
Radiación solar
Temperatura Ambiente
Capacidad de almacenamiento
de energíaIncremento detemperatura
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1111
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1212
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
COLECTOR SOLARCOLECTOR SOLAR
Energía radiante Energía térmica
T
n
Iq
=η
[ ]
21
mctUF
tTUIFqTLR
TLTRn
+
Δ−=
τα
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1313
( )∑ Δ−=
d
nn
n IT
BAη
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
EcuaciEcuacióón caractern caracteríística:stica:
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1414
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
•• Sensores de temperaturaSensores de temperatura•• Circuito conversor analCircuito conversor analóógico/digitalgico/digital•• Software de almacenamiento de datosSoftware de almacenamiento de datos
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1515
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
••Software de almacenamiento de datosSoftware de almacenamiento de datos
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1616
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
MEDICIMEDICIÓÓN DE DATOS PARA EL EXPERIMENTO Y CN DE DATOS PARA EL EXPERIMENTO Y CÁÁLCULOS RESULTANTESLCULOS RESULTANTES
08:00 09:40 11:20 13:00 14:40 16:20 18:00
0
200
400
600
800
1000
Rad
iaci
ón s
olar
w/m
2
t tiempo
RADIACIÓN SOLAR DEL 28 DE ABRIL DE 2005
08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
Rad
iaci
ón s
olar
w/m
2
t tiempo
RADIACIÓN SOLAR AJUSTADA
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1717
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
MEDICIMEDICIÓÓN DE DATOS PARA EL EXPERIMENTO Y CN DE DATOS PARA EL EXPERIMENTO Y CÁÁLCULOS RESULTANTESLCULOS RESULTANTES
08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:004
6
8
10
12
14
16
18
20
Tem
pera
tura
Am
bien
te T
a
t tiempo
Temperatura Ambiente 28 de Abril de 2005
08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
10
12
14
16
18
20
Tem
pera
tura
am
bien
te
t tiempo
TEMPERATURA AMBIENTE, AJUSTADA
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1818
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
MEDICIMEDICIÓÓN DE DATOS PARA EL EXPERIMENTO Y CN DE DATOS PARA EL EXPERIMENTO Y CÁÁLCULOS RESULTANTESLCULOS RESULTANTES
10:06:2011:13:0012:19:4013:26:2014:33:0015:39:4016:46:2017:53:0018:59:40101520253035404550556065707580859095
100
Tem
pera
tura
den
tro d
el ta
nque
t tiempo08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:000
510
15
20
2530
35
40
4550
55
60
6570
75
Tem
pera
tura
t tiempo
TEMPERATURA DENTRO DEL TANQUE DEL COLECTOR
1
2
34
56
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 1919
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
CCáálculo del Volumen de agua circundante a los sensores lculo del Volumen de agua circundante a los sensores de temperaturade temperatura
dxyrdA 22 −=
35
34
33
32
31
294505.854.344
478105.852.559
523205.859.611
478105.852.559
294505.854.344
cmV
cmV
cmV
cmV
cmV
=×=
=×=
=×=
=×=
=×=
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2020
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
CCáálculo de la capacidad de almacenamiento de energlculo de la capacidad de almacenamiento de energííaadel agua dentro del tanque del agua dentro del tanque
pVCmc ρ=
t (horaria) ρ mc1 mc2 mc3 mc4 mc5
9:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28
10:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28
11:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28
12:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28
13:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28
14:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28
15:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28
16:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28
17:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2121
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
CCáálculo del calor almacenado y rendimiento del colectorlculo del calor almacenado y rendimiento del colector
[ ]
21
mctUF
tTUIFqTLR
TLTRn
+
Δ−=
τα
t (horaria)FR factor de transferencia
de calor
τα Eficiencia óptica
UL coeficiente de pérdidas del colector
IT Energía de Radiación
kJ/m2
mccapacidad de almacenamiento del agua del colector
deltaT1qN calor
almacenado neto Rendi
miento
09:00 0.60 0.65 16.00 2801 123.28 10.97 625.64 22.33
10:00 0.60 0.65 16.00 2983 123.28 12.98 626.98 21.02
11:00 0.60 0.65 16.00 3036 123.28 15.63 564.98 18.61
12:00 0.60 0.65 16.00 2961 123.28 18.00 467.18 15.78
13:00 0.60 0.65 16.00 2757 123.28 19.55 350.70 12.72
14:00 0.60 0.65 16.00 2425 123.28 20.03 222.21 9.16
15:00 0.60 0.65 16.00 1964 123.28 19.59 77.94 3.97
16:00 0.60 0.65 16.00 1374 123.28 18.69 -96.30 -7.01
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2222
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
CCáálculo del calor almacenado y rendimiento del colectorlculo del calor almacenado y rendimiento del colector
09:00 11:00 13:00 15:000
5
10
15
20
25
30
Ren
dim
ient
o
t tiempo
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2323
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
CCáálculo del calor almacenado y rendimiento del colectorlculo del calor almacenado y rendimiento del colector
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600
10
20
30
40
REN
DIM
IEN
TO
Delta T
12
3
4
5
ECUACIONES CARACTERÍSTICAS DE CADA SENSOR
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2424
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
ANANÁÁLISIS CON SIMULADOR WINFACT LISIS CON SIMULADOR WINFACT
Función de Transferencia
IT(t)
Ta(t)
qn
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2525
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
ANANÁÁLISIS CON SIMULADOR WINFACT (IDA)LISIS CON SIMULADOR WINFACT (IDA)IITT entrada entrada qq55 salidasalida
Señal de salida
Señal de entrada
Respuesta
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2626
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (IDA)ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (IDA)TTaa entrada entrada qq55 salidasalida
Señal de salida
Señal de entrada
Respuesta
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2727
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (LISA)ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (LISA)ESTABILIDAD DEL SISTEMAESTABILIDAD DEL SISTEMA
ESTABILIDAD DEL CALOR EN FUNCIESTABILIDAD DEL CALOR EN FUNCIÓÓN DE LA RADIACION SOLAR N DE LA RADIACION SOLAR
ESTABILIDAD DEL CALOR EN FUNCION DE LA TEMPERATURA AMBIENTEESTABILIDAD DEL CALOR EN FUNCION DE LA TEMPERATURA AMBIENTE
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2828
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (BORIS)ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (BORIS)
Ta
IT
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 2929
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACITERMICO DE LA RADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
Fundamentos Teóricos
Aplicación experimental
Modelado del proceso térmico
Ecuación Característica
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 3030
““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIDE LA RADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600
10
20
30
40
RE
ND
IMIE
NTO
Delta T
12
3
4
5
ECUACIONES CARACTERÍSTICAS DE CADA SENSOR
( )∑ Δ−=
d
nn
n IT
BAη
Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 3131
"pretendes observar las estrellas y ni siquiera ves lo que tienes a tus pies“(Thales de Mileto).