V

Prcticas de Laboratorio de Captacin y Almacenamiento de la

Energa Solar

Francisco Risco ^ Santa University School of Energy Engineering

Deparment of Physic and Energy

Referencia: J . Duffie, W. Beckman- Solar Engineering of Thermal Processes

9 de septiembre de 2015

Profesor del Departamento de Energa y Fsica de la UNS

PRACT ICA 2 UL P O R E L M T O D O D E K L E I N , F Y F '

2.1 Objetivos

a. Deterrnmar experimentalmente por el mtodo de Klein d coeficiente global de prdidas de calor: UL, para un colector de placa plana (cpp).

b. Encontrar los parmetros F y F ' con d valor de UL para su colector en evaluacin.

Para un colector de placa plana (como se muestra en la figura, se puede determinar con datos experimentales el coeficiente global de prdidas de calor UL, usando el mtodo analtico; es decir, encontrando las resistencias trmicas por radiacin, conveccin y conduccin. Segn el modelo terico un cpp tiene prdidas de calor hacia la parte superior de la placa absorbedora y hacia la parte inferior.

Un diagrama de resistencias trmicas se muestra en la figui-a siguiente. Donde:

Ta es temperatura ambiente. Tp es temperatura de placa. Te es temperatura de cubierta. Tinf es temperatura inferior. hr es coeficiente radiativo entre placa y cubierta. he es coeficiente convectivo entre placa y cubierta. / es el coeficiente conductivo. h'j. es el coefidente radiatiTO entre cubierta y medio ambiente. h'e es el coeficiente convectivo entre cubierta y ambiente. h" es el coeficiente radiativo entre la superficie inferior y el medio ambiente. h' es el coeficiente convectivo entre la superficie inferior y el medio ambiente. Adems de esas variables, tambin se debe medir veloddad de viento v.

2.2 Teora

" i m

Figura 2.1: Un colector de placa plina

1

.2. TEORA PRACTICA 2. UL POR EL MTODO DE KLEIN, F Y F'

Figura 2.2: diagrama de resistencias trmicas

Estos coeficientes ya no tendran que encontrarse, Klein plantea la siguiente ecuacin:

UL^Ut + Ub

donde: Ut es coeficiente de prdidas de calor hacia la parte superior del colector. Ub es el coeficiente de prdidas de calor hada la parte inferior del colector.

(2.1)

Figura 2.3: Resistencia trmica equivalente para un colector solar de placa plana

Las prdidas de calor hada la parte superior es el resultado de las prdidas por radiadn y conveccin entre la placa absorbedora y la cubierta. La transferencia de energa en estado estacionario entre la placa a temperatura Tp y la cubierta a temperatiura Te es la misma que hay entre la cubierta y el medio ambiente a temperatura Ta. es la radiadn global sobre el plano indinado del colector, Q es d calor til dd colector.

2.2.1 ECUACIN DE B A L A N C E D E ENERGA

En estado estadonario el balance de energa para un colector solar se describe por la ecuadn siguiente:

Qu = Ae[H-UL{Tpm-Ta)] (2.2)

El problema con esta ecuacin es que la Tpm es difcil de medir o calcular, debido a que, es funcin del diseo del colector, la radiacin incidente y las condidones del fluido de entrada. La gananda til debe modificarse de tal modo que la gananda se expresa en fundn de la temperatura de entrada del fluido y un parmetro que conocemos como Factor de Remodn FR.

F. Risco 2 Dpto Energa y Fsica

2.3. EQUIPOS Y MATERIALES PRACTICA 2. UL POR EL MTODO DE KLEIN, F Y

2.2.2 COEFIC IENTE G L O B A L DE PRDIDAS D E C A L O R UL

El coeficiente global de prdidas de calor se determina usando la frmula de Klein, basndose en dos partes: una, las prdidas hacia la parte superior del colector Ut y la otra hada la parte inferior Ub. El mtodo analtico es tedioso computadoneilmente. Una ecuadn emprica para Ut fue desarrollada por Klein (1979) siguiendo los procedimientos de Hottel y Woertz (1942) y por el propio Klein (1975), con las siguientes expresiones:

' N 1^ -E +

- 1 a(rp^ + r.)(7^, + 7^)

( y - r , ) ] " h,., / 1 I 2N+f-l+0,133e. (N+f) } p+0,00591JV/. ^ c '^

Ut =

donde = Nmero de cubiertas. / = (1 + 0,89/i, - 0,1166h^p)(l + 0,07866V C = 520(1 - 0,000051/J2) para O < /3 < 70; para 70 < ^ < 90, usar y3 = 70 e = 0 , 4 3 0 ( 1 - ^ ) /3 H ngulo de incnacin del colector. Ec = emitanda de la cubierta Ep = emitanda de la placa To = temperatura ambiente (K) Tpm = temperatura de placa media (K) h,,u = coeficiente de transferencia del viento( V/m^C)

La resistencia trmica de la cubierta hacia el medio ambiente esihw cuyo \'Boi se encuentra por la expresin

/i, = 5,7 + 3,8v (2.4)

Donde v es veloddad del viento El coefidente de prdidas hada la parte posterior del colector Ub es aproxima-damente:

Donde k y L son la conductividad trmica del aislante posterior y el espesor respectivamente. La parte que corresponde a 7i, es el mismo de la prctica No. 1

2.2.3 Eficiencia de Aleta F

La encienda de aleta F se obtiene mediante la expresin:

tanh F =

m (.w-D)

Donde W = al ancho entre tubo a tubo. D = es l dimetro del tubo. m = Aqu A; es la condurtivideid trmica de la placa y 5 es el espesor de la placa.

(2.5)

2.2.4 Eficiencia de Placa F '

La eficienda de placa se encuentra con la siguiente expresin obtenida en clase.

F' = 1

W 1 i . J _ j . 1 UL[D+[W-D)F] CI , irDihfi

(2.6)

2.3 Equipos y Materiales

Para esta prctica se harn uso de los siguientes equipos: Colector solar de placa plana de tubos de manguera, tubos de PVC con placa galvanizada y tubos de cobre con placa de cobre; termmetros y dateJogger

F. Risco 3 Dpto Energa y Fsica

14. PROCEDIMIENTO PRACTICA 2. UL POR EL MTODO DE KLEIN, F Y ^

colector de mangueras

Figura 2.4: colector de manguera y sensor de tempeatura

Figiura 2.5: Datalogger

2.4 Procedimiento

Con los datos tomados en el laboratorio No. 1 y otros pjurmetros que ya se debieron medir se determinan los factores que van a careicteiizar a su colector; recuerde que los datos se toman en promedio, en base al com-portamiento en estado estacionario.

n Ta V

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