12 noviembre 2012

Guía de diseño de aplicaciones con energía térmica solar para aplicaciones no residenciales (3ª PARTE)

Ver 2ª PARTE

Sistemas de paso simple en bucle abierto

Debido a que las cargas industriales operan durante todas las horas de sol o incluso para un día de 24 horas, el sistema térmico  solar más simple es uno sin almacenamiento de calor. Una porción apreciable (entre el 25 % y el 70 %) de la carga térmica del día puede suministrarse por tales sistemas,

Debemos asumir que TLi y Txi son constantes durante todas ls horas del día. Debido a que no se proporciona almacenamiento, el exceso de captación (cuando TCi > TLi) tendrá que ser eliminado.

El máximo área de colector Ac para el cual no es necesario eliminar energía en ningún momento del año puede ser encontrado desde la siguiente ecuación de equilibrio térmico instantáneo:



Donde PL, la demanda de calor térmica instantánea de la carga (en kW) viene dada por:

Y FR es el factor de extracción de calor del campo del colector cuando su área de superficie es Ac. Ya que Ac es todavía desconocido, el valor de FR también es indeterminado. Recuérdese que el factor de eficiencia de la placa F´ para colectores de líquido pueden ser asumidos constantes e independientes del caudal del fluido por área del colector unitario. La PL puede expresarse en términos de nivel de radiación crítica IC:


Si el área del colector actual AC excede este valor, el exceso de energía tendrá lugar tan pronto como la intensidad de radiación alcance un valor ID, cuyo valor es determinado en el siguiente balance térmico:

Nótese que el valor de ID decrece con el incremento del área del colector AC, por lo tanto indicando que al incrementar la cantidad de energía solar tendrá que ser eliminada.

Componentes de costes de un sistema solar

La forma como los componentes individuales del sistema solar contribuyen al coste total puede estimarse a partir de la siguiente tabla. Nótese que los colectores constituyen la fracción principal, por lo que deben seleccionarse y dimensionarse con gran cuidado. Los costes de las tuberías son el segundo en importancia y también los costes de la estructura soporte son relevantes.

Componentes de coste
Rango de porcentaje
Colectores
15-30
Instalación del colector
5-10
Estructura de soporte del colector
5-20
Depósitos de almacenamiento
5-7
Tuberías y accesorios
10-30
Bombas
1-3
Intercambiadores de calor
0-5
Enfriador
5-10
Varios
2-10
Instrumentación
1-3
Aislamiento
2-8
Subsistema de control
4-9
Material eléctrico
2-6

Diseño de aplicaciones de calor solar en procesos industriales

Hasta ahora el uso de la energía térmica solar se ha utilizado casi exclusivamente en piscinas, preparación de agua caliente doméstica, y calentamiento de espacios, mientras que su uso en el sector servicios y en aplicaciones industriales es insignificante. Sin embargo el sector industrial consume mucha energía y aproximadamente el 30 % caen dentro de un rango de temperaturas compatible con los colectores térmicos solares.

Los sectores industriales y procesos más prometedores son los mostrados en la siguiente tabla y la distribución de demanda de calor por rango de temperatura.

Sector
Procesos
Temperatura (ºC)
Fabricación de cerveza y malteado
Ebullición de mosto
100

Lavado de botellas
60

Secado
90

Enfriamiento
60
Leche
Pasteurización
60-85

Esterilización
130-150
Preservación de alimentos
Pasteurización
110-125

Esterilización
< 80

Cocinado
70 – 100

Escaldado
95 – 100

Blanqueo
< 90
Carne
Lavado, esterilización, limpieza
< 90

Cocinado
90 – 100
Vino y bebidas
Lavado de botellas
60 – 90

Enfriamiento (enfriamiento de absorción de efecto simple)
85
Textil
Lavado, blanqueo, teñido
< 90

Cocinado
140 – 200
Automóviles
Secado de pintura
160 – 220

Desengrasado
35 – 55
Papel
Pulpa de papel: Cocinado
170 – 180

Agua de alimentación de la caldera
< 90

Blanqueo
130 – 150

Secado
130 – 160
Curtido
Calentamiento de agua para procesos húmedos
165 – 180 (vapor)
corcho
Secado, corcho cocido
40 – 155

Integración de colectores térmicos en sistemas industriales

Para temperaturas de proceso de hasta 60 ºC, los colectores de placa plana con absorbedores selectivos son los más apropiados y pueden ser la solución más económica incluso en rangos de temperatura de 90 ºC. Para temperaturas por encima de este rango, otros tipos de colectores deben ser considerados: tubos evacuados, placas planas de alta eficiencia, CPC o colectores de concentración de línea-eje.

En los últimos años se han desarrollado colectores de temperatura media para aplicaciones en el rango de temperaturas de 80 – 120 º C. Por ejemplo, los colectores de placa plana con acristalamiento anti reflexión doble y colectores herméticamente sellados con relleno de gas inerte, o incluso una combinación de ambos, reducen las pérdidas de calor del colector sin sacrificar significativamente el rendimiento óptico. En la siguiente figura se muestran las curvas de eficiencia estimadas para placas planas  de simple-, doble, triple vidrio.


Otra solución para los colectores de temperatura media es reducir las pérdidas de calor por concentración por, por ejemplo, uso de colectores CPC estacionarios sin vacío y con factor de concentración bajo (en el rango de dos).

Entre 150 º y 250 º C, es apropiado considerar la tecnología de colector parabólico. Mucho es conocido sobre las aplicaciones de alta temperatura (400 º C – 600 ºC) usando colectores parabólicos para producción de energía eléctrica, pero el ajuste debe hacerse en el rango de temperatura media. Los colectores parabólicos pueden incluso ser una alternativa apropiada para grandes sistemas a bajas temperaturas (alrededor de 60 º C).

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