Diseñando un sistema solar térmico para procesos industriales (2ª PARTE)

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Configuración, parámetros y control del sistema

En la mayoría de los casos nos encontraremos ya un calentamiento convencional instalado en un proceso. Debido a esto, en la mayoría de los casos la configuración siguiente será apropiada para el proceso.

El volumen del almacenamiento de calor solar se ajusta dependiendo de la diferencia de la temperatura de retorno y la temperatura máxima, ya que la capacidad disponible del almacenamiento depende de la diferencia entre estas dos temperaturas.

La longitud de tuberías para el bucle solar se establece en 0,25 m/m2 del área de apertura de colectores. La mitad de la tubería se asume está en el exterior. Se asume que el 100 % del aislamiento está en las tuberías interiores y el 150 % en las exteriores. Se asume un factor de corrección de dos en las pérdidas de calor para tener en cuenta las instalaciones reales. Adicionalmente, se calcula el valor UA para el almacenamiento dependiendo del tamaño. Por ejemplo, el valor UA es 8 W/K para un almacenamiento térmico de 10 m³. Un volumen de almacenamiento de calor específico de 50 l/m² de área de apertura del colector se menciona como un valor adecuado para muchos casos. El volumen del almacenamiento de calor solar se ajusta dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de retorno de proceso y la temperatura máxima, ya que la capacidad disponible del almacenamiento depende de la diferencia entre estas dos temperaturas. Asumiendo que la temperatura de retorno del proceso son 12 ºC, la temperatura máxima del depósito 95 ºC y un volumen específico de 50 l/m² de área de apertura del colector la capacidad de almacenamiento disponible del almacenamiento de calor es:

Independientemente de la carga de proceso, los valores de demanda específica son usados en las siguientes secciones para alcanzar resultados que son independientes del tamaño del sistema. La carga disponible específica definida como la demanda de energía específica disponible máxima para 1 m²_ap se usa posteriormente para desacoplar los resultados del tamaño del sistema térmico solar y la cantidad absoluta de carga. La carga diaria disponible se define como:

Valores típicos para la carga disponible están en el rango de 1 a 10 kWh/(m²_apd).

La masa disponible por día (m_disponible por día en kg/d) puede calcularse para ciertas cargas disponibles, ej. q_disponible = 4 kWh (m²_apd) y para un cierto rango de temperaturas de un proceso, ej. 12 a 60 ºC:

Un perfil diario se utiliza para la distribución horaria de la carga.

El valor UA para el intercambiador de calor de descarga se determina dependiendo del perfil horario. Un valor UA correspondiendo a una diferencia de temperatura logarítmica de 5 K a flujo másico máximo se asume para perfiles sin picos mayores. Para perfiles con altos picos, el valor UA se estableció a un valor para el cual una diferencia de temperatura logarítmica bajo 5 K puede ser alcanzado para el 90 % del día.

Influencia de la temperatura de proceso en el diseño

El nivel de temperatura de un proceso industrial obviamente tiene una fuerte influencia en el diseño de todo el sistema solar y su dimensionado. Varios niveles de temperatura tienen que ser considerados aunque la investigación dentro de esta tesis se enfoca en temperaturas de proceso por debajo de 100 ºC. Además de calentar el agua fría, las temperaturas de retorno de proceso más alta ocurren a menudo  debido al precalentamiento a través de la recuperación de calor, por las redes de agua caliente y el calentamiento de recipientes dentro de la producción.

En la siguiente figura se muestra la distribución de temperaturas en 71 industrias existentes. Ejemplos de procesos que requieren agua entre 60 y 80 ºC son comunes en la industria.

En otros casos, un chorro precalentado (ej. por un recuperador de calor) se calienta por un sistema solar térmico (ej. el agua de alimentación de la caldera puede calentarse desde 20 a 90 ºC o un retorno de la red de agua caliente puede calentarse desde temperaturas de 60..70 ºC.

Varias temperaturas de proceso son posibles en las aplicaciones de calentamiento de depósitos y procesos de separación térmica. Las temperaturas pueden ser tan bajas como 30 ºC para el desengrase de piezas metálicas y tan altas como 90 ºC en la industria de alimentación. La siguiente tabla muestra los niveles de temperatura para la investigación dentro de esta tesis que se basa en una revisión de sistemas de calor de proceso solar y un análisis conveniente de procesos.

Temperatura (ºC)
Retorno	Caudal (máx)
15	60/80
30	60/80
40	70/90
50	80
60	90
70	90
80	95

Para grandes cargas disponibles la diferencia en el ratio de utilización declina con el sistema térmico solar justo con el incremento de la temperatura de retorno. El ratio de utilización es constantemente inferior para las temperaturas superiores para una diferencia de temperatura igual entre impulsión y retorno mientras que declina la carga disponible.

Influencia del perfil de carga y volumen de almacenamiento

Diferentes tipos de colector pueden usarse para aplicaciones de calor de proceso y sus varios niveles de temperatura. La influencia del perfil de carga es bastante limitada para sistemas con almacenamiento de calor. Sólo los perfiles con muy altos picos fuera de las horas centrales del día tendrán una menor utilización.

Está claro que perfiles con demanda de calor en menos de 7 días llevan a una utilización anual menor que los perfiles con una demanda de calor constante. Un incremento simple de la capacidad de almacenamiento de calor lleva a ratios de utilización anual mucho mayores. El tamaño del campo de colectores necesita reducirse para alcanzar una carga disponible mucho mayor en orden de incrementar la utilización anual.

El tamaño del campo del colector necesita reducirse para alcanzar una carga disponible más alta en orden de incrementar la utilización anual. Como norma aproximada la carga de diseño en una fracción solar diaria en un día de verano puede incrementarse al menos 1 kWh por m² de área de colector para un perfil de seis días y al menos otro kWh para un perfil de cinco días en comparación con un perfil de 7 días. Vemos en la figura como conforme aumentamos la temperatura del proceso debe aumentar el tamaño del campo de colectores.

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