2011
Proyecto de Climatización Solar de la ESIME CULHUACAN
ING. KISIEV SALGADO CASTRO PROYECTO DE CLIMATIZACIÓN SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
INDICE 1.‐ INTRODUCCION 2.‐ FEBRERO DEL 2008 – LA TESIS 3.‐ LABOR DE DISEÑO DEL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO 4.‐ CONSTRUYENDO EL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO 5.‐ MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS CALENTADORES 6.‐ CALENTADORES SOLARES PROTOTIPO PUESTOS EN SERVICIO 7.‐ SATISFACIENDO LA DEMANDA EN REGADERAS DEL GIMNASIO 8.‐ SATISFACIENDO LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE EN LA ALBERCA SEMIOLIMPICA DE LA ESIME CULHUACAN 9.‐ LOS ENROLLADORES – DISEÑADOS Y CONSTRUIDOS EN LA ESIME 10.‐ BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN REGADERAS 11.‐ BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA 12.‐ BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA Y REGADERAS 13.‐ CONCLUSIONES
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INTRODUCCION El presente trabajo pretender ser un registro gráfico e histórico de las labores realizas por un servidor y su equipo de colaboradores, encaminadas a hacer realidad un proyecto de ingeniería pionero en el ámbito de las energías renovables, y que gracias al apoyo conjunto de alumnos y autoridades politécnicas es posible ya al día de hoy gozar sus beneficios. Después de una intensa labor de investigación, estudio y diseño; se hubieron finalmente construido un sistema capaz de captar y transmitir la energía térmica del sol para el calentamiento de un fluido. Dicho sistema de captación mejor conocido como Calentador Solar, brindan actualmente servicio en el gimnasio del plantel a las 10 regaderas y de hombres y mujeres, tanto internas como externas; beneficiando con ello a la comunidad politécnica, e inherentemente también a la investigación y desarrollo tecnológico de país. A continuación mostraré un breve recorrido a lo largo de los ya más de dos años invertidos en esta ardua labor. FEBRERO DEL 2008 – LA TESIS Mi nombre es Kisiev Salgado Castro y soy egresado de la ESIME CULHUACAN de la carrera de Ingeniería Mecánica; el día 1 de febrero del 2008 sustenté ante jurado mi trabajo de tesis llamado “EL COLECTOR SOLAR TÉRMICO PARA LA OBTENCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA”, con el cual después de haberlo aprobado y ya posteriormente promovido ante maestros y autoridades politécnicas, logre emprender un proyecto cuyo propósito es desarrollar calentadores solares politécnicos para calentar el agua de la alberca en nuestra escuela. Por ello tras conseguido el apoyo y el financiamiento requeridos empecé las labores del denominado “PROYECTO DE CLIMATIZACIÓN SOLAR DE LA ALBERCA DE LA ESIME CULHUACAN”.
Figura 1. Presentación de la tesis “El colector solar térmico para la obtención de agua caliente sanitaria”
Febrero 2008 1 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Gracias a la investigación realizada previamente para la tesis, nuestro proyecto no empezó de cero, a continuación muestro uno proyecto gemelo en otra universidad:
Figura 2. Calentadores solares con más de 20 años en servicio, cortesía Universidad de las Americas, Puebla.
Figura 3. Calentadores solares con más de 20 años en servicio, cortesía Universidad de las Americas, Puebla.
2 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
LABOR DE DISEÑO DEL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO El proceso de diseño se calculó a partir del programa PROSOLMEX, dicho programa fue desarrollado por un servidor utilizando la herramienta de la hoja de cálculo de Excel. A partir de datos de irradiación local del sitio en consideración, la inclinación y la orientación dada al colector, PROSOLMEX calcula la cantidad de energía solar disponible para una superficie, lo anterior para cada mes del año; y con ello el usuario al introducir datos sobre el tipo de material con el que se construirá el calentador, el programa arroja una eficiencia del equipo; es decir con el software PROSOLMEX se optimiza el diseño de un calentador solar, invirtiendo más en aquellos materiales que harían del calentador mucho más eficiente.
Figura 4. Gráficas generadas a partir del programa PROSOLMEX En la gráfica anterior se muestra la ganancia de energía captada por una superficie en la ciudad de México al ser inclinada 30° (curva azul) para los meses del año cuando es sol sale más bajo en el horizonte, es decir durante el invierno; y por otro lado la curva en rojo muestra la ganancia de energía captada del sol para una superficie horizontal durante los meses de primavera y verano. En otras palabras se concluye que un calentador con una inclinación variable a lo largo del año podrá captar más energía que si se tratase únicamente de uno estacionario.
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Cálculo de energía solar disponible para una ciudad y un més del año en particular. Con esto ya sabemos cuánto es el máximo teórico que podemos obtener para determinada localidad y etapa del año.
Radiación incidente para de las 12 a 13hrs durante un día de octubre
Radiación absorbida por un colector con las características de una cubierta arriba descritas
Total de radiación incidente durante un día típico en octubre
Figura 5. PROSOLMEX – Ingresando datos Geográficos de la ciudad en consideración y obteniendo como resultado el recurso solar disponible (J/m2) .
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En esta sección de PROSOLMEX el usuario ingresa lo distintos valores relativos al material de la placa colectora y tubos (cobre, aluminio, acero), diámetro de la tubería, espesor de la placa colectora, separación entre tubo y tubo, tipo de cristal, espesor del cristal, espesor del aislamiento del fondo y caras laterales del colector, fluido de trabajo (agua, glicol, etc.), caudal dentro de la tubería de la placa absorbedora, obteniendo como resultado la eficiencia del calentador, así como la energía captada para un día promedio en la localidad que se haya seleccionado previamente.
Figura 6. PROSOLMEX – Ingresando datos constructivos del calentador solar y obteniendo como
resultado la energía captada y la eficiencia del mismo (J/m2) .
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CONSTRUYENDO EL PRIMER CALENTADOR SOLAR POLITÉCNICO En octubre del 2008 se empezó a llevar a la práctica todo lo visto hasta el momento, construyendo los 2 primeros calentadores solares.
Figura 7. Construyendo los primeros calentadores solares – Se construyeron dos modelos, uno con 6
tubos en paralelo y otro de 9. Tercer trimestre del 2008
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Figura 8. Construyendo los primeros calentadores solares Tercer trimestre del 2008
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Figura 9. Construyendo los primeros calentadores solares Tercer trimestre del 2008
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MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS CALENTADORES Para poder constatar los valores de eficiencia estimador por el programa de diseño PROSOLMEX, se diseñó un banco de pruebas con la capacidad para probar los dos prototipos de calentadores, ya sea juntos o por separado, y también haciéndolos trabajar por el principio de termosifón o circulación forzada.
Figura 10. Diseño del banco de pruebas de los dos primeros prototipos instalados en las regaderas. Cuarto trimestre del 2008
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Se instalaron termómetros a la entrada y salida del agua en los calentadores, otros termómetros para conocer la temperatura de la placa y un medidor de caudal, con lo anterior es posible medir la cantidad de energía captada por los calentadores solares, ello a partir de un balance de energía de la siguiente ecuación:
Qu = mCp(Tf‐Ti)
Donde: Qu = Calor útil transferido al fluido de trabajo m = flujo másico o caudal (Litros por minuto) Cp = Poder calorífico del agua Tf = Temperatura final del agua a la salida del calentador Ti = Temperatura inicial del agua a la entrada del calentador
Figura 11. Diseño del banco de pruebas de los dos primeros prototipos instalados en las regaderas.
Cuarto trimestre del 2008
10 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
CALENTADORES SOLARES PROTOTIPO PUESTOS EN SERVICIO Inicialmente se contemplaba que los dos primeros calentadores solares sirvieran como prototipos de aquellos que habría de ser construidos posteriormente en serie para satisfacer la demanda de agua caliente en la alberca, sin embargo dada la problemática de las regaderas del gimnasio en cuanto el suministro insuficiente de agua caliente, fue cuando decidimos también climatizar las regaderas del gimnasio. En la imagen se muestran los dos modelos construidos, puestos en servicio para las regaderas a finales del 2008, en la imagen también se aprecia su banco de pruebas, con el cual medimos eficiencias promedio del 58% para el calentador de 6 tubos, y de 65% para el de 9.
Figura 12. Los dos primeros prototipos instalados en las regaderas. Cuarto trimestre
del 2008
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SATISFACIENDO LA DEMANDA EN REGADERAS DEL GIMNASIO Durante casi todo el 2009 y parte del 2010 nos dimos a la tarea de construir los modelos de calentadores solares que habrían de satisfacer la demanda en las regaderas del gimnasio, las 8 internas de hombres y mujeres, y las 2 regaderas externas que se instalaron para en enjuague previo a las clases de natación, he aquí la cronología:
Figura 13. Aumento a cinco el número de calentadores para regaderas internas del gimnasio. Cuarto trimestre del 2008
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Figura 14 .Calentadores instalados en regaderas del gimnasio ‐ primer trimestre del 2009 (superior) Diseño computarizado de los calentadores (inferior) Primer trimestre del 2009
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Figura 15. Diseño por computadora de las bases de ángulo variable para los calentadores. Primer
trimestre del 2009
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Figura 16. Después de la impermeabilización de la superficie se aumento a 8 la cantidad de
calentadores para regaderas internas (superior) y se colocó la primera regadera para enjuague en el acceso de hombres de la alberca (inferior). Segundo trimestre del 2009
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Figura 17. En seguida se instaló la regadera de enjuague para mujeres con dos calentadores más. Segundo trimestre del 2009
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Figura 18. Capacidad instalada de 13 calentadores solares, 9 en regaderas internas y 4 en regaderas externas. Segundo trimestre del 2009
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Figura 19. Se realizó la instalación de las llaves de agua fría (superior) así como de la tubería de agua fría (inferior), ambas inexistentes en las regaderas internas del gimnasio desde hacía un par años. Tercer trimestre del 2009
18 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 20. Instalación de la toma de agua fría para las regaderas del gimnasio, utilizando tubería de
última generación (tubería verde) tuboplus. Tercer trimestre del 2009
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SATISFACIENDO LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE EN LA ALBERCA SEMIOLIMPICA DE LA ESIME CULHUACAN Describiré a grandes rasgos todos los esfuerzos que hasta ahora ya tres generaciones de prestadores de servicio social y un servidor hemos llevado a cabo con tal de concluir tal ambicioso proyecto nacido hace ya más de dos años atrás.
Figura 21. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de cortado de tubo (superior), operaciones de taladrado de los distribuidores (inferior). Cuarto trimestre del 2009.
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Figura 22. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de soldadura de tubo de cobre. Cuarto trimestre del 2009.
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Figura 23. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de soldadura de tubo de cobre. Primer trimestre del 2010
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Figura 24. Proceso de construcción de los 32 calentadores solares para la alberca, operaciones de embutido y soldadura de la lámina de cobre a los esqueletos de tubo de cobre. Primer trimestre del 2010
23 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Se cortaron, soldaron y pintaron 90 ganchos cortos como estos Se cortaron, soldaron y pintaron 30 bases chicas como esta
Se cortaron, soldaron y pintaron 90 ganchos largos como estos
Se cortaron, soldaron y pintaron 30 bases grandes como esta
Figura 25. Proceso de construcción de las 32 bases para los calentadores solares. Segundo trimestre del 2010
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Figura 26. Las 32 bases para los calentadores solares son terminadas. tercer trimestre del 2010 25 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 27. Se terminan de construir los primeros 16 calentadores solares para la alberca. Cuarto trimestre del 2010 y primer trimestre del 2011
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Figura 28. Trabajos actuales, instalación de la tubería hidráulica de los calentadores de la alberca (superior), construcción del canal para la tubería (inferior). Primer trimestre del 2011
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LOS ENROLLADORES – DISEÑADOS Y CONSTRUIDOS EN LA ESIME
Figura 29. Enrrolladores de cubierta térmica para alberca, diseñados y construidos por nosotros a la par de los trabajos de construcción de los calentadores Terminadas durante el 2009 y 2010
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Figura 30. Enrrolladores de cubierta térmica para alberca, diseñados y construidos por nosotros a la par de los trabajos de construcción de los calentadores Terminadas durante el 2009 y 2010
29 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 30. Enrrolladores de cubierta térmica para alberca, diseñados y construidos por nosotros a la par de los trabajos de construcción de los calentadores Terminadas durante el 2009 y 2010
30 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
Figura 30. Faltará adquirir dos cubiertas térmicas más para poder cubrir la alberca con la marta térmica durante la noche o los días que no se impartan las clases de natación.
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BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN REGADERAS Los 13 calentadores solares instalados y puestos en marcha hasta ahora en las inmediaciones deportivas de la ESIME Culhuacan, calientan en promedio al día 1000 litros de agua a 45°C. y pueden dar servicio completo a hasta 50 usuarios al día. Litros calentados al día a 45°C
Kgs de GLP no quemados al año
Ahorro en Gas L.P. anual
1000 1800 18,360.00 pesos* *costo actual del kilogramo del Gas L.P. en 10.20 pesos.
Toneladas de CO2 No emitidas al año 4.8
Los calentadores solares tienen una vida útil de 15 años, considerando esto ponemos en perspectiva nuevamente los datos analizados en la tabla anterior. Kgs de Gas LP no Ahorro en Gas L.P. quemados en 15 en 15 años años 1000 27000 405,000.00 pesos * *Estimando el costo del kilogramo del Gas L.P. en 15 pesos. Litros calentados al dia a 45°C
Toneladas de CO2 No emitidas en 15 años 72
BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA En la alberca semiolimpica habrán de instalarse 32 calentadores solares que inyectaran una tasa promedio de 707,200 KJ de energía proveniente del sol, esto es equivalente a 25Kg de gas L.P. o 34 m3 de gas natural al día. En términos más prácticos cada día se calentarán 14000 litros de agua de 13 a 25°C. Litros calentados al día a 25°C
Kgs de GLP no quemados al año
Ahorro en Gas L.P. anual
14000 9000 91,800.00 pesos* *costo actual del kilogramo del Gas L.P. en 10.20 pesos.
Toneladas de CO2 No emitidas al año 24.3
Los calentadores solares para la alberca tienen también una vida útil mínima estimada de 15 años, considerando esto ponemos en perspectiva nuevamente los datos analizados en la tabla anterior. Kgs de Gas LP no Toneladas de CO2 Ahorro en Gas L.P. quemados en 15 No emitidas en en 15 años años 15 años 14000 132000 1,980,000.00 pesos* 364.5 *Estimando el costo del kilogramo del Gas L.P. en 15 pesos. Litros calentados al dia a 45°C
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BENEFICIOS AMBIENTALES Y AHORROS ECONOMICOS EN LA ALBERCA Y REGADERAS Los 45 calentadores solares en alberca y regaderas habrán de absorber del sol la cantidad mínima de 840,440 KJ (KILO JOULES) de energía, lo que es equivalente a 30 kilogramos de gas L.P. al día, por lo tanto la escuela ahorrará al año: Energía generada al día
Kilogramos de Gas LP no quemados al año
Ahorro en Gas L.P. anual
La equivalente a 30 Kilogramos de gas 10800 110,000.00* L.P. *costo actual del kilogramo del Gas L.P. en 10.20 pesos.
Toneladas de CO2 No emitidas en 15 años 29.1
Los calentadores solares para la alberca y regaderas tienen una vida útil mínima estimada de 15 años, considerando esto ponemos en perspectiva el proyecto completo, sus ahorros económicos y sus beneficios ambientales: Energía generada al día
Kilogramos de Gas LP no quemados en 15 años
Ahorro en Gas L.P. anual
Toneladas de CO2 No emitidas en 15 años
La equivalente a 30 Kilogramos de gas L.P.
162000
2,430,000.00*
437.4
El costo total de proyecto es de aproximadamente 15mil pesos por colector solar, incluyéndose además del costo de la manufactura del mismo; los costos de herramientas, tubería hidráulica externa, materiales para la construcción de las bases metálicas, válvulas hidráulicas, honorarios de un servidor, entre otros. Es decir el proyecto tendrá al final de 3 años de duración un costo total de 675mil pesos; y de no superar el precio del kilogramo de Gas L.P. los 15 pesos estimados dentro de 15 años, el ahorro total de proyecto en términos financieros será de mínimo 1,755,000.00 pesos, siendo el plazo para amortizamiento de 6 años. 33 Ing. Kisiev Salgado Castro| PROYECTO DE CLIMATIZACION SOLAR DE LA ESIME CULHUACAN
CONCLUSIONES Han sido ya casi tres años de empezado nuestro proyecto, encontrándonos ahora en la recta final del mismo, han sido tres años de enfrentar retos que parecían titánicos para una sola persona, sin embargo nunca se trató únicamente del trabajo de un servidor, sino fue más bien el de muchas personas, desde los ya más de 20 prestatarios de servicio social, estudiantes politécnicos, que han laborado en el proyecto, hasta las autoridades del IPN que sin importar los cambios directivos han igualmente estado siempre pendientes y respaldando nuestra labor. Por otro lado es incuestionable el beneficio ambiental y económico del que proyectos como este son inherentes, sin embargo lo importante a resaltar también, es que orgullosamente se trata de un proyecto creador de tecnología nacional; que a lo largo del mismo ha generado y compartido el conocimiento obtenido primeramente entre los estudiantes prestatarios de servicio social, así como también entre la comunidad politécnica en general, trabajadores, alumnos, profesores. He aquí pues un breve resumen de todas las actividades hasta ahora desarrolladas, gracias por su atención y apoyo; Atentamente: Ing. Kisiev Salgado Castro COORDINADOR DEL PROYECTO
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