diseno de un sst-acs
DESCRIPTION
sstTRANSCRIPT
DISEÑO DE UN SST DE AGUA ACS PARA COLEGIO
Introducción.
Es necesario contar con los datos del lugar donde se va a realizar el proyecto,
para su dimensionamiento.
Se determinará la configuración más adecuada y cantidad de colectores
solares y el ahorro energético.
Datos del lugar.
Coordenadas: 30°01′55″ latitud sur.
70°42′29″ longitud oeste.
Altitud: 620 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m.).
Precipitaciones: Año 2008 - 2010 , [mm], Estación Vicuña
Red Meteoróloga CEAZA-Met, www.ceaza.cl
Grafica de precipitaciones mensual.
Velocidad del viento: en temporadas de invierno se presenta un
viento local que va en ráfagas que varían entre:
o Max: 37 km/h
o Min: 27,75 km/h
Humedad relativa:
Grafica de humedad relativa mensual.
Temperatura:
Grafica de temperatura del aire mensual.
Radiación solar:
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
[MJ/m²] 29 26,9 22,6 17,6 12,2 9,5 10,8 14,7 20,5 24 26,9 29,4
[kWh/m²] 8,1 7,5 6,3 4,9 3,4 2,6 3,0 4,1 5,7 6,7 7,5 8,2
Radiación mensual.
Datos de operación
Días por año: aproximadamente 208 días al año sin descontar
vacaciones de invierno y fiestas patrias.
Horas de clase por día: 7,5 horas cronológicas.(diurna)
Descripción general.
El establecimiento educacional cuenta con 600 alumnos, de los cuales 520
realizan la jornada diurna de estudio y 80 realizan estudios nocturnos.
El suministro energético para A.C.S. (agua caliente sanitaria) se realiza por
medio de 6 Calefón alimentados LPG recargas se realizan tres veces
durante el periodo escolar.
El A.C.S. es utilizada en dos camarines cada uno con 6 duchas y para la
cocina del comedor.
Especificaciones técnicas de calefón
Calefont Mademsa
Modelo TERM 1101, Gas Licuado
Capacidad: 11 litros
Encendido manual / encendido piezo eléctrico
. Especificaciones técnicas de estanque de gas licuado.
Súper balón LIPIGAS
Capacidad: 300 litros aprox. (bombona)
Peso: 156 kg
Dimensiones: alto 1,30 metros, ancho 0,60 metros.
Determinación de consumos de ACS.
Según la informacion entregada por el liceo, 110 personas utilizan diariamente
las duchas de camarines. Para efectos practicos se consideraran 120 personas
diarias.
La determinacion del consumo diario de agua por persona es muy variable, por
lo que se pueden utilizar algunos estandares en cuanto al consumo.
Consumos estandares para diferentes aplicaciones
Criterio consumo l/día (45ºC)
Viviendas unifamiliares 40 Por persona
Viviendas multifamiliares 30 Por persona
Hospitales y clínicas 80 Por cama
Hoteles **** 100 Por cama
Hoteles *** 80 Por cama
Hoteles / hostales ** 60 Por cama
Camping 60 Por emplazamiento
Hostales/pensiones* 50 Por cama
Residencias (ancianos, estudiantes, etc.) 80 Por cama
Vestuarios/ duchas colectivas 20 Por servicio
Escuelas 5 Por alumno
Cuarteles 30 Por persona
Fabricas y talleres 20 Por persona
Oficinas 5 Por persona
gimnasios 30 a 45 Por usuario
Lavanderías 5 a 7 Por kilo de ropa
Restaurantes 8 a 15 Por comida
Cafeterías 2 Por almuerzo
El valor entregado para una escuela (5 lt/dia) es insuficiente para suplir las
necesidades.
Es por esto que se considerara el consumo de 20 lt/ dia por persona duchas
colectivas.
El consumo diario
CDT: consumo diario total
Determinación de consumo de gas licuado.
Para determinar los consumos de gas licuado se realiza un balance energético
en base al consumo, las temperatura de la red y el número de días al mes que
se requiere del gas licuado.
Entonces los datos iníciales son los siguientes:
Meses N° de días lt / día T°C uso T°C red
MAR 23 2400 45 20
ABR 21 2400 45 20
MAY 20 2400 45 20
JUN 21 2400 45 20
JUL 21 2400 45 20
AGO 22 2400 45 20
SEP 22 2400 45 20
OCT 20 2400 45 20
NOV 21 2400 45 20
DIC 17 2400 45 20
Datos iníciales para determinar consumo de gas.
Aplicando balance de masa en cuanto al calor cedido y calor absorbido se
puede obtener la cantidad de volumen de gas licuado que se consume
mensualmente en el Liceo.
Donde:
Qabsorbido: Energía calorífica necesaria [kJ/mes], (1[kWh] = 3.600 [kJ])
magua: Cantidad de agua consumida por día [kg/día]
ce: Calor especifico del agua (4,18 [kJ/kgºC])
n: número de días al mes
Tuso: temperatura de uso de agua 45 [ºC]
Tred: temperatura de red de agua [°C]
ρ: Densidad (agua: 1000 [kg/m3]; gas licuado: 2 [kg/m3])
C: Consumo de agua caliente
HHV: Poder calorífico del gas licuado (22.400 [Kcal/m3])
Luego se tiene que:
Nota: 1 KWH= 859.85 Kcal
Meses N° de días Qabs [kcal]
Qabs
[KWH]
Volumen [m³]
Gas Licuado
[kg]
MAR 23 1.378.071 1602,70 61,52 123,04
ABR 21 1.258.239 1463,33 56,17 112,34
MAY 20 1.198.322 1393,65 53,50 106,99
JUN 21 1.258.239 1463,33 56,17 112,34
JUL 21 1.258.239 1463,33 56,17 112,34
AGO 22 1.318.155 1533,01 58,85 117,69
SEP 22 1.318.155 1533,01 58,85 117,69
OCT 20 1.198.322 1393,65 53,50 106,99
NOV 21 1.258.239 1463,33 56,17 112,34
DIC 17 1.018.574 1184,60 45,47 90,94
Promedio 20,8 1.246.255 1.449 56 111
Total 12.462.553 14.494 556 1.113
Consumo de gas
Cálculo de la radiación mensual en un plano inclinado
Para definir la radiación en un plano inclinado primero debemos definir la
posición que va tener el colector solar.
Se recomienda definir la posición de acuerdo a la latitud donde se localiza el
proyecto cuya inclinación debe ser igual a esta, en este caso 30°. La dirección
se determina de acuerdo al hemisferio donde se vaya a instalar el sistema. En
este caso se encuentra ubicado en el hemisferio sur, por lo tanto la dirección es
al norte. Por lo que la inclinación y posición son 30° dirección norte.
Para determinar la radiación mensual en plano inclinado se deben obtener
primero los factores de corrección de pérdidas por ubicación (latitud), sombras
y por desviación. Para este proyecto los factores de sombra y desviación son 1,
ya que no existen perdidas por estos factores, puesto que no hay obstáculos
que produzcan sombra y como su orientación es en sentido norte no se
producen perdidas por desviación.
En el siguiente cuadro se muestran los factores y radiación para superficies
inclinadas.
Tabla de radiación y factores por inclinación, sombra y desviación
Meses Factor k para 30° (fuente
Censol)
Factor por sombra
Factor por desviación
Radiación mensual diaria en
sup. Horizontal [MJ/m²]
Radiación mensual diaria
en sup. Inclinada [MJ/m²]
Enero 0,93 1 1 29,0 26,970
Febrero 1,00 1 1 26,9 26,900
Marzo 1,11 1 1 22,6 25,086
Abril 1,22 1 1 17,6 21,472
Mayo 1,30 1 1 12,2 15,860
Junio 1,29 1 1 9,5 12,255
Julio 1,24 1 1 10,8 13,392
Agosto 1,17 1 1 14,7 17,199
Septiembre 1,09 1 1 20,5 22,345
Octubre 1,00 1 1 24,0 24,000
Noviembre 0,93 1 1 26,9 25,017
Diciembre 0,91 1 1 29,4 26,754
.
Dimensionado y cálculo del sistema térmico solar de ACS,
Para realizar el dimensionado del sistema es necesario conocer los datos de
partida de la instalación, tanto de las condiciones actuales como de la
propuesta a diseñar.
A continuación se presentan los datos de partida:
Consumo de agua caliente
Litros
: 2400 [lt/día]
Temperatura de uso (actual) : 45°C
Temperatura de uso (proyecto) : 45°C
Temperatura red agua fría
Temperatura ambiente
Radiación solar
Cálculo del consumo energía.
Es la cantidad de energía que se necesita para calentar el agua a una
determinada temperatura ( 45 ºC), la cual en este caso es aportada por el
sistema auxiliar.
Para el diseño del se pretende dar cobertura al 100 % de las necesidades, por
lo que la carga de consumo para el sistema a diseñar será la misma enrgía el
sistema auxiliar.
La carga de consumo se determina según lo aplicado en el punto
Meses N° de días
lt / día T°C uso
T°C red
Qabs
[KWH] Ocupación
%
MAR 23 2400 45 20 1602,70 100
ABR 21 2400 45 20 1463,33 100
MAY 20 2400 45 20 1393,65 100
JUN 21 2400 45 20 1463,33 100
JUL 21 2400 45 20 1463,33 100
AGO 22 2400 45 20 1533,01 100
SEP 22 2400 45 20 1533,01 100
OCT 20 2400 45 20 1393,65 100
NOV 21 2400 45 20 1463,33 100
DIC 17 2400 45 20 1184,60 100
Total 14.494
Carga de consumo de gas licuado.
Cálculo superficie de colectores y volumen de acumulación.
El cálculo del área óptima de captadores y volumen de acumulación se realizó
mediante el software gratuito CENSOLAR 4.0, el cual utiliza el método F-Chart.
Diseño de circuito hidráulico.
El diseño del circuito hidráulico de la red agua caliente se realiza a partir de los
planos de la construcción del edificio.
Trazado de tuberías con retorno invertido para garantizar que el caudal
se distribuya uniformemente entre los captadores.
Bomba de circulación en línea, en la zona de retorno del circuito y en
tramo de tubería vertical.
El vaso de expansión de conectará a la aspiración de la bomba.
El circuito incorporará un sistema de llenado manual que permitirá llenar
y mantener presurizado el circuito.
Se montarán válvulas de corte para facilitar la sustitución o reparación
de componentes sin necesidad de realizar el vaciado completo de la
instalación.
Se instalarán válvulas de corte a la entrada de agua fría y salida de agua
caliente del depósito de acumulación solar.
Se instalarán válvulas que permitan el vaciado total o parcial de la
instalación.
En los puntos altos de la salida de baterías de captadores se colocarán
sistemas de purga constituidos por purgador manual o automático.
Los trazados horizontales de tubería tendrán siempre una pendiente
mínima del 1 % en el sentido de la circulación.
Las tuberías y accesorios se aislarán.
Selección de la configuración
La configuración seleccionada correspondería a dos baterías de 7 colectores
cada una, los cuales se conectaran en paralelo y cada batería se conectara
finalmente en paralelo. En el circuito primario se habilitara de tal manera que
tenga retorno invertido, para de esta manera mantener el equilibrio hidráulico.
Configuración de colectores solar.
Selección del fluido de trabajo.
El fluido seleccionado para circular por el circuito va a ser agua
desmineralizada para proteger el circuito primario de las durezas del agua de la
red a fin de evitar las incrustaciones calcáreas, proteger la bomba de
circulación y evitar el atascamiento en válvulas
Como Vicuña presenta temporadas en que la temperatura baja
considerablemente se necesitara usar una solución anticongelante (glicol) en
porcentaje recomendado de máximo 40%
En caso que el sistema primario se deba vaciar, por eso se dejará una
pendiente de 1% en las tuberías de la red en dirección al flujo) y luego se
procederá a llenar nuevamente con agua y solución anticongelante antes
mencionadas.
Determinación diámetro óptimo de las tuberías
Las cañerías que se emplearán en los circuitos primario, secundario y de
consumo serán de cobre.
Para calcular el diámetro de las tuberías se utilizará la siguiente expresión
35,0CJD
Donde:
D: Diámetro en cm
C: Caudal en m3/h
J = 2,2 contante para tuberías metálicas
Para el cálculo del diámetro de tubería primero se debe conocer el caudal que
trabajará la instalación. El fabricante de los paneles recomienda un caudal de
60 l/m2 de superficie captadora por hora.
La configuración de los captadores solares se realizará en 2 baterías en
paralelo, las cuales estará compuesta de 7 colectores solares cada una,
conectados igualmente en paralelo, por lo que el caudal de trabajo sería:
Qt = 60 [ lt / m²hr ] * 15,19 [m²/ batería] * 2 [batería] = 1822,8 [ lt/hr ] = 1,823 [ m³/hr ]
Por lo tanto el diámetro de la tubería será de:
D = 2,2 * 1,823 0,35 = 2,715 [cm] = 27,15 [mm]
Se debe seleccionar las cañerías normalizadas de 1 ¼’’ de cobre tipo K, las
cuales se utilizan frecuentemente en instalaciones de agua fría y caliente,
vapor, riego de jardines y gas licuado en baja y media presión.
Determinación de pérdidas de carga del sistema
Para determinar las pérdidas de carga del sistema se deben determinar
primero las pérdidas parciales de cada componente del circuito primario y
secundario.
Las pérdidas de carga parciales de interés son:
Pérdida de carga en los colectores.
Pérdida de carga en el intercambiador de calor tipo serpentín.
Pérdida de carga en accesorios.
Pérdidas de carga en tuberías.
Pérdida de carga separador de aire.
Pérdida de carga en colectores
Para determinar las pérdidas de carga en los colectores solar es necesario
conocer los siguientes datos:
• Número de captadores que hay por batería: 7
• Número baterías: 2
• Longitud de la base de un captador: 1.055 [m]
• Diámetro de la tubería del captador: 18/20 [mm]
• Pérdida de carga en la longitud del captador: 12 [mm.c.a] (Valor recomendado)
Con estos datos se obtiene:
Velocidad: 0,99 [m/s]
Pérdida de carga unitaria (J): 72,92 [mm.c.a/m]
Pérdida de carga: 550,50 [mm.c.a]
Pérdida de carga en el intercambiador de calor tipo serpentín
Estos datos fueron facilitados por la empresa distribuidores de los productos
ROCA en Chile, ya que estos datos no se encuentran disponibles en catálogos.
Acumulador Pérdida de carga serpentín [mm.c.a]
2.000-1 E 800
Pérdidas por longitud intercambiador de calor.
Pérdida de carga en tuberías y accesorios
Para determinar las pérdidas de carga por tuberías y accesorios se debe
primero realizar el diseño del circuito primario del sistema,
Una vez realizados los planos se deben numerar, los diferentes tramos de
tuberías que componen los diversos caminos en que se divide el circuito
hidráulico, el diámetro y la longitud de las tuberías. De la misma forma se
deben determinar los codos, T, válvulas de retención y de esfera existentes en
cada tramo del circuito.
En este proyecto se determinaron 2 líneas, con los cuales se trabajó y se
obtuvieron los siguientes resultados:
Pérdidas por longitud:
Las fórmulas empleadas en el cálculo de las pérdidas de carga son las
fórmulas de Hazen – Williams que se especifican en el Anexo XII.
Nº Nº
capt
L
[m]
Q
[l/hr]
Dext
[mm]
V
[m/s]
Dint [mm]
J
[mm.c.a/m]
mm.c.a
tramo
mm.c.a acumulado
1 7 24,55 911,4 32 0,36 30 6,06 148,71 148,71
2 7 29,46 911,4 32 0,36 30 6,06 178,45 327,16
Total pérdidas
327,16
.
Pérdidas por accesorios
Nº Nº válvulas retención
Nº Codos Nº T90 Nº
válvulas esfera
Longitud
equivalente
Total tramo
1 2 5 4 9 14,56 88,18
2 2 7 4 9 11,28 68,32
Total pérdidas accesorios
230,63
Pérdidas por longitud de accesorios.
Pérdida de carga en separador o purgador de aire
Para un separador de aire ROCA Flancovent de 1 ¼’’ la pérdida de carga
corresponde a 60 [mm.c.a]. (s/g fabricante)
4.9.10.1. Pérdida de carga total sistema primario
Una vez calculadas las pérdidas de carga parciales se prosigue a determinar
las pérdidas de carga totales realizando la suma de ellas. Entonces se tendrá
que las pérdidas totales en el sistema son:
]..[29,19686063,23016,3278005,550 acmmHt
Dimensionamiento vaso expansión
Para realizar el dimensionamiento del vaso de expansión es necesario tener los
siguientes datos:
Número de captadores y volumen de agua contenida en un captador:
Número de captadores
Volumen
[lts/captador]
Total volumen captadores
[lts]
14 1,3 18,2
Datos colectores en sistema primario.
Volumen de agua en el intercambiador:
Intercambiador Volumen [lts]
Acumulador 2.000 - 1 E 28,5
Datos sistema de almacenado.
Volumen en todas las tuberías del circuito primario:
Largo total de las tuberías [m]
Volumen unitario de agua [lt/m]
Volumen [lts]
30,9 0,707 21,846
Volumen de agua en tuberías.
Presión máxima y mínima de trabajo (absoluta) del circuito en el punto más
alto de la instalación y considerando la distancia vertical desde ese punto al
vaso de expansión:
Presión de trabajo [Kg/cm2]
Presión absoluta [Kg/cm2]
Presión Total [Kg/cm2]
Mínima 2,5 3,503 4,303
Máxima 10 11,003 11,803
Presiones de trabajo del circuito primario.
Con los datos anteriores se prosigue al cálculo del volumen mínimo
necesario de un vaso de expansión (Vt ), de acuerdo a la siguiente fórmula:
Donde:
V: volumen del fluido del circuito primario, suma de volumen de las
tuberías, captadores, e intercambiador.
CpCeVVt
Ce: coeficiente de expansión del fluido. Es una función de la
temperatura de trabajo. Se considera Ce = 0,043.
Cp: coeficiente de presión. En el caso de un vaso de expansión
cerrado con diafragma el cálculo se realiza de la siguiente manera:
minmax
max
PP
PCp
Pmax: presión máxima de funcionamiento en el vaso de expansión (valores
absolutos), considerando la distancia vertical entre el punto más alto de la
instalación y el vaso de expansión.
Pmin: presión mínima de funcionamiento en el vaso de expansión (valores
absolutos), considerando la distancia vertical entre el punto más alto de la
instalación y el vaso de expansión.
Ahora calculando:
Por lo tanto:
][64,4573,1043,0])[846,215,282,18( ltsltsVt
El volumen mínimo recomendado para el vaso de expansión seria de 4,64
litros, por lo tanto según los accesorios que se van a emplear debemos
seleccionar el vaso de expansión de 10 litros de capacidad, el cual tienen la
capacidad más cercana al mínimo recomendado.
Dimensionamiento bomba de circulación
Para realizar el dimensionamiento adecuado de la bomba de circulación se
debe realizar un cálculo aproximado de la potencia teórica de la bomba
mediante la siguiente expresión:
Donde:
P: potencia teórica de la bomba en HP.
Qt: caudal total de circulación en [l/s]
ΔH: pérdidas de carga del circuito primario de la instalación solar [m.c.a] más la
distancia al punto más alto de la instalación, en este caso 8 metros.
η: rendimiento de la bomba, para calculo teórico se considera un rendimiento
del 60%.
Por lo tanto la expresión para este proyecto sería:
][54,82][11068,06,076
]..[96829,9600.3
18,1822
WHP
acms
hr
hr
lts
P
Con estos valores de pérdida de carga, caudal y potencia se puede seleccionar
la bomba más adecuada para el proyecto, en este caso se seleccionó la bomba
ROCA SXM / DXM 32, la cual posee dos velocidades de funcionamiento (ver
Anexo X).
Diseño del sistema de energía auxiliar
Este sistema tiene la función de asegurar el suministro de agua caliente
(Caldera o calefón) mediante entra en funcionamiento cuando la válvula
termostática permite el paso de agua proveniente de los acumuladores, la cual
100/%76
HQtP
se acciona al momento en que la temperatura de los acumuladores se
encuentre inferior a los 45ºC que se necesitan en la red de agua caliente
sanitaria.
Diseño del sistema eléctrico y de control
Este dispositivo electrónico tiene como función comandar la bomba de
circulación del equipo solar (A1 en la figura 3.11.). Posee un sensor de
temperatura en los colectores, uno en cada acumulador y un transmisor de
impulsos para la medición del caudal.
Esquema de instalación de los sensores y relés en el sistema.
Sensores:
F1: sensor de temperatura en colectores solares batería 1.
F2: sensor de temperatura en colectores solares batería 2.
F3: sensor de temperatura en acumulador 1.
Transmisor de impulsos para medición de caudal del circuito.
Configuración elegida: Sistema auxiliar en línea o instantáneo.
Tipo de energía: Calórica
Control de temperatura: Temperatura prefijada de 45ºC
Relés:
A1: Bomba del circuito primario solar
Resumen sistema
Número de colectores 14
Inclinación 30º
Orientación N
Superficie de captación total 30,38[m2]
Caudal 60 [lt / hr m2]
Pérdida de carga - Pérdida de carga en colectores - Pérdida de carga en accesorios - Pérdida de carga en acumuladores
(intercambiadores de calor tipo serpentín)
- Pérdida de carga en tuberías - Pérdida de carga en separador de aire
Pérdida de carga total
550,5 [mm.c.a]
230,63 [mm.c.a] 800 [mm.c.a]
327,16 [mm.c.a] 60 [mm.c.a]
1968,29 [mm.c.a]
Número de bombas 1
Tipo de tuberías Cobre 1¼’’ diámetro nominal tipo L.
Tipo y espesor de aislamiento Termoplástico negro de baja conductividad térmica de 6 [mm] de espesor.
Presión de trabajo mínima – máxima 2,5 -10 [bar]
Volumen fluido circuito primario 68,546 [litros]
Tipo y tamaño del vaso de expansión Vaso de expansión cerrado 10 [lts]
Acumulación Acumulador de 2.000 [lts]
Resumen sistema diseñado.
ANEXO
Método F-Chart- Cálculo del aporte solar mensual
A partir del número de colectores determinados mediante el software
RETScreem se podrá determinar el aporte solar mensual entregado por los
captadores, mediante la utilización del método F-Chart. Este aporte solar
mensual es necesario para saber qué cantidad de energía será necesario
producir mediante el sistema auxiliar.
A continuación se presenta el método F-Chart:
Donde:
1.- D1: relación entre la energía absorbida por el captador plano y la carga
calorífica mensual.
Qa: Carga de consumo mensual en (kJ/mes), Ea: Energía absorbida por el
captador. [J].
Sc: Área total captación [m²]
R1: Radiación solar [kJ/m²]
N: número de días al mes que se utiliza.
Fr'(σ*α): factor adimensional
Fr (τα)n: factor de eficiencia óptica del captador, es decir,
ordenada en el origen de la curva característica del captador.
(τα)/(τα)n: modificador del ángulo de incidencia. En general se
puede tomar como constante: 0’96 (superficie transparente
sencilla) o 0’94 (superficie transparente doble).
Fr’/ Fr: factor de corrección del conjunto captador-intercambiador.
Se recomienda tomar el valor 0’95.
2.- D2: relación entre la pérdida de energía del captador y la carga calorífica
mensual.
Ep: energía perdida por el captador. [J]
Sc: Área total captación [m²]
ta: temperatura ambiente
Δt: periodo de tiempo en segundos
K1: factor de corrección por almacenamiento. Entregado por fabricante.
K2: factor de corrección para A.C.S. entregado por fabricante.
Fr'UL: pendiente de la curva característica del captador (coeficiente global de
Con la carga de consumo mensual y la energía útil mensual generada por el
captador solar se puede definir la cobertura solar anual.