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PROYECTO FINAL DE TERMODINAMICA SISTEMA DE PRECALENTAIENTO DE AGUA

Autores Marlen Lugo Machado Jhon Alexander Bedoya Blandon Andres Rodriguez Gallego Andres Felipe Botero Marquez Enrique Santiago Pérez Guerrero

Profesor Saúl Emilio Rivero

Asignatura TERMODINÁMICA

Institución Universitaria Pascual Bravo Medellín Antioquia 21/05/2019

INTRODUCCIÓN

En el siguiente texto realizaremos la descripción de un sistema de precalentamiento de agua con los datos bases que nos dio el profesor de la asignatura de termodinámica, indicaremos cuales fueron nuestras opciones y razones por las cuales escogimos realizar de esta manera nuestro sistema de precalentamiento de agua, y también daremos a conocer de manera clara los elementos reales con los cuales podría realizarse, también incluimos que este sistema pretende ser usado como una alternativa ecológica y que genere una ganancia a largo plazo con su ahorro y consumo de energía limpia.

Objetivos generales

Suplir la necesidad de agua caliente sanitaria con energía renovable, diseñando un sistema por medio de paneles solares con el objetivo de disminuir los costos y generando menor contaminación para el medio ambiente y la biodiversidad, para esto utilizaremos elementos de fácil obtención en el mercado, de fácil instalación y económicamente viables. Objetivos específicos Establecer conceptos claros y concisos de la termodinámica mediante la aplicación de los cálculos dictados en clase y experimentados en las prácticas teniendo en cuenta los modelos que se pueden analizar en los diferentes trabajos de grado de los estudiantes universitarios del pascual bravo contextualizando y llevando estos cálculos a una ambientación en la vida cotidiana. Analizar variables ya establecidas en diversos sistemas de calentamiento de fluidos por paneles solares los cuales tomados como guía servirán para un afianzamiento de mayor apropiación esto sumado a los datos encontrados de los diversos hoteles en las zonas adecuadas para la implementación del servicio. Implementar el sistema enfocado en el ámbito ecológico teniendo un sentido de pertenencia por nuestro planeta identificando y mejorando energías renovables así mismo promoviendo la implementación y aplicación a gran escala de estos mostrando así su viabilidad en tanto en grandes como en pequeñas estructuras tratando de el establecimiento de un nuevo modelo de vida económico y ecológico con grandes beneficios a largo plazo. Disminuir costos en las zonas turísticas de la capital colombiana teniendo un diseño llamativo y económico para el bolsillo del visitante promoviendo de esta manera un ambiente turístico más transitado y duradero el cual implementándolo a gran escala podrá tener un impacto de gran tamaño haciendo del turismo una apertura de empleos y teniendo este un puesto importante en la economía del país.

MARCO TEÓRICO “sistema de precalentamiento de agua por medio de energía solar”

Lo primero que hicimos fue un planteamiento detallado del problema dado por el profesor, todo comienza con la idea de crear un sistema para agua sanitaria que proveyera de agua tibia a todas las duchas del hotel, el hotel en cuestión tendría datos que nos revelarían más adelante las cosas necesarias para este sistema, el hotel estaría ubicado en una zona con una temperatura mínima de 12°C en la noche, por lo tanto esta podría ser la temperatura que usáramos como la constante inicial del agua ya que en las tuberías el agua entraría con esta temperatura al sistema, sobre el hotel también nos informan que tiene 6 pisos y que en cada piso hay 6 alcobas, y en cada alcoba caben 2 personas, teniendo en cuenta la anterior información podemos deducir cuantas personas se alojaran llevando a su capacidad máxima el hotel. Lo primero para saber cuál es la capacidad máxima de personas que se pueden alojar en el hotel es multiplicar los 6 pisos de altura del hotel por las alcobas que tiene cada piso, dándonos un total de 36 alcobas, lo siguiente es multiplicar este número por 2 que serían las personas que ocuparían cada alcoba, dándonos un total de 72 personas como cupo máximo posible en el hotel. El siguiente paso a tener en cuenta según los datos anteriores sería preguntarnos cuánta agua puede suplir las necesidades sanitarias a la hora de la ducha de esas 72 personas, entonces desde esta pregunta investigamos cuánta agua se usa en una ducha promedio de un latinoamericano y encontramos que puede ser alrededor de 55 litros de agua. De esta manera teníamos ya los datos recaudados iniciales con los cuales podríamos trabajar de primera mano para crear nuestro sistema de precalentamiento de agua ecológico. La idea que nos terminó por convencer a todos fue el uso de paneles solares para obtener la energía necesaria para calentar el agua y distribuirla por todo el hotel, esta idea es sustentada ya que el sol en Colombia sale todos los días y además los paneles solares generan una vista moderna, son muy prácticos a la hora de ser instalados porque se pueden colocar tanto en el techo como en los lados de las paredes exteriores del hotel y su adquisición es fácil en el mercado actual cabe aclarar que este sistema está pensado para usarse en Bogotá ya que su temperatura está en el promedio de los 12°C. Finalmente pudimos idear cómo funcionaría el sistema completo, primero los rayos de sol alcanzarían los paneles solares, luego de esto esta energía solar se transformaría en eléctrica almacenándose en baterías ubicadas en una sala para finalmente pasando por un inversor esto para convertir la corriente directa proveniente de las baterías a alterna que llegaría a una resistencia que se activaría por períodos de tiempo, uno en la mañana y uno en la noche lo que permitiría a los huéspedes del hotel tomar 2 duchas con agua caliente proveniente del sistema ecológico y generando así un ahorro a largo plazo de esta energía.

Cálculos teóricos del funcionamiento del sistema

Luego de saber cuál es el promedio del agua que necesita una persona para satisfacer sus necesidades al ducharse y sabiendo que el hotel albergara a un máximo de 72 personas, podemos multiplicar la cantidad del baño promedio por la cantidad de personas que se alojaran y luego las multiplicaremos por 2 que son los baños con agua caliente a los cuales puede tener acceso cada persona del hotel, para darnos un total de 7920 litros de agua para abastecer a todo el hotel para 2 duchas por persona con agua caliente redondeando esta cifra podrían ser 8000 litros de agua, que a su vez equivalen a 8000 kg de agua,(partiendo desde aquí podemos de manera teórica encontrar la energía que necesitamos que nos provean los paneles solares para calentar esta cantidad de agua a una temperatura de 40 °C, esto por medio de la multiplicación del calor especifico del agua, por la masa del agua y finalmente el delta de temperatura que sería la diferencia entre la temperatura de 12°C y 40°C). Ecuación

𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂 = 𝒎 ∗ 𝑪𝒑,𝒂𝒈𝒖𝒂 ∗ ∆𝑻 𝑚 = 8000𝑘 𝐶𝑝,𝑎𝑔𝑢𝑎 = 4.18 𝑘𝑗 𝑘𝑔 𝐾

∆𝑇 = 28 𝐾

Reemplazando los datos en la ecuación tenemos que la energía necesaria para calentar el agua que abastece a todo el hotel es 936320 kJ. Ahora sabiendo esta cantidad de energía debemos tener en cuenta pasar esto a un sistema real. Teniendo en cuenta la cantidad de agua que necesitamos calentar a una temperatura de 40 °C y la energía que necesitamos para este propósito que son 936320 kJ, ahora miraremos cual es la potencia necesaria que necesitamos de los paneles solares, para esto usaremos la siguiente ecuación, teniendo en cuenta las horas en las cuales podremos recolectar esta energía que son alrededor de 10 horas. Ecuación

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑃𝑜𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 936320 𝑘𝐽 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 = 10 ℎ ∗ 3600

𝑠 = 36000 𝑠 ℎ

Al reemplazar en la ecuación nos da como resultado una potencia de 26.1Kw y de esta manera encontramos la potencia que necesitamos solventar.

El sistema de precalentamiento de agua con bases reales

Teniendo en cuenta los datos anteriores nos dispusimos a investigar cuanta potencia puede suministrar un panel solar por unidad de área, y descubrimos que los paneles solares promedio entregan aproximadamente 1 W por cada 0.01 m2, entonces procedimos a pasar nuestros 26.1 kW a Watts para luego multiplicarlos por el área sobre Watts que nos generaba un panel solar. Área de panel solar necesaria para el sistema

𝑚2 𝐴 = 26100 𝑊 ∗ (0.01 ) 𝑊 A= 261𝑚2 Sabiendo esto podemos decir que estos son los metros necesarios de panel solar para nuestro sistema de precalentamiento de agua, a continuación un ejemplo de dichos paneles y su costo. Este panel solar mide 1.62 metros cuadrados por lo tanto haciendo la respectiva división obtenemos que necesitamos 162 paneles solares de este tipo,( Panel Solar Yadoo).

Panel Solar Yadoo Precio: $529.900

Batería necesaria para el sistema Luego de esto buscamos la batería que necesitaríamos para almacenar esta cantidad de energía, por lo tanto realizamos los siguientes cálculos, las baterías miden su energía de almacenamiento con voltios y amperios por hora, entonces multiplicamos los voltios por los amperios y obtenemos Jules sobre segundo, luego de esto multiplicamos las horas por los respectivos segundos para finalmente encontrar el resultado en Jules y pasarlo a Kilo Jules.

𝐸. 𝑎𝑙𝑚𝑝𝑏𝑎𝑡 = 12𝑣 × 150𝐴 × 1ℎ × 3600𝑠 𝐸. 𝑎𝑙𝑚𝑝𝑏𝑎𝑡 = 6480000𝐽

𝑘𝐽 =

6480000𝐽 1000𝑘𝐽

=6480kJ

Esta es una “Batería De Gel Para Panel Solar De 12v 150Ah”, de esta información sacamos los anteriores cálculos, ahora haciendo la respectiva división 936320 kJ de energía almacenada necesaria, entre los 6480kJ que puede contener esta batería podemos saber cuántas baterías son necesarias para el sistema de precalentamiento de agua dando como resultado 145 baterías para suplir lo necesario energéticamente para transmitirlo a la resistencia pasando por el inversor y finalmente llegando a la resistencia para calentar el agua.

Batería De Gel Precio: $ 699.990 pesos Inversor Conversor Corriente Precio: $279.900

Conclusiones Este sistema tiene una vida útil de alrededor de 25 años por lo tanto si se implementa en un lugar turístico generaría un ahorro sustentable a largo plazo, mostrando que vale la pena su implementación en un hotel. La idea que tuvimos fue de cara al lado ecológico de la termodinámica en un sistema abierto amigable con el medio ambiente y que fuera informado a las personas que visiten el hotel como una campaña medio ambiental a gran escala.