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• Franklin Asto Pocomucha

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE

INGENIERIA QUÍMICA

APLICACIÓN DE LA PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA EN UN SISTEMA DE CALEFACCIÓN POR SUELO RADIANTE EMPLEANDO TUBOS PEX EN VIVIENDAS PARA EL PRIMER NIVEL CÁTEDRA

: TERMODINÁMICA DE PROCESOS QUÍMICOS I

CATEDRÁTICO : Ing. FUENTES LÓPEZ, Walter Segundo SEMESTRE

:

V - “A”

Presentado por: Apellidos y Nombres

Facultad /EAP /Institución

CRISTOBAL MENDOZA, Irving Piero GRIJALBA ARTICA, Xiomara María PAUCAR PEREZ, Gabriela Patricia RAMOS HUARI, Jannicce Karolay SANCHEZ HERRERA, Anthonella Yomara VILLALBA SANCHEZ, Soraya Lesly ZORRILLA CHACÓN,

FIQI / Ing. Química Industrial UNCP FIQ / Ing. Química UNCP FIQ / Ing. Quimica UNCP FIQ / Ing. Quimica UNCP FIQ / Ing. Quimica UNCP FIQ / Ing. Quimica UNCP FIQI / Ing. Quimica Industrial 1

Alisson Joyse

UNCP

HUANCAYO-PERÚ

RESUMEN

El presente trabajo de “APLICACIÓN DE LA PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA EN UN SISTEMA DE CALEFACCIÓN POR SUELO RADIANTE EMPLEANDO TUBOS PEX EN VIVIENDAS PARA EL PRIMER NIVEL” está orientado a demostrar experimentalmente las leyes que gobiernan los procesos termodinámicos, iniciándose desde el planeamiento del proyecto que busca mostrar una forma de calefacción diferente llamada Calefacción por Suelo Radiante, que consiste en instalar tuberías de un material termoplástico, denominado PEX, en el interior del suelo; por estas tuberías circula agua calienteA la cual eleva la temperatura del suelo y por ende de la habitación. Por ello, el objetivo principal de este trabajo es aplicar las leyes de la termodinámica que intervienen en el diseño de un SUELO RADIANTE y asi para poder mejorar la calidad de vida de las personas en el poblado de Quero - Jauja. El “Suelo Radiante” será diseñado para el pueblo de Quero - Jauja, ubicado en el departamento de Junin, a una altura de aproximadamente 3430msnm. 2

Finalmente el trabajo realizado proporcionara un sistema que si funciona ya que se instalara y hara algunas pruebas de funcionamiento en la zona, además que dicho sistema resulta amigable con el medio ambiente ya que no se emplea combustibles fósiles, si no, se emplean únicamente energías renovables.

3

INTRODUCCIÓN

El trabajo engloba todo el sitema de calefacción viable para ser aplicado, en la actualidad se trata de ahorrar la mayor cantidad de energía, en comparación con el pasado, no solo por el ahorro económico que genera sino también por el impacto ambiental, ya que la mayor fuente energética en la actualidad es el combustible fósil. El uso de este tipo de combustible genera daños en nuestro medio ambiente, ya que al quemarlos se producen gases que generan la contaminación del aire, efecto invernadero, lluvia ácida, entre otros.

Por lo expuesto anteriormente, muchas organizaciones, universidades, empresas están destinando fondos para desarrollar tecnologías que aprovechen energías alternativas, entre ellas se encuentran las energías renovables tales como la solar, eólica, mareomotriz, etc. De todas las energías mencionadas, la energía solar es la que se encuentra disponible en cualquier parte del mundo y de manera gratuita, la cual se puede aprovechar de las siguientes tres maneras:  Formación de biomasa por fotosíntesis: Es un proceso fundamental y natural existente en nuestro planeta. Gracias a ello las plantas pueden realizar su ciclo de vida y gracias a ello se puede generar la biomasa, en este caso la leña, que en países no desarrollados puede ser de vital importancia. Por ejemplo en algunos países africanos el uso de energía por leña representa el 90% de la energía a nivel nacional.  Energía solar fotovoltaica: Es empleada para generar electricidad. En la actualidad este tipo de aprovechamiento de energía es muy importante para la electrificación en zonas donde no se tiene acceso a la red eléctrica.  Energía solar térmica: Es empleada para poder calentar un fluido para múltiples aplicaciones, como puede ser el secado, cocinar o simplemente para poder aumentar la temperatura del agua. 4

Se ha observado que específicamente en el pueblo de Quero es uno de los quince distritos que conforman la Provincia de Jauja del departamento de Junín, los pobladores al llegar de su jornada laboral (aproximadamente a las 5 p.m.) se internan en sus cocinas para poder calentarse con el calor que se disipa de la cocina con los gases de combustión que se generan en las mismas. En vista que no pueden usarse radiadores o sistemas que empleen electricidad, aparece una tecnología que ha sido desarrollada hace mucho tiempo en Europa, denominada SUELO RADIANTE. Esta tecnología está conformada por un conjunto de tubos que se encuentran colocados debajo del suelo, por los cuales pasa un fluido caliente que incrementa la temperatura del ambiente en el cual se encuentra instalado, logrando el confort térmico de las personas que se encuentran dentro del recinto.

Esta tecnología presenta una serie de ventajas como por ejemplo, una distribución ideal de temperatura, ahorro de energía, estética, entre otras cosas. Las desventajas son que poseen una mayor inercia térmica, es decir, primero se tiene que calentar el suelo para luego calentar el ambiente, y además posee un mayor costo de instalación, pero si se toma en

cuenta

que

esta

tecnología

tiene

un

tiempo

de

vida

de

aproximadamente 10 años, entonces, empieza a ser atractiva para los usuarios.

Actualmente existen muchas maneras de calentar el fluido que circula por las tuberías del suelo radiante, ya que puede ser calentado por un banco de resistencias, por una pequeña caldera, aprovechando los gases de escape de algún quemador o con radiación solar.

Por ello, el presente trabajo busca diseñar un “Suelo Radiante” que pueda ser empleado en la zona de San Jose de Quero, para tener otra alternativa de solución al problema de las bajas temperaturas. Finalmente decidirnos por la que mejor se adecúe a las condiciones de la zona de aplicación. 5

INDICE

6

CAPITULO I ASPECTOS GENERALES 1.1.

Problemática

Las zonas alejadas del valle del mantaro de nuestro país, junto con las zonas amazónicas, son las más olvidadas y las que menos beneficios reciben por parte del gobierno central; no solo ello, sino también son las zonas donde las personas poseen menos recursos económicos. Además, muchas veces no se cuenta con los servicios básicos, como son el agua potable, desagüe y energía eléctrica, haciendo que los pobladores posean una baja calidad de vida.

Una zona en particular es el pueblo de Quero – Jauja - Junin, ubicado a 3856 msnm., donde la población se dedica principalmente a la ganadería y a la agricultura. Lugar en donde no toda la población cuenta con energía eléctrica, ni sistemas de desagüe y además, se ve afectado por las bajas temperaturas en los meses de Junio, Julio y Agosto.

Durante este periodo las temperaturas bajan considerablemente durante la noche, alrededor de -10ºC, y a veces a temperaturas más bajas como los -15ºC, generando serios problemas en los niños y los ancianos ya que podría causarles la muerte. Ante dicho problema, muchas personas adoptan ciertas medidas para luchar contra las bajas temperaturas, una de ellas es el dormir cerca de la cocina encendida; esto origina un serio problema porque los pobladores estarían respirando gases de combustión, los cuales son nocivos para la salud. Esto podría generar en el futuro problemas respiratorios, llegar a generar asfixia o en el peor de los casos podría generar cáncer. Lastimosamente, este es uno de los pocos métodos que tienen los 7

pobladores para calentarse ya que no se cuenta con energía eléctrica ni con el dinero para poder instalar un sistema de calefacción. 1.2.

Propuesta de Solución

Ante dicha problemática, se ha investigado para dar una alternativa de solución nueva que se adecúe a la realidad de nuestro país o de la zona en estudio, esta alternativa es el “Suelo Radiante”, un sistema que es muy poco conocido en nuestro país, debido a que no se hacen instalaciones de sistemas de calefacción, pero es muy conocido en Europa. En este tipo de instalaciones, se hace pasar agua caliente por unas tuberías que se encuentran debajo del piso, logrando de esa manera aumentar la temperatura de la habitación. El presente trabajo busca adecuar dicho sistema a la realidad de Quero - Jauja, es por ello que se empleará la energía solar como aporte térmico ya que en dicha localidad no cuenta con electricidad como para emplear radiadores y emplear una caldera sería complicado por el costo de conseguir combustibles fósiles.

8

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:  Aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica en un sistema de calefacción por suelo radiante empleando tubos PEX en viviendas para el primer nivel. OBJETIVO ESPECIFICOS:  Determinar las carateristicas del sistema de calefacción por suelo radiante empleando tubos PEX en viviendas para el primer nivel.  Diseñar y construir un sistema de calefacción por suelo radiante empleando tubos PEX en viviendas para el primer nivel.  Realizar el balance de materia en un sistema de calefacción por suelo radiante empleando tubos PEX en viviendas para el primer nivel.  Realizar el balance de energía en un sistema de calefacción por suelo radiante empleando tubos PEX en viviendas para el primer nivel.  Determinar el rendimiento un sistema de calefacción por suelo radiante empleando tubos PEX en viviendas para el primer nivel.

9

HOJA DE NOTACIÓN

T1

: Temperatura zona 1 (ºC)

T2

: Temperatura zona 2 (ºC)

A

: Área perpendicular al flujo de calor (m2)



: Coeficiente de conductividad térmica (W/(mºC))

x

: Espesor de la plancha (m)

r1

: Radio interno de la tubería (m)

r2

: Radio externo de la tubería (m)

L

: Longitud de la tubería (m)



: Coeficiente convectivo (W/ºC)



: Constante de Stefan-Boltzmann (W/(m2K4))



: Emisividad (adimensional)



: Densidad del agua (kg/m3)

Re

: Número de Reynolds (adimensional)



: Viscosidad dinámica del agua (kg/ms)

Pr

: Número de Prandtl (adimensional)

10

: Capacidad calorífica del agua (kJ/kgºC)

Cp

CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1.

Fundamentos de Transferencia de Calor 2.1.1.

Conducción

La transferencia de energía se da por comunicación molecular directa sin que las moléculas se desplacen de manera apreciable. Este proceso se basa en la Ley de Fourier, la que especifica que un flujo de calor ( qx ) es proporcional al gradiente de temperaturas ( ∆ T) que se genera en una dirección “x”, al área (A) perpendicular a la dirección “x” y a una constante de proporcionalidad denominada “Conductividad Térmica” (k).[1] ∂T qx (W )  k  A ∂ x (2.1) a.

Conducción para Placas Planas: Considerando un estado

estacionario con un espesor “Δx” y con un ancho considerablemente grande con respecto al espesor:

Figura Nº1: Flujo de calor por conducción para superficies plana Fuente [1] b.

Conducción para Superficies Cilíndricas: Para una longitud

anular “L” para condiciones de estado estacionario y con una conductividad 11

térmica constante. Para este sistema se tiene la siguiente expresión:

Figura Nº2: Flujo de calor por conducción para superficies cilíndricas Fuente [1]

(2.2) 2.1.2.

Convección: Se produce cuando un fluido en movimiento se

pone en contacto con un sólido, ambos a diferentes temperaturas. Existen dos tipos de convección, la NATURAL y la FORZADA. La primera se da cuando hay una variación de temperatura de un fluido en presencia del campo gravitacional, la

segunda se da cuando la

variación de

temperaturas se da en presencia de agentes externos o fuerzas externas aplicadas sobre el sistema. [1] Para poder cuantificar la transferencia de calor por convección, se recurre a la “Ley

del Enfriamiento” propuesta por Isaac Newton, la cual indica lo

siguiente: (2.3) La determinación

del coeficiente convectivo (α) no es sencillo, ya que

depende de las condiciones geométricas de los cuerpos involucrados, la velocidad y el tipo de flujo, además de las propiedades termofísicas de los cuerpos. [1] El coeficiente convectivo para la CONVECCIÓN NATURAL depende de los siguientes números adimensionales: 12



Número de Grashof (Gr)



Número de Nusselt (Nu)



Número de Prandtl (Pr)

Para el caso de CONVECCIÓN FORZADA, el coeficiente convectivo depende de los siguientes números adimensionales: 

Número de Reynolds (Re)



Número de Nusselt (Nu)



Número de Prandtl (Pr)

2.1.3. Radiación Esta forma de transferencia de calor se origina por la propagación de ondas electromagnéticas, que se origina por la interacción de cuerpos sustancias que se encuentran

o

a diferentes temperaturas absolutas. De

todas las ondas que emite un cuerpo solo son aprovechadas una parte: las que se encuentran dentro del rango de RADIACIÓN TÉRMICA; en otras palabras, las que tienen una longitud de onda comprendida en el rango de 0.1 y 100 micras. [1]

Figura Nº3: Flujo de calor por radiación Fuente [1] 13

La forma de cuantificar la cantidad de calor transferida se realiza con la siguiente expresión: q neto (W )  A1    (T1 T2 )

(2.4)

Dónde: 8

  5.6697 10 Esta

W/ m2 K

(Constante de Stefan-Boltzmann)

expresión es aplicada para radiadores

ideales, usualmente

denominados CUERPOS NEGROS, estos cuerpos emiten toda la cantidad de calor que puede a la temperatura que se encuentran. Este tipo de cuerpos no existen en la realidad, pero si hay cuerpos que emiten una parte de la energía radiante de la energía que emitirían sí es que fuesen un CUERPO NEGRO, a ese tipo de cuerpos se les denomina CUERPOS GRISES. Para el cálculo de ese flujo de calor se debe de considerar un factor denominado emisividad (ε). [2] q neto (W )    A1    (T1  T2 )

(2.5)

En vista que la mayoría de las veces, el cuerpo no es un cuerpo negro o gris, además que n

toda la radiación que emiten no es absorbida por el

otro cuerpo debido a que existen pérdidas durante el proceso, es necesario corregir la ecuación, por un factor que involucre tanto la corrección por la emisividad (Fε) como la corrección de la posición geométrica de los cuerpos involucrados en el proceso. Entonces se tendría lo siguiente: (2.6)

q neto (W )  F  F12  A1    (T1 T2 )

Donde el factor de forma (F1-2) depende de la forma geométrica de los cuerpos involucrados y de la disposición geométrica de los mismos. [2]

2.2.

Descripción del Suelo Radiante

Para el desarrollo

del presente trabajo, se ha

tenido en cuenta los

distintos tipos de instalaciones de SUELO RADIANTE existentes en la actualidad. Dichas instalaciones han sido desarrolladas en el continente

14

europeo, incluso existe una norma para poder hacer el cálculo de estos sistemas, la UNE-EN 1264. [3]

Según

esta norma, el Suelo

Radiante se define como “Sistema

calefacción por el suelo, en el que los

de

tubos, que transportan agua

con o sin aditivos como fluido calefactor, están ocultos bajo dicho suelo”. ([LIBRO 6], página 10). El

agua es calentada, para luego ser

transportada por las tuberías que se encuentran en el suelo, realizándose el intercambio de calor entre el agua y el mortero (convección y conducción), posteriormente se realiza el intercambio de calor entre el mortero (y el ambiente interior (convección y radiación). El mortero, según la Real Academia de la Lengua Española es “un conglomerado o masa constituida por arena, conglomerante y agua, que puede contener además algún aditivo”. [3]

Este tipo de sistemas es muy utilizado en los lugares donde se registran temperaturas muy bajas como en los países nórdicos, Alemania y Suiza, donde es muy importante emplear sistemas que tengan bajo consumo de energía. Es por ello que este sistema no es muy conocido en nuestro país ya que no se tiene temperaturas muy frías (en la costa y selva) pero en la Sierra si se pueden registrar temperaturas muy bajas. [3]

Este sistema no es nada nuevo ya que en el año XIII a.C. en Turquía, en la zona de Anatolia, se tenía un sistema de calefacción por suelo, el que estaba conformado por un conjunto de canales instalados construidos debajo del suelo. Años más tarde los romanos adoptaron este sistema, construyeron conductos por los cuales circulaban gases calientes, este tipo de sistemas fueron denominados como “Hypocausto”. En la actualidad este sistema es muy empleado y desarrollado en el centro y norte de Europa, a tal punto de ser empleado en superficies no cubiertas para mantenerlas libres de hielo y nieve durante el invierno, como por ejemplo los campos de fútbol, donde es importante que se encuentren “limpios”. 15

Las ventajas y desventajas que presenta dicho sistema lo veremos a continuación: Ventajas: 

Distribución ideal de temperaturas: Como se explicó en el punto del confort térmico, este sistema mantiene una temperatura “caliente” en la zona de los pies y una temperatura “fría” en la zona de la cabeza.



Estética: Debido a que el Suelo Radiante se encuentra instalado dentro del piso, se contaría con un mayor espacio en la habitación.



Saludable: Debido a que el aire no está lo suficientemente caliente como para crear corrientes de aire, por ello no se genera movimiento de polvo ni microorganismos.

Desventajas: 

Inercia térmica: Debido a que el sistema debe de calentar el pavimento y luego calentar el aire, toma más tiempo que los sistemas que calientan directamente el aire.



Elevación del suelo: Debido a que debajo del suelo debe de haber una placa aislante, las tuberías y además alrededor de 8cm de pavimento, esto hace que el sistema tenga unos 8 ó 10cm de elevación que un suelo convencional.

16

Figura Nº4: Corte de una instalación de Suelo Radiante Fuente [2]



Mayor costo de instalación: Debido a que el sistema necesita de mucho más accesorios que los demás sistemas, este costo puede ser un 15% más, pero a su vez este sistema tiene un tiempo de vida de alrededor de 10 años.

Estos sistemas están conformados básicamente por cuatro componentes: suministro de energía, sistema de tuberías, el sistema de circulación y el aislamiento térmico 2.2.1. Suministro de Energía Referido a la forma de aportar la energía necesaria para aumentar la temperatura del agua, la cual circula por las tuberías y el incremento de temperatura en el interior de la habitación. Existen diversas formas de poder calentar el fluido, como se muestra a continuación:

 Energía solar: Es la forma más económica y más limpia de poder calentar el agua necesaria para el sistema de SUELO RADIANTE, la desventaja de este sistema radica en la cantidad de energía que se pueda recolectar del Sol, por ello, muchas veces se necesita de un sistema adicional para poder mantener el sistema encendido durante las 24 horas.

2.2.2. Sistema de Tuberías Está conformado por una red de tuberías distribuidas para poder transferir de manera adecuada el calor, existen tres formas de hacer las instalaciones las cuales son las siguientes 17

 Distribución en serpentín: Es la forma más sencilla de hacer la distribución, pero la desventaja de este sistema radica en la gran diferencia de temperaturas que existe entre la salida y la entrada del agua de circulación; esto puede hacer que el usuario sienta esa diferencia en el ambiente en el que se encuentra.

Figura Nº5: Distribución en serpentín Fuente [3]  Distribución en doble serpentín: A diferencia que la distribución en serpentín, ésta no genera una gran diferencia de temperaturas entre la entrada y salida, ya que siempre va una tubería más fría con una más caliente, compensando la diferencia de temperaturas que se tenía en la distribución anterior. La desventaja de este sistema se genera al momento de dar la forma a la distribución ya que a veces se tiene que formar radios muy pequeños que dificultan la instalación.

Figura Nº6: Distribución en doble serpentín Fuente [3]  Distribución en espiral: Al igual que la distribución en doble serpentín, esta no genera una notoria diferencia de temperaturas en la habitación, además no se generan radios pequeños en el momento de la instalación, por ello, este tipo de instalaciones es la recomendada para los SUELOS RADIANTES.

18

Figura Nº7: Distribución en espiral Fuente [3] El material que se emplea en las tuberías puede ser cobre o de fierro, en la actualidad se emplea un material termoestable, denominado PEX, que da mejores resultados debido a que es un aislante. Sus propiedades térmicas son mostradas en la tabla siguiente: Tabla N°1: Propiedad térmica del PEX Propiedad

Temperatura

térmica

de medición

Rango de Tº

-

servicio

Valor

Unidad

100-

ºC

Norma

-

110

Coeficiente de

a 20ºC

14

m/mºC

-

a 100ºC

20.5

m/mºC

-

2.3

kJ/kgºC

-

0.35

W/mºC

expansión lineal Coeficiente de expansión Calor lineal específico Coeficiente

-

de

DIN 4725

efectividad térmica Fuente [3]: http://www.recal.cl/pexwirsbo_propiedades_pex.html 2.3.

Colector Solar Térmico

Un colector solar consta de una placa captadora que, gracias a su geometría y a las características de su superficie, absorbe energía solar y la convierte en calor (conversión fototérmica). Esta energía es enviada a un fluido portador del calor que circula dentro del colector mismo o tubo térmico. [4] La característica principal que identifica la calidad de un colector solar es su eficiencia, entendida como capacidad de conversión de la energía solar 19

incidente en energía térmica. [5] Fundamentalmente existen tres tipos de colectores solares: planos, de vacío

y

de

concentración.

Los primeros se dividen en otras dos categorías: planos con cubierta y planos sin cubierta. •

Colectores Solares Planos

Los colectores solares planos son el tipo más común actualmente. Los colectores planos con cubierta están compuestos esencialmente por una cubierta de vidrio, una placa captadora aislada térmicamente en la parte inferior y están lateralmente contenidos en una caja de metal o plástico. [5] Los colectores planos sin cubierta normalmente son de material plástico y están directamente expuestos a la radiación solar. La utilización de estos últimos se limita al calentamiento del agua de las piscinas.

Figura

Nº8: A. Colector plano sin cubierta, B. Colector plano con cubierta Fuente [4]

•

Colectores de polipropileno

Este colector solar se utiliza para calentar el agua de las piscinas permitiendo prolongar el

uso de las mismas a lo largo del año.

2.4 CONCEPTOS TERMODINAMICOS

20

2.4.1 BALANCE DE ENERGIA 2.4.1.1

BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS CERRADOS

El balance integral de un sistema cerrado debe ser planteado entre dos instantes de tiempo. Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación o consumo no tienen sentido. ACUMULACION=ENTRADA−SALIDA

(2.7)

Cuando planteamos los balances de masa en un sistema cerrado los términos de entrada y salida de materia se cancelaban ya que no había cruce de masa en las fronteras del sistema. Sin embargo, en un sistema cerrado, la energía puede ser transferida en los límites del sistema como calor o trabajo, por lo tanto, los términos anteriores de entrada y salida no pueden eliminarse (sí se eliminan los términos de entrada/salida de energía transportada por el fluido dentro o fuera del sistema) [6]

ENERGIA FINAL DEL SISTEMA−ENERGIA INICIAL DEL SISTEMA=ENERGIA NETA TRANSFER (2.8) ENERGIA INICIAL DEL SISTEMA=U i + Eci + E pi ENERGIA FINAL DEL SISTEMA=U f + Ecf + E pf ENERGIA TRANSFERIDA=Q+W 2.4.1.2

BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS ABIERTOS EN ESTADO

ESTACIONARIO Por definición de proceso abierto, en estos hay un flujo de materia que atraviesa los límites del mismo mientras el proceso se lleva a cabo. Por lo tanto, para que la masa ingrese al sistema es necesario efectuar un trabajo para empujar esta masa en el sistema y el sistema debe realizar un trabajo sobre los alrededores para que la masa pueda salir del sistema. Ambos trabajos (tanto para ingresar la materia o que esta 21

egrese) deben ser incluidos en el. [6] 2.4.2 BALANCE DE MATERIA Un balance de materiales no es más que una contabilización de material, donde existen flujos de entrada y salida El término acumulación se refiere a un cambio de masa o moles dentro del sistema en el tiempo. [6] 2.4.2.1

TIPOS DE BALANCE

o BALANCES DIFERENCIALES Indican lo que está sucediendo en un sistema en un instante de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una velocidad (velocidad de entrada, velocidad de producción) y tiene unidades de la unidad de la cantidad balanceada dividida entre una unidad de tiempo

(g/s,

barriles/día).

Este

tipo

de

balance

se

aplica

generalmente a procesos continuos. o BALANCES INTEGRALES Describen lo que ocurre entre dos instantes de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una cantidad de la cantidad balanceada y tiene las unidades correspondientes (g, barriles). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos intermitentes siendo ambos instantes de tiempo el momento en que se efectúa la entrada y el momento previo a la extracción del producto.

(

Acumulacion Entrada por Salida por Generacion Consumo dentro del = los limites − loslimites + dentro del − dentro del sistema del sistema del sistema sistema sistema

)(

)(

)(

)(

)

(2.9)

∑ me =∑ ms

22

(2.10)

2.4.3 PROCESO DE ESTADO UNIFORME Y FLUJO UNIFORME (FEUS): Es un proceso donde la masa en el volumen de control varia con el tiempo, es decir, la masa que ingresa no es igual a la masa que sale. La ecuación de continuidad esta dado asi: m1+ ∑ m˙ i=m 2+ ∑ m˙ s

Q˙ VC =∑ m ˙ s (hs +

(2.11)

V 2s V 2i V 22 V 21 + gz s )−∑ m h + + gz + m u + +gz − m u + + gz −W ˙i i ˙2 2 ˙1 1 i 2 2 2 2 2

(

) (

) (

)

(2.12) 2.4.4 EFICIENCIA El rendimiento

térmico o eficiencia de

una máquina

térmica es

un

coeficiente o ratio adimensional calculado como el cociente de la energía producida (en un ciclo de funcionamiento) y la energía suministrada a la máquina (para que logre completar el ciclo termodinámico). [7]

n=

w Qc −Qf = Qc Qc n=

Q entregado Q recibido

(2.13)

(2.14)

2.5 IRRADIACIÓN SOLAR La irradiación solar significa proporcionar radiación a un cuerpo desde una fuente como el sol, este incide sobre un panel y varía en función del ángulo que se forma con la horizontal, es decir con la inclinación. Por lo tanto la captación de la energía solar varia, no es constante en las horas de sol salvo que la posición del panel solar sea siempre perpendicular a la radiación solar; en este caso se considera 2366

w . m2

2.6 DESCRIPCIÓN DEL LUGAR DE INSTALACIÓN 23

2.6.1 Datos Geográficos La presente tesis se desarrollará para una casa en el poblado de Quero. Este poblado se encuentra en el distrito de Molinos, perteneciente a la provincia de Jauja del departamento de Junín, a 3430 msnm.

Quero

Figura N°9: Ubicación de Quero en el departamento de Junín Fuente [5]

24

Figura N°10: Casa ubicada en Quero Fuente [propia] La casa se encuentra orientada en dirección Norte-Sur para aprovechar de una mejor manera los rayos solares y de manera indirecta la dirección de los vientos, que se dirigen en las direcciones Nor-Oeste a Sur-Oeste.

2.6.2 Datos Climáticos El poblado de Quero es un lugar que posee unas condiciones muy desfavorables durante el invierno debido a que se produce el fenómeno de friaje haciendo que las temperaturas disminuyan considerablemente durante un corto período de tiempo, registrándose las siguientes temperaturas durante el año:

25

Tabla N° 2: Valores de temperatura (extraído del SENAMHI)

26

Estos datos han sido tomados de la estación metereológica de Jauja que si bien es cierto no son los de Quero, pero los climas son similares. Con respecto a la radiación, podemos observar que la localidad posee una radiación considerablemente buena, por ello va a ser aprovechada para obtener la energía necesaria para que funcione nuestro sistema. El mapa promedio de radiación solar se muestra a continuación

Figura N° 11: Mapa solar del Perú, incidencia diaria promedio (Brindado por el GRUPO-PUCP

27

2.1.3. Descripción de la Vivienda La casa para la cual va a ser diseñado el Suelo Radiante, es una casa que ha sido construida con adobe. Esta casa, está construída con materiales fáciles de conseguir por los pobladores. Debemos decir que el Suelo Radiante se instalará en la zona de Cocina, que es lo más utilizado por los pobladores.

Figura 12: Lugar donde se aplicará el suelo radiante (Cocina) Fuente [propia]

28

CAPITULO III PARTE EXPERIMENTAL 3.1.

MATERIALES 3.1.1. COLECTOR SOLAR:



28 botellas descartables de 1L



12 tubos “T” de media.



Dos codos de media



Manguera negra de polietileno 4.6m.



Teflón



Pegamento PVC



Soporte de madera de 1.22m x 63.5m 3.1.2. SUELO RADIANTE .



Una habitación construida de adobe utilizada para ser instalada el suelo radiante de 500cm x 350cm.



Tubo de polietileno reticulado 700cm.



3 docenas de clavos de punta plana.



2 metros de hilo alambre de Nicrom.

3.1.3. ALMACENAMIENTO DE AGUA CALIENTE

29



Tanque para almacenamiento de agua ´´Plastigama´´ de capacidad 60 L.

3.2.

Procedimiento Experimental :

1. Realizar perforaciones a las 28 botellas en la parte inferior 5/8, diámetro de la manguera de polietileno, de tal modo que el pico de otra entre sin dificultad por esta. 2. Una vez hechos los orificios a cada una de las botellas, se colocan entre sí de siete columnas, hacerlo cuatro veces para obtener un colector de 7x4 botellas. 3. Continuado esto, atravesar la manguera negra de polietileno por las cuatro columnas de botellas realizada de aproximadamente 1.15m y se dispondrá de una parrilla de 28 botellas para introducir el colector. 4. Construir un soporte de madera de 1.22m x 63.5m en el cual se introducirá el colector con las 28 botellas. 5. Unir la parrilla con codos y las uniones “T” y luego colocarla en el soporte de madera. 6. El colector solar armado será orientado hacia el norte en un ángulo de 45° o 50° para captar las radiaciones solares que está en la misma dirección. 7. En la instalación del suelo radiante se procede a la distribución en serpentín en una red de tuberías de polietileno reticulado de 700cm para poder transferir de manera adecuada el agua caliente en una parte de la habitación (cocina) de 2m x 2.4m, en el cual con la ayuda de clavos y alambre de Nicrom se sostendrán los tubos a la forma de serpentín. 8. Para la conexión del sistema de calefacción para la habitación (cocina) se recogerá agua de una cañería por 11min (8L) a 10°C ubicado afuera de la habitación mediante el tubo de polietileno que será conectado al colector solar. El agua será calentada por las radiaciones solares que serán captadas por las botellas las cuales transferirán calor al agua fría hasta una temperatura de 45°C. 9. El agua caliente del colector solar será transferida a un tanque el cual será forrado de tecnopor para mantener la temperatura. Luego el fluido pasará 30

del tanque al suelo radiante por diferencia de presiones, donde circulará por todo el serpentín manteniendo la habitación a 45°C hasta desembocar la tubería perdiendo calor llegando a una temperatura de 35°C. 10. El agua a 35°C recirculará por todo el sistema para no desperdiciar el fluido y está estará conectada al colector para volver a repetir el proceso. 11. Este procedimiento será realizado cada 4 horas para mantener la habitación (cocina) siempre caliente durante el día.

CÁLCULOS

DATOS EXPERIMENTALES

PARA EL COLECTOR

VOLUMEN TIEMPO CAUDAL

V t Q

8.4 L 11 min

AREA TRANSVERSAL TEMPERATURA INICIAL TEMPERATURA FINAL VELOCIDAD INICIAL VELOCIDAD FINAL

AT

1.97 ×10−4 m 2

Ti

10 ℃

Tf

45 ℃

Vi

0.0639

1.273 ×10

m s m 0.0646 s kg 999.7 3 m kg 990.1 3 m

Vf

DENSIDAD INICIAL

ρi

DENSIDAD FINAL

ρf

DATOS EXPERIMENTALES VOLUMEN TIEMPO

PARA EL TANQUE

V t

6.3 L 9 min 31

−5

m3 h

CAUDAL

Q

AREA TRANSVERSAL

AT

1.97 ×10−4 m2

TEMPERATURA INICIAL TEMPERATURA FINAL

Ti

45 ℃

Tf

45 ℃

VELOCIDAD INICIAL

Vi

0.06431

VELOCIDAD FINAL

Vf

DENSIDAD INICIAL

ρi

DENSIDAD FINAL

ρf

DATOS EXPERIMENTALES VOLUMEN TIEMPO CAUDAL

PARA EL SERPENTIN

V t Q

6.3 L 9 min

AREA TRANSVERSAL

AT

7.126 ×10−5 m 2

TEMPERATURA INICIAL TEMPERATURA FINAL

Ti

45 ℃

Tf

30 ℃

VELOCIDAD INICIAL

Vi

0.1637

VELOCIDAD FINAL

Vf

DENSIDAD

ρi

−5

1.1667 ×10

m3 h

m s m 0.1637 s kg 999.7 3 m kg 997.7 3 m

−5

1.1667 ×10

m s m 0.1637 s kg 990.1 3 m

 Colector solar Según editorial PARSEC 2011: kg m3 kg a 45°C el agua tiene una ρ2=990,1 3 m a 10°C el agua tiene una ρ1=999,7

Calculando el caudal: Q=

V t

32

m3 h

8,4 L ∗1m3 11min ∗1 min 1000 L Q= 60 s Q=1,273 ×10

−5

m3 s

Calculando velocidad final: Vf=

Q A

m3 h Vf= −4 2 1,97∗10 m 1,273× 10−5

V f =0,0646

m s

Calculando velocidad inicial: V 1 ¿ A 1∗¿ ρ =V 1

2

¿ A2∗¿ρ ¿ ¿ 2

Despejando velocidad inicial: V 1=

V 2∗ρ 2 ρ1 m kg ∗990,1 3 s m kg 999,7 3 m

0,0646 V 1=

V 1=0,0639

a) Balance de masa: (FEUS)

m˙ i=m˙ s + acumulaciones m˙ i=Q∗ρ1

33

m s

m˙ i=1,273 ×10 m˙ i=0,0127

−5

m3 kg ∗999.7 3 s m

kg s

m˙ s =Q∗ρ2 −5

m˙ s =1,273× 10 m˙ s =0,0126

m3 kg ∗990.1 3 s m

kg s

m˙ i=m˙ s + acumulaciones acumulaciones=m˙ i−m˙ s acumulaciones=0,0127−0,0126 acumulaciones=0,0001

kg s

b) Balance de energía: V 2s V 2i V 22 V 21 Q˙ VC =∑ m ˙ s (hs + + gz s )−∑ m ˙ i hi+ + gz i + m ˙ 2 u2+ +gz 2 −m˙ 1 u1 + + gz −W 2 2 2 2

(

[

kg kJ Q˙ VC =0,0126 188,42 + s kg

(

) (

( 0,0646 2

m 2 ) s

)

) (

]

Calculando su eficiencia del colector solar: Primero debemos hallar el calor aprovechado de irradiación para ello se utiliza la constante de irradiación la cual será dividida por el área del

34

[ (

m kg kJ +9,81 2 ∗0,86 m −0,0127 42,02 + s h 127888 kg s

Q˙ VC =3681,4486 W

lugar de trabajo.

)

( 0,0

Constante solar: K=2366

w m2

Área del colector: 1.62 x 63 cm=1,0206m2 w m2 Qradiación = =2318,24 W 1,0206 m 2 2366

n=

calor aprovechado de radiacion solar ∗100 calor recibido del colector solar

n=

2318.24 W ∗100 3681,4486 W n=62.97 %

 Tanque de almacenamiento a) Balance de masa: (FEUS)

m˙ i=m˙ s + acumulaciones 5'' m˙ i=Q∗ρ … … … ..en la entrada el tubo es de . 8 5 D= ∗0,0254=0,015875 m 8 A=π R2 =1,979∗10−4 m2 Calculando el caudal: Q=

V t

8,4 L ∗1m3 11min ∗1 min 1000 L Q= 60 s Q=1,273∗10 35

−5

m3 s

Calculando velocidad: V=

Q A

m3 h V= 1,979∗10−4 m2 1,273

V =0,06431

ρ=997,7

m s

kg m3

m=Q∗ρ ˙ 3

−5

m=1,273∗10 ˙

m kg ∗997,7 3 h m

kg ∗3600 s s m˙ i=0,0126 h m˙ i=45,7118

kg h

m˙ s =Q∗ρ … … … .. en la entrada el tubo es de

3' ' . 8

3 D= ∗0,0254=0.009525 m 8 A=π R2 =7,126∗10−5 m2

6,3 L ∗1m 3 9 min ∗1 min 1000 L Q= 60 s m3 Q=1,1667∗10 s −5

36

V=

Q A

m3 s V= −5 2 7,126∗10 m 1,1667∗10−5

V =0,1637

ρ=997,7

m s

kg m3

m3 kg m˙ s =1,1667∗10 ∗997,7 3 s m −5

kg ∗3600 s s m˙ s =0,0116 h m˙ s =41,9046

kg h

m˙ i=m˙ s + acumulaciones acumulaciones=m˙ i−m˙ s acumulaciones=45.7118 acumulaciones=3.8072

kg kg −41.9046 h h

kg h

b) Balance de energía: Qentra =Q sale V 2s V 2i V 22 V 21 Q˙ VC =∑ m s (hs + + gz s )−∑ mi hi+ + gz i + m ˙ 2 u 2+ + gz 2 −m˙ 1 u1 + + gz −W 2 2 2 2

(

) (

) (

)

m 2 m 2 (0,1637 ) (0,1637 ) kg kJ s kg kJ s kg Q˙ VC =0,01155 188,44 + +0 −0,01155 146,65 + +0 + 0,0116 1 s kg 2 s kg 2 s

[

(

)

Q˙ VC =−376,8866 W 37

]

[

(

)

]

[

Calculando la eficiencia del tanque de almacenamiento: n=

calor aprovechado del colector solar ∗100 calor recibido deltanque de almacenamiento

n=

306,4486 W ∗100 376,8866 W n=81.31 %

 Sistema de tuberías

Calculando el caudal:

V t 6,3 L ∗1m 3 9 min ∗1 min 1000 L Q= 60 s Q=

−5

Q=1,1667∗10

m3 s

Calculando velocidad final: V f =V i=

Q A

m3 h Vf= −5 2 7,126∗10 m 1,1667∗10−5

V f =V i=0,1637

m s

a) Balance de masa: (FEES) m˙ i=m˙ s Según editorial PARSEC 2011: a 45°C, interpolando el agua tiene una densidad. 40−992.2 45−x=ρ 38

50−988.0 ρ=x=990.1

kg m3

m=Q∗ρ ˙ m˙ i=m˙ s =1,1667∗10 m˙ i=m˙ s =0,01155

−5

kg s

m3 kg ∗990,1 3 s m

b) Balance de energía: Q entra =Q sale Q˙ VC =∑ m ˙ s (hs +

V 2s V 2i + gz s )−∑ m h + + gz i −W ˙i i 2 2

(

)

m 2 (0,1637 ) (0,163 kg kJ s kg kJ Q˙ VC =0,01155 188,44 + + 0 − 0,01155 146,65 + s h 11552 ndo velocidad fina kg 2 s kg 2

[

(

)

]

Q˙ VC =482,6 W

Hallando su eficiencia del sistema de tuberías: n=

calor aprovechado del tanquede almacenamiento ∗100 calor recibido del sistema de tuberias

n=

376,8866 W ∗100 482,6W n=78,1%

Hallando la eficiencia total: n=

calor total entregado ∗100 calor recibido del sistema de tuberias n=

4540,9352W ∗100 (2318,24+3681,4486) W

39

[

(

n=75.68%

CAPITULO IV DISCUSIÓN Y RESULTADOS  El

punto

de

partida

para

consideraciones termodinámicas son

la

mayor

parte

de

las leyes (o principios) de

las la

termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. También se postula la existencia de una magnitud llamada entropía, que puede ser definida para cualquier sistema. El primer principio de la termodinámica, también conocido como primera ley de la termodinámica, establece que “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma“. Esto quiere decir que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. El «principio de conservación de la energía», que establece que “el trabajo de la conexión adiabática entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados”. Este principio se aplica al tanque de almacenamiento que posee nuestro sistema ya que está en equilibrio con el colector y el sistema de tuberías en serpentín, este tendrá que tener la mayor eficiencia posible para que sea un sistema adiabático y se conserve el calor que es recibido del colector para luego ser utilizado por el serpentín ya que el agua ingresa que pasa por el colector recibe la irradiancia del exterior entonces este adquiere una mayor temperatura a la inicial y esta se conservara en el tanque de almacenamiento.

 En la segunda ley de la termodinámica, Clausius en 1850 mencionó que “el calor fluye espontáneamente desde una fuente a alta temperatura hacia una fuente a baja temperatura. Así, una máquina que opera entre dos fuentes térmicas, una a mayor temperatura que la otra, en nuestro caso es la radiación solar que calienta el colector solar, este no puede tener una eficiencia del 100%. Por lo tanto la eficiencia del colector es 62.97%. Se vio 40

que por la estructura del colector se tiene una no despreciable ganancia de calor durante los periodos con radiación solar (día), mientras que altas pérdidas en los periodos sin radiación (noche), mostrando las baja aislación térmica con el medio ambiente. Primer sector del día: desde las 0:00 de la noche hasta el amanecer (6:007:30), al no haber radiación solar, la temperatura del colector evoluciona paralela a la temperatura ambiente, siendo alrededor de 17ºC menor. Sector central del día: una vez que amanece y el colector empieza a calentarse por la radiación solar incidente, la temperatura de la placa empieza a crecer a mayor ritmo que la temperatura ambiente. En determinadas condiciones de temperatura exterior y de radiación solar, la temperatura del colector puede superar a la temperatura ambiente Sector final del día: cuando comienza a anochecer, y la radiación solar cae hasta cero, se repite el comportamiento del primer sector del día.  En la instalación del colector solar y el suelo radiante se utilizó manguera y tubo de polietileno reticulado PEX, puesto que el tubo de calefacción es el núcleo de cualquier sistema de calefacción por suelo radiante que se instalan debajo del pavimento, por donde circula agua caliente a una temperatura de entre 30ºC y 45ºC. Según el Código Técnico de la Edificación (UNE –EN ISO 15875),la utilización de los materiales plásticos en las instalaciones interiores de conducción de agua son importantes pues los sistemas de tuberías más recomendados en las conducciones de agua (conducción de agua fría y caliente, calefacción) son los tubos de polietileno, obtenidas por transformación química de productos naturales o por medio de síntesis a partir de compuestos orgánicos que se distinguen de otros tubos como el PVC al presentar alta resistencia a la corrosión y agentes químicos, poseen paredes lisas que permiten una mayor capacidad hidráulica, al tener menor perdida de carga a igual diámetro tienen mayor caudal, conductividad térmica entre 0.22 a 0.45 W/mºC, mayor resistencia a la temperatura, Fragilidad al frío –25ºC.La utilización de tuberías de polietileno en la calefacción por suelo radiante es un sistema eficiente al bbenefician al medio ambiente (sin clorofluorocarbono),

cumplen todos los requisitos y

proporcionan un perfil de temperatura equilibrado. 41

 Habiendo usado datos estándar que previamente fueron adecuados a los de nuestras condiciones de operación se determinó la cantidad de calor en cada una de las fuentes. Los valores numéricos de los calores son los siguientes: CALOR

Q (w)

EN COLECTOR SOLAR

3681,4486 W

EN SISTEMA DE TUBERIAS

−376,8866 W

EN

TANQUE ALMACENAMIENTO

DE

482,6 W

 Al darnos cuenta de que la perdida de calor fue mínima, concluimos que la tubería utilizada es un excelente aislante de calor al ser un material no conductor calor. También cuenta con excelentes propiedades tales como la resistencia a altas temperaturas, altas resistencia a la abrasión, alta resistencia a la corrosión, resistencia, alta flexibilidad (El ingeniero Arturo García, de la empresa REHAU), que ayuda al mejor funcionamiento de todo el sistema, sin embargo el sistema de tuberías no permite liberar todo el calor, ya que se pierde dentro del sistema de tuberías en aproximadamente 20% del poder calorífico que genera la radiación.

 En el balance de masa y energía del colector solar se calcula que la acumulación de masa es de 3681,4486 W ; según la

0.0001

kg s

y la absorción de calor es de

siguiente regla (DIN EN 12831 página 28) que

elabora, en cooperación con el comercio, la industria, la ciencia, los consumidores e instituciones públicas, estándares técnicos (normas) para la racionalización y el aseguramiento de la calidad, para estimar

muchos

parámetros que entre uno de estos es el valorar el área , con el cual se tiene que calcular básicamente dos parámetros: la acumulación de materia y el calor ganado o perdido por el colector, según la regla se estima que nuestros 42

valores están en los intervalos de aceptación, ya que el área es directamente proporcional a la acumulación de materia y la absorción de calor. La acumulación de materia se da por el simple hecho de que toda la masa que entra (agua) en el camino se pierde un poco de esta por la propiedad de adhesión del agua a las paredes de un objeto (colector), entonces la salida no será la misma a la entrada. Mientras que el colector gana calor por radiación, cumpliendo con su función de “colectar”

 En el balance de masa y energía del tanque de almacenamiento se calcula que la acumulación de masa es de 0,00106

kg s

y la perdida de calor es de

−376,8866 W ; según la siguiente regla (DIN EN 12831 página 28) que sirve para estimar muchos parámetros que entre uno de estos es el calcular el área, con el cual se tiene que valorar básicamente dos parámetros: la acumulación de materia y el calor ganado o perdido por el tanque de almacenamiento. La acumulación de materia se da porque debajo de la llave por donde sale el agua del tanque de almacenamiento hay agua y esta no cae por diferencias de presiones, ya que no está a la altura de esta y entonces hay una acumulación. Mientras que el signo negativo indica que hay una pérdida de calor del tanque hacia los alrededores, según la regla (DIN EN 12831 página 28) la pérdida del calor de un sistema (tanque de almacenamiento) debe ser menor en lo posible o debe tender al valor del calor aprovechado por el colector solar y como este valor es 3681,4486 W se aproximan, entonces cumple con la calidad requerida.

 En el balance de masa y energía del sistema de tuberías se calcula que no hay acumulación de masa y que la masa que entra es igual a la que sale m˙ i=m˙ s =0,01155

kg y la absorción de calor es de 482,6 W ; según la siguiente s

regla (DIN EN 12831 página 28) que sirve para estimar muchos parámetros que entre uno de estos es el calcular el área, con el cual se tiene que valorar básicamente dos parámetros: la acumulación de materia y el calor ganado o 43

perdido por el colector. En este caso no existe acumulación de materia debido a que es un proceso FEES. Mientras que el calor ganado por las tuberías indica que es el calor que se transfirió del tanque de almacenamiento al sistema de tuberías.

 Se hallo el rendimiento para cada componente del Sistema de calefacción en primer lugar la del colector solar para ello se tuvo como dato la constante de irradiación solar (2366 W/m2) y se le dividió entre el área del colector para calcular la cantidad de calor generado por la radiación en una área determinada el cual se obtuvo 2318,24 W; este resultado nos sirvió para hallar la eficiencia que se obtuvo entre la razón de calor arovechado por la radiación solar con el calor recibido del colector solar que es 3681.4486W obteniendose asi una eficiencia de 62.97% esta eficiencia indica que los materiales empleados para la construcción del colector solar fueron eficientes y permitieron que se retenga el sufiente calor solicitado. En segundo lugar se hallo la eficiencia del tanque de almacenamineto el cual resulto 81.31% una eficiencia acceptable lo que indica que el tanque siendo adiabatico y estuvo aislado conserve de manera eficiente la temperatura del agua. En tercer lugar se hallo la eficiencia del Sistema de tuberias el cual resultó de 78, 1% lo que indica que el modelo de serpentin escogido para este trabajo conserva mayor calor a compracion de los otros modelos tambien el calor que se transmitira al curto elevara la temperatura a los 22 °C en promedio. Y por ultimo la eficiencia total del Sistema de calefacción resultó de 75, 68% lo que quiere decir que si se genera calor a lo largo de todo el proceso térmico, esto se debe a los sistemas de apoyo en el Sistema como el colector solar el tanque de almacenamiento y el Sistema de tuberías en serpentin.

44

CAPITULO V CONCLUSIONES  La

termodinámica

está

regida

por

las leyes (o principios) de

la

termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. En nuestro trabajo se pudo observar la aplicación de la primera ley de la termodinámica que afirma que “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”; y también la segunda ley que postula que “el calor fluye espontáneamente desde una fuente a alta temperatura hacia una fuente a baja temperatura”. La primera ley se vio aplicada directamente al tanque de almacenamiento que posee nuestro sistema donde la finalidad de este es conservar la temperatura del agua brindada por el colector y la segunda ley es aplicable al colector donde este aprovecha la radiación solar para lograr calentar el agua entrante al colector donde dependerá básicamente de los periodos de tiempo transcurridos en el día donde se presente más irradiación solar.

 La instalación del sistema de calefacción por suelo radiante dispone de una red de tubos de polietileno reticulado PEX colocadas en forma de serpentín de fácil instalación, por las que hacemos circular agua caliente procedente de un sistema de generación  de calor (energía solar), cuyos materiales (tubos PEX) son completamente resistentes a la corrosión, mayor capacidad hidráulica, gran durabilidad, insensibilidad a la congelación, así este sistema 45

de calefacción por suelo radiante de agua es ideal para obtener un gran confort y ahorro energético.  Se realizó el diseño y la construcción de un sistema de calefacción con los materiales necesarios siendo el más importante los tubos PEX que permitieron que el calor se mantenga en la habitación generando el suelo radiante y que la operacion del sistema funcione de manera correcta. 

Se realizó el balance de energía en un sistema de calefacción por suelo

radiante empleando tubos PEX en viviendas para el primer nivel, la cual se obtuvo empleando la ecuación general de (FEUS), para el tanque de almacenamiento y para el colector y la ecuación general de (FEES) para el sistema de tuberías en serpentín , ya que en este no se observó un cambio de masa , es decir que la misma masa entrante es igual a la saliente , mientras que en el colector y el tanque de almacenamiento se utilizó el FEUS porque la masas que ingresaba no era igual a la de salida , y en cada caso en el balance de energía se halló el calor que el sistema gana o pierde en cada componente.

 Se realizó el balance de masa para el sistema de calefacción por suelo radiante empleando tubos PEX en viviendas para el primer nivel para cada componente del sistema donde se consideró que la masa entrante del colector y del tanque de almacenamiento no es igual a la de salida mientras que en la del sistema de tuberías en serpentín si es considera igual donde se determinó los valores de cada flujo de masa respectivo.

 Se determinó la eficiencia parcial para cada componente y el total para el sistema de calefacción por suelo radiante empleando tubos PEX en viviendas para el primer nivel; obteniendo una eficiencia de 75,68% lo que indica que el sistema funciona de manera óptima y retiene el calor necesario para crear un ambiente confortable. 46

BIBLIOGRAFÍA 

[1] ROZIS, Jean-Francois. 1997. “Calefacción frías:

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en países en 

tecnológica

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[3] LIENHARD, Jhon. 2000. “A

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Tercera

Edición, Cambridge: Phlogiston Press. 

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[5] UPONOR. 2009 . “Manual

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calefacción y refrigeración por suelo” 47

de

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de

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[6] LURBERO. 2005. “Suelo radiante integral”, Catálogo técnico.



[7] Smith Van Ness. 1997. “Introducción a la termodinámica en ingeniería química”; Editorial MC GRAW HILL; Quinta edición; México.

48

ANEXOS Delimitación de la zona de estudio y trabajo. Foto N°1

Foto N°2

Se demilita la zona de trabajo que es Jauja en el pueblo de QueroCurimarca

Limpieza del lugar de trabajo para el diseño y construcción del sistema de calefacción

Fuente: propia 

Fuente: propia

Elaboración tanque de almacenamiento.

del

Foto N°3 Se aisla el tanque acumulador con tecnopor.

49

Fuente: propia  Proceso de elaboración

del colector solar.

Foto N°4

Foto N°5

Perforamos las botellas para conectar los tubos

Se pintan todas las botellas de color negro mate para así pueda calentar mejor

Fuente: propia

Fuente: propia

Foto N°6

Foto N°7 La instalación del colector en el lugar de trabajo

Se une la parrilla con codos y uniones T para colocarlo en el soporte de madera

Fuente: propia Fuente: propia 50



Instalación de las tuberías Foto N°8

Foto N°9

Se conecta las tuberías en forma de serpertin a unos 5cm debajo y lo aseguramos con clavos

Procedimos a rellenar con capas de tierra

Fuente: propia

Fuente: propia

Foto N°10 Hacemos la prueba del colector solar y se toman datos

51

Fuente: propia TABLA N°3. Cronograma de

Actividades Meses

Actividades

ABRIL

Preparación y presentación del tema de investigación

X

Búsqueda de fuentes bibliográficas

X

Descripción del problema, objetivos, planteamiento del problema

X

Delimitación de la zona de estudio

X

MAY O

Primer informe de avance Marco Teórico, marco conceptual

X X

Adquision de materiales para el modulo: -Compra de materiales

X

JUNIO JULIO

Construcción del modulo

X

Elaboración del tanque acumulador

X

Elaboración del colector solar casero

X

Instalación de las tuberías

X

Pruebas Experimentales -Pruebas de temperaturas

X

Recolección de datos

X

Segundo informe de avance

X

Mejora del modulo

X

Pruebas Experimentales

X

Elaboración del informe final

X

52