1 INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS Y TUBOS DE FLUJO CRUZADO PARA CALEFACCIÓN DE VIVIENDAS RURALES DE LA REGION SIERRA DEL ECUADOR MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES PROMOCIÓN I y II

2 OBJETIVOS General:  Realizar la investigación y desarrollo de un intercambiador de calor de placas y tubos de flujo cruzado, para calefacción de viviendas rurales ubicadas en la región sierra del Ecuador sobre los 3000 msnm, utilizando la energía generada por sistemas de calentamiento por concentración solar térmica. Específicos:  Determinar la demanda de energía térmica para alcanzar una temperatura interna de confort de una vivienda rural tipo de la serranía ecuatoriana.  Realizar el dimensionamiento del intercambiador de calor para satisfacer el tipo de vivienda seleccionada.  Modelar el intercambiador compacto de tubos y aletas con tres hileras en distribución alternada.

3 ALCANCE  Desarrollar un intercambiador de calor de flujo cruzado que utilice como fluido de proceso agua caliente o aceite térmico, proveniente del uso de la energía solar térmica de media y alta temperatura para calefacción de viviendas de la serranía ecuatoriana.

4 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA  El Ecuador, amparado en un marco legal favorable proveniente de lo señalado en la Constitución de la República, Plan Nacional del Buen Vivir, Código de la Producción, ha dictado políticas claras que estimulan el uso de las energías renovables para satisfacer la demanda de su población y diversificar la matriz energética actual, respetando el ambiente y buscando una sinergia entre el sector energético y productivo.  Uno de los sectores prioritarios a ser atendido, es el de los habitantes de la serranía sobre los 3000 msnm., cuyas condiciones generalmente se asocian a niveles de pobreza e inaccesibilidad a servicios básicos.  Este problema debe ser abordado a fin de conseguir temperaturas de confort para esta población objetivo, mediante métodos energéticamente limpios, de bajo costo y eficientes.

5 INTERCAMBIADORES DE CALOR Son dispositivos que permiten transferir el calor, en el cual los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos y el contacto térmico se da con las paredes metálicas que los separan.

6 TRANSFERENCIA DE CALOR EN TUBOS  La transferencia de calor, puede definirse como el paso de energía térmica de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura, bajo ciertas condiciones específicas.  Las tres formas o tipos de transferencia de calor son: conducción, convección y radiación. Figura 4. Transferencia de calor por conducción Fuente: Holman, J. P., Transferencia de Calor, Octava Edición, McGraw - Hill, Interamericana de España, 1998 Figura 5. Transferencia de calor por convección Fuente: Holman, J. P., Transferencia de Calor, Octava Edición, McGraw - Hill, Interamericana de España, 1998

7 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA Figura 6. Transferencia de calor en una pared plana Fuente: Donald R. Pitts, Leighton E. Sissom, Teoría y Problemas de Transferencia de Transferencia de Calor, Serie de Compendios Schaum

8 ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN INTERCAMBIADOR

9 Figura 7. Esquema para modelado de variables involucradas con el rendimiento térmico Fuente: Shah, 1983  Para el diseño de intercambiadores de calor, es conveniente estimar los coeficientes globales de transferencia de calor y se pueden tomar de tablas; la gran amplitud de los valores citados de debe por la diversidad de materiales que tienen diferentes conductividades térmicas, condiciones de flujo y también la configuración geométrica.

10 HAZ DE TUBOS EN FLUJO TRANSVERSAL Figura 3.8. Disposición de tubos en línea y escalonados Fuente: Donald R. Pitts, Leighton E. Sissom, Teoría y Problemas de Transferencia de Transferencia de Calor, Serie de Compendios Schaum  Debido a que muchas de las disposiciones de los intercambiadores de calor constan de múltiples filas de tubos, las características de la transferencia de calor para haces de tubos tiene un interés práctico importante.

11 ELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR  Necesidades de transferencia de calor.- Debido a que disponibilidad de energía estará restringida a la cantidad de recurso solar que podamos capturar en el día, se busca aumentar el área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen.  Costo.- El dispositivo no puede ser de un alto costo, pues está enfocado a sectores de bajos recursos económicos, para ello, su construcción debe realizarse con relativa facilidad y con materiales disponibles en el mercado local.  Tamaño.- Al estar ubicado al interior de una vivienda, se debe optimizar su tamaño, considerando que uno de los fluidos es aire y el otro agua. Figura 3. Intercambiador de calor de flujo cruzado de placas y tubos. Fuente: Donald R. Pitts, Leighton E. Sissom, Teoría y Problemas de Transferencia de Transferencia de Calor, Serie de Compendios Schaum

12 DESARROLLO EXPERIMENTAL  CONDICIONES DEL SISTEMA ENERGÉTICO Y DE LA VIVIENDA 1. Condiciones del fluido de trabajo: Las características y condiciones de salida del fluido de trabajo que proviene del acumulador térmico son: Tipo de fluido:H2O Volumen 450 l Temperatura de entrada al sistema de acumulación:18°C Temperatura a la salida del sistema de acumulación térmica:140 °C Flujo másico del fluido de trabajo:0.017 kg/s Entalpía del fluido a la salida del sistema de acumulación:1125.23kJ/kg Presión de operación:361.54 kPa

13 2. c ondiciones de la vivienda y temperatura de confort Definición de temperatura de confort en la altura definida para el diseño Mapa de temperatura media multianual del Ecuador – Serie 1965-1999 Fuente: Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC – 11, Capítulo 13, Eficiencia Energética en la Construcción en Ecuador, 2011 Rangos de temperatura de acuerdo a las zonas climáticas, según el mapa del INHAMI Fuente: Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC – 11, Capítulo 13, Eficiencia Energética en la Construcción en Ecuador, 2011 Temperatura promedio 8°C y según tabla de datos e temperatura máxima y mínima de las estaciones INHAMI se determina HR máximas y mínimas para el rango de altura, teniendo una HR= 71.98%

14 2. c ondiciones de la vivienda Temperatura de confort y vivienda tipo: Figura 4.2. Curvas de confort Fuente: Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC – 11, Capítulo 13, Eficiencia Energética en la Construcción en Ecuador, 2011 Detalle de Planta vivienda tipo International Standard Organization, Thermal Comfort Standart, el confort térmico “es una condición mental en la que se expresa la satisfacción con el ambiente térmico”, que depende de varios parámetros globales externos, como la temperatura del aire, la velocidad del mismo y la humedad relativa, y otros específicos internos como la actividad física desarrollada  El tipo de vivienda es unifamiliar de una planta, con un área útil de 48m2, compuesta por 2 dormitorios, 1 baño, sala comedor y cocina.

15 3. Cálculo energético del sistema calor requerido

16 3.1Calor debido a pérdidas en la vivienda

17 4. Dimensionamiento del intercambiador

18 5. Fabricación del intercambiador  El intercambiador de tubos y placas se realizará con 51 tubos de cobre distribuidos en tres hileras de 17 tubos, entre las hileras de tubos se dispone la colocación de 5 placas con el objeto de aumentar el área de transferencia de calor.

19 6. Proceso de fabricación

20 6. Ensayos Térmicos  Condiciones Iniciales:  Intervalo para toma de datos 5 min  Presiones de vapor de ingreso al sistema: 20, 15 y 10 psi Temperatura ambiente: 22°C Temperatura interior:24°C Humedad relativa exterior:54% Humedad relativa interior:38% Presión atmosférica:757.6 mbar Altura sobre el nivel del mar:2383 msnm

21 7. Tabla de resultados de los ensayos realizados

22 8. Análisis Gráfico  Ensayos: Gráfico 1. Gráfica de Temperatura vs. Tiempo (P=15 psi) Gráfico 3: Temperatura vs. Tiempo en tres presiones de ingreso Elaboración: L. Peñafiel & M. Brito, 2015 Gráfico 2. Gráfica de Temperatura vs. Tiempo (P=10 psi) Grafico 4: T.entrada vs. T. salida en las 3 presiones ensayadas Elaboración: L. Peñafiel & M. Brito, 2015

23 ANÁLISIS DE RESULTADOS  Se observa una tendencia similar en la representación de la curva de la temperatura de ingreso con respecto a la de salida del intercambiador (T1 y T5), con un comportamiento uniforme y una diferencia de temperatura constante entre los puntos medidos en los intervalos de toma de datos cada 5 minutos.  Se observa que la temperatura de salida del aire que atraviesa el intercambiador es también constante (T2), llegando a los 40°C.  Las temperaturas T3 y T4 son menores a las de la salida del fluido que atraviesa el intercambiador, esto debido a que el flujo de aire que atraviesa el intercambiador absorbe el calor irradiado por los tubos que lo conforma, bajando la temperatura del fluido interno que atraviesa dichos tubos, situación observada en el primer ensayo también.

24 9. Balance de energía

25 CONCLUSIONES  En la actualidad el uso de las energías renovables ha ido en crecimiento, debido a las visibles muestras de los efectos negativos al entorno, causadas básicamente por el cambio climático, derivado en su mayoría por del uso extensivo de combustibles fósiles. Es así como las energías renovables pretenden alcanzar un rol protagónico destinado a conseguir un desarrollo sostenible en nuestro planeta.  El Ecuador incorpora en su marco legal, políticas que impulsan e incentivan el uso de los recursos naturales existentes, con fines de generación eléctrica con miras a disminuir la dependencia de los combustibles fósiles y diversificar la matriz energética actual, respetando el ambiente y buscando una sinergia entre el sector energético y productivo.  El presente trabajo de investigación es parte de un gran proyecto de aprovechamiento de la energía solar, con fines de atender y mejorar las condiciones de vida de poblaciones vulnerables de nuestro país, entre ellas, las asentadas sobre los 3000 metros, quienes presentan en su mayoría carencia de condiciones de confort térmico en el interior de sus viviendas causando deterioro en la salud de sus ocupantes entre otros problemas asociados.  Las características del equipo desarrollado, en relación con otros intercambiadores, permiten optimizar la transferencia de calor proveniente del caldero, a través de una distribución escalonada de los tubos junto con las placas, resultando obtener una mayor área de transferencia útil y por ende una mayor eficiencia.

26 CONCLUSIONES  El diseño del mismo, parte de la determinación de la humedad relativa en el piso climático de estudio, zona ZT1, con miras a determinar la temperatura de confort de las viviendas, relacionando para ello, la humedad relativa existente a estas alturas con los rangos de temperaturas de confort, definiendo así el más óptimo.  De igual forma, se plantea la investigación en una vivienda tipo, de superficie similar a las existentes en la zona de estudio, cuya distribución obedece a optimizar el área útil de la misma. Debido al comportamiento natural de los ocupantes de las viviendas, entre una de las necesidad en este piso climático, es contar con un confort térmico en su interior, que permita actividades de entrenamiento, estudio y descanso de sus ocupantes por un periodo de al menos 10 horas diariamente.  En base al estudio realizado, se ha estableció el calor requerido en el interior de los dormitorios con el objeto de dimensionar un intercambiador que genere 3442.78W con miras a conservar las temperaturas de confort en el tiempo y en los espacios señalados.  El equipo dimensionado ha sido calculado para abastecer la demanda señalada y su fabricación fue realizada a través de los planos de detalle elaborados, tomado en cuenta la utilización de materiales de fácil acceso en el mercado local, optimización de medidas y adecuada replicabilidad. Las medidas del intercambiador son: 55x55x22.8 cm, en el cual alberga 51 tubos de cobre, 5 placas de aluminio y una estructura metálica para su montaje.  Los ensayos térmicos realizados al equipo fueron efectuados en el Laboratorio de Energías Renovables de la Universidad de las Fuerzas Armadas, con el objeto de verificar su comportamiento térmico en condiciones de variaciones de presión a 20, 15 y 10 psi en el ingreso del flujo. Los ensayos realizados determinaron una variación de temperatura de 6,3°C entre la temperatura de entrada y la de salida del flujo del intercambiador. Se consigue además un incremento de temperatura de 16,04°C en relación con la temperatura del ambiente y la de salida del intercambiador. La eficiencia real del intercambiador alcanza el 23%.

27 RECOMENDACIONES  La eficiencia del intercambiador obtenida en las condiciones ensayadas es baja, por lo que se recomienda aumentar la potencia de empuje de aire proveniente del ventilador hacia el intercambiador, mediante la incorporación de un ventilador con una mayor potencia y mayor área de barrido, esto permitirá aprovechar la energía no consumida.  De igual manera se puede recomendar la incorporación de otro intercambiador de calor para el calentamiento de otra vivienda con el objeto de aprovechar la energía que se desperdicia.  Por último, con los datos obtenidos se recomienda disminuir el flujo másico de vapor que ingresa al intercambiador, disminuyendo de esta manera el calor generado y como consecuencia de ello aumentará el ΔT logrando así una mayor eficiencia del equipo, esto hasta encontrar un balance entre estos parámetros.

28 Gracias su atención MARIO BRITO FLORES LENIN PEÑAFIEL ENCALADA