SISTEMAS HIDRÁULICOS (SEGUNDA PARTE)

COMPONENTES DE UN SISTEMA HIDRAULICO

TANQUE: Depósito de aceite para suministro del sistema hidráulico.

REQUERIMIENTOS: Capacidad adecuada, por lo general sellado, pero no siempre, debe mantenerse limpio y debe tener suficiente resistencia. Se diseñan para evitar la recirculación continua del mismo líquido. Existen desviadores que constituyen una forma de amortiguar la turbulencia. Además, el aceite tiene tiempo de refrescarse antes de retornar al sistema. Por otro lado, el tubo de admisión de la bomba está bien debajo de la superficie de aceite, pero sobre el fondo del tanque. De esta forma se reduce las posibilidades de cavitación debidas a la falta de aceite y también se evita la admisión de los sedimentos que se depositan en el fondo.

NOTA.- La suciedad es el peor enemigo de los componentes del sistema hidráulico. Se debe tener mucho cuidado para evitar que penetre al sistema. Asegúrese antes que nada, que el recipiente y el aceite que use para llenar el tanque estén limpios.

BOMBA HIDRAULICA: Es el corazón del sistema hidráulico. Su trabajo, si no nos falla la memoria, es crear flujo y no presión.
La bomba puede ser de engranajes, de paletas o de pistones.

a) BOMBA DE ENGRANAJES: Es de desplazamiento positivo, es decir una bomba en el cual el desplazamiento (caudal) por revolución no puede variarse.

VENTAJAS:
- De desplazamiento positivo: El caudal es constante dentro de una manera razonable sin importar la resistencia al flujo.
- Filtraciones pequeñas: La disminución en la cantidad de descarga debida a filtraciones que vuelve a la admisión es pequeña.
- Compacta. La unidad es compacta.

DESVENTAJAS: Limitada a aplicaciones de baja presión, debido al desequilibrio hidráulica (Cualquier presión excesiva que exista en la salida aplica una fuerza en los engranajes, produciendo la deflexión del eje).

b) BOMBA DE PALETAS: Pueden ser
- De paletas rectas: Las ranuras para las paletas en el motor son rectas desde el centro, por lo tanto la bomba puede girar en cualquier dirección.
- De paletas rebajadas: La paleta tiene un rebajo en el cual actúa el aceite a presión que junto con la fuerza centrífuga mantiene las paletas contra el anillo.
- De paletas con resorte: Las paletas son mantenidas contra el anillo en el lado de descarga por los resortes, la fuerza centrífuga y la presión de aceite detrás de la paleta.
- De inserto en las paletas: La presión del aceite entre la paleta y el extremo de un inserto de acero que se desplaza en una ranura cortada en la paleta ayudan a mantener la Paleta contra el anillo.

VENTAJAS:
- Mayor caudal: El ajuste preciso entre las paletas y el anillo aumenta el caudal de estas bombas con respecto a las bombas de engranajes
- Desplazamiento Positivo: El caudal disminuye poco a medida que la resistencia al flujo aumenta.
- Equilibrio hidráulico: La mayor parte de las bombas de paletas son equilibradas hidráulicamente (note que las salidas están en lados opuestos, al igual que las entradas. Las fuerzas que se oponen se equilibran entre ellas y reducen las cargas en los cojinetes y la deflexión en e] eje)

DESVENTAJAS:
- Gran cantidad de partes: muchas partes mecánicas, costo elevado.
- Más difícil de mantener que las bombas de engranajes: Pequeñas cantidades de materias extrañas causan desgaste rápido, debido al roce de las paletas.

FILTRO DE ACEITE: Dispositivos para separar las partículas o sólidos que se hayan en suspensión en el aceite. El aceite puede filtrarse en cualquier punto del sistema.

En muchos sistemas hidráulicos, el aceite es filtrado antes de que entre a la válvula de control. Para hacer esto se requiere un filtro más o menos grande que pueda soportar la presión total de la línea. Colocado el filtro en la línea de retorno tiene también sus ventajas. Unas de las mayores es su habilidad de atrapar materiales que entran al sistema desde los cilindros. El sistema impedirá que entre suciedad a la bomba. Esto es verdad siempre que no se agreguen materias extrañas al tanque,
Cualquiera de los dos tipos de filtro en las tuberías debe equiparse con una válvula de derivación.

VÁLVULA DE CONTROL O DIRECCIONAL: Consiste en un carrete con dos o más bandas maquinadas que puede moverse dentro de una perforación o cuerpo de válvula. El juego entre las bandas de la válvula de carrete y la perforación en el cuerpo de la válvula es sumamente pequeño el ajuste de alta precisión de la válvula al cuerpo, necesario para impedir filtraciones a presión alta requiere limpieza absoluta para evitar desgastes prematuros. A fin de impedir distorsión del cuerpo de la válvula y atascamientos es necesario dar el torque correcto a todos los pernos al armar.
Las válvulas de control del tipo de carrete son válvulas deslizantes. Puesto que el carrete se mueve hacia adelante y hacia atrás permite que el aceite fluya a través de la válvula o impida su flujo.

VALVULA DE PRESION MAXIMA O VALVULA DE ALIVIO: Son válvulas limitadoras y que no controlan la presión actual de trabajo. Solamente la carga controla esta presión. Recuerde que la bomba no produce presión. La presión es el sistema hidráulico es el resultado de la restricción al flujo y la presión en cualquier momento dependerá de la carga aplicada en el cilindro hidráulico.

LA CELDA DE COMBUSTIBLE

El mes pasado nos referimos al improbable sustituto de los actuales motores de combustión interna como fuente de potencia primaria, el Stirling. El presente vamos a referirnos al candidato con mejores posibilidades: la celda de combustible. Es un mecanismo que transforma la energía química directamente en energía eléctrica, sin existir combustión. Similares a las baterías, las celdas a combustible están compuestas de dos electrodos (uno positivo, el cátodo y otro negativo, el ánodo) con un conductor electrolítico entre ellos. Mientras tanto, difiere de la batería por no haber necesidad de recarga, produciendo energía desde que el combustible sea suministrado.
Teóricamente se pueden utilizar varios tipos de combustibles. En la actual fase de las investigaciones, el hidrógeno es el que presenta un mejor rendimiento. El hidrógeno se puede generar del metanol, etanol, gas natural, propano y otras combustibles hidrocarbonados.

En ese mecanismo, en la medida que los electrodos tienen contacto con los gases reactivos (hidrógeno par el electrodo negativo y oxigeno o aire atmosférico para el electrodo positivo) existe una diferencia de potencial entre los mismos. Esta diferencia de potencial de la célula a circuito abierto es del orden 1.0 V, lo que ya genera energía.
Uno de los componentes específicos para la célula a combustible es la matriz, usualmente compuesta de carburo de silicio (SiC) y politetrafluoretileno (PTFE), que es lo que retiene el electrolito y se usa entre pares de electrodos difusores de gases (H2 y O2). Esas matrices deben ser lo suficientemente porosas para que el electrolito se quede permanentemente retenido, dejándolo apenas humedecido, y evitando de ese modo la mezcla de gas. Además, las matrices deben ser un aislante electrónico, tener una buena estabilidad química, tener buena conductividad ionica y poseer una espesura adecuada para minimizar la polarización ohmica entre los electrodos.

La resistencia de la matriz es una característica importante por ser la principal responsable de la inclinación de la curva de control corriente vs. potencial. Se han realizado investigaciones sobre el desempeño de células a combustible utilizándose mezclas de carburo de silicio, carburo de niobio y silicato de circonio, con el objetivo de mejorar el potencial de la célula a altas densidades de corriente.

También es importante observar que hay distintos tipos de células a combustible que son generalmente catalogadas de acuerdo con el electrolito utilizado. De ese modo tenemos las células de ácido fosfórico, de electrolito polimérico sólido, alcalina, de carbonatos fundidos y de óxido sólido.
Las células que se encuentran en la fase de investigación más desarrollada son las del ácido fosfórico. En este tipo de célula el electrolito usado es el ácido fosfórico (H3PO4) concentrado (95−98%), con una temperatura de operación entre 180 y 200o C., que no se ve afectado por el CO2, CO ( < 1%, pues en caso contrario el catalizador resulta envenenado) y otras impurezas. De ese modo, la célula puede utilizar como agente oxidante directamente el aire atmosférico, y puede operar con hidrógeno impuro producido a través de latransformación de otros combustibles. El CO2 formado como subproducto del proceso de transformación pasa a través de la célula sin comprometer su funcionamiento. Las reacciones de reducción de oxígeno y oxidación del hidrógeno se operan de forma más eficiente usando como catalizador el platino, disperso sobre polvo de carbono y conteniendo un adicionado de politetrafluoretileno (PTFE). Esas células se pueden disponibilizar en diferentes tamaños, que van desde pequeñas unidades portátiles de 250 wats a generadores capaces de suministrar 200 kilowatts de electricidad. De ese modo, células a combustible de ácido fosfórico están indicadas para edificios y vehículos pesados.

EL MOTOR STIRLING

Este motor fue inventado por el Reverendo escocés Roberto Stirling en 1816 y se presentó en su época como la “alternativa segura” a las entonces predominantes “máquinas de vapor”, cuyas calderas de diseño rudimentario eran altamente explosivas. Se afirma que un motor Stirling puede tener eficiencia teórica superior a la de un motor convencional, sea gasolinero (Otto) o petrolero (Diesel), aunque es, por el momento, incapaz de reemplazar a estos últimos debido a la baja potencia de salida que lo caracteriza. No obstante jamás fue descartado del todo, como iremos viendo. El ciclo termodinámico ideal del motor Stirling consta de 4 etapas: Compresión y expansión ( isotérmicas) adición y expulsión de calor (isométricas) Este motor utiliza una fuente de calor fija para calentar gas (aire, vapor de agua, etc.). El cambio de presiones en el gas (debido al salto de temperatura alta a baja) es lo que produce el funcionamiento. Una volante de inercia o hélice con giro suave es necesaria para el arranque.

Como puede apreciarse, el motor Stirling es un motor de combustión externa, tal como la clásica “maquina de vapor”. Inicialmente fue, en efecto, una alternativa a dicha máquina allí donde no se requería mucho esfuerzo de impulso, como en el caso de ventiladores, bombas y compresores de aire. La aparición de motores térmicos de ciclo más eficiente en la segunda mitad del siglo XIX hizo relegar momentáneamente al Stirling que reaparecerá en los años 30 del siglo XX cuando la Philips empieza a probar su factibilidad en generadores eléctricos para radios.

En el campo automotriz, son conocidos los estudios de la General Motors que se llevaron a cabo entre 1958 y 1970 con el fin de encontrar aplicación del motor Stirling a su industria. Así en 1985 se hicieron pruebas en un Chevrolet Celebrity con pobres resultados, de modo que las innovaciones técnicas de los motores existentes en el mercado hicieron dejar de lado temporalmente los proyectos. Hay un par de características clave que hacen poco práctico su uso en autos, buses y camiones. Debido a que la fuente de calor es externa, se necesita un intervalo de tiempo para que el motor responda a los cambios en la cantidad de calor que se aplica al cilindro; toma tiempo para que el calor sea conducido a través de las paredes del cilindro y el gas en el interior del motor. Esto significa que:

• El motor requiere mucho tiempo para calentar antes de que pueda producir potencia útil.

• El motor no puede cambiar su potencia rápidamente.

Estas deficiencias impiden que este motor sustituya al de combustión interna.

El primer motor Stirling híbrido fue probado en 1995 en un Chevrolet Lumina y tampoco pudo satisfacer expectativas en cuanto a eficiencias y nuevamente se abandonó la idea de su aplicación entre los fabricantes de autos. Las idea básica del sistema híbrido es, pese a todo, una alternativa factible como fuente primaria para la generación de energía eléctrica. Ver el esquema de la planta de cogeneración de 35 Kw propuesta por H. Carlsten en la década de los 90, a partir de la combustión de biomasa.

Este sistema fue diseñado para generar electricidad en hogares y empresas, utilizando energía solar como fuente de calor en días despejados y biogás durante las noches o en días nublados. Sin embargo, los motores Stirling hoy en dia sólo tienen algunas aplicaciones muy especializadas, como en los submarinos, los edificios inteligentes, o generadores de potencia auxiliar para yates, donde un funcionamiento silencioso es importante, cuando hay una demanda de un motor de baja velocidad, de salida constante de potencia, y sin sobrecargas.

Lo contrario sucede con el ciclo inverso de Stirling (de refrigeración), donde utilizando sustancias de trabajo como el helio o el hidrógeno han posibilitado temperaturas de hasta 10K. La misma empresa Philips tuvo éxito comercial con este ciclo en los años 70 del siglo que pasó.

Si tenemos que resumir las ventajas, podemos afirmar que:

1. Los gases en el interior de un motor Stirling no salen nunca del motor. No hay válvulas de escape para ventilar los gases de alta presión, como en los motores de gasolina o diesel, y no hay explosiones internas. De este modo, los motores Stirling son casi silenciosos.

2. El ciclo de Stirling utiliza una fuente de calor externa, que puede ser cualquiera desde sol, calor geotérmico, combustibles fósiles, calor producido por plantas en descomposición (biomasa), calor corporal, etc. Ninguna combustión se lleva a cabo dentro de los cilindros del motor.

3. El motor Stirling, trabajando en ciclo inverso, es altamente eficiente y por ende, aplicable a sistemas prácticos y económicos de refrigeración y criogenia.

El motor Stirling tiene tres variantes básicas:

Motor tipo “Alfa”: Que posee dos cilindros (uno para el foco frío y el foco caliente) ligados entre sí por un cigüeñal que permite una alta relación de potencia por unidad de volumen. El mecanismo es sencillo como puede apreciarse.

Motor tipo “Beta”: Que posee un solo cilindro para ambos focos de temperatura. Este es el motor original que patentara Roberto Stirling. Es un mecanismo complejo y voluminoso.

Motor tipo “Gamma”: Es similar al anterior, pero su mecanismo es más sencillo y su potencia de salida es inferior.

CONSTRUYAMOS NUESTRO MOTOR STIRLING CASERO:

No es difícil construir un motor Stirling para demostraciones en clase o experimentos de laboratorio. De todos los modelos que he encontrado, el más interesante para mí, tanto por la simplicidad, la funcionalidad de diseño y economía de materiales, es el descrito en el folleto de William Gurstelle: “Two can Stirling engine” (motor Stirling de 2 cilindros, en inglés). Véase el esquema del motor en cuestión:

Los interesados pueden descargar (gratuitamente y sin ningún riesgo) el folleto en este enlace:

http://www.4shared.com/document/zImHLZG3/Making_a_Stirling_Engine.htm

O una versión en español (aunque no tan ilustrativa):

http://www.4shared.com/document/SMz0Ny9i/CONSTRUCCION_Motor_Stirling_ca.htm

No dudo de que la gente con imaginación y creatividad podrá hacer mucho más para perfeccionar este modelo en todo sentido, adaptando más material reciclado e incluso haciéndolo impulsar algún mecanismo sencillo y liviano. Cualquier comentario o inquietud (para constrir modelos experimentales o referencias teóricas) son bienvenidas en nuestra página de facebook. Y bien, ha sido éste el artículo especial por aniversario del blog (recuerden que cumplimos dos años este mes). Espero haya sido del agrado de todos ustedes, queridos lectores y seguidores (nuevos y antiguos). Hasta el mes que viene. Un abrazo.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

• INTEGRATION OF ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY - Felix A. Farret / M. Godoy S. - IEEE Press / John Wiley & Sons – 2006.

• EL MOTOR STIRLING, DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y ANÁLISIS EXPERIMENTAL - Carlos Llave / Pablo Clausó / Eduardo Montellanes / Carlos Martinez Abarca - I.E.S. Leonardo Da Vinci – 2010.

• Figuras y animaciones:

http://auto.howstuffworks.com/stirling-engine.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/kiriki/begin/general.html http://electron9.phys.utk.edu/phys136d/modules/m3/m3ex1.htm

SISTEMAS HIDRÁULICOS (PRIMERA PARTE)

Este será el primero de una serie de artículos relativos a los sistemas hidráulicos, el cual será desarrollado de manera gradual e interrumpida, ya que, a diferencia de otros temas que se han tratado anteriormente, se trata de algo “ bastante común “, por así decirlo, en el campo de la tecnología mecánica en nuestro medio, tanto en la práctica profesional como en la formación académica especializada. Centraré la exposición en las aplicaciones diversas, diagnósticos y solución a problemas de diseño o mantenimiento de equipos y, en lo posible, obviaré hacer referencias teóricas demasiado extensas, considerando la necesidad que tienen los ingenieros y técnicos, de tener respuestas rápidas a sus inquietudes, que es el principal objetivo de este blog.
Creo que todos los seguidores de este blog (y naturalmente buena parte de los anónimos lectores) conocen ya el mecanismo básico de todo sistema hidráulico: La famosa “prensa hidráulica”, ideada por Blas Pascal pero patentada en el siglo XVIII por Joseph Bramah. Que permite multiplicar la fuerza.

Pero pocos se han percatado de los problemas reales que involucran el desempeño óptimo de ese mecanismo “ideal”. Veamos cómo es que ha evolucionado el dispositivo desde su concepción teórica hasta la actualidad. Podemos, por ejemplo aumentar la presión en el ramal donde se aplica la fuerza (la palanca) si agregamos el depósito que se ve a la izquierda y de este modo tener mayor fuerza sobre el peso que busca elevarse en el émbolo de salida.

Ahora, para impedir que el líquido “regrese por donde vino” y el peso caiga cuando demos nuevo impulso a la palanca, podemos agregar válvulas “anti retorno” a nuestro sistema hidráulico.

Pero no olvidemos que esta jugada nos traerá una brusca caída de presión en cuanto se cierren las válvulas “anti retorno” no impidiendo que el peso descienda un cierto margen , ello nos obliga a agregar válvulas “reguladoras de presión”, con lo cual hemos resuelto el problema.


¿Y si en vez de una sola palanca, fuesen dos?, tendríamos mayor fuerza en el émbolo de salida y se podrían elevar mayores pesos. ¿Pero todo eso no puede hacerse en un solo mecanismo? Desde luego que sí, dos prensas hidráulicas funcionando en serie, como se ve abajo.

Ahora bien, sea cual fuese la fuerza aplicada en la palanca, esta tendría que aplicarse a intervalos regulares o irregulares debido a la naturaleza del mecanismo, y ello nos trae el problema de la “discontinuidad” en la presión ejercida sobre el émbolo de salida. La presión constante requerida, es entonces suministrada por una bomba, que vuelve obsoleta a la palanca.

Este último es el alma de todo sistema hidráulico en nuestros días. Muchos, muchísimos tipos de máquinas estáticas (prensas, elevadores, simuladores de vuelo, etc.) y desplazables (cargadores frontales, camiones mineros, robots, etc.).

Espero, como dije inicialmente, ir respondiendo inquietudes y proponiendo soluciones a problemas técnicos en este campo. He querido dar una pequeña motivación por el momento que espero sea del agrado de seguidores (nuevos y antiguos). Todos los lectores interesados en el tema pueden hacerme llegar sus sugerencias y comentarios aquí mismo o en nuestra página de discusión de facebook. Gracias por el momento, y hasta el mes que viene.

ACCIONAMIENTO Y CONTROL DE MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS

En este artículo se pretende dar a conocer un tema de particular interés para ingenieros y técnicos de mantenimiento y/o electricidad industrial : el contenido de la Norma Internacional IEC 947. Esta norma presenta una terminología clara y cabal sobre todos y cada uno de los equipos y elementos que conforman los SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO PARA MOTORES. Además se definen los conceptos de :
• Seleccionar en forma adecuada el equipo eléctrico.
• Protección de los equipos que gobiernan las cargas.
• Realizar la coordinación y el ajuste de la protección.
Los aparatos de protección tienen la función de interrumpir el flujo de energía eléctrica ( poniendo fuera de servicio al equipo y desconectándolo de la línea de alimentación ), cuando se presentan irregularidades en su funcionamiento, particularmente por sobrecargas y/o variaciones de tensión, corriente y frecuencia nominales del sistema.

La IEC 947( INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISSION )tiene el objetivo de armonizar en todas las formas posibles el conjunto de reglas y de disposiciones aplicables al sector de baja tensión, uniformizando de tal manera las prescripciones y las pruebas aptas a garantizar toda la gama de materiales correspondientes.
La IEC 947 es dividida en varios artículos como sigue:

•947 -1 Reglas Generales
•947 -2 Interruptores automáticos.
•947 -3 Interruptores, seccionadores Interruptor -. seccionador y fusibles.
•947 -4 Contactores y arrancadores.
•947-5 Equipos y elementos para circuitos de mando.( Sensores de proximidad, temperatura, etc )
•947-6 Equipos de conexión a funciones múltiples.(Arrancador integral o transferencia automática )
•947 -7 Materiales accesorios( Bloques de unión para conductores de cobre )

SECCIONAMIENTO.-A fin de trabajar en forma segura en instalaciones, máquinas y su equipamiento eléctrico, debe ser posible aislar eléctrica y físicamente todos los circuitos de potencia y de control de la línea de distribución, el seccionamiento se realiza sin carga. Esta función que según la IEC 947 -2 tiene que ser incluida en :. Interruptores magnéticos para motores.. Interruptores termomagnéticos para motores.

INTERRUPCION.-Permite la conexión y desconexión de un circuito con carga, así como la parada de emergencia. Función incluida en:. Interruptores magnéticos para motores.. Interruptores termomagnéticos para motores.

PROTECCION CONTRA SOBRECARGAS.-La protección contra sobrecargas permite detectar incrementos de corriente entre 1 a 1.5 veces la corriente nominal del motor desconectar el arrancador antes que el sobrecalentamiento del motor y conductores cause daño al material aislante, que podría derivar en una condición de corto circuito.
Es también posible añadir otras protecciones, como la protección contra fallas de aislamiento, pérdida de fase, desbalance de tensiones y corrientes, etc. Los dispositivos específicos son: Relé térmico contra sobrecarga.. Interruptores termomagnéticos para motores.

Interruptores termomagnéticos.- Han sido diseñados especialmente para despejar en forma rápida las fallas de sobrecorriente y cortocircuito. El tiempo del despeje dependerá de la regulación a la cual ha sido sometido (ver curvas del interruptor termomagnético). La selección está definida por la norma IEC 947, NEMA AB-1-UL-489. Para hacer su selección tener en cuenta:
- Corriente y tiempo de arranque del motor.
- Tensión nominal.
- Altitud de diseño.
- Corriente de cortocircuito.
- Temperatura de trabajo.
- Demás instrucciones del fabricante.

Contactores.- Aparatos de maniobra (automático), con poder de corte y por lo tanto puede abrir o cerrar circuitos con carga o en vacío. También se le define como un interruptor accionado o gobernado a distancia.
Las ventajas de usar contactores son :
- Maniobra en altas corrientes.
- Ahorro de tiempo en la maniobra.
- Posibilidad de controlar un motor desde varios puntos.
- Seguridad del personal.
- Automatización en el proceso.
- Arranque y parado de motores según su diseño.
- Maniobras de cualquier carga.
Su trabajo esta sujeto a la norma IEC 947.


CONMUTACION.- Permite el mando a distancia y el control automático de apertura y cierre del circuito de potencia. Estos dispositivos electromecánicos son los contactores.
Temporizadores.- Son aparatos que cierran o abren determinados contactos ( contactos temporizados ), y al cabo de un tiempo debidamente establecido, abren o cierran el circuito de mando. Según la técnica de construcción y funcionamiento los temporizadores pueden ser :
- Con mecanismo de relojería.
- Electrónicos y
- Neumáticos.

Fusibles .- Estos elementos son diseñados para proteger al motor contra las fallas de cortocircuito, son instalados en serie con las fases del circuito. Está construido de un elemento conductor de pequeña sección transversal ( alta resistividad para proporcionar el retardo ), que soporta el paso de una corriente predetermina-da, tal como la corriente de arranque. Para su selección solicitar información del fabricante. Son pésimos para el control de sobre corrientes.
Pulsadores .- Cierran o abren ciertos circuitos mientras actúe sobre ellos una fuerza exterior, recuperando su posición de reposo (inicial) al cesar dicha fuerza, por acción de un muelle o resorte. Son de dos tipos :
- Para encendido ( contactos NA ),
- Para apagado ( contactos NC ).

Señalización .- Son todos los dispositivos cuya función es llamar la atención sobre el correcto o incorrecto funcionamiento de las máquinas aumentando así la seguridad del personal y facilitando el control y mantenimiento de los equipos. Entre los más conocidos tenemos :
Acústicos.- Son señales perceptibles por el oído, tales como : Timbre, zumbadores, sirenas, etc.
Opticas.- Son señales perceptibles por la vista, se dan de dos formas: .
Visuales.- Se emplean ciertos símbolos indicativos de la operación que indica la realización de alguna acción correspondiente al diagrama de flujo de producción. . Luminosos.- Únicamente se emplean lámparas o leds de colores diferentes

SISTEMA COORDINACION DE TIPO 1
Ningún peligro para las personas y para las instalaciones. Ningún componente aparte del contactor y del relé de sobrecarga puede dañarse. El aislamiento debe conservarse después de la falla. Antes de poner en servicio nuevamente, puede ser necesaria la reparación del contactor y/o substitución o calibración del relé de sobrecarga.

COORDINACION TIPO 2
Ningún peligro para las personas y para las instalaciones.
No es permitido ningún daño ó desajuste del contactor; es admitido el riesgo que los contactos del contactor se peguen, siempre y cuando éstos puedan separarse fácilmente.
El aislamiento debe conservarse después de la falla.

COORDINACION TOTAL
Ningún peligro para las personas y para las instalaciones.
No se permite ningún daño o soldadura en los componentes del sistema de arranque.
Se puede poner en servicio nuevamente sin precauciones particulares.
Mantenimiento reducido y rápida puesta en servicio después de la falla.

PROTECCION INTEGRAL
Cuando se tiene una máquina con una muy alta criticidad es conveniente protegerla contra todo posible daño, para ello se tendrán que gobernar los parámetros siguientes: Corriente, Tensión, Frecuencia,Temperatura, etc. Los sensores de los circuitos de los parámetros de la máquina deben ser instalados en las tres fases, además deben tener un circuito de gobierno común ( consola ), que me permita controlar la totalidad de las características de la máquina. El diseño deberá considerar que cuando actúen los elementos de protección, no deberán ser reseteados automáticamente, es recomendable detectar cual ha sido la causa o motivo por el cual ha actuado. Los relés de sobrecarga deben ser seleccionados de modo que permitan el arranque y parada, así mismo nos indique el tipo de falla en su panel frontal.


TIPOS DE RELES MAS UTILIZADOS. Según la importancia de los equipos a ser protegidos los relés más utilizados en la industria son :
- Sobre corriente.
- Sobre y sub tensión.
- Sobre y sub frecuencia.
- Potencia inversa.
- Térmico ( sondas térmicas, termocuplas, etc. ).
- Pérdida de fase. - Secuencia cero.
- Diferencial.
- De distancia.
- Relé integral en baja tensión.


TIPO DESCRIPCION DE LAS FUNCIONES
21 Relé de distancia -Para zonas de fallas en fase.
27 Protección de subtensión.
40 Protección de pérdidas en el campo.
46 Protección de secuencia negativa. (corrientes desbalanceadas).
49 Protección térmica del estator.
50G Protección por sobrecorriente.
59 Protección de sobretensión.
60 Relé de tensiones balanceadas ( Detección de fusibles rotos del trafo de potencia)
61 Protección por sobrecorriente de fase dividida.
81 Relé de frecuencia ( Protección contra sobre y subfrecuencia-
86 Relé auxiliar de cierre externo del reseteado manual.
51MN Relé de tiempo de sobrecorriente a tierra.
51TN Protección de fallas a tierra-Respaldo.
59GN Relé de sobretensión -Protección de fallas a tierra.
62B Tiempo de falla del interruptor.
87 Relé diferencial en las fases del estator.
87N Protección diferencial de fallas estator-tierra.

DEFINICIONES BASICAS EN PROTECCION
PERTURBACIONES .- Son alteraciones de los principales parámetros de los sistemas eléctricos de corriente continua ó alterna. Los parámetros eléctricos principales son : Tensión, corriente y frecuencia siendo sus unidades Voltios, Amperios y frecuencia respectivamente.
SOBRECORRIENTES.- Alteración de la corriente nominal por ensima de los valores establecidos estos pueden ser :
• Alta intensidad.- Están conformados por las corrientes de cortocircuitos asimétricos y simétricos. Inominal ( 2 In -10 In) . El tiempo de duración 50 - 250 mseg.
• Baja intensidad.- Cuando se sobrepasa la corriente nominal entre Inominal ( 1ln - 1.5 In) . Conformados por las corrientes de sobre carga. El tiempo de duración es de hasta muchos segundos y/o uno o varios minutos según sea el caso.


PROTECCION TENSIONES ANORMALES.- Se denominan así cuando los niveles de la tensión están fuera de los valores normalizados. En los sistemas industriales se dan dos casos:
Sobre tensiones.- Deterioran los aislamientos de los equipos y sistema eléctrico y pueden producir fuertes descargas a tierra. Pueden ser de origen:
Externo.- Descargas atmosféricas (Corta duración).
Interno.- Maniobras y frecuencia industrial.
Sub tensiones.- Aparecen debido a perturbaciones ocurridas dentro del sistema eléctrico. Su origen se debe a: Sobrecarga en la línea del sistema eléctrico. La central de generación entrega una baja tensión. En el arranque de los motores de inducción.

FRECUENCIAS ANORMALES.- Cuando la frecuencia de operación se halla fuera del margen establecido se dan :
• Sub frecuencia ( inferior a la frecuencia nominal ), se debe a un desbalance KWgeneración menor que KWcarga.
• Sobre frecuencia ( superios a la frecuencia nominal ), se debe a un desbalance KWgeneración mayor que KWcarga.
INVERSION DE POTENCIA.- El flujo de potencia activa debe estar predeterminado en un solo sentido. El cambio de sentido del flujo implica una situación anormal por lo que se debe utilizar un relé de potencia inversa.
OTRAS.- Para aplicaciones particulares es posible detectar condiciones anormales de : Impedancias, temperaturas, presiones, vibraciones, comparaciones de corrientes y tensiones de entrada y salida, corrientes de secuencia a cero entre otros.

MISION DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION

- Proteger físicamente al personal técnico.
- Prevenir ó atenuar los daños al conjunto de equipos.
- Minimizar el tiempo de indisponibilidad de los equipos y las interrupciones a los sistema servidos.
- Minimizar el efecto de las perturbaciones sobre el resto de la red.
- Aísla rápidamente los elementos fallados evitando la pérdida de la estabilidad del sistema eléctrico.
- Utilización de equipos adecuados para que el sistema trabaje bien y por ende tengamos una energía de alta calidad.



CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION

FIABILIDAD.- Es la seguridad de funcionamiento cuando se necesita y su acccionamiento innecesario. Se le conoce también con el nombre de confiabilidad. Atentan contra la fiabilidad:
- Diseños incorrectos.
- Malos ajustes.
- Instalación inadecuada.
- Deterioro de los equipos debido a: Fallas ó envejecimiento del relé. . Mantenimiento inadecuado ó no existente. Una medida para incrementar la confiabilidad del equipo es duplicar la protección ( incluyendo transductores de medida y servicios auxiliares ).


RAPIDEZ.- Los cortocircuitos producen grandes corrientes las que ocasionan la formación de arcos eléctricos muy grandes y por ende destructivos que pueden dañar los equipos y ocasionar incendios.
La permanencia prolongada de los cortocircuitos puede afectar la estabilidad del sistema eléctrico. En consecuencia el tiempo de actuación del equipo debe ser el más corto posible. El tiempo de actuación de la protección está compuesto por: - Tiempo de actuación del equipo.
- Tiempo de los interruptores.
- Tiempo de la temporización.

Se presentan los siguientes relés y/o equipos:
- Equipos estáticos ( tiempo de accionamiento menor de 17 mseg.).
- Equipos electromecánicos ( tiempo mayor de 2 a 3 ciclos ).

SELECTIVIDAD.- El diseño y coordinación de la protección debe ser tal que aún en condiciones más desfavorables y extremas, solamente se aísle la parte del sistema ó equipo afectado quedando operativo el resto del sistema. Es necesario que en la ocurrencia de fallas actúen los interruptores más cercanos al equipo protegido para lo cual se utilizan varios tipos de protección a saber: - Unitarios y/o restringidos. - Escalonados ( relés de impedancia ó sobrecorriente ).

SENSIBILIDAD.- Se refiere a la más pequeña variación de la magnitud controlada que el sistema puede detectar. Esta magnitud debe ser plenamente conocida por el Ingeniero especialista en protección con el objeto de controlar la correcta operación de los relés. En caso de tratarse de relés, se refiere a los voltios amperios que operar a dicho equipo.


ESTABILIDAD.- Es la habilidad de los equipos de no actuar ante condiciones normales de carga y ante fallas externas a su zona de influencia. Así mismo deben ser estables ante oscilaciones de tensión, corriente y frecuencia, etc.

SIMPLICIDAD.- Debe ser de fácil manejo teniendo pocos elementos que puedan fallar, aumentando así la fiabilidad. Tener en cuenta que no necesariamente el sistema mas simple es el mas económico.

OTROS.- Se refieren a otras características tales como: - Bajo consumo. - Facilidad de mantenimiento. - Economía global del sistema. - Criticidad del sistema.

ENERGÍA SOLAR (TERCERA PARTE - PANELES FOTOVOLTAICOS)

El artículo de este mes (último del año), nos introduce a otra forma de aprovechamiento de la energía solar en forma directa: La generación de energía eléctrica. Varios países de las regiones tropicales son privilegiados por su elevado potencial de energía solar, por ejemplo Brasil tiene cerca de 2500MW, ¡cinco veces mayor que la de los Estados Unidos!. Tenemos de este modo enormes posibilidades para el uso de la energía solar como alternativa ecológica.
La luz solar se convierte directamente en electricidad con módulos que constan de muchas celdas solares fotovoltaicas. Estas celdas solares suelen ser fabricados a partir de películas finas o láminas. Son dispositivos de material semiconductor capaz de convertir la energía solar incidente en corriente continua, con eficiencias que varían desde 3 a 31%, dependiendo de la tecnología, el espectro de la luz, la temperatura de diseño, y el material de la celda solar, véase el cuadro de abajo:

Las características del material semiconductor definen la eficiencia de conversión de energía eléctrica en las celdas solares. La brecha de energía material, la calidad de fabricación del material de las celdas, y la tecnología empleada en el proceso de fabricación suman una eficacia final. Por lo general, la eficiencia de conversión de una célula solar comercial (es decir,la relación entre la energía eléctrica generada y la potencia de la radiación incidente en el semiconductor) es de 10 a 15%. Por ejemplo, al mediodía, con cielo despejado, un módulo fotovoltaico puede generar un promedio de 100 W/m2.

Una celda solar puede entenderse simplemente como una batería de muy baja tensión (alrededor de 0,6 V) que se recarga continuamente a una velocidad proporcional a la iluminación incidente. La conexión en serie-paralelo de celdas permite el diseño de paneles solares con altas corrientes y voltajes (llegando hasta kilovoltios). Con el fin de implementar un sistema completo de energía eléctrica, es necesario incluir equipos electrónicos acondicionados de potencia, almacenamiento de energía y control sobre dispositivos de protección. Estos sistemas pueden ser de dos tipos:
Sistemas que interactúan con la red eléctrica comercial que poseen un respaldo adicional de baterías, que constituye además una fuente de almacenamiento de energía.

Sistemas que interactúan con la red y no poseen el respaldo de las anteriores, pero que exigen la no interrupción de suministro por parte de la red comercial.

Los sistemas del primer tipo tienen las ventajas de poder satisfacer la demanda energética en ausencia de luz solar, de poder alimentar cargas con altas corrientes de arranque (caso de motores) y ofrecer tensiones de salida constantes. Pero tienen el inconveniente del alto costo inicial de las instalaciones, del mayor espacio empleado para las mismas, además de la dependencia en el rendimiento de las baterías. Ver tabla de abajo:

Dimensionado de los Paneles

El tamaño del generador fotovoltaico debe asegurar que la energía producida durante el peor mes pueda, como mínimo, igualar a la demandada por la carga. Por lo que para dimensionar tanto los módulos como las baterías de un sistema fotovoltaico autónomo, es necesario conocer las cargas a conectar (televisores, radios, etc.), la potencia nominal de cada una (P), el número de aparatos de determinado tipo (n) y las horas diarias de funcionamiento (t). El consumo diario (Cd), medido en Wh/día, para cada tipo de carga se calcula entonces de la siguiente forma:

Cd = P x n x t ....................................(1)

Para sistemas fotovoltaicos domésticos, en que el generador se coloca en cerca de la vivienda, se calculan por aparte las cargas en CC y en CA, ya que solo las de CA se conectan al inversor. En el caso en estudio, en que se pretende alimentar varias viviendas a partir de una central fotovoltaica, se considera que toda la energía producida deberá convertirse en corriente alterna en el inversor para ser luego transmitida a las viviendas.
La suma de los consumos diarios de todas las cargas, calculados a partir de la ecuación (1), constituye el consumo energético teórico Et en Wh. A parir de este valor debe calcularse el consumo energético real, E (Wh), que considera los diversos factores de pérdida en la instalación fotovoltaica de acuerdo con la siguiente ecuación:

E = Et / R t .........................(2)

Donde el parámetro R es el rendimiento global de la instalación fotovoltaica
definido como:

R = (1 – Kb – Kc – Kv)x(1 – (Ka x N/ Pd) ……………….(3)


Donde
kb: Coeficiente de pérdidas debidas al rendimiento del acumulador:
0,05 en sistemas que no se producen descargas intensas
0,1 en sistemas con descargas profundas

kc: Coeficiente de pérdidas en el inversor:
0,005 para inversores de salida senoidal pura, en condiciones óptimas.
0,1 para condiciones de trabajo lejos de las óptimas
kv: Coeficiente de pérdidas varias (transmisión, efecto Joule, etc.)
El intervalo de valores de este parámetro que se toma como referencia es
kV = (0,05 - 0,15 )

ka: Coeficiente de autodescarga diaria de las baterías, los valores típicos son 0,002 para baterías de baja autodescarga (Ni-Cd) 0,005 para baterías estacionarias de plomo ácido (las más usuales) 0,012 para baterías de alta autodescarga (SLI)

N: Días de autonomía de la instalación10 4-10 días como valores de referencia

Pd: Profundidad de descarga diaria de la batería: No deberá exceder el 80% de la capacidad nominal del acumulador11

Ahora, es necesario conocer la radiación solar diaria (H), medida en KWh/m2/día para cada mes del año en función de la localización geográfica e inclinación de los paneles y en base a datos estadísticos históricos de la zona. Un concepto importante necesario para realizar el dimensionamiento de la cantidad de paneles necesarios en la instalación es el número de horas pico solares, HPS, que se refiere al número de horas diarias de luz solar equivalentes referidas a una irradiancia constante I=1kWh/m2, a la cual se mide siempre la potencia de los paneles. Este un método para estandarizar la curva diaria de irradiancia solar, tal como se muestra en la figura :

El área del rectángulo, definida a partir de las horas pico solares, es igual al área bajo la curva horaria de irradiancia real. (pegas curvita de irradiancia) La irradiación H (kWh/m2), es igual al producto de la irradiancia de referencia, I, y las horas pico solares, HPS. Como I=1kWh/m2, se tiene entonces que los valores numéricos de la irradiación y las horas pico solares son iguales.

H (kW – h / m2) = I ( kW / m2) x HPS (h) …………..(4)

La cantidad de energía producida por un panel a lo largo de todo el día, es equivalente a la energía que se produciría en las horas de pico solar si el panel opera a su potencia máxima o nominal (Wp). Dicha potencia es el principal parámetro que describe el funcionamiento del panel y la especificación más importante en el dimensionamiento del generador fotovoltaico.

El número de paneles necesario (Np) se calcula empleando el número de horas pico solares del peor mes del año y la potencia pico del panel escogido:

Np = E / (0,9 x Wp x HPS ) ……………..(5)

Pérdidas :

Las principales pérdidas que pueden generarse en el generador fotovoltaico son debidas a sombras, temperatura de las celdas superior a los 25°C, elementos desparejos, pérdidas en cables, o diferencias significativas entre el voltaje de operación y el del punto de máxima potencia. Estas pérdidas pueden compensarse inicialmente mediante una instalación cuidadosa, que permita una adecuada ventilación de los módulos y cables. Debe buscarse además, que las características eléctricas de los módulos empleados permitan una adecuada recarga de las baterías en las condiciones climáticas particulares del lugar en que se instalan. Con el fin de disminuir las pérdidas, deben considerarse los siguientes requerimientos:

• El generador fotovoltaico debe estar totalmente libre de sombras durante por lo menos 8 horas diarias, centradas al mediodía, y a lo largo de todo el año.

• El voltaje del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico, a una temperatura ambiente igual a la máxima anual del lugar y a una irradiancia de 800 W/m2, debe estar comprendido en el rango de 14,5 a 15 V. Este último requisito, asegura que la corriente del generador FV sea mayor que la corriente en el punto de máxima potencia la mayor parte del tiempo; siempre que se cumplan los requisitos sobre las caídas de tensión en los cables y en el regulador de carga. Si el rango de voltajes de operación del generador se encuentra generalmente por debajo de estos límites, es posible que las baterías no se recarguen adecuadamente.

Debido a la necesidad de evitar descargas excesivas, debe limitarse la máxima profundidad de descarga (PDmax) a un valor específico, generalmente está entre 0,3 y 0,6 de la capacidad nominal. Al alcanzar este límite debe interrumpirse el suministro de energía a las cargas. La capacidad disponible Cu, es menor que la capacidad nominal Cb (carga total que podría extraerse de la batería). Y se tiene que:

Cu = Cb x Pdmax ……………….(6)

La profundidad de descarga de la batería en un ciclo diario se denomina PDd.

Dimensionamiento de las baterías :

Los ensayos de ciclado para baterías, en condiciones representativas de su operación en sistemas fotovoltaicos, son lentos y difíciles. Aunque se han realizados intentos de llevar a cabo estos ensayos, no existen aún procedimientos ampliamente aceptados y es probable que esta situación se mantenga en años venideros. Debido a esto, la solución más práctica consiste en confiar en normas existentes y bien establecidas para usos convencionales de las baterías. Esto implica utilizar valores correspondientes a una descarga en 20 horas y el número de ciclos correspondientes a una profundidad de descarga de 50. La primera etapa en el dimensionado de las baterías, consiste en asegurar que la producción de energía excederá la demanda durante el peor mes. Para lograr esto, la capacidad útil de la batería (capacidad nominal multiplicada por la máxima profundidad de descarga) debe permitir entre 3 y 5 días de autonomía (días que el sistema puede suministrar energía en ausencia de radiación solar usando solo las baterías). La ecuación (7) permite calcular la capacidad del banco de baterías C (kAh), a partir del consumo energético real E, calculado en la ecuación (2); los días de autonomía N; la tensión nominal del acumulador V (usualmente 12 V); y la profundidad de descarga permitida Pd.

C = (E x N ) / ( V x Pd) ………………(7)

Con este dato, puede calcularse el número de baterías que se requieren (Nb) en base a la capacidad de la batería elegida (Qbat) en kWh.

N = C / Cbat …………………(8)

Una vez confirmado que la producción de energía excederá la demanda durante el peor mes y que el banco de baterías brinda los días de autonomía necesarios, el dimensionado de la batería deberá regirse por las siguientes reglas:

*La máxima profundidad de descarga, PdMAX, (referida a la capacidad nominal de la batería en 20-horas) no debe exceder los valores propuestos en la tabla correspondiente (ver tabla de baterías, arriba).

*La capacidad útil de la batería, Cu, (la capacidad nominal en 20 horas, como se definió anteriormente, multiplicada por la máxima profundidad de descarga) deberá permitir entre tres y cinco días de autonomía.

*La capacidad útil de la batería, Cu, debe también tomar en cuenta las condiciones meteorológicas locales. Cuanto más grande sea la cantidad de días nublados esperados, más grande deberá ser el valor de Cu.

Costos:

No obstante que los costos de operación y mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos son bajos , se hizo mención de los altos costos iniciales como parte de las desventajas, y esto trae una consecuencia seria: El precio de la potencia entregada excede al de otras tecnologías de generación eléctrica, no obstante muchos países (EE UU entre ellos) vienen introduciendo subsidios, en aras de hacer más competitiva a la producción de energía eléctrica por esta vía. El cuadro de abajo resulta bastante ilustrativo para entender la realidad en este aspecto.

Con las debidas gracias por la atención brindada, nos vemos el próximo año con un nuevo tema. Un próspero 2011 para todos los lectores.

REFERENCIAS:

INTEGRATION OF ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY - Felix A. Farret & M. Godoy Simoes – 2006 - IEEE PRESS - John Wiley & Sons, Inc.

DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA – Diego Oñate Arresti – 2006 - http://www.diegoonate.es/

ENERGÍA SOLAR - Prof. Francisco M. Gonzales Longatt – 2008 - http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html

ENERGÍA SOLAR (SEGUNDA PARTE – DISEÑO DE CALENTADORES SOLARES PARA AGUA)

Un proceso de conversión de energía solar puede ser dividido en tres fases: recepción, transferencia y acumulación. La recepción de calor se lleva a cabo directamente o a través de placas colectoras. Un ejemplo típico de dichas placas son las utilizadas para calentar agua, que constan de un cuerpo negro con un índice de radiación de gran absorción. Estos colectores se componen básicamente de una caja de material aislante, por lo general fibra de vidrio y resina de poliéster, aislado internamente con lana de vidrio fenólico y un cuerpo negro que cubre gran parte de un intercambiador de cobre. Para aumentar la resistencia térmica y minimizar las pérdidas, un cristal de 4 mm de espesor, perfectamente aislado con lana de vidrio o de silicio, cubre el dispositivo.
Un práctico sistema de calefacción de agua con colectores solares se ilustra en las figuras de abajo.

El agua del foco frío llega a la base de las tuberías del colector solar, las cuales absorben el calor por medio de la expansión térmica y la convección natural o forzada, y luego retorna al depósito. El flujo de agua continúa en este ciclo, y la temperatura aumenta gradualmente después de cada paso a través de los colectores.
La ecuación que rige el proceso es la siguiente:

Q = FA [I(ab) – U(Ti – Ta)]

donde
Q = Energía extraída por la placa (W)
F = Factor de eficiencia de remoción de calor de la placa (adimensional)
A = Área de la placa de ¼ (m2)
I = Tasa de incidencia de radiación solar absorbida por unidad de superficie de la placa (W/m2)
a = Coeficiente de transmisión solar de la cubierta transparente.
b = Coeficiente de absorción solar de la hoja de la placa
U = Coeficiente de pérdida de energía de la placa (W / º C? M2)
Ti = Temperatura del fluido (º C)
Ta = Temperatura ambiente (º C)

La energía útil del colector es

Qu = AGCp(Ti – To)

Donde G es el volumen de fluido por unidad de área de colector, Cp es el calor específico del agua ( 4190 kJ/ Kg °C) y To es la temperatura exterior del agua.
La eficiencia del colector se define como: h = Qu/AI
La generación de vapor de agua a través de energía solar, con temperaturas promedio entre 150 y 200 º C, tiene innumerables aplicaciones. El calentamiento directo de aire en secadores de granos y semillas también son muy comunes hoy en día, con la ventaja que estos sistemas menos sofisticados pueden competir con aquellos que utilizan combustibles convencionales.
La adopción de cualquier proceso solar ayuda a evitar pérdidas en el volumen de los granos (de hasta un 50%), debido a un almacenamiento deficiente, que los expone a la humedad. En cualquier caso, los colectores solares pueden evitar la quema de combustibles fósiles en algunas industrias, tales como las de transformación de alimentos, y puede contribuir a una reducción de energía eléctrica y el consumo de gas en residencias.

CÁLCULO DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN RECIPIENTES TÉRMICAMENTE
AISLADOS
Los recipientes para almacenamiento de agua caliente tienen paredes dobles que impiden las pérdidas de temperatura, pero para aumentar su durabilidad deben ser inmunes a la corrosión. Algunos módulos comerciales se construyen en acero inoxidable AISI 304 y resinas especiales de poliéster para el agua caliente y pueden resistir temperaturas de hasta a 280 º C y presiones de 7 atm. Un método simplificado de cálculo de transferencia de calor en los recipientes térmicamente aislados en estados estacionario y transitorio se presenta a continuación.

Estado Estacionario.
El calor fluye desde la alta hasta la baja temperatura de acuerdo a la relación:

P = (T alta – T baja) / Rt………(1)

Donde P es la potencia estacionaria disipada en el depósito (W), T es la temperatura (°C), y Rt (ó simplemente R) es la resistencia térmica (°C/W) cuyas componentes dependerán del material de fabricación (tuberías y depósito) (Rps) y del ambiente interior (Rra).

Estado transitorio.
En un instante tla temperatura se eleve bruscamente (de manera exponencial). Para expresar la diferencia instantánea de temperatura, que se define como ΔT = ZthP, donde Zth es la impedancia térmica del depósito, que varía con el tiempo. El circuito equivalente térmico, incluyendo la capacidad térmica C, se ilustra en la figura de abajo, con su respuesta transitoria a
un paso brusco de potencia que se ilustra luego.

El concepto de impedancia térmica transitoria, Zth, se utiliza para aplicaciones con cargas térmica repetitiva y condiciones de descarga a alta potencia, es decir, cuando el depósito opera en diferentes estados de variación de calor.
Una manera práctica de medir las constantes térmicas R y C podría ser el siguiente. Un elemento electrotérmico se sumerge en el medio del fluido térmico en un depósito de tal manera que un estado estacionario de potencia v2/ R que se transmita puede ser medido, como se muestra en la Figura previa. Después de un periodo de potencia constante para el elemento térmico, la temperatura interna llegue a un valor estable que se mide simultáneamente con la temperatura ambiente cercana al tanque. El valor de R se puede calcular por la ecuación (1).
Para el cálculo de C, podemos continuar con el experimento de la prueba anterior para evaluar R y su última temperatura medida, salvo que ahora la resistencia activa
se desconecta. La temperatura comenzará a disminuir de manera exponencial, al igual que en la figura de abajo y sus valores a intervalos periódicos se pueden registrar en una tabla o gráfico.
La capacidad térmica se puede evaluar a partir de la ecuación:

ΔT/P = R(1 – exp (-t/RC)) = Zth

La cual para T(i=0) = Talta =PR , se puede escribir de manera más conveniente.

Ci = ti / RLn (ΔTi/PR)

Habrá tantos valores de Ci como instantes de la medición de Ti, y un buen valor medio se podría obtener a partir de ahí. Un alto aislamiento térmico estándar debe garantizar la conservación del agua caliente por períodos muy largos. Las grandes diferencias de temperatura entre las superficies interior y exterior del depósito incrementará sus pérdidas.


Calentamiento doméstico de agua.

Calentar un cierto volumen de agua implica una determinada cantidad de energía. Para uso doméstico, dicha cantidad está vinculada a los hábitos de cada uno de los ocupantes de una residencia. Los datos registrados muestran que, en promedio, cada miembro de una familia utiliza aproximadamente 100 litros de agua al día. La cantidad de
energía utilizada para calentar el agua cada mes entonces se estima así:

L = NP(100)(Tw – Tm)ρwCp


Donde:

L = Energía utilizada para calentar el agua por mes
N = Número de días al mes
P = número de personas
Tw = Temperatura mínima aceptable para el agua caliente (60 º C)
Tm = Temperatura ambiente del agua
ρw = Densidad del agua (1kg /Lt)
La ecuación anerior se puede utilizar para predecir la cantidad de energía utilizada para calentar el agua en un período determinado.
Ejemplo Para estimar el uso promedio mensual de energía para calentar agua [Joules
(W / s)] en una familia de cuatro personas, con agua a una temperatura ambiente de 11 °C, la ecuación indicará:
L = (30dias)(4 personas)(100 Lts/dia)(60° - 11°)(1Kg/Lt.)(4190 J / Kg °C) = 2,464 x E9 J.

GEOMETRIA DE INSTALACIÓN PARA UN CALENTADOR SOLAR

Referencias:
*INTEGRATION OF ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY - FELIX A. FARRET & M. GODOY SIMOES - IEEE.

* TEORÍA PARA EL DISEÑO DE CALENTADORES SOLARES DE AGUA - Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental - Organización Panamericana de la Salud.