Omar Enrique de Prada : COLECTORES SOLARES EN TU HOGAR

Colector solar flexible para calentamiento de agua, de Fácil construcción, realizado íntegramente en polietileno


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Colector solar flexible para calentamiento de agua, de fácil construcción, realizado íntegramente en polietileno


Presentación

Se describirá a continuación la fabricación de un colector solar para calentamiento de agua, de fácil construcción e íntegramente realizado en polietileno.


Los diseños existentes de colectores solares son innumerables. Desde aquellos que evaporan alcohol para luego entregar la energía calórica al flujo de agua fría mediante la condensación, hasta simples bolsas de color negro que actúan como colector y acumulador. He optado por un diseño sencillo que trabaja a baja temperatura lo cual determina menores pérdidas de calor. No necesita un bastidor vidriado ya que no trabaja por efecto invernadero. En presencia de rayos solares el colector trabajará a pleno y aún nublado con aire más caliente que el agua del acumulador también trabajará aunque obviamente con menor rendimiento. Esto es debido a que el colector no está aislado térmicamente del ambiente. En el caso de colectores con bastidores vidriados no se aprovecha esta energía ya que la superficie captora se encuentra aislada del ambiente.


El principio de circulación del agua como en la mayoría de los sistemas similares es por termosifón, siempre y cuando el colector se encuentre más bajo que el tanque de acumulación, no siendo necesaria, en este caso, bomba alguna.

Tener en cuenta que el tanque de acumulación de agua caliente sólo será utilizado para esta finalidad, lo cual significa que de existir un solo tanque de agua en la casa para la acumulación de agua fría de red, este no se podrá utilizar, a menos que pretendamos tener agua precalentada en todas las canillas.

En mi caso particular el agua de red va directo a las canillas de agua fría de la casa sin pasar por tanque alguno, con lo cual el único tanque que existe se utiliza para el colector solar y desde el mismo bajo al termotanque, lo cual provoca que el agua que ingresa al mismo esté a una temperatura dada por la acción solar. Hay días de Noviembre que el agua del tanque alcanza 40°C. En algunos días de Enero ha alcanzado 50°C.

Tengamos en cuenta que cada grado centígrado que elevemos la temperatura de 1 litro de agua estaremos ahorrando 1 Caloría. La disminución del consumo se produce obviamente por tener que realizar con el termotanque un salto térmico menor que si no tuviésemos colector.


En todo momento se ha buscado una solución sencilla que permita que este colector sea fabricado prácticamente por cualquier persona con un mínimo de herramientas. La finalidad es reducir el consumo de combustibles en general y provocar un ahorro en los bolsillos. Nadie se compromete a abonar nada por su utilización. Puede ser utilizado por quien lo desee y/o necesite.



Es imperioso que disminuyamos la contaminación ambiental por ejemplo quemando menos combustibles fósiles. Los diseños muy complicados desalientan su construcción por ser muy caros o por ser muy complicados ya sea de armar o montar. Existen excelentes colectores que calientan el agua a temperaturas más altas que el que acá se describe, pero son también más difíciles de montar, presentan resistencia a los vientos, son pesados, caros, etc. y en definitiva son muy pocos los que están en condicones de utilizarlos.


En mi caso particular el colector está conformado por dos tramos de manguera de polietileno negro de 2” de diámetro llamados colectores horizontales y por 120 mangueras de polietileno negro de 16mm de diámetro llamados colectores verticales. El tamaño de la misma es de 3m x 2m dando una superficie colectora de 6m2.


Este proyecto lleva tres años funcionando perfectamente en mi casa sin el más mínimo cuidado. Es muy liviano (lleno de agua pesa 60kg que en este caso está repartido en 6m2) y no requiere mantenimiento alguno. Frente a heladas no es necesario purgarlo, factor muy importante y limitante en otros diseños. No presenta resistencia importante a los vientos por lo cual sólo se lo apoya sobre el techo y se evita de alguna manera que se deslice hacia abajo.



He sometido a pruebas de sobrepresión al colector resistiendo perfectamente 1,7kg/cm2, lo cual permite colocar el colector con una diferencia de alturas con respecto al tanque de acumulación de 17m. Obviamente cuanto más cerca del tanque coloquemos el colector menores serán las pérdidas de calor.


Debido a la disposición particular de mi techo he debido adoptar una forma más ancha que larga lo que necesariamente tiene algunas complicaciones ya que es necesario utilizar una mayor cantidad de conectores para los colectores verticales.


Materiales necesarios


- Manguera de polietileno de 2” de diámetro con una longitud igual al doble del ancho que queramos que tenga nuestro colector, más 4 puntas de longitud igual a 10cm. En mi caso (3m x 2m) + (4 x 0,1m)= 6,40m.


- Manguera de polietileno de pared fina de 16mm de diámetro con una longitud igual al largo del colector multiplicado por la cantidad de caños verticales. En nuestro caso 120 x 2m=240m.


- Manguera de polietileno de ¾” de diámetro con una longitud que permita la conexión al tanque de agua según la imagen que vemos.


- 8 abrazaderas de acero inoxidable o hierro galvanizado de 2”.


- 4 precintos deslizables de 20cm de largo x 5 o 6mm de ancho.


- 1 nipple pasa-mamparo de 1” para tanque de agua con las correspondientes arandelas de goma para sellar.


- 1 nipple pasa-mamparo de 3/4” para tanque de agua con las correspondientes arandelas de goma para sellar.


- Conectores para los colectores verticales en cantidad igual al doble de estos, es decir en nuestro caso 240 conectores. Los conectores utilizados en mi pantalla son marca Netafim Barb Start 16 w/seal Catalog number 32500-013700.

Esta empresa despacha los conectores por omnibus o correo previo depósito en banco que se arregla con ellos. La dirección de la empresa es:


California 1275

Buenos Aires C1168ABE

Tel: +54 11 4303-3733

Fax: +54 11 4302-6861

www.netafim.com


Estos conectores están indicados para caños de PVC pero dado su excelente comportamiento he decidido utilizarlos en mi colector solar. Dejo una imagen del conector.

Se puede apreciar que tiene tres trabas para el caño de 16mm y que estas son de diámetro variable que aumenta hacia el sector inferior de la imagen. Estas trabas hacen prácticamente imposible desalojar la manguera de 16mm una vez que fue conectada aún calentándola durante media hora a 100ºC. Se debe tener especial cuidado en no dañar estas trabas perfectamente circulares y sin rebabas. Según el fabricante este conector está preparado para resistir la intemperie durante 50 años. Soporta una presión de 2 atmósferas. El sello es de goma sintética y realiza una unión muy buena con los caños colectores horizontales de 2”.








Dejo constancia que no me une relación económica alguna con la empresa Netafim siendo bienvenidos otros fabricantes para cumplir con las mismas o mejores condiciones. Así también sería muy conveniente el reemplazo de todos los conectores por una pieza ya moldeada en polietileno, pero no está a mi alcance.


- Una mecha de copa (cilíndrica) de 15mm de diámetro (no 16mm, recordemos que no se conectará a un caño de PVC sino a uno de polietileno).


- Máquina de agujerear en lo posible de mesa y en buen estado (que no oscile el cabezal ya que de presentar este defecto los agujeros no serán circulares afectando la conexión de los conectores).


- Una tijera.


- Un destornillador.


- Un termo con agua hirviendo.


- Un martillo o mejor una maza de madera o plástico.


- Una morza pequeña según veremos o un soporte hecho con 3 listones de madera.


Para las 4 puntas colocaremos 4 tramos de caño plástico roscado en uno de sus extremos que calcen perfectamente en las puntas de las mangueras de 2” y con un par de abrazaderas (ya mencionadas) los sellaremos.

Dos de las puntas llevarán tapas y dos llevarán curvas del mismo diámetro que terminarán en olivas macho a las cuales conectaremos las mangueras de ¾” de polietileno negro que van hacia el tanque de agua.


Construcción


Agujeros en lateral del caño colector horizontal.


Marcaremos una línea a lo largo de los caños colectores horizontales con la finalidad de alinear las perforaciones que haremos a continuación.

Haremos una marca cada 2,5cm a lo largo de la línea, dejando los 10cm iniciales sin marcar.




Fig.1






Con tres maderas de cualquier tipo construiremos una caja como la de la figura.

Tendrá una longitud de unos 20cm, es decir utilizaremos dos listones de 20cm por un ancho de unos 3cm, más una base de unos 20cm de largo por unos 12cm de ancho.

El espacio entre los listones verticales será igual al diámetro del caño colector horizontal. Tiene la finalidad de mantener la forma circular del caño cuando insertemos los conectores. Para este fin también podremos utilizar unas mordazas o morza.


Una vez realizadas las marcas realizaremos las perforaciones de 15mm de diámetro, intentando que quede la menor cantidad de rebabas posibles en el interior del agujero, lo cual afectaría el cierre hermético de los sellos de goma. No obstante es posible colocar algún sellador que asegure la hermeticidad, pero considero que si la perforación está hecha correctamente esto no sería necesario.


Colocación de los conectores.


Una vez practicadas las perforaciones colocaremos el caño de 2” en la caja de madera o entre dos paredes separadas el diámetro del caño. Pondremos uno a uno los sellos de goma en cada agujero y luego mojando un poco (para que se deslice más fácilmente) el Barb Start connector lo colocaremos con un pequeño golpe de una madera dentro del sello de goma, según indica el diagrama anterior. Las tres trabas quedarán del lado exterior del caño esperando la conexión de las mangueras de 16mm, que constituirá el próximo paso.


Inserción de caños colectores verticales.


Cortaremos con una tijera la cantidad de caños colectores verticales de 16mm de diámetro que necesitemos. En nuestro caso fueron 120 caños de 2m de largo.

A continuación y ayudándonos con el termo de agua bien caliente insertaremos los caños colectores verticales en cada conector del caño colector horizontal. Sumergiendo la punta del caño colector vertical en el termo logramos ablandarlo para hacer más fácil la tarea.


Repetiremos lo mismo para el caño colector horizontal que nos resta.




Fig.2


Colocación de tapones y conectores finales.


En forma conjugada colocaremos los conectores y las tapas de nuestro colector.

De esta manera tendremos ingresando el agua fría procedente desde el tanque de acumulación, en el conector inferior del colector A.

Conjugadamente saldremos por otro conector B hacia el tanque de agua con el agua ya calentada por el colector.

Los dos orificios restantes los taparemos con algún caño plástico con tapones que ajustaremos con abrazaderas a los caños colectores horizontales.





Fig.3



Conexión al tanque acumulador.





Fig.4


En la figura 4 vemos la sencillez en el conexionado del colector al tanque acumulador.



Detalles del conexionado en el tanque acumulador.





Fig.5


En el tanque de agua practicaremos 4 perforaciones, a saber:


La habitual para el ingreso de agua fría de la red domiciliaria en color azul, con su correspondiente flotante y caño de conducción de dicha agua fría al fondo del tanque acumulador. De esta manera no estaremos mezclando el agua fría con el agua ya calentada por el colector que se acumulará en la parte superior del tanque.


Salida en 1” de agua caliente hacia el termotanque o calefón de la casa, en color rojo. Esta salida es la que normalmente se practica en el fondo del tanque. Nosotros la tomaremos en el medio del mismo.

Con una manguera de polietileno transparente de 1” en su interior seguiremos el “pelo” del agua mediante un flotante pequeño (rojo) que no deberá interferir en su movimiento con el otro flotante (azul).

Es decir, la manguera de 1” interior está adosada a un pequeño flotante por uno de sus extremos el cual estará libre y dentro del agua, prácticamente en su superficie, para permitir el ingreso del agua caliente que bajará a la vivienda (este extremo NO deberá quedar fuera del agua en ningún momento). Por su otro extremo y con dos precintos deslizables la ceñiremos al conector de 1” que traspasa la pared del tanque (pasa-mamparo) y desde el cual bajamos a la vivienda.


Inferior a dicho conector de 1” practicaremos la tercer perforación, en este caso de ¾” la cual se armará como la de 1” pero todo con manguera de polietileno transparente de ¾”.

El extremo libre de dicha manguera de ¾” se tomará al mismo flotante rojo anterior quedando por debajo de la manguera de 1”. El otro extremo se ceñirá con un par de deslizables al interior del conector pasa-mamparo del tanque de 3/4”.

En el lado exterior de dicho conector está la conexión a la parte superior del colector “B”, es decir el ingreso de agua caliente desde el colector.


Ambas mangueras tendrán una longitud tal que permitan tomar agua desde el fondo del tanque, pero nos cuidaremos de no rozar las paredes del mismo ya que no trabajaría libremente.


La cuarta perforación es la habitual en los tanques en su parte inferior desde la cual saldremos con el agua fría hacia el conector “A” del colector.


Es conveniente intercalar una válvula en cada salida del tanque hacia el

colector:


Consideraciones finales:

El colector deberá situarse inclinado sobre un techo con la finalidad de favorecer la formación del termosifón.


El principal inconveniente que enfrentaremos en su funcionamiento es la formación de burbujas de aire en su interior. Estas se desprenden del seno del líquido ya que por Ley de Henri se encuentran disueltas en el agua fría. Al calentar el líquido se desprenden pequeñas burbujas que irán a parar a las partes altas del circuito. Es por eso totalmente recomendable mantener un circuito siempre ascendente tanto con el colector como con las mangueras de conexionado. Vale decir, el colector se montará inclinado con su salida de agua caliente en la parte más alta, tal cual lo muestra la figura 6. Con una pendiente de 10cm cada 3 metros suele ser suficiente.




Fig.6


Orden de conexionado.


Conectaremos primero el conector A al tanque de agua, estando cerrada la válvula correspondiente. Abriremos dicha válvula lentamente para permitir el llenado del colector hasta que salga agua por el extremo B permitiendo a su vez el desalojo de las burbujas de aire.

A continuación conectaremos la manguera del extremo B al tanque. Abrimos la válvula correspondiente y en el interior del tanque levantaremos la manguera (en rojo) para permitir la salida de las burbujas de aire. Luego bajamos la manguera hasta que quede en el interior del agua según lo descripto en el punto 6).

Debe quedar un circuito contínuo de agua para que el termosifón funcione correctamente.


Aislación térmica del tanque


Aislar térmicamente el tanque de acumulación es fundamental para evitar pérdidas de temperatura, sobre todo durante la noche.

Existen variadas maneras de realizarlo pero creo que una de las más apropiadas es mediante lana de vidrio. Con la manta de lana de vidrio cubriremos el perímetro del tanque dando varias vueltas. Sería ideal llegar a un espesor de 12cm de aislación.

La parte exterior debemos cubrirla con alguna tela resistente al viento, a la lluvia y a la luz ultravioleta.


Conclusiones


A partir de ahora el colector estará funcionando. Podremos corroborarlo tocando el agua que sale de la manguera B que aunque esté dentro del agua más fría notaremos el aporte de calor.

Si hay sol suficiente, con un espejo podremos reflejar su luz de tal manera que ilumine la manguera en el interior del tanque y proyecte su sombra en una placa blanca plástica graduada o regla colocada al lado de la manguera, pegada a esta. Intentaremos que la luz del sol llegue perpendicularmente a la manguera. Observaremos que por diferencias en la densidad entre el agua fría del tanque y la que ingresa caliente por la manguera B desde el colector se producirá la refracción de la luz, que quedará representada por figuras con formas de volutas en la placa blanca. Si la placa blanca está graduada en centímetros podremos medir cuanto tarda en llegar una determinada voluta desde que sale de la manguera hasta alcanzar digamos unos 5 ó 10 cm de distancia desde la boca de la manguera. Conociendo la sección de la manguera podremos calcular el volumen de agua que sale en un determinado tiempo. Conociendo la diferencia de temperaturas entre el agua del tanque y la que sale de la manguera roja podremos darnos una idea aproximada de la cantidad de energía que estamos entregando con el colector.






Ejemplo:

La entrada de agua caliente al tanque se hace a través de una manguera de ¾”, cuya sección (superficie del conducto) es 2,85 cm2.

A partir del video que adjunto se puede concluir (no sin error debido a que se tomaron las imágenes proyectadas en la pared interior del tanque) que la velocidad con la cual egresa el agua es de unos 28 cm3 de agua cada 10 segundos. Esto implica 168 cm3/minuto. La temperatuta del agua del tanque estaba a 20°C y la entregada por el colector a 26°C. Si tomamos el aporte durante 6 horas estamos frente a 60480 cm3 cada 6 horas de pleno sol a +6°C.}.

Esto implica 362 kcal/6horas (362 Cal/6horas).

En verano se duplicó la velocidad de salida del agua y a +9°C, lo cual implica 1102 kcal/6horas (1102 Cal/6horas).


Quiero aclarar que estas mediciones están realizadas dentro de mis posibilidades

y no constituyen bajo punto de vista alguno la última palabra.


Costo de construcción


40 conectores Barb Start connectors 16mm for PVC marca NETAFIM Catálogo 32500-013700, por cada metro de caño colector.

Se necesitan 2 caños colectores: el inferior y el superior, por lo tanto se necesitan 80 conectores por metro de ancho del colector.

Si estimamos una superficie necesaria de 2m2 por persona que habita el hogar y tomamos una familia tipo de madre, padre y 3 niños, estamos frente a una necesidad de 10m2 de colector.

Lo ideal es disponer de un colector más largo que ancho con la finalidad de utilizar la menor cantidad de conectores, pero tomemos igualmente un límite de 6m de largo como máximo.

Suponiendo un techo de 3,5m de largo (en el sentido de la caída del agua) necesitaríamos 3m de ancho para nuestro colector.

Ya sabemos que por cada metro de ancho se necesitan 80 conectores, por lo tanto para 3m serán necesarios 240 conectores, dando un precio aproximado de 65 U$S.


La longitud necesaria de caño es 420m, a razón de 0,5$ cada metro tenemos 210$, o sea unos 60 U$S.


Consideremos unos extras de caños colectores, mangueras de conexión a tanque de agua, anclajes a techo, válvulas de drenaje, purgado, anulación, etc de unos 75 U$S más.


Estamos frente a un costo total de unos 200 U$S.


Video Demostrativo




En el video podemos ver cómo ingresa el agua caliente en el tanque acumulador.

En ese momento el agua del tanque estaba a 30,5°C y el colector entregaba a 39°C, es decir un salto térmico de 8,5°C, recién comenzaba a darle el sol de las 11 de la mañana. El colector está de cara al noroeste debido a la construcción de mi casa.


Omar Enrique de Prada

Por cualquier duda mi correo electrónico es deprada@yahoo.com