Calentalor solar de
tubos al vacío




Por Luis Bérriz Pérez*

Una opción eficiente y sostenible
para el calentamiento de agua.

 

En el calentamiento de agua para usos doméstico, de servicios e industrial se consumen enormes cantidades de energía. Las formas más comunes de calentar agua se realizan por medio de leña o carbón vegetal, petróleo, gas o carbón mineral, electricidad y radiación solar.

Aunque en todos los casos el resultado final es el mismo, agua caliente, el proceso es muy diferente, como muestran los esquemas de la figura 1.


Fig. 1. Esquemas de dos procesos
diferentes de calentamiento de agua.

El primero es un proceso de millones de años; el segundo es instantáneo. En el primero se utiliza una valiosa materia fósil como combustible, que pudiera ser utilizada como materia prima de diferentes productos; en el segundo no se consume ninguna materia. El primero es una de las causas de mayor contaminación; el segundo no contamina. Es evidente que no es adecuado utilizar la valiosa materia fósil como combustible, cuando existen métodos más sencillos para generar calor y calentar agua.

En estos tiempos y por diferentes causas, avanza aceleradamente el uso de calentadores solares de agua, tanto para pequeños como para grandes consumidores. Ya en algunos países es obligatorio su uso para determinados fines, principalmente en las nuevas construcciones.

Existen en el mercado diferentes tipos de calentadores solares. El modelo más adecuado para el aseo personal en las condiciones tropicales es el llamado «calentador compacto», por su sencillez, eficiencia y bajo costo, pero no es bueno para su uso a temperaturas superiores a 60 °C, ni para grandes instalaciones industriales.

Con el avance tecnológico se han ido desarrollando tipos de calentadores solares más eficientes y apropiados para diferentes usos, donde se necesite un rango de temperatura de trabajo mayor que la que se requiere para calentar agua para el aseo personal, tales como calentamiento industrial de fluidos, sistemas de refrigeración, etc. El que ha alcanzado mayor éxito es el calentador solar de tubos al vacío (Fig. 2).


Fig. 2. Calentador solar de tubos al vacío.

Los calentadores de tubos al vacío tienen el mismo principio de trabajo que los colectores de plato plano, o sea, la radiación es recibida por el absorbedor y llevada en forma de calor hacia un tanque acumulador. La diferencia consiste en que el absorbedor está formado por tubos en los cuales se ha hecho vacío para disminuir las pérdidas de calor y dentro del tubo van colocadas las secciones del plato absorbedor.

Algunos modelos están formados por tubos sencillos de vidrio, los cuales tienen en su interior un sector de plato plano de absorción acoplado a un tubo metálico por donde fluye el líquido. En otros modelos el absorbedor suele ser un tubo interior con tratamiento óptico selectivo, lo que mejora todavía más la eficiencia del colector. Entre el tubo interior y el exterior, ambos concéntricos, existe vacío (Fig. 3).

Hay varios modelos de colectores de tubos al vacío, en dependencia del movimiento del fluido y el método de transferencia de calor utilizado. Los principales son:

• Tubos termosifónicos.
• Tubos en U.
• Tubos calóricos.

En todos los casos, los tubos van directamente acoplados al tanque-termo o a un cabezal, por donde fluye el agua o líquido a calentar.

Calentador solar de tubos termosifónicos
En el caso de los tubos termosifónicos, el agua del tanque-termo fluye directamente por dentro del tubo interior, y su movimiento dentro del mismo se debe al cambio de densidad del agua más caliente, la cual sube, y la menos caliente, que baja (Fig. 4). En este caso, la presión del tanque-termo se trasmite al tubo de vidrio. Estos calentadores no resisten sobrepresión y normalmente trabajan a presión atmosférica. No necesitan intercambiadores de calor, ya que calientan el líquido directamente. Si un tubo se rompe, el sistema se queda sin agua. Las ventajas son su alta eficiencia y su relativo bajo costo.

 

Fig. 3. Tubos de calentadores solares al vacío.


Fig. 4. Calentador solar de tubos termosifónicos.

Existe un modelo en el cual el tubo interior, por donde fluye el agua, no es de vidrio sino de metal (preferentemente cobre) y, por lo tanto, puede trabajar a presión de varias atmósferas. Sin embargo, son más costosos. Como estos calentadores trabajan con circulación natural, requieren una inclinación mínima de 20° con relación al plano horizontal.

Calentador solar de tubos en U
En los calentadores de tubos en U el agua (o líquido) fluye por un tubo metálico (comúnmente de cobre) de pequeño diámetro, doblado en U, que va situado dentro del tubo al vacío y acoplado a la superficie captadora (absorbedora) por medio de una aleta metálica (de cobre o aluminio) (Fig. 5).


Fig. 5. Calentador solar de tubos en U.


En algunos casos cada tubo lleva un reflector en su parte inferior con el objetivo de ganar el máximo de radiación solar. Estos calentadores suelen trabajar con circulación forzada, por lo que pueden situarse horizontalmente.

Calentador solar con tubos calóricos
El calentador de tubos al vacío con tubos calóricos ha significado un gran avance en la tecnología de transferencia de calor, aplicada en este caso al calentador solar. En este modelo, por dentro del tubo de vidrio no fluye el agua, sino que tiene en su eje central un tubo calórico para transmitir el calor solar ganado al agua del tanque-termo o cabezal.

El tubo calórico forma un sistema cerrado de evaporación-condensación y suele ser un tubo metálico largo y fino, herméticamente cerrado, el cual contiene un líquido en equilibrio con su vapor (gas) a determinada presión (vacío) y temperatura. Si la temperatura aumenta, aumenta la fase gaseosa; y si disminuye, aumenta la fase líquida. La temperatura de cambio de fase (líquido-gas-líquido) depende de la presión, la cual cambia directamente proporcional al cambio de temperatura. La presión (vacío) dentro del tubo se selecciona de tal forma que la evaporación empiece a 25 °C, lo que garantiza el funcionamiento del colector solar aún con baja radiación (Fig. 6).


Fig. 6. Sistema cerrado de evaporación-condensación.

La parte superior del tubo calórico va introducida en el agua del tanque-termo o cabezal. De esta forma, cuando la parte que está expuesta a la radiación solar (dentro del tubo de vidrio al vacío) se calienta, genera vapor y éste sube. Cuando este vapor se pone en contacto con el agua del tanque-termo, la cual está más fría, se condensa, y baja en forma líquida por gravedad a la parte baja del tubo calórico. De esta forma se completa el ciclo.

El tubo de vidrio que se somete al vacío suele ser de borosilicato, por sus buenas condiciones ópticas y resistencia mecánica. En este tipo de colector se requiere que los tubos tengan una inclinación mínima de 20° con respecto a la horizontal, para que el fluido condensado baje por gravedad.

Características de los calentadores de tubos al vacío
• Es un colector fabricado con alta calidad y dada la baja emisividad del tubo (0,08), su alta absortividad (0,93) y su aislamiento por vacío, se consiguen rendimientos superiores a otros tipos de colectores solares.
• El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por encima de 40 °C en días totalmente nublados.
• En días de radiación normal en Cuba adquiere temperaturas superiores a los 75 °C con un consumo promedio calculado de agua caliente.
• El comportamiento térmico es superior a otros colectores solares que se comercializan, y puede trabajar a temperaturas superiores a los 80 °C con una eficiencia superior a 50%.
• La curvatura del tubo de vidrio (de 30 a 40 mm de diámetro) ofrece una mayor resistencia a los impactos que los colectores planos. Se reporta que ha superado pruebas equivalentes a un granizo de 15 mm.
• Su montaje es muy sencillo si se tiene experiencia.
• El transporte es muy cómodo y ocupa poco espacio, al ser totalmente desarmable.
• El mantenimiento es muy sencillo y solamente requiere de limpieza una vez al año.
• En los modelos de tubos en U y tubos calóricos se puede trabajar con presiones en el tanque-termo superiores a 4 atmósferas, no así en el modelo de tubos termosifónicos, que no aguanta sobrepresiones.
• En esos mismos modelos de tubos en U y calóricos, si un tubo de vidrio se rompe, elcalentador sigue funcionando; sin embargo, si un tubo de vidrio se rompe en el modelo de tubos termosifónicos, la instalación se vacía y deja de funcionar.

Por la importancia que tienen los calentadores de tubos al vacío, se incluyen las tablas 1 y 2 con los resultados de una evaluación de dos modelos diferentes, tanto para los tubos termosifónicos como para los calóricos.

Evaluación de calentadores de tubos al vacío de dos tipos: tubos termosifónicos y tubos calóricos

Objetivos de la evaluación:
1. Comprobación del funcionamiento en diferentes regímenes de consumo de agua caliente, incluyendo estados críticos.
En un año de funcionamiento, la instalación de los calentadores ha funcionado según lo previsto y no ha tenido problemas. Se han probado en días nublados, días totalmente despejados y con diferentes regímenes de consumo. El comportamiento térmico de ambos (tubos termosifónicos y calóricos) fue muy similar.
Se comprobó que ambos calentadores funcionan perfectamente con 20° de inclinación, así como que la autolimpieza se comporta normalmente.
La prueba más interesante fue cerrando el consumo. Se pudo comprobar en ambos calentadores que al tercer día sin consumo (los días fueron de radiaciones promedio de diciembre de 4 000 kCal/día), la temperatura se elevó a 100 °C y empezaron a producir vapor. El vapor salió por el tanque de agua fría y por el tubo respiradero, sin dañar el calentador de tubos termosifónicos, el cual no soporta altas presiones. En los días de poco uso también se pudo apreciar la salida de vapor.
2. Determinación de la eficiencia térmica a temperaturas aproximadas a 50 °C, así como de la capacidad de los calentadores (Figs. 7 y 8.)
Los datos más importantes a destacar son:

• El comportamiento térmico de ambos calentadores, tanto el de tubos calóricos como el de tubos termosifónicos, fue similar.
• La eficiencia diaria de ambos calentadores estuvo cercana a 70%.

Tabla 1. Características de los calentadores



Fig. 7. Esquema de la instalación.


Fig. 8. Colocación de los tubos calóricos antes de colocar los tubos al vacío.

Tabla 2. Eficiencia energética del calentador de tubos termosifónicos

Eficiencia energética del calentador de tubos calóricos

• La eficiencia más alta lograda fue de 77%.
• La cantidad de agua extraída a 50 °C al calentador de tubos calóricos fue de 315 L/día como valor promedio, y al de tubos termosifónicos fue de 309, o sea, no hay diferencia significativa.

Si se comparan entre sí los dos calentadores evaluados, se reafirma que la ventaja del calentador de tubos termosifónicos es su bajo costo comparativo y que las ventajas del calentador de tubos calóricos son el soporte de altas presiones y la garantía de su funcionamiento en caso de rotura de algún tubo.

Una de las características de los calentadores de tubos al vacío es que si no hay consumo o el mismo es muy inferior a lo planificado, la temperatura del agua sube a 100 °C, o sea, llega hasta el punto de ebullición del agua y empieza una rápida evaporación. Existe el peligro de que una instalación se quede sin agua si el período de falta de consumo es largo, como suele ocurrir en los días de receso escolar.

En un calentador sin agua y expuesto al sol, la temperatura de la placa absorbedora puede llegar a subir por encima de 200 °C, lo que puede ocasionar daños al equipo. En estos casos se recomienda tapar los tubos para evitar que la temperatura suba demasiado. Este hecho es muy difícil que suceda en las viviendas, donde se garantiza, por lo común, un consumo diario.

Tapar los tubos parece fácil, pero en la práctica no lo es tanto. Pudiera realizarse con una lona resistente a las condiciones de intemperie, pero este método es incómodo. Por esta razón se recomienda el tapado individual de cada tubo. Se ha comprobado que tapando cada tubo una superficie de 120° garantiza que la temperatura no suba a valores indeseados, aun en el caso de cero consumo.

Los tubos pueden cubrirse longitudinalmente con una franja opaca blanca de 50 mm que abarque un ángulo de 120°.

Mientras la cubierta blanca está debajo, la radiación solar recibida es la máxima. Si se gira la cubierta de tal forma que se sitúa hacia arriba tapando el tubo, la radiación solar recibida será la mínima.

En los calentadores de tubos al vacío los tubos pueden girar. En el caso de los de tubos calóricos, los tubos de vidrio giran libremente. En el caso de los de tubos termosifónicos los tubos giran, pero tienen una junta de sello que dificulta el giro y, además, puede ser dañada.

Método de regulación de la radiación solar absorbida por medio del tapado
de los tubos

Si los tubos giran libremente, la cubierta puede estar fija al tubo formada por una cinta adhesiva opaca (preferiblemente blanca) resistente a la intemperie. Inclusive, el tubo puede venir de fábrica con esta zona cubierta (Figs. 9. y 10).


Fig. 9. Los tubos pueden cubrirse longitudinalmente con una franja,
fija o móvil, con un ángulo de 120O.


Fig. 10. Cubiertas formadas por una por una tira plástica (A)
y por una cinta adhesiva opaca (B).


Fig. 11. Temperaturas que alcanza un calentador solar
de tubos al vacío cuando no hay consumo de agua.

En el caso del calentador de tubos termosifónicos es preferible que sea la cubierta la que pueda girar, quedando el tubo fijo.

En la figura 11 se puede observar la temperatura alcanzada en un calentador solar de tubos al vacío cuando no hay consumo de agua. La línea superior es con los tubos totalmente destapados. La línea intermedia es con los tubos cubiertos con una cinta adhesiva con una transmisividad de 50%. La línea inferior es con los tubos tapados mediante un plástico, 80% de la superficie captadora.

Recomendaciones para los proyectos de instalaciones de calentadores solares:
• Tomar una capacidad de 130 litros de agua caliente a 45 °C por cada metro cuadrado de área de captación del calentador para las instalaciones sociales (escuelas, círculos infantiles, hospitales, etcétera).
• Tomar una capacidad de 110 litros de agua caliente a 50 °C por cada metro cuadrado de área de captación del calentador para las instalaciones turísticas, o 100 litros de agua a
55 °C, según las exigencias de temperatura.
• Para las instalaciones industriales se recomienda seleccionar la temperatura de salida, la cual, debido a la alta eficiencia de estos equipos, puede ser superior a 60 °C.
• Se debe tener mucho cuidado en instalar válvulas limitadoras de presión que puedan llegar a funcionar mal por incrustaciones y de esta manera provocar una rotura del sistema por sobrepresión.
• En los sistemas de agua caliente para el aseo se recomienda, sin ser esquemático, una inclinación de los colectores de 30° al Sur. En las grandes instalaciones industriales se recomienda una inclinación del colector de 20° al Sur, ya que además de ganar un máximo de energía en el año, se aprovecha más el área de captación.
• No se recomiendan los tubos termosifónicos para instalaciones grandes debido a las dificultades en el flujo. Para estas instalaciones, el calentador de tubos calóricos es el ideal.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Presidente de CUBASOLAR. Autor del libro Secadores solares para productos agropecuarios e industriales, entre otros.
tel.: (537) 6405260.
e-mail: berriz@cubaenergia.cu