Captador de tubos de vacío Colectores solares térmicos de tubo de vacío heat pipe y paso directo. Descripción de sus formas constructivas. Ventajas e inconvenientes Forma parte del Contenido de aula solar térmica
Tubos de vacío
Se denomina captador de tubos de vacío a una clase de colector solar que sustituye el aislamiento tradicional de lana de roca o similar por la ausencia de aire. Esta clase de captadores solares se subdividen básicamente en dos tipos que describimos más adelante: heat pipe y paso directo
Ambos comparten la misma característica: la placa de absorción se encuentra encapsulada dentro de una atmósfera vacía, evacuada, carente de aire; esto le proporciona un aislamiento térmico realmente eficaz que permite que su índice de pérdidas de calor sea en algunos casos verdaderamente bajo, lo que equivale a una curva de rendimiento más horizontal.
Todos los colectores fabricados con esta tecnología no son iguales, ni todos son superiores en prestaciones a cualquier CPP como mucha gente cree. Por eso ha sido necesario extendernos un pelín en este análisis, en el intento de no quedarnos en la superficie de lo que sin duda es un tipo de colector que, en la mayoría de los casos ofrece unas capacidades asombrosas.
Veamos cómo es este captador de tubo de vacío:
- Forma tubular
- Diferentes cápsulas de vacío
- Concretando una definición
- Captador solar compuesto de varios heat pipe
- Captador de vacío de circulación directa
- Heat pipe vs Paso directo
Forma tubular
¿Por qué tienen forma tubular? Se debe a la necesidad de soportar la fuerza mecánica que ejerce la enorme presión negativa que hay en su interior. Dicho de otro modo, la presión exterior intentando aplastar el alojamiento de cristal. La placa de absorción que se encuentra en el interior de la cápsula de cristal puede ser plana o curva (paralelamente al tubo de cristal). En el primer caso suele haber un índice de pérdidas de calor menor que en el segundo, sin embargo, la placa curva le confiere la peculiaridad de mantener un ángulo de incidencia solar sin demasiadas variaciones a lo largo de todas las horas de sol útiles, cualidad que nos parece realmente interesante, aunque se pierde un alto porcentaje de lo que en algunos catálogos se denomina superficie de apertura. Dicho de otro modo, si la placa es circular, a modo de forro interior de la cápsula, la incidencia solar efectiva en un momento dado es menor que en el caso de una placa plana.
Diferentes cápsulas de vacío
En función de la tecnología utilizada para su fabricación y con independencia de su forma de evacuar el calor, en algunos de ellos, el tubo de cristal presenta el aspecto de haber sido hecho de una solar pieza, cerrándose o más bien fundiéndose en torno al “ heat pipe ” de manera que la estanqueidad del interior y por tanto el aislamiento de la placa queda totalmente garantizada salvo rotura del cristal, algo que sería fácilmente detectable a simple vista. Pero además de este modo de fabricación existe otro que consiste en incorporar una especie de tapadera, que es atravesada por el “ tubo caliente ”, en la parte superior de la pieza de cristal.
Consideramos que este sistema debe ser sin duda menos fiable que la cápsula de una sola pieza al posibilitar una unión por la que puede perderse el vacío, por muy sólida y bien realizada que ésta sea. Como se describe en la figura de abajo, el tubo caliente que sobresale por el extremo superior, extrae el calor de la placa encapsulada para su aislamiento térmico en el interior de la cápsula de cristal y lo comunica por contacto al caudal caloportador.
Para realizar esta transferencia de calor existe una parte achaflanada en la conducción de dicho caudal, provista de una grapa o clip de presión que mantiene el contacto entre uno y otro uniéndolos fuertemente. Para evitar la corrosión química de la zona de contacto se suele aplicar una pasta conductora generalmente suministrada por el fabricante del colector. Si se trata de circulación directa, la pieza colectora albergaría las conexiones hidráulicas entre cada unidad y la conducción principal del fluido.
Concretando una definición
Por tanto, para establecer una definición adecuada diríamos que un colector o “ captador de tubos de vacío ” es un conjunto de elementos individuales de vacío, con su correspondiente colector que es la pieza que aloja, con el aislamiento adecuado, las zonas de contacto entre los puntos de evacuación de calor de cada elemento captador y la tubería que conduce el caloportador encargado de arrastrar ese calor hacia el intercambiador, acumulador, etc.
Esquema y dscripción del colector solar de vacío heat pipe
Esquema del colector solar de vacío heat pipe de placa curva
Captador solar compuesto de varios heat pipe
Con independencia de si los tubos son de placa curva o plana, los denominados heat-pipe han de mantener una inclinación mínima de unos 15º, es decir, no pueden instalarse en posición totalmente horizontal. Esto se debe a que la sustancia vaporizable ( agua destilada o alcohol) contenida en el tubo en contacto longitudinalmente con la placa de absorción, solo hace su trabajo correctamente si al evaporarse puede llegar hasta la parte superior del tubo, o sea hasta el extremo alojado en el colector. Allí pierde temperatura y al licuarse vuelve a caer hasta la parte baja donde se vuelve a calentar repitiendo el ciclo.
Conjunto de heat pipe incrustados en el colector. En la figura se nombra específicamente "punto de contacto" y no se nombra la palabra conexión, por que eso es lo que es, solo contacto para transferir calor. No hay conexión hidráulica
Si existe pérdida de la sustancia vaporizable, el tubo perderá mucha eficacia al perder gran capacidad para evacuar el calor captado en la placa. Es realmente raro que se produzca esta pérdida, pero si ocurriera habría que sustituir el tubo de vacío o desmontarlo del colector dejando el hueco libre puesto que la unidad averiada puede llegar a incrementar las pérdidas de calor en el conjunto captador. Hay que actuar de la misma manera si se produce una pérdida de vacío por rotura del cristal o similar.
Captador de vacío de circulación directa
El esquema de abajo ilustra la disposición hidráulica del colector de vacío de circulación directa o de paso directo. El fluido recorre la placa absorvedora penetrando dentro de la cápsula de cristal a través de los conductos soldados a ella; al contrario que en el caso de su hermano heat-pipe, en el que el calor es extraído de la placa y compartido con el caloportador por contacto, como se explica más arriba.
Desde el punto de vista energético, este diseño de tubo de vacío conjuga dos características que le hacen realmente potente: junto con la enorme ventaja del vacío como aislamiento térmico, que disminuye su índice de pérdidas, está la de arrastrar el calor solar directamente de la placa de absorción, que eleva su factor de ganancia.
Estas dos características trabajando juntas arrojan cifras de rendimiento altísimas; podemos atrevernos a decir que muy probablemente, sea el diseño de mayor rendimiento de todos los tipos de colectores térmicos. Una vez mencionada esta particularidad, que sin duda supone un punto a favor de este diseño, tenemos que hablar de su forma constructiva y, aquí aparecen los inconvenientes, puesto que conlleva bastantes complicaciones en el montaje y mantenimiento del circuito hidráulico como explicamos a continuación.
Por lo demás hay que remarcar que esta clase de captador no incluye ninguna sustancia vaporizable y por tanto puede ser instalado si se necesita, incluso en posición horizontal.
Conexiones hidráulicas. El fluido caloportador recorre el interior de la cápsula extrayendo el calor directamente de la placa de absorción y regresando al caudal principal a mayor temperatura. La pérdida de carga de cada colector o conjunto de tubos de paso directo es la suma de todas las uniones del conjunto.
Un conjunto completo de captador de paso directo tendría un aspecto muy similar al de un heat-pipe, pero sin embargo tenemos que hacer una mención muy especial sobre lo que comentábamos al comienzo de este punto. En la figura de arriba hemos dibujado un captador compuesto de tres tubos a modo de ejemplo, pero normalmente el número de elementos que lo componen suele ser mucho mayor a fin de conseguir una superficie colectora ( suma de las superficies de las placas de absorción ) adecuada. Imaginemos un total de diez tubos y esto daría una cantidad total de veinte conexiones. Veinte pequeñas pérdidas de carga sumadas a la conducción principal y veinte puntos potencialmente conflictivos.
Con independencia de la indudable calidad del diseño y los materiales utilizados en los sistemas de conexión, tenemos que pensar que durante un periodo de trabajo prolongado, el caloportador se calienta y se enfría al menos una vez al día con diferencias de temperatura verdaderamente grandes. Además hemos de pensar también en que los tubos van a ser montados por operarios puesto que el conjunto captador llega desmontado al lugar de instalación, es decir, tendrá que ser armado por personas que en algún momento pueden cometer un error que puede manifestarse más tarde en forma de avería grave.
Mencionamos estos detalles exclusivamente a modo informativo y debido a que nos parecen de importancia a la hora de pensar en la elección de un colector, pero como de costumbre y, son muchas veces las que lo decimos a lo largo de esta web, hay que pensar en la utilidad que le vamos a dar y por tanto estudiar muy bien cuales serán sus condiciones de trabajo, comparar curvas de rendimiento y meditar sobre la conveniencia de los captadores compuestos por tubos de vacío de circulación directa para según qué aplicaciones.
Heat pipe vs Paso directo
Además de las características energéticas del head pipe que, como hemos dicho, suelen superar a cualquier otro captador excepto a los de vacío de circulación directa, o paso directo como también se les llama, hay que añadir a las ventajas, la facilidad de montaje y la facilidad de mantenimiento. El hecho de que la tubería que conduce el caloportador no sea interrumpida con ninguna derivación hacia el interior de la cápsula, facilita la sustitución de los tubos sin parar ni vaciar parcialmente la instalación, con todo el ahorro de tiempo y de molestias que esto supone.
Así mismo, en el montaje es posible realizar primeramente todas las conexiones hidráulicas y fijaciones,es decir, realizar la instalación completa, a continuación ponerla en marcha e ir insertando los tubos en los puntos de contacto de los colectores, con el fluido ya en circulación. Si hace sol, la temperatura del caloportador irá subiendo paulatinamente hasta completar todos los captadores.
Podríamos seguir enumerando algunas ventajas, pero el técnico seguramente irá descubriéndolas por sí mismo con la utilización de esta tecnología. Pero lo que sí queremos comentar es alguna confusión que existe ante la disyuntiva de instalar captadores de heat pipe o de cualquier otro tipo en determinadas zonas con temperaturas promedio altas. Las dudas surgen ante la creencia de que estos captadores van a provocar temperaturas de estancamiento elevadísimas, muy superiores a las de otros tipos de colectores; pues bien, lo único que tenemos que decir a este respecto es que se trata de comparar curvas de rendimiento y analizar la zona de las curvas en las que van a trabajar los captadores; el técnico extraerá sus propias conclusiones.
Por otro lado, aplicando el sentido común podríamos pensar que a efectos de un posible incidente de estancamiento, los daños producidos por un fluido a temperatura de 180 Cº serían muy similares a los producidos por una temperatura de 200 Cº y, puestos a pensar con lógica, recordemos que en el caso concreto de heat-pipe, el caloportador permanece siempre en el exterior del tubo de vacío, con lo cual, éste es ajeno a lo que está ocurriendo en la conducción principal que transporta el calor hasta el punto de intercambio; no así con cualquier otro diseño de colector en el que el fluido caloportador evacue el calor directamente desde la placa de absorción.
Creada