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COCINAS SOLARES
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INTRODUCCION
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ASPECTO TEORICO DE LAS COCINAS SOLARES
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COCINAS SOLARES Las cocinas y hornos solares son sencillas aplicaciones que aprovechan la energía del Sol para cocinar alimentos.
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Modelos de Cocinas COCINA PARABOLICA COCINA DE VAPOR COCINA TIPO CAJA
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Cocina solar parabólica
DIFERENCIA ENTRE UNA COCINA SOLAR TIPO CAJA Y UNA COCINA PARABÓLICA Características Cocina solar de caja Cocina solar parabólica Necesidad de reorientación Media Alta Manejo Sencillo Relativamente sencillo Estabilidad frente al viento Buena Baja Temperaturas Bajas (en torno a 100ºC) Altas Velocidad de cocción Lenta Rápida Necesidad de vigilancia Riesgo de incendio Nulo Medio Precio Bajo Más elevado Mantenimiento Regular Facilidad acceso ollas Reducido Fácil Autoconstrucción Sencilla Más compleja Almacenaje y transporte Bueno Permite asar y/o freír No Sí
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PRINCIPIO DE LA COCINA SOLAR TIPO CAJA
Principios de Calor: Los siguientes principios de calor se considerarán en primer lugar: A. Ganancia de calor B. Pérdida de calor C. Almacenaje de calor
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GANANCIA DE CALOR Efecto Invernadero
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PERDIDA DE CALOR La Segunda Ley de la Termodinámica plantea que el calor siempre viaja de lo caliente a lo frío. El calor dentro de una cocina solar se pierde por tres vías fundamentales: -Conducción -Radiación -Convección
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CONDUCCION El calor es conducido a través de la cazuela al asa
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RADIACIÓN El calor se irradia desde la cazuela caliente
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CONVECCIÓN El aire caliente puede escapar por las rendijas
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EVALUACIÓN COMPARATIVA DE TRES COCINAS SOLARES, TIPO CAJA,
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PROCEDIMIENTO TÉCNICO DE LOS ENSAYOS
PROTOCOLO DE ENSAYO PARA COCINAS SOLARES DE LA RED IBEROAMERICANA DE COCCION PROCEDIMIENTO TÉCNICO DE LOS ENSAYOS Este protocolo prescribe para el procedimiento técnico de los ensayos las siguientes etapas, siguiendo un formato específico para cada paso: - Descripción física de la cocina. - Verificación de aspectos ergonómicos y de seguridad. - Calidad de materiales y evaluación del mantenimiento - Ensayos para evaluar el comportamiento térmico.
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MATERIALES E INSTRUMENTOS UTILIZADOS
Tres hornos solares de diferente tamaño y característica - Un radiómetro Haeni solar 118 - Un termómetro digital - Un termómetro de bulbo - 9 Termocuplas tipo K de cromel alumel - 2 Ollas de Aluminio y 1 olla de teflón
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Descripción dela cocina nombre o modelo que lo identifique
alto /grande Bajo /chica Portugal tipo de cocina solar Tipo caja superficie de cubierta de vidrio (m2) 0.772 x = m2 0.743 X = m2 0.52 x0.525 = 0.273 m2 área de reflectores ( m2) 0.381 0.349 0.2346 altura de la cocina (cm) (INTERIOR) 17 14 17.5 superficie proyectada horizontal (m2) * 0.49 0.42 0.486 superficie “interceptada” (m2) (*) 0.544 0.483 superficie de placa adsorbedora ( m2) 0.66x 0.35 = 0.61x 0.31 = 0.189 0.35 x0.41 =0.144 peso (kg) 21 volumen interior (m3) (útil para hornear) 0.0.53 0.034 número de ollas y volumen (m3) 1 a 4 LITROS 1 a 4 litros tipo de ollas (fijas o removibles) REMOVIBLES altura de la cocina (cm) (externa) 27 21.3 28 las ollas se proveen con la cocina o no No Calentamiento auxiliar, tipo y potencia. control de potencia almacenamiento de agua integral otros usos Pasteurización de agua
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COCINA SOLAR BAJA / CHICA
Características: La cocina Baja/ Chica esta fabricadas de una caja de madera por fuera, con láminas de aluminio de alta reflectancia (0.4 mm) por el interior con un aislamiento térmico de lana de vidrio en medio de ellas de 2.5 cm. La cubierta es de doble vidrio de 1mm de espesor .Esta cocina mantiene las dimensiones del modelo Nadwani. (76x46x21).
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COCINA SOLAR PORTUGAL Características: Esta cocina se compone de una caja de plástico y un espejo lateral. Sus dimensiones externas son: 580 x 550 x 280 mm. Posee reflectores de aluminio de 0.4 mm de espesor .La tapa es de doble vidrio templado de 3mm de espesor, que se abre por arriba para tener acceso al interior del horno. El área útil de apertura es de 455 x 460 mm2. El interior del horno esta constituido por paredes reflectoras con la configuración de CPCs. La placa del fondo es de aluminio teflonado negro esta rodeado de espejos laterales de aluminio, sus dimensiones son 355 mm de largo por 420 mm de ancho.
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COCINA SOLAR ALTO / GRANDE
Características: Este modelo de cocina esta fabricada de una caja de madera por fuera, cubierta en el interior por láminas de aluminio de alta reflectancia (0.4 mm) con un aislamiento térmico de lana de vidrio en medio de 6 cm. de espesor, cuenta además con una placa absorvedora de calor pintada de color negro. La cubierta es de doble vidrio no posee ninguna inclinación Posee un de lámina de aluminio reflejante. Esta cocina presenta una variación del modelo Nadwani.en cuanto a la altura interior. Sus dimensiones son (80x46x32)
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Primer factor de mérito F1 El primer factor de mérito tiene en cuenta la relación entre la eficiencia óptica de la cocina y las pérdidas de calor al exterior desde la placa (Mullick et al., F1 = (Tp-Ta)/(Ih . Aph). Es decir que un valor elevado de F11 nos indica una alta transmitancia óptica y bajo nivel de pérdidas de la cocina solar.
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DATOS ADICIONALES: CUADRO DE VALORES PARA LA OBTENCION DE F1, SIN CARGA Y CON REORIENTACION DIA: 04 de marzo del 2003 TIEMPO Tp Grande Tp Portugal Tp Chica G/(W/m2) Tamb. F1 Coc. grande F1 Coc. Port. F1 Coc. Chica 10:22 53 32 47 705 30 0.033 0.0028 0.024 10:27 82 78 74 728 31 0.07 0.065 0.059 10:32 93 88 87 825 0.075 0.069 0.068 10:37 111 97 99 785 29 0.104 0.087 0.089 10:42 118 108 818 0.109 0.1 0.097 10:47 117 110 799 10:52 125 121 113 793 0.119 0.113 0.103 10:57 122 112 809 0.108 0.112 11:02 128 116 805 0.12 0.117 0.106 11:07 138 0.13 0.11 11:12 139 135 123 840 0.129 0.124 11:17 137 140 124 830 0.133 11:22 800 0.153 0.157 0.15 11:27 142 820 0.148 0.152 0.145 11:32 148 845 0.127 0.138 11:37 141 143 833 0.174 0.175 0.177 11:42 145 836 0.132 0.136 11:47 860 0.121 11:52 144 147 150 775 0.146 0.135 11:57 146 755 12:02 834 0.143 0.139 12:07 152 0.144 12:12 153 810 0.131 0.151 0.14 12:17 154 0.128 12:22 155 151 842 0.134 0.147 12:27 156 848 0.142
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Evaluación del 04 de Marzo del 2003
F1 = m2 °C / W Horno chico (bajo)
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Evaluación del 04 de Marzo del 2003
GRÁFICOS PARA F1 Evaluación del 04 de Marzo del 2003 F1 = m2 °C / W Horno grande (alto)
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Evaluación del 04 de Marzo del 2003
F1 = m2 °C / W Horno Portugal
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Cálculo del Mediodía solar (Para el día 11 de Febrero)
Tiempo Solar: Ts = Tof + E + 4 (Lref - Lloc) (1) Lref=75º;Lloc=77º Ecuación del tiempo: E = 9.87Sen2SD – 7.56CosSD – 1.5senSD.... (2)
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SD = 360 (n - 81) n = 42 días (1Enr. - 11 Feb) 365
Día Solar: SD = 360 (n - 81) n = 42 días (1Enr Feb) 365 SD = Reemplazando en 2 E = Reemplazando en 1 Ts. = 12.22
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* Segundo factor de mérito F2 El segundo factor de mérito, tiene en cuenta la eficiencia en la transferencia de calor hacia el recipiente. Se denomina F22 y se deriva de considerar el diferencial de tiempo en alcanzar un diferencial de aumento de temperatura en el agua: Donde: F’ = factor de eficiencia de intercambio de calor. η0 = eficiencia óptica. F1 = primer factor de mérito calculado como indica Mullick et al, 1987. (Mc)’w = Capacidad calorífica de todo el sistema (agua, ollas e interior de la cocina). = intervalo de tiempo entre Tw1 y Tw2. Ih = radiación solar sobre la superficie horizontal. A = área de apertura (m²). Tw1 = temperatura inicial del agua. Tw2 = temperatura final del agua. Ta = temperatura ambiente.
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Para testeo : 7kg/m2
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COCINA PORTUGAL
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COCINA CHICA
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Día 07 de abril del 2003: sin reorientación
Horno CHICO
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Calentamiento de Agua sin intervención - Fecha: 07 DE ABRIL DEL 2003
Datos obtenidos durante el ensayo: volumen del liquido 2200 ml Temperatura del agua al comienzo: 30,5 °C Rango de Temperatura ambiente: °C Rango de velocidades de viento: 1 m/seg Rango de Radiación Solar: W/m²
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Tiempo en alcanzar los 80°C (desde los 40º): 75 ‘ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´
Temperatura máxima del agua: °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 170
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COCINA CHICA F2 = 0.63
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Día 07 de abril del 2003: sin reorientación
Horno GRANDE
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. Calentamiento de Agua sin intervención - Fecha: 07 de Abril del 2003
Datos obtenidos durante el ensayo: Rango deemperatura ambiental: ºC °C Temperatura del agua al comienzo: 28,5°C Rango de Radiación Solar: W/m² Rango de velocidades de viento: 1 m/seg
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Tiempo en alcanzar los 80°C con reorient.: 90´ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Temperatura máxima del agua: °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 190‘
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COCINA GRANDE
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Día 07 de abril del 2003: sin reorientación
Horno PORTUGAL
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2 Calentamiento de Agua sin intervención - Fecha: 07 de Abril del 2003
Datos obtenidos durante el ensayo: Volumen del líquido: 2100 ml Rango de Temperaturas ambiente: °C Rango de Radiación Solar: 560 – 770 W/m² Temperatura del agua al comienzo: 29,5 °C Rango de velocidades de viento: 1 m/s (asumimos valor)
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Tiempo en alcanzar los 80°C (desde los 40º): 90 ‘ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Temperatura máxima del agua: °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 125‘
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COCINA PORTUGAL
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CON ORIENTACION COCINA TIPO CAJA CHICA
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. Ensayos Térmicos 3. Tiempo de calentamiento de agua y potencia - Fecha: 27 de marzo del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: Volumen del liquido: ml Temperatura del agua al comienzo: 36,5°C Rango de Temperatura ambiente: °C Rango de velocidades de viento: 1 m/seg Rango de Radiación Solar : 550 – 798 W/m²
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Fórmulas para obtener Potencia
Pot(W)=Mc(Kg)xCp(KJ/KgºC)x ΔT(ºC) (J/KJ) 900 seg. ΔT = Tliq fin – Tliq in
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Potencia para un T = 50C con reorientación 77,86 W
Tiempo en alcanzar los 80°C (desde 40°C):’ 1:25Tiempo en alcanzar los 90°C: ´ Temperatura máxima del agua: 100 °C Tiempo que mantiene la ºT de ebullición hasta los 80º 80’ Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 145‘ Potencia para un T = 50C con reorientación ,86 W
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STANDARIZACION DE LA POTENCIA
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COCINA TIPO CAJA PORTUGAL
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Potencia para un T = 50C con reorientación
Ensayos Térmicos 2. Tiempo de calentamiento de agua y potencia - Fecha: 27 de marzo del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: Volumen del líquido: 2100 ml Rango de Temperaturas ambiente: °C Rango de Radiación Solar: 550 – 798 W/m² Temperatura del agua al comienzo: 34,5 °C Rango de velocidades de viento: 1 m/s (asumimos valor) 63,49 W Potencia para un T = 50C con reorientación
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Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 170‘
Tiempo en alcanzar los 80°C (desde 40°C): 80’ Temperatura máxima del agua: 100 °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 170‘ Tiempo que mantiene la ºT de ebullición hasta los 80º 85’ Tiempo en alcanzar los 90°C: 170’
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STANDARIZACION DE LA POTENCIA
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ENSAYO DE COCINAS SOLARES PROTOCOLO RED IBEROAMERICANA DE COCCIÓN SOLAR DE ALIMENTOS (RICSA) * * Ensayos Térmicos 1 Tiempo de calentamiento de agua y potencia - Fecha: 27 de marzo del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: Volumen del líquido: 2600 ml Rango de Temperaturas ambiente: °C Rango de Radiación Solar: 550 – 798 W/m² Temperatura del agua al comienzo: 33 °C Rango de velocidades de viento: 1 m/s (asumimos valor)
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Tiempo en alcanzar los 80°C (desde 40°C): 95’
Tiempo en alcanzar los 80°C (desde 40°C): 95’ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Tiempo que mantiene los 80° sin intervención: 80’ Temperatura máxima del agua: 100 °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 170‘ Potencia para un T = 50C con reorientación ,46 W
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STANDARIZACION DE LA POTENCIA
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CUADRO COMPARATIVO PARA LOS VALORES DE F1 Y F2
Un valor de F2 elevado indica un buen valor de eficiencia de la transferencia de calor hacia el agua, junto con buen valor para F1. En este caso para la obtención del factor F2, tomamos una cantidad de agua para cada cocina de acuerdo al protocolo RICSA, correspondiente a 7 Kg. /m2 de área interceptada de la cocina, obteniendo: Día 27 de marzo del 2003, con reorientación: cocina solar tipo caja cantidad de agua factor F1 m2ºC/W factor F2 ALTA/GRANDE 2600 0,0996 0,51 PORTUGAL 2100 0,1086 0,5855 BAJA/CHICA 2200 0,11 0,63 Día 07 de abril del2003, sin reorientación cocina solar tipo caja cantidad de agua factor F1 m2ºC/W factor F2 ALTA/GRANDE 2600 0,096 0,49 PORTUGAL 2100 0,099 0,57 BAJA/CHICA 2200 0,123 0,678 En conclusión, considerando los errores experimentales, principalmente debido a las variaciones en la radiación solar durante los diferentes días de evaluación, concluimos que, aparentemente, el factor F2 de la cocina baja es algo mayor que el de la cocina alta y el de la cocina Portugal. Debe concluirse además que los valores de f2 son mayores para el caso de la reorientación. Para condiciones buenas de radiación este valor de F2 esta estimado, entre el rango 0,68 < F2 < 0,49
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Cálculo del Mediodía solar (Para el día 11 de Febrero)
Tiempo Solar: Ts = Tof + E + 4 (Lref - Lloc) Lref=75º;Lloc=77º Ecuación del tiempo: E = 9.87Sen2SD – 7.56CosSD – 1.5senSD Día Solar: SD = 360 (n - 81) n = 42 días 365
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Fórmulas para obtener Potencia
Pot(W)=Mc(Kg)xCp(KJ/KgºC)x ΔT(ºC)x1000(J/KJ) 900 seg. ΔT = Tliq fin – Tliq in
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ENSAYO DE COCINAS SOLARES PROTOCOLO RED IBEROAMERICANA DE COCCIÓN SOLAR DE ALIMENTOS (RICSA) * * Ensayos Térmicos 1 Tiempo de calentamiento de agua y potencia - Fecha: 27 de marzo del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: Volumen del líquido: 2600 ml Rango de Temperaturas ambiente: °C Rango de Radiación Solar: 550 – 798 W/m² Temperatura del agua al comienzo: 33 °C Rango de velocidades de viento: 1 m/s (asumimos valor)
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Tiempo en alcanzar los 80°C (desde 40°C): 95’
Tiempo en alcanzar los 80°C (desde 40°C): 95’ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Tiempo que mantiene los 80° sin intervención: 80’ Temperatura máxima del agua: 100 °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 170‘ Potencia para un T = 50C con reorientación ,46 W
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Potencia para un T = 50C con reorientación
Ensayos Térmicos 2. Tiempo de calentamiento de agua y potencia - Fecha: 27 de marzo del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: Volumen del líquido: 2100 ml Rango de Temperaturas ambiente: °C Rango de Radiación Solar: 550 – 798 W/m² Temperatura del agua al comienzo: 34,5 °C Rango de velocidades de viento: 1 m/s (asumimos valor) Tiempo en alcanzar los 80°C (desde 40°C): 80’ Temperatura máxima del agua: 100 °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 170‘ Tiempo que mantiene la ºT de ebullición hasta los 80º 85’ Tiempo en alcanzar los 90°C: 170’ 63,49 W Potencia para un T = 50C con reorientación
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. Ensayos Térmicos 3. Tiempo de calentamiento de agua y potencia - Fecha: 27 de marzo del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: Volumen del liquido: ml Temperatura del agua al comienzo: 36,5°C Rango de Temperatura ambiente: °C Rango de velocidades de viento: 1 m/seg Rango de Radiación Solar : 550 – 798 W/m² Tiempo en alcanzar los 80°C (desde 40°C):’ 1:25Tiempo en alcanzar los 90°C: ´ Temperatura máxima del agua: 100 °C Tiempo que mantiene la ºT de ebullición hasta los 80º 80’ Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 145‘ Potencia para un T = 50C con reorientación ,86 W
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Tiempo en alcanzar los 80°C con reorient.: 90´ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Temperatura máxima del agua: °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 190‘ . Calentamiento de Agua sin intervención - Fecha: 07 de Abril del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: Rango deemperatura ambiental: ºC °C Temperatura del agua al comienzo: 28,5°C Rango de Radiación Solar: W/m² Rango de velocidades de viento: 1 m/seg Potencia para un T = 50C sin reorientación ,38 W
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Potencia para un T = 50C sin reorientación 48,60 W
Tiempo en alcanzar los 80°C (desde los 40º): 90 ‘ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Temperatura máxima del agua: °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 125‘ 2 Calentamiento de Agua sin intervención - Fecha: 07 de Abril del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: Volumen del líquido: 2100 ml Rango de Temperaturas ambiente: °C Rango de Radiación Solar: 560 – 770 W/m² Temperatura del agua al comienzo: 29,5 °C Rango de velocidades de viento: 1 m/s (asumimos valor) Potencia para un T = 50C sin reorientación ,60 W
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Potencia para un T = 50C sin reorientación 56,28 W
Tiempo en alcanzar los 80°C (desde los 40º): 75 ‘ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Temperatura máxima del agua: °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 170 Calentamiento de Agua sin intervención - Fecha: 07 DE ABRIL DEL 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: volumen del liquido 2200 ml Temperatura del agua al comienzo: 30,5 °C Rango de Temperatura ambiente: °C Rango de velocidades de viento: 1 m/seg Rango de Radiación Solar: W/m² Potencia para un T = 50C sin reorientación ,28 W
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CUADRO COMPARATIVO PARA LOS VALORES DE F1 Y F2
Un valor de F2 elevado indica un buen valor de eficiencia de la transferencia de calor hacia el agua, junto con buen valor para F1. En este caso para la obtención del factor F2, tomamos una cantidad de agua para cada cocina de acuerdo al protocolo RICSA, correspondiente a 7 Kg. /m2 de área interceptada de la cocina, obteniendo: Día 27 de marzo del 2003, con reorientación: cocina solar tipo caja cantidad de agua factor F1 m2ºC/W factor F2 ALTA/GRANDE 2600 0,0996 0,51 PORTUGAL 2100 0,1086 0,5855 BAJA/CHICA 2200 0,11 0,63 Día 07 de abril del2003, sin reorientación cocina solar tipo caja cantidad de agua factor F1 m2ºC/W factor F2 ALTA/GRANDE 2600 0,096 0,49 PORTUGAL 2100 0,099 0,57 BAJA/CHICA 2200 0,123 0,678 En conclusión, considerando los errores experimentales, principalmente debido a las variaciones en la radiación solar durante los diferentes días de evaluación, concluimos que, aparentemente, el factor F2 de la cocina baja es algo mayor que el de la cocina alta y el de la cocina Portugal. Debe concluirse además que los valores de f2 son mayores para el caso de la reorientación. Para condiciones buenas de radiación este valor de F2 esta estimado, entre el rango 0,68 < F2 < 0,49
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