COCINAS SOLARES

INTRODUCCION

ASPECTO TEORICO DE LAS COCINAS SOLARES

COCINAS SOLARES Las cocinas y hornos solares son sencillas aplicaciones que aprovechan la energía del Sol para cocinar alimentos.

Modelos de Cocinas COCINA PARABOLICA COCINA DE VAPOR COCINA TIPO CAJA

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

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

GANANCIA DE CALOR Efecto Invernadero

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

CONDUCCION El calor es conducido a través de la cazuela al asa

RADIACIÓN El calor se irradia desde la cazuela caliente

CONVECCIÓN El aire caliente puede escapar por las rendijas

EVALUACIÓN COMPARATIVA DE TRES COCINAS SOLARES, TIPO CAJA,

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.

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  

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 0.420 = 0.324 m2 0.743 X 0.440 = 0.327 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 = 0.231 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

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).

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.  

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)

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.  

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

Evaluación del 04 de Marzo del 2003 F1 = 0.177  0.001 m2 °C / W Horno chico (bajo)

Evaluación del 04 de Marzo del 2003 GRÁFICOS PARA F1 Evaluación del 04 de Marzo del 2003 F1 = 0.174  0.001 m2 °C / W Horno grande (alto)

Evaluación del 04 de Marzo del 2003 F1 = 0.175  0.001 m2 °C / W Horno Portugal

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)

SD = 360 (n - 81) n = 42 días (1Enr. - 11 Feb) 365 Día Solar: SD = 360 (n - 81) n = 42 días (1Enr. - 11 Feb) 365 SD = -38.47 Reemplazando en 2 E = -14.60 Reemplazando en 1 Ts. = 12.22

* 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.

Para testeo : 7kg/m2

COCINA PORTUGAL

COCINA CHICA

Día 07 de abril del 2003: sin reorientación Horno CHICO

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: 27 - 29°C Rango de velocidades de viento: 1 m/seg Rango de Radiación Solar: 560 - 770W/m²

Tiempo en alcanzar los 80°C (desde los 40º): 75 ‘ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Temperatura máxima del agua: 100 °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 170

COCINA CHICA F2 = 0.63

Día 07 de abril del 2003: sin reorientación Horno GRANDE

. Calentamiento de Agua sin intervención - Fecha: 07 de Abril del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo: Rango deemperatura ambiental: 27 - 29ºC °C Temperatura del agua al comienzo: 28,5°C Rango de Radiación Solar: 560 - 770W/m² Rango de velocidades de viento: 1 m/seg

  Tiempo en alcanzar los 80°C con reorient.: 90´ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Temperatura máxima del agua: 100 °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 190‘

COCINA GRANDE

Día 07 de abril del 2003: sin reorientación Horno PORTUGAL

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: 27 -29 °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)  

  Tiempo en alcanzar los 80°C (desde los 40º): 90 ‘ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Temperatura máxima del agua: 100 °C Tiempo en que alcanza a la temperatura máxima: 125‘

COCINA PORTUGAL

CON ORIENTACION COCINA TIPO CAJA CHICA

. Ensayos Térmicos 3. Tiempo de calentamiento de agua y potencia - Fecha: 27 de marzo del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo:   Volumen del liquido: 2200 ml Temperatura del agua al comienzo: 36,5°C Rango de Temperatura ambiente: 27 -30 °C Rango de velocidades de viento: 1 m/seg Rango de Radiación Solar : 550 – 798 W/m²

Fórmulas para obtener Potencia Pot(W)=Mc(Kg)xCp(KJ/KgºC)x ΔT(ºC) 1000(J/KJ) 900 seg. ΔT = Tliq fin – Tliq in

Potencia para un T = 50C 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 = 50C con reorientación 77,86 W

STANDARIZACION DE LA POTENCIA

COCINA TIPO CAJA PORTUGAL

Potencia para un T = 50C 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: 27 -30 °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 = 50C con reorientación

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’

STANDARIZACION DE LA POTENCIA

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: 27 -30 °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)

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 = 50C con reorientación 60,46 W

STANDARIZACION DE LA POTENCIA

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  

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

Fórmulas para obtener Potencia Pot(W)=Mc(Kg)xCp(KJ/KgºC)x ΔT(ºC)x1000(J/KJ) 900 seg. ΔT = Tliq fin – Tliq in

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: 27 -30 °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)

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 = 50C con reorientación 60,46 W

Potencia para un T = 50C 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: 27 -30 °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 = 50C con reorientación

. Ensayos Térmicos 3. Tiempo de calentamiento de agua y potencia - Fecha: 27 de marzo del 2003 Datos obtenidos durante el ensayo:   Volumen del liquido: 2200 ml Temperatura del agua al comienzo: 36,5°C Rango de Temperatura ambiente: 27 -30 °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 = 50C con reorientación 77,86 W

  Tiempo en alcanzar los 80°C con reorient.: 90´ Tiempo en alcanzar los 90°C: 110´ Temperatura máxima del agua: 100 °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: 27 - 29ºC °C Temperatura del agua al comienzo: 28,5°C Rango de Radiación Solar: 560 - 770W/m² Rango de velocidades de viento: 1 m/seg Potencia para un T = 50C sin reorientación 36,38 W  

Potencia para un T = 50C 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: 100 °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: 27 -29 °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 = 50C sin reorientación 48,60 W  

Potencia para un T = 50C 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: 100 °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: 27 - 29°C Rango de velocidades de viento: 1 m/seg Rango de Radiación Solar: 560 - 770W/m² Potencia para un T = 50C sin reorientación 56,28 W

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