Principios y Diseño de Una Cocina Solar PARABOLICA

Transferencia de calor U.M.R.P.S.F.X.CH. MEC – 251 FAC. DE TECNOLOGIA

Con un conocimiento de los principios básicos de la energía solar y un acceso a materiales simples, como el cartón, el papel de aluminio y el cristal, se puede construir una cocina solar eficaz. Las líneas generales de este informe son los principios básicos del diseño de las cocinas solares, así como identificar un amplio abanico de materiales que pueden utilizarse en su construcción.

Estos principios se presentan, en líneas generales, para que sean aplicables a una amplia variedad de problemas de diseño. Si se necesita cocinar comida, pasteurizar agua, o secar pescado o grano, se aplican los principios básicos de la energía solar, transferencia de calor y materiales. Nosotros nos comprometemos aplicando una amplia variedad de materiales y técnicas para que se pueda hacer un uso directo de la energía del sol.

Seguidamente veremos los conceptos generales más relevantes para el diseño o la modificación de una cocina solar:

1. Materiales necesarios2. Diseño y proporciones3. Realización de la cocina solar4. Factores culturales

PRINCIPIOS DE CALOR

El propósito básico de una cocina solar es calentar cosas - cocinar comida, purificar el agua y esterilizar instrumentos - por mencionar unos pocos.

Una cocina solar cuece porque el interior de la caja se ha calentado por la energía del sol. La luz solar, tanto directa como reflejada, entra en la caja solar a través de la parte superior de cristal o de plástico. Calienta el interior siendo la energía absorbida por la plancha negra y cocina lo que hay dentro de las ollas. Este calor en el interior causa que la temperatura dentro de la cocina solar aumente hasta que el calor que se pierda de la cocina sea igual al aumento del calor solar. Se alcanzan fácilmente temperaturas suficientes para cocinar comida y pasteurizar agua.

Dadas dos cajas que tienen la misma capacidad de retener calor, la que tenga más ganancia, por una luz solar más fuerte o por luz solar adicional vía reflector, su interior se calentará más.

"Libros, caminos y días dan al hombre sabiduría." Página 1


Los siguientes principios de calor se considerarán en primer lugar:

A. Ganancia de calor B. Pérdida de calorC. Almacenaje de calor

GANANCIA DE CALOR.

EFECTO INVERNADERO: este efecto es el resultado del calor en espacios cerrados en los que el sol incide a través de un material transparente como el cristal o el plástico. La luz visible pasa fácilmente a través del cristal y es absorbida y reflejada por los materiales que estén en el espacio cerrado. La energía de la luz que es absorbida por

Fig. 2. El efecto invernadero

las ollas negras y la plancha negra debajo de las ollas se convierte en energía calorífica que tiene una mayor longitud de onda, e irradia desde el interior de los materiales. La mayoría de esta energía radiante, a causa de esta mayor longitud de onda, no puede atravesar el cristal y por consiguiente es atrapada en el interior del espacio cerrado. La luz reflejada, o se absorbe por los otros materiales en el espacio o atraviesa el cristal si no cambia su longitud de onda.

Debido a la acción de la cocina solar, el calor que es recogido por la plancha y las ollas de metal negro absorbente es conducido a través de esos materiales para calentar y cocinar la comida.

Fig. 3. Orientación del vidrio

ORIENTACIÓN DEL CRISTAL: Cuanto más directamente se encare el cristal al sol, mayor será la ganancia del calor solar Aunque el cristal es del mismo tamaño en la caja 1 y en la caja 2, el sol brilla más a través de la caja 2 porque se encara al sol más

directamente. Hay que tener en cuenta que la caja 2 también tiene mayor área de muro a través del cual puede perder calor.

Fig. 4. Reflectores para ganancia adicional

REFLECTORES, GANANCIA ADICIONAL: Uno o múltiples reflectores hacen rebotar una luz - solar adicional a través del cristal y dentro de la caja solar. Esta mayor entrada de energía solar produce unas

temperaturas más altas en la cocina.



PÉRDIDA 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:

CONDUCCIONRADIACIONCONVECCION

CONDUCCION: El asa de una olla de metal puesta en una cocina o fuego se calienta gracias a la transferencia de calor desde el fuego a través de los materiales de la cacerola hacia los materiales del asa. En el mismo sentido, el calor dentro de una cocina solar se pierde cuando viaja a través de las moléculas de las hojas de aluminio, el cristal, el cart6n, el aire y el aislamiento, hacia el aire fuera de la caja. .

Fig. 5. El calor es conducido a través de la cazuela al asa.

La chapa absorbente calentada por el sol conduce el calor a la parte inferior de las cacerolas. Para prevenir la pérdida de este calor vía conducción a través de la parte inferior de la cocina, la chapa absorbente se eleva de la parte inferior utilizando pequeños espaciadores aislantes como se observa en la figura 6.

Fig. 6. El calor se irradia desde la cazuela caliente

RADIACION: Lo que está tibio o caliente, - fuegos, cocinas, ollas y comida dentro de una cocina solar - despide olas de calor, o irradia calor a su alrededor. Estas olas de calor se irradian de

los objetos calientes a través del aire o el espacio. La mayor parte del calor radiante que se despide de las ollas calientes dentro de una cocina solar se refleja desde el estaño y el cristal de vuelta a las ollas y a la bandeja inferior. Aunque los vidrios transparentes atrapan la mayoría del calor radiante, un poco escapa directamente a través del vidrio. El cristal atrapa el calor radiante mejor que la mayoría de los plásticos.

Fig. 7. El aíre caliente puede escapar por las rendijas

CONVENCION: Las moléculas del aire entran y salen de la caja a través de las rendijas. Las moléculas del aire calentadas dentro de una caja solar escapan, en primer lugar a través de las rendijas alrededor de la tapa superior, por un lado de la puerta de la cocina abierta, o imperfecciones en la construcción. El aire frío de fuera de la caja también entra a través de estas aberturas.

PLANOS



COCINA SOLAR PARABOLICA


Nº DE PIEZA CANTIDAD ELEMENTO MATERIAL

1 12 PIEZAS GAJO DE PARABOLA PLANCHA

2 1 SOPORTE DE OLLA ALAMBRE

3 1 OLLA NEGRA METALICA

4 1 TAPA DE PARABOLA PLANCHA


SOPORTE DE PARABOLA



HOJA DE COSTOS DE MATERIAL Y MANO DE OBRA

Precios para la elaboración de un modelo de cocina solar parabólica.

Material

Tipo de material Cantidad (hoja o lamina) Precio unitario (bs.)

Precio total (bs.)

Hoja galvanizada # 28 ½ hoja 65bs. 32.5 bs.

Alambre acerado de (3mm)

3[m] 10 bs

Mano de obra

Tipo de trabajo Cantidad (pzs.) Precio unitario (bs.)

Precio total (bs.)

Corte y soldadura con estaño

12 piezas 12.5 bs. Por pieza 150 bs.

Construcción del soporte y parrilla

1 pieza 10 bs. 10 bs.

Costo total = 202.5 bs.



RADIACIÓN

NOTA:

La velocidad de transferencia de calor se denota por Q-punto que es lo mismo que .

El flujo de calor (Q-punto / A) se denota por q-punto que es lo mismo que .

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o

fotones), como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos

o moléculas. En lo que respecta a la transferencia de calor es de interés la radiación térmica

o forma de radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. La radiación térmica

suele corresponder a la banda de frecuencias del infrarrojo.

Todos los cuerpos a una temperatura por encima del 0 absoluto emiten radiación térmica.

La radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases emiten,

absorben o reflejan radiación en diversos grados. Sin embargo la radiación térmica suele

considerarse como un fenómeno superficial para los sólidos que son opacos a la radiación

térmica, como los metales, la madera y las rocas, ya que la radiación emitida por las

regiones interiores de un material de este tipo nunca puede llegar a la superficie y la

radiación incidente sobres esos cuerpos suele absorberse en unas cuantas micras hacia

dentro en dichos sólidos.

A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un medio de

transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por radiación es la más

rápida, a la velocidad de la luz. No sufre atenuación en el vacío.

POTENCIA MÁXIMA EMITIDA. CUERPO NEGRO. EMISIVIDAD. ABSORTIVIDAD.

La potencia máxima de radiación que puede ser emitida desde una superficie a una

temperatura Ts se modela mediante la Ley de Stefan-Boltzmann cuya expresión es:



Donde:

σ = 5.67 E-8 W / ( m2 K4 ) es la constante de Stefan-Boltzmann.

As es el área de la superficie emisora.

Ts es la temperatura de la superficie emisora.

La superficie idealizada que emite radiación a la potencia máxima se llama cuerpo negro y

la radiación emitida por éste radiación del cuerpo negro. La radiación del cuerpo negro

representa la cantidad máxima de radiación que puede ser emitida desde una superficie a

una temperatura específica.

La radiación emitida por las superficies reales es siempre menor que la que emitiría un

cuerpo negro a la misma temperatura. Para cuantificar la radiación emitida por una

superficie real respecto a la que emitiría el cuerpo negro se utiliza la emisividad ε, es decir,

la emisividad representa la radiación emitida por una superficie respecto a la que emitiría

el cuerpo negro:

La radiación emitida por una superficie real se expresa es una porción de la que emitiría el

cuerpo negro. Esa porción viene dada por la emisividad. La radiación emitida por una

superficie real se expresa como:

Donde:

ε = Emisividad




El rango de valores de la emisividad está comprendido en el intervalo: 0 < ε< 1. Para el

cuerpo negro ε = 1.



Otra propiedad importante relativa a la radiación es la absortividad a que representa la

fracción de radiación incidente sobre una superficie que es absorbida por ésta. Su valor

está comprendido en el rango 0 < α< 1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación

incidente sobre él, es un absorbente perfecto (α = 1).

En general, tanto la emisividad como la absortividad de una superficie dependen de su

temperatura y de la longitud de onda de la radiación. Según la Ley de Kirchoff de la

radiación: "La emisividad y la absortividad de una superficie a una temperatura y longitud

de onda dadas son iguales".

La diferencia entre las velocidades de radiación emitida por la superficie y radiación

absorbida por la misma es la transferencia neta de calor por radiación. Si la velocidad de

absorción de radiación es mayor que la de emisión se dice que la superficie está ganando

energía por radiación. De lo contrario se dice que está perdiendo energía por radiación.

Cuando una superficie de emisividad ε y área superficial As que se encuentra a una

temperatura absoluta Ts, está completamente encerrada por una superficie mucho mayor (o

negra) que se encuentra a la temperatura absoluta Talred y separadas por un gas (como el

aire) que no interviene en la radiación la rapidez neta de transferencia de calor por

radiación entre estas dos superficies se expresa por:



Donde:

ε = Emisividad




Talred es la temperatura absoluta de los alrededores.

En este caso especial la emisividad y el área de la superficie circundante no influyen en la

transferencia neta de calor por radiación.

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR COMBINADO (convección +

radiación)

La transferencia de calor por radiación hacia una superficie, o desde ésta, rodeada por un

gas como el aire, ocurre paralela a la convección (o radiación si no existe movimiento

macroscópico del gas) entre la superficie y el gas. La transferencia total de calor se

determina al sumar las contribuciones de los dos mecanismos de transferencia. Con el

objeto de hacer los cálculos más sencillos en muchas ocasiones se define el llamado

coeficiente combinado de transferencia de calor donde se incluyen los efectos simultáneos

de la convección y la radiación. Entonces, la velocidad total de transferencia de calor hacia

una superficie o desde ésta, por convección y radiación, se expresa como:


Tf: temperatura del fluido lo suficientemente lejos de la superficie




EMISIVIDAD DE ALGUNOS MATERIALES



TABLA DE ABSORTIVIDAD DE ALGUNOS MATERIALES

PRUEBAS REALIZADAS

Se realizaron seis mediciones cada una con un intervalo de 10min cada una como se indica

en la siguiente tabla:

Nº Tiempo (min)

Tambiente ºC Tambiente ºK Tagua ºC Tplaca ºC Tplaca ºK

1 0 21 294.15 18 35 308.15

2 10 21 294.15 26 35 308.15

3 10 22 295.15 31 35 308.15

4 10 22 295.15 33 34 307.15

5 10 22 295.15 35 38 311.15

6 10 23 296.15 39 41 314.15





TOMA DE MUESTRA DE TEMPERATURA DE LA PLACA DE LA APARABOLA







TOMA DE TEMPERATURA DEL FLUIDO





HOJA DE CALCULOS

Calculo de áreas

Unidades A1 A2 A3 A4 A5 A6 AT placa AT parab.

(mm2) 4998 952 952 847 596.75 596.75 8942.5 107310

(m2) 0.004998 0.000952 0.000952 0.000847 0.00059675 0.00059675 0.0089425 0.10731



CALCULOS DE FLUJOS DE CALOR

Qemitida máx .=5.67 x 10−8∗8.9425 10−3∗309.48=4.35 [W ]

POR LA PLACA

T1=311.15 ºK

Qemitida=0.28∗5.67 x 10−8 W

m2 ° K 4∗8.9425 10−3 m2∗311.154° K4=1.33[W ]

T2=314.15 ºK

Qemitida=0.28∗5.67 x 10−8 W

m2 ° K 4∗8.9425 10−3 m2∗314.1 54 ° K 4=1.38 [W ]

Qabsorvido=α∗Qincidente

T1= 311.15

Qabsorvido=0.39∗1.33 [W ]=0.52[W ]

T2=314.15 ºK

Qabsorvido=0.39∗1.38 [ W ]=0.54 [W ]



Qreflejado=(1−α )∗Qincidente

T1= 311.15

Qreflejado=(1−0.39 )1.33 [ W ]=0.81 [W ]

T2=314.15 ºK

Qreflejado=(1−0.39 )1.38 [ W ]=0.84[W ]

Qradiacion=0.28∗5.67 x10−8 W

m2° K4∗8.9425 10−3m2∗(314.1 54−294.9 94)° K4=0.31[W ]

CONCLUSIONES.-



El presente experimento demuestra que la energía transmitida por la radiación solar puede

ser aprovechada de manera distinta la convencional, de forma gratuita, pura y en beneficio

del medio ambiente.

Para la construcción de una cocina solar parabólica, la parte mas importante es la del

diseño. De la precisión de ellos dependerá el buen rendimiento de la cocina.

Realizando el experimento tanto físicamente como en cálculos llegamos a la siguiente

conclusión:

Pruebas tomadas con el experimento (cocina solar parabólica), obtuvimos resultados

satisfactorios ya que nuestro experimento si funciona correctamente aun siendo solo un

modelo, pero tuvimos un pequeño percance con el tema del viento el cual por momentos

enfriaba las placas de la parábola ya que solo son chapas galvanizadas y las corrientes de

aire las enfrían con facilidad, ese fue el único problema que se nos presento hasta la

culminación de nuestras pruebas, en un análisis de cálculos teóricos podemos evidenciar

que la energía absorbida es menor a la emitida, ya que esto debería ser al contrario por lo

que nuestras placas en vez de ganar energía por radiación esta perdiendo, esto debido a lo

señalado anteriormente por el tema de las corrientes de aire que enfrían al placa. Por lo

demás quedamos satisfechos con el experimento realizado y los resultados obtenidos.

RECOMENDACIONES.-

En cuanto a las recomendaciones se puede hacer notar que la energía solar incidente en la

parábola es bastante considerable, para lo cual recomendamos aislar la parte posterior de la

parábola, esto para evitar que las corrientes de aire enfríen las placas y no se pierda energía

por radiación.

Colocar un regulador entre la parábola y el soporte esto para poder regular el movimiento

de la parábola con mayor precisión con el movimiento del sol.

BIBLIOGRAFIA.-



www.solarcooking.org

http://www.e-cons.net/dvd/B_Spanish/04_Proyectos/

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