primeros ensayos de 2 cocinas solares con colector cpc

Energías Renovables y Medio Ambiente
Vol. 9, pp. 7 - 14, 2001
. Impreso en la Argentina. ISSN 0328-932X
ASADES
PRIMEROS ENSAYOS DE 2 COCINAS SOLARES CON COLECTOR CPC-TUBO
DE CALOR
Wildor Maldonado Carbajal* 1 , Manuel Collares-Pereira**, J. Farinha Mendes**
*Centro de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniería, (CER-UNI)
Apartado 100 - 1301 Lima 25 - Perú
**INETI-DER, Az. Dos Lameiros 1649-038 Lisboa Portugal
RESUMEN - En este trabajo se presenta el desarrollo de 2 cocinas solares, una con almacenamiento de energía y la otra de
entrega directa de energía a las ollas de cocción. A diferencia de las cocinas solares convencionales, éstas entregan energía a
las ollas en un lugar distinto del punto de captación de la energía solar. Esta característica da la posibilidad que se puedan
diseñar cocinas solares en las cuales la cocción se realice dentro del hogar.
En el diseño de las cocinas se utilizaron 2 tecnologías que en sus categorías tienen las mayores eficiencias de funcionamiento.
El primero de ellos el colector CPC, que tiene la máxima concentración ideal, utilizado para captar la energía solar. El
segundo denominado tubo de calor (Heat Pipe), utilizado para transportar la energía captada en el colector CPC hacia la olla
de cocción o un almacenamiento de energía.
Los resultados de las pruebas experimentales nos demuestran que se pueden construir cocinas de este tipo con mejores
comportamientos frente a los modelos convencionales tipo caja .
1. INTRODUCCION
En la mayoría de las culturas, la cocción de alimentos
generalmente es realizada dentro del hogar, pero casi todas
las cocinas solares conocidas hasta ahora requieren ser
usadas fuera a exposición directa de los rayos solares. Para
que estas cocinas solares estén más de acorde con las
costumbres también deberían dar la posibilidad de que la
cocción se realice dentro del hogar. Por otro lado las
personas se acostumbraron a cocinar con combustibles
capaces de suministrar potencias importantes a los
recipientes de cocción, algo que es difícil de concretar con
los sistemas de baja concentración más tradicionales.
Además realizar la cocción en la noche, requiere una
solución de acumulación de energía solar captada durante el
día.
Con las últimas ideas en mente, se hizo un esfuerzo para
estudiar y proponer soluciones basadas en tecnologías
actuales y lograrlos eficientemente. Para esto utilizamos 2
tecnologías que en sus categorías tienen las mayores
eficiencias de funcionamiento. El primero de ellos el
colector CPC (Welford y Winston, 1989), que tiene la
máxima concentración ideal, utilizado para captar la energía
solar. El segundo denominado tubo de calor (Heat Pipe)
(Chi, 1976), utilizado para transportar la energía captada en
el colector CPC hacia la olla de cocción o un
almacenamiento de energía. Es precisamente el tubo de calor
que daría la posibilidad, que la entrega de energía a las ollas
pueda realizarse a una distancia alejada del colector CPC
(dentro del hogar).
Se presenta el desarrollo de 2 cocinas solares desarrolladas
en el INETI (Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia
1
Industrial) de Lisboa-Portugal, diferenciándose básicamente
una de la otra, porque la primera tiene almacenamiento de
energía calentando aceite térmico, para su posterior entrega
a la olla de cocción, y la segunda es de entrega directa de
energía a la olla de cocción.
Con cocinas de este tipo se eliminan algunos problemas para
el usuario de cocinas solares más tradicionales como son: a)
el reflejo de los rayos solares hacia los ojos, especialmente
de los concentradores, b) insolación por permanecer largo
tiempo bajo los rayos del sol, recuperando la posibilidad de
cocinar dentro del hogar.
Como parte del estudio experimental se presenta los
primeros resultados del funcionamiento de cada cocina.
El trabajo esta organizado de la siguiente forma:
- En 2. se presenta las ideas para la concepción de las
cocinas
- En 3. se presenta los detalles de construcción de las
cocinas
- En 4. se presenta las pruebas experimentales realizadas
- En 5. se presenta las conclusiones
- En REFERENCIAS se presenta la bibliografía utilizada
2. CONCEPCION DE LA COCINA.
Tanto el colector CPC como el tubo de calor tienen que
interactuar mutuamente, por tal motivo el receptor del
colector CPC y el evaporador del tubo de calor se confunden
formando un mismo elemento. Para fines del presente
trabajo las cocinas solares se han dividido en 3 partes
principales (ver figura 1):
Con una bolsa de estudios del Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED)
Para contactar con el autor, email wildor.maldonado@mail.ineti.pt y wildorm@yahoo.com
7
1. Colector CPC
2. Tubo de calor
3. Hornilla
Una característica muy importante de los colectores CPC, es
su capacidad de permanecer estático durante largo tiempo y
seguir captando radiación solar eficientemente.
Como se puede apreciar, la hornilla (donde se posará la olla
de cocción) está separada del colector CPC mediante un
tubo que puede tener una longitud tal, que llegue hasta
dentro del hogar.
El colector CPC esta cubierto con mica transparente por la
parte superior y aislado con lana de vidrio por los demás
lados. Como superficie reflectora son utilizadas planchas de
aluminio pulido, ver figura 2.
La hornilla de la primera cocina al mismo tiempo sirve
como recipiente de aceite térmico. La hornilla de la segunda
cocina es simplemente una placa metálica plana.
Para una mejor captación de energía solar a lo largo de todo
el año, el colector CPC debe estar inclinado respecto a la
horizontal un ángulo igual a la latitud del lugar donde será
instalado, para nuestro caso igual a 38º (latitud de LisboaPortugal).
Hornilla
2.2. Tubo de calor
Tubo de calor
Colector CPC
1-a
1-b
Fig. 1. Esquema conceptual de las 2 cocinas del presente
trabajo. a) cocina con almacenamiento de energía, b)
cocina de entrega directa de energía
2.1. Colector CPC
Fue desarrollado a partir de un colector CPC en 2
dimensiones con receptor triangular (Welford y Winston,
1989). El inconveniente de este colector ideal radica en el
contacto entre el receptor y el reflector, que provocaría un
deterioro prematuro del reflector por las altas temperaturas
alcanzadas en el receptor. Para evitar este inconveniente se
ha reemplazado el receptor triangular por un tubo con aletas
en “V”, ver figura 2.
Es un sistema cerrado que en su interior contiene un fluido
de trabajo. Tiene como fin principal transportar la energía
solar captada en el colector CPC, hacia el almacenamiento
para su uso posterior o hacia la placa metálica para su uso
inmediato. En la figura 3-a se muestra las 3 partes
principales del más simple en su clase, denominado tipo
termosifón con el condensador a una altura mayor que el
evaporador (no tiene estructura capilar) (Chi, 1976; Farinha,
1988). Dentro del tubo de calor tiene lugar la evaporación
del fluido en el evaporador absorbiendo gran cantidad de
energía (aprovecha el calor latente del cambio de fase),
dirigiéndose por diferencia de densidad hacia el
condensador, donde se condensa entregando su energía, este
condensado retorna por gravedad hacia el evaporador
repitiéndose el ciclo continuamente. A partir de este modelo
desarrollamos un tubo de calor adaptado a nuestro prototipo
(ver figura 3-b).
Cubierta
simple
Reflector
Receptor
Aislante
3-a
Partes del tubo de calor
1.
Hornilla
Cavidad para posar
la olla de cocción
Condensador
2. Tubo adiabático
Fig. 2. Corte transversal esquemático del colector CPC
mostrando sus características principales
Teniendo definido la configuración del colector CPC, se
procede a seleccionar su ángulo de aceptación (2θ) (Welford
y Winston, 1989). El colector CPC debería captar la energía
solar por un periodo de tiempo suficiente como para realizar
una cocción sin requerir reorientación. Se sabe que el tiempo
promedio para realizar la cocción es de aproximadamente 2
horas y, que el sol gira respecto a la tierra a 15º/hora, por lo
tanto, se escogió un ángulo de aceptación de 2θ=28º para
cumplir este requisito. Fue truncado eliminando la parte
superior de los espejos que aportan muy poco a la captación.
Como resultado de la truncatura se obtuvo un factor de
concentración de C=3, que garantiza que el colector CPC
trabajará a temperaturas superiores a 100 ºC.
8
3.
Evaporador
A
Aceite térmico
A
A-A
Nivel del agua
38º
3-b
Fig. 3. a) esquema básico de un tubo de calor tipo
termosifón vertical e inclinado, b) esquema de la cocina con
almacenamiento mostrando el tubo de calor con sus 3
partes principales adaptadas al prototipo
El tubo de calor tipo termosifón es el más simple y fácil de
construir (Farinha, 1988), por lo tanto, tiene menores costos
de fabricación.
Para temperaturas de trabajo en el rango de 0–200 ºC que es
nuestro caso, el fluido de trabajo más apropiado es el agua,
compatible con tubos de cobre (Dunn y Reay, 1978).
El nivel de potencia que puede transportar un tubo de calor
depende entre otros: a) de su inclinación respecto a la
horizontal, alcanzando los valores máximos en el rango de
30-60º (Kobayachi et al., 1984), para nuestro caso como ya
se mencionó, esta inclinación es de 38º, b) de la cantidad de
agua que tiene en su interior, que puede ser medido como
porcentaje respecto al volumen total del evaporador,
teniendo valores óptimos en el rango de 20-50% (Nguyen et
al., 1979; Nguyen et al., 1981). Es preferible que la cantidad
de agua sea la menor, para que la inercia y el tiempo de
arranque hasta un estado estable también sea menor. En este
trabajo se usaron 2 volúmenes de agua: primero de 50% (75
g) en la mayoría de los experimentos, y después de 30% (50
g) en algunos experimentos para comprobar la relativa
insensibilidad a esta variación dentro del rango mencionado
más arriba.
2.2.1. El evaporador. Viene a ser también el receptor del
colector CPC, está constituido por un tubo de cobre con
aletas cubierto con una composición selectiva para mejorar
la captación de los rayos solares.
2.2.2. El tubo adiabático. Es un tubo aislado que permite
el flujo de vapor y condensado entre el evaporador y el
condensador. Según sea su longitud puede ser posible llevar
la hornilla dentro del hogar, pero esta longitud tiene un
límite por las pérdidas que sufre del vapor.
2.2.3. El condensador. Formado por 6 tubos paralelos (ver
figura 4). Se encuentra dentro de la hornilla en contacto con
el aceite térmico para la cocina con almacenamiento y,
soldada a una placa metálica para la otra.
Concentración truncado (prototipo)
3.0
Altura
340 mm
Ancho
390 mm
Longitud
1800 mm
Aislamiento (lana de vidrio)
1” de esp. λ = 0.032 W/mºC
Cubierta
mica de 5 mm de esp. (τ = 0.85)
Espejo (pl. aluminio)
0.4 mm de esp. (ρ = 0.87)
Tubo de calor
Fluido
Volumen de agua
Nivel de agua dentro del evaporador
agua
75 cm3
50%
Evaporador
Material
cobre
Sección
en “V” invertido, aleta a 60º
Diám. interior
10 mm
Espesor
0.75 mm
Longitud de cada aleta
28 mm
Longitud
1835 mm
Revestimiento selectivo
0.10< ε <0.2 y 0.92< α <0.94
Condensador
Material
tubo de cobre
Espesor
1 mm
Diám. interior
10 mm
Tubo adiabático
Material
Espesor
Diám. interior
Longitud (cocina con almacenamiento)
Longitud (cocina de entrega directa)
tubo de cobre
1 mm
10 mm
120 mm
220 mm
Hornilla
Capacidad (cocina con almacenamiento)
Fluido
Material
7 litros
aceite térmico, 0.535 Kcal/Kg ºC
plancha de cobre, 1.5 mm de esp.
Caja para proteger la hornilla
madera
Para realizar la limpieza y
llenado del tubo de calor
3. CONSTRUCCION
Para unir con el tubo adiabático
Fig. 4. Fotografía del condensador del tubo de calor. Está
constituido por 6 tubos paralelos
2.3. Hornilla
En éste se posarán las ollas para realizar la cocción. Para
reducir las pérdidas térmicas la hornilla está aislada por la
base y los lados excepto la parte donde se posará la olla,
para finalmente aislar todo el conjunto hornilla-olla.
Característica principales de las cocinas solares
Colector CPC
Angulo de aceptación
Concentración (ideal)
28º
4.1
9
El tubo de calor es el elemento que requiere más cuidado.
Para su construcción se debe tener en cuenta lo siguiente:
1. El fluido de trabajo (agua) debe ser lo más puro posible
para que se produzca un cambio de fase uniforme y,
además evitar que las partículas en suspensión se
adhieran a las paredes internas de los tubos reduciendo
la transferencia de calor. Desgasificada para evitar que
los gases no condensables se acumulen en el
condensador reduciendo el área de transferencia de
calor.
2. El interior del tubo de calor debe ser limpiado
rigurosamente. Con la limpieza se remueven cualquier
materia extraña que pueda liberar gases no condensables
y evitar un buen contacto entre el fluido de trabajo y las
paredes internas del evaporador y condensador. El
proceso de limpieza varía de acuerdo al tipo de material
y fluido a emplear, en general las etapas a ser seguidas
son:
- Desgrasamiento
- Remoción de partículas sólidas
- Desoxidación
- Desgasificación
3. Se recomienda que la soldadura de los componentes se
realice con el método TIG (Tungsten Inert Gas), el
electrodo de tungsteno es protegido por un flujo anular
de gas inerte que protege las partes a soldar
manteniéndolas limpias.
4. Calentar el tubo de calor y realizar la evacuación de los
gases que se encuentran en su interior usando una
bomba de vacío. Finalmente se llena con el agua pura y
sella con soldadura.
El punto crítico de la cocina de entrega directa de energía, es
el contacto entre la olla y la placa metálica. Cuando se soldó
el condensador con la placa metálica, ésta sufrió
deformaciones perdiendo su forma plana, como
consecuencia no hubo un buen contacto entre la olla y la
placa. Por lo que para futuros prototipos se espera resultados
más alentadores.
4. PRUEBAS EXPERIMENTALES
La curvatura del CPC fue realizado en placas metálicas
sobre las cuales se han adherido las planchas reflectoras. Las
2 cocinas utilizaron alternadamente el mismo colector CPC.
Todas las experiencias fueron realizadas en ambientes del
INETI (Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia
Industrial) de Lisboa-Portugal.
La estructura de soporte fue construida enteramente con
perfiles estructurales, la cual cuenta con ruedas para su
transporte y orientación hacia el sol.
Como sensores de temperatura se usaron termocuplas. Un
sensor de radiación solar en el plano de la cubierta del
colector CPC. La recolección de datos se realizó con un
equipo electrónico (Delta-T Logger).
En la figura 5 se muestra las fotografías de las hornillas y de
la cocina culminada.
Como el colector CPC está soldado a la estructura con
ruedas, la orientación hacia el sol se realizó moviendo toda
la cocina. En intervalos de 10 y 15 minutos
aproximadamente. Las experiencias fueron realizadas entre
las 10 y 14 horas (hora solar).
4.1. Experiencias con el colector CPC
4.1.1. Experiencia 1. Tiene como objetivo determinar la
máxima temperatura que puede alcanzar el receptor del
colector CPC trabajando sin carga (vacío). Se aisló el
colector CPC sin ninguna unión a la hornilla. Para medir
temperaturas en el receptor se dividió en dos partes, mitad
superior con el sensor en la parte media (Tarriba) y mitad
inferior con el sensor en la parte media (Tabajo).
Experiencia realizada el 28 de agosto del 2000.
5-a
La Figura 6 muestra la curva de calentamiento del receptor,
estabilizándose a una temperatura promedio de 210 ºC.
Temperaturas máximas alcanzadas en el receptor trabajando en vacío
220
Temperaturas en el receptor
Tarriba
200
Temperatura (ºC)
5-b
Tpromedio
Tabajo
180
1500
160
1250
1000
140
Radiación solar
120
750
100
80
500
Temperatura ambiente
60
40
Radiación solar (W/m2)
240
250
20
0
10,00
11,00
12,00
13,00
0
14,00
Hora
Fig. 6. Resultados de la experiencia 1, realizada el 28 de
agosto del 2000
4.2. Experiencias con la cocina con almacenamiento
5-c
Fig. 5. Construcción de las cocinas. a) hornilla de la cocina
con almacenamiento de energía, b) hornilla de la cocina de
entrega directa de energía (invertida para mostrar los tubos
del condensador), c) cocina culminada con los instrumentos
de medición
10
4.2.1. Experiencias 2 y 3. Tienen como objetivo hallar la
curva de potencia de almacenamiento de energía. Se llenó la
hornilla con 4 y 7 litros de aceite térmico respectivamente,
seguidamente se aisló completamente sin ninguna olla. Para
medir la temperatura del aceite térmico se dispuso de 3
sensores sumergidos a 2 cm de la superficie del mismo (los
sensores equidistantes del centro de la hornilla cuya unión
forma un triángulo equilátero), promediando sus
mediciones. Fueron realizadas el 7 y 15 de enero del 2001
respectivamente. Las experiencias iniciaron alrededor de las
10 horas, finalizando al medio día por interferencia
prolongada de los rayos solares debido a las nubes.
Para eliminar el efecto de arranque se eliminó los datos de
los primeros 15 minutos de funcionamiento. La figura 7
muestra las potencias estandarizadas de ambas experiencias,
de acuerdo al procedimiento presentado por Funk (Funk,
2000), adaptado por (Esteves, 2001) en el contexto del
Programa CYTED (Proyecto NUTECSA (Collares, 2001)).
Para cada intervalo de medición se multiplicó la potencia
efectiva por 700 W/m2 y el resultado se dividió por el
promedio de la radiación solar. Nota: en realidad el método
citado se refiere al calentamiento de agua y aquí lo estamos
aplicando al calentamiento del aceite térmico. La aplicación
al calentamiento de agua se hace más adelante.
Se aprecia una superioridad al trabajar con 7 litros. Es
probable que la transferencia de energía resulte superior con
mayor cantidad de aceite (mayor nivel de aceite, mejorando
el efecto convectivo y conductivo en el interior del mismo).
Esta afirmación es corroborada por la figura 8, donde se
muestra la temperatura promedio del receptor para los dos
casos. Se puede notar que trabajando con 7 litros la
temperatura del receptor es menor, lo que significa que el
aceite térmico está absorbiendo más energía.
4.3. Experiencias con la cocina de entrega directa de
energía
4.3.1. Experiencias 4, 5 y 6. Tienen como objetivo hallar
la curva de potencia (Funk, 2000; Collares, 2001) que
entrega la cocina al agua contenida en la olla de cocción
(olla de ∅22*11 cm utilizada en todos los experimentos). Se
llenó la olla con 3, 2 y 1 litro de agua respectivamente, luego
se posó sobre la hornilla (placa metálica plana), aislando el
conjunto por todos los lados. Las experiencias fueron
realizadas el 15/02/2001, 16/02/2001 y 17/02/2001
respectivamente.
La figura 9 muestra la ubicación de los sensores de
temperatura utilizados. El sensor de temperatura del tubo
adiabático (Tadiabático) en el medio del mismo. Ttubo,
temperatura de uno de los tubos más internos de
condensador. Tplaca, temperatura del centro de la placa
soldada al condensador. Se midieron las temperaturas hasta
la ebullición del agua, eliminándose los datos de los
primeros 15 minutos para eliminar el efecto de arranque. En
la figura 10 se muestra la potencia que entrega la cocina en
relación a la temperatura del agua (experiencia 4). Se puede
notar que a medida que aumenta la temperatura del agua, la
potencia disminuye suavemente incluso a temperaturas
cercanas a la ebullición se entrega potencia alta.
Tadiabático
Tagua
Tarriba
Potencia estandarizada de almacenamiento
(cocina con alm acenam iento de e nergía)
140
7 litros de aceite térmico
a
Tabajo
07/01/2001
15/01/2001
120
2a
Potencia (W)
100
Ttubo
a
80
Tplaca
60
40
4 litros de aceite térmico
Fig. 9. Ubicación de los sensores de temperatura para las
experiencias 4 a 7
20
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Tem peratura de l aceite térm ico (ºC)
Potencia que entrega la cocina de entrega directa de energía
Fig. 7. Ambas experiencias finalizaron debido a
interrupciones causadas por las nubes. Se presentan las
barras de error del ajuste lineal. Experiencias 2 y 3
(para 3 litros de agua, experiencia realiza el 15/02/2001)
160
140
Potencia (W)
120
Comparación de la temperatura promedio del receptor
80
60
40
130
4 litros de aceite térmico
20
120
Temperatura (ºC)
100
0
20
110
07/01/2001
15/01/2001
7 litros de aceite térmico
80
10
20
30
40
50
40
50
60
70
Tagua (ºC)
80
90
100
110
Fig. 10. Se aprecia un descenso suave de la potencia,
entregando potencia alta incluso a temperaturas cercanas a
la ebullición. Experiencia 4
100
90
30
60
Taceite-Tambiente (ºC)
Fig. 8. El rango de temperaturas fue seleccionado donde
ambas experiencias no tuvieron ninguna interferencia por
las nubes. Experiencias 2 y 3
11
En la figura 11 se muestra la evolución de temperaturas para
la experiencia 4, se nota un descenso inicial de las
temperaturas debido a que la experiencia se realizó a
continuación de otra, estabilizándose pasado algunos
minutos. Se aprecia que las temperaturas a lo largo del
evaporador y condensador son casi uniformes.
Evolución de temperaturas en la cocina de entrega directa de energia
Evolución de temperaturas en la cocina de entrega directa de energía
(para 250 cm3 de aceite térmico, realizada el 17/02/2001)
160
4000 Tabajo
180
140
Tarriba
3500 Tagua
160
3000 Ttubo
Tplaca
2500
Tambiente
120
100
Tagua
80
2000 Hsolar
Radiación solar
60
1500
40
1000
20
500
0
0
20
40
60
80
100
Tiempo (minutos)
120
140
Tabajo
100
1000
80
Radiación solar
60
500
40
20
0
160
140
Taceite
120
2000Tadiabático
Tabajo
Tarriba
Taceite
1500Ttubo
Tplaca
Tambiente
Hsolar
W/m2
200
Temperatura (ºC)
4500 Tadiabático
W/m2
Temperatura (ºC)
(para 3 litros de agua, realizada el 15/02/2001)
180
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
110
100
Tiempo (minutos)
Fig. 11. Se nota una descenso inicial de las temperaturas,
debido a que la experiencia se realizó a continuación de
otra. Experiencia 4
Para comparar los resultados de las experiencias 4, 5 y 6,
estandarizaremos sus potencias de entrega de acuerdo al
procedimiento presentado por Funk (Funk, 2000; Esteves,
2001). Para cada intervalo de medición se multiplicó la
potencia efectiva por 700 W/m2 y el resultado se dividió por
el promedio de la radiación solar, para temperaturas del agua
en el rango de 40-90 ºC. En la figura 12 se muestra esta
comparación. Se puede notar que para 3 litros de agua la
potencia de entrega es mayor que para 2 litros de agua y esta
mayor que para 1 litro de agua. Como en todas las
experiencias se usó la misma olla, lo probable es que la
transferencia de energía resulte superior con mayor cantidad
de agua (mayor nivel de agua, mejorando el efecto
convectivo y conductivo en el interior del mismo).
Fig. 13. Se nota una descenso inicial de las temperaturas
del evaporador, debido a que la experiencia se realizó a
continuación de otra. Experiencia 7
4.3.3 Experiencia 8. Tiene como objetivo comparar el
funcionamiento de la cocina con diferentes cantidades de
agua en el tubo de calor. Se volvió a repetir la experiencia 4,
pero esta vez con una cantidad de agua igual al 30% del
volumen del evaporador (50 g). En la figura 14 se muestra la
comparación de estos experimentos. Se aprecia una ligera
superioridad cuando se trabaja con una cantidad de agua
igual al 50% del volumen del evaporador. Este resultado
está de acuerdo con las recomendaciones de (Nguyen et al.,
1979; Nguyen et al., 1981), que expresan que los valores
óptimos de transferencia de calor se obtienen cuando el nivel
de agua dentro del tubo de calor, medido como porcentaje
del volumen de su evaporador se encuentran en el rango de
20-50%.
Potencia estandarizada para diferentes llenados del tubo de calor
(para 3 litros de agua)
100
Potencia estandarizada que entrega la cocina de entrega directa
de energía
120
50%
30%
80
Agua
70
Potencia (W)
100
3 litros
2 litros
80
Potencia (W)
90
1 litro
60
60
50
40
30
20
40
10
0
20
20
30
40
50
60
70
80
Tagua-Tambiente (ºC)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tagua-Tambiente (ºC)
Fig. 12. Comparación de las experiencias 4,5 Y 6
4.3.2. Experiencia 7. Tiene como objetivo hallar las
máximas temperaturas que pueden alcanzar las distintas
partes de la cocina. Para esto se puso en la misma olla un
volumen de 250 cm3 de aceite térmico.
En la figura 13 se muestra la evolución de temperaturas en
relación al tiempo desde el inicio de la experiencia. Se
aprecia una rápida subida de la temperatura del aceite,
estabilizándose alrededor de 170 ºC. Esto significaría que
nuestra cocina también puede ser utilizada para realizar
frituras. Las temperaturas del tubo de calor se mantuvieron
uniformes excepto Tabajo que disminuyó un poco.
12
Fig. 14. Comparación de la experiencia 4 (75 g de agua en
el tubo de calor, 50% del volumen del evaporador) con la
experiencia 8 (50 g de agua en el tubo de calor, 30% del
volumen del evaporador). Ambas trabajando con 3 litros de
agua en la olla
Para tener una buena apreciación de la mejora que
obtenemos con nuestra cocina (cocina de entrega directa de
energía), la compararemos con una cocina convencional tipo
caja construida siguiendo las recomendaciones de la
referencia (Nandwani, 1993), con la diferencia que para los
espejos se usó láminas reflectoras de aluminio pulido. Esta
cocina fue experimentada en ambientes de la Universidad
Nacional de Ingeniería ubicada en Lima–Perú (17/03/2001).
Como las cocinas tienen diferentes áreas de captación, para
una mejor comparación dividiremos sus potencias
estandarizadas (de acuerdo al procedimiento presentado por
Funk (Funk, 2000)) entre sus áreas totales de captación
proyectadas en un plano perpendicular a los rayos solares,
resultados en W/m2.
también puede ser utilizada para realizar frituras o cualquier
otra cocción que requiera temperaturas altas.
En la figura 15 se muestra esta comparación con las curvas
linializadas y con valores a 50 ºC con sus correspondientes
errores de ajuste. Estos valores servirán para realizar la
comparación (Funk, 2000). Si tomamos los valores con
errores positivos vemos que nuestra cocina es superior en
42% a la cocina convencional tipo caja. Cabe resaltar que
nuestra cocina es superior en todo el rango de comparación
no habiendo punto de intersección entre ambas curvas.
El tubo de calor mostró un comportamiento similar cuando
se experimentó con llenados de 30% y 50%. Este resultado
está de acuerdo con las recomendaciones de (Nguyen et al.,
1979; Nguyen et al., 1981), que expresan que los valores
óptimos de transferencia de calor se obtienen cuando el nivel
de agua dentro del tubo de calor, medido como porcentaje
del volumen de su evaporador se encuentran en el rango de
20-50%.
El punto crítico de la cocina de entrega directa de energía, es
el contacto entre la olla y la placa metálica. Cuando se soldó
el condensador con la placa metálica, ésta sufrió
deformaciones perdiendo su forma plana, como
consecuencia no hubo un buen contacto entre la olla y la
placa. Por lo que para futuros prototipos se espera resultados
más alentadores.
Comparación de la cocina de entrega directa de energía y de
una cocina convencional tipo caja
160
Cocina con CPC y tubo
de calor
Cocina tipo caja
convencional
Potencia / Area (W/m2)
140
120
100
80
60
40
REFERENCIAS
Pot(50ºC) C. con CPC = 110.2 ± 5.3 W/m2
Pot(50ºC) C. conven. = 68.1 ± 13.1 W/m2
20
Chi S. W. (1976). Heat Pipe Theory and Practice.
Hemisphere Publishing Corporation.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tagua-Tambiente (ºC)
Fig. 15. Las potencias fueron estandarizadas según el
procedimiento de Funk (Funk, 2000) y dividas por el área
total de captación proyectada en el plano perpendicular a
los rayos solares
5. CONCLUSIONES
El presente trabajo demuestra que usando las tecnologías de
los CPC y tubos de calor es posible diseñar cocinas solares
con eficiencias superiores a las cocinas convencionales tipo
caja que existen en la actualidad. Con la posibilidad de que
la cocción sea realizada dentro del hogar.
Se ha presentado el resultado de las primeras experiencias
con 2 cocinas solares. La primera con almacenamiento de
energía (las experiencias se remitieron sólo a almacenar
energía, debido a que las condiciones climáticas no fueron
propicias) y la segunda de entrega directa de energía a la olla
de cocción.
Los resultados indican que las potencias obtenidas en la
cocina con almacenamiento y de entrega directa de energía
son casi iguales. Al almacenar energía y su entrega posterior
a las ollas, requiere vencer más resistencias térmicas como
también pérdidas térmicas para mantener el aceite térmico a
altas temperaturas, todo esto hace que la entrega final
efectiva de energía sea menos interesante. Sumado a lo
anterior el costo del almacenamiento y del aceite térmico, se
torna más recomendable usar la cocina de entrega directa de
energía.
Comparando nuestra cocina de entrega directa de energía
con una cocina convencional tipo caja, se aprecia que
nuestra cocina entrega una potencia superior en 42% a la
potencia que entrega la cocina convencional.
Cuando se calentó 1/4 de litro de aceite térmico en la olla de
cocción en lugar de agua, la máxima temperatura que
alcanzó fue 170 ºC, lo que significaría que nuestra cocina
13
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PRELIMINARY PERFORMANCE MEASUREMENTS OF TWO CPC
CONCENTRATORS SOLAR COOKERS WITH HEAT PIPES
ABSTRACT - Development and preliminary performance of two solar cookers is presented and discussed. One is designed
with sensible heat energy storage (from say, day to night) in mind and the other with direct delivery of heat to the cooking
vessel. They are both distinct from conventional solar cooking solutions in that they deliver energy to a place removed from
the solar collector part, so that heat can be supplied inside the house, as with fuel based cooking technologies.
These cookers incorporate two technologies, which have, each in its own category, the highest performance. One is the use of
CPC, ideal, non imaging optics, for the solar collector and the other is the use of a phase change technology for the heat
transfer to the cooking area, the so called heat pipe technology.
The good results already obtained show that these solar cookers behave better than the more conventional ones of equivalent
size, in particular the conventional box types.
14