Diseño y construcción de una cafetera solar - Consycsa
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22 al 26 de noviembre de 2021
Diseño y construcción de una cafetera solar
Gabriel Alejandro Hernández Martíneza y Mónica Patricia Camas-Náfatea
a
Departmento Estudios del Agua y la Energía, CUTonalá, Universidad de Guadalajara,
Tonalá, Jalisco, México
Mónica Patricia Camas-Náfate; monica.camas9831@academicos.udg.mx
Resumen
Uno de los electrodomésticos más usados alrededor del mundo es la cafetera. El
consumo de café en nuestro país es en promedio de 1.6kg anuales, siendo una
de las bebidas favoritas sin importar el estrato social. Sin embargo, en
comunidades rurales, la preparación de esta bebida depende del combustible
que se disponga, y estos, debido a la falta de infraestructura, pueden tener
consecuencias perjudiciales a la salud causados por la mala combustión de la leña
y alta liberación de dióxido de carbono. Una alternativa es la cocción solar. Para
este proyecto se buscó diseñar y construir un artefacto llamado cafetera solar,
donde su uso se enfoca a calentar el agua contenida en una cafetera italiana
clásica para obtener café.
Palabras clave: cocción solar; café; diseño.
Introducción
La energía solar térmica activa, aplicada para el ramo de cocción de alimentos , se ha
convertido en una ramificación versátil. Parte, en su mayoría, de diseños con base a la
concentración de la radiación solar, ya sea de manera focal o lineal. La cocción en los
alimentos y bebidas se basan en el aumento de la temperatura de las moléculas de agua
que lo conforman, por lo que la aplicación del recurso solar se ha convertido en una de
las opciones sustentables más atractivas para solventar las necesidades, sobre todo en
el ambiente rural. Dicho ambiente puede contar con recurso solar suficiente para lograr
la cocción de alimentos, además de que muchas comunidades con esas características
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gozan de un cielo despeja, sin interacciones atmosféricas y contaminantes que
entorpezcan la radiación solar. Esto, aunado a que mucha de las opciones de cocción y
calefacción se basan en el consumo de leña sin tratamiento o filtrado de los gases
contaminantes, provocando que la población se vea vulnerable ante la inhalación de
gases como monóxido y dióxido de carbono, productos de la combustión de leña dentro
de las casas.[1]
Mucho de las opciones disponibles en el mercado son con base al uso de energía
solar fotovoltaica, o en concentradores solares cilindros parabólicos de revolución.
Haciendo que dichos dispositivos sean poco accesibles al mercado de las comunidades
rurales. [2]
Por otro lado, el desperdicio en escuelas y oficinas de gobierno de material como
cartón, tuberías de plástico y papel va en aumento, sin embargo, debido a la pandemia,
la aplicación del re uso o reciclaje de estos se vio detenido. Es por ello que como parte
de la elaboración de dicho artefacto de cocción solar se decidió a usar materiales que
soporten su estadía a la intemperie, haciendo accesible este dispositivo. [3]
Tomando en cuenta que la Zona Metropolitana de Guadalajara cuenta con un
promedio de 5 Kwh/m2 al día, que nos permite aprovechar dicho recurso solar térmico.[4]
Materiales y métodos
Selección de los materiales.
Cafetera tipo italiana.
Este tipo de cafetera cuenta con un sistema de elaboración de café que basa su
funcionamiento en el cambio de presión del agua debido al intercambio de
temperaturas, provocando que se evapore y gracias a su diseño que funciona como un
intercambiador de calor, haciendo que la circulación de esta vaya de la zona con mayor
temperatura, y también punto focal del dispositivo solar térmico , hacia una zona con
menor temperatura donde el vapor de agua se condensa debido al contacto con el café
listo para realizar la infusión. Este diseño permite que la infusión del café ocurra de
manera homogéneo, ya la fuente de calor puede ser variable y aún así conservar el
principio de funcionamiento. Además que el coeficiente de transferencia de calor (210.74
kW/m2), aluminio, lo hace propicio para este diseño solar térmico.
Concentrador solar paraboloide.
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Para la construcción de este calentador se eligieron materiales de bajo costo o reciclados
y que fueran ligeros para mejorar la portabilidad del mismo como: cajas de cartón, tubos
de Cpvc, cinta adhesiva, pegamento.
Ya que este proyecto busca que el concentrador sea colocado en interiores con ventanas
es importante que su tamaño se reducido.
Construcción
Figura 1. Diseño de las curvas externas e internas del disco paraboloide.
Una vez finalizada la construcción se procedió a realizar las pruebas del concentrador
antes de construir la estructura de Cpvc, los resultados obtenidos no fueron favorables
con el fin del proyecto, ya que en un tiempo de 30 minutos se alcanzaron temperaturas
de 80 grados Celsius, la cual no es suficiente para logra ebullir el agua y que la cafetera
haga su función, a pesar de esto se pudo comprobar que el foco y la construcción general
fue correcta, pero la cantidad de energía no es la suficientes para cumplir el objetivo, por
esto se tomó la decisión de incrementar el tamaño en un 30% del tamaño original. Con
el incremento del 30% se obtendrán temperaturas superiores a los 100°C, es necesario
alcanzar este nivel para el objetivo del proyecto ya que la ciudad de Guadalajara Jalisco
se requiere de 95°C para logra la ebullición de agua y haga su cambio de estado de agua
a vapor para poner a funcionar la cafetera, la nueva medida del la curva interior y exterior
se muestran en la figura 2.
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Figura 2. Diseño y construcción del disco paraboloide, concentrador solar
Figura 3. Metodología del desarrollo del dispositivo.
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Resultados
El dispositivo entregado quedó a disposición del Laboratorio de Tecnologías
Disruptivas, donde por medio de una cámara termográfica se caracterizó. Teniendo
los siguientes resultados.
Conclusiones.
El desarrollo de este prototipo permitió establecer las características técnicas en el diseño
de las piezas, además de aprovechar el material con el que se contaba, dándole una
oportunidad de integrarse a otro dispositivo luego de su uso inicial. Este dispositivo
funcionó durante temporada de lluvia, donde el tiempo de insolación y su recurso
correspondiente se vieron muy mermados, además que se puso a prueba la resistencia
de los materiales. El uso de cámaras térmicas propicia que se pueda observar diferentes
áreas de oportunidad para el mejoramiento del diseño. Una de ellas es en la parte del
soporte, que debe ser mejorado para poder alcanzar un punto focal fijo, sin
perturbaciones, que permita alcanzar los 90°C esperados. El café se preparó en 45
minutos, con un total de 382.5 W,
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Referencias
[1] F. God and L. Ecorfan, La producción y el consumo del café. .
[2] F. Sosa-Montemayor, O. A. Jaramillo, and J. A. del Río, “Thermodynamic
analysis of a solar coffee maker,” Energy Convers. Manag., vol. 50, no. 9, pp.
2407–2412, 2009, doi: 10.1016/j.enconman.2009.05.030.
[3] P. M. Coelho, B. Corona, R. Klooster, and E. Worrell, “Resources ,
Conservation & Recycling : X Sustainability of reusable packaging – Current
situation and trends,” Resour. Conserv. Recycl. X, vol. 6, no. March, p.
100037, 2020, doi: 10.1016/j.rcrx.2020.100037.
[4] H. H. Ulloa-Godinez, E. M. García-Guadalupe, U. H. Ramírez-Sánchez, C. J.
Regla-Carrillo, and L. A. Fajardo-Montiel, “Solar Radiation Data for the State
of Jalisco and Guadalajara Metropolitan Zone, Mexico,” Comput. Water,
Energy, Environ. Eng., vol. 06, no. 03, pp. 205–228, 2017, doi:
10.4236/cweee.2017.63015.
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