Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares
←
→
Transcripción del contenido de la página
Si su navegador no muestra la página correctamente, lea el contenido de la página a continuación
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE COCINAS SOLARES METHODOLOGY FOR THE CONCEPTUAL DESIGN OF SOLAR KITCHENS A. F. MACÍA G. Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín. afmacia@unalmed.edu.co D.A ESTRADA V. Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín F. CHEJNE J. Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín H. I. VELÁSQUEZ Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín R. RENGIFO Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín Recibido para revisar 10 de Junio de 2004, aceptado 3 de Agosto de 2004, versión final 17 de abril de 2005 RESUMEN: Se ha presentado una descripción detallada de la metodología para el diseño conceptual de cocinas solares, el cual permite su diseño detallado. La metodología se basa en tres fases principales que han sido natural e intuitivamente identificadas dadas las características y condiciones propias del proyecto: fase conceptual, fase de detalle y fase de ejecución. PALABRAS CLAVE: Cocinas solares, energía solar, radiación ABSTRACT: A detailed description of the methodology for the conceptual design of solar kitchens has appeared, which allows its detailed design. The methodology is based on three main phases that natural and have been very intuitively identified given to the characteristics and conditions of the project: conceptual phase, detail phase and execution phase. KEYWORDS: solar kitchen, solar energy, radiation 1. INTRODUCCIÓN (Ross,2002; Gordon, 1996). La desigual distribución de los recursos energéticos Las cocinas solares son un ejemplo perfecto aunado a los bajos niveles de vida, los bajos de tecnologías apropiadas que proveen ingresos y la adolescencia de adecuados alternativas para coadyuvar en el servicios públicos (luz, acueducto, mejoramiento de las condiciones de vida de alcantarillado y teléfono), en muchas regiones cientos de miles de personas en Colombia y lugares del país, hacen necesario el estudio Dyna, año 72, Nro. 146, pp. 65-88. Medellín, Julio de 2005. ISSN 0012-7353
66 Macía et al y la aplicación de este tipo de tecnologías se plantea una metodología basada en tres alternativas eficaces y de bajo costo. fases principales que han sido natural e intuitivamente identificadas dadas las Además la importante disponibilidad del características y condiciones propias del recurso energético solar ( Rodríguez y proyecto: fase conceptual, fase de detalle y Gonzáles, 1992) a lo largo del año en nuestro fase de ejecución. La fase conceptual país, los estudios e investigaciones recientes considerada una de las más importantes de acerca de los materiales y principalmente todo el proceso global y por tal motivo, se acerca del mejoramiento de la eficiencia, dará una descripción detallada en esta sugieren reconsiderar el tema de las cocinas monografía. solares, reconstruyendo los prototipos existentes o desarrollando algunos nuevos. El El diseño conceptual (Pahl and Beitz, 1998; uso de las cocinas solares permite reducir el Wiston, 1994; Jenkins and Wiston, 1996; consumo de combustibles convencionales, Feueman and Gordon, 1998; Harrison, 2001) proteger los bosques y la degradación de los es la etapa de contextualización, suelos, reduce la incidencia de las conceptualización, y formulación del enfermedades respiratorias y oculares por los proyecto. La idea principal de esta fase es humos, puede reducir la incidencia de las hallar los parámetros básicos de diseño que a enfermedades diarreicas, puede usase para través de un marco teórico sólido posibilitan esterilizar diferentes elementos o instrumental la presentación de propuestas de solución. En quirúrgico. la fase de diseño de detalle se realiza la estructuración de la solución o soluciones En muchos países en desarrollo estos previamente seleccionadas. Se hace un dispositivos pueden jugar un papel muy dimensionamiento detallado de los diferentes importante en el mejoramiento de la salud al elementos que componen el sistema y se permitir la disminución de la exposición a los evalúan los métodos y materiales de gases producidos por la quema de madera construcción según su costo y disponibilidad. para cocinar, a la vez que reduce la presión sobre los recursos forestales. En la actualidad los estudios e investigaciones en el área están encaminados Por lo tanto los mercados identificados para al modelamiento, simulación y evaluación del el empleo de estos dispositivos son los desempeño y al nuevo diseño de prototipos o lugares donde no hay disponibilidad o acceso al mejoramiento de algunos ya existentes. En a la energía eléctrica y/o al gas. Ejemplo de el Centro de Energía Solar de Florida esto son regiones que se encuentran por fuera trabajaron en simulación del desempeño de la red de transmisión eléctrica nacional, térmico, simulación del desempeño óptico, donde incluso el consumo doméstico de estudio de materiales aplicables a las cocinas energía eléctrica en zonas rurales solares, desarrollo de un prototipo, electrificadas es generalmente muy bajo y los realización de pruebas y la determinación en habitantes prefieren el uso de la leña u otro la factibilidad del policarbonato como energético (GLP, gasolina, briquetas de material a emplear para lograr el efecto carbón, etc) para la cocción de sus alimentos, invernadero en las cocinas solares (Solar y zonas marginales en las grandes ciudades. Energy Centre, 2002); Passamai y Los beneficios de las cocinas solares podrían colaboradores realizaron estudio bibliográfico también extenderse al campo del turismo, y puesta al día en el desarrollo de cocinas campamentos y campos de trabajo en solares tipo caja, realizaron una comparación regiones donde su aplicación sea viable. de dos cocinas: una pesada y una liviana con una cocina de gas convencional y Con el objeto de emprender un programa de adicionalmente, desarrollaron un modelo diseño y construcción de cocinas solares para matemático que predice el comportamiento zona no interconectadas y de bajos recursos, térmico de dichos equipos (Passamai et. al.,
Dyna 146, 2005 67 2000; Passamai, 2000); Mohamad and Kader construcción de concentradores ideales con estudiaron los efectos de varios diseños de base en el método de rayos marginales cocinas solares (Mohamad and Kader, 1998). (Wiston, 1996); Gordon (1998),elaboró un Jonson and Edwards desarrollaron un metodo método de aceptancia variable de rayos de diferencias finitas para la simulación de marginales para maximizar la concentración una cocina solar con almacenamiento en absorbedor con una configuración sensible, las unidades de almacenamiento determinada. estan hechas de fundición y otra de granito (Jonson, R and Edwards J, 1994); El La descripción técnica de los sistemas de departamento de tecnología térmica solar cocción se hace a partir de datos realizó observaciones en las ratas de suministrados por los fabricantes o mediante calentamiento y temperaturas máximas pruebas realizadas por diferentes instituciones alcanzadas en la cocina solar de la empresa o grupos interesados en el área. Los factores SUN OVEN ( Sandia national laboratorios, que inicialmente sirven de evaluación que 1997); EL comité para la energía solar tratan de ser aspectos estándar de medición estableció una prueba estándar cuyo objeto es del desempeño, la aplicabilidad y promover uniformidad y consistencia en las aceptabilidad son: velocidades de pruebas y métodos de clasificación de las calentamiento, temperatura máxima cocinas solares ( ASAE, 2001); Harrison alcanzada, área de apertura, frecuencia de trabajó en la identificación de materiales reposicionamiento, capacidad, dimensiones, reflectivos para posible uso en cocinas solares peso, portabilidad y costos. En las Tablas 1, 2 (Harrison, 2001); EL laboratorio nacional de y 3 se presentan un resumen de diferentes energía renovable realizó la caracterización diseños de cocinas solares desde el punto de de superficies selectivas y descripción de los vista técnico, a la vez que pueden observarse diferentes tipos de absorbedores ( NREL, numerosas configuraciones de estos sistemas. 2002); Wiston desarrollo un principio de
68 Macía et al Tabla 1. Resumen de especificaciones técnicas de algunas cocinas solares comerciales Table 1. Summary of engineering specifications of some commercial solar kitchens Modelos de cocinas Empresa productora Cocinas Tipo de cocina Caja con reflectores externos Caja con reflectores externos Caja con reflectores externos Caja Caja con reflectores externos Modelo Villager Sun Oven Global solar oven T16 ULOG Solar baken over Dimensiones (m) 1.2x1.2x1.8 0.5x0.5x0.28 sin reflectores 0.72x0.48x0.28 0.67x0.67x1.05 0.5x0.4x0.3 sin reflectores Área de apertura (m2) - 0.25 - 0.24 0.20 Capacidad (L) - - 2.5 2.5 - Máxima temperatura - - - 91 ºC en 120 min. - (agua) Máxima temperatura (aceite) - - - 125ºC en 130min. - Máxima temperatura (cocina vacía) >260ºC >180ºC >180ºC - >180ºC Peso (kg) 444 10 14 - -
Dyna 146, 2005 69 Tabla 2. Continuación resumen de especificaciones técnicas de algunas cocinas solares comerciales Table 2. Summary of engineering specifications of some commercial solar kitchens Modelos de cocinas Empresa productora Cocinas Tipo de cocina Caja Concentración Caja - eléctrica Concentración Concentración Modelo Sunstove Freedom cooker ll Nutrenguard SK12 Papillon Dimensiones (m) 0.64x0.64x0.38 - 0.56x0.53x0.21 1.4x1.6x1.25 - Área de apertura (m2) 0.28 - 0.23 1.54 reflector 2 Capacidad (L) 1.5 - - 6 6 Máxima Temperatura (agua) 87 en 120 min - - 96 en 150 min 80 en 20 min Máxima temperatura (aceite) 114ºC en 130 min - - 198 en 130 min - Máxima temperatura (cocina - >180ªC >150ªC - >300ªC vacía) Peso (kg) - 12 - - -
70 Macía et al Tabla 3. Continuación resumen de especificaciones técnicas de algunas cocinas solares comerciales Table 3. Summary of engineering specifications of some commercial solar kitchens Modelos de cocinas Empresa productora Cocinas Tipo de cocina Concentración Concentración concentración Concentración Concentración Modelo Solar reflex 600 Square parabolic I”Zola stove Sun flash Dimensiones (m) 0.6x0.6 0.9x0.9 0.9x0.8x0.3 - Área de apertura (m2) - - 1.2 - - Capacidad (L) - - - - - Máxima Temperatura (agua) - - - - - Máxima temperatura (aceite) - - - - - Máxima temperatura (cocina 280ªC 280ªC - - - vacía) Peso (kg) - - 18 - -
Dyna 146, 2005 71 2.1 ELEMENTOS COMUNES 2. CONCEPTO Y GENERALIDA- CONSTITUTIVOS DE LAS COCINAS DES DE LAS COCINAS SOLARES SOLARES Las cocinas solares representan una Los principios de la óptica geométrica y la aplicación de la energía solar efectiva, física térmica envueltos en el desarrollo de simple y de bajo costo. Estos dispositivos, las cocinas solares son los relacionados con cuya construcción es factible a partir de la reflexión y transmisión de la luz diferentes materiales de disponibilidad (radiación de onda corta), la absorción de la local, emplean los principios básicos de la radiación, la transformación de ésta en óptica geométrica y la física térmica para energía térmica (radiación de onda larga) y producir calor, lográndose temperaturas la limitación de la transferencia hacia el (alrededor de los 120º C) y ratas de medio circundante de la misma. El manejo calentamiento que permiten la cocción de físico y operativo de estos factores conlleva una amplia variedad de alimentos, a la vez a que todos los sistemas de cocción solar que amplían su utilización a la pasterización tengan elementos comunes, ver Figura 1, de agua y la esterilización de elementos con configuraciones y combinaciones médicos. diferentes, pudiendo estar presentes todos, o sólo parte de ellos, en un sólo diseño. Reflector Reflector Absorbedor (olla) Cubierta Reflector Aislamiento Absorbedor Figura 1. Elementos comunes constitutivos de una cocina solar Figure 1. . Constituent common elements of a solar kitchen 2.1.1 Reflectores rápidas (mayor velocidad transformando la energía solar en energía térmica y Los reflectores se emplean como elementos alcanzando la temperatura de equilibrio), de captación, transmisión y permitiendo luego transferir está energía direccionamiento de la energía solar. La por conducción al recipiente de cocción. El principal propiedad que deben tener es que uso del absorbedor como entidad específica puedan manejar la radiación con la mayor no siempre es necesario, en algunos eficiencia posible, es decir, reduciendo las diseños, el recipiente hace las veces de pérdidas ópticas (propias de la geometría receptor con la ventaja de suprimir las del sistema) y las pérdidas térmicas (propias pérdidas debidas a la transferencia por del material con el que están hechos). conducción, pero con la desventaja de requerir configuraciones geométricas que 2.1.2 Absorbedor requieren reubicaciones mucho más Con el absorbedor o receptor se logra un frecuentes para una operación adecuada, mayor control sobre el flujo de radiación además de que es propio de estas que ingresa al sistema, ya que con él se configuraciones tener valores de pueden dar ratas de calentamiento más concentración más altos lo cual se traduce
72 Macía et al en temperaturas de operación más elevadas disminuir considerablemente el flujo de lo que podría no ser del todo deseable. energía térmica hacia él. 2.1.3 Cubierta 2.2 CLASIFICACIÓN DE COCI- NAS SOLARES Este componente puede tener diferentes formas dependiendo de dónde y cómo vaya Existen varios tipos de cocinas solares, ubicado. En una cocina tipo caja es la cerca de cincuenta diseños principales, puerta de entrada para la radiación solar y algunos de ellos patentados, y cerca de cien define un encerramiento. En una cocina de variaciones de éstos. Los diferentes tipos de concentración igualmente puede definir un cocinas pueden reunirse en tres grupos encerramiento o estar solamente alrededor principales: cocinas tipo caja, cocinas del recipiente de cocción. Su propiedad más concentradoras y cocinas indirectas. importante es que debe ser transparente a la Las cocinas tipo caja Consisten en una radiación solar y opaca a la radiación cámara térmica aislada, cubierta en su térmica para atrapar el calor y producir el interior por superficies reflectoras y en efecto invernadero reduciendo de esta donde por una de sus caras entra la forma las pérdidas térmicas y aumentando radiación solar. Son muy populares y la potencia del sistema. pueden construirse con materiales muy baratos. Su temperatura típica de operación 2.1.4 Aislamiento se encuentra entre los 80 y los 120º C. Ver Como su nombre lo indica su objetivo es Figura 2. aislar el sistema del medio circundante y así Figura 2. Algunos modelos de cocinas solares tipo caja. Figure 2. Some models of solar kitchens type box. Las cocinas de concentración se utiliza ubica en la zona focal. Su temperatura de superficies reflectoras parabólicas, operación se alcanza rápidamente y su cilíndricas, cilindro-parabólicas, magnitud depende en gran medida de la paraboloides o esféricas según sean calidad de las superficies reflectoras, estas bidimensionales o tridimensionales, o temperaturas se hallan entre los 70 y 220º superficies simplemente planas. El C. Ver Figura 3. recipiente que contiene los alimentos se
Dyna 146, 2005 73 Figura 3. Algunos modelos de cocinas solares de concentración Figure 3. Some models of solar kitchens of concentration Por último, en los hornos indirectos, se En las cocinas tipo caja la ganancia de utilizan colectores solares convencionales energía se da cuando la radiación incidente usados en el calentamiento de agua, pueden sobre la superficie receptora es absorbida y ser colectores de placa plana o de tubos de transformada en energía térmica, esta calor, éstos calientan un fluido de trabajo ganancia puede aumentarse al utilizar que es enviado a calentar el horno o reflectores adicionales y con una recipiente donde se cocinan los alimentos. orientación precisa de la cubierta. El Una de las ventajas de estos sistemas es que almacenamiento de energía se obtiene permite cocinar en el interior de la casa, debido a la irradiación térmica de los pero son más complicados y costosos. objetos en el interior del encerramiento que se van calentando, esta radiación de onda 2.3 PRINCIPIOS DE DISEÑO larga no puede escapar (efecto invernadero) Los aspectos que deben tenerse en cuenta a y contribuye a la acumulación de energía en la hora de diseñar, construir y/o optimizar la cocina, por lo tanto la energía se una cocina solar se relacionan con la almacena en el aire atrapado, en la ganancia de energía, el almacenamiento de superficie receptora y en el alimento que energía y con las pérdidas de energía. esta siendo cocido. Ver Figura 4. Figura 4. Principios de diseño, se muestran los flujos de energía: radiación incidente, efecto invernadero, pérdidas y cambios de aire en cocina tipo caja. Radiación incidente y pérdidas en cocina de concentración. Figure 4. Principles of design, energy flows: incident radiation, effect conservatory, air losses and changes in kitchen type box. Incident radiation and losses in concentration kitchen
74 Macía et al En las cocinas de enfoque la ganancia de 2.4 SEGURIDAD ALIMENTARIA calor se logra por concentración directa de EN LA COCCIÓN la radiación solar sobre el recipiente que La salubridad de los alimentos cocidos por contiene los alimentos. El almacenamiento medio de cualquier método, sean éstos al de energía se da dependiendo si la cocina vapor, húmedos o en seco, requiere que se tiene cubierta protectora ya sea para todo el cumpla con condiciones específicas y sistema o sólo para el recipiente. En ambos estrictas, ver Tabla 4, independientemente casos las pérdidas de energía se dan por los de si el proceso se lleva a cabo en estufas tres mecanismos de transferencia de calor: eléctricas, a gas, de leña, hornos conducción, convección y radiación. microondas u hornos solares. Tabla 4. Temperaturas mínimas internas recomendadas para algunos alimentos y tiempo mínimo requerido para la eliminación de agentes patógenos Table 4. Internal minimum temperatures recommended for some foods and minimum time required for the elimination of pathogenic agents Temperatura mínima interna Tipo de alimento Tiempo mínimo recomendada Aves de corral sin despresar. 83ºC 15 s Muslos y alas. Aves de corral. Pechugas solamente. 77ºC 15 s Carne de res y cerdo bien hechas Rellenos y recalentamiento de 73,5ºC 15 s comidas sobrantes Carne de res y de cerdo término medio. 72ºC 15 s Embutidos. Huevos. Carne de res término bajo. Carne de cordero. 63ºC 3 min Pescado ZONA PELIGROSA (10ºC – 52ºC) Tiempo máximo de CRECIMIENTO DE BACTERIAS permanencia 2 horas Todos los alimentos crudos de origen igualmente peligrosa la cocción parcial de animal como huevos, pescado, carnes de los alimentos, dado que no se alcancen las ganado vacuno, porcino y de aves de corral temperaturas necesarias, como podría y cualquier combinación de éstos deben ser ocurrir en días de baja radiación solar o al suficientemente cocidos hasta que todos los final de la tarde. Por lo tanto los alimentos microorganismos potencialmente dañinos parcialmente cocidos deben ser enfriados a sean destruidos. La temperatura interna temperaturas por debajo de los 10ºC o mínima a la cual los patógenos son deben terminarse de cocer con alguna eliminados depende del tipo de alimento energía alterna. Si los alimentos han que esta siendo preparado (Ver tabla 4). Es permanecido por más de dos horas en franja importante cocer los alimentos en los de peligro pueden causar intoxicación así valores prescritos para asegurar que sean no haya señales visibles que indiquen que el aptos para el consumo humano o procurar producto no está en buenas condiciones. que no permanezcan por más de dos horas Recalentar el alimento no corrige el en la zona de peligro si se encuentran en problema ya que el calor no inactiva las ella. toxinas ya liberadas por las bacterias. En lo referente a la operación de las cocinas solares es importante destacar que es
Dyna 146, 2005 75 3. DISEÑO CONCEPTUAL operación sea segura para la salud humana. Desde el punto de vista técnico los Estudiar algunos factores socio- principios físicos que deben considerarse culturales y prácticos que puedan para diseñar y construir un dispositivo que afectar la aceptabilidad de los sistemas permita la cocción y/o pasterización son diseñados y a diseñar, y así por lo tanto simples; además, la disponibilidad de los tratar de encontrar un equilibrio entre la insumos requeridos para su elaboración es parte teórica, lo esperado y lo deseable muy alta, ya que son elementos de fácil en sistemas de esta índole. consecución. Así, estos aspectos son los que allanan el camino para que exista un Tabla 5. Lista de problemas esenciales identificados y su aplicabilidad en el desarrollo número muy alto tanto de diseños del proyecto originales de hornos solares como Table 5 List of essential problems identified variaciones de éstos, cuyo objeto último es and its applicability in the development of the facilitar medios asequibles, técnica y project económicamente, por los cuales los Problemas esenciales Aplicabilidad alimentos puedan prepararse, y por ende Optimizar diseños contribuir a que una necesidad básica como Sí actuales lo es la alimentación pueda ser satisfecha. Hacer diseños En la revisión bibliográfica y del estado del completamente nuevos o Sí arte no se encontraron mayores evidencias mejorar actuales que indiquen que la metodología empleada Hacer diseños modulares No necesariamente en el diseño y construcción de los hornos Hacer diseños funcionales Sí solares sea diferente a la de ensayo y error, y estéticos a excepción de lo hecho por parte de Hacer diseños Sí algunas instituciones universitarias y económicos organizaciones no gubernamentales en Identificar razones que distintos lugares del mundo. Sin importar el afectan la aceptación por Sí método siempre se busca obtener mejoras parte del usuario en cuanto a la practicidad y desempeño 3.2 FACTORES QUE AFECTAN LA térmico del dispositivo de manera tal que se ACEPTABILIDAD POR PARTE DE puedan lograr mayores niveles de LOS USUARIOS DE LAS COCINAS aceptación entre los posibles usuarios de SOLARES éstos, es decir, lograr diseños óptimos. Hasta ahora, no hay un estudio comparativo 3.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA detallado de la aceptancia de los diferentes Se plantea algunos aspectos relevantes para modelos de cocinas solares por parte de los la formulación global o generalizada del usuarios, por lo tanto no es completamente problema, cuyo fin es identificar el mayor claro que tipo de cocina es mejor aceptada número de elementos que facilite el en ciertas condiciones. Algunas preguntas establecimiento de una estrategia global de se plantean tratando de encontrar razones solución (Ver Tabla 5). potenciales que puedan explicar los factores Para atacar los diferentes ítems planteados que afectan la aceptabilidad de estos en la Tabla 5 se propone una estrategia que sistemas: permita: ¿Se adapta el sistema a las necesidades Estudiar los principios y mecanismos y hábitos del usuario? físicos involucrados en la transferencia ¿Son las cocinas solares lo de energía solar desde la fuente hasta su suficientemente prácticas, es decir, recepción en los sistemas de cocción podrían usarse para freír, hornear, solar de manera tal que los parámetros cocinar; además de cocinar en formas determinantes sean identificados e tradicionales, esto es, tener fácil acceso incorporados a la solución a estructurar. a los recipientes, poder revolver, etc.?, Estudiar lo concerniente a la cocción de y si no, ¿Qué implicación tiene esto? alimentos de manera tal que pueda ¿Se requieren mayores niveles de diseñarse una aplicación cuya radiación solar?
76 Macía et al ¿Qué tan desfavorable es la implicación una estructura de funciones con el objeto de inherente de la dificultad para cocinar ver claramente las diferentes y posibles en las primeras horas de la mañana y relaciones que se dan entre las entradas y las últimas de la tarde? salidas del sistema considerado. En la ¿Son lo suficientemente económicas? Figura 5 se muestra la función principal ¿Son sus desempeños térmicos, ratas de (cocinar) con sus respectivas señales de calentamiento y temperaturas máximas, ingreso (potencia solar, masa sin cocer) y lo suficientemente buenos? de egreso (pérdidas térmicos, masa cocida), ¿Los intervalos de reposicionamiento luego esta función es divida en son muy cortos? subfunciones tratando de esbozar los Estos cuestionamientos permiten establecer, posibles mecanismos físicos involucrados más que respuestas definitivas, ciertas en el proceso, de manera tal que se facilite consideraciones a tener presentes en la la búsqueda subsecuente de soluciones búsqueda de soluciones que se ajusten a las particulares encaminadas a la consecución condiciones mismas de operación y de las mejores propuestas que satisfagan de cualidades intrínsecas de este tipo de manera integral la función principal equipos. Por lo tanto lo más importante es planteada. evaluar la pertinencia de diseñar soluciones Tabla 6. Lista de requerimientos para cada aplicación en particular Table 6. List of requirements evaluando cada uno de los aspectos tratados Requerimientos Estatus anteriormente o tratar de lograr soluciones Rango temperatura de cocción: integrales en las que deben hacerse Exigido 80 – 120ºC concesiones en los distintos aspectos Tiempo para alcanzar temperatura funcionales para obtener un resultado segura de cocción (60º C): máximo Exigido balanceado y satisfactorio. 1,5 horas Fácil construcción Exigido 3.3 ESPECIFICACIÓN Manejo fácil y seguro Exigido En la Tabla 6 se presenta la lista de los Tolerancia a errores de orientación requerimientos que deben lograrse en la y baja frecuencia de Deseable solución final. Estas metas específicas son reposicionamiento (cocción solar detalladas, claras, concisas y permite definir pasiva) Relación costo-beneficio adecuada Deseable un mejor camino a seguir para la solución Cocción desatendida por largos del problema. Deseable periodos de tiempo 3.4 ESTABLECIMIENTO DE LA Multipropósito: asar, freír, cocinar Deseable ESTRUCTURA DE FUNCIONES De acuerdo con los requerimientos presentados en la sección anterior se crea COCINAR Psol Transmitir EP Captar ZONA TÉRMICA Transformar Almacenar Mfinal Cocer Minicial Figura 5 Estructura de funciones Figure 5 Structure of functions
Dyna 146, 2005 77 Cada una de las sub-funciones en las que se relacionados con todas las subfunciones ha dividido la función principal se explicará anteriores, lo importante es hallar en los siguientes ítems: soluciones que permitan la utilización de la energía ganada de manera eficaz, 3.4.1 Captar manteniendo un equilibrio que no afecte La forma en la que se lleve a cabo la significativamente el desempeño térmico y captación de la energía solar es un factor óptico del sistema. crítico para el desempeño térmico del horno 3.4.5 Principios de solución solar. La eficiencia con la que la radiación solar es colectada depende fuertemente de El plan general con el cual se abordará la las configuraciones geométricas, la forma búsqueda de los principios de solución para de las superficies y la orientación de las cada una de las subfunciones establecidas mismas. La frontera divisoria entre la en la sección anterior, cuyo objeto es captación y la transmisión de la energía no identificar, analizar y determinar los está muy definida, pero puede decirse que posibles principios físicos, y sus variables la captación tiene que ver más con aspectos fundamentales, que satisfagan y den espaciales condicionados por las cumplimiento al grupo de acciones características de distribución de la energía establecidas mediante la estructura de solar según las zonas de la tierra en las funciones, además de examinar la cuales se desarrolla la aplicación, es decir, viabilidad de sus respectivas la configuración global y disposición del implementaciones, es el siguiente: sistema. Abordar el estudio de la radiación solar y hallar las consideraciones y los 3.4.2 Transmitir, transformar parámetros relevantes que deban ser Habiendo definido la captación de energía tenidos en cuenta para la elaboración de en términos de configuraciones espaciales, un principio de solución para el sistema la transmisión busca la forma de manejar la en desarrollo. energía que ingresa al sistema de una Abordar el estudio de los principios de manera eficiente, reduciendo al máximo las la óptica que sean de interés y/o cuya pérdidas ópticas y dirigiéndola a un punto área de aplicación y/o principio específico para su transformación. intrínseco parezcan de interés para el La transformación de la energía tiene que presente proyecto, y determinar las ver con la estrategia empleada para la consideraciones y los parámetros ganancia rápida de energía térmica por básicos requeridos para la elaboración parte del sistema al transformar la radiación de un principio de solución. de onda corta proveniente del sol. Abordar el estudio de los diferentes 3.4.3 Almacenar mecanismos de transferencia de calor, y de masa si es necesario, que estén El almacenamiento de la energía posiblemente involucrados en el transformada se da como consecuencia de desempeño térmico del sistema a la necesidad de ir acumulando la energía desarrollar. Determinar las ganada con miras a alcanzar mayor potencia consideraciones y los parámetros energética disponible para la cocción y básicos que sean importantes para la alcanzar mayores velocidades de elaboración de un principio de solución. calentamiento al disminuir la energía que Emplear una metodología que permita por las condiciones termodinámicas del depurar, evaluar y preseleccionar las sistema y de no mediar un método de propuestas de solución eventualmente supresión se depositaría en el ambiente. planteadas. Plantear un modelo o 3.4.4 Cocinar modelos matemáticos, para diseños preseleccionados solamente, que den Esta subfunción tiene que ver con los cuenta de la evolución del proceso y del recipientes como tal para la cocción. Los desempeño térmico del sistema con mecanismos mediante los cuales la cocción miras a observar relaciones más de alimentos se da están estrechamente estrechas entre cada uno de los
78 Macía et al elementos del sistema y por ende tener concentradores formadores y no formadores mayores criterios para el de imagen de una manera concisa y clara dimensionamiento, la optimización y la buscando exponer los aspectos de mayor presentación de un diseño final. relevancia que este tipo de dispositivos presentan en su concepción. No se hará una 3.5 TEORÍA BÁSICA desarrollo paso a paso ni demostrativo en En este ítem se presentan los principios este documento ya que esto escapa al físicos estudiados, en sus aspectos más alcance del mismo, además que provocaría importantes, sus resultados más la desviación completa del objetivo significativos y sus fundamentos teóricos. principal que es determinar los principios Posteriormente a la exposición de los físicos útiles que sirvan para hallar y principios físicos de solución se elaboran formular posibles soluciones a las propuestas de solución globales para el subfunciones con anterioridad sistema de cocción, se sugieren detalles especificadas. Con el fin de dar continuidad físicos más específicos y se estiman pero sin afectar la congruencia del presente dimensiones generales. Al final de la trabajo se hará referencia a los conceptos sección estarán sentadas todas las bases necesarios para exponer las ideas más preliminares a la simulación del desempeño importantes, pero se sugiere a lector de los diseños de sistemas dirigirse a la bibliografía que aquí ha sido preseleccionados. empleada o a los anexos según sea el caso, 3.5.1 Radiación solar, consideraciones cuando se desee hacer un análisis en mayor geométricas básicas extensión y profundidad del tema. El estudio de los sistemas de concentración El desempeño óptico y térmico del sistema solar se abordará sólo desde el punto de esta condicionado fuertemente por las vista de la geometría óptica, es decir, el condiciones de radiación solar, es decir, comportamiento de la luz cuando incide condiciones climáticas, ubicación sobre superficies reflectoras y cuando geográfica y orientación del sistema. penetra en superficies refractoras. Colombia por estar localizado muy cerca La idea intuitiva que fundamenta este del ecuador terrestre tiene unas condiciones estudio es el rayo de luz, definido favorables de radiación solar a lo largo del toscamente, como el camino o el trayecto a año, sumado a las numerosas regiones del través del cual la energía lumínica viaja, país donde las condiciones climáticas junto con dos tipos de superficies las cuales permiten su pleno aprovechamiento. o bien reflejan o bien transmiten la luz. Adicionalmente, en esta ubicación, los Cuando la luz es reflejada por una movimientos aparentes del sol en el cielo a superficie suave ésta obedece la muy bien lo largo del año no son drásticos y no conocida ley de la reflexión la cual expresa representan una dificultad mayor a la hora que los rayos incidentes y los reflejados de diseñar el sistema. El ángulo que hace la hacen ángulos iguales con respecto a la radiación solar con la normal a la horizontal normal de la superficie en el punto de en un lugar determinado cuando el sol se incidencia y que los rayos y la normal se encuentra en el cenit esta dado por los encuentran sobre un mismo plano. Cuando movimientos aparentes a través del año y la luz es transmitida la dirección del rayo es por la latitud del lugar, en Colombia este cambiada de acuerdo con la ley de la ángulo estaría, con mínimas cambios en el refracción, ley de Snell, la cual establece año, entre los 0º y los 10º, en el caso de que la razón entre el seno del ángulo de Medellín este es 6.14º (6.14º latitud norte). incidencia y el seno del ángulo de Resta por conocer entonces la dirección de refracción, cuando la luz pasa de un medio los rayos solares sobre una superficie uno a un medio dos es una constante, específica a lo largo del día. conocida como el índice de refracción, 3.5.2 Principios de óptica aplicados a siendo los tres igualmente coplanares. los concentradores de energía solar En este apartado se hace mención y se presenta la óptica relacionada con los
Dyna 146, 2005 79 3.5.3 Principios básicos de los del proceso de desplazamiento, en cada concentradores solares no productores etapa la cuerda se mantiene tensa en una de imagen dirección paralela a los rayos de luz incidente. Más tarde, la cuerda se dobla Aunque las lentes y los espejos concentran bruscamente para ir a buscar el orificio de la luz, no son los mejores dispositivos para salida (punto C), y así la longitud total de la este cometido. En realidad, el cuerda permanece inalterada. Los puntos comportamiento de cualquier dispositivo para los cuales la cuerda se dobla definen la óptico capaz de concentrar la luz formando pared del concentrador. Todos los rayos una imagen se distancia bastante de lo restantes del haz, correspondientes a los esperado teóricamente. Esto se debe a que ángulos intermedios, se reflejan en algún aunque las imágenes formadas por estos punto del receptor CD, un fenómeno que en lentes y espejos son casi perfectas en el dos dimensiones se produce de manera punto focal, dichas imágenes resultan perfecta y de forma casi perfecta en tres distorsionadas lejos de éste. Por lo tanto dimensiones. mayores eficiencias en las concentraciones de la radiación se pueden lograr si se dejan de lado toda una serie de requisitos relacionados con la formación de una imagen. Los dispositivos diseñados con este fin reciben el nombre de concentradores sin imágenes, los cuales se comportan como un embudo. La radiación que penetra al concentrador por una superficie mayor se refleja de tal manera que atraviesa una superficie menor. Este proceso destruye cualquier imagen de la fuente luminosa pero dado que el interés Figura 6. Construcción por el método de la esta sólo en el efecto de concentración la cuerda de un concentrador parabólico formación de imagen alguna es compuesto (CPC) clásico. Receptor CD. completamente innecesaria, lo realmente Apertura de entrada AB. Frente de onda importante es tener una mayor intensidad de incidente máximo AH. Reflectores del rayos solares por unidad de área. concentrador parabólico compuesto (CPC) AC y El empleo de los dispositivos ópticos de no BD. Longitud de la cuerda AD+DC = EG+GC imagen obedece al deseo de diseñar = HB+BC. concentradores solares que no necesiten Figure 6. Construcción por el método de la orientarse para ir siguiendo la trayectoria cuerda de un concentrador parabólico compuesto (CPC) clásico. Receptor CD. del sol, ya que la utilización de sistemas de Apertura de entrada AB. Frente de onda seguimiento se basan en el uso de máquinas incidente máximo AH. Reflectores del complicadas y los gastos de la instalación y concentrador parabólico compuesto (CPC) AC y mantenimiento repercuten en el costo de la BD. Longitud de la cuerda AD+DC = EG+GC utilización de la energía solar. = HB+BC. 3.5.3.1 Método de la cuerda (o de lo rayos marginales). El concentrador se La longitud constante del camino óptico construye de manera tal que todos los rayos (AD+DC = EG+GC = HB+BC) requiere luminosos que entran el dispositivo según que el reflector sea el lugar geométrico de cierto ángulo de incidencia máximo (θa) los puntos que equidistan de un punto y una sean dirigidos (Gordon, 1996), tras sufrir línea, lo que representa un arco parabólico como mucho una sola reflexión, hasta el rotado, relativo al eje óptico, con un ángulo orificio de salida. Se puede comprender máximo θa y con el foco en C. cómo funciona este dispositivo haciendo Los perfiles conseguidos a partir de este deslizar un trozo de cuerda (HBC) a lo concepto se conocen como diseños de rayos largo de una barra (HA), tal como se puede marginales, de los cuales pueden realizarse apreciar en la Figura 6. En el diagrama se algunas variaciones dependiendo de la puede observar la cuerda en varias etapas
80 Macía et al configuración geométrica del receptor (Ver Figura 7). Figura 7 Secciones transversales de concentradores diseñados con el método de rayos marginales Figure 7. Trasversal sections of concentrators designed with the marginal ray method En la Figura 7 se tiene: palabra, dichos rayos atraviesan un espacio (b): Con un receptor circular (esférico físico, una región abstracta constituida por en 3D) de diámetro d. Los reflectores las posiciones y direcciones de los rayos. La BG y AF se obtienen a partir del magnitud del flujo vectorial geométrico esta requerimiento de que los rayos relacionado por lo tanto con los valores de incidentes extremos sean reflejados estas posiciones y direcciones. El diseño de tangentes al receptor. La sección del un concentrador para una aplicación reflector GE, por debajo de la línea determinada ocurre de suerte tal que dicho punteada, es la evoluta de un arco flujo se conserve, es decir, que no sufra circular. ninguna perturbación. (c): Con un receptor rectangular 3.5.4 Factor de concentración (cilíndrico en 3D) que incluye el extremo superior pero no el inferior. Pueden darse dos definiciones de factor de Los reflectores son una combinación de concentración: La primera definición es secciones de parábola y evolutas. IJ es estrictamente geométrica (concentración un arco circular (la evoluta de una línea geométrica), la cual es la razón del área de recta) de radio h y centro en G. JK es el apertura al área del receptor. arco de una parábola con su foco en G y GJ como su eje. KB es el arco de una A apertura FC = FCárea = parábola con su foco en F y su eje es A receptor paralelo a GJ. La segunda definición está dada en Para lograr concentradores tridimensionales términos de la razón de la intensidad de la a partir de estas configuraciones lo único radiación en la apertura a la intensidad de la que se debe hacer es rotar la geometría radiación que alcanza el receptor. Este alrededor del eje de simetría. Debe tenerse factor considera, además de los efectos en cuenta que aunque los concentradores geométricos, los efectos de absorción. citados anteriormente son ideales en sus versiones bidimensionales, no lo son así en Iapertura sus versiones tridimensionales. FC = FCintensidad = Ireceptor 3.5.3.2 Método del flujo vectorial geométrico. En este método se supone que Estrechamente relacionado con el factor de el conjunto de los rayos ópticos que concentración esta el ángulo de aceptación, atraviesan un sistema se comporta en el cual es el rango angular en el cual todos o principio como un fluido. Luego, en vez de casi todos los rayos que se encuentran atravesar el espacio en el sentido usual de la
Dyna 146, 2005 81 dentro de él son aceptados sin necesidad de radiación de longitud de onda grande siendo orientar o reorientar el colector. por lo tanto este aspecto de especial El factor de concentración máximo posible cuidado al momento de seleccionar los está condicionado por la segunda ley de la materiales a ser empleados en los sistemas termodinámica (Feuermann D et,al. 1998), de cocción. por lo tanto para un ángulo de aceptancia θa dado y un concentrador bidimensional, éste 3.5.5.2 Transmitancia solar. La factor es: transmitancia de los materiales semitransparentes reales depende 1 igualmente de la longitud de onda Cideal 2Dmax = sen(θa ) incidente; de esta manera, la transmitancia correspondiente a la radiación visible, de La correspondiente concentración máxima longitudes de onda pequeña, puede ser muy tridimensional es: diferente de la transmitancia a la radiación infrarroja, de longitudes de onda grandes. 1 Así, para el vidrio se tienen transmisiones C3Dmax = sen 2(θa ) elevadas de radiación de onda corta (>2μm), pero es casi opaco a longitudes de El diseño de un concentrador no productor onda grandes (>3.4μm) (ver tablas 7 y 8). de imagen estará determinado principalmente por el grado de 3.5.6 Combinación de los principios y concentración que se requiera alcanzar determinación de las variantes de según la aplicación, pero además debe tratar solución de hallarse un compromiso entre los desempeños térmico y óptico. Así, por El estudio de los principios y los fenómenos ejemplo, el tamaño del absorbedor debe ser físicos involucrados de una u otra forma en lo suficientemente pequeño para reducir las las características de operación y pérdidas térmicas pero aun lo desempeño de las cocinas solares ha suficientemente grande como para que permitido construir un campo propicio para pueda interceptar toda, o casi toda, la el desarrollo de posibles soluciones que radiación incidente en el rango satisfagan los requerimientos establecidos. especificado. Haciendo una síntesis de los principios de solución expuestos y con base en la estructura de funciones propuesta se realiza 3.5.5 Propiedades ópticas de los un arreglo sistemático de éstos que facilite materiales para las aplicaciones de su identificación su combinación adecuada. energía solar Ver Tabla 7. Las dos propiedades ópticas más importantes son la absortancia y la Organizados los principios de solución de tramitancia, a continuación se hará una manera clara y concisa se procede ahora a breve explicación de su influencia en el la combinación de los mismos bajo las desempeño de los equipos. siguientes consideraciones: 3.5.5.1 Absortancia solar. La absortancia Combinación sólo de subfunciones de las superficies reales depende de la compatibles. longitud de onda de la radiación incidente. En la mayoría de las aplicaciones de Considerar sólo las combinaciones que ingeniería se usan valores medios de esta cumplan los requerimientos. propiedad que son medidos sobre longitudes de onda mayores, es decir, en el Hacer énfasis en combinaciones rango de la radiación térmica. Para muchas prometedoras. superficies la absortancia de radiación de longitud de onda pequeña difiere de manera importante respecto a la absortancia de
82 Macía et al Tabla 7. Principios de solución Table 7. Principles of solution A B C D E Captar Energía I 1 Área de captación Área de captación Área de captación cuadrada rectangular invertida Área captación abierta 2 Superficie concentradora, Receptor de sección Superficies reflectoras recepción por el recipiente Paneles reflectores cilíndrica Sistema invertido verticales en el foco Transformar Transmitir SIN TRANSMISIÓN. Ii 3 TODAS LAS SUPERFICIES Superficie concentradora, Recepción adicional por Receptor de sección NEGRAS Superficies reflectoras recepción en placa debajo cuadrada inclinadas 4 Superficies reflectoras de perfil parabólico 5 Almacenar Aislamiento + efecto Invertido, aislamiento + e.i Cubierta transparente, E.I invernadero SIN Iii ALMACENAMIENTO 6 Cubierta transparente Aislamiento + efecto para el recipiente Aislamiento + cumulación invernadero + acumulación formando E.I. + efecto invernadero Cocinar I 7 v Placa absorbesora, placa de Recipiente cilíndrico para Recipiente tipo caja para cocción receptor cilíndrico Recipiente convencional receptor perfil cuadrado
Dyna 146, 2005 83 En las Tablas 8 y 9 se muestran las Tabla 14 se relacionan los diferentes diferentes combinaciones efectuadas. En la colores. Tabla 8. Combinación de los principios de solución Table 8. Combination of the solution principles A B C D E Captar i 1 Energía 2 Transmitir ii 3 Transformar 4 5 iii Almacenar 6 iv Cocinar 7 Tabla 9. Continuación combinación principios de solución Table 9. Continuation combination solution principles A B C D E Captar 1 i Energía 2 Transmitir ii 3 Transformar 4 5 iii Almacenar 6 iv Cocinar 7 Tabla 10. Lista de variantes de solución obtenidas a partir de la Tabla 8 Table 10. List of variants of solution obtained from Table 8 Nº Variante Nº Variante 1 1B 2A 5A 7D 9 1B 2D 5A 7B 2 1B 3A 5A 7D 10 1B 3D 5A 7C 3 1B 4A 5A 7D 11 1B 3D 5A 7D 4 1D 3B 5C 7D 12 1D 2C 6B 7D 5 1B 3E 5A 7D 13 1B 4A 6A 7D 6 1D 2B 6B 7D 14 1D 3C 5D 7A 7 1C 2E 5C 7D 15 1B 3D 5B 7C 8 1C 2E 5D 7A 16 1D 3B 5D 7A
84 Macía et al La descripción de las variantes relacionadas en la Tabla 10 se ilustra en la Tabla 11. Tabla 11 Descripción de las variantes de solución Table 11. Description of the solution variants Variante Descripción 1 Cocina tipo caja- paredes reflectivas verticales- aislada- iluminada desde arriba- recipiente convencional 2 Cocina tipo caja- paredes reflectivas inclinadas- aislada- iluminada desde arriba- recipiente convencional 3 Cocina tipo caja- paredes reflectivas perfil CPC- aislada- iluminada desde arriba- recipiente convencional 4 Cocina de concentración-plancha aislada-iluminada desde abajo- recipiente convencional 5 Cocina tipo caja sin transmisión- todas las superficies negras- asilada- recipiente convencional 6 Cocina de concentración-recipiente ubicado en el foco- recipiente aislado- recipiente convencional 7 Plancha-iluminada desde arriba y desde abajo-recipiente convencional- recipiente aislado por caja transparente 8 Plancha- iluminada desde arriba y desde abajo- cocción directa sobre la plancha 9 Cocina de concentración-aislada-receptor cilíndrico-recipiente cilíndrico 10 Cocina de concentración- aislada- receptor de sección. cuadrada- recipiente de sección cuadrada 11 Cocina de concentración- aislada- receptor de sección cuadrada- recipientes convencionales 12 Paneles reflectores-recipiente aislado por cubierta transparente 13 Cocina tipo caja-perfil CPC-aislada-con acumulación 14 Cocina de concentración reflectores CPC- receptor plano- cocción directa sobre la plancha 15 Cocina de concentración- receptor transparente de sección cuadrada 16 Cocina de concentración-plancha en el foco A pesar de haberse obtenido un gran no eliminar variantes que pueden ser número de variantes de solución es interesantes. Por lo tanto se han importante reducir el número de aquellas seleccionado algunos criterios de que aunque técnicamente viables no lo son evaluación para esta etapa de manera tal así desde el punto de vista práctico. Sin que sólo las variantes más prometedoras embargo debe prestarse cuidado al hecho de sean preseleccionadas. Ver Tabla 12.
Dyna 146, 2005 85 Tabla 12. Preselección de variantes de solución Table 12. Preselection of solution variants Criterios CRITERIOS EVALUACIÓN A: Compatibilidad con la función principal. VARIANTE DECISIÓN √: Sí B: Cumplimiento del los requerimientos. -: No C: Realizable en principio. ?: falta información D: Es factible económicamente. E: Preferencia. F: Información suficiente A B C D E F G DETALLES 1 + + + + + √ Cumple la función principal pero la información sugiere - 2 + ? + + menor eficiencia óptica 3 + + + + - √ Frecuencias de ubicación, obstrucción óptica, mayores - 4 + ? pérdidas térmicas, menor tolerancia a los errores de ubicación 5 + + + + - √ Frecuencias de ubicación, obstrucción óptica, mayores - 6 + + + pérdidas térmicas, menor tolerancia a los errores de ubicación 7 ? ? - 8 ? ? + - 9 + + + ? + ¿Qué tan costoso es comparado con los otros sistemas? √ 10 + ? + - No hay información suficiente - 11 + + ? - Tamaño del sistema, eficiencia - 12 + ? + + Temperaturas por debajo de los 100ºC - 13 + + + - Costoso - 14 + ? + - Falta más información. capacidad. forma de operación ? 15 + ? + - - Frecuencias de ubicación, obstrucción óptica, mayores - 16 + ? + pérdidas térmicas, menor tolerancia a los errores de ubicación Variante 5: Cocina solar todas las 3.5.7 Esquematización de las variantes superficies interiores negras. preseleccionadas Variante 9: Cocina solar de Variante 1: Cocina solar paredes concentración. Aislada. Superficies reflectivas verticales. Aislada. reflectivas de perfil CPC. Ver Tabla 13. Recipiente convencional. Variante 3: Cocina solar paredes reflectivas de perfil CPC. Aislada. Recipiente convencional.
También puede leer