Luis Enrique Mealla Sánchez*; Pablo Daniel Bonaveri Arangoa
Grupo Transferencia en Energías Alternativas (GTEA)
Universidad Autónoma del Caribe
Calle 90 No 46-112, Barranquilla, Colombia.
*luis.mealla@uac.edu.co
Fecha Recepción: 1 de noviembre de 2011
Fecha Aceptación: 4 de mayo de 2012
Se presenta la evaluación y resultados térmicos de cocinas tipo cajas, realizadas con el objeto de comparar diversos factores constructivos de las mismas utilizando un protocolo de prueba conocido como RICSA (Red Interamericana de Cocción Solar de Alimentos). Para ellos se dispuso de cuatro cocinas en donde se combinaron dos materiales de placa y dos materiales que sirven como aislante. Se sometieron a radiación solar directa calentando la placa colectora y luego al calentamiento utilizando agua como líquido de prueba. Se procedió a medir las perdidas térmicas y la eficiencia térmica. Parámetros adicionales como el tiempo en que alcanza la temperatura de cocción efectiva y el tiempo en que la mantiene sin intervención del operador también fueron medidos. De aquí, el análisis de la información proporcionó un buen rendimiento comparable entre cocinas con placa de hierro y los dos aislantes probados por sobre las cocinas de placa de aluminio; además, por la relación precio-rendimiento, se recomienda su construcción utilizando materiales que tienen alto rendimiento y bajo precio.
Palabras clave: energía solar, aislamiento, construcción.
This document presents the evaluation of a different set of solar ovens in terms of their thermal performance by the RICSA protocol. For this purpose, four solar ovens were constructed differentiated mainly by the type of isolation and plates. All were exposed to direct solar radiation. First, only the collector plate was heated to measure thermal losses and efficiency and second, a determined amount of water was introduced to measure the thermal power of the solar oven. Additional parameters like the time in which it reaches the temperature of effective boiling point and the time in which it maintains functioning without intervention of the operator also were measured. The analysis provide empirical evidence regarding adequate levels of thermal performance of solar ovens constructed using iron on one hand, and aluminum on the other. It is recommended to extend the use of this type of equipments given the priceeffi ciency obtained in the experiments.
Keywords: solar energy, insulation, construction.
El uso de energías no convencionales para
la cocción de alimentos y el calentamiento de
agua para consumo humano cobra auge ante la
posibilidad de fuentes de fácil acceso por parte
de los potenciales usuarios. Esas aplicaciones
se realizan a temperaturas que, culturalmente, se
pueden alcanzar con la quema de combustibles
de origen mineral o vegetal. En Colombia el uso
de combustibles fósiles en el sector residencial
representa aproximadamente el 35% del gasto
energético de la población, de la cual el uso de
leña equivale a 28% del anterior porcentaje [1].
Evidentemente, este combustible se utiliza
mayormente en el sector rural para la cocción
de alimentos. Esta actividad repercute en una
alta tasa de deforestación y en la desmejora de
las condiciones ambientales en el país. A nivel
mundial se presentan esfuerzos para masificar
este tipo de estrategias de cocción solar
mediante difusión de las mismas por medios de
comunicación masivos. Estos esfuerzos hacen
que la información de cómo reproducir distintos
modelos se encuentre catalogada y en distintas
fuentes confiables [2,3]. La comparación de las
bondades y características sobresalientes de
cada modelo de cocina solar son enumeradas de
forma sistemática a fin de que el usuario pueda
elegir el modelo más conveniente.
A nivel latinoamericano hay un sinnúmero de
aportes de los que se puede destacar el de
Nadwani [4] en Costa Rica, quien es uno de
los promotores más reconocidos en su país de
estas técnicas de cocción. Nadwani sometió a
evaluación térmica por mucho tiempo a varios
modelos fabricados por él. En la década pasada,
un grupo de reconocidos investigadores se
reunió para conformar una red con el objeto de
intercambiar ideas respecto a las experiencias
en las pruebas de distintos modelos de cocinas
solares para estandarizar un protocolo de
evaluación y medida de la eficiencia térmica
durante las pruebas de campo [5].
Este protocolo además de la descripción
minuciosa del modelo de cocina a probar, sugiere
una secuencia de ensayos a realizar. Los más
importantes son la medida de temperatura
en "vacío" donde se calienta la cocina en
condiciones de ausencia de comestible y el
calentamiento de la cocina con una cantidad
de líquido de trabajo conocido de manera que
se pueda medir la potencia de cocción captada
por la cocina. Las condiciones de los ensayos
suponen determinadas condiciones tales como
baja velocidad de viento, para no incluir esta
variable en las perdidas térmicas. Para comparar
la relación entre la energía recibida por la placa
y las pérdidas térmicas convectivas y radiativas
en un calentamiento en vacio, se propone una
relación en la cual la masa de la placa no acumula
energía (suponiendo que se tratase de una cocina
tipo caja). Se utiliza la siguiente relación:
En donde:
ηo= eficiencia óptica.
UL= coeficiente global de pérdidas.
Ap= área de la placa absorbente.
Av= área de la superficie transparente.
Iv= potencia radiante sobre la superficie transparente.
Tp= temperatura de la placa.
Ta= temperatura ambiente.
Obviamente se hace bajo el supuesto de que la
energía recibida y las pérdidas que tiene la cocina
son comparables y proporcionales. Al tratarse de
una relación lineal, la relación entre la eficiencia
óptica y el coeficiente global de pérdidas se obtiene
experimentalmente haciendo un ajuste de curva.
Esta suposición se observa más frecuentemente
en cocinas tipo concentrador en las que no existe
una placa colectora.
Cuando se realizan ensayos de calentamiento
de cocinas con líquido de trabajo, se realiza un
balance donde se acumula energía únicamente en
el líquido de prueba, y la única fuente de energía
es la que llega a través de la cubierta y las pérdidas
se refleja en un coeficiente global, por lo que
no es necesario hacer un cálculo minuciosos de
todas las resistencias térmicas de los aislantes. La
Ecuación 2 muestra lo enunciado por el modelo.
En donde:
F’= factor de eficiencia de intercambio de calor.
ηo= eficiencia óptica.
(Mc)’w= Capacidad calorífica de todo el sistema (agua, ollas e interior de la cocina).
UL= coeficiente global de pérdidas.
Ap= área de la placa absorbente.
Av= área de la superficie transparente.
Iv= potencia radiante sobre la superficie transparente.
Tp= temperatura de la placa.
Ta= temperatura ambiente.
Tw= temperatura de agua.
El análisis sugiere comparar la potencia de
cocción acumulada por el líquido de prueba
pero estandarizada por la potencia radiante
solar estándar y por el cociente con la radicación
observada durante la prueba, esta parte del
modelo también propone una relación lineal entre
la potencia estándar y el salto de temperatura del
líquido de prueba con el ambiente.
Existen varios aportes a la bibliografía donde se
sigue este tipo de protocolo y que corroboran el
mismo [6]. Todavía está abierta la posibilidad a
la reforma de este protocolo de prueba, pues se
siguen realizando pruebas de eficiencia térmica
para varios modelos de cocinas como lo intenta el
presente trabajo.
Dentro del marco del proyecto "Cocción solar,
una alternativa de poblaciones emergentes de
la ciudad de Barranquilla" se buscó realizar la
transferencia en tecnología de cocción solar de
alimentos y además probar distintos diseños de
hornos solares, el objetivo fue obtener un horno
económico, con un diseño que posibilita su fácil
construcción y eficiencia comparable a un horno
construido con materiales que garantizan su alto
rendimiento térmico.
Se construyeron cuatro hornos solares de carga superior combinando placas colectoras de chapa de hierro (acero galvanizado) y chapa de aluminio estándar, las dos de 0,000625m de espesor, cubiertas con pintura comercial negro mate (emisividad 0,979, absortividad 0,9 y reflectividad 0,1). También se combinó en las cuatro, 0,05m de espesor de aislante de lana de vidrio y en otras se utilizó una capa delgada de lana de vidrio y hojas de papel periódico compactado a fin de completar los 0,05m de aislación. Para la cobertura externa se eligió triplex y las cubiertas fueron fabricadas de un marco de madera con uno o dos capas de vidrio de 0,004m de espesor. En caso de que la cubierta estuviese constituida por dos vidrios, la distancia entre ellos se estableció en 0,01m para evitar pérdida convectiva. La Figura 1 muestra un esquema del acabado final de las cocinas.
Todas las cocinas presentan un área de apertura
de 0,45m x 0,54m = 0,24m2, el área colectora
es de chapa de hierro o aluminio pintadas de
negro mate con 1,15m2 de placa. El peso de
las cocinas fluctúa según la combinación placa
colectora aislante, pudiendo tener entre 5 kg
cuando se trata de aluminio con lana de vidrio
y 10kg cuando se trata de hierro con papel
periódico compactado. Evidentemente todas son
transportables. Las dimensiones de las cajas se
establecieron de tal manera que la inclinación de
la cubierta sea la latitud del lugar (aprox. 11°), de
manera cada una de ellas tiene 0,62m de frente,
0,51m de fondo y 0,40m de alto promedio. El
volumen del interior de las cocinas es 0,53 m x
0,33m x 0,35m = 0,06m3. Por supuesto, se previó
que las ollas o utensilios para la cocción fuesen
removibles y que no estuviesen provistos junto
con las cocinas. No se dispuso el calentamiento
por otra fuente y para hacer la comparación no se
dispone de superficies reflectantes. No hay acceso
directo a las ollas; sólo se puede realizar por la
parte superior de las cocinas. Por la calidad del
cerramiento de las cubiertas (realizado con goma
de sellamiento de puertas de neveras, adherida al
marco de madera y reforzada con clavos) y que
la tensión de las gomas de cierre no es elevada,
se previó una significativa seguridad intrínseca al
sobrecalentamiento. Las alternativas constructivas
de las cocinas estuvieron orientadas solamente
para preparar alimentos y no se consideró la
posibilidad de almacenar agua caliente.
Los ensayos se realizaron entre el 15 de noviembre
de 2009 y el 15 de abril de 2010, teniendo en cuenta
la latitud y el clima del lugar, pues en este periodo
se dispone de días sin mucha nubosidad (debido a
que las lluvias están ausentes pues se esta fuera de
temporada de huracanes en el Caribe), pero como
contraparte se dispone de abundancia de vientos
alisios, por lo tanto los ensayos se realizaron en
un patio cerrado que permitió el resguardo de las
cocinas. La temperatura ambiente en todas las
pruebas osciló entre los 28 y los 33°C. Por estar
cerca del ecuador, el mediodía solar no fluctúa
mucho respecto del mediodía oficial.
Se realizaron dos tipos de pruebas para medir el
comportamiento térmico de las cuatro cocinas.
Un primer grupo de pruebas tuvo como objetivo
medir la relación entre la energía colectada a
través de la cubierta y las pérdidas por convección
y radiación. Estas pruebas se realizaron en vacío
(sin ollas) y cada una de las cocinas se evaluó con
simple y doble cubierta de vidrio. El objetivo fue
medir la relación entre la eficiencia óptica de las
cocinas y los coeficientes globales de pérdida. Se
midió temperatura de placa en las cuatro cocinas,
temperatura ambiente y radiación en el plano
normal desde las 9 hasta las 13 horas.
Un segundo grupo de pruebas se realizó con
agua, manteniendo la proporción de 6 l/m2 de área
de apertura. Para todas las cocinas se trabajó
con 1,43L de agua precalentada a 40°C en ollas
de aluminio pintadas de negro mate, de 0,20m de
diámetro y 0,25m de altura. Se intentó comparar la
potencia utilizada en la cocción con las pérdidas al
ambiente. Se midieron parámetros como el tiempo
en que la olla alcanza los 80°C y el tiempo en que
retiene esa temperatura una vez que se deja la
cocina sin operador.
En todos las pruebas se procedió a reorientar las
cocinas cada 15min a fin de tener siempre radiación
normal al plano de la cubierta, pero como el sitio
se encuentra en una latitud próxima al ecuador, la
necesidad de reorientar más aún cerca del medio
día solar no fue tan evidente en el periodo en que
se eligió. Para cada prueba individual se repitió en
días sucesivos al menos dos intentos. El objetivo
fue medir la potencia de cocción acumulada en el
líquido de prueba y cómo ésta se veía influenciada
por las pérdidas hacia el ambiente a través de la
cubierta y los laterales. Para esto, se realizaron
varios ensayos donde se procedió a precalentar
las cocinas a las 9:00 horas, se colocaron 1,43L de
agua a las 11:00 y se reorientaron hasta las
13:00h cada 15min. Después se dejaron en la
última posición y se midió la temperatura hasta las
17:00 aproximadamente.
Se midieron varias temperaturas utilizando
termocuplas tipo "T" (cobre – constantan)
conectadas a un Sistema de toma de datos
(Campbell) de ocho canales análogos y un
solarímetro (Mc View) de tipo semiconductor para
medir la potencia radiante normal en el plano
de las cocinas. En todas las cocinas se midió la
temperatura de placa adhiriendo una termocupla
en la cara opuesta a la placa que recibe radiación.
Además, se midieron, dos temperaturas en las
ollas: una a 1cm por encima de la base y la otra
a 1cm por debajo de la superficie de agua. Las
termocuplas para esta medida se introdujeron por
orificios en la tapa e ingresaron a la cocina por
la parte superior, entre el borde y la cubierta. La
temperatura ambiente se registró a la sombra,
aislando la punta de la termocupla con una esfera
agujereada de papel aluminio. La radiación fue
medida ubicando el medidor con una inclinación
similar al de las cubiertas de las cocinas (aprox.
11°) y se reorientó al mismo tiempo que se
reorientaban las cocinas, así se aseguró la medida
de la radiación normal al plano de la cubierta. El
intervalo de medición para todos los instrumentos
fue de 6min, pues la configuración del solarímetro
sólo tiene ese intervalo cercano a los 10min.
Un esquema del equipo de medición se puede
observar en la Figura 2.
Los datos de temperatura de placa, ambiente y
radiación durante el primer grupo de pruebas se
muestran en la Figura 3. Claramente se observa
la rápida respuesta de la temperatura de placa con
los cambios en la radiación.
Se observó que en el modelo propuesto existe
una relación lineal entre el salto de temperatura
y la energía recibida por la cocina, por lo tanto se
realizan ajustes lineales para encontrar el cociente
entre la eficiencia óptica de la cocina y las perdidas
térmicas resultando ésta como la pendiente de la
Ecuación 1. Algunos ejemplos de ajuste se pueden
observar en la Figura 4.
Como se señaló anteriormente, se realizaron las
pruebas para que las cuatro cocinas se probaran
con cubierta simple y doble. En la Tabla 1 se
pueden observar los resultados de los ensayos
realizados para calentamiento en vacío.
Después de procesar los resultados para las
pruebas de calentamiento con líquido de prueba
para distintas condiciones se procede a tabular.
La Figura 5 muestra dos de los distintos ajustes
entre la potencia de cocción estándar y la diferencia
de temperatura entre el agua y el ambiente.
A simple vista se observa en las pruebas de
calentamiento simple, es decir la cocina sin olla,
comparando los valores del coeficiente relativo (ηo/UL),
(como se observa en las pendientes del ajuste
lineal de la Figura 4). Una relación entre la eficiencia
óptica de la cocina y las pérdidas térmicas, que
definitivamente las cocinas de chapa de aluminio
pintada de negro con cubierta conformada con un
solo vidrio presentan más pérdidas que ganancias,
es decir, en vacío se enfrían muy fácilmente, pues
este coeficiente es menor que uno. El resto de
las cocinas, presenta pérdidas más pequeñas
comparadas con la ganancia (coeficiente mayor
que uno). Las cocinas de chapa de hierro con
cubierta simple presentan un coeficiente de valor
comparable con las cocinas de chapa de aluminio
con cubierta doble, es el caso esperado que las
cocinas de chapa de hierro con doble cubierta
presentan una mayor ganancia comparada con
las pérdidas.
Los datos se manejaron según lo sugerido por
el protocolo de prueba. El parámetro de ajuste
lineal mide la relación entre la potencia de cocción
estándar y la diferencia de temperatura; además
de eso se debe observar el valor de esta potencia
para cuando la diferencia de temperatura tiene un
valor de 50°C y el tiempo en minutos para alcanzar
una diferencia de temperatura de 80°C. La Tabla 2
muestra en resumen todos los datos relevantes
para este conjunto de pruebas. Resultados que
son más prometedores que los obtenidos por uno
de los autores en una experiencia anterior y para
otro tipo de materiales [6].
El coeficiente de ajuste entre la potencia estándar
y la diferencia de temperatura demuestra que si
se tiene poca variación de la potencia en función
de la diferencia de temperatura entre el líquido de
prueba y el ambiente, la pérdida de calor hacia el
ambiente es menor, por lo tanto las dos cocinas de
chapa de aluminio con doble cubierta presentan
una pérdida menor. Las que le siguen en orden
son las de hierro con cubierta doble. Al final
todas las cocinas de cubierta simple presentan
un coeficiente cercano a la unidad. La de peor
coeficiente es la de hierro con papel compactado
y cubierta simple. Desde este punto de vista, la de
más pérdidas es esta.
Si analizamos el valor de la potencia estándar para
un valor de diferencia de temperatura igual a 50°C,
se observa que las de mayor valor son las cocinas
de aluminio con cubierta doble, seguidas por las de
aluminio con cubierta simple. Un poco más abajo
siguen las de hierro con cubierta doble y muy por
abajo están las de hierro con cubierta simple.
Observando el tiempo en que las cocinas con
carga mantienen la temperatura por encima de
la temperatura de cocción, encontramos que las
cocinas de aluminio con cubierta simple mantienen
la temperatura de cocción por el lapso de entre 2,5
a 3h. En segundo lugar, las cocinas de aluminio
con cubierta doble mantienen la temperatura de
cocción entre 2 y 2,5h. Las cocinas de hierro con
doble cubierta mantiene alrededor de dos horas la
temperatura de cocción por encima del límite. Al
final las cocinas de hierro con cubierta simple solo
mantienen la temperatura por encima del límite por
un lapso entre una hora y una hora y media.
De los resultados obtenidos, se concluye que
existen diferentes combinaciones chapa colectora,
cubierta trasparente y aislación para construir
cocinas solares tipo caja y que se adapten a las
condiciones meteorológicas de esta región de
Colombia. Evidentemente habrá rendimientos
térmicos destacables en determinadas
combinaciones de materiales, pero también se
debe buscar el equilibrio con el precio de los
mismos. El gasto de construcción y materiales de
cada una de las cocinas, es de aproximadamente
entre US$ 30 para las cocinas de chapa de hierro
o aluminio con papel compactado y una sola
cubierta y de US$ 50 para las mismas cocinas
pero con cubierta doble. Así mismo las cocinas
de chapa de hierro o aluminio con lana de vidrio
cuestan aproximadamente US$ 40 si tiene cubierta
simple y US$ 60 si tiene doble vidrio en la
cubierta. Ante estos datos, comparando precio y
rendimiento térmico en vacío, las cocinas de chapa
de hierro con cubierta simple son las que mejor
desempeño presentan. En cambio, si analizamos
los resultados de las pruebas con agua concluimos
que las cocinas de aluminio con cubierta simple
presentan un mejor rendimiento, por encima de
las cocinas de hierro con cubierta doble. Por lo
tanto, se recomiendan por precio y rendimiento las
cocinas de chapa de aluminio pintadas de negro,
aplicándole cubierta simple.
Desde el punto de vista del marco de los objetivos
del proyecto en el que fueron construidas y
probadas las cocinas, se recomienda el uso de
aislante térmico construido a partir de periódico
compactado, pues abarata en gran medida los
gastos de construcción de los hornos solares.
[1] Ministerio de Minas y Energía, República de Colombia. Programa de uso racional y eficiente de energía y fuentes no convencionales – PROURE. Plan de acción indicativo 2010- 2015 resumen ejecutivo. Bogotá D.C.; 2010.
[2] Solar Cookers International (SCI). Build a Solar Cooker (Sitio en Internet). Disponible en: http://solarcooking.org/Plans/. Acceso el 2 de Mayo 2009.
[3] Solar Cookers World Network, Solar cooker models compare (Sitio en Internet). Disponible en: http://solarcooking.wikia.com/wiki/Category:Solar_cooker_plans. Acceso el 2 de Mayo 2009.
[4] Shyam S. Nandwani. Experiencia personal de 25 años con la transferencia tecnológica de cocinas y secadores solares en Costa Rica. Averma 2006;10(2):25-30.
[5] De Castell M E, Finck Pastrana A, Collares Pereira M, Vázquez L, Esteves A. Propuesta de procedimiento para la evaluación del comportamiento térmico de cocinas y hornos solares. Averma 1999;3(2):133-5
[6] Mealla Sánchez L, Tilca F, Passamai V. Evaluación de dos cocinas tipo caja con la propuesta estándar de la Red Iberoamericana de cocción solar de Alimentos (RICSA). Averma 1999;3(2):57-60.