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CAPITULO 5

PROTOCOLO DE ENSAYOS DE COCINAS SOLARES

Alfredo Esteves 1

1 Laboratorio de Ambiente Humano y Vivienda (LAHV) - Instituto de Investigaciones Humanas, Sociales y Ambientales (INCIHUSA) - CRICYT-CONICET - C.C. 131 - 5500 Mendoza - Argentina e-mail: [email protected] INTRODUCCION

CAPITULO 5 - PROTOCOLO DE ENSAYOS

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El presente capítulo tiene por objeto presentar el procedimiento para evaluar las prestaciones de las cocinas solares. El mismo ha sido adoptado por la Red Iberoamericana de Cocción Solar de Alimentos, teniendo en cuenta la bibliografía existente y tratando de indicar un método universal confiable, que permita evaluar las mejoras realizadas en nuevas cocinas solares o comparar el desempeño entre distintos modelos entre sí. Si bien la tarea de escribir este capítulo es una responsabilidad del autor, el trabajo de la comisión de ensayos dentro de la Red ha sido una intensa tarea de varias personas más, María Emilia de Castel (Paraguay), Susana Fonseca Fonseca (Cuba), Manuel Collares Pereira (Portugal), Adolfo Finck Pastrana (Méjico) y esta tarea en determinados momentos ha sido nutrida por opiniones y valiosos puntos de vista de todos los participantes de la RICSA. La evaluación de las cocinas solares se viene realizando desde varios años y se han propuesto diversos métodos. Existe la evaluación de los aspectos de ergonomía, seguridad, mantenimiento y por otro lado, la evaluación del comportamiento térmico. Al principio, sólo ésta era el motivo de ensayo, sin embargo, en función de apuntar a una mejor transferencia de tecnología y posterior adopción por parte de la gente, se hace relevante ensayar los otros aspectos. Por otro lado, siendo la cocina solar un elemento que para su adopción implica un cambio de la cultura de la cocción y dado que es necesario un período de seguimiento hasta que la adopción total se realice que será mas o menos extenso dependiendo de la mayor o menor facilidad y medios que ayuden a esta adopción (SBCI, 1994), será necesario también hacer una evaluación de la prestación durante este período de adopción definitiva, la cual permita que se logren ajustes de aquellos elementos que fueran un inconveniente para su mejor desempeño. Hay varios trabajos que aportan a la determinación de los aspectos de ergonomía, seguridad y mantenimiento. En trabajos previos (Grupp et al., 1994) se indica la evaluación de las siguientes características: seguridad en su operación para el usuario o terceras personas, facilidad de transporte, facilidad para acceder a la comida y estabilidad mecánica. Además se agrega una serie de ensayos térmicos para evaluar su comportamiento ante determinadas condiciones climáticas reinantes. En la evaluación de las cocinas solares presentadas a un concurso (Esteves et al., 1994), se tiende a otorgar valores a cinco aspectos fundamentales representativos de todo lo que implica la mejor transferencia de las mismas. Los cinco puntos son: simplicidad de construcción (materiales disponibles localmente, facilidad de autoconstrucción, posibilidad de reparación), operación (capacidad útil, manipulación cocina, manipulación utensillos, facilidad de limpieza diaria, facilidad para el mantenimmiento periódico), estética (forma-función, proporción entre los elementos, combinación de materiales, color), costo (costo de materiales, horas de mano de obra, vida útil, costo de mantenimiento, posibilidad de ser reproducido) y diseño-cultura (comunicación: transmite cuáles la función?, forma y contexto: medio rural, paisaje, etc.). En otro trabajo (Aballay et al., 1988), se indica que "es muy distinto pensar en la producción industrializada ... a pensar en una producción localizada en un taller artesanal de la propia comunidad a quien van dirigidos las cocinas solares. En efecto, el diseño de artefactos solares


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bajo el punto de vista del usuario y su cultura representa un desafío para la ingeniería. Sin embargo, diseñar para la autogestión local formativa, representa un desafío que reune los aspectos sociales y culturales con aquellos netamente asociados a la ingeniería, la tecnología de los materiales y sistemas constructivos". La evaluación del comportamiento térmico ha sido siempre una preocupación, teniendo en cuenta que las densidades energéticas solares son suficientemente bajas como para que los tiempos de cocción se alarguen comparándolos con la cocción de gas o leña alternativa, siendo esto una situación que influye en la transferencia final de la cocina solar. Es necesario por lo tanto, disponer de métodos que nos permitan conocer bien estos aspectos. Además es necesario disponer de un método que nos permita la comparación entre distintos artefactos. Es necesario entonces, conocer la física de la cocción para saber qué debemos evaluar para tener en cuenta todos los aspectos que hacen a la misma. La preparación de alimentos se realiza incrementando su temperatura a niveles suficientes para producir los cambios físicos y químicos necesarios (Piñón, 1983). La carne o pescado deben alcanzar temperaturas internas de 60 °C a 80 °C. La temperatura a la cual se produce la costra (en carnes asadas) es de 140 °C. Al hornear, la temperatura del aire del horno debe mantenerse entre 125 °C y 200 °C.

La ebullición del agua a nivel del mar, ocurre a 100 °C, mientras que en topografías de mayor elevación sobre el nivel del mar, ocurre a menor temperatura. La Figura 1, indica la reducción en el punto de ebullición del agua a medida que aumenta la altura sobre el nivel del mar.

Figura 1: temperatura de ebullición del agua vs. altura sobre nivel del mar de la localidad.

Temperatura de ebullición del agua

707580859095

100

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Altura sobre el nivel del mar [m]

Tem

pera

tura

[°C

]


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En ollas a presión, la cocción se produce por una mezcla de agua y vapor y podríamos alcanzar temperaturas de 120 °C. El freído se realiza al sumergir la comida en aceite o grasa hirviendo lo que conlleva contar con temperaturas de entre 120°C y 180°C. Las técnicas de cocción podrían clasificarse de acuerdo a la forma de transferencia de calor en dos tipos: de calor seco y de calor húmedo. Las técnicas de calor seco son aquellas donde el vapor se permite que escape del alimento y la cocción se realiza al tomar calor a través de aire seco y caliente, radiación infraroja o aceite caliente. De este modo, el asado, el horneado y el freído son técnicas de calor seco. El método de cocción por calor húmedo, el calor es transferido al alimento mediante aire húmedo y caliente, vapor o agua caliente. El hervido en agua caliente o vapor es un ejemplo de este método y se utiliza para preparar guisados, cazuelas, etc. Esta técnica es mas eficiente que las de calor seco, ya que la evaporación de agua desde el alimento que tiene un efecto de enfriamiento, es restrictiva. Existen variantes de estas técnicas de cocción, las cuales varían de lugar en lugar dependiendo de las tradiciones y los hábitos culturales. Independientemente del método clásico en el cual se basan la distintas culturas para preparar sus alimentos, en la mayoría de los alimentos el agua está presente y en algunos en gran cantidad por lo que el calor específico del alimento puede ser asumido esta cercano al del agua, alrededor de 4 MJ/kg°C. En tal caso, se trabaja solamente a 100°C y no se necesita mucha cantidad de energía excepto para equilibrar el enfriamiento desde la olla o el utensillo. De este modo, la diferencia entre dos cocinas para cocinar iguales cantidades de alimento puede deberse a la diferencia en el período de calentamiento. Por esto uno de los ensayos a realizar es el calentamiento de agua hasta 80°C o hasta la temperatura de ebullición, midiendo el tiempo utilizado para alcanzarlas. Los mecanismos de transferencia de calor que ocasionan las pérdidas térmicas en la cocción de un alimento son: cambio de estado produciendo vapor que abandona al alimento; radiación y convección desde la superficie del recipiente al aire circundante y conducción a través del fondo del recipiente y la estructura que la sostiene. De todas ellas, la mayor pérdida de calor ocurre por evaporación de agua. La pérdida de calor por convección desde la pared del recipiente y del horno es también muy grande y puede reducirse por el uso de cubiertas sobre el utensillo, cuando éste se coloca descubierto o aislando mejor las paredes del horno, cuando está dentro de un receptáculo. Para tener un alto flujo de calor hacia la olla, la temperatura de la fuente debería ser más alta. En las cocinas convencionales a gas o leña, esta temperatura es muy alta, lo que implica alta transferencia de calor. Hay dos pruebas que se realizan, una la temperatura alcanzada por la placa absorbedora sin carga en la cocina. Se supone que la mayor temperatura ante iguales condiciones implicará mayor transferencia de calor hacia el alimento y por lo tanto, un tiempo mas reducido de cocción. La


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otra es el cálculo de la potencia absorbida al calentar una determinada cantidad de agua (7kg./m² de superficie de apertura). Los métodos utilizados hasta ahora para evaluar el comportamiento de las cocinas solares se refieren a distintos ensayos para tener en cuenta fundamentalmente la temperatura máxima y el tiempo demorado en la cocción o en alcanzar la ebullición, asi como el mantenimiento de la temperatura alcanzada. Al respecto se puede mencionar los siguientes antecedentes. Se indica (Piñón, 1983) que una figura interesante para evaluar cocinas solares es la potencia de cocción efectiva, calculada como la potencia media entregada al calentar agua desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de ebullición. Otras pruebas adicionales son la temperatura más alta registrada cuando se calienta aceite, la temperatura máxima sin carga y el tiempo demorado en calentar una determinada cantidad de agua. Khalifa et al, 1987 indica como desarrollo de las pruebas de un horno solar con concentrador, la cocción de un pollo y el calentamiento de agua y aceite. Indica que en la práctica, la eficiencia óptica del concentrador depende del "seguimiento del sol", que efectuamos a través de la reorientación y que puede ser un factor importante en el decrecimiento de la eficiencia de cocción. En este sentido, se debe definir una frecuencia de reorientación de la cocina solar. Tiwari et al., 1990 utiliza la prueba de calentamiento de la olla con y sin carga, para comparar el funcionamiento de los reflectores en los hornos solares.

Ensayo calentamiento de aceite arranque en caliente 10-03-2000

020406080

100120140160180

0 20 40 60 80 100 120 140

Tiempo [min]

Tem

pera

tura

[°C

]

-100100300500700900110013001500

Rad

. Sol

ar [W

/m²]

Aceite Aire exterior Rad. Solar

Figura 2: ensayo de calentamiento de aceite de un horno de cubierta inclinada.


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En ECSCR, 1994 se indican varios métodos: tiempo de calentamiento de agua hasta 80°C, tiempo de calentamiento de agua hasta temperatura de ebullición menos 3°C, temperatura máxima de cocción, cocción sin tapa en la olla, calentamiento a baja altitud solar, cocción en períodos sin sol, capacidad de cocción contínua, capacidad de cocción no convectiva y capacidad de horneado.

En Esteves et al, 1994, se propuso el calentamiento de agua, el calentamiento de aceite (Figura 2 muestra el resultado de un ensayo de este tipo) hasta registrar la temperatura máxima y la cocción de panes. También se ha propuesto la cocción de carne. Un registro típico puede observarse en la Figura 3. Mullick et al, 1996 han propuesto figuras de mérito para comparar el desempeño de hornos solares. Una es llamada F1, la relación entre la eficiencia óptica y el factor de pérdidas de calor y la otra es llamada F2, representa la eficiencia en la transferencia de calor hacia la olla. Ambos son utilizados en el procedimiento como figuras para la evaluación del comportamiento térmico de los hornos. Funk, 1998, presenta un modelo paramétrico de predicción de la potencia de cocinas solares, utilizando para ello el resultado de test realizado a 18 hornos solares. El modelo se limita a un determinado rango de condiciones y aunque resulta con precisión suficiente para la prueba de hornos solares, no resulta preciso para cocinas con concentración. Un trabajo posterior del mismo autor, Funk, 2000 indica una metodología para el cálculo de la potencia de las cocinas

Temperaturas registradas durante la cocción de carne

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150

Minutos desde el comienzo

Tem

pera

tura

[°

C]

0

200

400

600

800

1000

Rad

. Sol

ar

[W/m

²]

Temp.Placa Temp.carne Temp.exterior R.Solar

Figura 3: temperaturas obtenidas durante la cocción de carne


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solares, realizando una prueba de calentamiento de agua hasta la temperatura de ebullición. Este fue adoptado por la RICSA para la evaluación de la potencia. En base a toda esta información, se ha tomado en cuenta las distintas pruebas a realizar. Concientes de la necesidad de someter a discusión las pruebas propuestas, fueron expuestas y publicadas en Castell et al., 1999a y Castel et al, 1999b y de probadas parcialmente en Mealla Sanchez et al., 1999 y Esteves y Artero, 1999 y por cada miembro de RICSA que aparece en RICSA, 2000. El procedimiento de los ensayos se presenta a continuación, tanto en lo que hace a su aspecto físico, de seguridad, de mantenimiento de uso, como su evaluación térmica. Los mismos han sido discutidos en la RICSA, tratando de que las mismas sean representativas y permitan una comparación universal de los distintos diseños. PROCEDIMIENTO TÉCNICO DE LOS ENSAYOS. El procedimiento técnico de los ensayos incluye las siguientes etapas:

- Descripción física de la cocina. - Verificación de aspectos ergonómicos y de seguridad. - Calidad de materiales y evaluación del mantenimiento. - Ensayos para evaluar el comportamiento térmico.

1. Descripción física de la cocina.

Se deben tomar medidas y llenar los datos correspondientes a los siguientes puntos: a) Tipo de cocina: horno, concentrador, de placa plana, etc. b) Superficie de cubierta vidriada (m2). c) Superficie de real de reflectores en (m2). d) Superficie de la placa absorbedora (m2). e) Peso (kg). f) Volumen interior (dm3). (El medir el volumen en dm3 en vez de m3 como sería el caso

de utilizar el SI de unidades, da valores más apropiados de comparación). g) Dimensiones en posición de operación (ancho, altura y profundidad). h) Dimensiones en posición de transporte(ancho, altura y profundidad). i) Número de ollas y volumen (si las provee el fabricante). j) Tipo de ollas (fijas o removibles) k) Tiene calentamiento por otra fuente? Qué tipo?. Control de potencia de esta fuente. l) Acceso directo a las ollas para llenar, probar, etc. m) Control de potencia? Seguridad intrínseca contra el sobrecalentamiento. n) Almacenamiento de agua caliente integral. o) Puede la cocina utilizarse para otras funciones, como por ejemplo esterilización o

destilación de agua, secado, etc? p) Inclusión de una o dos fotografías que muestren la imagen global de la cocina.


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q) Descripción técnica breve de la conformación de la cocina. Esta última es para terminar de completar lo que muestra la foto de la cocina.

2. Ensayos sobre aspectos ergonómicos y de seguridad. Se debe evaluar, luego de realizar pruebas o mediante cuidadosa observación de la cocina y/o por simulación de la situación en cuestión, los siguientes aspectos. Aspectos de Seguridad Deben evaluarse los siguientes aspectos de seguridad:

a) Posibilidad de quemaduras en el uso normal (contacto con la olla caliente o su

contenido, contacto con otras partes calientes de la cocina, por luz del sol concentrada, quemaduras por fugas de vapor, etc.)

b) Posibilidad de heridas por elementos existentes en la cocina (ángulos agudos, etc.) c) Posibilidad de quemaduras por situaciones de falla (desbordamiento de líquido o

derramamiento de comida caliente, fallas por presión de los contenedores, etc.). d) Posibilidad de accidentes debido a la inestabilidad (vientos o al mover la comida). e) Posibilidad de heridas por la cocina en situaciones de falla (colapso de la estructura o

partes, vidrios, etc.). f) Posibilidad de accidentes por la cocina cuando no está en uso (mientras se coloca en el

lugar, al transportarla o al desmontar). Aspectos ergonómicos. Se evaluarán los siguientes puntos:

a) Transporte (precauciones, manipular, empaquetar). b) Protección cuando no está en uso. c) Necesidad de movimiento frecuente (tiempo, forma de hacerlo, cuidados en la

operación). d) Forma de desarmarla y armarla. e) Forma de introducir los alimentos. f) Limpieza de la cocina y recipientes de cocinar. g) Si es necesario seguimiento solar: descripción, procedimiento, frecuencia y facilidad

(podría la olla caer, producir daños por quemaduras, posibilidad de realizar otras tareas al mismo tiempo).

3. Aspectos de la calidad y el mantenimiento. El siguiente capítulo se refiere a aquellas cuestiones inherentes a la calidad de los materiales fundamentalmente respecto de la duración de los materiales con que la cocina ha sido fabricada. No olvidemos que la cocina solar debe permanecer en el exterior por lo menos durante la cocción


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y en este sentido está sometida a las inclemencias del clima, tales como, energía solar, humedad, viento, etc. Por otro lado, todo lo relativo al mantenimiento de la cocina solar en lo que se refiere al uso, limpieza y control de la misma. Aspectos de Calidad La calidad es evaluada de acuerdo al sentido común y al estado del arte en los materiales térmicos solares. Superficies absorbentes: Durabilidad y resistencia en cuanto al calor, vapor, humedad, radiación UV. Superficies reflejantes: indicar material y en lo posible durabilidad. Cubierta: En caso de vidrio es de adecuado espesor, bien montado, templado (particularmente por exposición a shock térmico), tal como los vidrios interiores. En caso de plásticos son resistentes a las temperaturas máximas, vapor, viento, UV. Además tiene un fijado adecuado (encogimiento o dilatación inicial, expansión térmica). Aislamiento térmico: En caso de espuma, si es resistente a las temperaturas interiores (Poliestireno Expandido), si pueden ocurrir roturas por convertirse en gas (PU foam) y si estos gases son tóxicos. En caso de lanas, si están suficientemente protegidas contra la condensación y la lluvia, si están bien diseñadas las salidas de evaporación, si pueden escapar las fibras del aislamiento y ser respiradas por el usuario. En caso de pérdida de materiales, si puede advertirse para prevenirse. En caso de materiales orgánicos: si están suficientemente protegidos contra la condensación y la lluvia, si existen salidas de evaporación, si existe putrefacción o formación de colonias de animales (roedores, polillas) u otros organismos (hongos, bacterias, etc.). Tanques y circuitos de enfriamiento: Si hay algún componente sujeto a corrosión intermetálica, daño por congelamiento o fallas por sobrepresión. Si existe probabilidad de pérdida de fluido de trabajo, de modo que se detenga el funcionamiento de la cocina y si existe la posibilidad de llenar fácilmente. Otros componentes: Si existe algún otro componente que se pueda deteriorar por putrefacción, oxidación o pueda ser dañado fácilmente durante el uso. Aspectos del uso y mantenimiento Se deberá anotar especialmente los siguientes casos:

a) Cocinas que necesitan reorientación frecuente: frecuencia, habilidades requeridas para efectuar la operación y tiempo necesario.

b) Detalles para el llenado y colocación del recipiente. c) Detalles para la limpieza del recipiente de cocción y el resto de la cocina.


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d) Si tiene sistema de control, incluyendo almacenamiento, detallar forma de uso, facilidades y precisión.

e) Protección contra las inclemencias del tiempo y habilidades requeridas para estos menesteres.

f) Herramientas necesarias. g) Modo de efectuarlo.

ENSAYOS PARA EVALUAR EL COMPORTAMIENTO TÉRMICO. En este punto se incluyen todos los ensayos que son necesarios realizar para conocer el rendimiento de las cocinas solares y sus posibilidades para cocinar una determinada cantidad de carga. Esto nos ayuda en la comparación del desempeño de dos o más cocinas solares o evaluar una determinada mejora realizada en un modelo determinado. Para realizar el procedimiento hay consideraciones respecto de los valores de las variables ambientales y el registro de las mismas, para que las mediciones tengan un valor mas universal, tal como se ha descrito (Funk, 2000): Condiciones ambientales bajo las cuales realizar los ensayos

a) La temperatura ambiente debe permanecer entre 15ºC y 35ºC. b) La radiación solar deberá ser mayor de 700 W/m² en el plano del colector. Si no fuera

así, se deberían indicar especialmente. c) La fracción de radiación difusa respecto a radiación global deberá ser menor al 20%.

Si no fuera así, indicarlo especialmente. Como se puede observar, se requieren días soleados con nublados mínimos a fin de contar con resultados reproducibles.

d) La orientación hacia la posición del sol, de ser necesaria, debe realizarse cada 15 a 30 minutos.

e) La velocidad del viento debe indicarse siempre, y de ser posible las experiencias deben efectuarse cuando tal velocidad sea de 1m/s como máximo.

f) Los tests deben ejecutarse entre las 10 y las 14 hrs solar. La razón es que el ángulo cenital es prácticamente constante cerca del mediodía y por ende durante el ensayo.

Registro de variables

La influencia de las condiciones de los ensayos han demostrado que pueden ser minimizadas si las variables se mantienen en determinados rangos. Por lo tanto, recomendamos seguir el procedimiento descripto a continuación: Viento: ejecutar los ensayos de cocinas solares con velocidades de viento menores a 1.0 m/s a la altura de la o las cocinas solares que están siendo testeadas. Si el viento está por sobre 2.5 m/s durante más de 10 minutos, descartar el ensayo. La razón radica en que las pérdidas de calor están fuertemente influenciadas por la velocidad de viento. Velocidades de viento menores de 1 m/s ayudan a mantener un coeficiente de pérdidas de calor cercano al coeficiente de convección


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natural, produciendo resultados que son más consistentes. Si fuera necesario colocar pantallas de protección teniendo en cuenta que no entorpezca la radiación incidente en la cocina. Temperatura ambiente: realizar el ensayo con temperaturas ambientes entre 15°C y 35°C. La potencia de cocción está influenciada por la diferencia de temperatura. Un rango de 20°C mantiene una variabilidad moderada, aún permitirá testear en la mayoría de las localidades durante al menos la mitad del año. Si existieran excepciones deberán ser registradas. Radiación Solar: la radiación solar debe medirse en el plano horizontal, utilizando un piranómetro. Se deberá tratar de tener radiación solar mayor de 700 W/m² en el plano que contiene la superficie de apertura. Se espera que la mayoría de las localidades estén de acuerdo con estos criterios. Si no fuera así, se debería indicar especialmente. Medición de temperatura: las mediciones de temperatura se efectuarán con termocuplas dada sus características de rápida respuesta, exactitud y bajo costo. Para la medición de la temperatura de placa se colocará una termocupla en el centro geométrico de la misma soldada por debajo, de manera que no esté sometida a sol directo. Las mediciones en la olla, se deberán hacer con dos termocuplas una de ellas colocada de manera que la juntura quede 1 cm por debajo de la superficie de líquido y la otra cuya juntura quede 1 cm por encima del fondo, promediando los valores obtenidos de cada una. La termocupla se debe proteger en su camino hacia el sistema de adquisición con una manga de las temperaturas elevadas y de las dobladuras que la podrían cortar. Si es necesario efectuar una perforación y sellar convenientemente con sellador de silicona. Medición de la superficie proyectada sobre el plano horizontal La determinación de la superficie de apertura de la cocina solar proyectada sobre la superficie horizontal es un factor esencial en el tratamiento posterior de los resultados de los ensayos. Este ensayo se deberá comenzar al mediodía solar (12 hr. Solar) del día anterior a realizar los ensayos para determinar al mediodía solar la superficie proyectada sobre el plano horizontal de la cocina con el reflector abierto en la posición óptima a esta hora. Ver el Figura 2.

Superficie horizontal proyectada: a.b Observe que: "a" coincide con el ancho del horno. "b" se mide en el plano del vidrio del horno o si el vidrio esta inclinado, en el plano horizontal que incluye al punto del vidrio mas cercano al Ecuador y además incluye a la sombra proyectada del reflector.

b

a


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Ensayos a realizar Los ensayos a realizar son:

a) Medición de la temperatura máxima sin carga y obtención del primer factor de mérito F11

b) Calentamiento de agua con reorientación. c) Calentamiento de agua sin reorientación.

Figura 2: La posición óptima del reflector será aquella cuyo rayo reflejado desde el punto mas cercano al borde del mismo, incida sobre el vidrio en su punto mas cercano al Ecuador. Ver esquema 2:

Se trata de evaluar la energía que ingresa al sistema. Lo ideal es considerar el área de apertura que es perpendicular al rayo en todo momento y considerar además la radiación solar en el mismo plano. Esto tiene sus dificultades en figuras más irregulares. Por lo tanto se propone una aproximación, es decir, multiplicar la radiación medida sobre el plano horizontal (que será menor que aquella) por la superficie de apertura proyectada sobre el mismo plano horizontal.

Area perpendicular al rayo

Area de apertura


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Medición de la temperatura máxima sin carga y obtención del primer factor de mérito F11 Comenzar a las 10 hr. Solar se reorienta la cocina cada 15 minutos, tratando de alcanzar la temperatura máxima que se dará cerca de las 12 hr. Solar. Se debe registrar la temperatura de placa, la temperatura del aire y la radiación solar de acuerdo a las especificaciones indicadas anteriormente. Calentamiento de agua con reorientación En este ensayo se determina el tiempo requerido para alcanzar los 80 °C, el tiempo en alcanzar la temperatura de ebullición menos 3°C, la potencia absorbida, el segundo factor de mérito F22, el tiempo que mantiene la temperatura de ebullición sin intervención y el tiempo que mantiene temperaturas por encima de 80 °C sin intervención. Los pasos son los siguientes:

a) El ensayo comienza a las 10 hrs. b) Se carga en la olla la cantidad de agua requerida (7 kg/m² de superficie proyectada

horizontal). Es importante fijar este valor dado que el valor de F22, que posteriormente debe calcularse aumenta con el valor de la carga (Mullick et al., 1996).

c) Se coloca la olla en la cocina y se orienta la misma hacia el sol, colocando el reflector en la posición óptima para el mediodía solar, es decir, en la posición que tenía en el momento de medir la superficie proyectada horizontal (ver registro de variables).

d) Se reorienta la cocina cada 15 a 30 minutos anotando la hora en que se realiza la misma.

e) Los registros se realizan cada 5 minutos. f) Una vez alcanzada la temperatura de ebullición, se gira el horno hacia una posición

óptima para una hora posterior y se deja sin intervenir en lo sucesivo. Se determina el tiempo máximo que mantiene la temperatura de ebullición.

g) Cuando la temperatura alcanza la temperatura de ebullición menos 3°C (Ver Figura 1), se tapa el horno y se mantienen los registros de manera de determinar el tiempo que mantiene la temperatura del agua por encima de 80°C.

Calentamiento de agua sin reorientación. El ensayo anterior debe realizarse tambien iniciando la prueba con la cocina orientada hacia el mediodia solar, sin reorientar la misma. este ensayo termina cuando la temperatura del agua alcanza la ebullicion. Tratamiento de los resultados Primer factor de mérito F11 El primer factor de mérito tiene en cuenta la relación entre la eficiencia óptica de la cocina y las pérdidas de calor al exterior desde la placa (Mullick et al., 1987). Teniendo en cuenta que para


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diferentes cocinas solares muchas veces no coincide el área de placa colectora con la superficie de apertura de la cocina, el balance de calor sobre el sistema indica que:

η0 Av Iv = Ap UL (Tp - Ta)

η0 Ap (Tp - Ta) F11 = --------- = --------------------- = [m².°C/W] UL Aph Ih donde: η0 = eficiencia óptica. UL = coeficiente de pérdidas (W/m².°C). Ap = área de la placa absorbente (m²). Aph = área de la superficie proyectada sobre el plano horizontal (ver paso 1) Ih = radiación solar global sobre la superficie horizontal (W/m²). Tp = temperatura de la placa (°C). Ta = temperatura ambiente (°C). Es decir que un valor elevado de F11 nos indica una alta transmitancia óptica y bajo nivel de pérdidas de la cocina solar. Esta expresión de F11, es ligeramente distinta a la propuesta por Mullick en su trabajo. Algunos integrantes del comité de ensayos de RICSA proponen que se utilice la expresión de Mullick tal cual él la propone, sin embargo, es opinión de este autor que se debería utilizar la fórmula que corresponde para ser consistentes. Si se quiere trabajar con la expresión de Mullick, simplemente debe computarse la diferencia de temperaturas dividido la radiación solar global sobre la supeficie horizontal, es decir F1 = (Tp-Ta)/(Ih . Aph). Podría existir dudas con respecto al momento en el cual tomar la determinación del primer factor de mérito, ya que normalmente, la temperatura se va estabilizando muy despacio y al variar las condiciones de temperatura, radiación solar y velocidad de viento, hace que no se perciba nítidamente cuál sería este momento. Sin embargo, como el valor de F11, crece a medida que crece la temperatura de placa, cuando se alcanza el equilibrio el valor de F11 se mantiene prácticamente constante. La Figura 4 muestra los valores alcanzados por la temperatura de placa en función del tiempo, cuando se grafican los valores de la radiación solar y la temperatura del aire exterior para 4 hornos solares ensayados. Como se puede observar, una vez alcanzada la temperatura máxima, la misma se mantiene bastante constante durante un período de tiempo suficiente como para no efectuar una determinación errónea. La Figura 5 muestra los valores de


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F11 para este mismo caso y como se puede observar se mantienen los valores bastante constantes, al menos, durante unos 20 minutos.

Potencia de Cocción Efectiva La potencia de cocción efectiva se ha tomado teniendo en cuenta lo indicado por Funk, 2000. A continuación se incluye el tratamiento para los datos registrados.

Variabilidad en Valores de F1Mendoza, Argentina 02-02-2001

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

153

155

157

159

161

163

165

167

169

171

173

175

177

179

Tiempo desde el inicio [min]

F1 [m

².°C

/W]

Ña cuñá n2 Inclina do Na ndw a ni Ña cuña n1-I

Figura 4: valores de F11 obtenidos para cuatro hornos solares distintos (ver estudio de casos)

Figura 5: ensayo de temperatura máxima realizado simultáneamente para cuatro hornos solares.

Determinación de la Temperatura Máxima sin Carga - Mendoza, Argentina 02-02-2001

20406080

100120140160180200220

19 30 41 50 63 73 77 85 106

153

157

161

165

169

173

177

Tiempo [min.]

Tem

pera

tura

[°C

]

0

200

400

600

800

1000R

ad.S

olar

[W7m

²]

Ñacuñán1 Nandwani Inclinado Ñacuñán2 Temp.Ext. Rad.Solar


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Cálculo de la potencia de cocción: la diferencia en la temperatura del agua cada intervalo de 5 minutos debe multiplicarse por la masa y el calor específico del agua contenido en la olla en el intervalo de 40°C a 90°C. Dividir el producto por los 300 segundos contenidos en los 5 minutos dando la potencia de cocción en W. La razón de esto es que las cocinas solares deben calentar el alimento y una ganancia de calor sensible en la olla es la mejor medida de la capacidad de la cocina para calentar el alimento. Calcular los promedios de la radiación, temperatura ambiente, y temperatura del contenido del alimento para cada intervalo. Standarización de la potencia de cocción: la potencia de cocción para cada intervalo debe ser corregida para una radiación solar standard de 700 W/m² multiplicando la potencia observada por 700 W/m² y dividiendo por la radiación promedio registrada durante el correspondiente intervalo. La razón es ayudar a la comparación de resultados de diferentes localidades y fechas (Funk, 2000). Diferencia de temperatura: se calcula la diferencia de temperatura entre la olla y el ambiente para cada intervalo. La razón es que las pérdidas de calor se incrementan con la diferencia de entre la temperatura interior de la cocina y su medioambiente inmediato. Graficación: se deben realizar dos gráficos, la temperatura del agua en función del tiempo y la potencia standard de cocción en función de la diferencia de temperatura para cada intervalo de tiempo. La Figura 6 y 7 constituyen un ejemplo.

Figura 6: ensayo de calentamiento de agua. Temperatura exterior, radiación solar y temperatura exterior.

Horno de cubierta inclinada c/r

0

1020

30

4050

60

70

8090

100

0 50 100 150

Tiempo en minutos

Tem

pera

tura

[°C

]

0

200

400

600

800

1000

1200R

.Sol

ar [W

/m²]

Temp.Ext. Agua R.Solar


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Regresión: se realiza una regresión lineal de los puntos graficados para encontrar la relación entre la potencia de la cocina y la diferencia de temperatura. Al menos se necesitan 30 observaciones. La razón es que las medidas estadísticas mejoran el ajuste mientras mayor es la muestra y el error sistemático es probablemente menor al ser repetido en diferentes días. Hay que tener en cuenta que la presencia de errores experimentales excesivos pueden invalidar el ensayo. Se calcula el coeficiente de correlación (R2) que debería ser mejor que 0.85 o si es mas bajo, debería indicarse. Grafique la relación entre la potencia de cocción standarizada (desde 0 a 200 W) contra la diferencia de temperatura (de 0 a 70°C) y presente la ecuación. Se determina luego la potencia de cocción (estandarizada) a la diferencia de temperatura de 50°C. Simple medida de rendimiento: el valor para la cocción standard (W) correspondiente a una diferencia de temperatura de 50°C, puede ser tomado como una medida simple de la performance. La razón es que un simple número facilita mas la comparación entre diferentes cocinas y esta diferencia de temperatura representa una temperatura de olla justo debajo de la temperatura crítica a partir de la cual la cocción comienza a ocurrir, la temperatura cuando una cocina solar funciona bien o falla. En la Figura 5 se agrega la recta de regresión. En este caso la potencia para 50°C de diferencia de temperatura es de 58 W.

Tratamiento de los resultados (i) valor de potencia para una diferencia de temperatura de 50°C entre el agua y el aire, (ii) valor medio estandarizado con respecto a la radiación solar

Figura 7: potencia de cocción para el caso de la Figura 4.

Potencia de CocciónHorno de cubierta inclinada - c/r

y = -0.3827x + 77.018R2 = 0.8585

3035404550556065707580

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Diferencia Agua-Aire [°C]

Pote

ncia

[W]


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(iii) valor de potencia dividido el área de apertura de la cocina en m² (iv) rendimiento o eficiencia, definido como el valor de potencia (i) dividido por la potencia incidente (Aph*Ih ó Aint*Inormal). Segundo factor de mérito F22 El segundo factor de mérito, tiene en cuenta la eficiencia en la transferencia de calor hacia el recipiente. Se denomina F22 y se deriva de considerar el diferencial de tiempo en alcanzar un diferencial de aumento de temperatura en el agua: dτ = (Mc)’w dTw / Aph F’ [η0 Ih - UL (Tw - Ta)] pero: F11 = η0 / UL por tanto: dτ = (Mc)’w dTw / Aph F’ η0 [Ih - UL (Ap / Aph F11) (Tw - Ta)] integrando entre Tw1 y Tw2 : τ = [-F11 (Mc)’w / Aph F’ η0] ln {[Ih - (Ap / Aph F11)(Tw2 - Ta)] / [Ih - (Ap / Aph F11)(Tw1 - Ta)]} se define Cr = (Mc)w / (Mc)’w de modo que: F11 (Mc)w Ih-(Ap/Aph F11)(Tw1-Ta) F22 = F’η0Cr = ----------------- ln ---------------------------------- = τ Aph Ih-(Ap/Aph F11)(Tw2-Ta) donde: F’ = factor de eficiencia de intercambio de calor. η0 = eficiencia óptica. F11 = primer factor de mérito. (Mc)’w = Capacidad calorífica de todo el sistema (agua, ollas e interior de la cocina). (Mc) w = Capacidad calorífica del agua solamente. τ = intervalo de tiempo entre Tw1 y Tw2. Ih = radiación solar sobre la superficie horizontal. Aph = área de la superficie horizontal proyectada. Ap = área de la placa absorbente. Tw1 = temperatura inicial del agua. Tw2 = temperatura final del agua.


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Ta = temperatura ambiente. Un valor de F22 elevado indica un buen valor de eficiencia a la transferencia de calor, buena eficiencia óptica y baja capacidad térmica del recipiente e interior de la cocina comparado con la capacidad térmica total. La expresión que propone Mullick, difiere de esta propuesta que surge de considerar el F11 propuesto. Para tener en cuenta la expresión de Mullick es la siguiente: F1 (Mc)w 1- (1/F1)(Tw1-Ta)/Ih F2 = F’η0Cr = ----------------- ln ---------------------------------- = τ A 1-(1/F1)(Tw2-Ta)/Ih donde: F’ = factor de eficiencia de intercambio de calor. η0 = eficiencia óptica. F1 = primer factor de mérito calculado como indica Mullick et al, 1987. (Mc)’w = Capacidad calorífica de todo el sistema (agua, ollas e interior de la cocina). τ = intervalo de tiempo entre Tw1 y Tw2. Ih = radiación solar sobre la superficie horizontal. A = área de apertura (m²). Tw1 = temperatura inicial del agua. Tw2 = temperatura final del agua. Ta = temperatura ambiente. Algunos autores han indicado incluir la curva de enfriamiento, esto es, (bloquear la radiación solar y registrar la disminución de temperatura). La constante de tiempo obtenida de la curva de enfriamiento representa la relación de la capacidad térmica del interior de la cocina al factor de pérdida de calor. El problema en usar esta figura es que se busca una capacidad calorífica mínima (para reducir el tiempo de calentamiento sensible) y el factor de pérdida de calor también debería ser bajo. De este modo, la relación entre estas cantidades no sirve como figura de mérito. Se llena la ficha que aparece en el Anexo I del presente capítulo con los resultados de por lo menos 3 pruebas para cada ensayo indicado y cada cocina. En estudio de casos se adjuntan las fichas correspondientes a distintos hornos solares. Estudio de variaciones estacionales


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Se han llevado a cabo estudios para medir el comportamiento del protocolo en distintas épocas del año, con los mismos hornos solares. La Figura 8 muestra la curva de potencia para dos épocas del año distintas y opuestas (enero y mayo) para el mismo horno solar. Como se puede observar aparece una diferencia que se reduce al tener en cuenta los valores de potencia a 50°C de la diferencia de temperatura agua-aire.

Comparación de hornos La siguiente tabla resume los valores de las distintas figuras de mérito que se indican cuando son calculadas para el caso de cuatro hornos solares de distinta forma, que aparecen debidamente explicados en Esteves, 2001.

Tabla 2: resultados de las pruebas térmicas de los hornos solares ensayados Propiedad Ñacuñan1 Ñacuñan2 Nandwani Inclinado

Area de placa[m²] 0.1824 0.3675 0.3648 0.1224 Area de apertura[m²] 0.715 0.4 0.603 0.493

Carga [kg] 4.8 2.7 4.1 2.6 Tpo. 80°C [min.] 104 114 92 80 Tpo. 90°C [min.] 137 134 121 100

Tmax [°C] 155.8 144.1 156.5 165.7 F11 [m².°C/W] 0.0568 0.0404 0.0736 0.044 F1[ m².°C/W] 0.176 0.167 0.178 0.198 F22 [adim.] 0.224 0.126 0.17 0.133

Tmant.eb.°C [min.] 52 35 50 192 Tdis80°C [min.] 140 81 122 282 Potencia st. [W] 61 25 51 41 Eficiencia [%] 13 9.6 12.7 12.7

Potencia horno de cubierta inclinada

y = -0.3959x + 75.326R2 = 0.7849

y = -0.6557x + 91.822R2 = 0.718

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80

Diferencia de temperatura Agua-aire exterior [°C]

Pote

ncia

[W]

Figura 8: ensayo de calentamiento de agua. La curva roja corresponde al de verano y la azul al de invierno.


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En cuanto al ensayo de temperatura máxima, el horno inclinado se obtiene la mayor temperatura de los cuatro, sin embargo, esto no se ve reflejado en la primer figura de mérito F11. Algunos miembros de la comisión de ensayos de RICSA, se inclinan a utilizar la figura de mérito F1, tal como aparece en el trabajo de Mullick, 1987, es decir, simplemente la diferencia entre la temperatura de placa y la del aire exterior dividido por la radiación solar incidente sobre el plano horizontal. Esta figura aparece en la tabla como F1. Como se puede observar da valores más consistentes que los valores de F11, sin embargo, el autor no se inclina por esta última figura por considerar que no corresponde a lo que se quiere reflejar, es decir, la relación entre la energía colectada respecto de las pérdidas de energía, siendo necesario trabajar estos valores con mayor cantidad de ensayos de cocinas solares de distinto tipo. Aparece el tiempo que demora en alcanzar los 80°C y los 90°C. Como se puede apreciar el horno solar inclinado demora menos tiempo, luego el Nandwani y por último los dos modelos Ñacuñán. Sin embargo, observemos que la cantidad de líquido incorporada es distinta en función de la diferente area de apertura que dispone cada uno. En cuanto a la potencia, vemos que la mayor potencia la disponemos con el horno Ñacuñan1, luego el Nandwani, luego el Inclinado y luego el Ñacuñán2. Como se puede apreciar, está en función directa del tamaño del área de apertura. Como era de esperar el segundo factor de mérito F22, también coincide con el valor de potencia estandarizada. La potencia no estandarizada coincide en su variación con la estandarizada y el autor se inclina por utilizar la potencia estandarizada para ser consistentes con la propuesta de Funk. Los ensayos del tiempo de enfriamiento tienen que ver con el nivel de aislación térmica que poseen los hornos solares. El horno inclinado es el que posee mayor aislación térmica y menor área vidriada de los cuatro y es el que demora más en enfriar. Luego le sigue el horno Ñacuñán1 y el Nandwani, con aislaciones térmicas equivalentes y por último el Ñacuñán2. Cabría todavía la posibilidad de utilizar algunas figuras de mérito adiconales, tales como la potencia en relación a la potencia de entrada para determinar una especie de eficiencia o rendimiento. Esto aparece en la tabla como etha. Como se puede observar poco nos indica, sigue casi la misma variación que lo obtenido a través del ensayo de potencia, es decir, el horno Ñacuñán1, es el de mejor eficiencia, luego el Nandwani, el Inclinado y por último el Ñacuñán2. A juicio de lo que estamos analiando, tanto la potencia sin estandarizar como la eficiencia, son figuras que no nos están indicando una mayor información. CONCLUSIONES Se presenta un protocolo de ensayos para poder ensayar y evaluar las cocinas solares y determinar su funcionamiento comparativo. Este trabajo constituye una metodología que debe continuar siendo probada y mejorada para lograr un protocolo práctico y completo. Sin embargo, es una herramienta muy valiosa al momento de querer determinar las prestaciones tanto térmicas como de las características ergonómicas, de calidad de materiales y mantenimiento. Se debe continuar la tarea de la determinación de los ensayos más apropiados y la evaluación de resultados para que los mismos sean el resultado de sistemas reales. Sin embargo, en el capítulo


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12 del presente libro aparecen fichas con ensayos típicos realizados para distintas cocinas solares de iberoamérica que representan un ejemplo para poder comparar en caso de querer determinar la prestación de los sistemas solares para cocción. Agradecimientos El autor desea agradecer al CYTED subprograma VI la posibilidad de formar parte de esta Red y de poder generar intercambios con otros grupos de Iberoamérica. REFERENCIAS Aballay M., Serrano P. 1990. Criterio de Diseño de Cocinas Solares. Actas del Seminario

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capitulo 05.1

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