Evaluación sistema mixto cocina rocket y calentador solar de agua.
(Autoría propia, libre difusión).
Introducción
Desde hace miles de años, prácticamente desde su existencia, el ser
humano tal y como lo conocemos hoy en día ha usado la energía para su
beneficio. Con el uso y control del fuego en sus inicios hasta los elaborados
sistemas térmico-eléctricos de la actualidad.
Si tuviéramos que dividir en etapas este aprovechamiento de la
energía, quizás se parecerá a algo como lo siguiente. Haciendo referencia a
la evolución en las tecnologías empleadas, los métodos de aprovechamiento
y las variables que se involucran.
Primera etapa
El ser humano aprovecha la energía de combustión de la biomasa, el
fuego. Proporcionando calor, protección, etc. En esta primera etapa se denota
claramente que solo se requieren satisfacer las necesidades fisiológicas
básicas del mismo.
Segunda etapa
El ser humano, usando su ingenio, aprovecha y maximiza la eficiencia de la energía física con la utilización de herramientas. Más tarde se haría uso de la energía física de los animales para el arado, movilizarse más velozmente, entre otros. En esta segunda etapa, las variables se incrementan. Estos seres humanos del pasado tuvieron que desarrollar estas nuevas tecnologías debido a sus comunidades cada vez más grandes y socialmente complejas.
Tercera etapa
Desde hace 5500 años hasta el siglo 13 aproximadamente, se hace uso de la energía del viento en su mayor parte. Tanto para la movilización de lo que serían las primeras embarcaciones a vela, como para el molido de granos y la extracción de agua.
Cuarta etapa
Entrando en la modernidad, el uso de la energía se incrementa
drásticamente. Con la aparición de la máquina de vapor se mejoran los
procesos industriales del mundo, generando de esta manera los avances
cada vez más veloces y radicales. Por eso, a diferencia de las etapas
pasadas, los tiempos de aparición de nuevas tecnologías para el aprovechamiento de nuevas energías se anticipan, dejando obsoletos a las
anteriores.
En la actualidad, vivimos en un mundo más complejo que en el que
vivíamos hace unos miles de años, donde la única preocupación era el calor y
la protección. Hoy en día, no solo queremos satisfacer estas necesidades que
damos por hecho, sino que también queremos confort. Entendiéndose por
confort, movilidad mas rapida y eficaz, ropa para vestirnos de mejor calidad,
iluminación en nuestras ciudades, comidas de diferentes tipos y en grandes
cantidades, instrumental de salud avanzado, infraestructura civil de calidad,
etc. Esto llevó a la humanidad a la explotación de los recursos naturales que
nos rodean, como lo son el carbón y el petróleo. Esta explotación de los
recursos está destruyendo el planeta en el que vivimos, y sin ir más lejos,
muchos países no pueden satisfacer la demanda energética porque no tienen
en su territorio estos recursos antes mencionados.
Como solución a este problema global, las investigaciones en materia
de energías alternativas se incrementó y está avanzando a pasos
agigantados en los últimos años.
Sin embargo, y por eso este trabajo práctico, algunos lugares alejados
de las grandes urbes o las “casas ecológicas del futuro” hacen y harán uso de
estas energías alternativas para la economización de las economías
hogareñas y la ampliación del abanico de abastecimiento energético.
La propuesta.
Debido a este cambio en la mirada del uso energético, la propuesta es
la implementación de un sistema mixto de energías alternativas para así
suprimir las desventajas que presentan las diferentes tecnologías.
Calentamiento de agua haciendo uso de la energía solar térmica.
Antes de definir apropiadamente esta tecnología, empezaremos por
definir la energía solar. La energía solar es aquella energía en forma de
radiación que proviene del sol.
Esta energía puede aprovecharse de dos maneras: mediante la
conversión térmica, que consiste en transformar la energía solar en energía
térmica, y la conversión fotovoltaica.
Dentro de la conversión que nos compete, la energía aprovechable del
sol depende de muchos factores. Esto es debido a las pérdidas energéticas
tanto en el medio que nos rodea como las pérdidas debido a la ineficiencia de
la tecnología de captación solar.
● Las pérdidas energéticas en el medio se pueden resumir
principalmente a las debidas a la atmósfera terrestre.
● Las pérdidas energéticas de ineficiencia de la tecnología se
pueden resumir en las pérdidas por convección térmica, radiación
térmica, conducción térmica y el reflejo de la radiación
Un captador solar es un aparato que contiene:
● Un tanque de almacenamiento o acumulador de líquido.
● Un colector solar o intercambiador. En el cual se da la transformación
de energía solar a energía térmica, calentando el líquido que circula en
su interior.
● Una línea de suministro de agua fría.
● Una línea de salida de agua caliente.
Principio de funcionamiento:
Ingresa agua fría de la red de suministro local al tanque de
almacenamiento. Esta agua fría circula directamente hacia el colector que se
encuentra a menor altura que el tanque de almacenamiento. Debido al
calentamiento se produce el efecto termosifón donde el líquido se calienta y
pierde densidad, ascendiendo por el colector. De esta manera, el líquido
caliente siempre se encontrará en la parte más alta del colector, donde estará
situada la línea de salida de agua caliente para su aprovechamiento.
Pérdidas
El estudio de las pérdidas es de vital importancia para el mayor
provecho de esta tecnología.
Cuando analizamos las pérdidas debidas a la atmósfera, debemos
saber que los rayos del sol inciden con distinto ángulo en la tierra en losdistintos horarios y meses del año. A mayor recorrido haga el rayo de sol en
la atmósfera, mayor será la pérdida energética que este tendrá. Sin
profundizar en los ángulos solares, para un dispositivo ubicado en una
determinada locación sin posibilidad de traslado a otra localización con
mejores características, deberemos tener en cuenta el azimut y el ángulo de
inclinación.
Cocina cohete y la energía de la biomasa.
Con un gran potencial sustentable y económico, encontramos que la
energía de biomasa es de vital importancia para aquellas comunidades
alejadas de los medios usuales de abastecimiento energético, así también
como aquellos que se encuentran en situaciones económicamente
desfavorables y no puedan afrontar el gasto de la instalación ordinaria de gas.
En este sentido considero que este medio energético es accesible en
disponibilidad y costos, siendo una de las energías alternativas más
económicas.
Sin embargo, la biomasa, que puede ser aprovechada de múltiples
formas, como lo son
● Combustión directa.
● Co-firing.
● Gasificación del aire.
● Hidrólisis y fermentación.
● Descomposición anaeróbica.
● Pirólisis.
Todos estos medios no son accesibles para todo el mundo y disponen
también, eficiencias distintas.
En el caso de la cocina rocket se usa el método de combustión directa.
La combustión directa es la forma más antigua y más común de
extracción de la energía de la biomasa. En este método, se genera calor, el
cual puede ser utilizado directamente. Los procesos tradicionales de este tipo
son muy ineficientes porque mucha de la energía liberada se desperdicia y
puede generar contaminación bajo condiciones no controladas.
La biomasa consiste en carbono y oxígeno principalmente, conteniendo
también hidrógeno, nitrógeno, azufre, ceniza y agua, dependiendo de la
humedad relativa.
Cuando esta se quema, se produce una reacción química que combina
su carbono con oxígeno del ambiente, formándose dióxido de carbono (CO2)
y combinando el hidrógeno con el oxígeno para generar vapor de agua.
Cuando la combustión es completa todo el carbón se transforma en CO2. No obstante, cuando la combustión es incompleta, se forma monóxido de carbono (CO), hidrocarburos, N20 y otros materiales. Para lograr una combustión completa es necesario disponer de una entrada de aire adecuada para que el oxígeno disponible sea el suficiente, a su vez, es necesario que la biomasa no contenga un contenido alto de humedad.
La cocina cohete es una estufa de cocción eficiente que usa
combustible sólido. La cocina cohete, a diferencia con la estufa rocket, no
presenta una doble cámara de combustión como si lo hace la estufa. En este
caso, la gran eficiencia de la cocina cohete se debe a la introducción de
pequeños trozos de madera, lo que facilita la combustión, a su vez, cuenta
con una cámara de precalentado, con una entrada de aire auxiliar que incide
directamente en la cámara de combustión. A su vez, esta cámara de
combustión está aislada térmicamente del exterior y es alta, con al menos 40
cm de longitud. Esto provoca un fuerte arrastre de aire desde el ducto de
alimentación.
Análisis de viabilidad.
En el contexto de utilización de las diferentes energías, nos
encontramos con que el calentamiento de agua solar tiene una desventaja
importante. Esta es que depende de la incidencia directa del sol en su
captador para elevar la temperatura del agua en su interior. Este sistema es
prácticamente inviable en los meses más fríos del año (Mar del Plata). Dada
esta condición, se presenta la posibilidad de la inclusión de un intercambiador
de calor como segunda etapa de calentamiento del agua para suplir lademanda de agua caliente en los meses más desfavorables. Esto se haría
mediante la utilización de una cocina rocket.
Para comenzar el análisis presentamos un esquema orientativo de la
instalación final.
Componentes:
● Tanque de almacenamiento.
● Colector solar.
● Sistema de apertura y cierre de válvulas electrónicamente.
● Microprocesador.
● Sensor de temperatura.
● Cocina rocket preferiblemente.
● Intercambiador de calor.
El funcionamiento del sistema sería: 1) Entra agua fría de red al tanque
de almacenamiento. 2) El agua fría circula hacia el colector solar donde es
calentada y devuelta al tanque de almacenamiento. 3) El sensor de
temperatura registra la temperatura en tiempo real del tanque y envía esta
información al microcontrolador. 4) Según la temperatura del tanque y su variación, sumado a la información de las temperaturas promedio estimadas
teóricamente para la fecha del muestreo se abre o se cierra la válvula que
dirige el agua hacia el intercambiador de calor. 5) Si el calor producido por el
colector es suficiente, entonces no se abrirá la válvula y el agua recorre el
camino como un colector solar común. 6) Si el calor producido por el colector
es insuficiente, se abrirá la válvula que hará circular el agua por el
intercambiador, de esta manera, al prender la cocina rocket para cocinar o
calentar lo que sea en el hogar, se contribuirá a elevar la temperatura del
agua en el tanque. 7) Se dispone del agua caliente por una boca en la parte
superior del tanque.
Para los cálculos de viabilidad se presupondrá que el calentador solar no
aporte ninguna ganancia de temperatura al sistema.
Energía necesaria para calentar 500 litros de agua del tanque de almacenamiento.
Despreciando la pérdida de temperatura en el tanque de almacenamiento y
sus conductos, asumimos que la temperatura de “agua caliente” es de 85 C°
y la temperatura ambiente es de 10 C°.
Cp agua= 4,18 kj/kg. C°
Calculamos el calor necesario para calentar el agua:
Q = m * cp * ΔT
Reemplazando:
Q = 156.750 kj = 37.464 kcal
Esta es la energía necesaria para elevar 75 grados 500 litros de agua.
Energía producida por la cocina rocket para su utilización en el intercambiador de calor
Formato seleccionado:
Para el cálculo estimativo, consideraremos que las paredes de la
cocina rocket están aisladas y es despreciable la pérdida calorífica. Si
consideramos las calorías que se emplearán en el calentamiento de la placa
superior que se utilizara para cocinar se generará un gradiente de
temperaturas que será mayor en la sección que se encuentra directamente
encima de la cámara de combustión. Ese análisis se deberá de realizar por
métodos numéricos.
Al alcance de nuestro análisis, supondremos que el periodo transitorio
del calentamiento es instantáneo a efectos prácticos y toda la placa se
calienta a la misma vez.
Energía producto de la combustión
La energía aprovechable en el proceso de combustión de la biomasa
depende directamente del contenido de humedad que la madera contenga.
Esto nos da aproximadamente 4.500 kcal/kg en promedio para
maderas secas. Si suponemos una combustión completa, entonces este será
el calor generado.
A su vez, dependiendo del modelo de cocina rocket, este tendrá una
cantidad máxima de consumo de biomasa por hora de encendido. Este valor
saldrá experimentalmente. Basado en el estudio de “Análisis de desempeño
de estufa rocket con leña dura y blanda” del observatorio de Energía y
Sustentabilidad del departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad Regional
Rosario, UTN, donde se analiza una Estufa Rocket BBR6 con distintos tipos
de leña, se concluye que la tasa de alimentación de biomasa es de entre 1,86
kg/hora a 2,41 kg/hora. Dando como resultado un aporte calórico de entre
9.122 kcal/hora y 10.721 kcal/hora.
Energía cedida a la placa para cocinar
La convección recibe el nombre de convección forzada si el fluido es
forzado a fluir sobre la superficie mediante medios externos como un
ventilador, una bomba o el viento. Como contraste, se dice que es convección
natural si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que
son inducidas por las diferencias de densidad debidas a la variación de la
temperatura en ese fluido.
A pesar de la complejidad de la convección, se observa que la rapidez
de la transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de
temperatura y se expresa en forma conveniente por la ley de Newton del
enfriamiento como:
Q = h * A s * (T s − T )
Donde Q es el calor cedido al ambiente, h es el coeficiente de
transferencia de calor por convección, As es el área superficial a través de la
cual tiene lugar la transferencia de calor por convección, Ts es la temperatura
de la superficie y T∞ es la temperatura del fluido suficientemente alejado de esta
superficie.
Ecuaciones y Resultados
Haciendo uso de la primera ley de la termodinámica, que expresa que
en el curso de un proceso, la energía no se puede crear ni destruir; solo
puede cambiar de formas. Planteamos que el cambio neto de la energía total
de un sistema en el curso de un proceso es igual a la diferencia entre la
energía total que entra y la energía total que sale en el desarrollo de ese
proceso.
Ahora que conocemos todas las implicaciones de nuestro sistema,
queremos conocer si la energía producida por la cocina rocket es suficiente
para el calentamiento de agua en condiciones severas de uso.
Calentando de 10 C° a 85 C° 500 litros de agua, sin ayuda del colector
solar.
Se usó una placa de hierro de 30 x 40 cm, el promedio de la tasa de
producción de calor, una estimación de la temperatura en la cámara de
combustión de 500 C° y un valor de transferencia de calor por convección de
25, ya que, como mencionamos en el funcionamiento de la cocina rocket, el
efecto de succión de aire es considerable.
Bibliografía
http://nicolasdiruscio.com.ar/archivos/Estufas%20Rocket%20de%20Masa%20
Termica.pdf
https://ecoinventos.com/estufas-rocket/
http://www.fisica.uns.edu.ar/albert/archivos/21/254/4053781624_f2.pdf
https://infomadera.net/uploads/articulos/archivo_724_16609.pdf
https://www.enargas.gob.ar/secciones/eficiencia-energetica/consumo-artefact
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http://www.exporenovables.com.ar/2018/descargas/actas/asades-tema-4-55.p
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Transferencia de calor y masa - YUNUS A. CENGEL
Bibliografía de la materia.
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https://www.energyavm.es/relacion-existe-entre-la-evolucion-del-consumo-en
ergetico/
- https://suelosolar.com/guia/acs-solar/rendimiento-colectores
- “Alternative Energy Sources” – Efstathios E. (Stathis) Michaelides
-Manuales sobre energia removable “Biomasa” – Users Network (BUN-CA)
1ed
-Cartilla basica de construccion – Los artefactos cohete. – Lima, Peru
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