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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERÍA

ESTABLECIMIENTO DEL PROCESO PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UNA COCINA SOLAR PARABÓLICA (TRABAJO DE APLICACIÓN DE CICLO)

Presentado a: Ing. ROMÁN JUSTO CALDERÓN CARDERNAS, Facilitador del curso: DISEÑO DE EQUIPOS Y SELECCIÓN DE MATERIALES - 091C

Realizado por:   

AROTOMA CRUZ Susan Fiorella COSME MARTICORENA Oscar Luis VARGAS MACHUCA TAMBRAC Michael, Alumnos del IX Ciclo de la E.A.P. INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL

Huancayo, 22 de julio de 2015

1. PRESENTACION Presentamos este presente trabajo de aplicación llamado “Establecimiento del proceso para el funcionamiento de una cocina solar parabólica” realizado por alumnos de la facultad de Ingenieria Quimica E.P. Industrial de la Universidad Nacional del Centro del Peru. Este trabajo de aplicación fue realizado en el espacio de deposito del laboratorio de no metálicos de la facultad. El siguiente informe del trabajo de aplicación de ciclo “Establecimiento del proceso para el funcionamiento de una Cocina Solar Parabólica”, tiene por objetivo el desarrollo de montaje y funcionamiento de una cocina solar parabólica en la que se necesitó materiales como una antena parabólica recubierta con espejos para al estar expuestos al sol el calor se propague por radiación y convección , dirigiéndolo hacia el punto focal en el que se ubicó una plancha (cuerpo negro de gran conductividad) y por consecuente se logró la cocción de alimentos como fueron el huevo y hot dog. Más adelante se detallará más acerca de los fenómenos que ocurren y el por qué consideramos realizar el siguiente trabajo de aplicación.

ii

DEDICATORIA A nuestros padres por su apoyo incondicional y mano amiga que día a día nos alientan para poder lograr nuestros objetivos y metas.

AGRADECIMIENTO Agradecemos a todas las personas que de alguna manera colaboraron en la realización del establecimiento de proceso para el funcionamiento de una cocina solar parabólica

INDICE

Pág. Carátula

1

Presentación

2

Dedicatoria

3

Agradecimiento

4

Índice

5

Resumen

6

Introducción

7

Objetivos

8

Hipotesis

10

Marco teorico

11

Materiales y métodos

20

Resultados

21

Discusion

22

Conclusiones

23

Recomendaciones

24

Bibliografia

25

Anexos

26

5

2. INTRODUCCION 2.1. OBJETIVOS 2.1.1. Objetivo General  Establecer el proceso para el funcionamiento de una cocina solar parabolica

2.1.2. Objetivos Específicos  Determinar el punto focal.  Determinar la temperatura de ingreso mediante el balance de energía en el proceso  Hallar el VAN y el TIR del montaje de la cocina solar parabolica  Comparacion energetica y de costos de los tipos fuente de energia 2.2.

HIPOTESIS

 Se establecio satisfactoriamente el proceso para el funcionamiento de una cocina solar parabolica  El punto requerido es 45 cm  La temperatura de ingreso mediante el balance de energía en el proceso es 200°C  El VAN es S/.20 y el TIR es 20% del montaje de la cocina solar parabolica  Se logro comparar energetica y de costos de los tipos fuente de energia 2.3.

JUSTIFICACION 6



No contamina el medio ambiente



Variedad en cuanto a tipo de comidas, que se pueden preparar con ella



Tiempo de cocción similar al tiempo de una cocina convencional.

2.4.

MARCO TEORICO

Se puede cocinar con la energía luminosa que produce el Sol, pero no basta poner simplemente una olla al Sol. Se requiere un artefacto especialmente diseñado, que transforma la radiación solar en suficiente calor a través de su acumulación o concentración. Es parecido a jugar con un espejo dirigiendo los rayos hacia un objeto, quemar papel o madera con una lupa o dejar la manguera llena de agua al Sol por un cierto tiempo. También el fenómeno del calentamiento del interior de un automóvil estacionado al Sol con las ventanillas cerradas es similar. TIPO DE COCINAS SOLARES Básicamente podemos distinguir dos tipos: • La cocina solar parabólica, que es parecida a una antena con el mismo nombre, pero cubierta con una superficie reflectante. Calienta concentrando los rayos del Sol en un solo punto, llamado foco, donde se ubica el recipiente de cocción. • El horno solar, que es un cajón herméticamente cerrado con una tapa transparente, que permite captar los rayos solares. Calienta por el llamado efecto invernadero o trampa de calor. Cuadro 1 Valoración del uso de las cocinas solares de acumulación y de concentración Características Cocina de acumulación Cocina de concentración Necesidad de reorientación Media Alta Facilidad de manejo Sencilla Regular Estabilidad frente al viento Buena Baja Temperaturas alcanzables Regulares Altas Velocidad de cocción Baja Alta Necesidad de vigilancia Reducida Elevada Riesgo de incendio Nulo Posible Precio Bajo Mas elevado Mantenimiento Muy reducido Regular Facilidad de acceso ollas Reducido Fácil Auto construcción Fácil Más complicada Limpieza de las ollas Sencilla Normal Facilidad de almacenaje Buena Regular Permite freír y/o asar No Si 7

Fuente: GARCIA, J. La Cocina solar: El nuevo arte de cocinar de modo saludable y ecológico

COCINA SOLAR PARABÓLICA

Las cocinas solares parabólicas tienen una estructura generalmente de metal compuesta básicamente de un soporte y una pantalla parabólica sostenida por el soporte. Normalmente el soporte es equipado con ruedas para poder desplazar la cocina con facilidad sin necesidad de levantarla. La pantalla parabólica está fijada de tal forma por el soporte, para que sea fácil de cambiar su inclinación de acuerdo al ángulo de incidencia del Sol.

La superficie interior de la pantalla está cubierta por un material reflectante, que puede ser de tiras de una chapa especial de aluminio o compuesto de un gran número de pequeños pedazos de espejo de vidrio. En el centro de la pantalla, ligeramente separada de la misma se encuentra el soporte para los recipientes de cocción, cuyo tamaño y forma define puede variar de un modelo a otro. El tamaño de la cocina puede variar según las necesidades. 8

Para el uso familiar la pantalla parabólica tiene un diámetro de 1 m. hasta 1.50 m. aproximadamente. Cuando es mayor el tamaño, mayor es la potencia de calor y consecuentemente la capacidad de cocción. Existen también cocinas solares parabólicas de tamaño industrial para cocinar grandes cantidades de alimentos. En estos casos la pantalla y la cocina con la olla de cocción son generalmente montadas en forma separada. Los modelos más difundidos son los desarrollados por el científico austríaco Wolfgang Scheffler, que ahora ya se usan en muchos países del mundo entre ellos Paraguay, Argentina, Bolivia y Perú.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA COCINA SOLAR PARABÓLICA VENTAJAS

• Variedad en cuanto a tipo de comidas, que se pueden preparar con ella • Tiempo de cocción similar al tiempo de una cocina convencional. DESVENTAJAS

• Su costo es relativamente elevado y es difícil fabricarla uno mismo. • Ocupa un espacio relativamente importante durante su uso y para guardarla. • Se tiene que orientar hacía el sol con bastante frecuencia (cada 15 a 20 min.). • Aprovecha solamente la llamada radiación solar directa, razón por la cual no funciona bien, cuando hay muchas nubes en el cielo. • Durante su uso pueden producirse molestias en la vista por los reflejos del Sol en la superficie reflectante. Se recomienda entonces utilizar lentes oscuros para protegerse. PARTES DE UNA COCINA SOLAR PARABÓLICA. Básicamente una cocina solar parabólica consta de tres partes:

9

1. Soporte o parrilla para el recipiente de cocción: De diversas formas y tamaños, según el modelo de cocina, su función es ubicar de forma segura y estable el recipiente de cocción (olla, cazuela, sartén, plancha, etc.) en el foco de la superficie parabólica. 2. Concentrador parabólico: en cuyo eje queda dispuesto el soporte del recipiente para cocinar. Debe estar fabricado con material óptimo, fácil de limpiar y de alto poder reflexivo. Varias piezas de este material, según el modelo de cocina, se unen, uno a otro, con la adecuada curvatura, para configurar la superficie parabólica. 3. Estructura soporte del sistema: fabricado de madera o metal según el modelo, tiene como función soportar los elementos de la cocina, aportando estabilidad al conjunto y facilitando la utilización. Está articulado al concentrador, permitiendo su giro, de este modo se puede reorientar o aplicar la función de encendido / apagado. Algunos modelos de cocinas disponen de un sistema de alineamiento o eficiencia solar, generalmente es un visor, cuya sombra nos informa sobre la ubicación del concentrador parabólico y la necesidad de reorientarlo adecuadamente para conseguir un rendimiento óptimo. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. La dirección de propagación de una onda se representa mediante líneas que se denominan rayos, la forma de la superficie en la que inciden determina la dirección de los rayos reflejados. Cuando la forma de dicha superficie es parabólica, todos los rayos que llegan paralelos al eje de la parábola se reflejan y pasan por un mismo punto al cual se denomina foco. Esta es la propiedad fundamental en la cual se basa el funcionamiento de todas las cocinas solares parabólicas.

El concentrador solar parabólico es un dispositivo que concentra en un solo punto o foco, todos los rayos solares incidentes en su superficie, orientado adecuadamente en la dirección del sol conseguirá alcanzar altas temperaturas que permiten cocinar alimentos.

TIPOS DE COCINA SOLAR PARABOLICA 10

Existen gran variedad de modelos, por un lado tenemos las cocinas solarescomerciales y de otro, versiones caseras construidas a partir de diseños y materiales diversos. Sin embargo una clasificación útil, sobretodo en miras a elegir un modelo para comprar o construir, es en función de la geometría de la superficie parabólica de su reflector. De esta manera encontramos dos grandes grupos: 1.

Cocinas con superficie parabólica de foco expuesto.

2.

Cocinas con superficie parabólica de foco profundo.

1.1.

Las cocinas solares parabólicas que utilizan superficies de foco profundo son mucho más recomendables, al quedar el foco dentro del plano de la parábola son más eficientes, debido a que la zona de cocción está mejor protegida del viento. También son más seguras, se evitan situaciones peligrosas, como el deslumbramiento del utilizador, quemaduras fortuitas o un posible incendio en zonas adyacentes. PRINCIPIO DE LA PARÁBOLA La definición de parábola habla del “lugar geométrico de los puntos que equidistan de una recta (directriz) y un punto fijo (foco)”. Lo que esto nos quiere decir es que la forma que va a presentar la parábola hace que la distancia de cualquier punto de la misma, en línea recta, al foco, va a ser de igual valor a la distancia de ese mismo punto a la directriz, trazando una perpendicular a esta última (Figura 3.6 - 1.). 11

Figura 3.6 – 1. Definición geométrica de parábola. Fuente: “Wikimedia Commons”. Las parábolas siempre van a presentar la misma forma característica tales como la vista en la figura 3.6 -1. El hecho que podamos ver diferentes tamaños de gráficas no significa que no sean iguales, ya que todas van a ser semejantes y lo único que va a cambiar entre ellas va a ser su escala. Esta escala, o zoom, va a depender de los valores que se tomen en las ecuaciones características de la parábola. Estos valores son los que van a acompañar a las variables “x” o “y”, dependiendo si la parábola es vertical u horizontal. La ecuación general va a presentar la siguiente forma:

El valor de las constantes “a”, “b” y “c” nos va dar la forma de la parábola, y el signo que les acompañe, nos va a dar la orientación. Aparte de la ecuación característica que encierra a todas las parábolas, también esta puede ser diseñada a partir de una distancia focal dada. El valor de esta distancia, que va desde el vértice al foco, va a estar representado por la variable “p”, y la ecuación en función del foco con la que se va a trabajar va a tener la siguiente forma, en función de “x” e “y”.

Donde el vértice ocupa las coordenadas (h,k). Todas las cocinas parabólicas deben estar directamente sujetas a este principio de la parábola, puesto de directamente de ello depende no sólo su eficiencia, sino directamente su funcionamiento.

12

Figura 3.6 - 2. Representación de los giros de la cocina parabólica. Fuente propia.

1.2.

FACTORES El calor dentro de una cocina solar nunca se mantiene constante de forma indefinida. Aunque nuestra cocina esté perfectamente aislada o la radiación sobre ella sea invariable, siempre se va a perder energía calorífica a través de tres fundamentos de la transferencia de calor: la conducción, la convección y la radiación.

1.2.1. Conducción La conducción es lo que conocemos como transferencia de calor por difusión. Esto se refiere al transporte de energía en un medio debido a un gradiente de temperatura, ya que el calor siempre va a viajar de lo caliente a lo frío. Esta transferencia de energía se da entre las partículas más energéticas hacia las menos energéticas, en nuestro caso, la conducción se va a producir a través de las paredes de nuestro horno solar (aunque el aislamiento de estas paredes lo retarda, no lo disipa en su totalidad) y del propio cristal por el que pasa la radiación. En el resto de cocinas solares, la conducción se da únicamente sobre las paredes del recipiente que se esté calentando. 1.2.2. Convección La convección hace referencia al aire caliente que se produce en el interior de los dispositivos de cocción. Estos dispositivos, aunque estén hechos de los mejores materiales, siempre van a presentar huecos o imperfecciones que permitan a las moléculas de aire caliente escapar hacia el exterior. El fenómeno de convección sobre todo se produce cuando alguno de estos dispositivos son abiertos, el cristal del horno o la tapa de la olla, es por ello 13

que, si no podemos hacerlos herméticos por su mayor gasto o dificultad de fabricación, debemos intentar abrirlos lo menos posible. 1.2.3. Radiación La radiación la conocemos como la emisión de calor desde una fuente que está a una temperatura mayor que la temperatura del ambiente que lo rodea a través del aire o del espacio. Los objetos calientes, como las ollas de las cocinas, presentan en su superficie exterior altas temperaturas debido a la conducción del calor desde su pared interior. Cuando debido a este gradiente de temperatura la energía calorífica llega a la pared exterior, hace subir la temperatura por encima de la temperatura ambiente que le rodea, es por ello que nuestra olla, debido a otro gradiente de temperatura nuevo, va a irradiar calor al aire exterior.

 Esquema

Figura 3.7 - 1. Gráfico resumen de los fenómenos de transferencia y pérdida de calor. Fuente: MANCHADO M. (2010)

VALOR ACTUAL NETO (VAN) El VAN es un indicador financiero que mide los flujos de los futuros ingresos y egresos que tendrá un proyecto, para determinar, si luego de descontar la inversión inicial, nos quedaría alguna ganancia. Si el resultado es positivo, el proyecto es viable. VAN = BNA – Inversión Donde el beneficio neto actualizado (BNA) es el valor actual del flujo de caja o beneficio neto proyectado, el cual ha sido actualizado a través de una tasa de descuento. VAN > 0 → el proyecto es rentable.

14

VAN < 0 → el proyecto no es rentable. TASA INTERNA DE RETORNO (TIR) La TIR es la tasa de descuento (TD) de un proyecto de inversión que permite que el BNA sea igual a la inversión (VAN igual a 0). La TIR es la máxima TD que puede tener un proyecto para que sea rentable, pues una mayor tasa ocasionaría que el BNA sea menor que la inversión (VAN menor que 0). 0 = BNA – Inversión 

Si TIR

r

Se aceptará el proyecto.



Si TIR

r

Se rechazará el proyecto.

3. MATERIALES Y METODOS 3.1.             

madera para soporte 3 sprite de pintura soporte para recipientes 300 espejos de 5x5cm 1 antena parabolica 4 tornillos de 3/8x2 3 lijas #120 1 recipiente 1 silicona Fierro plano 1.12m de 1pulgada. Fierro circular de 1/4pulgada. Hoja de cierra metálica Martillo

7.2.  

 

MATERIALES

METODOS

Como primer paso se procedió a verificar el funcionamiento de la cocina solar parabólica con el que se contaba. Se procedió a determinar en punto focal y para ver la eficiencia del equipo se acondicionó un soporte para colocar un recipiente en el que hicimos calentar agua. En un principio se nos hizo dificultoso determinar el punto focal y tuvimos problemas para calentar el agua. Con ayuda de una huincha procedimos a medir la distancia del centro de la cocina parabólica y determinar el punto focal

15



Al realizar las primeras pruebas las muestras de 250mL de agua que calentamos llegó a una Temperatura de aproximadamente 50°C Procedimos acondicionando un soporte haciendo uso del caballete. De acuerdo a la bibliografía, para el uso de las cocinas solares es más beneficioso hacer uso de un cuerpo negro y de un material más conductivo. Se hizo uso de una parrilla de material muy conductivo

  

8.

RESULTADOS

BALANCE DE ENERGIA Durante las pruebas desarrolladas en el funcionamiento de la cocina solar parabólica se obtuvo los siguientes datos:

DATOS REQUERIDOS Material Acero al carbono 0.5% C Temperatura ingreso (A) 198 °C Temperatura salida (B) 120° C Espesor de la plancha (L) 0.005m Conductividad térmica del 54 W /mºK material (k) Coeficiente de emisividad 0.25 superficial del material (ɛ) temperatura del aire 16 °C transferencia de calor por 20 W /m2 ºK convección libre del ambiente B BALANCE DE ENERGIA DATOS: ( (

) )

16

Por balance de energía Calor por conducción =calor por convección + calor por radiación……… (1) De la actuación general: Reemplazando (

)

(

(

)

)

[ (

(

(

(

)

)

(

)

)

)…………(2) (

)

]…………….(3) ((

)

(

) )

475.24K =202.24° C FLUJO DE CAJA r=10% PRECIO (s/.) COCINA CONVENCIONAL fosforo balón de gas cocina a gas recipiente TOTAL COCINA SOLAR PARABOLICA fosforo gas cocina solar parabolica recipiente TOTAL



VAN



TIR

0 r

VAN s/.31.36

0.3 30 150 50 230.3 0 0 128 50 178

El proyecto es rentable Se aceptará el proyecto.

COMPARACION ENERGETICA Y DE COSTOS DE LOS TIPOS FUENTE DE ENERGIA

17

TIR 29.38%

El ahorro producido por una cocina solar parabólica, debe estimarse tanto en términos económicos como medioambientales, y en función del tipo de energía convencional que sustituyamos con su utilización. Utilizando las siguientes equivalencias a efectos de generación de CO2, evaluaremos cada caso:

  

1 kWh de la red de electricidad de España equivale a: 0,62046 kg de CO2 1 kWh de gas butano (bombona) equivale a: 0,260 kg de CO2 1 kWh de gas natural equivale a: 0,231 kg de CO2

Si cocinamos con electricidad: Se estima que son necesarios unos 175 kWh anuales de energía eléctrica por persona para satisfacer sus necesidades de cocinar alimentos. Teniendo en cuenta que el tamaño de un hogar español medio es 2,9 personas (Fuente: INE), el consumo de electricidad para cocinar en una vivienda española será:

2,9 x 175 = 507,5 kWh

El precio del kWh es variable según el suministro contratado, pero a efectos de simplicidad tomaremos el de la tarifa residencial habitual de S/.0,5156 /kWh (julio 2012), que sumándole el 24,03% de impuesto sobre la electricidad más el IVA, resulta en: S/.0.6397 /kWh Por tanto, el costo anual promedio de un hogar español que cocina con electricidad es:

507,5 x 0.6397 = S/. 324.6506

Además originará una emisión a la atmósfera de:

507,5 x 0,62046 = 314,88 kg de CO2 Si cocinamos con bombona de butano: Un hogar español medio (2,9 personas) equipado con una cocina de gas, consume alrededor de 4 bombonas de 12,5 kg al año. El precio de una bombona es de S/.56.8512 (julio 2012). Por tanto, el costo anual de una familia en España que cocina con gas envasado es:

4 x 56.8512 = 227.4048

18

El butano tiene una capacidad calorífica de 13,7 kWh/kg, si se utilizan 4 x 12,5 = 50 kg generaremos al año 50 x 13,7 = 685 kWh de energía a partir de butano.

La emisión estimada a la atmósfera de esa energía en un año es:

685 x 0,26 = 178,1 kg de CO2 Si cocinamos con gas natural: Para simplificar cálculos supondremos que el consumo de gas natural es igual al del butano (en realidad es muy similar) y debido a la existencia de varias tarifas, utilizaremos la tarifa "Gas Básica" de S/.10/mes de término fijo y S/.0.4 /kWh de término variable, por tanto un hogar español que cocina con gas natural, gastará anualmente:

12 x 10 + 685 x 0.4 = S/.394

La emisión anual a la atmósfera asociada en este caso será de:

685 x 0,231 = 158,2 kg de CO2

9.

DISCUSION  Los cálculos son en base a promedios de consumo y tomando como referencia un hogar conformado por 2,9 personas. Como se puede apreciar la opción más cara y la que más contamina es la energía eléctrica, en sí la electricidad es limpia, lo que no es limpio es la forma en que se produce.  El ahorro que produce una cocina solar parabólica dependerá de la utilización que hagamos de ella, siempre que la empleemos será a costo CERO (económico y medioambiental). De los datos expuestos en la tabla anterior se puede deducir que la inversión en una cocina solar es rentable, su precio se amortiza en pocos tiempo y es un equipo que con un mínimo de cuidado dura toda la vida.  La cocina solar parabólica es un equipo complementario de cocina, capaz de sustituir perfectamente a una cocina convencional eléctrica o de gas si las condiciones meteorológicas son adecuadas, y en España hay una media de 2.500 horas de sol anuales aprovechables (más de 300 días al año en que podemos emplearla, sea invierno o verano). 19

 Comparacion energetica y de costos de los tipos fuente de energía es:

Tipo de energía Electricidad Bombona butano Gas natural Energía solar 10.

Costo en Soles 324.6506

emisiones (kg de CO2) 314,88

227.4048

178,10

394

158,20

0

0,00

CONCLUSIONES

 Se establecio el proceso para el funcionamiento de una cocina solar parabólica.  El punto focal es 44 cm del centro de la cocina solar parabolica  Determinar la temperatura de ingreso mediante el balance de energía en el proceso es 204 °C  El VAN es igual a s/.31.36 y el TIR es igual a 29.38%  Comparacion energetica y de costos de los tipos fuente de energía es:

Tipo de energía Electricidad Bombona butano Gas natural Energía solar

Costo en Soles 324.6506 227.4048 394 0

10.1 HOJA DE ESPECIFICACIONES 11.

RECOMENDACIONES

20

emisiones (kg de CO2) 314,88 178,10 158,20 0,00

• Puede precalentar el horno solar, colocándolo al sol media hora antes de colocar los alimentos. • Al hornear panes, tortas, chipa guazú, sopa paraguaya o alguna otra comida de similar consistencia,tenga en cuenta que deben colocarse en asaderas de poca profundidad, sobre todo que el preparado no exceda los dos centímetros. • Durante la cocción, los recipientes deben estar tapados para concentrar el calor en su interior. • Colocar los alimentos en recipientes negros para captar la luz solar. El exterior de las cacerolas, asaderas u otros elementos que Usted ya tiene en su hogar pueden ser pintados de negro con pintura mate (opaca) o sintética.

12.

BIBLIOGRAFIA

BERNARD, Roger. 1987. Le soleil à votre table. Découvrez la cuisine solaire. Lyon: Editions Silence. BERNARD, Roger. 1999. La cuisson solaire facile. Une délicieuse alternative. Genève: Jouvence Editions. . MANCHADO M. Miguel. 2010. Caracterización de una cocina solar parabólica. Madrid. GARCÍA J. “La cocina solar. El nuevo arte de cocinar de modo saludable y ecológico”.

13.

ANEXOS

21

22

Fig. 1 Primera prueba de experimentación- Calentando 250mL de agua

Fig. 2 Segunda prueba- Calentando agua en un recipiente de material más conductivo

23

Fig. 3 Tercera prueba- Sancochando huevos de codorniz en una olla de acero

Fig. 4 Realizando el mantenimiento de la cocina solar

24

Fig. 5 Pintado del caballete y parante de la cocina solar parabólica

Fig. 6 Acondicionando una parrilla de material muy conductivo

25

Fig. 7 Cuarta prueba- Friendo huevos y Hot dog

Fig. 8 Funcionamiento de la cocina solar

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