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INFORME COCINA SOLAR

Carlos Alberto Sánchez Ospitia Cod: 2120141017 Daniel Felipe Vanegas Morales Cod: 2120131007 Juan Carlos Vargas Infante Cod: 2120132004

Universidad de Ibague Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Mecánica Ibague 2017

INFORME COCINA SOLAR

Carlos Alberto Sánchez Ospitia Cod: 2120141017 Daniel Felipe Vanegas Morales Cod: 2120131007 Juan Carlos Vargas Infante Cod: 2120132004

Presentado a: Ing. Agustín Valverde Granja

Universidad de Ibague Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Mecánica Ibague 2017

Contenido Lista de tablas ......................................................................................................................... 4 Lista de graficas ...................................................................................................................... 5 Lista de figuras ....................................................................................................................... 5 1.

Resumen .......................................................................................................................... 6

2.

Abstract ........................................................................................................................... 7

3.

Objetivos ......................................................................................................................... 8 3.1

Objetivo general ....................................................................................................... 8

3.2

Objetivos específicos ............................................................................................... 8

4.

Introducción .................................................................................................................... 9

5.

Materiales y métodos: ................................................................................................... 10 5.1

Descripción del sistema ......................................................................................... 10

5.2

Parámetros físicos y equipos de medición ............................................................. 11

6.

Procedimiento experimental .......................................................................................... 14

7.

Resultados ..................................................................................................................... 15 7.1

Determinación del foco experimentalmente .......................................................... 15

7.2

Calculo teóricos de los diferentes factores que afectan al experimento ................ 17

8.

Análisis de resultados .................................................................................................... 23

9.

Conclusiones ................................................................................................................. 26

Bibliografía ........................................................................................................................... 28

Lista de tablas Tabla 1: Ficha técnica solarimetro ....................................................................................... 12 Tabla 2: Ficha técnica termómetro de mercurio ................................................................... 12 Tabla 3: Ficha técnica anemómetro térmico [6] ................................................................... 13 Tabla 4: Datos tomados el 22/09/2017 ................................................................................. 15 Tabla 5: Datos de la toma de datos con altura menor de 40 cm y revision de temperatura de agua a cada hora ................................................................................................................... 16 Tabla 6: Datos tomados midiendo temperatura del agua al principio y al final de la jornada .............................................................................................................................................. 17 Tabla 7: Datos tomados el 22/09/2017 con las respectivas potencias .................................. 21 Tabla 8: Datos tomados midiendo temperatura del agua al principio y al final de la jornada con cálculo de potencias de coccion ..................................................................................... 22 Tabla 9: Datos de la toma de datos con altura menor de 40 cm y revisión de temperatura de agua a cada hora con cálculo de las respectivas potencias ................................................... 22

Lista de graficas Grafica 1: Comportamiento de la temperatura respecto a la radiación solar ....................... 16 Grafica 2: Comportamiento temperatura y radiación por hora............................................. 23 Grafica 3: Comportamiento de la temperatura al modificarse la altura entre el recipiente y la cocina .................................................................................................................................... 23 Grafica 4: Comportamiento de la temperatura para cada altura de foco establecida por hora .............................................................................................................................................. 24

Lista de figuras Figura 1: Cocina solar tipo caja y "solar cookit" .................................................................. 10 Figura 2: Cocina solar de concentración .............................................................................. 10 Figura 3: Ejemplo recipiente de comida en estufas solares tipo caja ................................... 11 Figura 4: Imágenes producidas de un concentrador parabólico ........................................... 18

1. Resumen El presente informe presenta los resultados de la práctica experimental realizada con la cocina solar del programa de ingeniería mecánica de la Universidad de Ibague. Se realizaron 3 prácticas con la cocina durante 3 días diferentes en el lapso de las 5 horas de mayor irradiancia solar (desde las 10 am hasta las 3 pm). La primera practica consistió en poner el calentador a una altura del centro del circulo parabólico que sirve como pared reflectante, y a medida que el sol se fuera moviendo se pudiera ubicar el foco, para que se calentara el recipiente en el cual se encontraba agua de la llave. Dicha agua tenía que ser monitoreada cada hora. La segunda práctica consistió en variar la altura entre el recipiente y el centro del círculo parabólico, con el fin de lograr más intensidad del foco reflectivo. Al igual que en la primera práctica, la temperatura del objeto a calentar (que también fue agua para este caso) se debía registrar cada hora, y la última practica consistió en colocar el recipiente a una altura fija del centro del circulo parabólico, girándolo para lograr que el foco reflectivo se ubicara en la base del recipiente para calentar el agua del interior. A diferencia de las dos practicas anteriores, en la última solo se registró la temperatura del agua a principio y a final de las 5 horas de medición. Luego de realizadas las 3 practicas propuestas se procede a determinar el comportamiento de la temperatura con los focos obtenidos experimentalmente según un valor óptimo de foco, para luego estimar el comportamiento del sistema si se realizara una medición al principio y luego otra al final. Dicho valor de foco estimado en el sistema de medir al inicio y al fin de la práctica se comparara con el foco calculado teóricamente.

2. Abstract The present report presents the results of the experimental practice carried out with the solar cooker of the mechanical engineering program of the University of Ibague. Three practices were carried out with the kitchen for 3 different days during the 5 hours of solar irradiance (from 10 am to 3 pm). The first practice consisted in placing the heater at a height of the center of the parabolic circle that serves as a reflecting wall, and as the sun moved, the focus could be placed so that the vessel in which water was located key. This water had to be monitored every hour. The second practice consisted in varying the height between the vessel and the center of the parabolic circle, in order to achieve more intensity of the reflective focus. As in the first practice, the temperature of the object to be heated (which was also water for this case) should be recorded every hour, and the last practice consisted of placing the vessel at a fixed height from the center of the parabolic circle, turning it to to achieve that the reflective focus was placed in the base of the container to heat the water of the interior. Unlike the two previous practices, in the last one only the water temperature was registered at the beginning and at the end of the 5 hours of measurement. After performing the 3 practices proposed, it is proceeded to determine the behavior of the temperature with the foci obtained experimentally according to an optimal value of focus, to then estimate the behavior of the system if a measurement was made at the beginning and then another at the end. This estimated value of focus in the system of measuring at the beginning and at the end of the practice is compared with the focus calculated theoretically.

3. Objetivos 3.1 Objetivo general Calcular el foco solar teorico teniendo como base los focos logrados experimentalmente durante el desarrollo de 3 tipos de prácticas con la cocina solar del laboratorio de energías de la Universidad de Ibague.

3.2 Objetivos específicos 

Obtener el foco solar teniendo una altura fija entre el recipiente y el círculo parabólico para luego medir la temperatura dentro del recipiente con el alimento a calentar durante cada hora, y luego con la altura fija medir la temperatura al principio y al final de la práctica.



Obtener el foco solar variando la altura entre el recipiente y el círculo parabólico, registrando cada hora los datos de temperatura e irradiación.



Comparar los focos obtenidos en las 3 prácticas propuestas y determinar un foco teorico, para luego comparar si efectivamente se estaba realizando el proceso de calentamiento correctamente.

4. Introducción Las energías alternativas es uno de los temas de mayor interés por parte de entidades que buscan implementar estas como forma de cuidado medioambiental y opción de bajo costo para suplir las necesidades básicas de las familias y comunidades rurales que no tienen acceso a energía eléctrica de la red o de gas como combustible para el uso en la cocina. Las cocinas solares son una alternativa la cual usa tecnología que aprovecha la energía solar para hacer las veces de combustible en la preparación de los alimentos. Esta alternativa busca no solo ayudar a personas de bajos recursos o de sitios rurales sin acceso a gas u otros combustibles sino también disminuir el uso de estos. Debido a esto se requiere el estudio y análisis de una cocina solar y determinar por medio de experimentos las condiciones óptimas para su uso con alimentos. Existen varios tipos de concinos solares entre las cuales se pueden encontrar las de tipo horno, cookit y parabólicas la cual se tiene a disposición en la universidad de Ibagué y puede ser estudiada para determinar sus condiciones de uso. Esta alternativa de cocina parece poder resolver algunos de los problemas de necesidad energética de muchas comunidades que presentan mal aprovisionamiento energético, además puede ser una vía para avanzar en la solución de problemas medio ambientales debido al uso excesivo de combustibles contaminantes.

5. Materiales y métodos: 5.1 Descripción del sistema En la presente sección se describirán de manera detallada cada uno de los equipos materiales requeridos en la práctica experimental: 

Estufa solar: Son dispositivos que utilizan la reflexión de los rayos solares para cocinar alimentos sin necesidad de combustibles externos. Existen dos tipos de cocinas solares: de concentración y tipo horno o caja (acumulación). Las cocinas de concentración son aquellas que proyectan sobre las paredes o lados los rayos solares para ubicar un foco y sobre dicho foco se ubica el recipiente con la comida a calentar o cocinar, mientras que las cocinas solares tipo horno o caja son elementos aislados que reciben la radiación del sol y la almacenan para preparar la comida, teniendo como desventaja que deben ser girados para recibir directamente la radiación solar.

Figura 1: Cocina solar tipo caja y "solar cookit" Fuente: V. Passamai, M. Passamai (2002). Cocina tipo caja y “solar cookit” [Figura]. [1]

Figura 2: Cocina solar de concentración Fuente: L. R. Saravia, C. Cadena, R. Caso y C. Fernández (2002). Cocina donde la olla es colocada como concentrador. [Figura]. [2]



Recipiente: El tipo de recipiente a utilizar dependerá del tipo de estufa a utilizar (concentración o tipo caja), ya que en el caso de la estufa tipo concentración, se puede usar la típica olla o recipiente que sea metálico debido a la capacidad de absorver el calor y preparar los alimentos almacenados. En el caso de las cocinas tipo caja se debe tener en cuenta que deben estar aislados para que la irradiación del sol actúen correctamente. Un ejemplo de como son los recipientes aislados para este tipo de cocinas se ve en la Figura 3: Ejemplo recipiente de comida en estufas solares tipo caja, y en la Figura 2: Cocina solar de concentración se ve como son los recipientes en las cocinas solares de concentración.

Figura 3: Ejemplo recipiente de comida en estufas solares tipo caja Fuente: E.A. Rincón. (2006). Cocción de alimentos con estufas solares. [Figura]. [3]

5.2 Parámetros físicos y equipos de medición En el desarrollo de la práctica experimental se tuvieron que registrar los siguientes parámetros físicos: 

 



Temperatura inicial en el recipiente: Este dato se tomara para registrar la temperatura en la que la sustancia a calentar se encuentra antes de empezar el procedimiento. Para el presente experimento la sustancia fue agua, por lo tanto se tomó la temperatura inicial del agua. Velocidad del viento: Distancia que recorre el aire en un tiempo determinado. El viento contiene aproximadamente el 2% de la energía solar que alcanza la tierra, y en función de dicho contenido energético, la velocidad del viento varia. [4] Grado de orientación: Al utilizar en el experimento una cocina solar de concentración, es necesario medir el grado de orientación, el cual es el ángulo en que los rayos del sol se proyectan de mejor forma sobre el recipiente a calentar. El grado de orientación dependerá de la hora (ubicación del sol) y de la altura del recipiente con respecto a la parábola reflectiva. Irradiación solar: Propagación de radiaciones térmicas y luminosas emitidas en forma de ondas electromagnéticas.

 

Altura del recipiente: Distancia entre el centro de la parábola reflectiva y el recipiente a calentar. Volumen: Debido a que el objeto a calentar en el presente experimento es agua, se debe calcular el volumen inicial de agua para compararlo con el volumen final (luego de las 5 horas).

A continuación se mostraran los detalles técnicos de los equipos de medición utilizados para obtener los datos del presente informe: Solarimetro: Es un instrumento de medición de la potencia de los rayos solares sobre una superficie. En el presente experimento se configuro el solarimetro para funcionar en 𝑊/𝑚2 .

IMAGEN

FICHA TECNICA SOLARIMETRO MODELO ES-200 EXACTITUD ±10 W/m2 e 5% lect ±1BTU/(ft2*h) e 5% lect RANGO 1÷1999W/m2 1 ÷ 634 BTU/(ft2*h) UNIDADES W/m2 y BTU/(ft2*h) TIEMPO DE 0,25 SEGUNDOS MUESTREO RESOLUCION 1W/m2 1BTU/(ft2*h) TEMPERATURA 5°C~4°C por debajo de 80% RH DE OPERACION Tabla 1: Ficha técnica solarimetro Fuente: G.I.S Iberica [5]

Termómetro de mercurio: Instrumento de vidrio que utiliza el mercurio como indicador de medición. Su unidad de medida son grados centígrados (°C). FICHA TECNICA TERMOMETRO DE MERCURIO IMAGEN ESCALA SUBDIVISIONES

TIPO

-39 a 35 °C Decimas de grado

Termómetro de mercurio

Tabla 2: Ficha técnica termómetro de mercurio

Anemómetro térmico: Dispositivo empleado para la medición de la velocidad del viento y temperatura ambiente. FICHA TECNICA ANEMOMETRO TERMICO -10°C a 60°C (12 ° F a IMAGEN TEMPERATURA DE ALMACENAMIENTO 140 ° F)