cpc - mario melgar

8/18/2019 CPC - Mario Melgar

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X Simposio Peruano de Energía Solar

COCINAS CON TUBO DE VAPOR

Rafael Espinoza Paredes y Mario MelgarCentro de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniería de Lima, Perú.

E-mail: [email protected] ; [email protected]

INTRODUCCIÓN

El tema Cocinas con tubo de vapor preparado paraexponerlo en la reunión del SIMPOSIO PERUANODE ENERGIA SOLAR, versión X , esta basado enla experiencia acumulada en el CER-UNI d urantelos últimos 5 a 6 años, desde que WildorMaldonado Carvajal /1/ diseñó, construyó yexperimentó un primer prototipo de este tipo decocinas hasta tiempos recientes durante los cualeshemos variado el diseño inicial bajo el horizonte de

mejorar su funcionamiento y por consecuencia, surendimiento.

El tubo de vapor en este modelo de cocina, es elcomponente que distingue y caracteriza sufuncionamiento. En efecto, su diseño esta hecho para generar vapor saturado a la presiónatmosférica local en el interior de uno o más tubosde cobre para luego conducirlo a través de tuberíashasta una cámara en la que se ubica una olla paracocinar alimentos.

El tubo de vapor de la cocina cuenta con dos aletas,

también de cobre, en idéntica disposición que lacorrespondiente a la placa absorbedora de uncolector solar plano y el agua en su interior no podría alcanzar la temperatura de cambio de fase y, por lo tanto, no se generaría vapor.

Por este motivo se usa un Colector ParabólicoCompuesto (CPC) en el que, a diferencia delcolector plano, si es posible trabajar a temperaturasque bordean los 100°C. El CPC unido a undispositivo donde se realice la cocción, conformanla Cocina con tubo de vapor a la que venimosllamando Cocina de Vapor Solar (CVS).

El estudio experimental se inició considerando la proyección de uso de este tipo de cocinas, cual escomunitario, en sectores rurales y marginales.También se tomó en cuenta aspectos constructivosy de experimentación para precisar el volumen decocción equivalente a 4 litros de agua.

Actualmente estamos terminando de construir elCPC con receptor mejorado, de una cocina convolumen de cocción equivalente a 10 litros de agua.Volumen con el que esperamos ratificar alentadoresresultados preliminares obtenidos anteriormente

con otro receptor.

En este trabajo se presenta el procedimiento dediseño de la CVS, los resultados experimentalesobtenidos hasta la fecha y la proyección dedesarrollo para el futuro inmediato.

Cabe mencionar que no se ubica antecedentestecnológicos abundantes para este tipo de cocina yque hay avances experimentales / , / con cocinascon “tubo de calor” (heat pipe) o tubos evacuadosque no es el caso presente.

COCINA DE VAPOR SOLAR (CVS)

La COCINA DE VAPOR SOLAR -CVS- llamadaasí por el fenómeno físico producido en ella quegenera la cocción de los alimentos, genera vapor a presión del ambiente y lo conduce mediantetuberías hacia un recipiente de cocción. Éste esrodeado completamente por el vapor con el fin de producir la cocción de los alimentos que contenga,usando el calor de condensación del vapor.

Recipiente deCocción

Estructuraexterna

Estructurainterna AISLANTE

CAMARA DEVAPOR VAPO

RADIACIONSOLAR

CONDENSADO

NIVEL DEL AGUA

Figura 1 Representación esquemática de la cocinacon tubo de vapor, o cocina de vapor solar, CVS

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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En general, la concentración solar con CPC puedeser realizada en dos o tres dimensiones. En el caso presente se trata de un concentrador bidimensionalcuyo esquema es mostrado en la figura 2.El CPC esta conformado por dos porciones de parábolas idénticas ubicadas una en frente de la otra

y separadas por una distancia que se puede medirsobre la base que une los extremos inferiores deestas porciones o por el espacio que quedadeterminado a la altura de los extremos superiores,llamado apertura.Tanto estas magnitudes como otras que terminan dedefinir al CPC se calculan de la forma como seexplica más adelante. El extremo superior de cada porción de parábola queda limitado por el puntosobre el cual la tangente resulta paralela al eje delCPC, tal como se aprecia en la figura 2.El ángulo formado entre el eje del CPC y la rectaque une el foco de una parábola con el extremo

superior de la misma, sobre la apertura, es igual alsemi-ángulo de aceptación øc. Si las parábolas son perfectas, toda la radiación que ingresa por laapertura, entre los ángulos ± øc, será reflejada porestas hacia el receptor ubicado sobre la base delCPC.El factor de concentración (C) es una función delsemi-ángulo de aceptación y valores altos de este permitirán alcanzar, también, temperaturas altas.

)( cSenC θ/1= El diseño del CPC con fines de cocción sugiererelacionar este valor angular con el tiempo de

trabajo durante el cual no se precise reorientar elCPC. Dicho de otra manera, el intervalo dereorientación hacia el sol dependerá del semi-ángulo de aceptación. Para este efecto, el CPC debeser ubicado con su eje coincidente con la dirección N-S.

Caso: si øc = 30º, entonces 2*øc = 60º y los rayosdel sol que lleguen a la apertura del CPC mientrasel sol “se desplaza” dentro del arco de 60º(equivalente a 4 horas de movimiento solar),incidirán sobre el receptor, y durante este tiempo elcolector no necesitará ser reorientado.

De otro lado, esta demostrado / / que si se trunca laaltura H del CPC en una dimensión menor, el factorde concentración C y el semi-ángulo de aceptación(øc) no se afectan significativamente y, en cambio,si resulta beneficioso del punto de vista del ahorrode material.

H h

Figura 4 colector “CPC” truncado a una altura h.

En conclusión, la recomendación es lograr un CPCtruncado con factor de concentración y ángulo deaceptación que satisfagan los requerimientos que se plantee a efectos de lograr el calentamientodeseado. Como el factor de concentración esinversamente proporcional al ángulo de aceptación,debemos buscar un punto de equilibrio de estas dosmagnitudes.

CALCULO DE LAS DIMENSIONES DELPERFIL DEL COLECTORES CPC

La figura que sigue muestra las dimensiones quedefinen la geometría del CPC que deben sercalculadas en armonía con los resultados que esperaobtenerse. Apertura

Eje del

Extremo

ø

Semi-ángulo deH

ParábolaIz uierda

F

Receptor

Foco de laparábola

Eje de la

Fig. 3 Sección transversal de un colector CPC con


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Figura 5 Forma y dimensiones principales del CPC y del receptor

d

h

D

LC

COLECTOR PLANO

REFLECTORES DEALUMINIO

L

h = altura del CPC truncado

D = aperturaL = longitud del reflector (porción de parábola) d = longitud de la base

El cálculo se hace sobre la base de los siguientesdatos del “CPC”:øc, semiángulo de aceptación, en gradossexagesimales; d, dimensión de la base, en

unidades adecuadas y L, longitud del reflector, enmismas unidades

øc d L D h H C Cmax7,5 300 600 864,52 526,02 9868,86 2,88 7,667,5 350 600 937,16 520,46 11513,67 2,68 7,6615 300 600 775,03 547,03 2722,80 2,58 3,8615 350 600 850,52 541,96 3176,60 2,43 3,8622,5 300 600 682,70 565,00 1308,44 2,28 2,6122,5 350 600 761,18 560,68 1526,52 2,17 2,6130 300 600 587,49 578,03 779,43 1,96 2,0030 350 600 668,90 574,83 909,33 1,91 2,00

EJECU TAR

Y se obtiene las siguientes dimensiones:

Con estos resultados, se procedería a laconstrucción de los reflectores dibujand

D, apertura; C y Cmáx, factores de concentracióndel colector truncado y completo, respectivamente;h y H, alturas del colector truncado y completorespectivamente.

oreviamente el perfil de parábola que los define.

ÓN DEA COCINA DE VAPOR SOLAR (CVS)

ECEPTOR

esquema general se muestra enla figura siguiente.

p DIMENSIONAMIENTO Y CONSTRUCCI

Como ejemplo, a continuación se muestra elconjunto de valores, en mm, de una sesión decálculo correspondiente al proceso de diseño hecho por Wildor Maldonado /1/.

L R

En este modelo, el receptor esta formado por uncolector plano cuyo

T

Figura 6 Esquema del receptor

Cubiertas devidrio

Placaabsorbedora

ubo de cobre

te Caja delcolector

Aislan


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El receptor que es parte importante del CPCgenerará el calor requerido por la cocción. Bajo estemarco, iniciaremos el procedimiento de cálculo partiendo del requerimiento de calentar un volumendeterminado de agua, bajo el entendido que en este proceso, el agua representa a la “masa de cocción”.

A continuación se presenta un procedimiento paraestablecer las dimensiones principales de la CVS, a partir del conocimiento de la cantidad de agua acalentar.

Volumen de agua a calentar: M kg

Calor necesario hasta 100 °C:kJ)100(** TiaCp M −

Este calor proviene del receptor del CPC vía unflujo de vapor que se condensa sobre la superficieexterna de la olla cediendo su calor latente.

Calor de condensación del vapor:λ kJ/kg

Vapor necesario:

kg

÷− )100(** TiaCp M λ

Es la masa total de vapor que se necesita paracalentar M kg de agua (M litros) hasta 100 °C. Lavelocidad del vapor se calcula con:)(m

Velocidad del vapor:

g/s

÷− )100(** TiaCp M )*( t λ

En esta expresión, t, es el tiempo de calentamientohasta 100 °C, expresado en segundos.

Este flujo de vapor se origina en el CPC cuando elagua contenida en su(s) tubos(s) alcanza 100°C,como se ilustra en la figura siguiente.

En el equilibrio, necesitaríamos solamente el calor para la evaporación y para compensar la pérdidas“aguas arriba”, así:

Transferencia de calor requerida por el agua en elreceptor del CPC para cambiar a vapor:

1000*)( ÷−− λvapor del Velocidad kW

Con esta información, la que se obtiene de aplicarel procedimiento de cálculo correspondiente aldiseño de los reflectores y la radiación solardisponible en el lugar, se obtiene el área de aperturay del receptor, así.

Hemos visto que los parámetros de entrada para el

diseño de los reflectores son: θ -semi ángulo deaceptación- , -longitud del reflector y -base

del receptor- que viene a ser el ancho de éste. Asíobtenemos: -apertura- , -altura truncada- y

-relación de concentración.

c

L

D

d

hC De otro lado, si es la radiación solar instantánea

en el lugar, medida en W y la eficiencia

instantánea del receptor, entonces el área

H 2/ m η

2m A y

la longitud, del mismo -se calculan como

sigue.

(m) Lc

( )[ ] ( )ηλ ∗∗÷∗−− C H vapor del Velocidad m2

( )[ ] ( ) d C H vapor del Velocidad ÷∗∗÷∗−− ηλ Lc

Ejemplos

Si las condiciones de operación son:

Masa de agua para calentar: 10 kgTiempo de calentamiento de Tia a 100°C 1 hRadiación solar 1000 W/m2 Temperatura inicial del agua 20 °CCalor de condensación del vapor 2256,7 kJ/kgSemi ángulo de aceptación 30°Longitud de reflectores 0,6 mAncho de base de reflectores 0,28 m

Las características de operación y CPC serían:

Calor necesario para calentar 10 kg de agua3 352 kJVapor que debe condensar para ceder ese calor1,4854 kGVelocidad de transporte de vapor 0,4125 g/sTransf. calor en el receptor 0,931 kW

Figura 7 Representación del proceso de evaporación


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Apertura del CPC 0,553 mAltura truncada del CPC 0,579 mRelación de concentración del CPC 1,97

Siendo C = 1,97; H = 1 000 W/m2 y si ηreceptor = 0,6entonces:

27876,01182931 m Área =÷= y,

( ) m Lceptor Longitudre C 81,2== ... no esun resultado atractivo, LC resulta muy grandeSi cambiamos el valor de solo una condición deoperación, esto es, 15° en lugar de 30° para el semiángulo de aceptación, cambian las siguientescaracterísticas de operación:

Apertura del CPC 0,743 mAltura truncada del CPC 0,549 m

Relación de concentración del CPC 2,65


258,01590931 m Área =÷= y,( ) m Lceptor Longitudre C 09,2==

... es un tamaño más manejable.

Si ahora consideramos que el tiempo requerido paraque el agua caliente de 20° a 100° es 1,5 h ymantenemos todas las otras condiciones, las nuevascaracterísticas de tamaño del receptor serían, para

los 2 casos anteriores, y ,

las siguientes:

( ) °= 30C θ ( ) °= 15C θ

Transf. De calor en el receptor 0,621 kW Longitud de receptor para el primer caso

= (2 ) m87,193162181, =÷∗ Longitud de receptor para el segundo caso

= (2 ) m39,193162109, =÷∗ Área superficial del receptor para el primer caso

= 1 ∗ 25236,028,087, mmm = Área superficial del receptor para el segundo caso

= 1 ∗ 23892,028,039, mmm =

Si ahora introducimos otro cambio en lascondiciones de operación, manteniendo el tiempoigual a 1,5 h cambiarán las siguientescaracterísticas como se indica.

Condición a cambiar: longitud de reflectores = 0,4m

Apertura del CPC 0,633 mAltura truncada del CPC 0,358 m

Relación de concentración del CPC 2,26


246,01356621 m Área =÷= y,( ) m Lceptor Longitudre C 63,1== ...

características geométricas más atractivas..

RECEPTOR

Retomando el tema decimos que el receptor tienelas características de un colector solar plano y sudiseño se basa en el de la rejilla que conforma la placa absorbedora, así por ejemplo si se tratase deun absorbedor con un solo tubo apropiado para la base de 0,28 m de los ejemplos anteriores,tendríamos lo siguiente.

Figura 8 Tubo con 2 aletas, geometría del

UL = 4 W/m2°C

W = 0.28m

F = 0.91

De (3/8”) = 0.009525 mK Cu = 386 W/m°C

Espesor de la plancha, δ (1/40”) = 0,000635 m

−

−

=

δ

δ

**

2

**

2

K

UL DeW

K

UL DeW Tanh

F

Nótese que el valor de eficiencia de aleta ( F = 0,92) no es alto, más, puede mejorarse. De esta forma,las dimensiones totales del receptor serían las quese muestra en la figura 8, cuando:Semi ángulo de aceptación, θC = 15 °Base del CPC, d = 0,28 mLongitud de reflectores, L = 0.438


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En la figura que sigue a continuación se nota claramente como cambia el factor de eficiencia de aleta cuandocambia el número de tubos de la rejilla del receptor, para un ancho de base constante e igual a 0,28 m.

RELACIÓN ENTRE LA EFICIENCIA DE ALETA Y

EL NÚMERO DE TUBOS DE LA REJILLA

0.88

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

1 2 3 4 5 6

Número de tubos

F , e f i c i e n c i a

d e

a l e t a

Figura 9 Dimensiones resultantes para un CPC de 0,438 m de longitud de reflectores, 0,28 de ancho de base 15° de semi án ulo de ace tación

Figura 10 variación del factor de eficiencia de

aleta, F, en función del número de tubos de larejilla que determina la distancia W entre ellos.

El ancho total de la rejilla es 0,28 m; el diámetroexterior de los tubos 0,009525 m; el espesor de la placa entre tubos 0,000635 m; el material de placaes cobre (K = 386 W/m°K) y el coeficiente globalde pérdidas de calor placa – ambiente, UL = 4W/m2°K

De acuerdo con este resultado, lo recomendablesería usar una rejilla con 2 ó 3 tubos, tal vez 2 sea la

solución recomendable ya que la diferencia entrelos valores del factor F para 2 y 3 tubos, es menorque 2% y el costo de agregar un tubo más podríaser más significativo, es decir, más desfavorableeconómicamente.

Hasta este punto queda definido el CPC con suscapacidades de concentración y generación devapor. La configuración final pasaría por unanálisis técnico y económico a efectos de compararlas alternativas presentes y elegir una de ellas,

además de definir la parte de la CVS en donde serealiza la cocción, cosa que haremos en seguida.

DISPOSITIVO PARA LA COCCIÓN

Así estamos llamando a la parte de la CVS endonde se ubica la olla con la “masa de cocción”.Para este estudio, masa de agua.

El objetivo es que la mayor parte del calor decondensación se transfiera a esta masa de aguacontenida en la olla.

3

36

Figura 11 Esquema y vista real de un dispositivo de cocción con cámara de vapor y olla con capacidad de10 litros de agua. Los números en la imagen de la izquierda presentan los tamaños comerciales de las ollasusadas para conformar esta parte de la CVS.


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Premisas para el diseño del dispositivo para lacocción:

Primera: se necesita un depósito cerrado con lacapacidad deseada y que haga las veces de olla decocción.

Segunda: se requiere que ese depósito pueda serconstantemente rodeado por el vapor que se generaen el colector, con la menor pérdida térmica posible.

Tercera: hace falta un cuerpo que envuelva al vapory depósito anteriores, formando con ellos unconjunto rígido, seguro, libre de fugas y concapacidad de aislante, de modo que la transferenciade calor desde el espacio que contiene al vaporhacia el medio ambiente sea mínimo.

Una forma de lograr este resultado es mostrada enla figura 11. En ella se aprecia que el dispositivode cocción esta formado por un conjunto de 3 ollasmontadas coaxialmente de manera que se generen

espacios y formas concordantes con las premisasexpuestas.

De esta forma el espacio entre las ollas 30 y 36 loocupa el aislamiento, el que queda entre las ollas 28y 30 es para el vapor proveniente del colector que

retornará como condensado por el orificio circularcentral. La olla 28 es el recipiente de cocción y si sela extrae, queda la 30 como cámara de vapor.

Así, las tareas de cocción podrían realizarsedirectamente a vapor (en el volumen con el N° 30)o, como es el caso de los ensayos realizados,usando la tercera olla como útil de cocción(volumen con el N° 28).

El haber recurrido a elementos comerciales paradarle forma al dispositivo descrito no nos libera delcompromiso de comprobar si se cumplen las

premisas de diseño desde el punto de vista térmicoen relación con el funcionamiento de estedispositivo. En este contexto, la siguienteinformación ilustra parcialmente este compromiso.

CAMARA DE VAPOR:

*DIMENSIONES ESTANDARES DE OLLAS POSIBLES A UTILIZAR

N° DIAMETRO(m) ALTURA(m) VOLUMEN(litros)

26 0.26 0.185 9.82

28 0.28 0.19 11.70

30 0.3 0.21 14.84

32 0.32 0.215 17.29

36 0.36 0.26 26.46

espesor = 0.001 m

Masa de H2O = 10 kg

K Al = 204 w/m°CK lana de vidrio = 0.04 w/m°C

CASO Q1 paredes(W) Q2 tapas(W) QTOTAL VOLUMEN

Watts Litros

28,30,32 73.68 17.15 107.98 2.21

28,30,36 24.31 4.07 32.45 2.21

28,32,36 40.19 5.58 51.34 4.9630,32,36 40.19 5.58 51.34 2.49


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La elección final de las ollas indicadas se basó en elanálisis hecho sobre conjuntos de 3 ollas deacuerdo al arreglo del dispositivo. La referencia fuela menor pérdida térmica.A continuación se muestra esquemas y fotografíasque ilustran algunos detalles constructivos del

receptor, de montaje del dispositivo de cocción y dela CVS.

Las tapas que no se muestran, una de ellas es fija yla otra es atornillada para poder ingresar los vidriossin necesidad de colocar uno y luego clavar loslistones(1cm* 1cm *180cm).El largo de la caja, que no especifica en los dibujos,es de 180cm usando dos tubos de 3/8” y plancha decobre, de 1/40” e. La longitud de los reflectores de aluminio es de44cmEl volumen interior de un tubo es de 128mlaproximadamente

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)FIGURA 12 VISTA ESQUEMATICA DEL CPC

(c)

Figura 13 Los esquemas en esta figuramuestran detalles constructivos y deensamble de la placa absorbedora delreceptor. Las dimensiones están en cm.Esta placa ha sido así construida en el

-

Figura 14 Los detalles mostradoscorresponden al extremo del receptor antesde montar la tapa (a), mecanismo de uniónreflectores-receptor (b) y la imagen final delCPC (c)

(a)


9/9


(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

Figura 16 La vista (a) muestra el CPC anterior modificado, la placa del receptor con un solotubo y los reflectores solidarios con el receptor. Ahora el dispositivo de cocción si se vealineado con el eje del CPC y esta constituidopor la olla de 4 litros de la versión anterior.Las vistas (b) y (c) muestran detalles deldispositivo de cocción actual, de 10 litros ymejor conformado.

Figura 15 Primera versión de la CVSconstruida y experimentada por Wildor Maldonado / /; vista anterior (a) yposterior lateral (b). Nótese que las 2ollas no están alineadas con el eje delCPC. La capacidad de estas ollas era de

2 y 4 litros.

En esta versión los reflectores sereorientaban y el receptor permanecíafijo, tal como se observa (c).

También es notorio en las vistas (a) y (c)que el receptor era de varios tubos, 6 eneste caso.

BIBLIOGRAFÍA/1/ Maldonado Carvajal, Wildor; Diseño,

Construcción Y Pruebas ExperimentalesPreliminares De Una Cocina De Vapor Solar; XiiiReunion Del Congreso Nacional De IngenieriaMecanica Electrica Y Ramas Afines; Lima, Perú,25 – 28 de Agosto de 1999; CER-UNI

/2/ Horn, Manfred; Espinoza, Jacqueline;Janampa, Cléber; Evaluacion Comparativa DeCocinas Solares, Tipo Caja, De Alturas Diferentes

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