XX Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.2013

DISEÑO DE UN HORNO SOLAR CON TRANSFERENCIA DE CALOR POR AIRE FORZADO

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Resumen. Se presenta el diseño de un horno solar con un tubo al vacío de alta temperatura, como elemento captador y un colector parabólico concentrador. La cámara del horno es calentada mediante la inyección de aire caliente forzado. Palabras-clave: horno, tubo al vacío, aire forzado 1. INTRODUCCIÓN La aparición continua de nuevos materiales y dispositivos orientados a la energía solar, ha permitido disponer de nuevas alternativas de diseño de cocinas y hornos solares; así por ejemplo, el uso de policarbonato permite construir cocinas de bajo costo y de diseño simple, tipo cajón, con rendimientos relativamente altos. Existe una variada gama de este tipo de cocinas. Erdem Cuce (2013) Un inconveniente de estos diseños es el cambio de orientación que debe realizarse a la cocina durante su uso, siguiendo la trayectoria del Sol; tampoco hay control de la temperatura. El propósito de este trabajo es estudiar la factibilidad de diseño de un horno que supere las desventajas mencionadas, con un rendimiento de captación razonable. N.L. Panwar et al., (2012) 2. DISEÑO Como elemento colector se ha seleccionado un tubo al vacío de doble pared de los utilizados en colectores solares de agua caliente, de 180 cm de largo y 6 cm de diámetro externo, A. Balzar (1996) . Las paredes interiores están cubiertas con películas delgadas de coeficiente de emisividad selectivo, que permiten la captación de energía sobre el 80 % de la radiación incidente. Fig. 1

Figura 1.- Tubo al vacío de alta temperatura

El reflector de tipo parabólico cilíndrico, está construido en un marco rectangular, de tubo de fierro de 2.5 cm de diámetro, conectores y cerchas parabólicas de PVC. Se utilizaron láminas de aluminio como superficie reflectoras. La superficie tiene un área frontal de 1.9x1.9 m2. El foco se encuentra en el eje del conjunto, permitiendo el ajuste adecuado del reflector, que se ubica en modo ecuatorial.

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La transferencia de calor se realiza mediante aire forzado mediante un ventilador axial alimentado por una fuente

switching que permite variar el caudal de aire, el que se inyecta a presión mediante un tubo de aluminio. El aire caliente se conduce a la cámara del horno mediante un conducto aislado térmicamente, Fig. 2.

Figura 2.- Reflector parabólico, fuente, tubo inyector, conducto y cámara.

3.- ENSAYOS

Se realizaron diversos ensayos, midiendo la radiación total y difusa sobre superficie horizontal, (radiómetro Eppley), temperatura ambiente y temperatura de salida de aire caliente del tubo colector bajo diversas condiciones. Se midió la temperatura del tubo colector sin el reflector parabólico y sin inyección de aire (tubo con tapón), alcanzando una temperatura máxima de 201 oC, bajo una radiación de 800 W/m2. Al utilizar el reflector bajo las mismas condiciones, la temperatura del tubo evoluciona logrando una temperatura máxima de 310 oC. Fig. 3

Figura 3- Evolución de temperatura del tubo al vacío sin reflector y con reflector, bajo una radiación de 800 W/m2, con flujo de aire nulo.

Se realizaron ensayos bajo régimen de aire forzado, bajo diferentes caudales, midiendo las temperaturas a la salida del tubo al vacío y a la entrada de la cámara, situada a 1,2 metros; la cámara está conectada mediante un tubo de aluminio aislado térmicamente del medio con paredes también aisladas. Los resultados para un flujo de aire de 3,7 l/s se observan en la Fig.4.

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Figura 4.- Evolución de la temperatura del aire a la salida del tubo colector en el interior de la cámara, en condiciones de ventilación forzada utilizando el reflector, con flujo de aire igual a 3,7 l/s. 4. CONCLUSIONES Se ha diseñado y construido un horno solar de reflector parabólico utilizando aire caliente como fluido de transferencia de calor hacia la cámara de horneado; los ensayos muestran que las temperaturas logradas permiten su utilización en la preparación de alimentos con ventajas sobre los hornos solares convencionales pues no requiere orientación continua del colector y permite un control de la transferencia de energía térmica, mediante la regulación del flujo. Los valores de la temperatura del aire a la salida del tubo son elevadas y estables en régimen permanente; sin embargo al separar la cámara del sistema, las pérdidas son importantes por lo cual es conveniente mejorar las aislación térmica de los conductos e instalar aletas en el interior del tubo para maximizar la transferencia de energía térmica. 5. REFERENCIAS A. Balzar, A solar cooker using vacuum-tube collectors with integrated heat pipes, Solar energy, Volume 58, Issues 1–3, July–September 1996, Pages 63–68 Erdem Cuce, Pina Mert Cuce, A comprehensive review on solar cookers, Applied Energy, Volume 102, February 2013, pages 1399-1421 N.L. Panwar et al., State of the art of solar cookers: an overview, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 16, Issue 6, August 2012, Pages 3776–3785 Abstract: In the present study, a solar oven with parabolic reflector and vacuum tube heath collector is designed,

constructed and tested. The results indicate that the solar oven, with a modified design of parameters, could be a good alternative to conventional cookers.

Key words:: solar oven, vacuum tube, forced air flow

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