Revista Latinoamericana de Metalurgia y atenales Vol. 18, 1998,46-53

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVAL OÓ_ - DE UN HORNOSOLAR PARA USOS METALt G COS

Vicente Ignoto, Gonzalo Rubén B quez

Escuela de Ingeniería" 'etalúreica y Ciencia de los atenales. 'niversidad Central de VenezuelaApartado Posea] ~-;-J9.Caracas Jan. l'-e7IF..~ra

Resumen

El desarrollo de este trabajo contempla el diseño, construcción, puesta en marcha y evaluación de unhorno solar para aplicaciones metalúrgicas. Basándose en las leyes de la reflexión de la luz por unasuperficie especular cóncava, se concentra toda la energía solar que incide sobre ella en un área 2215veces menor, aumentando en tal magnitud la densidad de flujo solar. Mediante un análisis geométricodel cono de radiación reflejada se determinan la ubicación, dimensiones y material del crisol paralograr un aprovechamiento energético óptimo. Se analiza y evalúa el tipo de recubrimiento a emplearpara darle características especulares a la superficie cóncava. Para el seguimiento de la trayectoria solarse diseña un mecanismo de dos movimientos combinados que permiten su rastreo, en cuanto a laposición diaria y estacional. Se determinó que la temperatura máxima de trabajo en un horno solardonde se aumente la densidad de flujo energético 2512 veces es de 750°C; lo que representó unaeficiencia del 76%. Los procesos de calentamiento debido al tipo de fuente energética no soncontrolables y se hace difícil determinar los cambios de fase de los metales en dichos procesos.

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Palabras clave: horno solar

Abstraet

The development of this work contemplates the design, construction, setting in march andevaluation of a solar oven for applications metalúrgicas. Being based on the laws of the reflection ofthe light by a surface to speculate concave, she/he concentrates the whole solar energy that impacts onher in an area 2215 times minor, increasing in such a magnitude the density of solar flow. By means ofa geometric analysis of the cone of reflected radiation the location, dirnensions and material of thehearth are determined to achieve a good energy use. It is analyzed and it evaluates the _coating type touse to give specular characteristic to the concave surface. For the pursuit of the solar trajectory amechanism of two combined movements is designed that allow its tracking, as for the daily andseasonal position. It was determined that the maximum working temperature in a solar oven where youincreases the density of flow energy 2512 times it is of 750°C meaning an efficiency of 76%. Theheating processes due to the type of energy source can not be controlled and it becomes difficult todetermine the changes of phase of metals by this process.

Keywords: solar oven technology

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1. Introducción

El sol es una fuente inagotable de energía gratuita quede poder utilizarse plenamente llenaríp'1OSrequerimientosenergéticos de la humanidad. En una !zona bien soleada secalcula que podrían aprovecharse 5000 kilocalorías. pordía y por metro cuadrado. La densidad de energía solar esmuy baja, lo que exige importantes costos iniciales parapoder aprovecharla ya que deben utilizarse grandessuperficies receptoras, pero una vez instaladas. la energíaes gratuita y los costos se reduce a mantenimiento _ gastolaborales. Actualmente es rentable u ión endispositivos de bajo consumo en zonas leadas yenergéticamente pobres.

Para la obtención de elevadasconcentrarse los rayos solares en el ticóncavo, que es el principio de losaplicación práctica en el cocido de cerann yoperaciones metalúrgicas, pudiéndo e alcanzar iícilmenIetemperaturas de 3000 DC sin recurrir a llamas quecontaminen el producto.

En este tipo de hornos la superficie cóncava de unparaboloide se acondiciona para darle característicasespeculares; se orienta el equipo de forma que los rayossolares incidentes sean paralelos al eje de dicha superficieen todo momento y estos rayos de acuerdo a las leyes dereflexión directa, a las propiedades de toda superficiecóncava, al hecho de que la fuente de energía no espuntual y por lo tanto todos los rayos solares no incidencon el mismo ángulo y debido a que ninguna superficie esideal; se concentran en una pequeña área focalaumentando notablemente la densidad de flujo energético,lo cual puede ser aprovechado como fuente de energía

para el calentamiento en dicha zona o para producirelectricidad a base de calentar el punto de soldadura dedos metales distintos (par termoeléctrico).

De acuerdo a lo anteriormente mencionado, un hornosolar es un equipo que permite concentrar dicha radiacióny, para hacer posible su funcionamiento, comorequerimiento mínimo debe estar conformado por unasuperficie especular soportada por una estructura quepermita su orientación de forma tal que la radiación solarincidente sobre ella se refleje en una zona mucho menorque la reflectora.

El carácter no renovable de nuestra principal fuenteenergética conlleva a la investigación de fuentesalternativas. Se han desarrollado numerosos proyectos endistintos países, incluyendo Venezuela, que involucran laenergía solar. S. Cho y col. [1] desarrollaron un métodocalorimétrico económico y confiable con el quedeterminaron la absortividad de materiales nativos talescomo suelos y minerales.

• Diseño

En el di eño de este horno se tomó en cuenta que unrayo luminoso incidente sobre un cuerpo metálico serefleja parcial y directamente, todo rayo paralelo al eje deuna parábola que incide sobre ésta es reflejado en unpunto llamado foco, la trayectoria solar, el calentamientoindirecto de la carga a través del recipiente que la contiene(crisol) y la generación de un área focal en el plano enlugar de un punto.

El diseño del horno solar (Figura 1) presenta cuatrozonas bien diferenciadas: Base, Sistema de seguimiento,Paraboloide, Crisol y accesorios (varillas y soporte). .

Figura 1. Esquema del Horno Solar

La base es una estructura metálica que tiene alresto del horno y proporciona rigidez al conjunto para

evitar oscilaciones producidas durante el manejo delequipo o por el viento.

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8s: ángulo qué forman los rayos solares que parten delcírculo exterior solar con respecto a la tierra, (o al eje delparaboloide cuando éste está enfocado).Op: error óptico (error de pendiente) debido aimperfecciones en la superficie reflectora del paraboloide.<\>: ángulo que forman los rayos solares reflejados por elborde del paraboloide con el eje.

De acuerdo a esto el diámetro exterior de apertura delcrisol es Dcri = 5 cm.

Cuando son las 12 meridiano las proyecciones delcrisol y del área focal coinciden y el factor de intersecciónes igual a la unidad. Debido al seguimiento horario del

L el ángulo entre el eje del paraboloide y el eje del'- I varía; esto trae como consecuencia la disminución

del área focal interceptada y por ende la disminución delfa rol' de intersección.

El cri 01 e tá ujeto por un sistema basculante quepermite que su eje coincida siempre con la verticalevitando de esta forma derramamiento de la cargafundida.

Los rayos solares reflejados por el paraboloide formanun volumen que corresponde a un cono recto truncado porun plano perpendicular a su eje en el punto focal.

Cualquier plano perpendicular al eje del cono trazadopor debajo del punto focal lo seccionará mediante unacircunferencia de mayor diámetro que la correspondienteal área focal. Esto permite calcular el diámetro de aperturadel crisol en función de su ubicación cuando es necesarioaumentar la capacidad del mismo.

V. Ignoto y col./Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

El sistema de seguimiento e lID meeani mo quepermite rastrear la trayectoria solar de fonna que los rayossolares sean siempre paralelo al . de paraboloide. Esteseguimiento es horario y estaci

El paraboloide cm::ul:!restá sujeta a unatubo que forma

- cie reflectora yestá soldada al

El e recipicrJlIeindirecto de la mnpo eer alta ab ortividad, buenaalto punto de fusión y er poco a rivo.seleccionó el grafito como material paraSus dimensiones están sujetas al máximoaprovechamiento de la energía irradiada por la superficieespecular del paraboloide y al lugar de ubicación delmismo.

El factor de intersección (S) corresponde a la fracciónde energía irradiada que cae sobre el crisol.

S = Energía que intersecta al crisolEnergía total irradiada

cuando Se l se obtiene el máximo rendimiento.

Un análisis geométrico del factor de intersecciónpermite dimensionar al crisol para obtener un factor deintersección alto y evitar el empleo de un crisolinnecesariamente grande que consumiría una gran parte dela energía útil para calentar el exceso de masa del crisol.

Una forma de evaluar el factor de intersección consisteen proyectar el área focal y el crisol sobre un planoperpendicular al eje del paraboloide y relacionar lasproyecciones de dichas áreas.

La ubicación de la boca del crisol coincidiendo con elárea focal (a las 12 meridiano) asegura que dichorecipiente se encuentre siempre en casi su totalidad dentrodel cono de radiación y que la zona central (alta densidadde flujo solar) del área focal siempre incida sobre élademás de minimizar las pérdidas.

El diámetro del área focal (circunferencia) está dadopor la expresión:

1I DF = 4Fp tg(8s + 8p)(1 + cos <\» coso

donde:Fp: distancia desde el vértice hasta el foco delparaboloide.

Las varillas unen el borde del paraboloide con su eje yle proporcionan rigidez, sirven de base al soporte delcrisol y de guía en la localización del foco.

El soporte del cri al es un gancho de acero acoplado alas varillas y permite apoyar el asa del crisol haciendoposible el movimiento basculante.

• Construcción

En el di eño e empleó el modelo de horno solar decalentamiento indirecto donde el haz de rayos solaresconcentrado incide sobre la superficie externa del crisolcalentando indirectamente la carga a través de las paredesde dicho recipiente. Su construcción se realizó de acuerdoa lo estipulado en la sección anterior. Las Fotos 1 y 2muestran el horno construído y un detalle del mismo enfuncionamiento.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 18, 1998 49

Foto 1. Horno Solar.

La superficie cóncava del paraboloide fue recubiertacuidadosamente con un papel autoadhesivo dereflectividad 0,89 excepto una circunferencia de centro elvértice del paraboloide y radio 13,5 cm debido a que estazona fue ocupada para la disposición del accesoriosostenedor del crisol.

3. Parte Experimental

• Evaluación del paraboloide

TI1

e =fp·=K .~1m =

·12'7,75 on.127,75.39,50 cm

1 03,30 cm104.,57 an143,37 an

Foto 2. Detalle del Horno Solar en funcionamiento.

Se empleó un paraboloide de aluminio usadooriginalmente en la transmisión de microondas cuyasdimensiones fueron reducidas al tamaño apropiado.

La ecuación que define al paraboloide se evaluóeligiendo un sistema tridimensional de coordenadascartesianas cuyo origen coincide con el vértice de lasuperficie y donde el eje "z" está representado por el ejedel paraboloide; definiendo el plano horizontal los ejes"xy" (Figura 2).

. t =1

í

Figura 2. Paraboloide

Se realizaron las medidas necesarias para obtener losdatos requeridos en la ecuación general de un paraboloide:

tomando los valores de "a" y "e" de los puntoscorrespondientes al borde de la superficie (medidas enmetros):

PI (O; 1,2775; 0,395)Pz (O; -1,27(5; 0,395)P3 (1,2775; O; 0,395)P4 (-1,2775; O; 0,395)

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y vértice Ps (O; O; O); de donde:a = b, a = 1,2775 Ye = 0_ ~ -

por lo que queda la ecuación de un paral:doi{le circular:x2 +y2 z

a2

sustituyendo y opernndogeneral del parabol~ eaes::!:i5o:

x--Se comprobó

de puntos lOIll2Ó[)5 :!;rot¡~im:::JeC:~

metro) y de:lrnlIIinaa:!omatemática que se dedujo

Para todo paraboloide circular de ecuación:? ?x" + y- = 4pZ

la constante "p" corresponde a la altura focal o distanciavértice-foco. Por lo que para este caso las coordenadas delpunto focal son:

Fp (O; O; 1,033) (en metros)El cálculo del área reflectora total "S" se realizó

mediante integración doble:S = 5,61 m2

A ésta hay que restarle el área circular central no útilde un diámetro de 0,27 m.

[61 rr(0.27)2 J 2

S(útil) = 5, - 4 m

S(útil) = 5,55 m2

• Evaluación del papel reflectivo

Para la evaluación de la reflectividad del papel seutilizó un simulador solar. El papel usado en el ensayoconsta de una capa plástica transparente que protege a unasegunda capa de aluminizado reflectivo y debajo de éstaexiste una tercera capa consistente en el adhesivo queactúa como vínculo de enlace con la superficie sobre lacual se aplica el papel reflectivo y aisla el aluminizadoevitando su empañamiento. Una vez colocado el papeldentro del domo y hecho el vacío (10-5 MPa) se registranlos valores de temperatura T contra tiempo (t) (En unregistrador digital gráfico acoplado).

/()\

Tabla 1. Condiciones de las pruebas.

La pendiente inicial de la curva de la curva T vs t (dT/dt)se utiliza para obtener la reflectividad.La ecuación por la que se evalúa el material es:

dTm x Cp x - = A x Ix a

dtr + a =1

donde:m: masa del material a evaluar (gr), (papel más base de

aluminio).A: área superficial de la muestra expuesta a la

radiación (cm')1: intensidad (kw/crrr')a: absortividade :Capacidad Calorífica del aluminio (km-h/gr'F).ó: Pendiente de la curva obtenida (OF/h)r: refíecnvídadFinalmente. el valor promedio de reflectividad entre

dos muestras evaluadas es r = O 89.

• Puesta en marcha y evaluación del horno

Las siguientes experiencias fueron realizadas parademostrar el funcionamiento del horno así como paraevaluar algunos de sus parámetros.

Se hicieron medidas usando un termopar cromel-alumel en contacto directo con los materiales calentadosregistrando valores de temperatura contra tiempocronometrado.

Se determinó la temperatura en la Zona Focalcolocando el termopar en el foco del paraboloide y lamedida máxima de temperatura fue de 980°C,alcanzándose ésta en 5 minutos.

Finalmente se realizó el calentamiento del crisol y delos di tinto metal _Las condiciones de experimentaciónde cada caso se muestran en la Tabla l. Los resultadosobtenido se registran en el Gráfico l.

Las dimensiones definitivas del crisol fueron: diámetrode boca de .6 cm. diámeuo de fondo de 4,0 cm, altura de7 cm espesor de paredes de 1,4 cm.

La boca J -- 1 se colocó a 0,893 m del vérticesobre el eje del paraboloide en todas las pruebas.

MaterialHora

Finalización ObservacionesFechaInicio

Crisol de Grafito 08/07/83

Aluminio 25/06/83

Cobre 08/07/83

Plomo 08/07/83

Pb-Sn (40-60)* 16/06/83

* Aleación eutéctica

1l:48'

12:12'

12:10'

10:15'

11:20'

12:37'

Cielo despejado,poco viento

Viento fuerte,parcialmente nublado

Viento suave,parcialmente nublado

Nubosidad parcial,viento fuerte por ráfagas

Despejado,viento suave

L .0

1~0

- 9.0

1l:31' 236.0

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800~---------------------------------------------------,

700¡-------------------------~~~~v7~--------~~

~ 500t---------------~~------~L-~_.k>----------------------------~e:::1~ 400t---------r1~~----~~------------------------------~CI)o-E~ 30°t------,r-tl~~~~------------------------------------~

1--Grafito --- Aluminio ---><- Cobre -- Plomo -- Pb-Sn I200t---~~~----------------------------------------~

100T:~~------------------------------------------~

O~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Tiempo [5eg]

Gráfico 1. Representación gráfica de los datos Temperatura vs Tiempoobtenidos en cada una de las pruebas.

3. Discusiones

• Diseño

El objetivo fundamental en el diseño del horno solar eslograr el máximo aprovechamiento de la energía queincide sobre la superficie reflectora. Con este fin seoptimizaron ciertos parámetros:Ubicacion y dimensiones del crisol. Mediante Un análisisgeométrico del cono de radiación reflejado por lasuperficie del paraboloide, se determinó que la bocasuperior del cri 01 debe estar ubicada a la altura focal ydebe ser del mi mo tamaño y forma que el área focal.Material del crisol. El calentamiento de la carga en elhorno se produce por conducción a través de las paredesdel crisol. Estas a su vez se calientan por la energíaradiante que incide sobre ellas. Esta forma detransferencia de energía en el sistema crisol-carga obliga aque el material del crisol po ea altaabsortivitidad, bajareflectividad, baja emisividad y buena conductividadtérmica, determinándose así que el crisol fuera de grafito.Adicionalrnente, 'este material es e.stable químicamentehasta los 1.000 °C como mínimo v no reacciona con losmateriales a calentar. . .Superficie reflectora. Existen diversas formas de lograrque la superficie del paraboloide sea especular. Seseleccionó el material auto-adhesivo: el cual se sometió aexperimentación para determinar su reflectividad,

resultando 0,89 que, aunque es ligeramente inferior a la delos espejos, es de fácil de aplicación, se ajusta a lacurvatura de la superficie, es resistente a la acción delmedio ambiente, no es frágil y no adiciona peso al equipo.

• Aumento de la densidad de flujo solar

La superficie reflectora del paraboloide es de 55.500cm', y su reflectividad es 0,89; el producto de estosvalores da como resultado un área efectiva de 49.395 cm";que comparada con el área focal 19,64 cm", da unarelación de áreas de 2515: 1. Esta relación es equivalenteal aumento de la densidad de flujo solar.

• Medidas de temperatura en la zona focal

Las medidas realizadas con un termopar paradeterminar la temperatura en la zona focal indicaron laexistencia de un gradiente entre los bordes exteriores (9600c) Y el centro de dicha zona (1000 0C). La temperaturamáxima se alcanzó en apenas 5 minutos desde latemperatura ambiente. De acuerdo a esto se definió latemperatura máxima alcanzada, como el promedio entreestos dos valores, 980 DC.

• Calentamiento de las muestras

En todas las curvas del Gráfico 1 se observacalentamiento con pérdidas. Estas .comienzan a hacerse

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cuales permiten aminorar las pérdidas por radiación yconvección.

V. Ignoto y col./Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

considerables a partir de los 600 DC; pue es a partir deesta temperatura cae bruscamente la velocidad decalentamiento y la curva presenta un comportamientoasintótico hacia los 750 De.

Las pérdidas energéti en el sistema crisol-alrededores ocurren poi" I fenómenos de convección,reflexión, radiación ." conducción. Las pérdidas porconducción son mínimas en comparación con las pérdidastotales, ya que en el diseño se ontempló este detalle y seredujo en lo posible el entre el cri 01 Y sumecanismo de soporte.

El crisol se encuentra en comacto con el aire. e tefluido es el responsable de la pérdidas por nveccion,las cuales son preponderantes a bajas temperaturas.

Las pérdidas por radiación son función de la cuartapotencia de la temperatura; por lo que a temperaturaselevadas (sobre los 600 DC)desplazan en importancia a laspérdidas por convección, y son las responsables delcomportamiento asintótico de las curvas de calentamiento.

Las pérdidas por reflexión dependen del material delcrisol; si éste posee un valor alto de absortividad (cercano

. a la unidad) éstas se hacen mínimas.El resto del calor es utilizado en calentar el crisol y la

carga.Como resultado de lo anterior, las curvas presentan

entre la temperatura ambiente y los 600 DCuna velocidadde calentamiento aproximada de 1 °C/seg. A partir de estatemperatura dicha velocidad disminuye bruscamente y, lacurva presenta un comportamiento asintótico cuyo límitees 750°C.

En las curvas de calentamiento del aluminio, plomo yPb-Sn se hace difícil detectar los cambios de fase por laalta velocidad de calentamiento hasta los 600°C y laspequeñas masas empleadas. Otro factor importante es lairregularidad del suministro energético comoconsecuencia del paso casual de nubes y ráfagas de vientofuerte.

Estas irregularidades se transmiten al sistema, crisol-_~/carga mediante una deficiencia o discontinuidad

energética momentánea; que a su vez se traduce endesviaciones del comportamiento promedio de la curva.Estas desviaciones tienden a confundirse en los cambiosde fase. Por lo que debe conocerse exactamente latemperatura a la que ocurren los cambios de fase.

El comportamiento asintótico de las curvas, teniendocomo límite o asíntota superior 750°C sugiere tomar estatemperatura como la máxima de trabajo y recomendar eluso del horno hasta los 700 °C; ya que ésta es la máximatemperatura que se alcanza en corto tiempo.

• Eficiencia térmica

La temperatura óptima de trabajo es de 700°C quecomparada con la temperatura de la zona focal 980°Crepresenta una eficiencia térmica de 71°C. Para un mejoraprovechamiento energético, a objeto de mejorar dichaeficiencia y disminuir el tiempo de calentamiento, puedenser utilizados escudos térmicos alrededor del crisol los

• Representación de los datos

Los datos tomados experimentalmente fueronrepresentados en el Gráfico 1 de forma puntual, sin tratarde definir la mejor curva, por ser éste un proceso decalentamiento irregular y dependiente de numerososparámetros no controlables.

Los parámetros en cuestión son:a) Flujo de insolación local; el cual a su vez depende de lahora del día, de la estación del año y de la altura del lugarde la experiencia.b ~ ubo idad; este parámetro puede alterar la radiaciónsolar incidente sobre el lugar de la experiencia.e) elocidad del viento; a mayor velocidad aumentan laspérdidas por convección. .e) Condiciones de la superficie reflectora; el estado dedicha superficie puede alterar los resultados, ya que si éstase encuentra sucia o empañada su reflectividad disminuye.f) Calidad del enfoque; este proceso es manual y por lotanto no se puede asegurar que el mismo sea en calidadidéntico en cada experiencia.

• Calor suministrado por el horno solar

El flujo de calor que se suministra al sistema en lazona focal puede deducirse a partir del conocimiento delfuncionamiento físico de horno. La cantidad de energíasolar local puede ser determinada en cualquier centro demeteorología de la zona mediante una carta que muestra ladensidad de flujo solar según la hora diaria.

En la zona focal dicha densidad es 2515 veces mayor;por lo que todos los puntos de dicha carta multiplicadospor este valor permiten obtener un gráfico similar perodesplazado verticalmente, que representa la energíaincidente en el área focal por día. Para conocer la cantidadde calor suministrado por el horno en el intervalo de unaexperiencia; basta con integrar este gráfico entre el inicioy fin de dicha experiencia.

4. Conclusiones

1. El horno solar descrito aumenta la densidad de flujosolar 2515 veces. .2. La máxima temperatura alcanzada en la zona focal esaproximadamente de 980°C.3. Entre la temperatura ambiente y los 600 °C se produjoen el horno solar un calentamiento rápido deaproximadamente 1 °C/seg (para todas las muestras). Apartir de esta temperatura la velocidad disminuyebruscamente y la curva de calentamiento (T vs. t),presenta un comportamiento asintótico hacia algún valorcercano a los 750°C.4. La temperatura óptima de trabajo en los diferentescalentamientos fue de aproximadamente 700°C;independientemente de la masa}' el material.5. La eficiencia térmica de este horno solar esaproximadamente un 1'k.

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6. El proceso de calentamiento en este horno solar nopermite detectar con claridad los cambios de fase de losmateriales debido a las altas velocidades de calentamientoobservadas antes de alcanzar los 600°Caproximadamente.7. Las curvas de calentamiento presentan desviaciones,que son causadas por ráfagas de viento y nubosidad.

5. Recomendaciones

l. Recubrir. la superficie del paraboloide con e: pejos ydeterminar la eficiencia térmica y velocidad decalentamiento.2. Utilizar un escudo térmico para aminorar las pérclidaspor radiación y convección. Comparar los re ultados deeficiencia térmica con los obtenidos en este trabajo.3. Evaluar crisoles de otros materiales de mayorabsortividad y conductividad térmica que el grafito.4. Diseñar un mecanismo automático de rastreo solar.5. Hacer un estudio experimental energético del sistema.6. Estudiar la influencia de la masa en el tiempo de fusión.7. Hacer un balance energético de las pérdidas de calor enel horno.

6. Referencias

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