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UNIVERSIDAD RAFAEL LANDÍVAR Guía para la construcción de un calentador solar de botellas plásticas -INCYT-

GUÍA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN CALENTADOR SOLAR DE

BOTELLAS DE PLÁSTICO

Energía limpia y reciclaje


AUTORIDADES INSTITUCIONALES

Rector: P. Eduardo Valdés Barría, S. J. Vicerrectora Académica: Dra. Lucrecia Méndez de Penedo

Vicerrector de Investigación y Proyección: Mgtr. Juventino Gálvez RuanoVicerrector de Integración Universitaria: P. Julio Enrique Moreira Chavarría, S. J.

Vicerrector Administrativo: Lcdo. Ariel Riveria IríasSecretaria General: Licda. Fabiola Padilla de Lorenzana.

CRÉDITOS DEL DOCUMENTO

AutoresJorge de la Torre

Verlin López

Diseño y diagramación original del documentoAna Marcela Castillo

Publicación hecha con el apoyo de la Embajada de la República de China (Taiwán)

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IntroducciónEl calentador solar de botellas de plástico PET [1] fue inventado en 2002, en Brasil, por el ingeniero mecánico retirado José Alano. Dos años más tarde, en 2004, Alano recibió el “Premio de Ecología para las ONGs”. Y para 2008, unas seis mil unidades de su calentador solar habían sido construidas; ese mismo año construyó una versión del calentador a gran escala, utilizando 1,800 botellas PET, en la ciudad de Palma, Brasil. En el INCYT se construyó un calentador solar basado en el invento de José Alano, quien renunció a una patente con el objeto de beneficiar a la mayor cantidad de personas con su innovación. .

Figura 1. Calentador solar de botellas PET por el inventor José Alano.


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Principio del TermosifónUno de los modelos más simples de calentador solar de agua es el Calentador Solar de Termosifón CST 8el tipo de calentador diseñado por José Alano). El diagrama general de un CST se aprecia en la figura 2. El agua es calentada directamente por la radiación solar, al fluir ésta en el colector [2]; el agua ya calentada sube (es decir, una corriente de convección [3] ) y llega al tanque de almacenamiento, ubicado arriba del colector (la parte superior del colector está conectada a la parte superior del tanque). Simultáneamente, agua fría adentro del tanque fluye hacia el colector (la parte inferior del tanque está conectada a la parte inferior del colector); el agua fría tiene mayor densidad que el agua caliente, por lo que “se hunde” y abandona el tanque. De esa manera se genera un ciclo de termosifón. Es de notar que un sistema de termosifón no requiere de bombeo externo; únicamente fuerzas naturales entran en acción.

Es precisio mencionar que el agua en el colector se calienta por efecto invernadero, o sea, por medio del calor atrapado en las botellas, generado por la luz solar. [4]

Aunque un CST es relativamente fácil de diseñar [5], es preciso tomar en cuenta principios básicos de plomería para garantizar el funcionamiento del sistema.

En particular, las principales causas de un desempeño deficiente del calentador son:

• Elección incorrecta de conductos (y conexiones) que puede dar lugar a bolsas de aire que impidan el flujo de agua (esto se corrige con la introducción de un respiradero).

• Conexión errónea entre el colector y el tanque (recordar que el tanque siempre debe estar arriba de la altura del colector).

• Aislamientos térmicos defectuosos (prestar atención en el colector para evitar fugas de aire y en el tanque de almacenamiento, cuyo aislamiento debe ser meticuloso)

Agua caliente

Agua fría

colector Solar

Baja (agua frí

a)

Diferenciade altura

Sube

(agua

caliente Tanque de agua caliente

Figura 2. Diagrama de un CST. El agua caliente asciende por el colector; el agua fría abandona el tanque y entra al colector.


En un día soleado, por ejemplo, el agua alcanza una temperatura comprendida entre los 50°C y 65°C en un taque de CST comercial. Y en uno nublado, la temperatura suele ser de 40°.

En el tanque CST de botellas PET, por aparte, se pueden esperar temperaturas comprendidas entre los 42°C y 52° C para un día soleado; para un día nublado la temperatura esperada variará alrededor de los 30°C.

A modo de referencia: agua a 40 °C se considera demasiado caliente para darse un baño.

A continuación, se detallan los materiales necesarios para la fabricación de dicho calentador y el proceso constructivo del mismo. Posterior a ello se darán las indicaciones de la colocación del tanque.

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16

34

30

5

64

64

1

2

1

1

Tubos de PVC de 0.5 pulgadas de diámetro y 1.20 m de largo.

Tubos de PVC de 0.5 pulgadas de diámetro y 10 cm de largo.

Uniones T de CPVC de 0.5 pulgadas de diámetro.

Codos de CPVC de 0.5 pulgadas de diámetro.

Envases de Doble Litro Transparente (sin color; puede ser Pepsi o Coca Cola).

Placas de PVC.

Spray acrílico mate color negro.

Tubos de pegamento para tubería PVC.

Galón de Thinner Laca (para limpiar los tubos de PVC antes de pintarlos)

Parrilla para sostener el colector (la parrilla se debe inclinar a 14 grados con respecto del suelo).

Materiales básicos Colector de Energía solar (de 16 columnas)


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1. Corte y unión de tubos largos con uniones T

Se recomienda cortar los tubos de PVC [6] con sierra eléctrica (cortes hechos a mano por lo general no son rectos). Una vez cortados los tubos largos, éstos se limpian con thinner laca; luego se les pega las uniones T en los extremos (figura 3).

2. Colocar tubos pequeños en los extremos de la armazón

Los tubos pequeños se usan para pegar las uniones T en los extremos de la armazón.

3. Corte de botellas plásticas y placas en PVC

A las botellas, por aparte, se les remueve la etiqueta y les corta el fondo (figura 5). Las placas de PVC , se cortan en forma de flecha gruesa de tal forma que puedan introducirse en las botellas.

Figura 4. Tubos de PVC de 10 cm de largo.

Figura 3. Los tubos de 120 cm de largo se les ha pegado uniones T en los extremos (a la esquina corresponde un codo).


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Diagrama 1. Corte de botella y colocación de placa de PVC.

Figura 5. Botella de doble litro cuyo fondo ha sido cortado. A la par, una placa de PVC cortada en forma de flecha gruesa.

Figura 6. Botella de doble litro con una placa de PVC en su interior (pos-teriormente esta placa estará pintada de color negro para la absorción de radiación solar)

Figura 7. Tubo de PVC en botella de doble litro, con placa de PVC (posteriormente el tubo y placa estarán pintados de negro para absorción de radiación solar). Cada columna constará de 4 botellas, cada botella con esta disposición.


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Luego se procede a pegar la estructura y a pintar de negro (ver figuras 8 y 9)

Figura 8. Los tubos ya han sido pintados de negro; un extremo del colector ya se ha pegado por medio de tubos pequeños (de 10 cm de largo) entre las uniones T.

Figura 9. Las placas de PVC cortadas en forma de flecha se han pintado de negro (luego se introducirán en las botellas, tal como se indicó en la figura 6).

Posteriormente, las botellas, con las placas de PVC pin-tadas de negro, se introducen en los tubos (4 botellas por tubo).

El Tanque

Antes de comenzar la instalación del tanque, es indispensable tomar en cuenta la siguiente recomendación:

Utilizar tambos plásticos nuevos; un tambo usado presenta el riesgo de contener químicos dañinos para la salud.

Figura 10. Botellas con placas de PVC en su interior introducidas en los tubos. Posteriormente se hacen las conexiones en el otro extremo y después se pinta de negro.


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El agua del calentador no es para beber (si se utilizara para beber, se debe consultar primero con una institución de salud).

Materiales básicos

Un tambo de 5 galones adentro de uno de 25 galones; uno de 10 galones adentro de uno de 35 galones; uno de 35 galones adentro de uno de 55.

Adaptadores macho de 1 pulgada (con correspondiente sello de hule).

Adaptadores hembra de 0.5 pulgadas (con correspondiente sello de hule)

La figura de abajo (figura 12) muestra un recipiente en el cual se han introducido los adaptadores hembra y macho, en las partes superior (para entrada de agua caliente) y en la parte inferior (para entrada de agua fría).

Figura 12. Recipiente con adaptadores en la parte superior e inferior. Aún no se ha perforado un tercer agujero para la salida del agua caliente para consumo, en la parte superior.

Prototipo 1 de tanque

Prototipo 2 de tanque


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Figura 13 A. Vista desde arriba: un tambo adentro de otro más grande. Ob-sérvese como los tubos de conexión de agua atraviesan el tambo externo. Uno de los tubos de la parte superior es para salida de agua caliente que será de consumo.

Figura 13 B. El tambo de 35 galones adentro del tambo de 55 galones

Figura 14 A. Las bolas de papel entre las paredes de ambos tambos forman un aislamiento térmico.

Figura 14 B. Encima de la tapadera del tambo interno también debe utilizarse aislamiento térmico con bolas de periódico.


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Posteriormente se coloca encima la tapadera del tambo externo.

Nota: la parte inferior del tanque se deja sin aislante. Recordar que la temperatura del agua en la parte inferior del tanque debe ser fría, para dar lugar al efecto termosifón.Finalmente se coloca el tanque sobre la plataforma.

Instalación Materiales básicos

Manguera de hule de 0.5 pulgadas de diámetro para conexiones de colector solar a tanque: 3 m o un tubo PVC de 0.5 pulgadas de diámetro; 5 m.

Abrazaderas para las mangueras

Válvula de retención de bronce con adaptador para tubo CPVC de 0.5 pulgadas de diámetro.

Llave de chorro de plástico con adaptador para tubo CPVC de 0.5 pulgadas de diámetro.

Manguera para alimentar sistema.

Teflón.

Figura 15 A . Calentador solar de 16 columnas (notar que el tanque de almacenamiento aún no se ha elevado por encima del nivel superior del colector solar). Al fondo se aprecia un prototipo de 8 columnas.

Figura 15 B. La válvula de retención o cheque (a la derecha, a la par del colector) permite que el agua únicamente fluya hacia el colector solar. El tubo conectado a la parte superior de la válvula de retención proviene de la parte inferior del tanque (que lleva agua fría). La parte inferior de la válvula conecta con el colector solar y el tubo (regulado por una llave de chorro) conectado a la manguera de alimentación.


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Figura 17. Prototipo de alentador solar instalado. Notar que la manguera negra está conectada a la parte superior del tanque; la manguera blanca está conectada a la parte inferior del tanque.El colector está inclinado a 14 grados aproximadamente y orientado hacia el sur. El tanque de almacenamiento está por encima del nivel superior del colector solar.

Colector solar de 16 columnas

Entrada de agua(alimentación)

Tanque

Entrada de agua a tanque(manguera negra)

Agua caliente

Salida de tanque (de nuevo al conector)

(manguera blanca)

Agua fría

Vista Frontal

Manguera blanca

Manguera negra

Vista lateral

Figura 16. El respiradero (tubo vertical) se ha adaptado a un pequeño prototipo

Para obtener el máximo de radiación solar, es preciso orientar el calentador hacia el sur e inclinarlo a un ángulo de 14 grados [8] (ver figura 17).


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de 5 galones adentro de uno de 25 galones; uno de 10 galones adentro de uno de 35 galones; uno de 35 galones adentro de uno de 55 galones.

Por último, el agua debe cubrir siempre cubrir el nivel de la conexión superior de agua en el tanque. Un tanque lleno a la mitad no permitirá que el agua se calienta (un tanque auxiliar de suministro puede solucionar el problema).

Colector

Puntos importantes a recordar...

Al añadir más columnas con botellas que posean receptores de calor, aumenta el área de recepción del colector y por lo tanto, la energía solar capturada.• El aislamiento térmico en zonas donde debe haber

calor es fundamental para la eficiencia.• Una gran cantidad de agua (que requiere de un

tanque grande), requiere más tiempo para elevar su temperatura.

• El tanque del calentador consta de dos tambos con suficiente espacio entre ambos; por ejemplo: un tambo

Figura 18. Esquema de un tipo de instalación de calentador solar de botellas plástico.


utiliza para proteger aparatos empacados) debajo de cartones de tetrapack pintados de negro adentro de las botellas.

[8] Dada la trayectoria del sol y con el objeto de lograr la mejor incidencia de luz, se recomienda en general apuntar los calentadores solares hacia el sur a un ángulo aproximado al de la latitud de la locación en cuestión.

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Información general

Connect Green “A DIY solar water heater from plastic bottles” http://www.connect-green.com/a-diy-solar-water-heater-from-plastic-bottles/Power from the Sun http://www.powerfromthesun.net/US Environmental Protection Agency, Recycling Basics http://www2.epa.gov/recycle/recycling-basicsNational Renewable Laboratory http://www.nrel.gov/ ________________________________________[1] Politereftalato de Etileno, un tipo de plástico usado comúnmente para envase de bebidas gaseosas y de agua pura.

[2] La innovación principal del calentador de Alano es precisamente el colector, compuesto de botellas PET. El colector es la parte del sistema que absorbe la energía solar para calentar el agua.

[3] Movimiento ascendente de fluido caliente.

[4]La luz del sol calienta el fondo del colector, generalmente pintado de negro; el calor generado adentro no puede escapar ya que le vidrio lo refleja.

[5] Desde la popularización del CST de José Alano, en el 2004, se han diseñado decenas de variantes del invento original.

[6] El PVC se descompone a 140 °C, de allí que es seguro utilizarlo en este tipo de calentador.

[7] A modo de aislante térmico, el modelo de José Alano utiliza trozos de espuma de poliestireno (material que se

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