El calentador solar (2)


Por
Luis Bérriz Pérez*

 

Crónicas de un círculo de interés sobre el desarrollo energético sostenible (V)

 

Era el sábado 21 de septiembre. El último círculo de interés que efectuamos fue en junio, donde habíamos brindado algunos conceptos de óptica, necesarios para comprender el funcionamiento del calentador. Después vinieron las vacaciones, pero aunque no dimos círculos de interés, no perdimos el tiempo.

En julio, Miguelito se había conseguido un tanquecito vacío de cien litros, como material reciclado que había contenido aceite mineral. O mejor dicho, quien lo había conseguido fue el abuelo Paco. Ya desde el círculo anterior, Miguelito había dicho que deseaba construir un calentador solar compacto, pues quería ahorrar electricidad, y principalmente quería bañarse con agua caliente a cualquier hora y no cuando su mamá tuviera tiempo para calentarle el agua. Con esto, Miguelito reflejaba tres aspectos positivos: la independencia, el alivio a su madre del trabajo de calentarle el agua, y el ahorro de energía eléctrica.
Tan pronto consiguieron el tanquecito, me vinieron a ver, y los puse en contacto con los compañeros del Taller de Prototipos de «genSolar», específicamente con Andrés, Julio, Carlos Manuel y Ramoncito.

Se pusieron a trabajar, y lo más importante es que ya hoy la familia de Miguelito se baña con agua caliente sin gastar electricidad, ni gas.

¿Cómo lo hicimos? O mejor dicho, ¿cómo lo hicieron Miguelito y su abuelo con una pequeña ayuda? Ese es el tema de nuestro círculo de interés de hoy.
—¡Buenos días! —dije. —¡Buenos días! —contestaron en coro.

La mañana estaba con el cielo nublado, pero parecía que no iba a llover. Eché una ojeada y vi con gran sorpresa que había tres nuevos muchachos que no conocía, pero, principalmente, que estaba el abuelo Paco, casi escondido detrás de un árbol. Para mí, la asistencia de este abuelo a los círculos de interés para niños y adolescentes, tiene un significado muy especial.

—Veo aquí a tres nuevos miembros y me gustaría que se presentaran —les dije.
Se levanta Miguelito y dice: —Son tres compañeros míos del aula que viven en la otra cuadra. Y continúa: —Yanisleidy, Yusbán y Yamila. Los embullé a que participaran en este círculo, pues vieron mi calentador y también quieren hacer uno para su casa.
¡Tres nuevas Y! —pensé para mí— y dije en voz alta: —Bienvenidos a este colectivo. Después me escriben sus nombres en un papel y me lo dan, pues no me gusta escribir con faltas de ortografía ni los nombres propios. Bueno, Yubislán y Maritza causaron bajas, pues empezaron sus carreras en la universidad, pero el círculo está creciendo.

Y continué: —Si se acuerdan, en el círculo pasado hablamos de los diferentes tipos de calentadores solares y expusimos los principales conceptos de la óptica aplicada a los mismos. Hoy vamos a referirnos a los principales conceptos de la transferencia de calor, y nos basaremos en el calentador de Miguelito, que ya todos vieron.

—Antes de venir, subimos a la azotea para ver el calentador —dijo Miguelito.
—Bien —continué—, y también pudieron comprobar que, a pesar de ser tan temprano y estar nublado, había agua, por lo menos tibia, y buena para bañarse.
—¡Sí! —se oyó un murmullo.

—Y digo tan temprano, pues a pesar de que nuestro reloj marca ahora las 10:20, ustedes vieron el calentador más o menos a las 9 y media, o sea, aproximadamente a las ocho de la mañana, hora solar. Acuérdense que tenemos la hora de verano y La Habana tiene media hora de diferencia con Guantánamo, por donde pasa el meridiano 75.
—¡Profesor! ¡Con permiso! —se levantó Camila y dijo: —Hoy es el día del equinoccio de otoño.

—¡Muy importante tu observación! —le dije. ¿Quién me puede decir las características de este día?
—Hoy el Sol sale exactamente a las seis de la mañana, hora solar, y se pone también exactamente a las seis de la tarde, o sea, el Sol está por encima del horizonte doce horas. Esto sucede solamente en los días de equinoccio, el de primavera y el de otoño —afirmó Camila.

—Muy bien, pero recuerden que las seis de la tarde, hora solar, equivale aproximadamente a las siete y media de la noche, según nuestro reloj. ¿Quién puede decir algo más?
—Los días de equinoccio son los únicos del año en que el Sol sale por el Este y se pone por el Oeste. El resto de los días sale, o un poco inclinado al Norte, o un poco al Sur. La mayor desviación se observa en los días de solsticio —reafirmó Marianita.

—Me alegra mucho lo que han aprendido. Verdaderamente, han aprovechado el tiempo —comenté y seguí: —Ahora vamos a concentrarnos todos en la nueva clase. Ya todos vieron el calentador. Aquí traigo esta foto —les enseñé una foto que había impreso, en colores, en una hoja de papel.

—¡Fíjense bien! ¡Aquí ven el tanque de cien litros! Tiene exactamente un metro de largo por 36 centímetros de diámetro. Por un problema práctico, en vez de utilizar metros y centímetros, vamos a utilizar decímetros, pues un decímetro cúbico es igual a un litro. Así, si decimos que el tanque tiene 10 decímetros de largo por 3,6 decímetros de diámetro, o sea, tiene de base un círculo de 10,17 decímetros cuadrados, lo que multiplicado por la altura (o largo del tanque) hace un volumen de 101,7 decímetros cúbicos, es decir, los cien litros que habíamos dicho que era su capacidad.

Después de una breve pausa, continué: —El otro recurso que vamos a utilizar está relacionado con la unidad de energía. Unidades de energía hay muchas, pero para el cálculo de los calentadores solares vamos a utilizar la «kilocaloría». Grábense esto: «para calentar un litro de agua, un grado, se necesita una kilocaloría». Es entonces evidente que en nuestro caso, para calentar cien litros de agua, veinte grados, se necesitan dos mil kilocalorías. ¡Qué fácil! ¿No?
Pasé la mirada por todos y vi que estaban prestando la máxima atención.

—Pero no vayamos tan rápido. Sobre esto volveremos después. Regresemos al tanque.Fíjense que está pintado de negro mate. Ya esto lo estudiamos en el círculo anterior, y sabemos que el negro es el color que más absorbe la radiación solar. Y también supimos que si una chapa negra la ponemos al sol, se calienta, pero no mucho, porque se enfría por el aire circundante. Ahora podemos pasar a los conceptos de transferencia de calor.

Todos continuaban atentos.
—La transferencia de calor, como su nombre indica, trata sobre el paso del calor de un lugar a otro. Este paso puede ser por conducción, por convección o por radiación. —Oí un murmullo— ¡No se asusten! Vamos a explicar cada uno de ellos y estoy seguro de que lo van a entender. Ya en la clase anterior vimos lo que era la radiación y cómo se calentaban las plaquitas con el Sol, ¿no se acuerdan? Ahora trataremos solamente la conducción y la convección, pues son conceptos importantes para comprender el funcionamiento del calentador. Primero explicaré lo que es la conducción de calor. Aquí traje estas dos plaquitas: una metálica y otra de fibra sintética. Y vamos a hacer un experimento.

¡Necesito dos voluntarios! —Se levantaron todos. —¡Sólo dos! El resto que se fije bien en lo que vamos a hacer. Si quieren, lo pueden repetir varias veces.
Tomé una decisión: —¡Marianita y Raúl! ¡Pónganse aquí los dos! Los demás, ¡fíjense bien! Coloqué a Marianita y Raúl uno frente al otro y les di las dos plaquitas. Marianita cogió la metálica, y Raúl, la de fibra sintética.

—Tomen la plaquita por un extremo. El otro extremo péguenlo así —y prendí una vela que llevaba conmigo. —Ahora voy a darle calor a estos extremos y traten de aguantar lo más que puedan, pero con mucho cuidado para que no se quemen. Si se calientan mucho, las sueltan enseguida.

Puse la vela debajo de los extremos que estaban unidos y en unos segundos Marianita soltó la plaquita.
—Está muy caliente —dijo como justificándose. Mientras tanto, Raúl seguía sosteniendo la plaquita.

—Bueno, ya basta. Pudieron comprobar que esta plaquita metálica condujo rápidamente el calor de un extremo al otro, y la de fibra no condujo el calor. Podemos definir ahora el concepto de «conductividad térmica». Vamos a ver si entienden: «Conductividad térmica es la propiedad de los materiales de conducir el calor de un lugar a otro, sin necesidad de que haya un líquido o un gas en movimiento» (Fig. 1).

 
Fig. 1. Conductividad térmica es la propiedad de los materiales
de conducir el calor de un lugar a otro, sin necesidad de que haya
un líquido o un gas en movimiento (experimento con las dos plaquitas).
 

Tomé en mis manos las plaquitas: —Esta plaquita de metal tiene una alta conductividad térmica, por eso se dice que es un buen conductor; y la de fibra tiene muy baja conductividad térmica, por eso es un aislante. En nuestro caso, la plaquita que sostuvo Raúl, aunque la calentamos por el extremo, no condujo el calor y no tuvo que soltarla, porque la fibra es un aislante. Sin embargo, la plaquita que sostuvo Marianita condujo rápidamente el calor, lo trasladó a los dedos, y por eso tuvo que soltarla ¿Entendieron?

—y miré para todos.
—Si no la suelto, me quemo —comentó Marianita.
—Exacto. Si no la sueltas, te quemas —reafirmé.
—Por eso las ollas son de metal —dijo Yamila.

—Muy buena observación. Por eso las ollas, las cazuelas y los jarros que se utilizan para cocinar o calentar agua son de metal. Y por eso el tanque o el plato de absorción de un calentador solar debe ser también de metal, si se quiere que tenga buena eficiencia —concluí, y oí un murmullo de unos hablando con otros como poniendo ejemplos.

—Vamos a continuar —lo dije en un tono más alto para que me oyeran. Todos se callaron y algunos que estaban de pie, se sentaron. —Bueno, este tanque pintado de negro lo ponemos al sol, se calienta por la radiación que recibe, el calor pasa por conducción a todo el tanque, incluso al agua que tiene dentro. Ahora lo más importante es que no se enfríe. Ustedes se van a dar cuenta de que saben perfectamente lo que es la transferencia de calor por convección.

Y continué: —Si a ustedes se les calienta mucho una bebida, la leche o un té, y quieren enfriarla rápido, meten el vaso en un jarro con agua y lo mueven. En segundos la temperatura baja. Otro ejemplo: ¿Quién no ha enfriado una sopa soplándola? Y podemos poner muchos ejemplos más sobre la transferencia de calor por convección; o sea, podemos decir que «la transferencia de calor por convección es el paso del calor de un lugar a otro, por medio de un fluido en movimiento, ya sea líquido o gas», y normalmente usamos el agua y el aire.

Por la cara de los muchachos noté que podía seguir, y seguí.
—Ahora, si este tanque, después de calentarlo con la radiación solar, lo dejamos al aire, se enfría rápidamente y mientras más viento haya, más rápido se enfría. Por eso es tan importante aislarlo.

En ese momento se acercaron Rosa y Adela con la ya acostumbrada merienda: refresco y galleticas con mayonesa; el refresco era una limonada, la bebida que más me gusta. Hicimos una parada, y después de saludar a Paco personalmente, mientras merendábamos me puse a oír algunos comentarios. Unos hablaban de ladrillos, otros de bagazo con cemento, otros de tubos de regadío desechados, otros de nylon, pero todos estaban buscando una solución para hacer su calentador solar. Pasaron diez minutos.

—Vamos a continuar, que nos quedan varios temas que tratar —dije en voz alta y todos, poco a poco, se fueron colocando en sus puestos. —Nos quedamos en que tenemos que aislar el tanque para que guarde el calor. Vamos a ver cómo lo hizo Miguelito.
Volví a mostrar la foto con el calentador de Miguelito.

—¡Fíjense bien! Por la parte de abajo y los laterales utilizó unas planchas de dos pulgadas, o 50 milímetros, que en su interior tienen poliuretano, un material aislante muy bueno. Estas planchas se las consiguió el profesor Julio de una recortería que él tenía, sobrantes de un secador solar que hizo. Perose puede utilizar cualquier material aislante, como ladrillos, bloques e inclusive madera. Es importante que tengan en cuenta la durabilidad del material.

—Mi papá me dijo que podía utilizar aserrín con barro, pues él podía conseguir arcilla y también el aserrín —manifestó Yusbán.

—Yo puedo conseguir bagazo de la guarapera de la calzada de 10 de Octubre, ya que una prima mía vive al lado. La podemos lavar y secar, y utilizar como aislante —dijo Yanisleidy.

—Todo muy bueno. Cuando se dominan los conocimientos básicos, pueden surgir muchas soluciones —les dije—, pero tenemos que continuar porque nos quedan varios temas y no quiero que sus padres me tomen como alguien indeseable, porque ustedes no vayan a almorzar a la hora.

Continué: —Ya hicimos el fondo y los laterales, pero lo más difícil es la parte de arriba, pues tiene que ser aislante y, además, debe dejar entrar la radiación solar para que caliente el tanque. Vemos que Miguelito utilizó una plancha de policarbonato transparente, que también le suministró el profesor Julio de la misma recortería del secador. El policarbonato es muy bueno, pues deja pasar la radiación solar, pero no permite que la radiación infrarroja que emite el tanque caliente se escape. Ya esto lo aprendimos en el círculo anterior. Además, el policarbonato retiene la radiación ultravioleta y tiene una durabilidad de aproximadamente diez años. Pero, desgraciadamente, no todos tenemos la oportunidad de conseguirnos una plancha de policarbonato y cada cual tiene que pensar en una solución, con planchas de vidrio e inclusive con nylon transparente. Les he dicho esto para que piensen, pero nos queda la parte principal: ¡cómo hacer llegar el agua caliente a la casa para que Miguelito, el abuelo Paco y su familia, se bañen con agua caliente!

Todos continuaban prestando mucha atención.
—Necesariamente, el tanque tiene que tener una tubería de entrada y otra de salida. Normalmente, la tubería de entrada está de un lado del tanque y la de salida del otro lado, ambas, en la parte superior para evitar la acumulación de aire dentro del tanque. El problema consistía en que si soldábamos las tuberías de entrada y salida, echábamos a perder el tanque, porque la soldadura daña el tratamiento anticorrosivo que trae de fábrica. A Carlos Manuel, del taller de prototipos de «genSolar», se le ocurrió utilizar el hueco que trae el tanque, donde está el tapón, tanto para la entrada del agua fría como para la salida del agua caliente. Ramoncito tuvo la ocurrencia de utilizar un pedazo de plancha de baquelita de diez centímetros de ancho que tenía en su casa, para hacer un tapón con las dos tuberías empotradas. Bajo el asesoramiento del profesor Andrés, hicieron este trabajo magnífico que les enseño en este diagrama.

Les muestro un papel con el diagrama impreso.
—Fíjense aquí, la tubería de entrada llega casi hasta el fondo y la de salida es corta y sale de arriba. Es bueno que salga de arriba, pues el agua caliente pesa menos y se encuentra en la parte superior (Fig. 2).

 
Fig. 2. Esquema del calentador solar.
 

Todos observaron el diagrama con atención, aunque ya habían visto el calentador funcionando, pero no sabían cómo estaban las tuberías dentro del tanque.
—Ahora les voy a hacer una pregunta y piensen bien antes de contestar. Fíjense que las paredes interiores son blancas para que no absorban la radiación solar. El largo de la caja aislante es de un metro y un poquito más, porque el tanque tiene un metro, pero el ancho es mucho mayor que el ancho del tanque. ¿Quién me puede decir por qué?
Enseguida se levanta Miguelito, y dice: —Yo, profesor.

—No, cualquiera menos tú, porque tú hiciste el calentador y yo sé que lo sabes —le dije.
Tras unos segundos, se paró Marianita y dijo: —Con permiso, la caja es más grande porque así gana más energía solar, ya sea en invierno como en verano.
Se queda de pie, y le digo: —Está bien. Puedes sentarte. Pero fíjate que tiene un ancho determinado, ¿por qué?

Y se para Yanisleidy (a quien por suerte le dicen «Yani»), y dice: —Porque la plancha de plástico que se consiguió tenía ese tamaño.
—No —le digo rotundamente. La vi apenada, por lo que añadí: —Es la primera vez que vienes y tú verás que poco a poco irás aprendiendo. Dentro de poco, tú podrás enseñar a otros a hacer calentadores solares.

Continué: —¿Se acuerdan que a principio de la clase les dije que para calentar cien litros de agua, veinte grados, se necesitaban dos mil kilocalorías? Pues esto es lo que define el tamaño de la cubierta transparente. ¿No se acuerdan también de que en una de las primeras clases les dije que la energía solar que se recibe en Cuba en un solo metro cuadrado tiene un valor aproximado de cinco mil kilocalorías? Pues bien, si tomamos una eficiencia para el calentador de 40%, el 40% de cinco mil es dos mil, o sea, se necesita un metro cuadrado de área de cubierta transparente.

Se oyó un murmullo prolongado y les dije: —Ya veo que no entendieron nada. Fui muy rápido porque ya son las doce menos cuarto, pero esto es importante. Vamos a tomarnos diez minutos más, y si llegan a sus casas más tarde de lo normal, les explican a sus padres porqué llegaron tarde. ¡Pongan atención!

Observé que todos se calmaron. Tenía que ir despacio y claro, pero no podía perder el tiempo, no sólo por los muchachos, sino porque uno de mis programas televisivos favoritos es «Con sabor», que empieza a las doce del día. Yo no cocino, pero este programa nos enseña no sólo a cocinar, sino a comer más sano y a ser eficientes en una de las actividades de mayor consumo de energía: la alimentación.

—Vamos paso a paso —les dije alto y despacio, y continué: —Estarán de acuerdo conque la energía que se necesita para calentar cien litros de agua, de 25 a 45 grados, es de dos mil kilocalorías. ¿Sí, o no?

—¡Sííí! —respondieron todos. Y continué: —Bien. La energía que llega al agua y la calienta la llamamos «energía útil», porque es realmente la que se utiliza. Pero la energía solar que llega al calentador es mucho más, porque hay pérdidas; por ejemplo, la que se refleja en la cubierta transparente y la que se pierde por radiación, convección y conducción. O sea, no toda la energía solar que llega al calentador se utiliza en calentar el agua. ¿Está claro?
—¡Sííí! —volvieron a responder todos en coro.

 
Fig. 3. Medición de la radición durante la celebración del círculo de interés.
 

—Muy bien. Vamos a seguir. La eficiencia de un calentador es la relación entre la energía útil, o sea, la que se aprovecha para calentar el agua, y la energía solar que llega a la cubierta. Normalmente la expresamos en tanto por ciento. Todos ustedes saben lo que eso significa, pues ya han aprendido bastante matemáticas.

Y en un papel escribí con letras grandes: La eficiencia es igual a cien multiplicado por la energía útil, dividido por la energía que llega a la cubierta del calentador.

 
Esquemas de diversos tipos de calentadores solares
 

—Por sus caras veo que van entendiendo, así que continuamos. Nosotros estimamos que el calentador que construyó Miguelito pudiera tener 40% de eficiencia. Esto lo hicimos por la experiencia y no es un tema de este círculo. Ahora bien, si se necesitan dos mil kilocalorías para calentar el agua y el calentador tiene una eficiencia de 40%, ¿cuánta energía solar debe llegar a la cubierta? Ustedes saben calcular el porcentaje: Dos mil entre cuarenta y por cien es igual a cinco mil, o sea, a la cubierta deben llegar cinco mil kilocalorías de energía solar. Y vimos que esta cantidad es precisamente la que llega a un metro cuadrado. Por eso, la cubierta transparente tiene un área de un metro por un metro, o sea, de un metro cuadrado. ¿Ahora todo se entendió?

Por suerte respondieron todos que sí, y pudimos terminar la clase a las doce en punto.
Antes de irse les dije: —En la próxima clase vamos a aprender a hacer un destilador solar.
Y todos se fueron contentos.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Presidente de CUBASOLAR.
Autor del libro Secadores solares para productos agropecuarios e industriales
y coautor del Manual para el cálculo y diseño de calentadores solares.
e-mail: berriz@cubasolar.cu