No se puede negar que algunos jóvenes y niños con marcadas inquietudes científicas y un buen grado de creatividad, saben sin que se les ayude, qué trabajo quieren hacer para las típicas ferias de la ciencia que se hacen en los colegios. Pero una gran mayoría, se enfrentan a un gran dilema cada vez que los profesores les hacen un requerimiento de este tipo.

Les propongo aquí unan idea que puede resultar útil, recordando eso si, la importancia de que se deje al niño o al joven realizar el trabajo con nuestra orientación y no reemplazarlos en esa tarea, dado el valor pedagógico que tiene esta actividad en la comprensión del cómo funcionan las cosas y los principios en los que se basan las ciencias para la transformación de la realidad y la proposición de nuevos desarrollos útiles para la humanidad.

Pero esta explicación no solo tiene su validez para una feria de la ciencia, a lo mejor puede ser el inicio de un próspero negocio de instalación en hogares y empresas. Como la primera parte de la explicación ilustra la construcción de un calentador real, al final se hacen algunas observaciones sobre la manera de ajustar la construcción a un proyecto de bajo costo en una feria de la ciencia.

CALENTADOR SOLAR DE AGUA.

Un sistema de este tipo, se compone básicamente de dos elementos: el primero, es el almacenamiento del agua caliente, pues como deberá comprenderse, el agua se calienta durante el período de tiempo en el que hay radiación solar, y deberá conservarse así hasta el día siguiente para ser usada en las primeras horas del día. El segundo, es el colector, que es la pieza que se encarga de calentar el agua aprovechando la radiación solar.

El almacenamiento puede ser un recipiente plástico sellado herméticamente, pero con 4 orificios para entrada y salida del agua, distribuidos de la forma que puede apreciarse en esta imagen:

Parte interna del almacenamiento de agua

Lo ideal sería que el tanque de almacenamiento tuviera sus paredes internas de una material que refleje y ojalá, en vidrio ó fibra de vidrio. Imaginen que lo que se quiere construir es un “termo” similar a los que se usan para conservar el café o el agua caliente en las casas. Pero para demostración en una feria de la ciencia, bien puede usarse una caneca plástica, una botella de gaseosas, etc. Lo importante es que tenga los 4 orificios con un pequeño tubo cada uno.

Además, este recipiente deberá estar dentro de otro de mayor tamaño, el cual se rellena alrededor con un aislamiento de un material adecuado que impida el contacto directo con el aire del ambiente y con las paredes del recipiente externo. Ese aislamiento puede ser fibra de vidrio, icopor, o incluso aserrín. Se busca pues, un buen aislamiento térmico.

 

Almacenamiento dentro de aislamiento térmico

Es claro que una vez hecho el aislamiento térmico, deberá también taparse el recipiente contenedor del almacenamiento de agua.

 

Almacenamiento tapado

Lo siguiente es fabricar el colector. Antes de proceder a hacerlo, debemos entender algunos conceptos que es importante tener en cuenta:

• Si una superficie se pinta de negro, absorbe más radiación solar que una superficie de color claro. Al absorber esa radiación, como no la refleja, la convierte en calor. Si además la pintura negra es mate (opaca, no brillante), los resultados son mejores. Se puede hacer el experimento recortando dos pequeños cuadros de lámina de aluminio de los cuales uno se pinta con negro mate y el otro no. Si se ponen al sol, al cabo de unos minutos el que está pintado de negro mate estará mas caliente que el otro.

 

Efectos de sol en negro

• Si se tiene una caja cerrada con un vidrio en la parte superior, la radiación solar que entra por el vidrio en su gran mayoría, no puede volver a salir. Como consecuencia, la temperatura dentro de la caja cerrada aumenta considerablemente. Esto es lo que se conoce como “efecto invernadero”, pues algo similar se produce en los invernaderos que se usan para los cultivos de diferentes plantas.

 

• Finalmente, es importante entender que cuando un fluido se calienta, tiende a subir. Es lo mismo que sucede en los baños turcos o en un sauna, donde se puede notar que a mas altura, mas calor se siente. Esa es la razón por la que en este tipo de baños se hacen escalones, para que los usuarios puedan decidir si quieren soportar mas o menos calor. Si sienten demasiado calor, pueden bajar a los escalones inferiores.

Ahora si, pasemos a ver como se fabrica el colector y como se conecta al almacenamiento:

Lo primero, es fabricar con tubos o con una manguera, lo que se conoce como un “serpentín”, es decir, una forma por la que hará su recorrido el agua fría y se irá calentando. Estos tubos deberán pintarse también de color negro mate.

Luego, se fabrica una caja con marco de alumnio, al que se le pone como base también una lámina de alumnio o de zinc, como base de la caja del colector.

 

Dentro de esta caja, se pone una base de fibra de vidrio, para evitar luego el contacto de los tubos con la base de la caja. (Puede usarse de la misma fibra de vidrio que se usa en aislamiento térmico de aires acondicionados).

Sobre esta fibra de vidrio se pone una nueva lámina de aluminio pintada de negro mate y sobre esta, el serpentín hecho con los tubos (preferiblemente de cobre y si no es posible, con tubos de PVC para agua caliente), también pintado de color negro mate.

Finalmente, encima de la caja, se pone una tapa de vidrio, sellando de la manera mas hermética posible con silicona. Con esto, queda listo el colector.

Como se conectan el tanque y el colector?

Lo primero, es que el tanque deberá estar mas arriba que el colector y este último, inclinado según el lugar de la tierra donde se encuentre. Cerca de la zona tórrida son pocos grados de inclinación (mas o menos 10 ó 15 grados), lejos de la línea del ecuador la inclinación será mayor. Además, el colector deberá estar “mirando”al norte.

Las conexiones de los tubos se hacen como se muestra en la siguiente imagen:

 

La explicación a su funcionamiento, es la siguiente:

1. El agua fría que está en el tanque (la mas fría ocupa siempre la parte inferior de este), baja al colector por el tubo que los conecta por la parte baja del tanque y ocupa el serpentín.

2. El serpentín que está pintado de negro recibe la radiación del sol y se calienta, calentando de paso el agua que está dentro de él.

3. La temperatura dentro del colector aumenta mas, debido a que se produce el efecto invernadero, por estar tapada con un vidrio que no deja salir gran parte de las radiaciones que entran.

4. Dentro del serpentín, el agua que se calienta tiende a subir y sale por el tubo que llega a la parte superior del tanque.

5. El agua caliente que llega al tanque desplaza hacia abajo de este el agua que no está tan caliente, la cual baja nuevamente al colector repitiendo el ciclo.

6. Como cada vez el agua que baja del tanque al colector está mas caliente, la temperatura del sistema va aumentando cada vez mas.

7. La clave de la conservación, es la calidad del “termo”que se logre construir como tanque de almacenamiento, con un buen cierre hermético, un buen aislamiento térmico y un material que sea poco conductor del calor en la parte interna del tanque.

Los principios de funcionamiento de este diseño pueden aplicarse a sistemas más complejos para calentar el agua de toda una casa, una piscina, etc.

Debe recordarse que:

  • Si solo se enrolla una manguera o se pone unserpentín de tubos pintados de negro mate, ya es suficiente para que el agua se caliente. Lo que se hace con la caja con tapa de vidrio es mejorar el calentamiento por el efecto invernadero.
  • El efecto Invernadero se puede lograr de otras formas, incluso instalando el serpentín en una caja de cartón con una tapa de acetato o plástico.
  • El tanque de almacenamiento puede ser un botellón si se trata de una feria de la ciencia, o un tanque de fibra de vidrio, si de lo que se trata es de sacarle un provecho real a este proyecto en la casa o en una empresa.
  • A mayor área del colector y mayor recorrido de los tubos o la manguera del serpentín, puede haber un mejor calentamiento de agua, pues estará mas tiempo expuesta a la radiación solar que se recibe.

Existen otros sistemas de calentamiento solar como por ejemplo algunos que utilizan tubos al vacío con el tubo que conduce el agua a su interior, conectados directamente al tanque y unidos en la parte inferior por mangueras flexibles, pero en escencia, se basan en los mismos principios de funcionamiento. Algunos como este que aquí se menciona, logran mejores eficiencias de calentamiento y de eso se trata, de explorar y experimentar nuevas y mejores maneras de aumentar la eficiencia de calentamiento de estos equipos.

 

Se respetan los avisos y logos de la imagen original, por respeto a los derechos de autor

(El colector de esta imagen es un producto comercial. Se usa a manera de ilustración didáctica y se respetan los logos y mensajes originales, como respeto a los derechos de autor)

 

Espero que esta explicación sea útil aún para implementar su propio sistema doméstico.

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