TALLER DE ENERGÍAS RENOVABLES (5): CONCLUSIONES SOBRE LA CAPACIDAD Y CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE DISTINTOS MATERIALES


21 de mayo: En este taller Javier Pulido comenta las conclusiones que podemos sacar de las pruebas realizadas con nuestros recién fabricados hornos solares (utilizando placas metálicas de chapa de acero galvanizado). Después hay una serie de reflexiones sobre la capacidad y conductividad térmica de los distintos materiales que se pueden utilizar.


1 Pruebas con nuestros hornos solares y conclusiones

En el taller de renovables hemos acabado nuestras primeras cajas metálicas de chapa de acero galvanizado, y nos ha servido para experimentar y aprender, que es una de las principales finalidades del taller. La principal prueba ha sido exponerlas al sol y comprobar su calentamiento, esto nos ha permitido comprobar, que si bien el calentamiento era adecuado, cuando el sol solo daba en un lateral de la caja, se calentaba ese lateral, pero apenas calentaba el centro de la caja, esto nos ha llevado a plantearnos el porqué, y posibles vías de solución.

Así y como se explica abajo, hemos comprobado que dentro de los metales, la chapa galvanizada conduce el calor peor que el acero, mucho peor que el hierro y muchísimo peor que el aluminio, así para futuros proyectos en que necesitemos conducir el calor, emplearemos aluminio o si queremos algo mas barato, chapa de hierro, eso sí esta última necesitaremos tratarla contra la corrosión y oxidación

Otra consecuencia de nuestra experiencia es que haremos prototipos, antes de lanzarnos a la fabricación en serie de algo. Otra conclusión más es que la caja de policarbonato que fabriquemos va a ser independiente del recipiente que metamos dentro, las haremos de distintas formas y dimensiones y vamos a intentar que sean plegables (utilizando bisagras) para facilitar su transporte.

Cortando la plancha de policarbonato con la radial, y de la caja a medio montar no quitamos aun el plástico protector , porque nos indican la cara del policarbonato protegida contra los rayos UV y que debe quedar para fuera.

2 Capacidad calorífica y calor específico

Si queremos saber a) cuánta energía solar necesitamos para calentar un litro de agua b) cuanta energía solar pueden almacenar distintos materiales c) cuales son los mejores materiales para ceder calor a otros, o al revés para aislarlos y que no pierdan calor, deberemos entender los siguientes conceptos:

La capacidad calorífica de un cuerpo, es la cantidad de calor, Q, que dicho cuerpo absorbe cuando su temperatura aumenta un grado (o la que cede al disminuir su temperatura un grado.
El calor específico de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa de dicha sustancia.


Material
Densidad
kcal/kg · °C
kg/m3
kcal/m3 · °C
1
1000
1000
0,12
7850
950
Tierra seca
0,44
1500
660
0,2
2645
529
Madera de roble
0,57
750
430
0,20
2000
400
Madera de pino
0,6
640
384
Piedra arenisca
0,17
2200
374
0,16
2300
350
Mortero de yeso
0,2
1440
288
Tejido de lana
0,32
111
35
Poliestireno expandido
0,4
25
10
Poliuretano expandido
0,38
24
9
0,19
15
2,8
0,24
1,2
0,29

La energía necesaria para calentar un litro de agua desde los 20 a los 100 grados seria Q= 1. kcal/kg · °C x 1Kg x 80 ºC = 80 kcal = 93 watios.h, o sea que contando con unas perdidas del 55 por ciento en una cocina solar, necesitaríamos unos 200 w solares durante una hora para hervir un litro de agua, o en nuestros prototipos de captadores solares de 0,60 metros cuadrados, en verano , darían del orden de 600 w por metro cuadrado, es decir necesitaríamos 20 minutos para poner a hervir un litro de agua.

Otra conclusión sería que los materiales cuyo calor específico sea mayor, son los mejores para almacenar calor, aunque también necesitaremos más energía para calentarlos. Viendo la tabla, vemos que el agua es el mejor, un litro de agua almacena el mismo calor que 3000 litros de aire, o lo que es lo mismo si tenemos un colector solar de aire, necesitaremos meter 3 metros cúbicos de aire a 45 grados, para conseguir lo mismo que si calentamos un litro de agua a esos 45 grados.

También comprobamos que necesitamos 8 Kg de acero para almacenar el mismo calor que en un litro de agua, aunque en volumen que ocupan sea parecido, por eso el almacenamiento del calor en el agua es una buena solución, si somos capaces de aislarlo para evitar perdidas.

3 La conductividad térmica

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Esto tiene su importancia a la hora de escoger los distintos materiales para nuestra cocina y nuestro captador solar, desechando las planchas de cobre por su alto precio, vemos que una plancha de aluminio conduce el calor 4 veces mejor que el acero galvanizado y aproximadamente solo el doble mejor que la plancha de hierro, en este caso si es interesante comparar el precio de una plancha de acero galvanizado, una de hierro con una de aluminio.

Las planchas de 2x1 m de aluminio de 7mm lacadas en negro mate, cuestan 30 euros con IVA en accesorios villa en Fuenlabrada. Las planchas de acero galvanizado en hierros escorial cuestan sobre 12 euros la plancha, pero tenemos que sumarle la pintura negra (de todas maneras es la que aguanta mejor estar en ambientes húmedos, por su resistencia a la oxidación y corrosión. Las planchas de hierro, aunque son mas baratas y tienen mejor conductividad que el acero galvanizado, necesitan protegerse contra la oxidación y corrosión, además de pintarse de negro. Para tener la misma conductividad térmica, necesitamos un grosor doble en una plancha de hierro que en una de aluminio.

Conclusión: Quizá sea el aluminio lacado en negro mate la mejor opción.

4 El aislamiento térmico

Empleamos materiales cuya conductividad térmica es muy baja y además reflejan la radiación y no permiten la convección. El vacío (o casi vacío) es el mejor aislante con respecto a la conducción y la convección; también el aire quieto y seco es un buen aislante. Los materiales reflectantes son el mejor aislamiento contra la radiación. Lo ideal son materiales que combinen las dos cosas, por ejemplo un termo aísla de la radiación por su acabado especular y tiene dos capas entre los que se deja poco aire para aislamiento por conducción.

Si tenemos mucha temperatura, la principal perdida puede ser la radiación, pues esta aumenta a la cuarta potencia con la temperatura, es decir un cuerpo a 100 grados centígrados, irradia 16 veces mas calor que uno a 50 grados y 1126 veces mas calor que uno a 25 grados .

Ley de Estefan Boltzmann:    E = \sigma \cdot T_e^4 \,
 (E= Irradiación térmica,  T= temperatura,  c= constante boltzmann)
 
Dentro de los materiales aislantes, el aislamiento dependerá del grosor del aislante y de su resistividad térmica. Existen materiales nuevos como los de multicapas, que tienen ventajas con respecto a los mas clásicos, como lana de roca etc. y son, principalmente, su menor grosor a igualdad de aislamiento hasta 10 veces menos espesor, su maleabilidad, adaptándolo a cualquier superficie, además de su impermeabilidad, y sus capas reflectoras de radiación.

Para el mismo aislamiento, bastarían 2 cm de multicapa (por ejemplo actis), lo único malo del aislamiento multicapa es su precio, entre 6 y 10 euros metro cuadrado. De todas maneras se puede emplear cualquier aislante que tengamos a mano.