investigación chimeneas

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ÍNDICE 1.1 Introducción.................................................1 1.2 Planteamiento del problema....................................2 1.3 Justificación.................................................3 1.4 Alcances......................................................4 1.5 Limitaciones..................................................5 1.6 Objetivos.....................................................6 1.6.1...........................................Objetivo General 6 1.6.2......................................Objetivos Específicos 7 1.7 Hipótesis.....................................................8 2. Marco teórico.................................................9 2.1 Sistemas a utilizar........................................9 2.1.1 Lentes Fresnel.........................................9 2.1.2 Chimeneas.............................................13 2.1.3 Calentador solar......................................19 2.1.4 Muros trombe..........................................27 2.1.5 Piso radiante........................................28 2.2 Análisis de los materiales a utilizar....................29 2.2.1 Esteatita de yeso.....................................29 2.2.2 Basalto...............................................30 2.2.3 Piedra caliza.........................................31 2.2.4 Piedra arenisca.......................................31 2.2.5 Granito...............................................32

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investigación sobre aplicación de energias alternativas en la construcción de chimeneas

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NDICE

1.1 Introduccin11.2Planteamiento del problema21.3Justificacin31.4Alcances41.5Limitaciones51.6Objetivos61.6.1Objetivo General61.6.2Objetivos Especficos71.7Hiptesis82.Marco terico92.1 Sistemas a utilizar92.1.1Lentes Fresnel92.1.2Chimeneas132.1.3Calentador solar192.1.4Muros trombe272.1.5 Piso radiante282.2Anlisis de los materiales a utilizar292.2.1Esteatita de yeso292.2.2Basalto302.2.3Piedra caliza312.2.4Piedra arenisca312.2.5Granito322.2.6Tabique rojo recocido332.2.7Vidrio333.Metodologa343.1Desarrollo del modelo343.2Condiciones limitantes373.3Comparacin de los diferentes tipos de chimeneas383.4Resultados403.5Presupuesto413.6Conclusiones423.7Bibliografa44AnexosTabla 1 Valores de lentes fresnelITabla 2 Caractersticas de calentadores solaresTabla 3. Escala de dureza de Mohs

FIGURAS

Figura 1. Lente fresnel...............Figura 2. Lente fresnel colector.Figura 3. Lente fresnel colimador..Figura 4. Lente fresnel colector.Figura 5. Chimenea de lea...Figura 6. Chimenea de gasFigura 7. Chimenea elctrica.Figura 8. Chimenea solar...Figura 9. Principio de torre solar...Figura 10. Conducto de ventilacin...Figura 11. Intercambio de calor....Figura 12. Calentador solarFigura 13. Calentador solar pasivo..Figura 14. Calentador solar activo...Figura 15. Colector..Figura 16 Colector de tubos y placa.Figura 17. Colector de serpentn...Figura 18. Tubos de vaco para colector..Figura 19. Concentrador parablico.Figura 20. Contenedor...Figura 21.Sisitema de conexin de calentador solar....Figura 22. Tipos de uso del muro trombe....Figura 23. Piso radiante....Figura 24 Chimenea Solar Karpos corte..Figura 25 Chimenea Solar Karpos fachada.Figura 26 Esteatita de Yeso..Figura 27 Basalto.Figura 28 Piedra Caliza..Figura 29 Piedra Arenisca..Figura 30 Granito.Figura 31 Tabique Rojo..Figura 32 Vidrio Comn.910111112121313141415161717181919202021222425272729303131323333

CAPTULO 1

1.1 Introduccin

La actividad humana vicia y afecta la calidad del aire dentro de los edificios, esto puede producir efectos negativos en la productividad y la salud del hombre.Los mtodos tradicionales de ventilacin reemplazan el aire del interior con aire del exterior, el cual es de una mejor calidad; algunos mtodos ms complejos, como los mecnicos, permiten el control del flujo, calidad y temperatura del aire que entra a la habitacin.La chimenea solar es un sistema que utiliza la radiacin solar para mover el aire, promoviendo la ventilacin natural y en algunos casos provee aire fresco al edificio. Muchos trabajos han buscado, a travs de los aos, de encontrar ventajas en las chimeneas solares, el impacto de la temperatura de una chimenea solar y el beneficio de sistemas hbridos de ventilacin.

El propsito de este trabajo de investigacin es disear una chimenea solar que pretende sustituir o demostrar ventajas en contra de la mayora de las chimeneas ya existentes y que logre implementar un sistema de ventilacin hbrido con la utilizacin de un lente fresnel para utilizar la energa trmica producida por ste y crear una chimenea que trate de no consumir recurso alguno como gas, lea, carbn, o energa elctrica y explotar en gran manera el uso de energas naturales.

1.2Planteamiento del problema

A travs de los aos hemos sido testigos del exceso de contaminacin por medio de la quema de hidrocarburos, ao con ao se ha ido viendo una creciente preocupacin por los efectos negativos que stos causan para el ambiente y, por consecuencia, a los seres vivos que habitamos el planeta.

Nadie est exento de los problemas causados por la contaminacin originada debido a la quema de hidrocarburos, as como de los recursos naturales que se utilizan para distintos fines satisfactorios para el ser humano, uno de ellos, y de primordial importancia dentro de este estudio, su uso en las chimeneasen casa habitacin

Actualmente las chimeneas utilizan madera, gas natural o LP, electricidad, alcohol, etc. para su funcionamiento, recursos que tienen un costo y que conforme pasa el tiempo ese costo es ms elevado, aunado a esto se debe considerar tambin el mantenimiento que se debe otorgar a algunos de los sistemas antes mencionados y de igual manera considerar la eficiencia que stos presentan.

1.3Justificacin

Esta investigacin tiene como finalidad el diseo de un nuevo sistema para el funcionamiento de las chimeneas, el cual consta de la implementacin de un lente fresnel para eliminar el consumo de hidrocarburos y dems combustibles perjudiciales para el ambiente, la disminucin del costo producido por estos combustibles, as como por el mantenimiento necesario para los sistemas convencionales, tambin se pretende aumentar la eficiencia del sistema, ya que se busca un mejor y mayor aumento de la temperatura en un menor tiempo.

Una chimenea que implemente lentes fresnel utilizar nicamente energa solar para su funcionamiento, la cual se transformar en energa trmica logrando as la sustitucin de los combustibles convencionales.Aparte de los ya mencionados, tambin se cuenta con los siguientes beneficios:

Impulsar el uso de energas limpias Preservar los recursos naturales Disminucin de gases contaminantes

El sistema de regulacin de temperatura, que se lograr, funcionar tanto para enfriar como para calentar el aire dentro de la casa y de igual manera reducir los costos por mantenimiento y lograr eficientar el funcionamiento en comparacin con las chimeneas convencionales.

1.4Alcances

El diseo de una chimenea solar que permita la reduccin de costos contra el uso de chimeneas convencionales Aprovechar la energa trmica y potenciarla mediante el uso de un lente fresnel. Emplear el excedente de energa trmica para auxiliar un calentador de agua

1.5Limitaciones

El estudio se realizar en Valle de Bravo, por lo que los datos obtenidos solo sern confiables en climas semejantes. El prototipo, as como los resultados analizados, sern manejados a una escala inferior, 1 a 3 (3 veces ms pequeo), por lo que puede haber algunas variaciones al emplearse en escala real. La escasa informacin, en el campo de aplicacin, que existe en proyectos semejantes que podran emplearse como referencia o antecedentes. La mala respuesta que presenten los materiales al someterlos a las pruebas correspondientes.

1.6Objetivos

1.6.1Objetivo General

Disear una chimenea solar que, en su funcionamiento, implemente el uso de un lente de fresnel para calentar o enfriar el aire mediante energa trmica

1.6.2Objetivos Especficos

Analizar el funcionamiento de los diferentes tipos de lentes fresnel y elegir el que ms se adapte al proyecto. Determinar la cantidad de calor producida por el lente seleccionado. Desarrollar el prototipo de un mecanismo para controlar la temperatura en el interior de la chimenea. Buscar un material que pueda acumular y expulsar gradual y eficientemente la energa trmica. Proponer una solucin para retener y liberar energa calorfica.

1.7Hiptesis

El combinar un sistema de ventilacin similar al de un muro trombe e implementar un lente fresnel dentro de la chimenea solar Karpos, hace ms eficiente el funcionamiento y el objetivo de la chimenea, alcanzando el confort trmico dentro de la habitacin en menor tiempo que otro tipo de chimeneas.

La chimenea solar karpos es ms eficiente, menos contaminante y no deja residuo alguno en comparacin a los dems tipos de chimeneas.

El mnimo mantenimiento requerido por la chimenea solar Karpos y las ventajas que presenta, logran que, a largo plazo, sea la menos costosa de las chimeneas.

2.Marco terico

Se analizarn los diferentes sistemas que pueden ser utilizados dentro del diseo de la chimenea solar, as como los materiales que son considerados como posibles candidatos para el buen funcionamiento del modelo de la chimenea.

2.1 Sistemas a utilizar

2.1.1Lentes Fresnel

Es un lente diseado por el fsico August Fresnel, consiste en eliminar el exceso de material utilizado en las lentes convencionales al conservar la curvatura del lente pero separndola en anillos circulares de diferentes tamaos y ngulos, dependiendo de la curva del lente original, para as obtener un lente ms delgado, con anillos escalonados y conservando las propiedades del lente convencional, pero mucho ms ligero.

(Figura 1)

A continuacin se presenta un fragmento del trabajo elaborado por la empresa Fresnel Technologies, el cual habla acerca de la idea utilizada por Fresnel para la creacin de los lentes.The bulk of material between the refracting surfaces has no effect on the optical properties of the lens. In a Fresnel lens the bulk of material has been reduced by the extraction on the set of coaxial annular cylinders of material.The contour of the curved surfaces is thus approximated by right circular cylindrical portions, which do not contribute to the lens optical properties, intersected by conical portions called grooves. Near the center of the lens, these inclined surfaces or grooves are nearly parallel to the plane faceThe inclined surface of each groove is modified slightly from that of the original aspheric profile to compensate for this translation.1

(Figura 2)

1Fresnel lenses, High quality Fresnel lenses in a variety of sizes & focal lengths.Page 22.1.1.1Aplicaciones tpicas de lentes fresnel

2.1.1.1.1 Colimador

Es utilizado para homogeneizar la trayectoria de los rayos de luz producidos por alguna fuente, y que se encuentran dispersos en todas direcciones, en un haz con las mismas propiedades.

Se presenta una pequea explicacin acerca del colimador por parte de la empresa Fresnel Technologies.

In this case the spatial distribution of the light from the point source tends to favor the central portion of the lens, so that the total lens transmittance can be as much as 90%. The best optical results are obtained when the grooved side faces the longer conjugate.1

(Figura 3)

1Fresnel lenses, High quality Fresnel lenses in a variety of sizes & focal lengths.Page 7

2.1.1.1.2 Colector

Es este caso, el lente, se encarga de concentrar los rayos de luz, provenientes de alguna fuente, en un solo punto. Cabe mencionar que este uso es el ms adecuado, y para el que fue diseado, el lente fresnel.

(Figura 4)

2.1.2Chimeneas

Se presentar una breve explicacin de algunos de los tipos de chimeneas de mayor uso en la actualidad as como una pequea comparativa del desempeo de cada una de ellas.2.1.2.1Tipos de chimeneas

2.1.2.1.1De lea

Este tipo de chimenea es la ms tradicional y antigua en el mercado, funciona con carbn o lea y es la que ms calor proporciona; es capaz de calentar una estancia por completo en un tiempo relativamente corto

(Figura 5)

2.1.2.1.2 De gas

Son chimeneas de fcil instalacin y que funcionan con gas butano o propano, tiene una eficiencia en calefaccin de aproximadamente el 80% y son una buena alternativa a las chimeneas de lea debido a que stas no dejan residuos slidos.

(Figura 6)

2.1.2.1.3 Elctricas

Son chimeneas de instalacin fcil y rpida; son, en realidad, estufas elctricas que utilizan un efecto visual de llamas pero que producen flama alguna; estas chimeneas no dejan residuos y solo es necesario conectarlas a la red elctrica. Es recomendable que no se instalen directamente sobre el suelo para evitar que sufran descomposturas.

(Figura7)

2.1.2.1.4 Solares

Este tipo de chimeneas son un dispositivo utilizado para remover el aire caliente dentro de un edificio o calentar el aire fro mediante energa solar pasiva; es una manera de mejorar la ventilacin natural del edificio mediante el uso de la conveccin del aire.

(Figura 8)

2.1.2.2Elementos bsicos de una chimenea solar

2.1.2.2.1 La superficie de colectores solares

Es, bsicamente, el rea sobre la cual incide la radiacin solar, que al ser absorbida por esta superficie se convierte en energa solar pasiva, la cual ser liberada de manera gradual con el paso del tiempo.

(Figura 9)

2.1.2.2.2El conducto de ventilacin principalEs el ducto por el cual se expulsa el aire que no se desea en el interior del edificio; es un conducto que va de la base de la chimenea hasta el exterior de la edificacin.

(Figura 10)

2.1.2.2.3Las aberturas de aire de entrada y salida

Son aberturas por las cuales se conduce el aire a travs del edificio, su tamao, ubicacin y aspectos aerodinmicos son de gran importancia para que haya una correcta conveccin de aire.

(Figura 11)

LeaAltaMediaBajaMnima

Contaminacin

Suciedad

Mantenimiento

Eficiencia

Gas

Contaminacin

Suciedad

Mantenimiento

Eficiencia

Elctrica

Contaminacin

Suciedad

Mantenimiento

Eficiencia

Solar

Contaminacin

Suciedad

Mantenimiento

Eficiencia

2.1.2.3 Comparativa de las chimeneas

En la siguiente tabla se hace una comparativa entre los distintos tipos de chimeneas analizados anteriormente en cuanto a la contaminacin, suciedad, mantenimiento necesario y la eficiencia ofrecida por cada una de ellas.

2.1.3Calentador solar

Es un aparato que utiliza rayos UV provenientes del sol para calentar alguna sustancia, generalmente, agua.

En muchos climas un calentador solar puede disminuir el consumo energtico utilizado para calentar agua. Esta disminucin puede llegar a ser de entre el 50% al 75% o alcanzar el 100% si se sustituye completamente, eliminando el consumo de gas o electricidad.

Estos calentadores tienen una elevada eficiencia para captar la energa solar. Dependiendo de la tecnologa y materiales implementados, pueden llegar a alcanzar eficiencias del 98%

(Figura 12)

2.1.3.1Clasificacin de los calentadores solares

2.1.3.1.1Activos: Los calentadores solares activos son aquellos que utilizan una bomba o algn tipo de energa externa para mover el agua dentro de su ciclo.

2.1.3.1.2Pasivos: Estos no requieren de energa externa para funcionar. Utilizan el principio de conveccin para mover el agua dentro del sistema.

(Figura 13)(Figura 14)

2.1.3.2Colector

Es el componente que se encarga de transferir la energa solar al agua. Consiste en un arreglo de tuberas o conductos por donde fluye el agua. El arreglo puede estar pintado de negro mate o cubierto con pinturas selectivas como el cromo negro para evitar reflejar la luz y as lograr una mayor absorcin de calor.

El colector suele estar contenido en una caja con paredes externas resistentes a la intemperie y con paredes internas dotadas de aislamiento trmico. La parte superior lleva uno o varios vidrios, o algunos materiales transparentes capaces de dejar pasar la luz y proteger de la intemperie, utilizados para generar efecto invernadero dentro el colector.

(Figura 15)

2.1.3.2.1Tipos de colectores

2.1.3.2.1.1Tubos y Placas

En este tipo de colector se disponen dos tubos horizontales y se conectan con varios tubos verticales. Cada uno de estos tiene acoplada una placa, normalmente de lmina delgada. Las lminas sirven para captar el calor y transmitirlo por conduccin a la tubera. El arreglo de tubos se coloca horizontalmente sobre el suelo, con una inclinacin especfica dependiendo de la localidad terrestre. El agua entra por uno de los extremos del tubo horizontal ms bajo, sube por todos los tubos verticales y sale por el extremo contrario del tubo horizontal ms alto.

(Figura 16)2.1.3.2.1.2Serpentn

Es una manguera o tubo, dispuesta en una formacin de vaivn o espiral. La superficie expuesta al sol recibir la energa directamente sobre el conducto.

(Figura 17)

2.1.3.2.1.3Tubos de vaco

El colector utiliza tubos de vidrio al vaco. Dentro de los tubos se encuentran los conductos del colector. El vaco previene los fenmenos de conduccin y conveccin. Estos tubos estn fabricados en cristal de borosilicato logrando que los costos sean muy pocos en caso de rotura o de mantenimiento.

(Figura 18)2.1.3.2.1.4Concentradores parablicos

Consistente en un arreglo de espejos en forma de cilindro parablico que reflejan la energa solar hacia un solo conducto lineal por donde pasa una substancia capaz de calentarse a temperaturas alrededor de los 300C.

(Figura 19)

2.1.3.3Contenedor

Es el recipiente de almacenamiento del fluido. Se conecta con la entrada y la salida del colector. Durante el da, el agua se recircula una y otra vez entre el colector y el contenedor. Despus de un tiempo y dependiendo de las dimensiones de los componentes, el agua se calentar para su uso posterior. La energa capturada en el colector se guarda en el tanque en forma de agua caliente. En el momento de requerir agua, se extrae del tanque y se rellena con agua fra.

El tanque est aislado trmicamente para evitar prdidas y mantener caliente el agua por ms tiempo. En un sistema domstico, el contenedor suele incorporar un calentador elctrico de apoyo, que se activar en caso de no alcanzar la temperatura deseada.

(Figura 20)

2.1.3.4Sistema

El sistema son todas las tuberas, bombas, sistemas de control, llaves de paso, y accesorios con las que cuente el calentador solar. Conecta por medio de tuberas el colector con el contenedor, as como tambin el calentador con las tuberas de una casa.

(Figura 21)

2.1.3.5Sustancia de trabajo

Si la circulacin es directa, se emplea agua potable; la misma que se utilizar en regaderas, lavabos, lavadoras, albercas, etc. En este caso, el agua se hace pasar por el colector para ser guardada en el contenedor.

Si se utiliza circulacin indirecta existen dos circuitos: Uno con agua potable para el consumo, y otro con un fluido caloportador, que usualmente es agua o una mezcla de agua y glicol. Los dos circuitos se ceden energa mediante un intercambiador de calor. En este sistema, el agua potable no pasa por el colector, sino nicamente por el contenedor, que aloja un intercambiador de calor donde se transfiere la energa captada por el fluido caloportador. Este sistema es ms conveniente si el calentador se encuentra en una localidad de clima fro, ya que el fluido caloportador que circula por el colector tiene propiedades, previniendo la ruptura de las tuberas por congelamiento.

2.1.4Muros trombe

Son considerados como un medio de ventilacin dentro de una casa habitacin, consisten en un muro, pintado de negro, antecedido por una placa de vidrio, que ayuda a generar un efecto invernadero en el espacio entre esta placa y el muro (normalmente de 30 cm, aunque esta distancia puede ser mayor si as se requiere) y que mediante la apertura o cierre de distintas compuertas se puede controlar el flujo y tipo de aire que se quiere hacer circular dentro del edificio, dependiendo de la estacin del ao o del clima.

Este muro se orienta, en el hemisferio norte, al sur y, en el hemisferio sur, al norte para lograr el mximo aprovechamiento de la energa solar. El muro, que absorbe la radiacin solar, y se calienta, libera esta energa de forma pasiva durante la noche, logrando, as, elevar la temperatura del aire dentro de la habitacin en la que se encuentra.

(Figura 22)

2.1.5 Piso radiante

Es sistema de calefaccin pasiva que consiste en un serpenteado de tuberas de polietileno con un alma de aluminio, sobre el cual se cuela el piso de concreto y se coloca el acabado de preferencia.

Este tipo de calefaccin es muy eficiente y poco costosa; gracias a su localizacin, calienta primeramente el piso de la habitacin y los muebles de sta, logrando un calor uniforme y agradable en todo el hogar, adems, tambin es silencioso y seguro.

La calefaccin por piso radiante ofrece hasta un 40% de ahorro con respecto a otros sistemas de calefaccin; el calor se localiza donde se necesita y se irradia directamente a las personas, lo que permite temperaturas agradables menores que las alcanzadas con otro sistema.

La caldera para calefaccin puede ser solar y as proveer calor con buena eficiencia aprovecha al mximo la capacidad del agua para transportar hasta 3400 veces ms calor que el aire, Para mover el calor se pueden emplear recirculadores de agua con potencias pequeas (0.5 a 2 HP), lo que resulta en un gasto de electricidad mnimo. 1

(Figura 23)

1 Jos Luis Palacios Blanco. La casa ecolgica: como construirla, pg 100

2.2Anlisis de los materiales a utilizar

Se analizarn las propiedades de diferentes tipos de rocas: la esteatita de yeso, el basalto, la caliza, la arenisca y el granito y se determinar la ms apta para cumplir con el funcionamiento del diseo de la chimenea.

2.2.1Esteatita de yeso

Es tambin conocida como talco, es un mineral que se puede encontrar en diversos colores, siendo principalmente el blanco o gris-azul; es un cristal de poca abundancia y compuesto de un grano muy fino.

Es transparente a translcido, muy blando y sedoso al tacto, su dureza es de 1.1

(Figura 26)

1Ver tabla 3. Anexos.

2.2.2Basalto

Es una roca gnea extrusiva, slida y negra, es la roca ms abundante en la corteza terrestre; su coeficiente de dilatacin trmica es muy bajo, por lo que recibe muy pocos daos durante incendios, su textura es un poco spera y est formada principalmente de vidrio volcnico.Esta roca puede exceder los 80C sin presentar deformacin alguna, tanto fsica como qumicamente, es altamente denso y tiene una dureza que oscila entre los 4.8 y los 6.5, segn la escala de Mohs.1

(Figura 27)

1Ver tabla 3. Anexos

2.2.3Piedra caliza

Es una roca sedimentaria, se forma en los mares clidos y poco profundos de las regiones tropicales; pueden presentarse en colores blanco o negro, es de gran porosidad y muy resistente a los cambios atmosfricos y su dureza es de 3.1

(Figura 28)

2.2.4Piedra arenisca

Es una roca de porosidad variable, su capacidad para absorber agua es muy alta, cerca del 40% de su volumen, su dilatacin trmica es bastante alta, aunque despus de superar los 60C, su integridad, se ve comprometida y no es capaz de superar los 80C

(Figura 29)1Ver tabla 3. Anexos

2.2.5Granito

Es una roca gnea plutnica normalmente presente en color gris o rojo claro, tiene una textura spera y es proveniente del magma, es una roca muy dura, entre 6 y 7 en la escala Mohs, su porosidad es muy baja, alcanzando el 0.4%, es una roca trmicamente estable, lo que significa que no se ve afectado en gran manera por los cambios de temperatura de su entorno.

(Figura 30)

Despus de analizadas las propiedades de las rocas anteriores se decidi utilizar el basalto porque su densidad de energa1 y su conductividad trmica2 son las ms apropiadas para el funcionamiento de la chimenea, Absorbe grandes cantidades de calor rpidamente y lo libera muy lentamente; adems, es el tipo de roca ms abundante en la corteza terrestre.

1Capacidad de un cuerpo para almacenar calor.2Es la velocidad a la que un cuerpo transfiere o dispersa el calor en su interior.

2.2.6Tabique rojo recocido

Es uno de los materiales de construccin ms utilizados por el hombre, es una pieza de cermica, generalmente de forma rectangular, que es cocida a altas temperaturas y est hecho de pastas arcillosas, sus dimensiones suelen ser 24 x 6 x 12 cm, es ligero pero es bueno soportando carga y presin.

(Figura 31)

2.2.7Vidrio

Es un material duro, frgil, transparente y carente de forma; podemos encontrarlo en la naturaleza pero tambin puede ser producido por el hombre, siendo este ltimo utilizado para crear botellas, ventanas, lentes, etc.

(Figura 32)

3.Metodologa

Con la investigacin y anlisis experimentales realizados en el captulo anterior se presenta a continuacin el prototipo del diseo de la chimenea solar Karpos utilizando los materiales y sistemas que se consideran los mejores para el funcionamiento y desarrollo de esta.

3.1Desarrollo del modelo

Para llevar a cabo el diseo del prototipo de la chimenea solar se analiz: los diferentes tipos de lentes fresnel, los sistemas con los que se puede auxiliar y el material a utilizar, tanto para la elaboracin como para el funcionamiento de sta.

Se utilizar un lente fresnel, colector, de accin lenta, debido a que ofrece una mayor distancia focal (2.53 veces ms) que uno de accin rpida; con las siguientes caractersticas 1: dimensiones de 280 x 280 mm, distancia focal f/450 mm*, grosor 2.3 mm y 2 anillos por milmetro.

1Tabla 1, Item #20. Anexos2Ver Tabla 2. Anexos* Se multiplica 178 x 2.53 (Tabla 1, Item #20, Focal Length. Anexos)

La chimenea se auxiliar de un sistema de pisos radiantes dentro de ella; este sistema ser alimentado por un calentador solar2, pasivo, de 10 tubos al vaco, con un contenedor de 100 litros; sobre el sistema de pisos radiantes se colocar un montculo de piedra de basalto.

Se propone construirla a base de ladrillo rojo recocido, colocar dos placas de vidrio de 6 mm, con una separacin de 1 cm, en el muro exterior para permitir la entrada de los rayos solares y crear un efecto invernadero dentro de la chimenea generando una mayor cantidad de calor y aportando beneficios al rendimiento del lente y al sistema de ventilacin en general.

La base de la chimenea ser de 1.5 x 0.8 m con una altura de 0.12 cm; un hueco en el centro del muro inclinado para el lente fresnel de 0.3 x 0.3 m, en el muro del interior tendr un hueco para la ventilacin de 0.12 m a una altura de 2.7 m o a la mxima altura de entrepiso de la habitacin en cuestin y una serie de huecos en la base del muro exterior para la entrada de aire fro desde el exterior.

(Figura 24)(Figura 25)

3.2Condiciones limitantes

Ubicacin dentro de la casa. Espacio necesario para colocar las instalaciones. Espacio necesario para la torre de la salida de aire. Las condiciones climticas para el perfecto desempeo del lente

3.3Comparacin de los diferentes tipos de chimeneas

Se muestra nuevamente la comparacin entre las chimeneas pero, en esta, se incluye la chimenea solar Karpos.LeaAltaMediaBajaMnima

Contaminacin

Suciedad

Mantenimiento

Eficiencia

Gas

Contaminacin

Suciedad

Mantenimiento

Eficiencia

Elctrica

Contaminacin

Suciedad

Mantenimiento

Eficiencia

Solar

Contaminacin

Suciedad

Mantenimiento

Eficiencia

Karpos

Contaminacin

Suciedad

Mantenimiento

Eficiencia

VentajasDesventajas

LeaProporciona una gran cantidad de calorSe necesita licencia de obra para su instalacin

Hay residuos de lea o carbn

Puede calentar una habitacin completa en un tiempo relativamente cortoEl mantenimiento es complejo

Costo de la lea

GasCasi no contaminaCosto del gas

No deja suciedad o residuo alguno

Se necesita un especialista en caso de mantenimiento o compostura

Su eficiencia es aceptable

ElctricaSon pequeasCorta esperanza de vida

Se les puede cambiar de lugar

Son las ms sencillas de instalarRequieren mantenimiento continuo

La cantidad de calor es variable

SolarNo contaminaEs de eficiencia media

No deja residuosSu principal objetivo es enfriar

Necesita poco mantenimientoSol funciona de forma pasiva

KarposNo contaminaEl costo inicial es ms elevado en comparacin a las otras chimeneas, aunque menor a largo plazo.

Se puede utilizar tanto para enfriar como para calentar el aire que circula dentro de la casa

Su eficiencia es muy altaDepende de un clima ptimo para el eficiente desempeo del lente fresnel

Los residuos despus de su utilizacin son mnimos

3.4Resultados

En base a los datos obtenidos mediante la investigacin desarrollada se determin que la chimenea solar Karpos puede ser un reemplazo adecuado para cualquiera de las chimeneas analizadas en este trabajo, ya que supera a estas en casi todos los aspectos analizados, siendo la chimenea de lea la nica equiparable en eficiencia, y a pesar de que sea necesario un cielo despejado, con presencia del sol, para que el lente fresnel funcione a su mxima capacidad, sin embargo, a pesar de que el clima influya en el desempeo del lente, este sigue funcionando y aportando energa calorfica y, dicho problema se contrarresta con la utilizacin del piso radiante dentro de la chimenea, que est alimentado por medio calentador solar.

3.5Presupuesto

Construccin de chimenea a base de ladrillo rojo con aplanado fino. Mano de obra incluida.$6,500.00

Vidrio comn, ultra claro, 6mm (m2)$350.00

Lente Fresnel de accin lenta de 28 x 28 cm de acrlico$900.00

Sistema de calefaccin por piso radiante (m2)$2,710.00

Calentador solar de 100 lts de capacidad$5,420.00

Piedras de basalto (45 piedras)$700.00

Total$16,580.00

3.6Conclusiones

Esta investigacin se realiz para lograr el diseo de una chimenea solar que implemente, para su funcionamiento, un lente de Fresnel; llegando as a las siguientes conclusiones. Una chimenea solar, por si sola, no logra servir como un reemplazo total y eficiente a las diferentes chimeneas analizadas. El diseo de la chimenea solar Karpos, al incluir un sistema de ventilacin similar al de un muro trombe, logra acelerar y mejorar el flujo del aire dentro de la habitacin y de esta manera se puede alcanzar el punto de confort ms rpido que con el resto de las chimeneas. De igual manera, al incluir dentro del diseo las cualidades del muro trombe, y mediante el muro de vidrio, logramos crear un efecto invernadero dentro de la chimenea, el cual evita que el calor, contenido dentro de esta, sea expulsado mediante el muro, hacia el exterior, y haya una prdida de energa calorfica. El utilizar piedras baslticas, para absorber la energa producida por el lente fresnel, logra que se absorba una gran cantidad de calor en un corto tiempo y que esta sea expulsada de una manera lenta, brindando calor, en su mxima absorcin, durante 6 horas, aproximadamente Al incluir un sistema de piso radiante dentro de la chimenea logramos incrementar el tiempo de expulsin de calor, aproximadamente 8 horas ms, ya que se encuentra alimentado por un calentador solar con una capacidad de 100 lts.

El calentador solar nos brinda un sistema de respaldo para la chimenea, en caso de que el clima no sea el adecuado para el mximo funcionamiento del lente fresnel; de esta manera, si nos encontramos en un poca en la que la luz solar no es la ptima para que la chimenea se desempee correctamente, el contenedor del calentador mantiene el agua caliente durante casi 24 hrs a una temperatura de entre 60C y 80C, para utilizar el sistema de piso radiante.

Gracias a lo anterior se demuestra que las hiptesis antes planteadas son, en su mayora, aceptadas, ya que la chimenea solar Karpos logra eficientar el funcionamiento y el objetivo de una chimenea comn, alcanzando el punto de confort dentro de la habitacin ms rpidamente que las dems y de una forma ms efectiva, adems no contamina; sin embargo, los residuos no son del todo nulos, ya que a pesar de que las piedras baslticas son excelentes para resistir el calor, se ven afectadas por el y presentan pequeos desprendimientos a lo largo de su vida til y, al implementar otro tipo de sistemas como el calentador solar y el piso radiante, hacen que su mantenimiento sea ms complejo al requerir piezas o mano de obra experimentada.

3.7Bibliografa

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2. Solar Thermal Collectors and Applications by Soteris A. KalogirouDepartment of Mechanical Engineering.Higher Technical Institute

3. Fresnel Lenses, High Quality Fresnel Lenses in a Variety of Sizes & Focal LengthsFresnel Technologies, Inc.

4. Alfonso, A. and Oliveira, A. 2000 Solar Chimneys: Simulation and ExperimentEnergy and Buildings 32: 71-79

5. Burek, S.A.M. and Habeb, A. 2007.Air Flow and Thermal Efficiency Characteristics in Solar Chimneys and Trombe Walls.Energy and Buildings 39: 128-135

6. Jos Luis Palacios BlancoLa casa ecolgica: como construirla

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Anexos

Tabla 1 Especificaciones de lentes fresnel

Tabla 2 Caractersticas de calentadores solares

Tabla 3. Escala de dureza de Mohs

DurezaMineralSe raya con / raya a

1TalcoSe puede rayar fcilmente con la ua

2YesoSe puede rayar con la ua con ms dificultad

3CalcitaSe puede rayar con una moneda decobre

4FluoritaSe puede rayar con un cuchillo deacero

5ApatitaSe puede rayar difcilmente con un cuchillo

6OrtoclasaSe puede rayar con una lija para el acero

7CuarzoRaya el vidrio

8TopacioRayado por herramientas de carburo dewolframio

9CorindnRayado por herramientas de carburo de silicio

10DiamanteEl material ms duro en esta escala (rayado por otro diamante).

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