Ciencias de la Ingeniería

Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)

PJ-CI-58 Calentador solar de agua con prototipo de sistema de notificación con LEGO EV3

Asesor: MARISA CALLE MONROY

Eduardo Alberto Reyes Luna [3ro Tikal]

Resumen

 El agua caliente es algo con lo que algunos hogares no cuentan, los precios de los combustibles no son muy asequibles para algunas personas por lo que no pueden hacer uso de este líquido vital a una temperatura aceptable, lo que las orilla a tener que utilizarla a temperaturas frías. En México, las temporadas invernales son singulares porque las tardes son de calor fuerte con una temperatura promedio máxima de 23 °C en el periodo que comprende de septiembre a enero (otoño e invierno) por lo que podemos aprovechar para obtener la energía calorífica del sol y mantener informadas a las personas con un prototipo de sistema de notificación con LEGO EV3. Los calentadores solares de agua son una alternativa al uso constante de calefactores de agua que consumen gas, aunque no los logran reemplazar sí ayudan a disminuir la factura de estos combustibles y a aprovechar la energía calorífica del sol. Por lo que diseñar un sistema casero para calentar agua y que integre un prototipo de sistema de notificación con LEGO EV3 ayudará a mantener una buena relación costo – beneficio en el consumo de gas y así poder apoyar la economía de las personas más vulnerables. El diseño de calentador solar nos permite digitalizar y producir un instructivo para poder reproducir el modelo, permitiéndonos difundir el material para crearlo ahorrando costos de producción y ensamblaje inicial, mientras que el prototipo notificador hecho a base de EV3 facilitará al usuario conocer los cambios de temperatura para actuar eficazmente.

 

Lonas – Calentador solar de agua con prototipo de sistema de notificación con LEGO EV3

Trabajo escrito – Calentador solar de agua con prototipo de sistema de notificación con LEGO EV3

Pregunta de Investigación

¿Cómo diseñar un calentador solar de agua casero y cómo elaborar un prototipo de sistema de notificación con LEGO EV3?

Planteamiento del Problema

El uso del agua caliente en la higiene y usos del día a día es fundamental en nuestra sociedad actual, sin esta no podríamos cumplir con nuestras labores personales y de limpieza de manera adecuada como lo son bañarse, lavar los platos, quitar grasa o suciedad muy incrustada, lavar ropa y lavarse las manos en esta época donde esta necesidad de higiene se ha vuelto en una máxima obligación.

Bañarse con agua caliente tiene muchos beneficios, entre ellos abre los poros que suelen tener grasas y suciedades después de un día con la contaminación ambiental, elimina toxinas, mata ciertos virus y bacterias, estimula los músculos, liberamos endorfinas al estar en contacto con ella, entre muchas otras cosas. En la temporada otoño – invierno que comprende de septiembre a enero el uso del agua caliente se vuelve una primera necesidad porque la región templada donde vivimos no nos permite renunciar a ella, considerando que únicamente se tiene registro de que el 43.5% de las viviendas mexicanas tiene algún tipo de calentador de agua, contabilizando únicamente los solares, eléctricos, de gas (ya sea natural o LP) y de leña.

El uso del agua fría en las tareas diarias puede ocasionar a largo plazo artritis, sin contar que también puede disminuir la fortaleza de nuestro sistema inmunológico, dejando la puerta abierta para que una enfermedad venérea entre a nuestro organismo y por ende, ser fuente de contagio de muchas más bacterias y virus porque nuestro cuerpo no está lo suficientemente fuerte para defenderse.

Antecedentes

Cómo hacer un calentador solar casero portátil con tubería de cobre.

Hacer un calentador de agua solar es un proyecto que fácilmente puedes hacer tu mismo. Este calentador de agua solar casero usando bobinas de cobre puede alcanzar temperaturas de más de 65° C. En cuanto a los materiales, se necesita un rollo de 15 metros de tubería de cobre (que es mucho más barata que los pequeños rodillos conectados entre sí), un vidrio de ventana estándar y pintura negra mate.

Cómo hacer un termotanque solar de agua casero.

Con tecnología desarrollada por el INTA (Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria de Argentina), podremos construir un calentador solar para calentar agua de forma económica y práctica. Estos diseños aseguran el agua caliente a las comunidades que cuentan con un acceso limitado a la energía, aportándoles fuentes alternativas de energía para satisfacer las necesidades domésticas.

Este modelo nos va a entregar agua a una temperatura de 45° a 50°C. Si bien no es un calentador de alta eficiencia como los industriales, tiene un costo mucho menor y podemos construirlo nosotros mismos, con materiales que conseguimos en una ferretería y con herramientas de uso corriente.

Según datos de la ONU,  una de cada cinco personas en el mundo no tiene acceso a la electricidad, y unos 3.000 millones de personas dependen de la biomasa para cocinar y calentarse. Por esto, es importante desarrollar aparatos que sean baratos y fáciles de construir, que usen materiales disponibles en la zona, como el que hoy compartimos del INTA. Un termotanque que a través de la energía solar calienta y almacena el agua todo el día.

Según datos del INTA, este calentador de agua solar puede reducir el consumo de electricidad o gas un 65 %.

Una guía para la construcción de un modelo de termotanque solar de placa plana, los principios de funcionamiento, sus componentes y el paso a paso para su construcción, así como las principales recomendaciones para su uso y mantenimiento. También podemos reemplazar o reciclar materiales adaptando esta tecnología a nuestra zona, posibilidades y entorno.

Cómo funciona un calentador solar de agua

El principio de funcionamiento del termotanque solar es el de termosifón.

  1. El agua fría ingresa desde el tanque al termotanque.
  2. El agua fría desciende por una manguera o caño hasta la parte inferior de una parrilla.
  3. El agua circula por una parrilla de caños negros que retienen la radiación solar y la calientan.
  4. Una tapa transparente ayuda a la generación de un efecto invernadero que evita la pérdida de calor.
  5. Por el mismo principio general, el agua caliente sube y sale hacia el contenedor por una manguera o caño superior.

Las partes del termotanque solar

Los elementos que necesitaremos para la construcción del calefón son:

  • Parrilla de caños.
  • Caja aislada.
  • Tanque acumulador de agua caliente.
  • Cañerías de distribución del agua.

Solo 7% de los mexicanos tiene acceso al gas natural.

La población de México vive un rezago en el acceso al gas natural en comparación con Argentina y Colombia. 

Solo 7% de los mexicanos tiene acceso al gas natural, reveló la presidente de la Asociación Mexicana de Gas Natural (AMGN), Tania Ortiz Mena, durante una conferencia de prensa.

Pese a su industria energética, México vive un rezago frente naciones como Argentina y Colombia, pues la penetración de este combustible en dichos países es superior a 30% de su población, según datos de AMGN. En Estados Unidos y países europeos, como Reino Unido e Italia, el acceso es superior a 50%.

Parte del problema ha sido la distribución a través de ductos. Aunque hubo desarrollos públicos y privados en nuestro país desde hace 20 años, no ha progresado de forma importante, reconoció Ángel Larraga, representante de las empresas distribuidoras de gas natural y presidente de Gas Natural Fenosa en conferencia de prensa.

“El rezago en la construcción de ductos hizo que hubiera solo algunas zonas de distribución concentradas, que provenían de Pemex, Comisión Federal de Electricidad (CFE) y otras entidades específicas”.

Hasta 2012, en materia de infraestructura, el gobierno y el sector privado actualmente habían construido más de 11,300 kilómetros (Km) en ductos de distribución, 9,100 del sector público y el resto privado, detalló la AMGN.

En 2016, se han sumado casi 2,100 Km. La meta es cerrar 2019 con 10,000 Km más, por lo que se han realizado licitaciones a través de la Comisión Reguladora de Energía

¿Cuál es la urgencia por construirlos? 57% de la electricidad se genera con este combustible.

Sobreoferta e inversiones

Ortiz dijo que existe una sobreoferta del combustible en el mundo. “Creemos que se va a mantener”.

La razón detrás de esta circunstancia son los excedentes de Estados Unidos en gas shale, que se traen a México, pero Ortiz Mena dijo que es necesaria mayor infraestructura para construir gasoductos.

Larraga añadió que las inversiones van hacia la distribución conocida como la “última milla” para abastecimiento final, y las compañías en México destina entre 150 y 250 millones de dólares (mdd) anuales.

Desde su creación en 1988, la AMGN ha invertido más de 10,000 mdd y está conformada por 47 grupos empresariales vinculados a la industria del gas natural.

Encuesta Nacional sobre Consumo de Energéticos en Viviendas Particulares – ENCEVI 2018. Presentación de Resultados.

 

Calentadores solares; historia de su comienzo.

Desde hace un poco más de cien años el calentador de agua solar se ha convertido en uno de los artefactos que no puede faltar en el hogar. En esta ocasión, te contamos sobre cómo fue la historia de su comienzo.

¿Qué es un calentador de agua solar?
Se trata de un dispositivo que trabaja principalmente con energía solar y que permite calentar agua. Es normalmente utilizado en hogares, pero también en otros lugares como por ejemplo, lavanderías, piscinas y hoteles.

Los inicios

El primer calentador de agua solar tiene sus inicios en el año 1909, de la mano del ingeniero William J. Bailey. Fue ideado principalmente como un artefacto con un colector solar capaz de calentar agua y que no solo funcionaba en la noche, sino también durante el día.

Esto ocurrió específicamente en Los Ángeles, Estados Unidos. Bailey se traslada hacia el Oeste para tratar su tuberculosis; pero antes se dio cuenta de que en la clínica donde se trataba, ya se experimentaba con calentadores de este tipo; en donde el mecanismo se trataba de un calentador dividido en dos partes: Un colector de luz solar y un depósito para el agua. Para ello se utilizaba un serpentín en un cajón cuya tapa era de vidrio y que permitía calentar el agua en muy poco tiempo.

Bailey hizo mejoras en el calor. Implementó un sistema de aislamiento en el depósito utilizando como material el polvo de piedra de caliza; usando un colector fabricado en cobre cuya caja era aislada con fieltro. Y en tan solo dos años, el calentador de agua se convirtió en un éxito.

Ventajas de utilizar un calentador de agua solar

Desde sus inicios, estas son las principales ventajas de este tipo de calentador:

  • Al tratarse de un calentador que se alimenta principalmente de energía solar, evitamos el consumo de gas o electricidad. Lo que permite un ahorro considerable de recursos, la disminución de costos en facturas de servicios y sobre todo, recuperar la inversión inicial en poco tiempo.
  • Son calentadores que en comparación con otros, requieren un mínimo mantenimiento, asegurándonos una vida útil bastante larga.
  • Tienen un gran aporte ecológico ya que no son contaminantes por no emitir gases como el dióxido de carbono.
  • Suelen venir en formatos fácilmente adaptables al lugar en donde se instalarán por lo que ocupan una menor cantidad de espacio.
  • Son ideales para lugares donde existen condiciones climáticas extremas como el invierno; una estación que requiere del uso frecuente de agua caliente para casi todas las actividades de la vida cotidiana.

Calentar agua es la operación que mayor cantidad de energía consume en el hogar.  Con un casi un 50% del consumo energético de la vivienda, el calentador de agua  representa más del doble que el refrigerador (22%) y más del triple que el aire  acondicionado (15%) y que la iluminación (15%). 

Factores estructurales como el elevado régimen solar de México (5.2 kW/m2/día) y  el acelerado avance tecnológico, y factores coyunturales como las tendencias del  mercado de los combustibles fósiles y del tipo de cambio, convierten al  calentamiento solar de agua en una alternativa de alto potencial para reducir  emisiones de gases de efecto invernadero. 

Los sistemas solares de agua son ideales para casas habitaciones, residencias,  hoteles, hospitales, lavanderías, gimnasios, albercas y cualquier lugar de tipo  doméstico o industrial donde se requiera calentar eficientemente el agua sin  necesidad de utilizar combustibles que afectan la capa de ozono. Los calentadores  solares constan principalmente de tres partes: a) Tubos colectores al alto vacío, que  se encargan de absorber la energía del sol y transferirla al agua. b) Termo tanque  de almacenamiento y c) Estructura que soporta los equipos.  

El funcionamiento de los calentadores solares se realiza desde el momento de su  instalación, normalmente en la azotea de la casa, o simplemente en un lugar abierto  orientado hacia el sol, de tal manera que queden expuestos a la radiación solar todo  el día. El agua circulará por todo el sistema, logrando así mediante el efecto  denominado termosifón una diferencia de temperaturas, este sistema opera por  convección natural, el agua caliente es más ligera que el agua fría y, tiende a subir. 

Un sistema típico de CSA consta básicamente de tres componentes: colector solar:  capta la energía solar y la transfiere al agua. termotanque: almacena  el agua caliente. sistema de tuberías y válvulas: “transporta” el agua entre colector,  termotanque y sistema sanitario mediante el efecto termosifón. 

Las ventajas económicas , ecológicas y de comodidad son incomparables, la  importancia de este tipo de tecnología es evidente, el ahorro o la eliminación del uso  de hidrocarburos y combustibles, tales como gas natural, carbón o leña no impide  la producción de agua caliente para aplicaciones domésticas, turísticas, de  esparcimiento e industriales; así como el consecuente impacto positivo en el medio  ambiente, en virtud de que el uso de la energía solar contribuye a prolongar el  tiempo de existencia de los recursos naturales.

Objetivo

Diseñar un sistema casero para calentar agua y que integre un prototipo de sistema de notificación con LEGO EV3. Para así poder mantener una buena relación costo – beneficio en el consumo de gas y así poder apoyar la economía de las personas más vulnerables.

Justificación

En épocas cercanas al fin del otoño e inicio del invierno, muchas personas no pueden costear los altos costos del gas en México por lo que tienen que recurrir a bañarse o utilizarla completamente helada, en México esta temporada es singular porque las tardes son de calor fuerte con una temperatura promedio máxima de 23 °C en el periodo que comprende de septiembre a enero (otoño e invierno) por lo que podemos aprovechar para obtener la energía calorífica del sol y mantener informadas a las personas con un prototipo de sistema de notificación con LEGO EV3 para informarlos cuando la temperatura disminuya, con esto podremos ayudar a disminuir el consumo de gas.

Nuestro proyecto podría ayudar a personas cuya economía se vea limitada en cuanto al consumo de gas mensual permitiéndoles tener un pequeño colchón económico y hasta apoyo en relación a la fría temperatura del agua manteniendo un ahorro en el consumo de gas.

Hipótesis

Si diseñamos un sistema casero para calentar agua con un prototipo de sistema de notificación con LEGO EV3 entonces podremos apoyar la economía de las personas más vulnerables al notificarles cuándo es necesario que activen sus sistemas de calefacción.

Método (materiales y procedimiento)

Nota:
Por motivos de la pandemia se prefirió realizar la metodología de manera virtual, es decir, en lugar de construir el prototipo se optó por producirlo en la herramienta “Tinkercad” de Adobe y “Lego Digital Designer” de The Lego Group y para la programación del sistema de notificación se empleó el programa  “Lego Mindstorms Education EV3” de The Lego Group también, permitiéndonos así optimizar la producción y obteniendo un útil instructivo que se puede difundir para que se reproduzca el diseño en muchos lugares.

Materiales
Como materiales y herramientas generales se necesitan:

  • Destornillador de cruz
  • Destornillador plano
  • Extensión de 5 metros aproximadamente
  • Tijeras
  • Paquete de cinchos
  • Pistola de silicón casera y sus barras
  • Termómetro de laboratorio
  • Segueta
  • Taladro
  • Broca escalonada de mayor a ¾ para metal

Para la construcción del prototipo de notificaciones de Lego EV3 se necesita:

  • Set Lego Education EV3 con número de serie 45544
  • Computadora con el software para programar el ladrillo  (Lego Mindstorms Education EV3)
  • Sensor de temperatura compatible con Lego EV3 / NXT

Para el sistema de tuberías se necesita:

  • 1 tubería de 4 metros con diámetro de ¾ de Polipropileno Copolímero Random (PP-R)
  • 2 codos con diámetro de ¾ de Polipropileno Copolímero Random (PP-R)
  • 8 conexiones “T” con diámetro de ¾ de Polipropileno Copolímero Random (PP-R)
  • 1 cople hembra con diámetro de ¾ de Polipropileno Copolímero Random (PP-R)
  • 1 cople macho con diámetro de ¾ de Polipropileno Copolímero Random (PP-R)
  • Termofusora para Polipropileno Copolímero Random (PP-R)
  • Cortador de tubos para Polipropileno Copolímero Random (PP-R)
  • Tina metálica de 1×0.5×0.3 metros aproximadamente
  • Silicón para plomería

Procedimiento:
Es recomendable empezar haciendo el sistema de notificación:

  1. Abrir y verificar que todos los componentes y accesorios pertenecientes al set de Lego se encuentren en buen estado.
  2. Tomar el sensor de temperatura y conectarlo al puerto 1 del ladrillo EV3.
  3. Conectar el ladrillo con el cable mini USB del set a la computadora.
  4. Ejecutar el software para programar (Lego Mindstorms Education EV3)
  5. Realizar la programación y un diagrama de flujo de esta para que el público general pueda entender nuestro programa. En el caso de los que siguen el instructivo, descargar el archivo con terminación “.ev3” y ejecutarlo con el software.
  6. Descargar la programación al ladrillo y hacer una simulación del sensor térmico con un vaso de agua. 
  7. Conectar el cargador a la batería y a la extensión.
  8. Fijar todo de manera ordenada a la placa de madera con los cinchos, y de ser necesario con un poco de silicón.
  9. Cortar una pared lateral de la caja plástica con la segueta.
  10. Fijar con silicón y cinchos la placa de madera a la caja de manera que el lado con la pared abierta quede inclinado un poco hacia abajo.
  11. Fijar la caja plástica al calentador donde no interfiera con nada, preferentemente del lado de la salida de agua.
  12. Introducir aproximadamente 10 centímetros de la punta metálica del sensor térmico en el agua.
  13. Ejecutar la programación.

Para el sistema de tuberías:

  1. Medir con el flexómetro en la cara A del ancho y trazar con el marcador un punto de la tinaja a 17 centímetros de altura y 7 centímetros de distancia del borde derecho.
  2. Hacer los mismo del lado B, a 7 centímetros de altura y a 33.5 centímetros de distancia del borde izquierdo.
  3. Tomar el taladro y colocar la punta de la broca escalonada, fijar la broca con la llave del taladro y verificar.
  4. Taladrar en las marcas hechas en la tinaja hasta que la broca indique que la apertura mide ¾
  5. Cortar el tubo de Polipropileno Copolímero Random (PP-R) 7 veces a la distancia de 20 centímetros.
  6. Volver a cortar el tubo 8 veces a 10 centímetros.
  7. Unir con la termofusora los 5 tubos de 20 centímetros en las salidas de las conexiones “T” de manera de que queden 3 tubos con conexiones “T” en ambos lados y queden otros 2 con tan solo 1 conexión.
  8. En los 2 tubos con tan solo 1 conexión “T”, agregar los codos.
  9. Interconectar las salidas de las conexiones “T” con los 8 tubos de 10 centímetros.
  10. Conectar los tubos restantes de 20 centímetros en las 2 salidas faltantes.
  11. Introducir el sistema a la caja e introducir las salidas de la tubería con los orificios hechos con la broca escalonada.
  12. Fijar con silicón para evitar el desplazamiento.
  13. Colocar con la termofusora la conexión hembra en la entrada de agua del sistema de tuberías y la conexión macho en la salida.
  14. Llenar de agua la tina hasta que se cubran las tuberías
  15. Cerrar el calentador con su tapa, y si no la tiene, con una lámina y asegurarla para evitar que se mueva.

Galería Método

Resultados

Se obtuvo un bosquejo de prototipo virtual de un calentador solar con un sistema de notificación elaborado con LEGO EV3, se emplearon diferentes herramientas tecnológicas lo que nos permite digitalizar el proceso de instrucciones y de ensamblaje al querer distribuir nuestro diseño.

El bosquejo consta de un sistema de tuberías construido de tuberías de polipropileno – random con codos, conexiones T y sus correspondientes salidas de conexión macho y hembra, una tarja de metal que contiene el sistema, el taladro, la termofusora para PPR, la broca de expansión de acero, la llave de taladro, y principalmente el sistema de LEGO EV3 que fue construido y programado de forma virtual.

Galería Resultados

Discusión

El agua caliente es algo que no todas las personas tienen sin embargo es algo que todos necesitan, por lo que se realizó un diseño virtual de un calentador solar casero con un prototipo de notificador de cambios de temperatura. Por un lado, se puede sacar provecho de la temperatura del ambiente y también podemos ayudar en el ahorro de combustible que los calentadores solares consumen en el hogar.

Conclusiones

El diseño de calentador solar nos permite digitalizar y producir un instructivo para poder reproducir el modelo, permitiéndonos difundir el material para crearlo ahorrando costos de producción y ensamblaje inicial, mientras que el prototipo de notificador hecho a base de EV3 facilitará al usuario final conocer los cambios de temperatura y así poder tomar las medidas pertinentes; además de que la instalación del diseño de tuberías y del prototipo EV3 en un sistema doméstico repercutirá positivamente en el ahorro de gas y aprovechamiento de la energía.

Bibliografía

 

Eco Inventos (2019). Cómo hacer un calentador solar casero portatíl con tubería de cobre, consultado en https://ecoinventos.com/calentador-solar-casero-portatil-tuberia-cobre/ el 27 de octubre de 2020.

Eco Inventos (2020). Cómo hacer un termotanque solar de agua casero, consultado en https://ecoinventos.com/como-hacer-un-termotanque-solar-de-agua/ el 27 de octubre de 2020.

Forbes (2016). Solo 7% de los mexicanos tiene acceso al gas natural, consultado en https://www.forbes.com.mx/solo-7-los-mexicanos-acceso-al-gas-natural/ el 27 de octubre de 2020.

ENCEVI (2018). Presentación de resultados encuesta 2018, consultado en https://www.inegi.org.mx/programas/encevi/2018/ el 27 de octubre de 2020

Delta (2019). Calentadores solares; historia de su comienzo, consultado en https://calentadoresdelta.com/calentadores-solares-historia-de-su-comienzo/#:~:text=Los%20inicios,sino%20tambi%C3%A9n%20durante%20el%20d%C3%ADa el 27 de octubre de 2020.

Summary

Hot water is something that some homes do not have, fuel prices are not very affordable for some people so they cannot use this vital liquid at an acceptable temperature, which means that they have to use it at cold temperatures. In Mexico, the winter seasons are unique because the afternoons are very hot with an average maximum temperature of 23 ° C in the period from September to January (autumn and winter), so we can take advantage of it to obtain the heat energy from the sun and keep people informed with a prototype LEGO EV3 notification system. Solar water heaters are an alternative to the constant use of water heaters that consume gas, although they cannot replace them, they help reduce the bill for these fuels and take advantage of the heat energy of the sun. So designing a home water heating system that integrates a prototype notification system with LEGO EV3 will help maintain a good cost-benefit ratio in gas consumption and thus be able to support the economy of the most vulnerable people. The solar heater design allows us to digitize and produce an instruction manual to reproduce the model, allowing us to disseminate the material to create it, saving production and initial assembly costs, while the EV3-based notifying prototype will facilitate the user to know the changes in temperature to act effectively.

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography