DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN
DE UN
ESTERILIZADOR SOLAR
POR
VÍA SECA
Arcelio Hernández-Fereira
Departamento de Física. Universidad de Cienfuegos, Cuba.
Carretera a Rodas Km 4, Cuatro Caminos, Cienfuegos. CP 53400. Tel. (53)
(43)500170 e-mail: archdez@ucf.edu.cu
R
esumen
La esterilización es imprescindible en diversos sectores, requieren alto consumo de energía eléctri-
ca. Se busca una alternativa para la esterilización con energía solar. Se diseñó, construyó y evaluó
un esterilizador solar por vía seca de 4276 cm
3
de capacidad, para consultorios médicos rurales sin
suministro de energía eléctrica, puestos sanitarios militares en condiciones de campaña y estaciones
experimentales de microbiología como las de reproducción de entomófagos. La evaluación incluyó
la determinación de la eficiencia energética del esterilizador, evaluación económica y de seguridad
biológica. Se alcanza la temperatura de esterilización para niveles de la radiación solar directa su-
periores a 300 W/m
2
, lo cual se consigue en el intervalo de 8:30 a 14:30 horas en cualquier época
del año, el tiempo en alcanzar la temperatura de esterilización es de 14 minutos, que corresponde
a velocidad media de calentamiento de 13 ºC/minuto, considerablemente superior a la de un horno
eléctrico. Su eficiencia energética con intensidad de radiación solar directa de 310, 5 W/m
2
resultó
ser 53,79 %. Las pruebas de seguridad microbiológica resultaron satisfactorias al eliminar cepas de
bacterias muy resistentes. El equipo es de fácil construcción, su operación es muy sencilla y de muy
bajo costo.
palabras claves: Esterilizador solar por vía seca, diseño, construcción, evaluación.
A
bstract
Sterilization is essential in various sectors require high electric power consumption. It seeks an al-
ternative for sterilization with solar energy. It was designed, built and tested a solar Sterilizer by dry
via of 4276 cm
3
capacity for rural medical offices without electricity supply power, military sanitary
posts in campaign conditions and microbiology experimental stations like entomophagous playback.
The assessment included determining the energy efficiency of the sterilizer, economic evaluation and
biosafety. It is reached the sterilization temperature for levels of direct solar radiation higher to 300
W/m
2
, which is achieved in the range of 8:30 to 14:30 hours at any season of year, the time to reach
the sterilization temperature is 14 minutes, which corresponds to average speed of heating of 13
0
C/
minute, significantly superior than of an electric oven. Energy efficiency with direct solar radiation
intensity of 310, 5 W/m
2
resulted to be 53.79%. The microbiological security tests were satisfactory
by eliminating highly resistant strains of bacteria. The equipment is easy to build, its operation is
very simple and very low cost.
Keywords: Solar Sterilizer by dry process, design, construction, evaluation.
INTRODUCCIÓN
El uso de la energía solar está amplia-
mente difundido en el mundo como una
necesidad para incrementar el ahorro de
las fuentes convencionales de energía y
la preservación del medio ambiente. A
esta necesidad no escapan los países en
vías de desarrollo que necesitan dismi-
nuir los consumos de energía eléctrica.
La esterilización es una actividad de
vital importancia en muchos sectores y
específicamente en el de la salud, pero
altamente consumidora de energía eléc-
trica. Por tal motivo, se presenta como
una alternativa el uso de la energía solar
para tales efectos. A partir del diseño y
confección de un concentrador cónico,
y teniendo en cuenta las características
fundamentales de la esterilización, se
plantea dar solución a los problemas
que se presentan con los esterilizadores
convencionales. El equipo propuesto fue
validado por el Centro Provincial de Hi-
giene y Epidemiología de Cienfuegos,
con lo que quedó demostrada la factibi-
lidad de su uso en un consultorio del mé-
dico de familia. Se realizó una detallada
evaluación desde el punto de vista eco-
nómico y energético, y en ambos casos
la variante propuesta resulta altamente
ventajosa y muy competitiva con la va-
riante convencional.
CARACTERÍSTICAS
SOLARIMÉ-
TRICAS
En Cuba la radiación directa sobre un
plano horizontal tiene un valor medio
anual de 18,16 MJ/m
2
al día, es decir, un
67 % del valor total; y tiene su máximo
valor en abril y el mínimo en enero. La
radiación directa alcanza en el mes de
abril el valor de 22,79 MJ/m
2
al día y en
enero 13,54 MJ/m
2
al día.
Como se puede apreciar existen niveles
de radiación directa que descartan la no
factibilidad del empleo de concentra-
dores solares: incluso en el mes de enero, a partir de las
8:00 a.m. se registran niveles de radiación por encima
de los 400 W/m
2
, a las 9:00 a.m. este valor supera los
500 W/m
2
y se mantiene por encima del mismo hasta
las 2:00 p.m.
Al realizarse la evaluación del equipo se alcanzaron re-
gímenes de trabajo como los mencionados, aun en días
donde la radiación directa tenía valores de 500 W/m
2
y el
recipiente absorbedor alcanza temperaturas superiores a
180°C; valor que se exige en la variante seca, por lo que
siempre es posible disponer de al menos dos horas en
estas condiciones.
Todo esto posibilita que el equipo pueda explotarse du-
rante varias horas del día; como la esterilización no re-
quiere de tiempos superiores a las dos horas de trabajo,
esta actividad podrá realizarse repetidas veces en caso de
que los volúmenes a esterilizar así lo requieran. Como
una característica propia de los concentradores existe la
tendencia a mantener estable la temperatura de trabajo en
condiciones de intermitencia solar breve, situación que
se presenta con frecuencia en nuestro territorio.
DESCRIPCIÓN DE
LA
INSTALACIÓN Y
PRINCI-
PIO DE FUNCIONAMIENTO
Como uno de los propósitos era que la instalación fue-
ra de fácil construcción se eligió un concentrador solar
cónico. Esta geometría es mucho menos compleja que
cualquier otra, como por ejemplo, la de un concentrador
parabólico. Los parámetros geométricos necesarios para
un cono particular (radios superior e inferior y el semi án-
gulo de apertura) se obtienen de relaciones matemáticas
sencillas, y luego su confección tampoco es complicada
y puede ser ejecutada por personal de calificación media.
Se utilizó un concentrador cónico construido de chapa de
acero recubierto con zinc mediante el procedimiento de
galvanizado.
La superficie interior fue recubierta con papel de alumi-
nio reflectante del utilizado en la impermeabilización de
techos. La base soporte fue construida de tubos, planchas
y barras corrugadas que permiten su orientación de norte
a sur, el seguimiento de este a oeste y la declinación y
además permitía su fijación en cualquier posición (Ver
figura 1).
Fereira.
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Número 11 Vol. 1 (2014)
ISSN 2477-9105
Figura 1. Esquema del esterilizador solar.
El proceso de esterilización del material se lleva a cabo
en el interior de un recipiente de 1276 cm
3
de capacidad,
de forma cilíndrica (diámetro 16,5 cm y altura 20 cm)
con tapa, que se coloca con su eje coincidiendo con el eje
del cono (línea focal del concentrador). Este recipiente
fue construido con una lámina de cobre de 1 mm de espe-
sor y sometido a un proceso de niquelado electroquímico
interior y exterior. La parte exterior fue recubierta con
pintura selectiva negra para que aumente su eficiencia en
el proceso de captación y conversión de la energía so-
lar en térmica, y que al mismo tiempo disminuyan las
pérdidas por radiación que necesariamente aparecen con
el calentamiento del recipiente colector (o absorbedor).
Para atenuar las pérdidas que se producen al entrar en
contacto la vasija absorbedora con corrientes de aire, se
le colocó una cubierta de acrílico transparente al cono.
Dicha cubierta limita el movimiento de capas de aire y
refleja parcialmente la radiación térmica emitida por el
absorbedor. Esto contribuye a un trabajo más estable del
equipo frente a corrientes de aire, y en menor medida a
preservar las temperaturas para pequeñas variaciones del
nivel de radiación solar incidente.
Si hubiéramos utilizado un único concentrador cónico,
la radiación incidente sobre la porción superior de la su-
perficie lateral interior del mismo llegaría a las paredes
dor. Con el objetivo de usar también esta
radiación, se concibió el uso de varios
concentradores cónicos de dimensiones
en sus radios y ángulos de apertura tales
que permitieran dirigir la misma hacia
el recipiente absorbedor incluyendo su
fondo, y aprovecharla en calentamien-
to útil. Esto aumenta los parámetros de
trabajo del equipo para iguales niveles
de radiación comparados con la primera
versión, e incluso consigue iguales valo-
res de temperaturas con niveles inferiores
de radiación.
De esta forma, haciendo uso de las leyes
de la reflexión se encontraron los semi
ángulos de apertura de otros dos conos
y se calcularon las dimensiones para su
construcción (Fig. 2). Estos permitieron
incrementar en más de dos veces el área
de captación de la radiación solar que se
proyecta sobre el absorbedor que sería
de 2480 cm
2
de usarse un único cono y
5040 cm
2
con los dos conos suplemen-
tarios.
Figura 2. Comparación del uso de un solo cono con
450º de apertura o un sistema de varios conos.
El principio de funcionamiento y la ope-
ración del equipo son simples. El mate-
rial a esterilizar se coloca en el interior
del recipiente absorbedor y se cierra con
la tapa que tiene el termómetro para la
medición de la temperatura. El recipien-
te se fija en su base y se cubre con la
tapa de acrílico. A continuación el cono
se orienta con su eje paralelo a los rayos
del concentrador. Debido al movimiento
del sol el equipo requiere un ajuste en
su orientación cada 15 minutos aproxi-
madamente. Como se aprecia para esta
actividad no se requiere de personal es-
pecializado.
Para la evaluación del trabajo del equipo
fue preciso calcular la componente di-
recta de la radiación que incide sobre el
concentrador, midiendo la radiación to-
tal y la radiación difusa incidentes sobre
un plano horizontal, lo cual se hizo con
ayuda de un piranómetro y un voltímetro
M 2.017 clase 0.2 en escala de 0,15 V y
150 divisiones. La temperatura ambiente
se midió con un termómetro de mercurio
de vidrio de escala 0-100° C y precisión de
1ºC, mientras que la temperatura del in-
terior del recipiente absorbedor se midió
con un termopar Ni-Cr-Ni y un mili-vol-
tímetro HDC-2 clase 0.5 con compensa-
ción interna para el extremo frío de los
termopares en las escalas de 0-500 con
precisión de 5 °C y de 0-12 mV con pre-
cisión de 0,2 mV. Como regla general
las mediciones se llevaron a cabo cada
15 minutos durante las pruebas de ope-
ración y cada 1 minuto cuando se esta-
blecían los regímenes de operación del
equipo.
Para la evaluación de la eficiencia del
esterilizador se siguió un método con-
vencional mediante el cual se encontra-
ba la razón entre la energía útil obteni-
da y la energía solar que incidía sobre
el concentrador. La energía útil, en este
caso en forma de calor cedido a una
cantidad de agua de masa conocida en
el recipiente absorbedor, se determinó
mediante el cambio de su temperatura
luego de que el dispositivo fue orientado
debidamente y se midió el tiempo que
recibió una cierta intensidad de energía
solar. La expresión empleada fue:
RESULTADOS
Y DISCUSIÓN
El equipo alcanzó temperaturas máximas de hasta 220°C
con una intensidad de radiación total de 846,7 W/m
2
.
La velocidad de calentamiento, que determina el tiempo
que tarda el equipo en alcanzar el régimen de trabajo (T
> 180°C), es alta y depende de los niveles de la compo-
nente directa de la radiación solar incidente.
Según los datos técnicos del equipo con que se hizo la
comparación (esterilizador de mesa modelo ASH, su
temperatura aumenta en 5° por minuto, por lo que para
estabilizar su trabajo requiere de un tiempo de 30 a 60
minutos. Por el contrario el esterilizador solar alcanza su
temperatura de trabajo en sólo 14 minutos. Este aumento
acelerado de la temperatura no afecta en nada al equipo
ni la efectividad del proceso de esterilización.
En la figura 3 se muestran las gráficas de temperaturas en
el interior del esterilizador como función del tiempo para
diferentes niveles de la componente directa de la radia-
ción solar (Id), éstas revelan que la misma tiende a esta-
bilizarse a un valor de equilibrio que es función del nivel
de la radiación directa. En estas circunstancias se alcanza
un equilibrio entre la energía absorbida y las pérdidas por
radiación y convección fundamentalmente.
Figura 3. Gráficas de la temperatura del esterilizador en función del tiempo.
Se intentó realizar la modelación matemática de este pro-
ceso a partir de los resultados de las mediciones y el es-
tudio de las gráficas mediante la aplicación del análisis
estadístico. Las variaciones de los datos obtenidos solo
nos permitieron obtener una relación aproximada para la
laterales del absorbedor normalmente, debido a su semi solares, esto se consigue por la coinci-
h
Calor útil extraido
m Cp
∆
t
1
temperatura del esterilizador. En la figura 4 se muestran
ángulo de 45° y la radiación que incide sobre el resto del
concentrador se proyectará sin utilidad sobre el tubo fija-
dencia de la proyección de la sombra del
fondo del recipiente con la base inferior
Energía solar recibida isolar Area concentrador tiempo
las gráficas de la diferencia de la temperatura que alcanza
el esterilizador en su interior menos la temperatura am-
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2
2
est
T
T
C
t
t
-
t
-
t
2
2
biente (Test – Tamb) contra el tiempo de exposición del
concentrador a la radiación solar directa.
Figura 4. Gráficas de Test-Tamb contra tiempo para dos niveles de radiación
directa.
Estas gráficas fueron obtenidas para dos niveles diferen-
tes de la radiación directa. De esta manera las gráficas
parten del origen del sistema de coordenadas, van incre-
mentando rápidamente el valor de la temperatura hasta
alcanzar un valor de equilibrio. Para describir esta forma
de las curvas se propuso una función del tipo:
Con los datos experimentales se realizó
el procesamiento de esta relación con el
propósito de encontrar la constante C .
Las gráficas correspondientes aparecen
en las figura 5.
Figura 5. Gráficas mostrando la relación (3) para dos
niveles de la radiación directa.
razón de transferencia de calor, etc.
Aunque se obtuvieron los parámetros
de esterilización (temperatura y tiempo
de permanencia a dicha temperatura)
que garantizan la misma, se efectuaron
pruebas microbiológicas relativas a la
bioseguridad del esterilizador solar y a
tal efecto se suscribió un protocolo de
investigación con el Centro de Higiene
y Epidemiología. Como resultado del
mismo se concluye que el equipo resulta
efectivo para la esterilización por calor
seco ya que elimina tanto la flora am-
biental como la contaminada.
EVALUACIÓN ECONÓMICA Y
REPERCUSIÓN P R O V I N C I A L
Después de determinados los costos de
fabricación y de montaje se obtuvo que:
Costo de fabricación: $ 64,07
Costo de montaje: $ 4,71
Costo total - $ 68,78 (todo en CUP, mo-
neda nacional).
La depreciación del equipo es de 3.43 %
teniendo en cuenta su valor y los 20 años
En las zonas más alejadas en la actualidad los médicos
de familia dejan de prestar servicios en algunas jornadas
para trasladarse a policlínicos u otras áreas, con el fin de
esterilizar el instrumental de trabajo que acumulan hasta
el día señalado. Con la variante propuesta estas dificulta-
des podrían solucionarse.
Los equipos de esterilización existentes presentan ade-
más la desventaja de que consumen 7 kW-h cada uno, es
un consumo elevado si se tienen en cuenta las dificulta-
des energéticas que enfrentan en la actualidad los países
no productores de petróleo y el número de estos equipos
que se necesitan.
Atendiendo a todos estos aspectos es posible la introduc-
ción de los equipos de esterilización solar por los equipos
no existentes, lo que significaría un ahorro de $ 214.400
U.S.D. solo por concepto de inversión inicial y de cerca
de 150.000 kW al año sin tener en cuenta los gastos por
reparaciones y mantenimientos, solo en la provincia de
Cienfuegos.
CONCLUSIONES
El equipo desarrollado alcanza la temperatura de esterili-
zación para niveles de la componente directa superiores
t
=
t
+
(t
-
t
-C t
)·(1 -e
2
)
Como se puede observar, los valores de
de vida útil para los cuales fue diseñado. a 300 W/m
2
, que se alcanza por regla general en el inter-
est amb eq amb
la constante C están relacionados con el
valo de 8:30 a.m. a 2:30 p.m. en cualquier época del año.
Donde: T
dor solar.
es la temperatura alcanzada por el esteriliza-
nivel de la radiación directa, aunque no
fue posible determinar la misma porque
dicha relación no era simple y podía in-
volucrar otros factores.
Los equipos de esterilización utilizados
hasta el momento en nuestro país son de
importación y su coste de adquisición es
de aproximadamente $ 800 U.S.D. en el
El tiempo hasta alcanzar la temperatura para la esteriliza-
ción en vacío para las peores condiciones de insolación
es de 14 minutos, lo cual se corresponde con una veloci-
amb
eq
es la temperatura ambiente.
es la temperatura a la cual tiende a estabilizarse el
La eficiencia global del esterilizador
mercado mundial. Cuando son ensam-
blados en nuestro país la provincia tiene
dad media de calentamiento de 13°C/minutos, considera-
blemente superior a la de un horno eléctrico.
trabajo del equipo.
solar determinada por los métodos con-
que invertir $ 1.200 (moneda nacional),
constante que depende del nivel de la radiación di-
recta.
La relación (2) puede ser transformada en una relación
lineal entre el tiempo transcurrido y el logaritmo natural
de un término que depende de las temperaturas:
vencionales para una intensidad de la
radiación directa de 310,5 W/m
2
resultó
ser del 53,79 %. Esto permite disponer
de un criterio preliminar para realizar
cálculos en futuros desarrollos. Esta
eficiencia se puede elevar con mejoras
al dispositivo tales como el uso de cu-
bierta reflectante de mayor coeficiente
pero sus componentes son adquiridos en
divisas; en ambos casos las reparaciones
se realizan por personal calificado y pie-
zas en su mayoría de importación o de
costosa fabricación.
En nuestra provincia funcionan 509
consultorios de médico de familia, pero
La seguridad biológica del esterilizador quedó demostra-
da en las evaluaciones microbiológicas que se efectuaron
en coordinación con el Centro Provincial de Higiene y
Epidemiología conforme al protocolo suscrito.
La comparación teniendo en cuenta costo de adquisición,
energía consumida para su funcionamiento, tiempo de
vida útil, tiempo de amortización de la inversión, nece-
in
[
1 -
(
est
eq
amb
amb
= - C t
de reflexión, uso de superficie selectiva
en la superficie del recipiente absorbe-
dor, mejorar el material transparente de
la cubierta insertando dispositivos tales
como aletas a las paredes interiores del
recipiente absorbedor para aumentar la
solamente 241 tienen este equipo im-
prescindible para su trabajo y de estos
alrededor de 12 están rotos y no han po-
dido ser reparados por falta de compo-
nentes.
sidad de piezas de repuesto, complejidad en el manteni-
miento y posibilidad de uso en las más difíciles condicio-
nes de campaña, hacen que la alternativa propuesta sea
altamente competitiva frente a la convencional.
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ISSN 2477-9105
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AGRADECIMIENTOS
Nuestros más sinceros agradecimientos al Lic. Orlando Rodríguez del Rey del Centro de Higiene y
Epidemiología Provincial por la ayuda prestada en la validación biológica del equipo.
Guillén, López , Mariño, Pérez, Toro.
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