Summer 2011 Stove Water Heater - Verano 2011 Agua Caliente de Estufa
Henry Pérez, Miguel Pérez, Jerson Roman Velásquez, Rory Aronson, Philip Chehade


Problem - Problema
While it is arguable whether one needs hot water for showering or other means, people indisputably utilize energy intensive measures to heat water, or wish they had a feasible way of doing so. In Guatemala, due to a lack of financial capital to purchase natural gas water heaters, many families either use electric water heaters, or do not have hot water at all. Not only do the electric water heaters function poorly, but they also use 4500 watts, which is a significant amount of energy. A solution that curtails the economic cost and the environmental impact of obtaining hot water will provide Guatemalans with a higher quality of life.

Si bien es discutible si se necesita agua caliente para la ducha o por otros medios, la gente indiscutiblemente utilizar medidas de uso intensivo de energía para calentar el agua, o les gustaría tener una forma viable de hacerlo. En Guatemala, debido a la falta de capital financiero para la compra naturales calentadores de agua, muchas familias ni utilizar los calentadores eléctricos de agua, o no tienen agua caliente en todo. No sólo los calentadores de agua eléctricos funcionan mal, pero también utilizan 4500 vatios, que es una cantidad significativa de energía. Una solución que reduce el coste económico y el impacto ambiental de la obtención de agua caliente se ofrecen a los guatemaltecos con una mejor calidad de vida.

Approach - Método
Before designing the system, it was decided that an inexpensive, easy to construct water heater was vital to a successful project. Furthermore, the materials used in the system needed to be obtainable anywhere in Guatemala. After creating these parameters, sustainable energy sources were analyzed to find which would be the most consistent, effective, and reliable.

Antes de diseñar el sistema, se decidió que un barato, fácil de construir calentador de agua es vital para el éxito del proyecto. Ademas, los materiales utilizados en el sistema necesario para poder obtener en cualquier lugar de Guatemala. Después de la creación de estos parámetros, fuentes de energía sostenible se analzyed para encontrar lo que sería la más coherente, eficaz y fiable.

It was found that in every home in San Pablo, a wood burning stove with a chimney output through the roof is used consistently throughout the day. In some cases, more wood is burned in the stove to heat water for showering or other purposes. The heat produced by the stoves is substantial. Table 1 displays temperatures recorded surrounding the chimney pipe:

Se encontró que en todos los hogares de San Pablo, una estufa de leña con una chimenea de salida a través del techo se usan de manera habitual durante todo el día. En algunos casos, más madera se quema en el horno para calentar el agua para regar o para otros fines. El calor producido por las estufas es sustancial. A continuación se presenta un gráfico que muestra temperatrures registró alrededor del ducto de la chimenea:

Table 1 - Mesa 1
Chimney Temperatures (Celsius)Temperaturas Chiminea (Celsius)
Base (External)Base(Externa)
198
1m From Base (External)1m de Base (Externa)

154
2m From Base (External)2m de Base (Externa)

134
3m From Base (External)3m de Base (Externa)

63
3m From Base (Internal)3m de Base (Interior)

165
Given this data, it is clear that the exhaust from a wood burning stove creates enough energy to heat water. Table 2 displays the energy needs of a water heating system in San Pablo:

Teniendo en cuenta estos datos, está claro que el escape de una estufa de leña genera suficiente energía para calentar el agua. La siguiente tabla muestra las necesidades de energía de un sistema de calentamiento de agua en San Pablo:

Table 2 - Mesa 2

Water Requirements

Requerimientos de agua

Mass of Water (kg)
Masa de agua (kg)
45
Specific Heat of Water (kJ/kg*C)
Calor específico del agua (kJ/kg*C)
4.19
Change in Temp (*C)
Cambio de Temperatura (*C)
20
Q=mc(dT) (kJ)
3771
Energy (kWh)
Energia (kVh)
1.0
Time (h)
Tiempo (h)
2
Power Required (W)
Poder necesaria (V)
524

After affirming that the stove would be the means to heat water, potential materials were compared to find the most viable option. Parameters were created that fulfill the requirements of appropriate technology development. Table 3 is a decision matrix summarizing the thought process:

Después de afirmar que la estufa sería el medio para calentar el agua, los materiales potenciales se comparan para encontrar la opción más viable. Parámetros que se han creado fufill las necesidades de desarrollo de tecnología apropiada. La siguiente es una matriz de decisión que resume el proceso de pensamiento:

Table 3 - Mesa 3
Stove Heater Material Decision Matrix
Matriz de decisiones de materiales
WeightPesa
Type L Copper (3/8”)Cobre de Tipo L (1cm)
Threaded Steel (1”)Acero con roscas (2.5cm)
Steel Conduit (1”)Acero Conducto (2.5cm)
cost Costo
2.5
5
6
5
durability Durabilidad
2
6
9
7
constructability Constructibilidad
2
5
9
3
thermal conductivity Conductividad termica
1.5
10
7
7
freeze tolerance tolerencia de congelacion
1
2
2
2
max temp temperatura maxima
1
9
10
10
Total

61
74
55

Given the results of the matrix, threaded steel was chosen as the best material. Its high rate of use throughout the village for plumbing purposes affirms the material's accessibility, and the feasibility of installation within the village.

Teniendo en cuenta los resultados de la matriz, de acero roscado fue elegido como el mejor material. Su alta tasa de uso en todo el pueblo para fines de plomería afirma accesability del material, y la viabilidad de la instalación en el pueblo.

The first prototype constructed utilized copper due to its high thermal conductivity. However, during the assembly process, the copper tubing proved to be difficult to bend into the desired shape. When inserted into the chimney, the tube kinked in several locations. The inability to easily construct the copper, and the rapidity at which it broke gave copper lower durability and constructability scores.

El primer prototipo construido de cobre utilizados debido a su alta conductividad térmica. Sin embargo, durante el proceso de montaje, la tubería de cobre resultó ser dificil de doblar en la forma deseada. Cuando se inserta en la chimenea, el tubo doblado en varias localidades. La incapacidad para construir fácilmente el cobre, y la rapidez con que se rompió dio cobre menor duración y las puntuaciones de constructibilidad.

While threaded steel scored lower than copper in thermal conductivity in the decision matrix, table 4 calculations show that steel provides enough conduction power for the application:

Mientras que el acero roscado obtuvieron calificaciones más bajas que el cobre de la conductividad térmica en la matriz de decisión, los siguientes cálculos muestran que el acero proporciona la energía suficiente para la conducción de la aplicación:

Table 4 - Mesa 4
Conduction vs. Convection
Conducción vs convección
Type L Copper (3/8”)Cobre de Tipo L (1cm)
Threaded Steel (1”)Acero con roscas (2.5cm)
Surface Area per Meter of Tube (m^2/m)
Superficie por metro de tubo (m^2/m)
0.03
0.08
Tube System Length (m)
Longitud del tubo del sistema (m)
3
3
Total Surface Area (m^2)
Superficie total (m^2)
0.09
0.24
Wall Thickness (m)
Espesor de la pared (m)
0.00089
0.00277
dT (*C)
125
125
K = thermal conductivity (W/m*C)
K = conductividad termica (V/m*C)
400
50
Conduction Power P=Ak(dT)/L (W)
Poder de cunduccion P=Ak(dT)/L (V)
5061867
541908
Heat Transfer Coefficient of Air (W/m^2*C)
Coeficiente de transferencia de calor de aire (V/m^2*C)
50
50
Convection Power P = hA(dT) (W)
Poder de conveccion P = hA(dT) (V)
563
1500

It was found that the bottleneck of heat transfer was in the convection of the hot smoke onto the pipe surface rather than the conduction through the pipe wall. Thus, the greater surface area of the steel pipe has a larger potential to capture heat from hot smoke.

Se encontró que el cuello de botella de la transferencia de calor en la convección del humo caliente en la superficie del tubo en lugar de la conducción a través de la pared del tubo. Por lo tanto, la mayor superficie de la tubería de acero tiene un mayor potencial para capturar el calor del humo caliente.

Design - Diseño

Prototype 1 - Prototipo 1


A soft copper 3/8" tube was bent into a serpentine shape for the first prototype. The serpentine was lowered into the chimney, and 1 liter of water was siphoned through the copper. There was a four degree Celsius increase in temperature recorded, in a time frame of ten seconds. Although the system was difficult to construct, it was affirmed that the energy output of the chimney is sufficient to power a water heating mechanism.
Una de cobre suave 3 / 8 "tubo estaba doblado en una forma serpintine para el primer prototipo. El serpintine fue bajado a la chimenea, y 1 litro de agua se desvía a través del cobre. Había un grado de cuatro grados centígrados aumento de la temperatura registrada en un plazo de diez segundos. Aunque el sistema fue difícil de construir, se afirmó que la producción de energía de la chimenea es suficiente para alimentar un mecanismo de calentamiento de agua.
Prototype_1.JPG
Figure 1 - Figura 1

Prototype 2 - Prototipo 2


The first system prototype included a water tank, a steel tubing heat exchanger, PVC couplings, and garden hoses as connections. Because holes could not be drilled into the side of the tank, the garden hoses were routed over the lip of the tank, and dropped into the water. A high point was created in the thermosiphon, where hot water collected. This significantly reduced flow and as a result, water boiled in the heat exchanger. Water vapor also collected in the high point, further reducing flow until the siphon stopped completely. Figures 2 and 3 below illustrate this problem.

El prototipo del primer sistema incluye un tanque de agua, un intercambiador de calor de tubos de acero, empalmes y mangueras de jardín como las conexiones. Porque los agujeros no podía ser perforado en el lado del tanque, las mangueras de jardín se enrutan a través de la boca del tanque, y se dejó caer en el agua. Un punto culminante fue creado en el termosifón, donde el agua caliente recogidos. Esto redujo considerablemente el flujo y como resultado, el agua hierve en el intercambiador de calor. El vapor de agua también se recoge en el punto más alto, reduciendo aún más el flujo hasta que el sifón se detuvo completamente. El siguiente diagrama y foto ilustra este problema.
Thermosiphon_High_Point.jpg
Figure 2 -Figura 3
Prototype_2_Tank.JPG
Figure 3 - Figura 3
Several more characteristics of the system, other than the inability to pass the tubes through the tank wall, contributed to this issue. Unnecessary isolation valves, turns in the tubing, small inner diameters, and a small inclination from the chimney to the tank inhibited flow.

De características más del sistema, que no sea la incapacidad de pasar los tubos a través de la pared del tanque, contribuyeron a este tema. Válvulas de aislamiento uneccesary, se convierte en el tubo, los pequeños diámetros internos, y una pequeña inclinacion de la chimenea en el tanque inhibe el flujo.

Furthermore, the lack of heat resistant materials became an issue when the thermosiphon reversed unexpectedly. The system was constructed with a cold input built with low temperature resistant material, which failed under the high temperatures of the reversed siphon. A data logger recorded temperature for 19 hours. The reverse of the siphon can be viewed in Figure 4 below at 10:00AM when the Cold In temperature exceeds the Hot Out.

Además, la falta de materiales resistentes al calor se convirtió en un problema cuando el termosifón invertido de forma inesperada. El sistema fue construido con una entrada fría construido con material resistente a la temperatura baja, que no bajo las altas temperaturas del sifón invertido. Un registrador de datos de temperatura registrada durante 19 horas. El revés del sifón se pueden ver en el gráfico siguiente, a las 10:00 am, cuando el frío en la temperatura excede el calor afuera.
Stove_Water_Heater_Prototype_2.jpg
Figure 4 - Figura 4
Prototype_2_Problems_2.jpg
Figure 5: Problems of prototype 2
Figura 5: Los problemas de prototipo 2.

Thus, given these problems, it was clear that a new improved system needed to be developed.

Por lo tanto, teniendo en cuenta estos problemas, estaba claro que un sistema nuevo y mejorado necesario desarrollar.

Prototype 3 - Prototipo 3


Figure 6 illustrates the total system plan that was developed in response to the shortcomings of prototypes 1 and 2. It consists of three main components: a heat exchanger located inside the chimney (1), a tank positioned higher in altitude than the heat exchanger (2), and clean lines of tubing connecting the two together (3).

A continuación se muestra el plan total del sistema que fue desarrollado en respuesta a las deficiencias de los prototipos 1 y 2. Se compone de tres componentes principales: un intercambiador de calor situado dentro de la chimenea (1), un tanque situado más alto en la altura que el intercambiador de calor (2), y las líneas limpias de la tubería que conecta los dos juntos (3).
System_Plan_small.jpg
Figure 6 - Figura 6

Steel Tubing Heat Exchanger - Intercambiador de calor de tubos aceros

Heat_Exchanger.JPG
Figure 7 -Figura 7

The heat exchanger from prototype two was reused in the third prototype. No problems were associated with this component of the system.

El intercambiador de calor de dos prototipos fue reutilizado en el tercer prototipo. No hay problemas se asociaron con este componente del sistema.

Water Tank - Tanque de Agua

prototype_3_Tank.JPG
Figure 8 - Figura 8

A new tank that can be drilled into was purchased. PVC couplings with gaskets were placed on the tank, so that the water can pass through the wall of the tank. This feature eliminates the issue of a high point in the thermosiphon. The tank was also placed at a higher level, so that a greater inclination was achieved.

Un nuevo tanque que puede ser perforada fue comprado. Acoplamientos de PVC con juntas fueron colocados en el tanque, por lo que el agua pueda pasar a través de la pared del tanque. Esta característica elimina la emisión de un punto alto en el termosifón. El tanque fue colocado en un nivel superior, de modo que un mayor inclinacion se logró.

Connecting Tubes - Conexion de los tubos

Radiator tubing was utilized to connect the heat exchanger to the tank for its heat resistance, insulative properties, and durability. When placed under high temperatures, the tubing did not warp.

Tubo del radiador se utiliza para conectar el intercambiador de calor para el tanque de su resistencia al calor, propiedades aislantes, y durabilidad. Cuando se coloca bajo las altas temperaturas, la tubería no se deforme.

Results - Resultos
The figure 9 data sets were recorded using thermocouples. Temperature was recorded every five minutes of the upper water level of the tank, surface temperature of the cold entry on the heat exchanger, surface temperature of the hot exit of the heat exchanger, and ambient temperature. Note that no hot water was used, and no cold water was added during the recording session.

Los siguientes conjuntos de datos se realizó utilizando termopares. Temperatura se registró cada cinco minutos el nivel de agua superior del depósito, temperatura de la superficie de la entrada fría en el intercambiador de calor, temperatura de la superficie de la salida de calor del intercambiador de calor, y la temperatura ambiente. Tenga en cuenta que no hay agua caliente se usa, y no había agua fría se añadió durante la sesión de grabación.
2_Days_of_Stove_Heater_Data.jpg
Figure 9 - Figura 9
From this data, it was gathered:

  • The stove is on 75% of the time
  • The ambient temperature is relatively constant through the day and night, with an average of 12.8C.
  • The highest water temperature recorded in the tank was 58C, the low was 23.5C, and the average over two days was 40C.
  • The highest surface temperature of the hot exit of the heat exchanger was 86.5C, and the average was 48.8C.
  • The average surface temperature of the cold entry of the heat exchanger was 24C.
  • The average difference in temperature between the cold entry and the hot exit is 24.8C

De estos datos, se reunieron:

  • La estufa está encendido 75% del tiempo
  • La temperatura ambiente es relativamente constante durante todo el día y la noche, con un promedio de 12.8C.
  • La temperatura del agua más alta registrada en el tanque fue 58C, la baja fue 23.5C, y el promedio de los dos días fue de 40 grados.
  • La mayor temperatura superficial de la salida de calor del intercambiador de calor se 86.5C, y el promedio fue de 48.8C.
  • La temperatura media en la superficie de la entrada fría del intercambiador de calor se 24C.
  • La diferencia media de temperatura entre la entrada y la salida de frío es caliente 24.8C

After seeing the above data, it was desired to determine the response of the tank to the performance of the heat exchanger. Figure 10 illustrates the speed at which the heat exchanger begins to function and cool down, and the response of the water temperature of the tank to this performance.

Después de ver los datos anteriores, se desea determinar la respuesta de la cisterna para el funcionamiento del intercambiador de calor. El siguiente gráfico muestra la velocidad a la que el intercambiador de calor comienza a funcionar y se enfríe, y la respuesta de la temperatura del agua del tanque para esta actuación.
Tank_Temperature_Response_to_Heat_Exchanger_Performance.jpg
Figure 10 - Figura 10
It was affirmed:

  • The heat exchanger begins and ceases to function in a time frame of 20 minutes or less.
  • While the heat exchanger is functioning, the average difference in temperature between the cold entry and the hot exit is 33C (note the above graph does not include the full 2 days of data)
  • The system can provide sufficient hot water in a short amount of time, thus making it a viable hot water option.

Se afirmaba:

  • El intercambiador de calor comienza y deja de funcionar en un marco de tiempo de 20 minutos o menos.
  • Mientras que el intercambiador de calor está funcionando, la diferencia media de temperatura entre la entrada de frío y caliente es la salida 33C. (Nota que el grafico no incluye todos los datos de los 2 dias)
  • El sistema puede proporcionar suficiente agua caliente en un corto período de tiempo, por lo que es una opción viable de agua caliente.

Table 5 calculations display the heat energy added to the tank over two days:

Los cálculos siguientes se muestra la energía del calor añadido al tanque de más de dos días:

Table 5 -Mesa 5

Energy In Over 2 Days

Energia Adentro de los 2 Dias
Mass Flow Rate (kg/h)
Fluye de masa (kg/h)
6
Total Time (h)
Tiempo Total (h)
48
Percent Time Flowing
Por ciento tiempo fluyendo
0.75
Time Flowing (h)
Tiempo Fluyendo (h)
36
Heated Mass (kg)
Masa calentada (kg)
216
Average Temperature In (*C)
Pormedio temperatura adentro (*C)
24
Average Temperature Out (*C)
Promedio temperatura afuera (*C)
48,8
Average dT (*C)
Promedio cambio de temperatura (*C)
24.8
Q=mc(dT) (kJ)
22445
Energy (kWh)
Energia (kVh)
6.2

Given the energy input of 3.1 kWh per day, the amount of possible showers per day was calculated as seen in Table 6 below.

Teniendo en cuenta el aporte de energía de 3,1 kWh por día, la cantidad de posibles lluvias por día se calcula:

Table 6 -Mesa 6
ShowersDuchas
Number of Tanks Heatable per Day
Número de tanques que puede calentarse por día
3
Average Time to Heat 1 Tank (h)
Promedio tiempo para caalentar un tanque (h)
8.1
Showers per Tank
Duchas cada tanque
4
Average Time to Heat 1 Shower (h)
Promedia tiempo para calentar una ducha (h)
2
Showers Heatable in 12 Hours
Duchas que pueden calentarse en 12 horas
6

Six showers per day is sufficient for the average family in San Pablo.

Seis duchas al día es suficiente para una familia promedio en San Pablo.

Tank Losses - Perdidas del Tanque
It was identified that the tank losses needed to be analyzed as well. Figure 11 was created to identify power lost:

Se identificó que las pérdidas de tanques necesarios para ser analizadas también. En el gráfico siguientes iniciales fue creado para identificar el poder perdido:
Tank_Losses.jpg
Figure 11 - Figura 11

From this graph, it was found that the tank loses on average, 2.5C per hour. Table 7 calculations were then completed:

De este gráfico, se encontró que el tanque pierde en horas promedio, por 2.5C. Los siguientes cálculos se realizaron a continuación:

Table 7 - Mesa 7
Power Out of Tank Over 2 DaysPoder que salida el tanque en los 2 dias
Temperature Lost per Hour (*C/h)
Temperatura perdida cada hora (*C/h)
2.5
Energy Lost per Hour (kJ/h)
Energia perdida cada hora (kJ/h)
471
Power Loss (W)
Poder perdida (V)
131

In comparison to the power lost, table 8 displays power in:

En comparación con la pérdida de potencia, el poder se muestra en la siguiente:

Table 8 - Mesa 8
Power Into Tank Over 2 DaysPoder adantro del tanque en los 2 dias
Efficiency
Eficiencia
Potential Power = hA(dT) (W)
Poder Potencial = hA(dT) (V)
1495

Power In During Stove Activity (W)
Poder adentro durante actividad de la estufa (V)
173
0.12
Average Power In (W)
Promedio poder adentro (V)
130


Thus, over the two days of uninterrupted data taken, the average power input was equal to the power lost, confirming that the first law of thermodynamics was not broken.

Así, durante los dos días de los datos sin interrupciones tomado, la potencia media es igual a la pérdida de potencia, lo que confirma que la primera ley de la termodinámica no se había roto.

CO2 Life Cycle Analysis - Analysis de Ciclo de Vida de CO2
All the components of the system were weighed. Their embodied CO2 was then calculated using the primary production CO2 footprint (All primary production values were obtained from CES EduPack). The lifespan of parts was estimated, giving the embodied CO2 per part per year. Table 9 is the CO2 life cycle analysis chart:

Todos los componentes del sistema se pesaron. Sus emisiones de CO2 incorporado se calculó utilizando la huella de CO2 de la producción primaria (Todos los valores de la producción primaria se obtuvieron a partir CES EduPack). La vida útil de las piezas se estimó, dando al CO2 encarnada por una parte por año. A continuación se presenta el ciclo de vida de CO2 cuadro de análisis:

Table 9 - Mesa 9
Stove HeaterCalentador de la Estufa
Total
Steel TubesTubos de Acero
Teflon TapeCinta de Teflon
PVC CouplingsComplas de PVC
Steel ClampsAbrasaderos de Acero
Radiator TubingManguera de Radiadores
GasketsEmpaques
PP TankTanque de PP
Shower Head Ducha Cabera
HosesMangueras
PP Float PartsPartes del flote de PP
Brass Float PartsPartes del flote de laton
Mass (kg)
Masa (kg)

4.2
0.05
0.25
0.2
4.8
0.1
1.9
0.5
2.4
0.05
0.35
CO2 Footprint. Primary production (kg/kg)
Huella de CO2. La produccion primaria (kg/kg)

2.48
5.23
2.39
2.48
5.63
5.56
2.7
2.39
5.63
2.7
6.25
Embodied CO2 for New Parts (kg)
CO2 incorporado para partes nuevas (kg)
61.5
10.42
0.26
0.60
0.50
27.02
0.56
5.13
1.20
13.51
0.14
2.19
Expected Part Lifespan (years)
Vida de las partes (anos)

5
5
2
5
5
2
2
5
5
10
10
Embodied CO2 per Year (kg/year)
CO2 incorporado cada ano (kg/ano)
14.0
2.08
0.05
0.30
0.10
5.40
0.28
2.57
0.24
2.70
0.01
0.22
Total CO2 per Year (kg/year)
CO2 total cada ano (kg/ano)
14.0











Total CO2 Over 30 Years (kg)
CO2 total despues de 30 anos (kg)
419












The embodied CO2 of the shower head was estimated, and can be seen in table 10:

El CO2 incorporado de la ducha se estimó, y se puede ver en el siguiente cuadro:

Table 10 - Mesa 10
Electric Shower Head
Cabeza de la ducha electrica
Total
Plastic PartsPartes Plasticos
Metal PartsPartes Metales
Mass (kg)
Masa (kg)

2
2
CO2 Footprint, Primary production (kg/kg)
Huella de CO2, produccion primaria (kg/kg)

2
2.5
Embodied CO2 for New Parts (kg)
CO2 incorporado para partes nuevas (kg)
9
4
5
Expected Part Lifespan (years)
Vida de los partes (anos)

2
2
Embodied CO2 per Year (kg/year)
CO2 incorporado cada ano (kg/ano)
4.5
2
2.5

While there are certainly errors with the estimations, the embodied CO2 per year of the electronic shower head is a small portion of the total CO2 produced, in comparison to the electrical needs of this system. Table 11 summarizes the CO2 produced by the electrical requirements of the system, and the total CO2 associated with the system:

Aunque ciertamente hay errores en las estimaciones, el CO2 emobdied por año de la regadera electrónica es una pequeña porción del total de CO2 producido, en comparación con las necesidades eléctricas de este sistema. La siguiente tabla resume el CO2 producido por los requerimientos eléctricos del sistema, y el total de CO2 asociadas con el sistema:

Table 11 - Mesa 11
Power Rating (kW)
Potencia Nominal (kV)
4.5
Time Used per Shower (h/shower)
Tiempo cada Ducha (h/ducha)
0.1
Showers per Day (shower/day)
Duchas cada dia (duchas/dia)
3
Time Used per Day (h/day)
Tiempo usado cada dia (h/dia)
0.3
Energy Used per Day (kWh/day)
Energia usado cada dia (kVh/dia)
1.35
Energy Used per Year (kWh/year)
Energia usado cada ano (kVh/ano)
493
Energy Used per Year (MJ/year)
Energia usado cada ano (MJ/ano)
1774
CO2 Intensity of Coal (gCO2/MJ)
Intensidad de CO2 del carbon (gCO2/MJ)
90
Conversion Efficiency
Eficiencia de conversion
0.3
CO2 Intensity of Electricity (gCO2/MJ)
Intensidad de CO2 de la electricidad (gCO2/MJ)
300
Electric CO2 Use per Year (kg/year)
Cantidad de CO2 electrica usado cada ano (kg/ano)
532.2
Total CO2 per Year (kg/year)
CO2 usado en total cada ano (kg/ano)
536.7
Total CO2 Over 30 Years (kg)
CO2 despues de 30 anos (kg)
16100

The two systems were compared in table 12 and figure 12, yielding a CO2 payback time of 0.1 years:

Los dos sistemas se compararon en la siguiente tabla y gráfica, dando un tiempo de recuperación de CO2 de 0,1 años:

Table 12 - Mesa 12
CO2 Payoff
Pago de CO2

Total CO2 per Year of Stove Heater (kg/year)
CO2 total cada ano del calentador de la estufa (kg/ano)
14
Total CO2 per Year of Electric Heater (kg/year)
CO2 total cada ano del calentador electrica (kg/ano)
537
Yearly CO2 Offset (kg/year)
Diferencia de CO2 cada ano (kg/ano)
523
Initial Embodied CO2 of Stove Heater (kg)
CO2 incorporado del calentador de la estufa (kg)
62
Initial Embodied CO2 of Electric Heater (kg)
CO2 incorporado del calentador electrica (kg)
9
Initial Embodied CO2 Difference (kg)
Diferencia de CO2 incorporado
53
Time to Break CO2 Even (years)
Tiempo para tener equilibria (anos)
0.10
Lifetime_CO2_Output_of_Feasable_Water_heater_Technologies.jpg
Figure 12 - Figura 12

Economic Life Cycle Analysis - Analisis de Ciclo de Vida Economica
The costs of all components were recorded, and using the life spans of the materials in the CO2 analysis, a cost per component per year was calculated. Table 13 displays these calculations.

Los costos de todos los componentes se registraron, y el uso de la vida útil de los materiales en el análisis de CO2, con un coste por componente por año se calculó. La siguiente tabla muestra estos cálculos:

Table 13 - Mesa 13
Stove Heater
Calntador de la estufa
Total
Steel TubesTubos Aceros
Teflon TapeCinta de Teflon
PVC CouplingsCoplas de PVC
Steel ClampsAbrasaderos Aceros
Radiator TubingManguera de radiadores
GasketsEmpaques
PP TankTanque de PP
WoodMadera
Shower HeadCabeza de la ducha
HosesMangueras
FloatFlote
Initial Cost (Quetzales)
Costo de capital (Quetzales)
1165
150
5
60
20
400
20
80
100
100
150
80
Expected Part Lifespan (years)
Vida de la parte (anos)

5
5
2
5
5
2
2
5
5
2
10
Capital Cost per Year (Q/year)
Costo de capital cada ano (Q/ano)
318,0
30,0
1,0
30,0
4,0
80,0
10,0
40,0
20,0
20,0
75,0
8,0
Total Cost per Year (Q/year)
Costo total cada ano (Q/year)
318,0











Total Cost Over 30 Years (Q)
Costo total despues de 30 anos (Q)
9540












Similarly to the results from the CO2 analysis, the cost of the electronic shower head comes largely from electricity costs. Table 14 shows the economic costs of the electronic shower head:

De manera similar a los resultados de los análisis de CO2, el coste de la ducha electrónica viene en gran parte de los costos de electricidad. El siguiente cuadro muestra los costos económicos de la ducha electrónica:

Table 14 - Mesa 14
Electric Shower Head
Ducha electrica

Capital Cost (Quetzales)
Costo de capital (Quetzales)
400
Expected Lifespan (years)
Vida de la parte (anos)
2
Capital Cost per Year (Q/year)
Costo de capital cada ano (Q/ano)
200
Power Rating (kW)
Poder nominal (kV)
4.5
Time Used per Shower (h/shower)
Tiempo usado cada ducha (h/ducha)
0,1
Showers per Day (shower/day)
Duchhas cada dia (duchas/dia)
3
Time Used per Day (h/day)
Tiempo usado cada dia (h/dia)
0.3
Energy Used per Day (kWh/day)
Energia usado cada dia (kVh/dia)
1.35
Energy Used per Year (kWh/year)
Energia usado cada ano (kVh/ano)
493
Cost of Electricity (Q/kWh)
Costo de la electricidad (Q/kVh)
1.3
Electrical Cost per Year (Q/year)
Costo eletrica cada ano (Q/ano)
641
Total Cost per Year (Q/year)
Costo total cada ano (Q/ano)
841
Total Cost Over 30 Years (Q)
costo total despues de 30 anos (Q)
25217

The two systems were compared, and an economic payback time of 1.5 years was calculated. Table 15 and figure 13 display these results:

Los dos sistemas se compararon, y un tiempo de recuperación de la inversión económica de 1,5 años se calculó. El siguiente cuadro y el gráfico muestra los siguientes resultados:

Table 15 - Mesa 15
Economic Payoff
Pago Economica

Total Cost per Year of Stove Heater (Q/year)
Costo total cada ano del calentador de la estufa (Q/ano)
318
Total Cost per Year of Electric Heater (Q/year)
Costo total cada ano de la ducha electrica (Q/ano)
841
Yearly Cost Offset (Q/year)
Diferencia de los costos cada ano (Q/ano)
523
Initial Cost of Stove Heater (Q)
Costo primero del calentador de la estufa (Q)
1165
Initial Cost of Electric Heater (Q)
Costo primero de la ducha electronica (Q)
400
Initial Cost Difference (Q)
Diferencia de los costos primeros (Q)
765
Time to Break Even (years)
Tiempo para tener equilibria (anos)
1.5
Lifetime_Cost_of_Water_Heater_Technologies.jpg
Figure 13 - Figura 13

User Manual - Manual para Instalacion
Discussion was held regarding the future of the project and the technology. Two approaches were discussed. A small business of installing and maintaining heaters could be created, or a user could install the system in his or her home using provided information. Regardless of the approach, a detailed manual in Spanish is necessary for installment, comprehension of the physics involved, and awareness of costs associated with the system. The manual may be downloaded and viewed in the Appendix at the bottom of the page.

Se debatió sobre el futuro del proyecto y la tecnología. Se discutieron dos enfoques. Una pequeña empresa de instalación y mantenimiento de los calentadores se podría crear, o un usuario puede instalar el sistema en su casa utilizando la información proporcionada. Independientemente del enfoque, un manual detallado en español es necesario para la entrega, la comprensión de la física involucrada, y awarness de los costos asociados con el sistema. El manual se puede descargar y ver en el apéndice en la parte inferior de la página.

Future Work - Trabajo para el Futuro
Upon leaving, the system was disassembled in its test location, and given to a San Pabloan student, Roman Velasquez Ramirez. Roman will install the system solely utilizing the help of the manual, and fellow San Pabloans. Long term qualitative will be recorded for future Guateca groups to analyze.

Al salir, el sistema fue dissasembled en su lugar de la prueba, y será dado a los estudiantes de San Pabloan, Roman Velásquez Ramírez. Romano se instalará el sistema único que utiliza la ayuda del manual, y su compañero Pabloans San. Cualitativo a largo plazo serán registrados para el futuro de los grupos Guateca para analizar.

On a more technical level, the following are potential tasks to be completed:

  • Experimentation with tank insulation
  • Experimentation with other heat exchanger designs
  • Experimentation with high temperature PVC and other tubing
  • Determining the effectiveness of the manual
  • Finding ways to reduce costs
  • Updating the manual with found improvements

En un nivel más técnico, las siguientes son las posibles tareas a realizar:

  • La experimentación con el aislamiento del tanque
  • La experimentación con otros diseños de intercambiadores de calor
  • La experimentación con las altas temperaturas de PVC y otros tubos
  • La determinación de la effectivenss del manual
  • Encontrar maneras de reducir los costos
  • La actualización del manual con las mejoras encontrado

Conclusion - Conclusion
After two months of research, testing, constructing, and cross cultural collaboration, the following was completed:

  • A functioning system was built for under $150
  • Different materials were explored
  • A thorough analysis of the performance of the system
  • Economic and CO2 life cycle analyses
  • Creation of a user manual

Tras dos meses de investigación, pruebas, construcción, y la colaboración intercultural, la siguiente se completó:

  • Un sistema de funcionamiento fue construida para menos de Q1200
  • Diferentes materiales se exploraron
  • Un análisis exhaustivo del desempeño del sistema
  • Económico y CO2 análisis del ciclo de vida
  • Creación de un manual de usuario

Although the process was difficult, and numerous cultural and technical road blocks were encountered, our original goal was met. The system performs better than current electronic shower heads, and costs less in economic and environmental terms. While there is much more to be investigated, this technology has the potential to improve a Guatemalan's quality of life.

Aunque el proceso fue difícil, y numerosos cortes de ruta cultural y técnico se encuentran, nuestra meta original se cumplió. El sistema tiene un mejor rendimiento que las actuales cabezas de ducha electrónica, y cuesta menos en términos económicos y ambientales. Si bien hay mucho por investigar, esta tecnología tiene el potencial para mejorar la calidad de vida de los guatemaltecos.

Appendix - Apendice
Final presentation of the project - Presentacion final del proyecto:

Stove water heater manual - Manual Agua Caliente de Estufa: