TESIS PUCP Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/pe/ PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERU Facultad de Ciencias e Ingeniería ESTUDIO DE COCINAS MEJORADAS EMPLEANDO LEÑA Y BOSTA COMO COMBUSTIBLE Tesis para optar al título de Ingeniero Mecánico, que presenta el bachiller: Harold Javier Alvarez Pablo ASESOR: Miguel Ángel Hadzich Marín Lima, mayo del 2009 RESUMEN El presente trabajo de tipo teórico – experimental es el estudio del funcionamiento y rendimiento de las cocinas mejoradas domesticas localizadas en zonas rurales que emplean biomasa como combustible siendo principalmente la leña y en menor proporción la bosta de vaca. Se tiene el objetivo de desarrollar un modelo de cocina mejorada que sea energéticamente eficiente, socialmente aceptada y de una baja emisión de gases contaminantes. El trabajo realizado comprendió la construcción de 5 prototipos de cocinas mejoradas de adobe; la evaluación de rendimientos en los 5 prototipos de cocinas mejoradas mediante el Test Estándar de Ebullición de Agua obteniéndose resultados de: eficiencia térmica, potencia promedio y ahorro de combustible; la evaluación del nivel de contaminación de aire mediante el monitoreo de monóxido de carbono (ppm) presente en el ambiente interior donde se cocina durante la cocción. Después de una primera etapa de evaluación de los cinco prototipos iniciales se seleccionó uno en base a los índices de rendimientos obtenidos, posteriormente al prototipo seleccionado se le realizaron modificaciones en sus dimensiones con el objetivo de mejorar la transferencia de calor por radicación y convección esto se verificó en la segunda etapa de evaluación. Se logró un modelo de cocina mejorada que cumplió con los requerimientos establecidos en base a la encuesta realizada, alcanzando una eficiencia térmica de 30%, una potencia promedio de 2.93 kW y un ahorro de combustible de 42% respecto a una cocina tradicional. Además se logró reducir el nivel de contaminación de aire interior a un valor promedio de emisión de monóxido de carbono de 3.9 ppm. El modelo seleccionado se compone de una cámara de combustión tipo Rocket o “L”, tiene una distancia entre el lecho de combustible – base de la olla principal de 220 mm y una distancia radial olla – pared interior de la cocina de 10 mm esto tanto para la olla principal y secundaria. El balance final de energía del modelo seleccionado mostró una gran pérdida de energía a través de las paredes interiores de la cocina y a través de los gases calientes que escapan por la chimenea, representando aproximadamente el 40.6 % (4.03 kW) y el 29.4% (2.90 kW) de la energía entregada por la llama respectivamente. Se deja para un estudio posterior la influencia de los rendimientos de la cocina mejorada a causa del aislamiento de la cámara de combustión además de adecuar sistemas de aprovechamiento de la energía de los gases calientes que escapan por la chimenea. ÍNDICE DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN 1 CAPITULO 1 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL FUNCIONAMIENTO DE UNA COCINA MEJORADA A BIOMASA 3 1.1 Combustible 3 1.1.1 Poder Calorífico 3 1.1.2 Contenido de humedad 4 1.1.3 Composición 5 1.2 Combustión 7 1.2.1 Proceso de combustión de la leña 8 1.3 Aire de combustión 11 1.3.1 Relación aire – combustible 11 1.3.2 Cantidad teórica de aire 13 1.3.3 Determinación del exceso de aire en la combustión 15 1.4 Mecanismos de transferencia de calor 18 1.4.1 Radiación 18 1.4.2 Convección 22 1.4.3 Conducción 24 1.5 Partes principales de la cocina mejorada 25 1.5.1 Cámara de combustión 25 1.5.2 Parrilla 27 1.5.3 Chimenea 29 1.6 Otros factores que influyen en el funcionamiento 31 1.6.1 Condiciones ambientales 31 CAPITULO 2 METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS 34 2.1 Importancia de las pruebas 34 2.2 Protocolo empleado 35 2.3 Equipo e instrumentación empleado en la PEA 37 2.4 Equipo e instrumentación adicional empleado en la PEA 37 2.5 Procedimiento de evaluación 39 2.6 Fases en la PEA 40 2.6.1 Fase de alta potencia – Inicio en frío 40 2.6.2 Fase de alta potencia – Inicio en caliente 41 2.6.3 Fase de alta potencia – Ebullición a fuego lento 42 2.7 Variables empleadas en la PEA - Fase alta potencia 43 2.7.1 Variables directamente medidas 43 2.7.2 Variables calculadas 43 2.7.3 Variables frecuentes 44 2.7.4 Descripción de cálculos 44 2.7.5 Observaciones 47 CAPITULO 3 DESARROLLO DE LAS PRUEBAS 49 3.1 Objetivo 49 3.2 Descripción de los modelos evaluados 49 3.3 Descripción de parámetros de funcionamiento 52 3.4 Evaluación de los modelos propuestos 54 3.4.1 Objetivos 54 3.4.2 Procedimiento 54 3.4.2.1 Primera etapa de evaluación 54 3.4.2.2 Segunda etapa de evaluación 55 3.4.2.3 Tercera etapa de evaluación 55 3.4.3 Matriz de resultados primera etapa de evaluación 57 3.4.3.1 Gráficas comparativas de resultados 58 3.4.3.2 Observaciones 59 3.4.4 Matriz de resultados segunda etapa de evaluación 60 3.4.4.1 Gráficas comparativas de resultados 61 3.4.4.2 Observaciones 62 3.4.5 Resultados tercera etapa de evaluación 63 3.4.5.1 Monitoreo del nivel de contaminación 63 3.4.5.2 Observaciones 63 3.5 Pruebas de Ebullición de Agua en el modelo objetivo de cocina mejorada empleando bosta como combustible 64 3.5.1 Objetivo 64 3.5.2 Procedimiento 64 3.5.3 Matriz de resultados 65 3.5.4 Observaciones 66 3.6 Dimensionamiento del modelo objetivo de cocina mejorada 66 3.6.1 Sección de la chimenea 66 3.6.2 Altura de la chimenea 67 3.7 Tiro de la chimenea 67 3.7.1 Cálculo aproximado del tiro de la chimenea 67 3.7.2 Medición del tiro de la chimenea 68 3.8 Balance energético del modelo objetivo de cocina mejorada 68 3.8.1 Objetivo 68 3.8.2 Balance energético 70 3.8.2.1 Distribución de la energía producida en la combustión 70 3.8.2.2 Balance de energía de ganancias y pérdidas 77 3.9 Determinación del exceso de aire del modelo objetivo de cocina mejorada 78 3.10 Eficiencia de la combustión 79 CAPITULO 4 ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE RESULTADOS 81 4.1 Resultados de la primera etapa de evaluación 81 4.2 Resultados de la segunda etapa de evaluación 85 CONCLUSIONES 88 BIBLIOGRAFÍA 90 ANEXOS A1 – A15 LISTA DE SIMBOLOS HCAM : Altura del lecho de combustible a base de la olla principal (mm). G1-2 : Distancia radial entre sup. exterior ollas y sup. interior cocina (mm). L1-2 : Profundidad de alojamiento de las ollas en la cocina (mm). ACHIM : Sección de la chimenea (cm2). ALEÑA : Sección transversal de leña empleada en la combustión (cm2). d : Diámetro interior de la chimenea (mm). Z : Tiro de la chimenea (pa). 1Q : Energía producida por la combustión de leña húmeda (kW). 2Q : Energía perdida por de humedad en la leña (kW). 3Q : Energía perdida en los residuos de carbón (kW). 4Q : Energía ganada por el agua de olla principal (kW). 5Q : Energía ganada por el agua de olla secundaria (kW). 6Q : Energía ganada por evaporación de agua de olla principal (kW). 7Q : Energía ganada por evaporación de agua de olla secundaria (kW). 8Q : Energía perdida en los gases de combustión (kW). 9Q : Energía en el cuerpo de la cocina (kW). 1.agm : Masa agua olla principal (kg). 2.agm : Masa agua olla secundaria (kg). cΔ : Masa de carbón producido durante la combustión (kg). 1.evm : Masa agua evaporada en olla principal (kg). 2.evm : Masa agua evaporada en olla secundaria (kg). combm : Masa de combustible (kg). cenm : Masa de cenizas por kg de combustible (kg). atm : Masa de aire teórico por kg de combustible (kg). mf : Masa de leña húmeda consumida (kg). df : Masa de leña seca equivalente consumida (kg). vw : Masa total de agua evaporada al final de la fase (kg). rw : Masa de agua remanente al final de la fase (kg). gm • : Flujo de masa de gases de combustión (kg/s). 1TΔ : Diferencia de temperatura en olla principal hasta ebullición (°C). 2TΔ : Diferencia de temperatura en olla secundaria (°C). gTΔ : Diferencia de temperatura de los gases de combustión. mgT : Temperatura media de los gases de combustión. .PagC : Calor específico de agua (kJ/kg °C). .LevC : Calor latente de evaporación de agua (kJ/kg). PgC : Calor específico de los gases de combustión (kJ/kg °C). gV • : Caudal de gases de combustión (m3/s). gρ : Densidad de gases de combustión (kg/m3). gpΔ : Diferencia de presión en la chimenea (Pa). α : Coeficiente de descarga de la chimenea. ae : Coeficiente de exceso de aire teórico. PC : Poder calorífico inferior de leña (kJ/kg). m : Cantidad de humedad (% base húmeda). ebt : Duración de PEA hasta ebullición (min). T ebt : Duración de PEA hasta ebullición corregido por temperatura (min). combn : Eficiencia de combustión. n : Eficiencia térmica. combV : Velocidad de combustión (g/min). CE : Consumo específico de combustible (g/l). TCE : Consumo específico de combustible corregido por temperatura (g/l). FP : Potencia del fuego (kW). P : Potencia promedio (kW). RQ • : Energía emitida por radiación (W). σ : Constante de Stefan – Boltzmann (W/m2 K4) 21F : Factor de forma radiante. CVQ • : Flujo de energía térmica transferida por convección, W. Cα : Coeficiente de convección, W m-2 K-1 CDQ • : Flujo de energía térmica transferida por conducción, W. k : Conductividad térmica, W m-1 k-1. L : Espesor de la pared de la olla, m. 1 INTRODUCCIÓN En el Perú, la leña es el segundo combustible, después del gas, más usado en los hogares para la cocción de alimentos, representando el 32.6% del total de hogares que usan este tipo de combustible. Sin embargo, el tiempo empleado para la recolección de esta fuente de energía es significativo para los miembros de la familias que recortan su tiempo en otras labores tales como el trabajo diario en sus tierras. Si bien en las zonas rurales la biomasa se presenta como la principal fuente disponible de energía alternativa y de bajo costo frente a la ausencia o precio de combustibles más limpios tales como el gas o el kerosene para la cocción de sus alimentos, los miembros de las familias presentan diversas enfermedades en el sistema respiratorio y en otros casos cataratas a causa de la contaminación de humo en el interior de sus hogares. Esto debido a que en las cocinas tradicionales, utilizadas en muchos hogares hasta ahora, la combustión se realiza de forma ineficiente y en ambientes con poca ventilación exponiendo diariamente a los usuarios y a los miembros de la familia a partículas suspendidas y gases contaminantes, siendo los más representativos el monóxido de carbono y los hidrocarburos. Por esta razón tomando como referencia las estadísticas nacionales y teniendo como base lo observado en la encuesta realizada por el Grupo de Apoyo al Sector Rural – PUCP en las comunidades rurales de Cusco y Arequipa, se considera importante desarrollar un modelo de cocina mejorada que sea energéticamente eficiente, socialmente aceptada y de una baja emisión de gases contaminantes. 2 El trabajo desarrollado de tipo teórico experimental comprende la identificación de las necesidades y requerimientos de los usuarios, los recursos disponibles en la zona rural, la identificación de los factores que influyen en el proceso de combustión y rendimiento de la cocina mejorada, la metodología de evaluación en base a protocolos estándar, desarrollo de las pruebas experimentales en los prototipos de cocinas mejoradas construidas, comparación de resultados tanto en el aspecto técnico como en el nivel de contaminación, balance de energía del modelo con mejores índices de rendimiento. 3 CAPITULO PRIMERO FACTORES QUE INFLUYEN EN EL FUNCIONAMIENTO DE UNA COCINA A BIOMASA Los principales parámetros que ejercen una mayor influencia en el proceso de transferencia de energía y rendimiento de las cocinas a biomasa son: 1.1 El combustible En el Perú, la biomasa empleada por la mayoría de hogares en el sector rural para sus labores domésticas, principalmente en la cocción de alimentos, es la leña y en menor escala la bosta de vaca [Ref.1], por esta razón se dará mayor énfasis a las características de la leña, siendo el eucalipto la especie usada en las pruebas. Los valores más importantes para evaluar la biomasa como combustible son su poder calorífico y su contenido de humedad. 1.1.1 Poder calorífico Se distinguen dos poderes caloríficos que son normalmente expresados ya sea como poder calorífico bruto, también llamado poder calorífico superior (PCS) y poder calorífico neto, también llamado poder calorífico inferior (PCI). El poder calorífico superior (PCS) es definido como el calor liberado que se obtiene cuando toda el agua resultante en los productos de la combustión es líquida. El poder calorífico inferior (PCI) es definido como el calor liberado que se obtiene cuando toda el agua resultante en los productos de la combustión es gaseosa. 4 La diferencia entre el PCS y PCI, es igual al calor de condensación del vapor de agua resultante de la combustión del hidrógeno del combustible. Esta relación puede considerarse aproximadamente [Ref.2]: PCS9.0=PCI (1.1) Dado que en la combustión el agua resultante en los productos sale en forma de vapor, para usos de diseño y evaluación de cocinas mejoradas en los cálculos se usará el poder calorífico inferior (PCI). 1.1.2 Contenido de humedad El contenido de humedad puede ser expresado ya sea como un porcentaje de la masa total de leña húmeda o como un porcentaje de la masa de la leña secada en horno, se tiene: %100 )Kg(húmedaleña )Kg(aguaHumedad% húmedaBase ×= (1.2) %100 )Kg(caseleña )Kg(aguaHumedad% asecBase ×= (1.3) El contenido de humedad afecta en gran medida al poder calorífico del combustible, además afecta su facilidad de combustión. Se presenta los valores de poder calorífico y humedad del combustible empleado en los ensayos: Tabla 1.1: Poder calorífico y humedad de la leña empleada en las pruebas [Ref.3] Ensayo Leña (especie eucalipto) Método de ensayo Poder calorífico (base húmeda) 4076.2 cal/g ASTM D 2015 Humedad (base húmeda) 12.74% ASTM D 3173 5 Tabla 1.2: Poder calorífico y humedad de la bosta empleada en las pruebas [Ref.4] Ensayo Bosta (base húmeda) Método de ensayo Poder calorífico (base húmeda) 3829.0 cal/g ASTM D 2015 Humedad (base húmeda) 12.36% ASTM D 3173 1.1.3 Composición Para determinar la composición de la biomasa, es necesario realizar dos exámenes: el análisis elemental y el análisis inmediato. a. Análisis elemental: Es un análisis químico, la leña es un combustible sólido cuya composición varía considerablemente según su tipo. Para los cálculos de combustión la composición de la leña se expresa habitualmente como análisis elemental. Este tipo de análisis elemental da la composición en base másica en términos de las cantidades relativas de los elementos químicos (carbono, azufre, hidrógeno, nitrógeno y azufre) y ceniza. b. Análisis inmediato: Es un análisis físico, determina la cantidad de carbono fijo, material volátil, ceniza, humedad. Se presenta los resultados referenciales del análisis elemental y análisis inmediato de una muestra de leña, especie eucalipto: Tabla 1.3a: Análisis elemental de leña, especie eucalipto [Ref.5] Análisis elemental (1) Base de análisis % Método de ensayo Carbono 38.98 ASTM D 3178 Hidrógeno 6.98 ASTM D 3178 Nitrógeno 0.09 ASTM D 3179 Azufre 0.05 ASTM D 3177 Oxígeno 53.41 (2) Cenizas 0.49 ASTM D 3174 (1) Resultados en base recibida. (2) Obtención por diferencia. 6 Tabla 1.3b: Análisis inmediato de leña, especie eucalipto [Ref.5] Análisis inmediato (1) Base de análisis % Método de ensayo Carbón fijo 11.8 ASTM D 3172 Materia volátil 68.7 ASTM D 3175 Ceniza 0.49 ASTM D 3174 Humedad 19.1 ASTM D 3173 (1) Resultados en base recibida Se presenta los resultados referenciales del análisis elemental y análisis inmediato de una muestra de bosta de vaca: Tabla 1.4a: Análisis elemental de bosta de vaca [Ref.6] Análisis elemental (1) Base de análisis % Método de ensayo Carbono 42.7 ASTM D 3178 Hidrógeno 5.5 ASTM D 3178 Nitrógeno 2.4 ASTM D 3179 Azufre 0.3 ASTM D 3177 Oxígeno 31.3 (2) Cenizas 17.8 ASTM D 3174 (1) Resultados en base recibida. (2) Obtención por diferencia. Tabla 1.4b: Análisis inmediato de bosta de vaca [Ref.7] Análisis inmediato Base de análisis % Método de ensayo Carbón fijo 15.20 ASTM D 3172 Materia volátil 59.23 ASTM D 3175 Ceniza 13.21 ASTM D 3174 Humedad 12.36 ASTM D 3173 (1) Resultados en base recibida. 7 En base a los resultados: − Los valores obtenidos en el análisis elemental ayudarán a determinar la cantidad de masa teórica de aire por masa de combustible en la combustión. − Los valores obtenidos en el análisis inmediato ayudarán a determinar el coeficiente de exceso de aire teórico y la eficiencia de combustión. Aunque las densidades específicas de la leña pueden variar notoriamente, experimentalmente su poder calorífico por kilo no. La densidad de la leña no afecta apreciablemente la eficiencia de la cocina, sin embargo para obtener la misma cantidad de energía se necesitará un mayor volumen (pero aproximadamente la misma masa) de leña o de otro combustible de de menor densidad como la bosta. Se observó en la ejecución de las Pruebas de Ebullición de Agua (Capítulo 3), que para una misma cámara de combustión al emplear la bosta de vaca, la alimentación de combustible fue realizada con mayor frecuencia, esto en parte a causa de la menor densidad de la bosta (0.22 g/cm3) respecto de la leña (0.88 g/cm3) siendo muestras de combustible con un similar porcentaje de humedad (Tabla 1.1, Tabla 1.2). 1.2 La combustión. La combustión de biomasa es un proceso complejo, su estudio involucra cambios químicos y físicos así también los mecanismos de transferencia de calor de conducción, convección y radiación. Dada la complejidad del proceso de combustión, la tesis se limita a dar una breve descripción de los cambios mencionados. Los resultados empíricos del proceso de combustión ayudarán a desarrollar un modelo real del proceso. Es por esto que las mediciones experimentales del rendimiento y comportamiento de la cocina a biomasa son necesarias y serán vistas con más detalle en el Capítulo 3. 8 Se debe tener en cuenta que una combustión incompleta representa menos del 10% [Ref.8] de la energía perdida en la cocina. Es por esto que mejorar la combustión en la cocina tiene más importancia en el objetivo de la reducción de los problemas de salud a causa del humo que teniendo como objetivo aumentar la eficiencia total de la cocina. El valor térmico de la biomasa radica en su proporción de gases de combustión que es aprovechada en la cámara de combustión antes de dejarlos salir como humo. Por lo tanto se puede decir que en la combustión, no es tanto la leña que se quema sino los gases que libera. 1.2.1 Proceso de combustión de la leña En las reacciones de la combustión, la oxidación rápida de los elementos reactivos del combustible trae como consecuencia la liberación de energía al formarse los productos de la combustión. Los tres elementos más importantes en los combustibles habituales son: el carbono, hidrógeno y el azufre. En general, el azufre contribuye poco a la energía liberada pero es la causa de problemas importantes de contaminación y corrosión. La leña contiene dos elementos combustibles: carbono e hidrógeno. La combustión se da cuando la leña se calienta, causando que estas sustancias y sus derivadas escapen en forma de gases y se mezclen con el oxígeno del aire. Este proceso es muy complicado pero se puede descomponer en las siguientes etapas: − La leña se calienta alrededor de los 100°C [Ref.9] y el agua contenida es evaporada de la leña o migra a lo largo de los hilos hacia las áreas más frías y recondensa. Mientras más alto sea el contenido de humedad de la leña, mayor será esta etapa inicial dando como consecuencia la pérdida de energía. 9 − A medida que la temperatura aumenta alrededor de los 150°C [Ref.9] empieza la descomposición de la leña, la salida de gases empieza y el alquitrán semilíquido empieza a aparecer, la leña arde seguida de un fuerte olor. Esta etapa debe ser evitada manteniendo una llama constante. La descomposición se hace más notable a partir de los 225°C alcanzando un pico alrededor de los 300°C [Ref.9], sobre esta temperatura la leña es gradualmente transformada en brasas y los volátiles producidos por esta descomposición pueden escapar como humo o pueden recondensarse dentro de la leña lejos de la zona calentada. La transferencia de calor dentro de la leña se produce principalmente por conducción, mientras los volátiles que salen de la zona calentada llevan una parte de calor por convección. − A medida que los volátiles salen de la madera, estos se mezclan con oxígeno y alrededor de los 550°C [Ref.10] prenden fuego que produce una flama amarilla sobre la leña. Aunque el calor por radiación de la flama representa menos del 14% [Ref.10] de la energía total de la combustión, esta es importante para mantener la combustión. Una parte del calor por radiación de esta flama alcanza la leña, calentándola y fomentando su descomposición, causando que la leña suelte más volátiles que se quemarán, cerrando así el ciclo. Por lo tanto se puede decir que la velocidad de combustión depende de la velocidad a la cual se suelten los volátiles. Piezas muy pequeñas de leña, tienen una mayor área superficial para absorber calor por radiación de la llama comparado con las pequeñas distancias a través del cual el calor y los volátiles deben pasar dentro de la leña, es así que los volátiles escapan con mayor facilidad. Sucede lo contrario para piezas gruesas de leña debido a la gran masa que debe ser calentada. En la ejecución de las pruebas se observó una mayor velocidad de combustión de leños con menor área transversal comparada con leños más gruesos. Es por esto que de preferencia para el encendido se debe usar trozos de leña tan pequeños como sea posible. 10 La temperatura de la flama soltada durante la combustión esta alrededor de los 800°C [Ref.11] y está limitada por las pérdidas de calor por radiación y por la mezcla con el aire frío del ambiente. A medida que los volátiles aumentan, estos reaccionan con otras moléculas volátiles formando hollín y humo, simultáneamente se queman a medida que éstos se mezclen con el oxígeno. Si un objeto frío tal como una olla es colocada muy cerca del fuego, lo enfriará y detendrá la combustión de una parte de esos volátiles, dejando un denso humo negro. En términos generales, los volátiles calientes representan alrededor de 2/3 [Ref.12] de la energía liberada del fuego de la leña. El carbón dejado atrás representa la tercera parte restante. Dado que los volátiles son liberados siempre que la leña esté caliente, al cerrar el suministro de aire se detiene sólo la combustión, aunque la intensidad del fuego se reduce, la leña sigue siendo consumida mientras que esta esté caliente, liberando volátiles sin quemar como humo, dejando carbón. Figura 1.1: Etapas del proceso de combustión de la leña [Ref.13]. 11 1.3 Aire de combustión El oxígeno es necesario en toda reacción de combustión, en la mayoría de las aplicaciones de la combustión es el aire el que proporciona el oxígeno necesario. Para los cálculos de combustión se usarán las siguientes consideraciones: − Todos los componentes del aire distintos del oxígeno y del nitrógeno se incluirán en el nitrógeno. Se considerará entonces que el aire esta compuesto de 21% de oxígeno y un 79% de nitrógeno en base molar, teniéndose una relación molar entre nitrógeno y oxígeno de 0.79/0.21 = 3.76. Esto quiere decir que el aire al suministrar oxigeno en una reacción de combustión, cada mol de oxígeno va acompañado de 3.76 moles de nitrógeno. El aire considerado aquí no contiene vapor de agua. Cuando el aire presente en la combustión es húmedo, al escribir la ecuación de combustión se debe considerar el vapor de agua presente. − Se asumirá que el nitrógeno presente en el aire de combustión no reacciona, es decir el nitrógeno se considera inerte. 1.3.1 Relación aire – combustible El objetivo fundamental de la combustión es el de conseguir la oxidación total del carbono y del hidrógeno para formar el dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) con lo cual se produce la máxima energía en forma de calor y se evita efectos contaminantes. Se puede clasificar a la combustión desde el punto de vista de la calidad de sus productos, se considera los siguientes tipos de combustión: − Combustión estequiométrica. − Combustión completa (con exceso de aire). − Combustión incompleta (con defecto de aire). − Combustión imperfecta. 12 a. Combustión estequiométrica: Este tipo de combustión se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente requeridas de combustible y oxigeno, los cuales se queman en forma completa y perfecta. Sin embargo este tipo de combustión esta limitada a condiciones físicas y químicas. Este tipo de combustión se plantea para realizar cálculos teóricos de la combustión, en función de la composición del combustible y el comburente empleados. b. Combustión completa con exceso de aire: Para obtener una combustión completa, es decir sin la presencia de CO (monóxido de carbono) en los humos de la chimenea, es necesario emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica. De ser muy grande el porcentaje de exceso de aire provocará una disminución de la temperatura máxima posible al aumentar la cantidad de gases de combustión. c. Combustión incompleta con defecto de aire: Cuando la cantidad de oxígeno presente en la combustión no alcanza el valor teórico necesario para la formación de CO2, H2O la combustión es incompleta, apareciendo en los gases de combustión el monóxido de carbono, hidrógeno, y partículas sólidas de carbono, azufre o sulfuros. Dado que estos componentes de los gases que se eliminan a la atmósfera contienen aún contenido calorífico, se debe evitar pérdidas de energía por una combustión incompleta. d. Combustión imperfecta: Se produce una combustión imperfecta cuando pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustión, apareciendo en los humos de chimenea, productos de combustión incompleta, tales como combustible sin quemar, residuos de combustibles sin oxidar, partículas sólidas, etc. Este tipo de combustión puede producirse debido a las siguientes causas: − Una elevada carga térmica en la cámara de combustión, es decir la relación entre la potencia calorífica y el volumen de la cámara de combustión, ya que existe poco tiempo de permanencia. 13 − Disminución de la temperatura de la llama, esto puede suceder cuando la mezcla aire combustible incide sobre superficies relativamente frías, como las paredes internas de la cámara de combustión. − Cuando se trabaja con un gran exceso de aire. − La escasa turbulencia, existiendo por lo tanto una deficiente mezcla aire- combustible. − Tiempo muy corto de permanencia de los gases de combustión en la cámara de combustión. Según lo observado en la ejecución de las Pruebas de Ebullición de Agua (Capítulo 3), la combustión imperfecta es el tipo de combustión que más se ajusta a la realidad en las cocinas mejoradas. En la medida que se mejore la combustión imperfecta aproximándose a las condiciones teóricas de combustión completa con mínimo exceso de aire, se logrará mejores rendimientos y se evitará efectos contaminantes. 1.3.2 Cantidad teórica del aire Se determinará la cantidad teórica de aire para la combustión completa por kg de biomasa tomando como referencia los valores del análisis elemental. De las ecuaciones de combustión perfecta se tiene: Carbono → 22 COO+C → Peso Molar 443212 Aire teórico → Ckg12 )Nkg28()21.0/79.0(+Okg32 22 = carbonokg airekg 44.11 Hidrógeno → OH2O+H2 222 → Peso Molar 36324 Aire teórico → 2 22 Hkg4 )Nkg28()21.0/79.0(+Okg32 = hidrógenokg airekg 3.34 14 Azufre → 22 SOO+S → Peso Molar 643232 Aire teórico → 2 22 Hkg32 )Nkg28()21.0/79.0(+Okg32 = azufrekg airekg 29.4 Para el cálculo del aire teórico se tienen las siguientes consideraciones: − Al ser una combustión perfecta, no existe CO como producto. − El nitrógeno es un elemento del aire que no entra en reacción. − El oxígeno se encuentra en la biomasa formando parte de la humedad, por lo que en la combustión aparecerá como vapor de agua. − No se considera la formación de productos intermedios. Dadas las consideraciones anteriores se obtiene la ecuación de la cantidad de aire estequiométrico requerido: Aire teórico: S3.4O3.4H3.34C44.11 22 +−+ ecombustiblkg airekg (1.4) Donde C, H2, O2 y S son los contenidos de carbón, hidrógeno, oxígeno y azufre obtenidos en el análisis elemental (Tabla 1.3a). Por lo tanto al reemplazar los valores respectivos, para 1 kg de leña se requiere: Tabla 1.5: Relación de aire estequeométrico por kg de leña Combustible Masa de Aire (kg) Volumen de aire (m3) Leña 4.56 3.79 Se tomó la densidad del aire ρ = 1.2045 kg/m3 según condiciones ambientales del lugar de las pruebas: temperatura ambiente a 20°C y presión atmosférica a nivel del mar 0P = 995.1 milibares. 15 1.3.3 Determinación del exceso de aire en la combustión El exceso de aire se puede calcular despejando la ecuación en los productos de combustión [Ref.14]: combcencombaatg V)mmem(m ⋅−+⋅= • (1.5) Donde: gm • : Flujo de masa de los productos gaseosos de la combustión (kg/s). atm : Peso de aire teórico por kg de combustible (kg). ae : Coeficiente de exceso de aire teórico. combm : Peso de combustible (kg). cenm : Peso de cenizas por kg de combustible (kg). combV : Velocidad de combustión (kg/s). Para hallar el flujo de masa de los productos gaseosos de la combustión, primero se deberá hallar el caudal de gases a través de la chimenea, para esto se emplearán los siguientes equipos: − Tubo de pitot (Fig.1.2a). − Micromanómetro de Betz, rango de 0-250 kgf/m2 (Fig.1.2b). Figura 1.2a: Tubo de Pitot colocado en chimenea 16 Figura 1.2b: Micromanómetro de Betz. Se utilizó el tubo de pitot debido a que es uno de los métodos más exactos para medir la diferencia de presión. Para fijar el tubo de pitot herméticamente y en la posición correcta, se soldó un tubo roscado en la chimenea, el criterio de la altura de la posición del tubo de pitot fue tomado de la norma española UNE-EN 676 (Fig.1.3). Figura 1.3: Esquema de las tomas de medida de los productos de combustión [Ref.15]. 17 La norma indica que la toma de medidas de la temperatura y del tiro/presión debe realizarse a una distancia de 2.15d y 2d respectivamente tomando como referencia la base de la chimenea, siendo d el diámetro interno de la chimenea. El punto de medición del tubo de pitot se colocará en el eje central de la chimenea. Para determinar el caudal de gases a través de la chimenea se aplicará la ecuación de Bernoulli [Ref.16]: g g CHIMg p2 AV ρ Δ⋅⋅α=• (1.6) Para el flujo de masa: ggg Vm ρ⋅= •• (1.7) Donde: gV • : Caudal de gases de combustión (m3/s). α : Coeficiente de descarga de la chimenea. CHIMA : Sección de flujo de gases de combustión (m 2). gpΔ : Diferencia de presión en la chimenea (Pa). gρ : Densidad de gases de combustión (kg/m3). gm • : Flujo de masa de gases de combustión (kg/s). Reemplazando valores en (1.5) se obtendrá el valor del coeficiente de exceso de aire teórico ae . Para la combustión de la leña se recomienda emplear un factor de exceso de aire teórico entre 1.8 – 3 (Fig.1.4). 18 Figura 1.4: Factor de exceso de aire para la combustión en cámara abierta [Ref.17]. Estos valores de exceso de aire teórico recomendado, corresponden para la combustión en cámara abierta de una caldera, similar al de una cocina mejorada. Por otro lado, el emparrillado plano hace referencia a la forma de la rejilla o lecho de combustible ubicada dentro de la cámara de combustión [Ref.18]. 1.4 Mecanismos de transferencia de calor El proceso de transferencia de calor en la cocina se produce mediante tres mecanismos: conducción, convección y radiación (Fig.1.5). El conjunto de estos mecanismos y la combustión determinan la eficiencia térmica de la cocina. 1.4.1 Radiación En las cocinas mejoradas, la radiación es un mecanismo importante en la transferencia de calor, este se produce: desde el lecho de combustible y las flamas del fuego hacia la olla, desde las flamas del fuego al combustible para mantener la combustión, desde el lecho de combustible y las flamas a las paredes internas de la cocina, desde las paredes internas de la cocina hacia la olla y desde las paredes de las ollas hacia el medio ambiente (Fig.1.5a). En las cocinas tres piedras, la radiación es el principal mecanismo de transferencia de calor, logrando mediante este mecanismo una eficiencia térmica entre 17 – 18% (Capítulo 3). 20 El calor emitido por radiación desde una superficie caliente (1) hacia un cuerpo de más baja temperatura (2) puede calcularse por la ecuación [Ref.19]: )TT(AFQ 42 4 1121R -σ= • (1.8) Donde: RQ • : Energía emitida por radiación, W. σ : Constante de Stefan-Boltzmann: .Km/W10x6697.5 428- 21F : Factor de la forma radiante entre las superficies 1 y 2. 1A : Área de la superficie 1, .m 2 1T : Temperatura absoluta de la superficie 1, K. 2T : Temperatura absoluta de la superficie 2, K. La transferencia de calor por radiación entre la llama del lecho de combustible y la base de la olla puede estar formulada por la ecuación de Stefan-Boltzmann (1.8), donde el factor de forma radiante F12 incluye los efectos de emisividades y geometrías relativas entre las superficies de los cuerpos. Considerando las superficies de la llama del lecho de combustible y de la base de la olla principal como dos superficies circulares concéntricas paralelas A1 y A2 con radios r1 y r2 respectivamente y siendo L (HCAM) la distancia entre ambas, se puede determinar el factor de forma (Fig.1.6): 21 Figura 1.6: Factor de forma entre dos discos paralelos [Ref.20] De la fórmula (1.8) se puede estimar que la transferencia de calor por radiación ganada por la olla aumenta: − Aumentando el factor de forma por reducción de la distancia HCAM (para una misma relación r2/r1) entre la llama del lecho de combustible y la base de la olla. Sin embargo la reducción de la altura puede afectar en el proceso de la combustión (inclusive hasta apagarlo) e incrementar el nivel de CO y otras emisiones de hidrocarburos. Experiencias realizadas en cocinas a leña recomiendan que la distancia de la olla al lecho de combustible no sea menor que 0.4 veces el diámetro de la olla [Ref.21]. − Aumentando el factor de forma por incremento de la relación r2/r1 (para una misma distancia HCAM). Los fuegos compactos favorecen la transferencia de calor por radiación, logrando que la energía entregada por el lecho de combustible sea mejor interceptada por la base de la olla. En el Capítulo 3 se observará la influencia en los índices de rendimiento al disminuir la distancia HCAM manteniendo r2/r1. 22 1.4.2 Convección La transferencia de energía por convección ocurre cuando los gases de combustión fluyen por una superficie de diferente temperatura y luego intercambian energía calorífica por conducción. Es por este mecanismo de transferencia de calor que los gases calientes producto de la combustión calientan las superficies de las ollas y las paredes internas de la cocina (Fig. 1.5b). La ecuación para calcular la transferencia de calor por convección puede formularse [Ref.22]: )TT(AQ wCCV ∞-α= • (1.9) Donde: CVQ • : Flujo de energía térmica transferida por convección, W. Cα : Coeficiente de convección, W m-2 K-1. A : Superficie de transmisión involucrada, m2. wT : Temperatura del fluido (en este caso gases de combustión), K. ∞T : Temperatura de la superficie (olla), K. De la fórmula (1.9) se puede estimar que la transferencia de calor por convección ganada por la olla aumenta: − Elevando la temperatura de los gases calientes, esto se logra controlando la cantidad de aire exterior que ingresa a la cámara de combustión y cerrando la entrada de alimentación de combustible mediante el uso de una compuerta, la cual en la realidad es poco práctico según el usuario requiera manipularla constantemente. − Exponiendo tanta área A de la olla a los gases calientes como sea posible. Los gases deben fluir alrededor de la olla entrando en contacto en toda su superficie. 23 − Aumentado el coeficiente de convección Cα , esto se logra aumentando la velocidad del flujo de gases calientes de la combustión mediante la reducción del gap, de esta forma los gases calientes son forzados a pasar a través de un canal angosto por toda la superficie de la olla. Dado que el volumen de los gases calientes en cualquier punto es constante, la velocidad del flujo aumenta a través de un área reducida. Estudios realizados en cocinas mejoradas domésticas muestran el balance entre la eficiencia térmica de la cocina (%) y la energía aprovechada por la olla (kW) y entre el gap (mm) y la profundidad de la alojamiento de la olla en la cocina L (cm) (Fig.1.7), esta gráfica asume que la eficiencia térmica causada sólo por mecanismo de radiación y convección en la base de la olla es 20% y que adicionalmente un tercio de la energía suministrada se encuentra en los gases de combustión que pasan por el gap. Figura 1.7: Balance entre Eficiencia térmica y energía aprovechada por la olla en función al gap y profundidad de alojamiento, dimensionadas para cocinas domesticas [Ref.23]. En el Capítulo 3 se observará la influencia en los índices de rendimiento al disminuir la distancia G manteniendo L. Por otro lado al mejorar el aislamiento térmico en las paredes interiores de la cámara de combustión ayudará a mejorar la transferencia de calor por convección. Este análisis se deja para un estudio posterior. 24 1.4.3 Conducción La transferencia de calor por conducción en las cocinas mejoradas ocurre a través de las paredes interiores de la cocina y a través de las paredes de la olla hacia su contenido (Fig.1.5c). La ecuación para calcular la transferencia de calor por conducción a través de la olla puede formularse como [Ref.24]: L )TT(AkQ 21CD -=• (1.10) Donde: CDQ • : Flujo de energía térmica transferida por conducción, W. k : Conductividad térmica, W m-1 k-1. A : Superficie de la olla (perpendicular a la dirección del flujo de calor), m2. 1T : Temperatura en la superficie exterior de la olla, K. 2T : Temperatura en la superficie interior de la olla, K. L : Espesor de la pared de la olla, m. De la fórmula (1.10) se puede estimar que la transferencia de calor por conducción ganada por la olla aumenta: − Empleando ollas de material con alto coeficiente de conductividad térmica k, como el aluminio en vez de la arcilla (Tabla 1.10). − Exponiendo tanta área A de la olla como sea posible a una fuente de calor, ya sea por radiación desde la llama o por convección desde los gases calientes de combustión. − Incrementando la temperatura en la cámara de combustión y de los gases calientes. 25 Tabla 1.10: Valores de conductividades térmicas [Ref.25]. Material Conductividad Térmica W/m K Metálicos Aluminio aleación 204 Acero aleación 48 No metálicos Ladrillo 0.52 Barro 0.81 Arcilla 1.28 Aislantes Corcho molido 0.043 Lana de vidrio 0.040 Aire 0.026 Estudios realizados en cocinas mejoradas domésticas indican que el ahorro de combustible al usar ollas de aluminio comparado al usar ollas de arcilla fue alrededor de 45% [Ref.26]. Por otro lado, ollas cubiertas en su superficie exterior con barro o con una capa de hollín reducirán la eficiencia de transferencia de energía en la olla. 1.5 Partes principales de la cocina mejorada 1.5.1 La cámara de combustión La cámara de combustión (Fig. 1.8) es el espacio donde se quema el combustible, su volumen y geometría dependen del tipo y dimensión del combustible empleado, combustibles de poca densidad necesitarán de un mayor volumen de cámara de combustión o requerirán de una alimentación frecuente de combustible. Además dependen en gran medida del uso (doméstico o institucional) al cual la cocina será puesta en operación. 27 La altura de la cámara de combustión es un factor que influye en la eficiencia térmica por radiación y la eficiencia de la combustión. Estudios realizados en cocinas mejoradas domésticas indican que la distancia entre el lecho de combustible y base de la olla principal (HCAM) debe estar entre 200 – 300 mm (Fig.1.9). Por otro lado, a medida que se reduce HCAM, los gases de combustión no tendrán suficiente tiempo para mezclarse con el aire y quemarse dentro de la cámara, incrementando las emisiones de CO e hidrocarburos a la salida de la chimenea [Ref.27]. Por lo que se puede decir que la elección de la distancia entre el lecho de combustible a la base de a olla principal es el equilibrio entre la energía transmitida por radiación y la calidad de la combustión. La cámara de combustión debe ser construida con materiales que soporten altas temperaturas y de bajo coeficiente de conducción térmica tal que disminuya las pérdidas de calor a través de las paredes internas de la cámara de combustión. 1.5.2 Parrilla La parrilla (Fig. 1.10) usada como lecho de combustible diseñada de forma adecuada mejorará el proceso de combustión y el rendimiento de la cocina, aprovechando la energía radiada por las flamas y por las brasas. Durante la combustión la parrilla al cubrirse con brasas mantiene una alta temperatura en la cámara de combustión, facilita la combustión de los gases soltados por la leña y mediante el precalentamiento de aire primario mejora la mezcla aire – gases de combustión. 29 En la ejecución de las Pruebas de Ebullición de Agua (Capítulo 3) se observó que el precalentamiento del suministro de aire primario antes de ingresar a la cámara de combustión (Fig. 1.10) alcanza en promedio una temperatura de 250°C (temperaturas registradas durante las pruebas a partir del minuto 12 al minuto 30, después que la cocina se puso en funcionamiento con encendido en frío). El lecho de combustible usado en las cocinas domesticas evaluadas fue construido por barras corrugadas de acero para construcción de Ø ¼” colocadas paralelamente a una distancia de 10 mm entre ellas, esto en base al tamaño del carbón producido en la combustión durante las pruebas. De emplear un lecho de combustible con distancias entre barras menores a 10 mm se observará obstrucción y reducción en el flujo de aire a través del lecho del combustible resultando en una combustión defectuosa, por el contrario al aumentar la distancia entre barras el carbón producido en la combustión caerá al cenicero desaprovechando esta energía en la cámara de combustión [Ref. 28]. 1.5.3 La chimenea La chimenea (Fig. 1.8) ejerce una influencia en el funcionamiento de las cocinas mejoradas, aparte de permitir la salida de gases de combustión, la principal función de la chimenea es la de fomentar el tiro, facilitando la combustión. La distinta densidad entre los gases calientes que fluyen en el interior de la chimenea y el aire atmosférico determina una diferencia de presión que produce el movimiento ascendente de estos gases. La velocidad del flujo de gases está en función de la altura de la chimenea, el diámetro de la chimenea y a la diferencia entre la temperatura de los gases calientes y el aire exterior. 30 Para el cálculo aproximado de dimensionamiento de las chimeneas se han tomado fórmulas simplificadas y coeficientes prácticos, que tienen exactitud suficiente para los combustibles ordinarios: a. Sección transversal de la chimenea: Para la sección del flujo de gases se tiene que por cada 100 kcal/h del combustible quemado se requiere de 1 cm² de sección [Ref. 29], de modo que: 100 producidaenergíadeCantidadACHIM = (1.11) Esto bajo la condición de una temperatura media de los gases en la chimenea de 275 °C y un exceso de aire de 1.5. Por cada ± 25 °C de temperatura con respecto a los 275 °C, se aumentará o disminuirá 5% de la sección. Tomando la expresión (1.11) y en base a resultados observados en pruebas iniciales de rendimiento energético, mediante el protocolo de la Prueba de Ebullición de Agua (Capítulo 3) realizada a una cocina tres piedras se tiene en promedio un consumo de combustible de 38.5 g/min lo que equivale: h kcal9416 g cal2.4076 h1 min60 min g5.38 =⋅⋅ Para fines de un dimensionamiento previo, este valor nos indica que la sección de la chimenea de los prototipos de cocinas domesticas debe ser como mínimo de 94.2 cm², por lo que tomaremos como diámetro d (Fig. 1.9) de chimenea para todos los prototipos de cocinas domesticas un valor de 120 mm, esta dimensión se verificará en el Capítulo 3 en el modelo objetivo de cocina mejorada. b. Altura de la chimenea: Para la altura de la chimenea HCHIM (Fig. 1.9) se adoptará la relación [Ref. 30] de: 20d ≤ HCHIM ≤ 25d (1.12) Siendo d el diámetro de la chimenea, para diámetros inferiores a 2 m. 31 Para fines de un dimensionamiento previo, habiendo tomado el diámetro d igual a 120 mm y dada la expresión (1.12) se tomará una altura de 2500 mm, con lo cual se estaría dimensionando la altura dentro del rango recomendado. c. Tiro de la chimenea: El tiro en la chimenea Z en milímetros de columna de agua se relaciona con la altura de la chimenea HCHIM (m) y con la temperatura media Tmg de los gases (°C) [Ref. 31]: 249...175TsiH4.0Z mgCHIM =⋅= (1.13) 274...250TsiH5.0Z mgCHIM =⋅= (1.14) 300...275TsiH55.0Z mgCHIM =⋅= (1.15) En el Capítulo 3 se calculará el tiro de la chimenea en base a la temperatura media de los gases de combustión en el modelo objetivo de cocina mejorada. 1.6 Otros factores que influyen en el funcionamiento de la cocina mejorada 1.6.1 Condiciones ambientales Este factor influye notablemente sobre el comportamiento y rendimiento de una cocina a leña, principalmente a causa de la temperatura ambiente y la presión atmosférica. La altura sobre el nivel del mar influye sobre la presión atmosférica y la temperatura de ebullición de agua, además lugares ubicados en altura tienen temperaturas medias menores y aire con menor densidad (aire enrarecido). Estos factores darán como resultado la necesidad de mayor energía para realizar una determinada tarea de cocción, también se requerirá de un mayor caudal de aire para obtener una misma velocidad de combustión. En resumen el sistema resultará menos eficiente y será motivo para futuras investigaciones. 32 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 1. INEI. Resultados del Censo Nacional de Población y vivienda 2005, Lima, Perú. 2. TECSUP, (2006). Combustión y Quemadores de Gas Natural, Lima, Perú, pp.13 – 14. 3. Laboratorio de Energía. Sección Ingeniería Minas, Pontificia Universidad Católica del Perú. 4. Laboratorio de Energía. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 5. Assureira Espinoza Estela. Proyecto carbón, Pontificia Universidad Católica del Perú, comunicación interna. 6. Baldwin Samuel F., (1987). Biomass Stoves: Engineering Design, Development and Dissemination, VITA, Arlington, Virginia, p.177. 7. Laboratorio de Energía. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú, comunicación interna. 8. Baldwin Samuel F., op. cit., p.55. 9. Waclaw Micuta, (1985). Modern Stoves For All, Bellerive Foundation, London, U.K., p.4. 10. Baldwin Samuel F., op. cit., p.58. 11. Waclaw Micuta, op. cit., p.5. 12. Baldwin Samuel F., op. cit., p.59. 13. Waclaw Micuta, op. cit., p.5. 14. Jiménez Fernando, (1986). Tesis de Ingeniero PUCP: Diseño de una terma a carbón, Lima, Perú, p.24. 15. Norma española UNE-EN 676, (1997). Quemadores automáticos de aire forzado que utilizan combustibles gaseosos, AENOR, Madrid, España, p.45. 16. Manual de laboratorio de termodinámica y mecánica de fluidos – Experiencia: Ventilador Centrifugo. Sección Ingeniería mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 17. Claver Mariano, (1946). Termotecnia: transmisión, producción y aplicaciones, Dossat, Madrid, España, pp.140 – 144. 18. Claver Mariano, op. cit., pp.213 – 216. 19. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 20. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 33 21. Baldwin Samuel F., op. cit., p.54. 22. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 23. Baldwin Samuel F., op. cit., p.48. 24. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 25. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 26. Baldwin Samuel F., op. cit., p.35. 27. Baldwin Samuel F., op. cit., p.54. 28. Baldwin Samuel F., op. cit., p.75. 29. Hutte, (1958). Manual del ingeniero, G. Pili, Barcelona, España, p.515. 30. Hutte, (1958). op. cit., p.515. 31. Hutte, (1958). op. cit., p.515. 34 SEGUNDO CAPÍTULO METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS 2.1 Importancia de las pruebas Las pruebas de laboratorio son esenciales por las siguientes razones: − Las pruebas de laboratorio son usadas para seleccionar particularmente los prototipos de cocinas y optimizar sus dimensiones. − Permite una mejor comprensión del proceso de combustión, aprovechamiento de calor y ahorro de combustible. − Permite observar el funcionamiento de las diferentes partes de la cocina, observar la influencia de la variación de sus parámetros y ubicar las fallas con el objeto de mejorar el rendimiento general. − A partir de estas pruebas, se pueden desarrollar modelos estándar adaptados a las formas y dimensiones más frecuentes de la olla local. − Permite a los usuarios dar su opinión sobre las mejoras del diseño actual, ya sea por el deterioro que se produce a lo largo de la utilización diaria de la cocina o también algunas innovaciones que al usuario le gustaría tener. − Los resultados proporcionan la información necesaria para el análisis con objetivo a su adaptación a otras localidades. Las pruebas de laboratorio son parte fundamental en el proceso de mejora continua con el objetivo de ahorrar tiempo, dinero y trabajo de los usuarios en sus labores domesticas, además de proteger su salud y seguridad. 35 2.2 Protocolo empleado El protocolo empleado fue el método estándar Shell-UCB (University of California Berkeley) 2003 Prueba de Ebullición de Agua (PEA) [Ref. 1], el cual simula los procesos de cocción de comida en alta potencia (PEA - Fase alta potencia) y cocción a fuego lento (PEA – Fase baja potencia). La PEA puede ser realizada en diversos tipos de cocinas y en diferentes lugares, además esta diseñada con un método simple, en el cual las cocinas puedan ser comparadas mediante una prueba estándar y de forma reproducible. Es importante mencionar las fortalezas y debilidades de la PEA. Las fortalezas son la simplicidad y la reproducibilidad, además de dar un entendimiento preliminar del funcionamiento de la cocina que es muy útil durante el proceso de modificaciones. Sin embargo la PEA también tiene sus debilidades, ya que sólo muestra una aproximación del comportamiento de una situación real de cocción, además es realizado bajo condiciones controladas y por personas capacitadas. Para obtener una comprensión de cómo rinde una cocina en la preparación de alimentos por gente local se debe hacer otro tipo de pruebas como el Test de Cocción Controlada (CCT). Así mismo la PEA no puede ser usada para pronosticar con exactitud variaciones reales en el consumo de combustible entre familias que adoptan una cocina mejorada. La PEA completa consiste en tres fases que son explicadas a continuación: 1. Fase de alta potencia con inicio en frío, el evaluador inicia con la cocina a la temperatura ambiente y usa en paquete previamente pesado de leña para hervir una cantidad medida de agua. El evaluador luego reemplaza el agua hervida con otra olla de agua fría para realizar la segunda fase de la prueba. 2. Fase de alta potencia inicio en caliente, sigue inmediatamente después de la fase con inicio en frío mientras la cocina esta aun caliente. Nuevamente el evaluador usa un paquete de leña previamente pesado de leña para hervir una 36 cantidad medida de agua. Repetir la prueba con la cocina caliente ayuda a identificar las diferencias del rendimiento entre la cocina cuando está en frío o cuando está en caliente. 3. Fase de baja potencia, sigue inmediatamente, aquí el evaluador determina la cantidad de combustible requerido para hervir a fuego lento una cantidad medida de agua por debajo de la temperatura de ebullición por un tiempo de 45 minutos, este paso simula la cocción de alimentos que requieren de cocción lenta. Esta combinación de fases mide los rendimientos en alta y baja potencia, que son asociados con la capacidad de la cocina en ahorrar combustible. La PEA esta orientada a dar diferentes índices de rendimientos, dado que solamente basarse en el rendimiento térmico no es necesariamente un buen pronóstico del rendimiento de la cocina, los demás índices serán útiles o no dependiendo del objetivo a alcanzar, estos índices son: − Tiempo de cocción. − Velocidad de combustión. − Consumo específico de combustible. − Potencia promedio. − Eficiencia térmica. Tomando como base la encuesta realizada por el Grupo de Apoyo al Sector Rural en diversas comunidades de Cusco y Arequipa, las usuarias en su totalidad querían una cocina: − De cocción rápida. − Que ahorre combustible. − De fácil uso. − De poca supervisión del fuego. − De una postura cómoda al cocinar. − De bajo costo de instalación. − Que no contamine con humo el aire en el interior de sus hogares. 37 Los requerimientos antes mencionados fueron usados como criterio de evaluación y selección de las cocinas para esto sólo se empleó la Fase de alta potencia. 2.3 Equipo e instrumentación empleado en la PEA. 1. Cinco prototipos de cocina mejorada domestica de una y dos hornillas, construidas casi en su totalidad de barro, chimenea c/s válvula mariposa, compuerta de regulación de entrada de aire, parrilla usada como lecho de combustible. 2. Balanza electrónica de 30 kg ± 5 g de rango y precisión respectivamente para pesar las ollas y el combustible. 3. Registradores de temperaturas marcas METERMAN y FLUKE y termocuplas tipo “K” para mediciones simultáneas de temperatura en la cámara de combustión, el incremento de la temperatura del agua en las ollas principal y secundaria y en la de los gases de combustión en la chimenea (Fig. 2.1a, Fig. 2.1b). 4. Ollas de aluminio marca Record, modelos Súper Perol y Perol clásico en tamaños de Ø30cm (14.1 litros) y Ø20cm (4 litros) respectivamente. 5. Cronómetro para el registro de tiempo. 6. Tenaza, espátula, guantes resistentes al calor para manipular la leña y el carbón. 7. Accesorio metálico usado para apagar y almacenar la leña después de cada fase. 8. Accesorio de madera para la sujeción de la termocupla. 2.4 Equipo e instrumentación adicional empleado en la PEA. 1. Medidor digital de monóxido de carbono CO, marca CEM-180 de 1000 ppm ± 1 ppm de rango y precisión respectivamente para medir la contaminación interior del ambiente que se produce en la cocina dentro del tiempo de cocción (Fig. 2.2). 2. Tubo de Pitot y micromanómetro de Betz (rango de 0 - 250 kgf/m2), utilizados para determinar el flujo de gases mediante la medición de la diferencia de presión a través de la chimenea antes y después de la combustión (Fig. 2.3a, Fig. 2.3b). 39 2.5 Procedimiento de evaluación. 1. Las condiciones de la evaluación son anotadas incluyendo la temperatura del aire, viento y la humedad relativa. La cocina y las ollas son descritas y esbozadas en detalle incluyendo las medidas de sus dimensiones relevantes. Estas dimensiones deben incluir la distancia desde el lecho de combustible (parrilla) a la base de la olla principal y de la superficie exterior de las ollas a las paredes internas de la cocina. En la práctica, la prueba se realizó en un ambiente cerrado para reducir la influencia del viento pero con suficiente ventilación, esto para la salida de humo en el caso de la evaluación de una cocina tres piedras. 2. El contenido de humedad y el poder calorífico del combustible deben ser conocidos. Si se usa leña esta debe ser de la misma especie y relativamente de un tamaño uniforme utilizada para todas las pruebas. Por otro lado el almacenamiento de la leña fue en el mismo ambiente y protegida bajo plástico, ayudando así a mantener el contenido de humedad en un mismo valor. 3. Las ollas deben ser idénticas en forma y tamaño en todas las pruebas para evitar factores que desvíen los resultados de la evaluación. Además no se deben tapar las ollas en ninguna parte de la realización de la prueba. 4. Se debe mantener en todas las evaluaciones exactamente la misma cantidad de agua empleada para cada olla, esto es 5 litros de agua para la olla principal y 2.5 litros para la olla secundaria. La temperatura del agua debe estar dentro de unos cuantos grados de la temperatura ambiente. proceder con la primera fase de la prueba. 5. La PEA completa (Fase en alta y baja potencia) dura entre 1.5 – 2 horas, se recomienda preparar suficientes paquetes de leña antes de empezar la prueba. En la práctica, se prepararon dos paquetes de leña de 2 kilos para las pruebas en alta potencia. De realizarse la fase de baja potencia se deberá tener un paquete de leña adicional de 5 kilos. 40 2.6 Fases en la evaluación de la PEA. 2.6.1 Fase de alta potencia – Inicio en frío. 1. Preparar el cronómetro, no empezar hasta cuando el fuego haya encendido. 2. Llenar la olla principal y la olla secundaria con 5 litros y 2.5 litros de agua respectivamente, la cantidad de agua debe ser determinada colocando la olla en la balanza y agregando agua hasta llegar al peso total. Anotar el peso de las ollas más agua, usar la misma cantidad de agua para cada repetición. 3. Usar el accesorio de madera para colocar la termocupla en la olla, la temperatura debe ser medida en el centro de la olla y sobre 2 cm por encima del fondo. Si hubiera ollas adicionales usar termocuplas adicionales como sea posible, anotar la temperatura inicial de en cada olla y confirmar que está no varíe considerablemente de la temperatura ambiente. 4. La cocina debe estar a la temperatura ambiente, empezar el fuego en una forma reproducible de acuerdo con la práctica local. Anotar cualquier material adicional usado en el encendido (pajita, papel, cartón, hojas secas, kerosene, etc.) 5. Una vez que el fuego haya prendido, anotar el tiempo de inicio. En toda la siguiente fase de la prueba, controlar el fuego con los medios locales comúnmente usados para llevar la olla principal rápidamente a hervir sin emplear combustible en exceso. 6. Cuando el agua en la olla principal alcanza la temperatura de ebullición local, rápidamente hacer lo siguiente: a. Anotar el tiempo que la olla principal alcanza la temperatura de ebullición local, anotar la temperatura también. b. Remover toda la leña de la cocina y apagar la llama (no se debe usar agua dado que esto afectará el peso de la leña). Quitar el carbón producido en las puntas de los leños, juntar y mantener el carbón extraído en un recipiente. c. Pesar la leña sin quemar removida de la cocina junto con la leña que quedó del paquete previamente pesado, anotar el resultado en la hoja de datos. d. Medir la temperatura del agua de cada olla (la olla principal debe estar a la temperatura de ebullición local), anotar las temperaturas. e. Pesar cada olla más agua respectivamente, anotar los pesos. 41 f. Extraer todo el carbón remanente de la cocina, colocarlo con el carbón que fue quitado de los leños y pesarlos juntos, anotar el peso del carbón producido más el recipiente. Esto completa la fase de alta potencia inicio en frío, seguir con la fase de alta potencia inicio en caliente inmediatamente después, mientras la cocina aún se mantiene caliente. 2.6.2 Fase de alta potencia – Inicio en caliente. 1. Resetear el cronómetro, empezar cuando el fuego haya encendido. 2. Rellenar la olla principal y secundaria con 5 litros y 2.5 litros de agua respectivamente, pesar las ollas más agua y medir las temperaturas iniciales del agua, anotar. 3. Iniciar el fuego tal como se realizó en la fase de inicio en frío. 4. Anotar el tiempo de inicio, llevar la olla principal rápidamente a la temperatura de ebullición sin emplear combustible en exceso. 5. Anotar el tiempo en que la olla principal alcanza la temperatura de ebullición local, anotar la temperatura en la olla principal y secundaria. 6. Después de alcanzar la temperatura de ebullición, rápidamente hacer lo siguiente (la rapidez es importante en esta fase porque se quiere mantener la temperatura del agua tan cerca como sea posible al de la temperatura de ebullición para permitirnos proceder inmediatamente a la prueba de ebullición a fuego lento). 7. Remover la leña sin quemar de la cocina, quitar cualquier carbón suelto, pero tratar de mantenerlos en la zona de combustión (no se pesará el carbón en esta fase sólo si se tiene un promedio de la cantidad de carbón producido en esta fase de pruebas anteriores). Pesar la leña removida en la cocina, junto con la leña no usada del paquete previamente pesado, anotar los resultados en la hoja de datos. 8. Anotar la temperatura del agua de la olla principal y secundaria. 9. Pesar cada olla más agua, anotar. 10. Después de pesarlos inmediatamente reemplace cada olla en la cocina (se debe recordar que se quiere mantener la temperatura del agua tan cerca como sea posible de la temperatura de ebullición para proceder inmediatamente al test de ebullición a fuego lento). 42 11. Reemplazar la leña sacada del fuego proceder inmediatamente con la fase de baja potencia. 2.6.3 Fase de baja potencia – Ebullición a fuego lento. Esta fase de la prueba esta diseñada para evaluar la capacidad de la cocina en pasar a la fase de baja potencia después de la fase de alta potencia para hervir agua por 45 minutos usando una cantidad mínima de leña. Para cocinas multi-hornilla sólo será evaluada la olla principal para el rendimiento de esta fase de la prueba. El procedimiento es el siguiente: 1. Resetear el cronómetro. 2. Regular el fuego y mantener la temperatura del agua tan cerca como sea posible de los 3°C por debajo del punto de ebullición. Es aceptable si la temperatura asciende y desciende pero: − Se debe tratar de mantener la temperatura del agua tan cerca como sea posible de los 3°C por debajo del punto de ebullición local. − El test es inválido si la temperatura en la olla cae más de 6°C por debajo del punto de ebullición local. 3. Por 45 minutos mantener el fuego en un nivel que mantenga la temperatura del agua tan cerca como sea posible de los 3°C por debajo del punto de ebullición. 4. Después de los 45 minutos hacer lo siguiente: a. Anotar el tiempo final de la fase (este debe ser 45 minutos). b. Sacar toda la leña de la cocina quitar los pedazos de carbón de la leña y colocarlo en el recipiente, luego pesar la leña remanente incluyendo la leña no quemada. c. Anotar la temperatura final del agua, esta debería estar 3°C por debajo del punto de ebullición. d. Pesar la olla con el agua remanente, anotar. e. Extraer todo el carbón remanente de la cocina y pesarlo (incluyendo el carbón que fue quitado de los palos), anotar el peso del recipiente más todo el carbón. Esto completa la PEA. Las fases de alta y baja potencia se pueden realizar por separado, por otro lado para tener una mejor estadística la PEA se recomienda realizarla un total de 3 veces por cocina. 43 2.7 Variables empleadas en la PEA – Fase alta potencia 2.7.1 Variables directamente medidas if Peso inicial de leña (g). ip Peso inicial olla más agua (g). iT Temperatura inicial del agua (°C). it Hora al inicio de la fase (min). ff Peso final de leña (g). c Peso del carbón más recipiente al final de la fase (g). fp Peso de la olla más agua al final de la fase (g). fT Temperatura del agua al final de la fase (°C). ft Hora al final de la fase (min). 2.7.2 Variables calculadas mf Leña húmeda consumida (g). df Leña seca equivalente consumida (g). cΔ Carbón producido durante la fase (g). vw Agua evaporada (g). rw Agua remanente al final de la fase (g). ebt Duración de la fase (min). T ebt Duración de la fase con temperatura corregida (g/l). n Eficiencia térmica. combV Velocidad de combustión (g/min). CE Consumo específico de combustible (g/l). TCE Consumo específico de combustible con temperatura corregida (g/l). FP Potencia del fuego (kW). P Potencia promedio (kW). 44 2.7.3 Variables frecuentes. PC Poder calorífico inferior (kJ/kg). m Cantidad de humedad (% base húmeda). p Peso de la(s) olla(s) vacía(s) (g). k Peso del recipiente para pesar carbón (g). bT Temperatura de ebullición local (°C). 2.7.4 Descripción de cálculos. − Leña húmeda consumida mf : esta es la masa de leña que fue usada para llevar el agua a la temperatura ebullición, hallada restando la leña previamente pesada menos la leña que quedó al final de la fase. fim fff −= (2.1) − Carbón producido durante la fase cΔ : esta es la masa de carbón creada durante la fase, hallada removiendo el carbón de los leños sumados al carbón que queda en la cocina al final de cada fase. Dado que esta aun caliente, el carbón será puesto en un recipiente previamente pesado de masa k. kcc −=Δ (2.2) − Leña seca equivalente consumida df : es el cálculo que ajusta la cantidad de leña que fue quemada para considerar 2 factores: (1) la energía que fue necesitada para remover la humedad en la leña y (2) la cantidad de carbón remanente sin quemar. El cálculo es hecho del siguiente modo: c*5.1)m12.11(*ff md Δ−−= (2.3) 45 El factor de m12.11- es utilizado para considerar la pérdida de energía en evaporar el contenido de agua en la leña. El calor latente de vaporación del agua es 2260 kJ/kg que es alrededor 0.12 veces el valor calorífico de la leña empleada en las pruebas, por lo tanto si la leña esta compuesta por m% de humedad, la masa de leña que efectivamente calienta el agua de la olla es reducida aproximadamente a m12.11- . El factor de c∆5.1 considera la cantidad de leña transformada en carbón sin quemar. Dado que el carbón tiene aproximadamente el 150% del poder calorífico de la leña, la cantidad de leña que calienta la olla de agua es ajustada por c∆5.1 para considerar el carbón remanente. − Agua evaporada vw : cantidad de agua perdida en todas las ollas, a causa de la evaporación en las fases de evaluación. ∑ = −= 2 1n fninv )pp(w (2.4) − Agua remanente al final de la fase rw : es la cantidad de agua calentada hasta la ebullición. ∑ = ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ − −−= 2 1n inb infn fninr )TT TT (*)pp(w (2.5) − Duración de la fase con temperatura corregida TtΔ : facilita la comparación entre las pruebas que pudieron usar agua con altas o bajas temperaturas iniciales, es decir bajo diferentes condiciones ambientales, esto es normalizando el cambio de temperatura observado bajo las condiciones de realización de la prueba al cambio de temperatura estándar de 75°C (desde 25°C a 100°C). )TT( 75*tt if eb T eb - = (2.6) 46 − Eficiencia térmica n : es la cantidad de energía ganada por el agua respecto a la cantidad de energía entregada por el combustible. PC*f )w(*2260)TT(*)pp(*186.4 n d v 2 1n infnnin +⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −− = ∑ = (2.7) − Velocidad de combustión combV : es la velocidad de combustión del combustible durante la fase. eb d comb t fV = (2.8) − Consumo específico de combustible CE : se expresa como la cantidad en gramos de leña seca equivalente consumida para producir un litro de agua hervida. ∑ = ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ − −− = 2 1n inb infn nfn d ) TT TT (*)pp( fCE (2.9) − Consumo específico de combustible con temperatura corregida TCE . if T TT 75*CECE −= (2.10) − Potencia de la llama FP : es la cantidad de energía generada por la leña seca equivalente consumida en un intervalo correspondiente a la ebullición. 60*t PC*fFP eb d= (2.11) 47 − Potencia promedio P : es la cantidad de energía ganada por el agua en un intervalo de tiempo correspondiente a la ebullición [Ref. 2]. 60*t )w(*2260)TT(*)pp(*186.4 P eb v 2 1n infnnin +⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −− = ∑ = (2.12) 2.7.5 Observaciones. − Para las evaluaciones de los rendimientos de las cocinas, sólo emplearemos pruebas en fase de alta potencia con inicio en frío y en caliente. − En cocinas multi-hornilla, el factor ) TT TT ( inb infn - - es utilizado para tomar en consideración el agua calentada en las ollas adicionales que no llega a hervir completamente. Por ejemplo cuando calculamos el consumo específico, que en esta prueba mide la cantidad de leña requerida para llevar a ebullición una unidad de cantidad de agua, queremos dar reconocimiento al agua calentada en las ollas secundarias a pesar de que no llegaron a la temperatura de ebullición. Dado que la energía Q requerida para llevar a ebullición el agua es aproximadamente una función lineal del cambio de temperatura T∆αQ se reduce la cantidad de agua que no fue hervida por un factor que varia entre 0 y 1, mostrando la fracción de calor sensible absorbido por el agua, relativa al calor requerido para hervirla. 48 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 1. University of California Berkeley, (2003). Water Boiling Test Protocol, VITA, CA, U.S. 2. Assureira Espinoza Estela, (2007). Diseño, evaluación, y programa de transferencia tecnológica de Doña Olga: Una cocina institucional mejorada, 8° Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, Cusco, Perú. 49 CAPITULO TERCERO DESARROLLO DE LAS PRUEBAS 3.1 Objetivo En base a los resultados de eficiencia energética, tiempo de ebullición, ahorro de combustible y nivel de contaminación obtenidos de las Pruebas de Ebullición de Agua, lograr un modelo de cocina mejorada que cubra los requerimientos y necesidades de los propios usuarios. 3.2 Descripción de los modelos evaluados Son cocinas para uso doméstico en zonas rurales donde se utilizan medios y materiales locales para su construcción además de emplear la biomasa disponible como combustible. Estos prototipos se construyeron de adobe reforzado con paja tal como se construyen las cocinas en zonas rurales. Los modelos se diferencian en la forma y dimensión de la cámara combustión, el número de hornillas, tipo de alojamiento de las ollas en la cocina, postura del usuario al cocinar. A continuación se describen los modelos: 1. Cocina Referencia: Cámara de combustión abierta, colocación de la olla sobre tres bloques de adobe. Cocina de referencia de ahorro de combustible (Fig. 3.1). 2. Cocina 1: Cámara de combustión tipo Rocket o "L", altura de operación del usuario de 750 mm, dos hornillas, alojamiento sumergido de ollas en la cocina, chimenea metálica con válvula de regulación de gases, parrilla como lecho de combustible (Fig. 3.2). 50 3. Cocina 2: Cámara de combustión trapezoidal, plancha metálica en la superficie superior de la cocina para evitar rajaduras en el borde de la hornilla, altura de operación del usuario de 360 mm, una hornilla, alojamiento de la olla sobre la superficie de la cocina, chimenea construida de barro y yeso sin válvula de regulación de gases, parrilla como lecho de combustible (Fig. 3.3). 4. Cocina 3: Cámara de combustión rectangular, plancha metálica en la superficie superior de la cocina para evitar rajaduras en los bordes de las hornillas, altura de operación del usuario de 720 mm, dos hornillas, alojamiento sumergido de las ollas en la cocina, chimenea metálica con válvula de regulación de gases, parrilla como lecho de combustible (Fig. 3.4). 5. Cocina 4: Cocina tipo Lorena, cámara de combustión rectangular, altura de operación del usuario de 380 mm, dos hornillas, colocación de ollas sobre la superficie de la cocina, chimenea metálica con válvula de regulación de gases, parrilla como lecho de combustible (Fig. 3.5). 6. Cocina 5: Cámara de combustión rectangular, altura de operación de usuario de 550 mm, dos hornillas, colocación sumergida de las ollas en la cocina, chimenea de calamina enrollada cubierta con barro sin válvula de regulación de gases, parrilla como lecho de combustible (Fig. 3.6). 52 3.3 Descripción de parámetros de funcionamiento Se describen los parámetros dimensionales de funcionamiento en los modelos evaluados (Fig.3.7): 1. (HCAM) Altura del lecho de combustible a base de la olla. Esto influye en la transferencia de calor por radiación y en la calidad de la combustión. b. (G) Distancia radial entre la superficie exterior de las ollas y la superficie interior de la cocina o gap, este es el espacio por donde los gases de combustión abrazan en su recorrido a las superficies de las ollas. Esto influye principalmente a la eficiencia térmica y a la potencia promedio. c. (L) Profundidad de alojamiento de la olla, es la profundidad de olla sumergida en la cocina en contacto con los gases calientes de combustión. Esto influye principalmente a la eficiencia térmica y a la potencia promedio. d. (ACHIM) Área de salida del flujo de gases, es la sección de la chimenea, mediante el uso de una válvula mariposa se facilitó el control del flujo de gases y la entrada de aire a la cámara de combustión. Esto influye en la intensidad de la llama. e. (ALEÑA) Área transversal de leña empleada en la combustión. Esto afecta en la velocidad de combustión. 54 3.4 Evaluación de los modelos propuestos 3.4.1 Objetivos Se plantearon tres etapas de evaluación las cuales tienen como objetivo lo siguiente: a. Primera etapa: Seleccionar el modelo con mayores índices de rendimiento energético de los modelos planteados como cocinas mejoradas. b. Segunda etapa: Mejorar los índices de rendimiento energético del modelo seleccionado en la primera etapa. c. Tercera etapa: Verificar niveles mínimos de contaminación del modelo mejorado en la segunda etapa. 3.4.2 Procedimiento Se describen los procedimientos para cada etapa de evaluación (Fig.3.8): 3.4.2.1 Primera etapa de evaluación 1. Evaluar a los prototipos de cocinas mediante la Prueba de Ebullición de Agua. 2. Registrar el rendimiento energético de los prototipos principalmente a causa del tamaño y geometría de la cámara de combustión, el tipo de alojamiento de las ollas en la cocina y la cantidad de hornillas. 3. Comparar los resultados de rendimiento energético obtenidos en cada prototipo. 4. Seleccionar el prototipo con mejores índices de rendimiento energético con el objetivo de medir la influencia en la transferencia de calor (por radiación y convección) mediante la variación de sus parámetros de funcionamiento. 55 3.4.2.2 Segunda etapa de evaluación 1. Evaluar el prototipo seleccionado mediante la Prueba de Ebullición de Agua. 2. Registrar el rendimiento energético del prototipo seleccionado a causa de los cambios en sus parámetros de funcionamiento mencionados en el punto 3.3. 3. Comparar los resultados de rendimiento energético obtenidos entre cada condición de funcionamiento. 4. Seleccionar la condición de funcionamiento con mejores índices de rendimiento energético con el objetivo de definir dimensiones, determinar la cantidad de aire real presente en la combustión, realizar el balance energético, identificar las perdidas de energía y proceder a medir el nivel de contaminación de la cocina. 3.4.2.3 Tercera etapa de evaluación 1. Realizar la Prueba de Ebullición de Agua por espacio de 40 minutos. 2. Monitorear y registrar la concentración de CO (ppm) en el ambiente interior donde se realiza la PEA. El medidor portátil de CO se colocará a 30 cm [Ref.1] de la cocina por encima del lugar donde pudiera existir escape de humo hacia el ambiente interior (Fig.3.18). 3. Comparar los niveles de concentración de CO (ppm) obtenidos del modelo seleccionado contra los obtenidos de una cocina tres piedras. 4. Verificar que las emisiones de CO (ppm) obtenidas se encuentren por debajo de concentración de referencia 50 ppm [Ref.2]. 3. 4. 3 M at riz d e re su lta do s de la p rim er a et ap a de e va lu ac ió n Ta bl a 3. 1: P ar ám et ro s de fu nc io na m ie nt o y re su lta do s de la P E A c on e nc en di do e n frí o y en c al ie nt e Pa rá m et ro s de F un ci on am ie nt o de C oc in as e va lu ad as R es ul ta do s de la P EA c on e nc en di do e n Fr ío R es ul ta do s de la P EA c on e nc en di do e n C al ie nt e C O C . H C AM (m m ) G 1 (m m ) G 2 (m m ) L1 (m m ) L2 (m m ) A C H IM (c m 2) A LE Ñ A (c m 2) Te b (m in ) Te bT (m in ) Vc om b (g /m in ) n (% ) C E (g /l) C ET (g /l) PF (k W ) P (k W ) Te b (m in ) Te bT (m in ) Vc om b (g /m in ) n (% ) C E (g /l) C ET (g /l) PF (k W ) P (k W ) 18 18 37 18 14 0 13 6 10 .5 7 1. 95 - - - - - - - - C 0 14 0 - - - - - 6 - 7 21 20 34 17 14 7 14 1 9. 55 1. 65 - - - - - - - - Va lo re s Pr om ed io C oc in a 0 19 .5 19 .1 35 .5 17 .5 14 3. 5 13 8. 5 10 .0 6 1. 80 - - - - - - - - 20 19 43 20 12 4 11 9 12 .1 2 2. 44 14 14 49 23 10 1 10 0 13 .9 6 3. 18 28 26 34 21 13 7 12 5 9. 75 2. 02 17 16 45 22 10 9 10 2 12 .8 7 2. 84 C 1 36 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 24 24 39 19 13 5 13 3 11 .0 1 2. 11 17 16 46 22 11 8 11 0 13 .1 1 2. 84 Va lo re s Pr om ed io C oc in a 1 24 .0 23 .0 38 .7 20 .0 13 2. 0 12 5. 7 10 .9 6 2. 19 16 .0 15 .3 46 .7 22 .3 10 9. 3 10 4. 0 13 .3 1 2. 95 30 28 32 .0 14 20 1 19 1 9. 06 1. 23 17 17 49 .0 14 17 1 17 3 13 .8 4 1. 87 C 2 30 0 - - - - 11 3. 1 6 - 7 27 25 35 .0 13 19 8 18 5 10 .0 5 1. 28 19 19 46 .0 14 17 8 17 6 12 .9 8 1. 77 Va lo re s Pr om ed io C oc in a 2 28 .5 26 .5 33 .5 13 .5 19 9. 5 18 8. 0 9. 56 1. 26 18 .0 18 .0 47 .5 14 17 4. 5 17 4. 5 13 .4 1 1. 82 19 18 47 19 13 7 13 0 13 .2 5 2. 54 16 15 54 19 12 3 11 9 15 .2 6 2. 89 C 3 28 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 15 16 48 19 11 6 12 4 13 .7 4 2. 67 13 14 53 21 10 7 11 5 14 .9 6 3. 12 Va lo re s Pr om ed io C oc in a 3 17 .0 17 .0 47 .5 19 .0 12 6. 5 12 7. 0 13 .5 0 2. 61 14 .5 14 .5 53 .5 20 .0 11 5 11 7. 0 15 .1 1 3. 01 36 34 34 14 20 3 19 2 9. 54 1. 33 35 33 34 15 19 9 18 6 9. 64 1. 4 C 4 20 0 - - - - 11 3. 1 6 - 7 37 35 32 15 20 0 19 0 9. 18 1. 35 33 31 36 16 19 0 17 8 10 .1 3 1. 57 Va lo re s Pr om ed io C oc in a 4 36 .5 34 .5 33 .0 14 .5 20 1. 5 19 1. 0 9. 36 1. 34 34 .0 32 .0 35 .0 15 .5 19 4. 5 18 2. 0 9. 89 1. 49 16 15 51 18 13 5 12 7 14 .6 3 2. 57 16 15 47 20 12 3 11 4 13 .4 5 2. 69 C 5 21 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 19 18 39 19 12 2 11 5 11 .0 5 2. 14 15 14 57 19 13 3 12 3 16 .2 3. 02 Va lo re s Pr om ed io C oc in a 5 17 .5 16 .5 45 .0 18 .5 12 8. 5 12 1. 0 12 .8 4 2. 36 15 .5 14 .5 52 .0 19 .5 12 8. 0 11 8. 5 14 .8 3 2. 86 58 3.4.3.1 Graficas comparativas de resultados a. Tiempo de ebullición ( Tebt ) Tiempo de Ebullición (min) 23 26.5 17 34.5 15.3 18 14.5 32 14.5 16.5 19.1 0 10 20 30 40 Cocina 1 Cocina 2 Cocina 3 Cocina 4 Cocina 5 Inicio en frío Inicio en caliente Referencia Cocina tres piedras Figura 3.9: Gráfica comparativa del tiempo de ebullición. b. Eficiencia térmica (n ) Eficiencia Térmica (%) 20 13.5 19 14.5 18.5 22.3 14 20 15.5 19.5 17.5 0 5 10 15 20 25 Cocina 1 Cocina 2 Cocina 3 Cocina 4 Cocina 5 Inicio en frío Inicio en caliente Referencia Cocina tres piedras Figura 3.10: Gráfica comparativa de eficiencia térmica. 59 c. Consumo específico ( TCE ) Consumo Específico (g/l) 188 191 104 174.5 182 125.7 127 121 117 118.5 138.5 0 50 100 150 200 250 Cocina 1 Cocina 2 Cocina 3 Cocina 4 Cocina 5 Inicio en frío Inicio en caliente Referencia Cocina tres piedras Figura 3.11: Gráfica comparativa de consumo específico. d. Velocidad de combustión ( combV ) Velocidad de combustión (g/min) 38.7 33.5 47.5 4546.7 47.5 53.5 35 52 33 35.5 0 10 20 30 40 50 60 Cocina 1 Cocina 2 Cocina 3 Cocina 4 Cocina 5 Inicio en frío Inicio en caliente Referencia Cocina tres piedras Figura 3.12: Gráfica comparativa de velocidad de combustión. 3.4.3.2 Observaciones − La cocina 1 arrojó el índice más alto de eficiencia térmica (22.3 %), el índice más bajo de consumo específico (104 g/l) y el tiempo de ebullición (15.3 min) fue menor al de la cocina de referencia. Por lo tanto se seleccionará a la cocina 1 para la segunda etapa de evaluación. 3. 4. 4 M at riz d e re su lta do s de la s eg un da e ta pa d e ev al ua ci ón Ta bl a 3. 2: P ar ám et ro s de fu nc io na m ie nt o y re su lta do s de la P E A c on e nc en di do e n frí o y en c al ie nt e Pa rá m et ro s de F un ci on am ie nt o de C oc in a 1 R es ul ta do s de la P EA c on e nc en di do e n Fr ío R es ul ta do s de la P EA c on e nc en di do e n C al ie nt e C O N . H C AM (m m ) G 1 (m m ) G 2 (m m ) L1 (m m ) L2 (m m ) A C H IM (c m 2) A LE Ñ A (c m 2) Te b (m in ) Te bT (m in ) Vc om b (g /m in ) n (% ) C E (g /l) C ET (g /l) PF (k W ) P (k W ) Te b (m in ) Te bT (m in ) Vc om b (g /m in ) n (% ) C E (g /l) C ET (g /l) PF (k W ) P (k W ) 20 19 43 20 12 4 11 9 12 .1 2 2. 44 14 14 49 23 10 1 10 0 13 .9 6 3. 18 28 26 34 21 13 7 12 5 9. 75 2. 02 17 16 45 22 10 9 10 2 12 .8 7 2. 84 C O N .1 36 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 24 24 39 19 13 5 13 3 11 .0 1 2. 11 17 16 46 22 11 8 11 0 13 .1 1 2. 84 Va lo re s Pr om ed io C on di ci ón d e Fu nc io na m ie nt o 1 24 .0 23 .0 38 .7 20 .0 13 2. 0 12 5. 7 10 .9 6 2. 19 16 .0 15 .3 46 .7 22 .3 10 9. 3 10 4. 0 13 .3 1 2. 95 35 33 26 19 13 8 12 9 7. 48 1. 41 14 13 49 23 10 1 96 13 .9 8 3. 21 C O N .2 36 0 30 25 70 65 56 .5 6 - 7 33 32 30 19 15 0 14 4 8. 51 1. 63 19 18 37 24 10 2 98 10 .5 1 2. 57 Va lo re s Pr om ed io C on di ci ón d e Fu nc io na m ie nt o 2 34 .0 32 .5 28 19 14 4 13 6. 5 8. 00 1. 52 16 .5 15 .5 43 .0 23 .5 10 1. 5 97 .0 12 .2 5 2. 89 19 18 35 22 10 6 10 1 9. 93 2. 2 14 14 49 23 10 2 99 14 .0 2 3. 16 C O N .3 22 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 17 16 42 22 11 4 11 0 12 .0 1 2. 59 11 10 65 23 10 4 99 18 .4 6 4. 2 Va lo re s Pr om ed io C on di ci ón d e Fu nc io na m ie nt o 3 18 .0 17 .0 38 .5 22 .0 11 0. 0 10 5. 5 10 .9 7 2. 40 12 .5 12 .0 57 .0 23 .0 10 3. 0 99 .0 16 .2 4 3. 68 38 36 20 23 12 5 11 7 5. 58 1. 31 16 15 42 23 10 1 98 11 .9 6 2. 7 C O N .4 22 0 30 25 70 65 56 .5 6 - 7 17 16 43 21 11 1 10 7 12 .1 2 2. 54 14 13 39 27 83 79 11 .1 3. 03 Va lo re s Pr om ed io C on di ci ón d e Fu nc io na m ie nt o 4 27 .5 26 .0 31 .5 22 .0 11 8. 0 11 2. 0 8. 85 1. 93 15 .0 14 .0 40 .5 25 .0 92 .0 88 .5 11 .5 3 2. 87 11 11 85 17 13 3 12 8 24 .1 1 4. 08 10 10 97 20 13 4 13 1 27 .5 3 5. 64 C O N .5 22 0 30 25 70 65 11 3. 1 1. 5 - 4 10 9 77 20 11 5 10 9 21 .7 9 4. 35 11 10 85 18 12 8 12 1 24 .1 9 4. 45 Va lo re s Pr om ed io C on di ci ón d e Fu nc io na m ie nt o 5 10 .5 10 .0 81 .0 18 .5 12 4. 0 11 8. 5 22 .9 5 4. 22 10 .5 10 .0 91 .0 19 .0 13 1. 0 12 6. 0 25 .8 6 5. 05 13 13 60 20 11 5 11 1 17 .1 6 3. 45 12 12 69 21 11 4 11 0 19 .6 4 4. 08 C O N .6 22 0 30 25 70 65 56 .5 1. 5 - 4 13 12 58 21 11 4 10 7 16 .4 4 3. 43 12 11 61 21 10 7 10 2 17 .4 5 3. 71 Va lo re s Pr om ed io C on di ci ón d e Fu nc io na m ie nt o 6 13 .0 12 .5 59 .0 20 .5 11 4. 5 10 9. 0 16 .8 0 3. 44 12 .0 11 .5 65 .0 21 .0 11 0. 5 10 6. 0 18 .5 5 3. 90 17 17 39 24 99 96 11 .0 1 2. 66 17 17 35 29 87 85 9. 9 2. 82 C O N .7 22 0 10 10 70 65 11 3. 1 6 - 7 18 18 36 25 98 95 10 .3 3 2. 57 15 15 35 31 77 75 9. 82 3. 04 Va lo re s Pr om ed io C on di ci ón d e Fu nc io na m ie nt o 7 17 .5 17 .5 37 .5 24 .5 98 .5 95 .5 10 .6 7 2. 62 16 .0 16 .0 35 .0 30 .0 82 .0 80 .0 9. 86 2. 93 61 3.4.4.1 Graficas comparativas de resultados a. Tiempo de ebullición ( Tebt ) Tiempo de Ebullición (min) 23 32.5 17 26 10 12.5 17.5 15.3 15.5 12 14 10 11.5 16 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Condición 1 Condición 2 Condición 3 Condición 4 Condición 5 Condición 6 Condición 7 Inicio en frío Inicio en caliente Figura 3.13: Gráfica comparativa de tiempo de ebullición. b. Eficiencia térmica (n ) Eficiencia Térmica (%) 20 19 22 22 18.5 20.5 24.5 22.3 23.5 23 25 19 21 30 0 5 10 15 20 25 30 35 Condición 1 Condición 2 Condición 3 Condición 4 Condición 5 Condición 6 Condición 7 Inicio en frío Inicio en caliente Figura 3.14: Gráfica comparativa de la eficiencia térmica. 62 c. Consumo específico ( TCE ) Consumo Específico (g/l) 125.7 136.5 112 95.597 126 80 105.5 118.5 109 88.5 104 99 106 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Condición 1 Condición 2 Condición 3 Condición 4 Condición 5 Condición 6 Condición 7 Inicio en frío Inicio en caliente Figura 3.15: Gráfica comparativa de consumo específico. d. Velocidad de combustión ( combV ) Velocidad de combustión (g/min) 28 81 59 37.5 46.7 43 57 40.5 91 65 3538.538.7 31.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Condición 1 Condición 2 Condición 3 Condición 4 Condición 5 Condición 6 Condición 7 Inicio en frío Inicio en caliente Figura 3.16: Gráfica comparativa de velocidad de combustión. 3.4.4.2 Observaciones − La cocina 1 bajo la condición de funcionamiento 7, arrojó el índice más alto de eficiencia térmica (30 %) y el índice más bajo de consumo específico (80 g/l). Se seleccionará la cocina 1 bajo la condición de funcionamiento 7 para la tercera etapa de evaluación. 63 3.4.5 Resultados de la tercera etapa de evaluación 3.4.5.1 Monitoreo del nivel de contaminación de aire interior Monitoreo de CO 1222 3 5 2211 1 1 1 14 107 12 8 11 50 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Tiempo de monitoreo (min) C on ce nt ra ci ón d e C O (p pm ) Emisión de CO durante la PEA - Cocina 1 (cond. 7) Referencia 50 ppm Figura 3.17: Concentración de CO durante la PEA – Cocina 1, cond. de funcionamiento 7 Tabla 3.3: Resultados de la medición de CO Resultados de la medición de CO Cocina 1 (ppm) (1)Cocina tres piedras (ppm) Reducción de contaminación (%) Concentración de CO promedio 3.9 31.7 87.7 Concentración de CO más alta en los primero 15 min 12 46.3 74.1 (1) [Ref.3] 3.4.5.2 Observaciones − La cocina 1 bajo la condición de funcionamiento 7, tiene en promedio un nivel de contaminación de 3.9 ppm, reduciendo el nivel de contaminación en 87.7% respecto a una cocina tres piedras. − Tanto el valor promedio como el valor más alto de concentración de CO en los primeros 15 minutos de operación están por debajo de los 50 ppm. Se ha alcanzado un modelo de cocina mejorada que es energéticamente eficiente, de un bajo consumo de combustible y con niveles bajos de emisión de CO. Definido el modelo objetivo de cocina mejorada, se procederá a realizar el balance de energía además de realizar las PEA con otro tipo de biomasa disponible en zonas rurales como la bosta. 64 Figura 3.18: Monitoreo de la concentración de CO en el ambiente interior. 3.5 Pruebas de Ebullición de Agua en el modelo objetivo de cocina mejorada empleando Bosta como combustible 3.5.1 Objetivo Desarrollar la utilización eficiente de la bosta como combustible alternativo en las áreas rurales para aplicaciones domésticas. 3.5.2 Procedimiento 1. Evaluar el modelo objetivo de cocina mejorada mediante la Prueba de ebullición de Agua, empleando bosta como combustible. 2. Registrar el rendimiento energético. 3. Comparar los índices de rendimiento energético entre una cocina tres piedras y el modelo objetivo de cocina mejorada 3. 5. 3 M at riz d e re su lta do s de la P EA e m pl ea nd o bo st a co m o co m bu st ib le Ta bl a 3. 4: P ar ám et ro s de fu nc io na m ie nt o y re su lta do s de la P E A c on e nc en di do e n frí o y en c al ie nt e em pl ea nd o bo st a co m o co m bu st ib le Pa rá m et ro s de F un ci on am ie nt o de C oc in as R es ul ta do s de la P EA c on e nc en di do e n Fr ío R es ul ta do s de la P EA c on e nc en di do e n C al ie nt e C O C . H C AM (m m ) G 1 (m m ) G 2 (m m ) L1 (m m ) L2 (m m ) A C H IM (c m 2) P B O ST A (g ) Te b (m in ) Te bT (m in ) Vc om b (g /m in ) n (% ) C E (g /l) C ET (g /l) PF (k W ) P (k W ) Te b (m in ) Te bT (m in ) Vc om b (g /m in ) n (% ) C E (g /l) C ET (g /l) PF (k W ) P (k W ) 23 22 68 8 32 1 30 5 18 .1 1 1. 44 - - - - - - - - C 0 14 0 - - - - - 15 - 20 27 26 60 7 33 0 31 8 15 .9 4 1. 18 - - - - - - - - Va lo re s Pr om ed io C oc in a 0 25 .0 24 .0 64 .0 7. 5 32 5. 5 31 1. 5 17 .0 3 1. 31 - - - - - - - - 16 15 70 14 17 6 16 7 18 .5 8 2. 68 13 13 78 16 15 7 15 3 20 .7 5 3. 23 C 1 22 0 10 10 70 65 11 3. 1 15 - 20 20 19 60 14 19 0 18 1 16 .0 1 2. 18 15 15 73 15 16 9 16 5 19 .5 1 2. 87 Va lo re s Pr om ed io C oc in a m ej or ad a 18 .0 17 .0 65 .0 14 .0 18 3. 0 17 4. 0 17 .3 0 2. 43 14 .0 14 .0 75 .5 15 .5 16 3. 0 15 9. 0 20 .1 3 3. 05 66 3.5.4 Observaciones − El consumo específico de energía al emplear bosta fue de 2549 kJ/l mientras que para la leña fue de 1364 KJ/l. − La eficiencia aumento de 7.5 % a 15.5 % al usar una cocina mejorada frente a una tres piedras. 3.6 Dimensionamiento del modelo objetivo de cocina mejorada 3.6.1 Sección de la chimenea El modelo objetivo de cocina mejorada tuvo una velocidad de combustión de 35 g/min (Tabla 3.2) lo que equivale a: h kcal8560 g cal2.4076 h1 min60 min g35 =⋅⋅ De acuerdo a la expresión (1.11): 100 producidaenergíadeCantidadACHIM = (3.1) Donde: − Cantidad de energía producida (kcal/h) − ACHIM : Área de la chimenea (cm2) Siendo la cantidad de energía producida = 8560 kcal/h, la sección de la chimenea debería tener como mínimo 85.6 cm2 pero a causa que la temperatura promedio de los gases en la chimenea es de 229°C, la sección debe tener como mínimo 89.9 cm2. El diámetro de la chimenea adoptado fue de 120 mm (113.3 cm2) con lo que está suficientemente dimensionada. 67 3.6.2 Altura de la chimenea De acuerdo a la expresión (1.12): 20d ≤ HCHIM ≤ 25d (3.2) Donde: − d : Diámetro de la chimenea (mm) − HCHIM : Altura de la chimenea (mm) Siendo d = 120 mm, la altura recomendada de la chimenea está entre 2400 a 3000 mm. La altura de la chimenea adoptada fue de 2500 mm con lo que está dentro del rango recomendado. Se tiene definido que el diámetro d = 120 mm y la altura de la chimenea HCHIM = 2500 mm están dentro de los valores recomendados. 3.7 Tiro de la chimenea 3.7.1 Cálculo aproximado del tiro de la chimenea Dado que la temperatura media de los gases que fluyen por la chimenea es 229° C, se puede utilizar la expresión (1.13): Z = 0.4 HCHIM (3.3) Donde: − HCHIM : Altura de la chimenea (m) − Z : Tiro útil en la chimenea (pa) 68 Siendo: HCHIM = 2.5 m Reemplazando en (3.3): Z = 0.4 (2.5) = 1 mm.c.a (10 pa). 3.7.2 Medición del tiro de la chimenea En base al punto 1.3.3 (Capítulo 1), la norma española UNE-EN 676 (Fig.1.3) recomienda tomar la medida de presión en la chimenea a una altura 2d medido desde la base. Siendo el diámetro de la chimenea d = 120 mm, el tubo de pitot se colocará a una distancia de 240 mm. Se realizo una PEA al modelo objetivo de cocina mejorada por espacio de 45 min registrándose en el micromanómetro de Betz una diferencia de presión constante o tiro de 0.2 kgf/m2 (≈2 pa). Para los cálculos de balance energético durante el funcionamiento del modelo objetivo de cocina mejorada, se tomará el valor de 2 pa. 3.8 Balance energético del modelo objetivo de cocina mejorada 3.8.1 Objetivo Se muestra el esquema del balance energético del modelo objetivo de cocina mejorada (Fig.3.19), con el objetivo de determinar la cantidad de energía que no es aprovechada y el medio por donde esta se pierde. 70 3.8.2 Balance energético 3.8.2.1 Distribución de la energía producida en la combustión La energía producida en la combustión se distribuye en: − Q1, Energía producida por la combustión de leña húmeda. − Q2, Energía perdida por humedad en la leña. − Q3, Energía perdida en los residuos de carbón. − Q4, Energía ganada por el agua de olla principal. − Q5, Energía ganada por el agua de olla secundaria. − Q6, Energía ganada por evaporación de agua de olla principal. − Q7, Energía ganada por evaporación de agua de olla secundaria. − Q8, Energía perdida en los gases de combustión. − Q9, Energía perdida en el cuerpo de la cocina. a. Energía producida por la combustión de leña húmeda 60t PCfQ eb m 1 ⋅ ⋅= (3.4) Donde: 1Q : Energía producida por la combustión de leña húmeda (kW). mf : Leña húmeda consumida (kg). PC : Poder calorífico inferior de leña (kJ/kg). ebt : Tiempo de la PEA hasta la ebullición de agua en olla principal (min). Se tiene: mf = 0.8175 kg (valor promedio de pruebas) PC = 17,066 kJ/kg (Tabla 1.1) ebt = 16 min (valor promedio de pruebas) 71 Reemplazando en (3.4): )60)(16( )066,17)(8175.0(Q1 = kW53.14Q1 = b. Energía perdida por humedad en la leña: 60t PC)mf12.0mf(Q eb mm 2 ⋅ ⋅⋅⋅+⋅= (3.5) Donde: 2Q : Energía perdida por de humedad en la leña (kW). m : Cantidad de humedad (% base húmeda). Se tiene: m = 12.74 % (Tabla 1.1) El factor de 0.12 representa la relación Calor latente de evaporación de agua / Poder calorífico de leña [Ref.4]. Reemplazando en (3.5): )60)(16( )066,17)(1274.0)(8175.0)(12.1(Q2 = kW07.2Q2 = c. Energía perdida en los residuos de carbón: 60t )PC5.1()c(Q eb 3 ⋅ ⋅⋅Δ= (3.6) 72 Donde: 3Q : Energía perdida en los residuos de carbón (kW). cΔ : Carbón producido durante la combustión (kg). El factor de 1.5 representa la relación Poder calorífico carbón / Poder calorífico de leña [Ref.5]. Se tiene: cΔ = 0.0975 kg (valor promedio de pruebas). Reemplazando en (3.6): )60)(16( )066,17)(5.1)(0975.0(Q3 = kW60.2Q3 = d. Energía ganada por el agua de olla principal: 60t TmC Q eb 11.ag.Pag 4 ⋅ Δ⋅⋅= (3.7) Donde: 4Q : Energía ganada por el agua de olla principal (kW). .PagC : Calor específico de agua (kJ/kg °C). 1.agm : Masa agua olla principal (kg). 1TΔ : Diferencia de temperatura en olla principal hasta ebullición (°C). 73 Se tiene: .PagC = 4.186 kJ/kg °C [Ref.6] 1.agm = 5 kg 1TΔ = 77°C (valor promedio de pruebas). Reemplazando en (3.7): )60)(16( )77)(5)(186.4(Q4 = kW68.1Q4 = e. Energía ganada por el agua de olla secundaria: 60t TmC Q eb 22.ag.Pag 5 ⋅ Δ⋅⋅= (3.8) Donde: 5Q : Energía ganada por el agua de olla secundaria (kW). 2.agm : Masa agua olla secundaria (kg). 2TΔ : Diferencia de temperatura en olla secundaria (°C). Se tiene: 2.agm = 2.5 kg 2TΔ = 61 °C Reemplazando en (3.8): )60)(16( )61)(5.2)(186.4(Q5 = kW66.0Q5 = 74 f. Energía ganada por evaporación de agua de olla principal: 60t mCQ eb 1.ev.Lev 6 ⋅ ⋅= (3.9) Donde: 6Q : Energía ganada por evaporación de agua de olla principal (kW). .LevC : Calor latente de evaporación de agua (kJ/kg). 1.evm : Masa agua evaporada en olla principal (kg). Se tiene: .LevC = 2260 kJ/kg [Ref.7] 1.evm = 0.1975 kg (valor promedio de pruebas) Reemplazando en (3.9): )60)(16( )1975.0)(2260(Q6 = kW46.0Q6 = g. Energía ganada por evaporación de agua de olla secundaria: 60t mCQ eb 2.ev.Lev 7 ⋅ ⋅= (3.10) Donde: 7Q : Energía ganada por evaporación de agua de olla secundaria (kW). 2.evm : Masa agua evaporada en olla secundaria (kg). 75 Se tiene: 2.evm = 0.050 kg (valor promedio de pruebas) Reemplazando en (3.10): )60)(16( )05.0)(2260(Q7 = kW12.0Q7 = h. Energía perdida en los gases de combustión Se determina por la ecuación [Ref.8]: gPgg8 TCmQ Δ⋅⋅= • (3.11) ggg Vm ρ⋅= •• (3.12) g g CHIMg p2 AV ρ Δ⋅⋅α=• (3.13) Donde: 8Q : Energía perdida en los gases de combustión (kW). gm • : Flujo de masa de gases de combustión (kg/s). PgC : Calor específico de los gases de combustión (kJ/kg °C). gTΔ : Diferencia de temperatura de los gases de combustión. gV • : Caudal de gases de combustión (m3/s). gρ : Densidad de gases de combustión (kg/m3). α : Coeficiente de descarga de la chimenea. CHIMA : Sección de flujo de gases de combustión (m 2). gpΔ : Diferencia de presión en la chimenea (Pa). 76 La temperatura promedio de los gases de combustión en la chimenea medida en las pruebas fue de 229°C. Dado que los gases de combustión tienen aproximadamente una densidad y CP igual a la del aire, se tomarán estos valores para los cálculos. Se tiene: α = 0.72 [Ref.9] CHIMA = 0.0113 m 2 gpΔ = 2 Pa (obtenido en el punto 3.7.2) gρ = 0.708 kg/m3 [Ref.10] gTΔ = 207 °C (valor promedio de pruebas) PgC = 1.0319 kJ/kg °C [Ref.11]. Reemplazando en (3.13): 708.0 )2(2)0113.0()72.0(Vg =• s/m019.0V 3g =• Reemplazando en (3.12): )708.0)(019.0(mg =• s/kg014.0mg =• Reemplazando en (3.11): )207)(0319.1)(014.0(Q8 = kW99.2Q8 = 77 i. Energía perdida en el cuerpo de la cocina Se hallará por diferencia: )Q...Q(QQ 8219 ++−= (3.14) Donde: 9Q : Energía en el cuerpo de la cocina (kW). Se tiene: 1Q = 14.53 kW 2Q = 2.07 kW 3Q = 2.60 kW 4Q = 1.68 kW 5Q = 0.66 kW 6Q = 0.46 kW 7Q = 0.12 kW 8Q = 2.99 kW Reemplazando en (3.14): kW95.3Q9 = 3.8.2.2 Balance de energía de ganancias y pérdidas a. Energía que realmente proporciona el combustible durante la combustión: 321entregado QQQQ −−= (3.15) kW86.9Qentregado = 78 b. Energía aprovechada por las ollas principal y secundaria: 7654oaprovechad QQQQQ +++= (3.15) kW92.2Q oaprovechad = Tabla 3.5: Balance de energía del modelo objetivo de cocina mejorada Balance de energía Energía (kW) % Q entregado por el combustible 9.86 100 Q aprovechado por el contenido de ollas 2.92 29.6 Q perdida en chimenea 2.99 30.3 Q perdida en cuerpo cocina 3.95 40.1 Estos resultados son similares a otros balances indicados en textos relacionados a cocinas mejoradas [Ref.12]. 3.9 Determinación del exceso de aire del modelo objetivo de cocina mejorada El exceso de aire se puede calcular despejando la ecuación de los productos de combustión [Ref.13]: combcencombaatg V)mmem(m ⋅−+⋅= • (3.16) Donde: gm • : Flujo de masa de los productos gaseosos de la combustión (kg/s). atm : Peso de aire teórico por kg de combustible (kg). ae : Coeficiente de exceso de aire teórico. combm : Peso de combustible (kg). cenm : Peso de cenizas por kg de combustible (kg). combV : Velocidad de combustión (kg/s). 79 Se tiene: gm • = 0.014 kg/s (Punto 3.8.2) atm = 4.56 kg (Tabla 1.5) combm = 1 kg cenm = 0.0049 kg (Tabla 1.3a) combV = 35 g/min (Tabla 3.2) Reemplazando en (3.16): 014.0)0049.01e56.4( )60)(1000( 35 a =−+⋅⋅ 35 )60)(1000)(014.0(9951.0e56.4 a =+⋅ 23e56.4 a =⋅ 5ea = 3.10 Eficiencia de la combustión Se define como la relación de calor entregado al equipo entre el calor que produciría el combustible en su combustión completa [Ref.14] y es un indicador de la eficiencia de la cámara combustión. Despreciando la cantidad de ceniza en el combustible, dado que sólo es del 0.49% (Tabla 1.3b), la eficiencia de combustión es: 1 31 comb Q QQn −= (3.17) Reemplazando en (3.17): %82ncomb = 80 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 1. Centro de investigación Aprovecho, (2007). Normas de Referencia para la certificación Aprovecho para la cocina de combustión mixta modelo Incawasi, Arequipa, Perú, p.1. 2. Centro de investigación Aprovecho, (2007). Resultados de la misión de la certificación de cocinas mejoradas, Arequipa, Perú, p.10. 3. Centro de investigación Aprovecho, op. cit., p.9. 4. Baldwin Samuel F., (1987). Biomass Stoves: Engineering Design, Development and Dissemination, VITA, Arlington, Virginia, p.89. 5. Baldwin Samuel F., op. cit., p.89. 6. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 7. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 8. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 9. Jiménez Fernando, (1986). Tesis de Ingeniero PUCP: Diseño de una terma a carbón, Lima, Perú, p.27. 10. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 11. Material de enseñanza del curso de Transferencia de Calor. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 12. Baldwin Samuel F., op. cit., pp.29-30. 13. Jiménez Fernando, op. cit., p.24 . 14. Jiménez Fernando, op. cit., p. 21. 81 CAPITULO CUARTO ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE RESULTADOS En base a los resultados del Capítulo 3, se han elaborado las matrices comparativas (Tablas 4.1, 4.2) de las PEA con encendido en caliente tanto de la primera como segunda etapa de evaluación De esta información se muestran las gráficas comparativas Figuras 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 con el objetivo de observar sus índices de rendimiento de acuerdo a la cámara de combustión, número de hornillas, tipo de alojamiento de las ollas en la cocina, tamaño y tipo de combustible. 4.1 Resultados de la primera etapa de evaluación 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 C0 C1 C0 C2 C0 C3 C0 C4 C0 C5 Ti em po E b. (m in ) - E fic ie nc ia (% ) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 P ot en ci a P ro m ed io (k W ) Tiempo de Ebullición (min) Eficiencia (%) Potencia Promedio (kW) Figura 4.1: Comparación entre prototipos. Tiempo de Eb., Eficiencia, Potencia promedio Ta bl a 4. 1: M at riz d e R es ul ta do s de la p rim er a et ap a de e va lu ac ió n C O C . H C A M (m m ) G 1 (m m ) G 2 (m m ) L1 (m m ) L2 (m m ) A C H IM (c m 2 ) A LE Ñ A (c m 2 ) TI EM PO D E EB U LL IC IÓ N (m in ) VE LO C ID A D D E C O M B U ST IÓ N (g /m in ) EF IC IE N C IA TÉ R M IC A (% ) C O N SU M O ES PE C ÍF IC O (g /l) PO TE N C IA PR O M ED IO (k W ) A H O R R O D E C O M B U ST IB LE (% ) 0 14 0 - - - - - 6 - 7 19 .1 35 .5 17 .5 13 8. 5 1. 80 0. 0 1 36 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 15 .3 46 .7 22 .3 10 4. 0 2. 95 24 .9 2 30 0 - - - - 11 3. 1 6 - 7 18 .0 47 .5 14 .0 17 4. 5 1. 82 -2 6. 0 3 28 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 14 .5 53 .5 20 .0 11 7. 0 3. 01 15 .5 4 20 0 - - - - 11 3. 1 6 - 7 32 .0 35 .0 15 .5 18 2. 0 1. 49 -3 1. 4 5 21 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 14 .5 52 .0 19 .5 11 8. 5 2. 86 14 .4 Ta bl a 4. 2: M at riz d e R es ul ta do s de la s eg un da e ta pa d e ev al ua ci ón C O N . H (m m ) G 1 (m m ) G 2 (m m ) L1 (m m ) L2 (m m ) A C H IM (c m 2 ) A LE Ñ A (c m 2 ) TI EM PO D E EB U LL IC IÓ N (m in ) VE LO C ID A D D E C O M B U ST IÓ N (g /m in ) EF IC IE N C IA TÉ R M IC A (% ) C O N SU M O ES PE C ÍF IC O (g /l) P O TE N C IA PR O M ED IO (k W ) A H O R R O D E C O M B U ST IB LE (% ) 1 36 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 15 .3 46 .7 22 .3 10 4. 0 2. 95 24 .9 2 36 0 30 25 70 65 56 .5 6 - 7 15 .5 43 .0 23 .5 97 .0 2. 89 30 .0 3 22 0 30 25 70 65 11 3. 1 6 - 7 12 .0 57 .0 23 .0 99 .0 3. 68 28 .5 4 22 0 30 25 70 65 56 .5 6 - 7 14 .0 40 .5 25 .0 88 .5 2. 87 36 .1 5 22 0 30 25 70 65 11 3. 1 1. 5 - 4 10 .0 91 .0 19 .0 12 6. 0 5. 05 9. 0 6 22 0 30 25 70 65 56 .5 1. 5 - 4 11 .5 65 .0 21 .0 10 6. 0 3. 90 23 .5 7 22 0 10 10 70 65 11 3. 1 6 - 7 16 .0 35 .0 30 .0 80 .0 2. 93 42 .2 83 a. Tiempo de Ebullición El tiempo de ebullición en las cocinas 1, 3, 5 disminuyó en 3.8, 4.6, 4.6 minutos respectivamente mientras que en la cocina 2 sólo disminuyó en 1.1 minuto. Por el contrario en la cocina 4 se tuvo un mayor tiempo de ebullición aumentando en 12.9 minutos. Esta disminución del tiempo de ebullición muestra que se logra un mejor aprovechamiento de la transferencia de energía por radiación y convección desde la llama y de los gases calientes hacia la olla principal en una cámara de combustión cerrada, ya que en una cámara de combustión abierta parte de esta energía se pierde al medio ambiente. El mayor tiempo de ebullición producido en la cocina 4 refleja una mala transferencia de energía de la llama y los gases de combustión principalmente a causa de la forma de la cámara de combustión que provoca un inadecuado flujo de aire que desvía la llama hacia las paredes internas de la cocina y enfría la temperatura de los gases de combustión. b. Eficiencia térmica La eficiencia térmica aumentó notablemente en la cocina 1 en 4.8% mientras que en las cocinas 3 y 5 sólo en 2.5 y 2% respectivamente. Por el contrario en las cocinas 2 y 4 se tuvieron eficiencias de 3.5 y 2% respectivamente más bajas que una cocina tradicional. El aumento de eficiencia térmica manifiesta la magnitud de la energía ganada por convección principalmente a través de la superficie de la olla secundaria a causa del tipo de alojamiento sumergido dentro de la cocina. Esta energía ganada por la olla secundaria en las cocinas 1, 3, 5 representa una eficiencia térmica de 6, 5, 4.5% respectivamente. La disminución de la eficiencia térmica en las cocinas 2 y 4, se debe principalmente a que las ollas no aprovechan la energía de los gases calientes a causa del tipo de alojamiento de la olla sobre la superficie de la cocina. c. Potencia promedio La potencia promedio aumentó en las cocinas 1, 3, 5 en 1.15, 1.21, 1.06 kW respectivamente. En la cocina 2 la potencia promedio es similar al de una cocina tradicional, por otro lado en la cocina 4 la potencia promedio disminuyó en 0.32 kW. 84 Este aumento en la potencia promedio demuestra que en cocinas mejoradas bien diseñadas, se puede lograr mayor rapidez en el proceso de cocción de alimentos hasta en un 67% comparado con una cocina tradicional. Con este aumento de potencia se estaría cubriendo un requerimiento importante del usuario. Este aumento de potencia deberá ser complementado con el ahorro de combustible respectivo. 30.0 50.0 70.0 90.0 110.0 130.0 150.0 170.0 190.0 C0 C1 C0 C2 C0 C3 C0 C4 C0 C5 V el . C om b. (g /m in ) - C on s. E sp . ( g/ l) -35.0 -30.0 -25.0 -20.0 -15.0 -10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 A ho rro d e C om bu st ib le (% ) Velocidad de combustión (g/min) Consumo específico (g/l) Ahorro de Combustible (%) Figura 4.2: Comparación entre prototipos. Velocidad de Combustión, Consumo Específico, Ahorro Combustible. d. Velocidad de combustión La velocidad de combustión aumentó en las cocinas 1, 2, 3, 5 en 11.2, 12, 18, 16.5 g/min, mientras que en la cocina 4 esta velocidad de combustión fue similar a la de una cocina tradicional. Este aumento en la velocidad de combustión muestra la influencia del precalentamiento del aire primario (alcanzando una temperatura estable de 250°C aproximadamente) causando un incremento en la temperatura promedio de la cámara de combustión fomentando una mayor velocidad del desprendimiento de volátiles de la leña, facilitando la combustión. e. Consumo específico y ahorro de combustible El consumo específico se redujo en las cocinas 1, 3, 5 en 34.5, 21.5, 20 g/l representando un ahorro de combustible de 24.9, 15.5, 14.4% respectivamente. Por el contrario en las cocinas 2, 4 el consumo de combustible aumentó en 36, 43.5 g/l representando un gasto de combustible de 26, 31.4% respectivamente. 85 La reducción del consumo específico demuestra que mediante el uso de cocinas mejoradas se obtiene un ahorro de combustible de 24.9% comparado con una cocina tradicional. Con este ahorro de combustible se estaría cubriendo otra necesidad fundamental del usuario y se complementará con la potencia promedio requerida. Se debe mencionar que no todos los prototipos sugeridos como cocinas mejoradas darán un servicio satisfactorio de rapidez, eficiencia térmica y ahorro de combustible. Habiendo obtenido logros aceptables por parte de las cocinas mejoradas 1, 3, 5 se mostrarán los rendimientos obtenidos de la cocina 1 mediante la variación de sus parámetros de funcionamiento. 4.2 Resultados de la segunda etapa de evaluación 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 C1 C2 C3 C4 C3 C7 C5 C6 Ti em po E b. (m in ) - E fic ie nc ia (% ) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 P ot en ci a P ro m ed io (k W ) Tiempo de Ebullición (min) Eficiencia (%) Potencia Promedio (kW) Figura 4.3: Comparación entre condiciones. Tiempo de Eb., Eficiencia, Potencia promedio a. Tiempo de Ebullición Se observa que el tiempo de ebullición disminuyó en 3.3 minutos al reducir la distancia lecho de combustible – base de olla (mejor aprovechamiento de transferencia de calor por radiación) y logrando una disminución hasta de 5.3 minutos al reducir el área transversal del combustible empleado (mayor velocidad de salida de volátiles). Se observa una tendencia creciente del tiempo de ebullición al reducir el área del flujo de gases (área de chimenea o el gap). 86 b. Eficiencia Se observa que al disminuir la distancia del lecho de combustible – base de olla la eficiencia aumentó en 0.7% y en mayor proporción al reducir el gap se alcanzó un valor hasta de 30% es decir aumentó en 7.7% (distancia lecho de combustible – base de olla de 220 mm, gap 10 mm). Es importante señalar que al igual de lo que sucede con el tiempo de ebullición se tiene una tendencia creciente de la eficiencia térmica al reducir el área del flujo de gases (área de la chimenea o el gap). c. Potencia promedio Se observa que la potencia promedio aumentó en 0.73 kW al reducir la altura del lecho de combustible – base de olla y en mayor proporción al reducir el área transversal del combustible empleado aumentando en 2.09 kW. Se observa un comportamiento contrario al tiempo de ebullición y eficiencia térmica, es decir una tendencia decreciente de la potencia promedio al reducir el área del flujo de gases (área de chimenea o el gap). 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 C1 C2 C3 C4 C3 C7 C5 C6 V el . C om b. (g /m in ) - C on s. E sp . ( g/ l) 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 A ho rro d e C om bu st ib le (% ) Velocidad de combustión (g/min) Consumo específico (g/l) Ahorro de Combustible (%) Figura 4.4: Comparación entre condiciones. Velocidad de Combustión, Consumo Específico, Ahorro Combustible. 87 d. Velocidad de combustión Se observa que la velocidad de combustión aumentó en 10 g/min al reducir la distancia lecho de combustible – base de olla y notablemente en 44.3 g/min al reducir el área transversal de combustible empleado. Se observa una tendencia decreciente de la velocidad de combustión al reducir el área del flujo de gases (área de chimenea o el gap). e. Consumo específico y ahorro de combustible Se observa que el ahorro de combustible aumentó en un 3.6% al reducir la distancia lecho de combustible – base olla, en mayor proporción al reducir el gap se alcanzó un valor de 42% de ahorro de combustible lo que equivale a un aumento de 17.3% (distancia lecho de combustible – base olla de 220 mm, gap 10 mm). Es importante señalar que contrario con el comportamiento de velocidad de combustión se tiene una tendencia creciente del ahorro de combustible al reducir el área del flujo de gases (área de la chimenea o el gap). 88 CONCLUSIONES A partir de las evaluaciones podemos obtener las siguientes conclusiones: 1. Mediante la realización de pruebas se logró un prototipo de cocina mejorada que cumplió con los requerimientos establecidos, alcanzando una eficiencia térmica de 30% y un ahorro de combustible de 42% respecto a una cocina tradicional, esto para una distancia lecho de combustible – base de olla de 220 mm y un gap de 10 mm para cada olla. Estos incrementos se debieron a un mejor aprovechamiento de la transferencia de calor por convección desde los gases calientes a las áreas de contacto de las ollas. 2. Se logró reducir el nivel de contaminación de aire del ambiente interior donde se cocina a un valor promedio de emisión de CO de 3.9 ppm. 3. La forma de la cámara de combustión influye de manera notable en la eficiencia térmica de la cocina obteniendo los mejores resultados en la cámara de combustión tipo “L”. 4. El volumen de la cámara de combustión lo define en parte el tipo de combustible usado, otro factor que influye el volumen es la potencia requerida. Al emplear bosta se alimentó con mayor frecuencia la cámara de combustión en comparación con la leña, esto principalmente a causa de ser un combustible de menor densidad. 5. El uso de una parrilla como lecho de combustible ayuda al proceso de combustión precalentando el aire primario que ingresa a la cámara de combustión a una temperatura de 250°C. El aire precalentado eleva la temperatura promedio de la cámara de combustión. 6. Mediante el control del flujo de gases a través del interior de la cocina ya sea al reducir el gap o regular el área de salida en la chimenea, se obtienen aumentos de eficiencia térmica y ahorro de combustible a costa de una reducción de la potencia promedio. La elección y equilibrio debe ser determinada por el usuario. 7. La relación entre los consumos específicos de energía (kJ/l) entre la bosta y la leña fue de 1.8. Esta relación se podría disminuir mediante el uso de briquetas de bosta, para utilizar sólo el combustible necesario. 89 8. Debido a la gran pérdida de energía a través de las paredes interiores de la cocina y a través de los gases calientes que escapan por la chimenea, representando aproximadamente el 40.1 % (3.95 kW) y el 30.3% (2.99 kW) de la energía entregada por la llama respectivamente, se deja para un estudio posterior la influencia en la eficiencia térmica y ahorro de combustible empleando materiales aislantes y de baja conductividad térmica, propios de las zonas rurales. Además de adecuar sistemas de aprovechamiento de la energía de los gases calientes que escapan por la chimenea. Así mismo se deja para un estudio posterior el registro de las emisiones de CO (a la salida de la chimenea) durante la combustión a medida que disminuye la altura entre el lecho de combustible y la base de la olla. 90 BIBLIOGRAFÍA 1. INEI. Resultados del Censo Nacional de Población y vivienda 2005, Lima, Perú. 2. TECSUP, (2006). Combustión y Quemadores de Gas Natural, Lima, Perú, pp.13 – 14. 3. Assureira Espinoza Estela. Proyecto carbón, Pontificia Universidad Católica del Perú. 4. Baldwin Samuel F., (1987). Biomass Stoves: Engineering Design, Development and Dissemination, VITA, Arlington, Virginia. 5. Laboratorio de Energía. Sección Ingeniería Minas, Pontificia Universidad Católica del Perú. 6. Laboratorio de Energía. Sección Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú. 7. Heising klas, (2008). Presentación experiencia en Bolivia, Foro: Energía para el desarrollo, Proyecto EnDev Arequipa, Arequipa, Perú. 8. Zanabria Pedro, (2007). Propiedades físicas de árboles nativos empleados como combustibles, Universidad Nacional San Antonio de Abad, Centro de Capacitación para el desarrollo, Cusco, Perú. 9. Moran Michael J., (2004). Fundamentos de termodinámica técnica, segunda edición, Barcelona, España. 10. Assureira Espinoza Estela, (2007). 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General Garzón 658 Jesús María - Lima 11 Teléfonos: 433-4223 Anexos: 160 ó 222 Telefax: 431-1340 Nota de Prensa Nº 135 Junio 2006 Según los resultados del Censo Nacional CASI DOS MILLONES DE HOGARES COCINAN CON LEÑA En el Perú, un millón 974 mil hogares cocinan con leña, el cual se constituye, después del gas, en el segundo combustible más usado para cocinar por los hogares peruanos, informó el Instituto Nacional de Estadística e Informática (INEI). Según los Censos Nacionales 2005, el 32, 6% de los hogares sigue utilizando la leña como combustible para la producción diaria de sus alimentos. Este hecho, sin embargo, no sólo afecta al medio ambiente al incidir en la deforestación, sino que también puede afectar la salud de los miembros del hogar, los que se encuentran expuestos a contraer enfermedades respiratorias por intoxicación con el humo, sobre todo si en la cocina no tiene una adecuada ventilación. Perú, Tipo de combustible usado para cocinar Tipo de combustible Total Porcentaje (%) Electricidad 68,110 1.1 Gas 3,061,536 50.6 Kerosene 391,349 6.5 Carbón 131,861 2.2 Leña 1,974,758 32.6 Otro tipo de combustible 230,988 3.8 No cocinan 195,078 3.2 Total 6,053,680 100.0 Fuente: INEI, CPV -2005 En el país, sólo el 50,6% de los hogares utilizan el gas propano para cocinar, otros combustibles utilizados son kerosene (6,5%), carbón (2,2%) y electricidad (1,1%). Según los Censos Nacionales 2005, las regiones en las que se utiliza principalmente la leña para cocinar son Cajamarca (79,6%), Apurímac (78,9%), Amazonas (77,0%), Ayacucho (73,4%), Huancavelica (72,4%) y Huanuco (68,6%). Entre las regiones en las que menos se utiliza la leña para cocinar se encuentran El Callao (1,3%), Lima (4,0%), Tumbes (11,2%), Ica (15,5%) y Arequipa (15,7%) . Perú: Incidencia en el uso de leña como combustible para cocinar Orden Región Porcentaje Orden Región Porcentaje Orden Región Porcentaje NACIONAL 32.6 17 LAMBAYEQUE 28.4 1 CAJAMARCA 79.5 9 ANCASH 53.3 18 MADRE DE DIOS 27.7 2 APURIMAC 78.9 10 CUSCO 51.7 19 PUNO 24.9 3 AMAZONAS 77.0 11 JUNIN 51.3 20 TACNA 17.0 4 AYACUCHO 73.4 12 UCAYALI 48.0 21 AREQUIPA 15.7 5 HUANCAVELICA 72.4 13 PASCO 47.6 22 ICA 15.5 6 HUANUCO 68.6 14 PIURA 44.5 23 TUMBES 11.2 7 SAN MARTIN 66.2 15 LA LIBERTAD 37.0 24 LIMA 4.0 8 LORETO 58.3 16 MOQUEGUA 32.2 25 CALLAO 1.3 Fuente: INEI, CPV –2005 difusion@inei.gob.pe w w w . i n e i . g o b . p e 1 Según el número de hogares que cocinan con leña, a nivel de región, Cajamarca se ubica en primer lugar con 241 mil hogares, seguido por Piura (157,783 hogares), Cusco (146,951), Junín (131,537), Ancash (127,779) y La Libertad (127,541). Perú: Distribución de los hogares que Cocina con Leña Orden Región Hogares Orden Región Hogares Orden Región Hogares Total 1,974,758 9 SAN MARTIN 103,018 18 UCAYALI 41,171 1 CAJAMARCA 241,559 10 LORETO 97,107 19 PASCO 28,294 2 PIURA 157,783 11 PUNO 80,944 20 ICA 23,941 3 CUSCO 146,951 12 APURIMAC 80,394 21 MOQUEGUA 14,629 4 JUNIN 131,537 13 HUANCAVELICA 74,347 22 TACNA 12,336 5 ANCASH 127,779 14 LIMA 72,855 23 MADRE DE DIOS 6,014 6 LA LIBERTAD 127,541 15 LAMBAYEQUE 67,434 24 TUMBES 5,060 7 AYACUCHO 110,686 16 AMAZONAS 67,297 25 CALLAO 2,460 8 HUANUCO 108,282 17 AREQUIPA 45,339 Fuente: INEI, CPV -2005 En el otro extremo se ubican las regiones Callao (2460 hogares), Tumbes (5,060) y Madre de Dios (6014). Nota: El Día Mundial del Medio Ambiente se conmemora del 5 de junio de cada año, siendo el vehículo a través del cual las Naciones Unidas estimulan la concientización sobre el ambiente a nivel mundial, además de promover la atención y acción política. El tema seleccionado para el Día Mundial del Medio Ambiente 2006 es Desiertos y Desertificación y como se sabe la deforestación, puede generar desertificación. Agradecemos su publicación Oficina Técnica de Difusión INEI 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 RESULTADO DE LA ENCUESTA EN ORCOPAMPA Objetivo: Se realizaron un total de 6 encuestas a las usuarias entre las distintas comunidades de Orcopampa: Huancarama y Tintaymarca. El objetivo fue el de obtener información acerca del factor usuario-cocina, mostrando resultados positivos en cuanto a la adaptación y uso de la tecnología e innovación por parte del usuario. Además mediante los testimonios de los usuarios se podrá mejorar el diseño actual ya sea por la fallas que se producen a lo largo de la utilización diaria de la cocina como también algunas innovaciones que al usuario le gustaría tener. Observaciones: Por otro lado el usuario se da cuenta de la diferencia satisfactoria que existe entre la cocina mejorada y la cocina tradicional, ya sea por la ausencia de humo en el área donde cocinan como también al emplear menor cantidad de leña. Es importante mencionar que en algunos casos el usuario añadió sus propias mejoras para mayor comodidad o por estética, debiéndose tomar en cuenta para futuros diseños. Resumen: − La postura al cocinar actual es cómoda, siendo la altura promedio de 750 mm y 850 mm para la primera y segunda hornilla respectivamente. − El diámetro de olla más usado en las cocinas domesticas es de 260 mm (8.5 litros) esto para la olla principal y de 220 mm (5.3 litros) para la olla secundaria. − La entrada de alimentación de la cámara de combustión de la cocina domestica tiene la forma de un semielipse, con dimensiones promedio de 160 mm de ancho y 180 mm de alto (medidas interiores), siendo las dimensiones aceptables dentro de los usuarios. Cuadro de preguntas: Se dividen en tres grupos el primero es un test familiar para conocer el numero de beneficiados por hogar y lo que implica el uso de combustible diario, el segundo grupo señala las incomodidades actuales que se presentan en el uso diario de la cocina mejorada y el tercer grupo hace una comparación entre los beneficios de la cocina mejorada actual y su cocina anterior. 13 TE ST D E U SU A R IO D E C O C IN A M EJ O R A D A Fe ch a 19 /0 1/ 20 07 19 /0 1/ 20 07 19 /0 1/ 20 07 19 /0 1/ 20 07 19 /0 1/ 20 07 19 /0 1/ 20 07 Fa m ili a Lo ca l C om un al S ra . M ar tin a S ra . G re go ria S ra . H um ar ci nd a S ra . D e A ni ce to Lo ca l C E IT O Lo ca ci ón - co m un id ad H ua nc ar am a H ua nc ar am a H ua nc ar am a H ua nc ar am a Ti nt ay m ar ca Ti nt ay m ar ca # in te gr an te s 10 a 2 0 3 5 6 14 3 A ct iv id ad es d e in te gr an te s - u su ar io s am as d e ca sa / ch ac ra tra ba jo e n ch ac ra / co le gi o tra ba jo e n ch ac ra / co le gi o tra ba jo e n ch ac ra / co le gi o - - Ti po c oc in a ac tu al co ci na m ej or ad a* co ci na m ej or ad a G TZ co ci na m ej or ad a G TZ co ci na m ej or ad a G TZ co ci na m ej or ad a. ti po pl an ch a co ci na m ej or ad a G TZ Fr ec ue nc ia d e us o lu ne s – sá ba do lu ne s - d om in go lu ne s - d om in go lu ne s - d om in go de pe nd e la v el oc id ad ** lu ne s - d om in go C os to in st al ac ió n ( s/ . ) - 15 5 35 al re de do r d e 20 0 - Ti em po d e vi da 3 añ os 3 m es es 3 m es es 3 m es es 3 m es es 3 m es es Fr ec ue nc ia d e m an te ni m ie nt o 2 ve ce s / 3 a ño s N o re al iz ad o N o re al iz ad o N o re al iz ad o N o re al iz ad o N o re al iz ad o C óm o co nt ro la e l f ue go se gú n vo lu m en se gú n vo lu m en se gú n vo lu m en se gú n vo lu m en se gú n vo lu m en se gú n vo lu m en Q ue c om bu st ib le s us an p ar a co ci na r le ña / bo st a* ** le ña le ña le ña / bo st a* ** le ña / bo st a* ** le ña / bo st a* ** C om o en ci en de n el fu eg o (p aj a, ke ro se ne ) pa ja pa ja pa ja pa pe l C ar tó n / p aj a ca rtó n C ol ec ta n o co m pr an le ña co le ct an co le ct an co le ct an co le ct an co le ct an co le ct an S i c ol ec ta n: q ui en c ol ec ta y ti em po la s m ad re s / 1 d ía tu rn ad o / 1 d ía m ad re / 0, 5 dí a m ad re -p ad re / 1 dí a tu rn ad o / 1 d ía pa dr e / 0 ,5 d ía D is ta nc ia d el c en tro c ol ec ci ón -v iv ie nd a 2 ho ra s (id a- ca m in an do ) 2 ho ra s (id a- ca m in an do ) 1 ho ra (i da -c am in an do ) 0, 5 ho ra (i da - ca m in an do ) 1, 5 ho ra s (id a- ca m in an do ) 5 m in ut os (i da - ca m in an do ) S i c om pr a le ña c ua nt o cu es ta no c om pr a no c om pr a no c om pr a no c om pr a no c om pr a no c om pr a Fr ec ue nc ia a ba st ec im ie nt o co m bu st ib le 1 dí a / m es 2 dí a / m es 1 dí a / m es 1 dí a / m es di ar io (n o le d ur a la le ña ) 4 dí as / m es C om o es tr an sp or ta do e l c om bu st ib le bu rr o bu rr o es pa ld a es pa ld a es pa ld a es pa ld a D is po ni bi lid ad d el c om bu st ib le si em pr e si em pr e si em pr e si em pr e si em pr e si em pr e Ti po y m at er ia l d e ol la s ci lín dr ic a / a lu m in io ci lín dr ic a / a lu m in io ci lín dr ic a / a lu m in io ci lín dr ic a / a lu m in io ci lín dr ic a / a lu m in io ci lín dr ic a / a lu m in io D im en si ón d e la s ol la s (c m ) D 30 - H 20 D 36 - H 26 D 24 - H 14 D 26 - H 16 D 22 - H 14 D 26 - H 16 D 22 - H 14 D 26 - H 16 di ve rs os ta m añ os D 24 - H 14 D 24 - H 14 # ho rn ill as 2 2 2 2 pl an ch a (h as ta 4 o lla s) 2 Ti po d e le ña hu am an til ca hu am an til ca hu am an til ca hu am an til ca to la to la D im en si ón d e le ña ra m ita s Ø 0 ,5 c m ap ro x. ra m ita s Ø 0 ,5 c m a pr ox . ra m ita s Ø 0 ,5 c m a pr ox . ra m ita s Ø 0 ,5 c m a pr ox . ra m ita s Ø 0 ,5 c m a pr ox . ra m ita s Ø 0 ,5 c m a pr ox . P ro te cc ió n de s u co m bu st ib le pl ás tic o ba jo te ch o ba jo te ch o ba jo te ch o pl ás tic o ba jo te ch o * C oc in a m ej or ad a tip o fo gó n in te rio r c on c hi m en ea , 2 h or ni lla s. ** A l q ue re r c oc in ar c on m ay or ra pi de z, la u su ar ia re gr es a a su c oc in a an te rio r ( fo gó n ex te rio r c on c hi m en ea , 4 h or ni lla s) . ** * La b os ta e s un c om bu st ib le u sa do c on p oc a fre cu en ci a en la z on a y m en os a un e n ép oc as d e llu vi a. 14 IN C O M O D ID A D ES A C TU A LE S D E U SO qu em ad ur as no no no no no no hu m o al p re nd er no al p re nd er no no al p re nd er co m od id ad d e po st ur a al c oc in ar bu en a bu en a bu en a bu en a bu en a bu en a m on ito re o y co nt ro l d el fu eg o fá ci l fá ci l fá ci l fá ci l m as o m en os fá ci l m on ito re o de la c oc ci ón d e co m id a fá ci l fá ci l fá ci l fá ci l fá ci l fá ci l lim pi ez a de l h ol lín d e la s ol la s di fíc il di fíc il di fíc il di fíc il no e xi st e di fíc il ot ro s ac ab o ex te rio r d e la co ci na d et er io ra do ni ng un o se tu vo q ue re cu br ir ex te rio rm en te c on ce m en to co do (c ám ar a d e co m bu st ió n) ra ja do cá m ar a d e co m bu st ió n un p oc o pe qu eñ a co do (c ám ar a d e co m bu st ió n) ra ja do C O M PA R A C IO N E N TR E SU C O C IN A A C TU A L Y LA A N TE R IO R (T R A D IC IO N A L) qu em a la c om id a? no no no no no no ne gr ea la s ol la s? m en os m en os m en os m en os no m en os in st ab le p ar a re m ov er la c om id a? no no no no un p oc o no su el ta m uc ho h um o? no no no no no m en os ca lie nt a m as d es pa ci o? m as rá pi do m as rá pi do m as rá pi do m as rá pi do m as d es pa ci o m as rá pi do di fíc il de e nc en de r? m as fá ci l m as fá ci l m as fá ci l m as fá ci l un p oc o ig ua l us a m as le ña ? m en os le ña m en os le ña m en os le ña m en os le ña m en os le ña m en os le ña m uy c al ie nt e pa ra e st ar c er ca ? es ta b ie n es ta b ie n es ta b ie n es ta b ie n es ta b ie n es ta b ie n di fíc il de li m pi ar ? (c en iz as , c ar bó n, e tc .) fá ci l fá ci l fá ci l fá ci l un p oc o (p es o de p la nc ha ) fá ci l en ca ja b ie n la s ol la s? si si si si si si da lu z su fic ie nt e en e l a m bi en te ? po co po co po co po co po co no fu nc io na c on fa ci lid ad (y a en ce nd id o) si si si si si si se ra ja fá ci lm en te ? no no no no un p oc o no te p ar ec e ca ro ? - no no no si - se v e bi en e n tu a m bi en te ? si si si si si si ca lie nt a lo s uf ic ie nt e el a m bi en te ? si si m en os m en os si m en os p er o es ta b ie n m ás ti em po e n pr ep ar ar e l c om bu st ib le no no no no un p oc o (e n co rta r l eñ a) un p oc o (e n co rta r l eñ a) →t er ra je o ex te rio r co n ce m en to p ar a ev ita r d es ca sc ar o →3 h or ni lla s →c ol oc ac ió n d e m ay ól ic as e n la p ar te su pe rio r d e la c oc in a al gu na m ej or a ad ic io na l p ar a tu co ci na ? →h or no → → → ho rn o →t er ra je o ex te rio r c on ce m en to →h or no ho rn o ho rn o 15