Cocina Mejorada

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA DEL GAS NATURAL Y ENERGÍA

CÁTEDRA: TERMODINÁMICA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS I APLICACIÓN DE LA PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA EN LA EFICIENCIA DE LA COCINA MEJORADA CON INTERCAMBIADOR DE CALOR EN EL DISTRITO DE HUAYUCACHI-HUANCAYO

CATEDRÁTICO: Ing. FUENTES LÓPEZ, Walter S. INTEGRANTES:  Barreto Quispe, Nayelli – VI semestre  Díaz Parraga, Willver Hernán [email protected] - 935291077

-

V

semestre

–

semestre

–

 Gasa Duran, Americo Eliades - V semestre  Huanay Ingaruca, Yesenia Karol [email protected] - 938656125

-

V

 Terrel Juan de Dios, Andrea Vicky - V semestre

FECHA: 14/12/18 Huancayo-Perú 2018

ÍNDICE RESUMEN ......................................................................................................... 4 INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 5 DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN PROBLEMÁTICA ...................................... 6 OBJETIVOS ....................................................................................................... 8 OBJETIVO GENERAL .................................................................................... 8 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................... 8 FUNDAMENTO TEÓRICO ................................................................................. 9 I.

JUSTIFICACIÓN ...................................................................................... 9

II. Antecedentes.......................................................................................... 10 III.

Marco teórico ...................................................................................... 11

1.

Cocinas Mejorada: .............................................................................. 11

2.

Antecedentes de Cocinas Mejoradas: ................................................. 12

3.

Desventajas de una cocina Tradicional: .............................................. 12

4.

Ventajas de una cocina mejorada: ...................................................... 13

5.

Leña como Combustible...................................................................... 14

6.

Combustión: ........................................................................................ 15

6.1.

Poder Calorífico .................................................................................. 15

7.

Mecanismos de Transferencia de Calor: ............................................. 16

8.

Partes Principales de la Cocina Mejorada:.......................................... 19

8.1.

Cámara de Combustión ...................................................................... 19

9.

Diseño de una Cocina mejorada con Horno e Intercambiador de Calor: 22

10.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA: ..................................... 22

11.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: .................................... 23

12.

BALANCE DE MATERIA: ................................................................ 24

13.

BALANCE DE ENERGÍA ................................................................. 25

14.

ANÁLISIS WBT ................................................................................ 26

IV.

Glosario: .............................................................................................. 27

PROCESO METODOLÓGICO ......................................................................... 29 I.

Procedimientos: ...................................................................................... 29

1. Obtención de la tierra: ............................................................................ 29 2. Preparación de barro fino: ...................................................................... 29 3. Preparación de barro para la unión de los ladrillos ................................. 30 4. Construcción de la cocina mejorada:...................................................... 30 II. Materiales ............................................................................................... 36 III.

Equipos ............................................................................................... 37

DATOS OBTENIDOS ....................................................................................... 38 CÁLCULOS ...................................................................................................... 39 BALANCE DE MATERIA DE COCINA Y HORNO: ....................................... 39 BALANCE DE ENERGÍA DE LA COCINA: ................................................... 43 BALANCE DE ENERGÍA DEL HORNO: ....................................................... 45 RESULTADOS Y DISCUCIÓN......................................................................... 48 CONCLUSIONES............................................................................................. 50 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 51 ANEXOS .......................................................................................................... 53

RESUMEN

En nuestro país al igual que en otros del planeta, sobre todo en el medio rural, la gente, utiliza la leña o bosta como fuente de energía para cocinar sus alimentos. Pero además de ser una necesidad, es un problema, debido que la gran mayoría sigue utilizando sus fogones abiertos en ambientes cerrados inhalando el humo (gases contaminantes), utilizando exceso de leña, llegando a tener problemas de salud, por carecer de construcción de tecnología apropiada(chimeneas). Se llevó a cabo el trabajo teórico – experimental donde se da conocer el estudio de la eficiencia de la cocina mejorada construida en Huayucachi, que emplea biomasa como combustible siendo principalmente la leña y en menor proporción la bosta de vaca, aplicando las leyes de la termodinámica. Se tuvo como objetivo principal la determinación de la eficiencia de la cocina mejorada con intercambiador de calor. Para ello se realizó la recolección de materiales para el barro mejorado como, arcilla, arena, pelo de cuy, paja, y agua; utilizando ladrillos, badilejos, picos, lampas, nivel, entre otros. Se construyó según el diseño de la cocina mejorada con intercambiador de calor, eligiéndose el lugar adecuado; se procedieron a juntar los ladrillos, y a la nivelación del suelo. La construcción tardó dos meses completo, antes se mandó a cortar los fierros para los soportes, cañería de cobre(serpentín), 1 plancha para las hornillas, 2 placas de metal para el horno y compramos la chimenea. Después de 1 semana de secado, debido al clima que presento el lugar, se hace la primera prueba, donde se midió en puntos específicos, como las paredes internas de la cámara de combustión, pared interna del horno, y de la salida del agua caliente, en la hornilla y en la chimenea, el calor con la termocupla para poder realizar el balance de energía. Así como se midió la cantidad de leña que ingresa y las cenizas para poder realizar el balance de materia en el módulo. Obteniendo una eficiencia de la cocina mejorada, que fue de 62,3125 % y la eficiencia del horno que fue de 32,4831113 % de la señora Barreto Palacios Gregoria. Palabras clave: Cocina mejorada. eficiencia. leña.

INTRODUCCIÓN

El uso de las cocinas de leña tradicionales sirve para cocinar alimentos en zonas rurales, pero esto suele ser una práctica inadecuada para la salud familiar, debido a que el quemado ineficiente de leña u otros materiales orgánicos genera, entre otros productos nocivos, grandes cantidades de materia particulada y monóxido de carbono, la inhalación de humo puede causar enfermedades respiratorias. La cocina mejorada es un sistema de cocción de alimentos que permite ahorrar combustible (generalmente leña) y a la vez reduce la contaminación al interior de la vivienda con humos tóxicos, ceniza y hollín de emisiones nocivas evitando así consecuencias graves para la salud humana; del mismo modo mejor la economía familiar por el uso racional de leña y la cocción de los alimentos sea más rápida. Aprovechando el calor transportado por el humo de la chimenea mediante un intercambiador de calor.

DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN PROBLEMÁTICA

La leña es un recurso energético renovable que es utilizado para cocinar, sin embargo, en algunos lugares las necesidades de la misma pueden llegar a superar su disponibilidad induciendo alguna condición de escasez, por lo que debe cuidarse que las prácticas de consumo de leña, las cuales dependen grandemente del acceso a los tipos de cocinas o estufas de las cuales se disponga, logren ser lo más eficiente posibles.

El propósito de la siguiente investigación obedece a la necesidad de búsqueda de una nueva forma que permita una mejor eficiencia, con estas nuevas formas, que implican el diseño y desarrollo de una nueva cocina mejorada con horno e intercambiador de calor, se busca también de alguna manera reducir la perdida de calor para ser eficiente, así como minimizar el impacto en la salud de aquellos que participan en estos quehaceres y se ven seriamente afectados por la liberación de humos que ha sido comúnmente observada, además el intercambiador de calor será utilizado para el lavado de utensilios utilizados en el proceso de cocinar.

Debido al uso de cocina a leña se realizó una cocina mejorada a beneficio de la señora Gregoria Barreto Palacios con domicilio en la Calle Mantaro del distrito de Huayucachi ya que anteriormente contaba con una cocina tradicional a leña que tenía malas condiciones para su uso diario. Soporte precario e inseguro por el hecho de estar en el suelo existe inestabilidad en el soporte de la olla, además, no existe sistema de aislamiento entre el fogón y la persona y su ubicación no le permite cocinar cuando se presentan precipitaciones.

Ilustración 1: Señora Gregoria y su cocina en malas condiciones.

FUENTE: Propia.

Ilustración 2: Señora Gregoria cocinando en su cocina.

FUENTE: Propia.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

 Aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica en la Cocina Mejorada con Intercambiador de Calor construida en Huayucachi. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Determinar el balance de materia de la cocina mejorada, horno e intercambiador de calor  Determinar el balance de energía de la cocina mejorada, horno e intercambiador de calor  Determinar la eficiencia de la cocina mejorada, horno e intercambiador de calor

FUNDAMENTO TEÓRICO I.

JUSTIFICACIÓN

El cocinar con leña es una de las formas más difundidas de preparar los alimentos en las áreas rurales de nuestro territorio, especialmente por tener a disposición el combustible necesario (leña). Actualmente, las zonas donde se preparan los alimentos en cocinas tradicionales, se convierten en entornos

Figura 1: Ejemplo de fogón abierto tradicional. Fuente: (González Expósito, 2013)

inadecuados para la salud familiar, debido a la presencia de humo que es el causante de enfermedades respiratorias. (Garzón & Humberto Bernilla) Por tal razón, uno de los beneficios de las cocinas mejoradas es reducir la cantidad de humo del ambiente donde se preparan los alimentos. El humo contiene muchos componentes nocivos como: monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, formaldehído e hidrocarburos poliaromáticos como benzo pirina.Como consecuencia de la exposición al humo se presentan problemas con el sistema respiratorio, enfermedades oculares (cataratas y ceguera), aumento de la susceptibilidad de infecciones, problemas de obstrucción pulmonar crónica, anemia, resultados adversos del embarazo y cáncer de pulmón. (Garzón & Humberto Bernilla) En área de las cocinas eficientes las investigaciones se centran en la reducción del consumo de leña, la limitación del coste y la reducción de los contaminantes vertidos al interior de la vivienda o a la atmósfera. Dentro del ámbito de las cocinas económicas existen múltiples estudios realizados con el objetivo de mejorar la eficiencia de las tradicionales cocinas de

fogones abiertos, de una eficiencia de en torno al 10%, con el objetivo de reducir el consumo de leña en países en vías de desarrollo. (Delgado Pérez, Velasco Roldan, Onofa Cuichan, & Armas Figueroa, 2016) II.

Antecedentes

(Torres Muro & GROVERT QUINO, 2008); Realizaron el diseño, construcción y evaluación de una cocina mejorada con Intercambiador de Calor de la cual obtuvieron una eficiencia de 50,3%. La velocidad de calentamiento de agua de su intercambiador de calor fue de 15,4ºC /h. (Aristazabal Hernández, 2014); Dentro del ámbito de las cocinas económicas existen múltiples estudios realizados con el objetivo de mejorar la eficiencia de las tradicionales cocinas de fogones abiertos, de una eficiencia de en torno al 10%, con el objetivo de reducir el consumo de leña en países en vías de desarrollo. (Delgado García, Velasco Roldán, Onofa Cuichán, & Armas Figueroa, 2016)Entre los modelos desarrollados se encuentran la estufa Hyderabad Chula Deen, creada en la década de los 50, la estufa Patsari desarrollada en los años 90 en torno a la cual existen pruebas WBT y CTT de cocción controlada: protocolos estandarizados para el estudio y comparación de este tipo de cocinas. De las investigaciones se deduce estufa Patsari presenta claras ventajas con respecto a las cocinas tradicionales, con una reducción del consumo de energía de entre un 19 y un 67% y un ahorro de combustible del 44%. (Jiménez et al., n.d.) Otros tipos de cocinas mejoradas son la denominada “tipo plancha” que consiguen, con la modificación de la cámara de combustión, que la eficiencia térmica global aumente un 12% con respecto a la estufa de fuego abierto o la estufa Lorena. Esta plantea un concepto interesante de eficiencia energética basado en la acumulación de energía en la masa de tierra y la arena que envuelve la cámara de combustión fomentando la transferencia de energía por convección y radiación a la envolvente de los fogones. Energía que es paulatinamente liberada al espacio interior. Este concepto de acumulación de energía se considera de capital importancia para la investigación al plantearse la estrategia de aprovechamiento máximo de la energía desprendida en la cámara de cocción como factor clave para el incremento de la eficiencia de la estufa.

Esta energía será destinada al calentamiento de agua y al acondicionamiento térmico del espacio interior en cual se ubique la estufa. III.

Marco teórico

1. Cocinas Mejorada: Una cocina mejorada, también conocida como estufa mejorada o estufa ecológica, es un sistema de cocción de alimentos que permite ahorrar combustible (generalmente leña) y a la vez reduce significativamente la cantidad de emisiones nocivas para la salud humana. La dinámica del consumo de leña es compleja, ya que no se debe sólo a la falta de recursos económicos para adquirir combustibles modernos, entendiendo como combustible moderno los productos derivados del gas licuado del petróleo (GLP) o cocinas eléctricas, sino que también depende otro tipo de variables. La forma de obtención de la leña se realiza básicamente por compra o recolección. Según MEM (2007) el 54.5% de los hogares recolectan la leña, el 45% compra, mientras que el 1.5% de los hogares compra y recolecta a la vez. Se observan notables diferencias dependiendo de si las zonas son urbanas o rurales: en el sector urbano más del 80% de los hogares de los usuarios de leña la compran. En el sector rural el 68.4% de los hogares recolecta leña y sólo el 27.3% la compra. Para las personas que recolectan la leña, el tiempo promedio utilizado es menor a una hora, aunque un porcentaje importante dedica entre 1 y 3 horas (31.9%) y un 13.5% de los hogares dedican más de 3 horas. La economía de subsistencia es el principal factor que motiva el uso mayoritario de la leña en las comunidades rurales. Sin embargo, la falta de recursos económicos de las familias rurales no es la única causa del uso de la leña en detrimento de otro tipo de combustibles, sino que también influye la poca o nula infraestructura para garantizar el suministro continuo de combustibles alternativos a la leña. La cantidad, disponibilidad y acceso a los recursos energéticos son factores que determinan la cantidad de leña que se consume en cada comunidad, región o país. (González Expósito, 2013)

2. Antecedentes de Cocinas Mejoradas: 2.1.

En el Perú

En el Seminario de polución del aire doméstico por fogones tradicionales en el Perú, realizado en diciembre del año 2006 -organizado por la Organización Panamericana de la Salud en el Perú, OPS/OMS y WINROCK Internacional-, se congregaron representantes de instituciones públicas, académicas y de la sociedad. Gran parte de las recomendaciones han marcado la ruta que ha seguido el tema en el país. El Instituto Trabajo y Familia, a través de su Programa Sembrando, a partir del año 2007, inició la instalación de 10,000 cocinas mejoradas por año en zonas alto andinas en el marco de acciones de carácter integral. La naturaleza de su intervención tuvo impacto en diversos medios favoreciendo el posicionamiento del tema. Entre los años 2007 al 2008, la Deutsche Gesellschaft fuer Internationale Zusammenarvbeit- GIZ8, a través del Proyecto Energía, Desarrollo y Vida, trabajó un plan para la masificación de cocinas mejoradas en los Departamentos de La Libertad y Apurímac, en convenio con el Programa Nacional de Apoyo Directo a los más Pobres (JUNTOS), y la Organización Panamericana de la Salud. Al finalizar la experiencia, la Comisión Interministerial de Asuntos Sociales (CIAS) de la Presidencia del Consejo de Ministros, solicitó la expansión de esta Estrategia en el resto del país, lo que significó una gran ayuda para sentar las bases de la Campaña Nacional de cocinas mejoradas. (Peter Pfaumann, 2011) 3. Desventajas de una cocina Tradicional: La exposición diaria a los humos nocivos de las cocinas tradicionales es una de las mayores, pero menos conocidas causas de muerte en el mundo. Tanto es así que, según el “Human Development Report 2007/2008“del Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), los humos de las cocinas tradicionales y fuegos abiertos causan 2 millones de muertes prematuras al año en el mundo, siendo las mujeres y los niños los más afectados. (González Expósito, 2013) El quemado ineficiente de leña u otros materiales orgánicos genera, entre otros productos nocivos, grandes cantidades de materia particulada y monóxido de

carbono. Las partículas en suspensión en el aire afectan principalmente a los órganos del aparato respiratorio, mientras que el monóxido de carbono se combina con la hemoglobina de la sangre causando la asfixia al ser inhalado en cantidades moderadas durante varios minutos. Existen, además, resultados que sugieren que la inhalación de humo precedente de la combustión de leña puede conllevar abortos espontáneos en embarazadas, nacimiento de niños con bajo peso, anemia, asma o problemas en el crecimiento. Otros estudios indican una relación entre la presencia de humo en el hogar y la incidencia de varias afecciones

como

tuberculosis,

cáncer

de

pulmón,

enfermedades

cardiovasculares o cataratas. (González Expósito, 2013) 4. Ventajas de una cocina mejorada: Las ventajas de la cocina mejorada se pueden apreciar desde los siguientes puntos de vista. -

Buen grado de eficiencia (entre el 30% al 50%) combustión pro ambiental (ecológicamente positiva).

Salud: -

Reduce los problemas respiratorios y oculares.

-

Menor riesgo de sufrir quemaduras.

-

Evita la contaminación al interior de la vivienda con humos tóxicos, ceniza y hollín.

-

Reduce los problemas de salud en las mujeres, como dolores a la vejiga y a la columna.

-

Facilita las labores domésticas y mejora la higiene de la cocina y sus utensilios.

-

No expulsa el humo al ambiente de la cocina.

Económico: -

Mejora la economía familiar por el uso racional de leña.

-

Ahorra en un 35% el material que se usa como combustible.

-

Reduce el tiempo de cocción de los alimentos.

-

Es barata, porque se puede construir con materiales de la zona.

Social:

-

Mayor comodidad al momento de preparar los alimentos.

-

Conserva mayor tiempo sus utensilios.

-

Evita la mala posición y permite cocinar con facilidad e higiene.

-

Eleva la autoestima de los miembros de la familia.

5. Leña como 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. Los valores más importantes para evaluar la biomasa como combustible son su poder calorífico y su contenido de humedad. (Alvarez Pablo, 2009) La leña se calienta alrededor de 100°C y el agua contenida es evaporada de la Leña, a medida que la temperatura aumenta alrededor de los 200°C 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 sigue alrededor de los 300°C, a esta temperatura la leña es gradualmente transformada en brazas y los volátiles producidos por esta descomposición pueden escapar como humo o pueden entramparse dentro de la leña lejos de la zona calentada. (Gonzales Arcondo, 2011) 5.1.

Leña de eucalipto:

Contenido Energético: Al quemar la leña la energía liberada se utiliza como fuente térmica. El poder calorífico depende de varios factores: (Leña, 2016) -

La especie de la leña.

-

La parte del árbol de la cual procede (tronco o ramas).

-

La edad del árbol.

-

El contenido de agua de la leña tiene mucha influencia en el poder calorífico.

-

Su combustión produce condensación y alquitrán en los conductos de humo.

Poder calorífico inferior de la leña seca: 19228

𝑘𝐽 𝑘𝑔

Composición

Resultados

Humedad, % masa

8,44

Azufre, % masa

0,13

Carbono, % masa

43,21

Hidrógeno, % masa

5,99

Oxígeno, % masa

42,23

Nitrógeno, % masa

N.D.

Poder calorífico, BTU/lb

7985

Poder calorífico, J/g

18605

.

Tabla 1: Composición de la leña de Eucalipto. FUENTE: (Leña, 2016)

6. Combustión: La combustión es una reacción química en la que un elemento combustible se combina con otro comburente (generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso), desprendiendo calor y produciendo un óxido; la combustión es una reacción exotérmica que produce: -

Calor al quemar.

-

Luz al arder.

Es proceso por el cual la masa que contiene un cuerpo pasa de estado sólido a estado gaseoso. Resultando la liberación de energía al formarse los productos de la combustión. (Gonzales Arcondo, 2011) 6.1.

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.

6.2.

Humedad:

La madera húmeda proporciona menos calor porque una fracción importante del calor generado se gasta en evaporar el agua. Hasta un 12% de la energía calórica de la madera verde puede ser consumida en ese proceso. La evaporación del agua de la madera diluye los gases inflamables, lo que disminuye la tasa de combustión y su eficiencia. Esto resulta en un fuego con más humo y aumenta la condensación de alquitranes en la cocina y chimenea. (Pilco Mamani, 2013) 6.3. 

Tipos: Combustión Estequiometria

Combustión teórica y completa, está limitada a condiciones físicas y químicas. 

Combustión Completa (Exceso de Aire)

Combustión perfecta sin presencia de CO gracias a un exceso de oxigeno teórico. 

Combustión Incompleta

Cantidad de oxigeno presente en la combustión no es suficiente para la formación de CO2, H2O, dando así a la presencia de CO, H y partículas sólidas de carbono, azufre & sulfuros. 

Combustión Imperfecta

Habiendo un exceso de aire no se completa el proceso de la combustión, esto trayendo como resultado partículas aun sin combustionar en los humos que salen por la chimenea. (Gonzales Arcondo, 2011) 7. Mecanismos de Transferencia de Calor: Cocinar requiere la transformación de la energía potencial del combustible (leña), en energía calorífica. Para mejorar la eficiencia del cocinado, necesitamos entender como el calor se transmite en el proceso de combustión del combustible. El proceso de transferencia de calor en la cocina y horno se produce mediante tres mecanismos: conducción, convección y radiación. El conjunto de estos mecanismos y la combustión determinan la eficiencia térmica de la cocina. (Pilco Mamani, 2013)

7.1.

Radiación

La energía radiante se emite de objetos calientes y no se vuelve calor

Figura 2: Transmisión de calor por radiación Fuente: (Pilco Mamani, 2013)

perceptible hasta que es absorbida por la superficie de otro objeto. La radiación en la cocina mejorada se emite en varias direcciones: desde el combustible y las flamas del fuego hacia las ollas, de las flamas del fuego al combustible, para mantener la combustión; del combustible y las flamas a las paredes internas de la cámara de combustión, de los conductos y hornillas hacia las ollas y desde la superficie de las ollas hacia el medio ambiente.

Figura 3: Transferencia de calor por radiación en una cocina mejorada. Fuente: (Pilco Mamani, 2013)

La ecuación que gobierna este mecanismo es: 𝑄 = 𝐹12 𝜎(𝑇1 4 − 𝑇2 4 ) Dónde: 𝑄 : Flujo de energía emitida por radiación (W). 𝐹12 : Factor de forma radiante entre las superficies 1 y 2. 𝜎: Constante de Stefan Boltzman: 5,67x10-8 (W/m2K4) 1𝑇1 : Temperatura absoluta de la superficie 1 (K). 𝑇2 : Temperatura absoluta de la superficie 2 (K). La transferencia de calor por radiación entre la llama del combustible y la base de la olla puede estar formulada por la ecuación de Stefan Boltzman, donde el factor de forma radiante F12 incluye los efectos de emisividades y geometrías relativas entre las superficies de los cuerpos. 7.2.

Conducción:

La transferencia de calor por conducción en las cocinas mejoradas ocurre a través de las paredes internas de la cocina (cámara de combustión, hornillas y conductos) y a través de las paredes de la olla hacia su contenido.

Figura 4: Transferencia de calor por conducción en una cocina mejorada Fuente: (Pilco Mamani, 2013)

7.3.

Convección

La transferencia de calor por convección en una cocina mejorada ocurre cuando los gases de combustión fluyen por una superficie de diferente temperatura y

Figura 5: Transferencia de calor por convección en una cocina mejorada Fuente: (Pilco Mamani, 2013)

luego intercambian energía calorífica por conducción. En nuestro modelo de cocina mejorada, el aire calentado por las llamas del fuego se eleva en aire quieto por la cámara de combustión, en una corriente de viento, éste aire caliente se desplazará de acuerdo con a dirección prevaleciente hacia las ollas y/o las paredes internas de la cocina (cámara de combustión, hornillas, conductos y chimenea) 8. Partes Principales de la Cocina Mejorada: 8.1.

Cámara de Combustión

Generalmente es hecha artesanalmente. La cámara de combustión permite concentrar y dirigir el fuego hacia las ollas durante la combustión. Habitualmente se monta con un recubrimiento de aislante exterior que por lo usual es ceniza. En el interior de esta cámara se coloca la leña y ahí ocurre 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.

8.2.

Parrilla

Alojamiento del combustible. El principal signo de uso de la parrilla es que sigue caliente o este caliente y de coloración rojo oscuro que toma por estar expuesta al fuego. (Flores Zapana, 2015) 8.3.

Chimenea

Siendo su labor principal la evacuación de los gases de la combustión, y alimentar la cámara de combustión de aire nuevo (aire primario). Su signo de uso es la presencia de hollín. El hollín está formado por algunas de esas pequeñas partículas sólidas del humo, es de color negro o casi negro, tiene reflejos brillantes y es bastante pegajoso. También está demostrado que es una sustancia causante de cáncer. El material particulado, o PM (tal como suele denominarse), puede ser tan pequeño que sólo puede detectarse con un microscopio electrónico. Dichas partículas ingresan a los pulmones sin que ni siquiera lo sepamos. (Flores Zapana, 2015) Esta “fuerza” que jala el humo al exterior se denomina “tiro”. Ocurre porque los gases calientes del fuego son más livianos que el aire circundante, y por tanto suben llevando consigo una corriente de aire caliente a lo largo de la cocina. La fuerza del tiro también succiona aire por la entrada de la cámara de combustión. 8.4.

Horno:

Un horno es un dispositivo que genera calor y que lo mantiene dentro de un compartimento cerrado. Se utiliza tanto en la cocina para cocinar, calentar o secar alimentos, como en la industria. Desde el punto de vista del consumo energético son artefactos de cocción tradicionales los menos eficientes y los que más emisiones de contaminantes intradomiciliarios emiten. El horno a leña es un recinto donde se aprovecha el calor residual antes que este fluya por la chimenea junto con el humo y que fue producido por la combustión de la leña, al cocer los alimentos. (Ramos Martínez, Ocupa Florián, Saavedra Salazar, & Espinoza Paredes, 2012) Sus principales signos de uso son la temperatura (debe estar caliente) y de coloración rojiza que toma por estar expuesta al fuego. (Flores Zapana, 2015)

8.5.

Intercambiador de Calor (ICD)

Un Intercambiador de Calor; debe de resistir altas temperaturas que se producen en la cámara de combustión de la cocina. Las paredes deben tener buena conductividad térmica para favorecer el intercambio de calor, su diseño interior debe de ser sencillo y no generar perdida por fricción que podrían restar eficiencia al sistema. (Mendoza Ruiz, 2007) Es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes, es decir que cumple la función de transferir el calor residual de la combustión de la biomasa seca, hacia un fluido de trabajo (agua), calentándolo progresivamente. (Ramos Martínez, Ocupa Florián, Saavedra Salazar, & Espinoza Paredes, 2012) 8.6.

Tanque de Almacenamiento:

El tanque o termo de almacenamiento es una parte fundamental del sistema, encargado de almacenar el agua caliente proporcionado por el IDC hasta su utilización o al menos por algunos días; físicamente este tanque es un recipiente bien aislado. (Ramos Martínez, Ocupa Florián, Saavedra Salazar, & Espinoza Paredes, 2012)

Figura 6: Intercambiador de Calor Fuente: (Ramos Martínez, Ocupa Florián, Saavedra Salazar, & Espinoza Paredes, 2012)

9. Diseño de una Cocina mejorada con Horno e Intercambiador de Calor: Esta cocina utiliza el calor generado por la cocina para calentar agua como se muestra en la Figura 1, utilizando los gases de combustión para transferir el calor al agua, mediante un serpentín, el cual funciona como un intercambiador de calor. (Kastillo, Vaca, & Martí) En su diseño esta cocina se compone por: Puerta de entrada de la leña, dos Cámaras de Combustión con rejilla, Túmulos, Hornillas para las ollas, Horno Desmontable, Compuertas, Chimenea e intercambiador de calor (serpentín), Tanque de almacenamiento de Agua caliente, Deshollinador.

Figura 7: Esquema que muestra cada una de las partes de la cocina mejorada con horno e Intercambiador de calor. Fuente: (Torres Muro & GROVERT QUINO, 2008)

10. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA: La primera ley expresa la forma en que se altera la energía del sistema debido a la transferencia de energía por las fronteras. El primer principio de la termodinámica se apoya sobre hechos experimentales, de que la energía no puede ser creada ni destruida solo se transforma (balance de energía), así como que el trabajo y el calor son dos formas diferentes de energía independientes del flujo de masa. (Smith, 1992) 𝐸 (𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎) = 𝐸 (𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎) + 𝐸 (𝑠𝑎𝑙𝑒)

La variación de la energía interna de un sistema es la suma del calor absorbido por el sistema, de su entorno, y el trabajo realizado sobre él, por fuerzas exteriores. También puede definirse como: “aunque la energía adopta numerosas formas, la cantidad total de energía es constante y cuando ésta desaparece en una forma, aparece simultáneamente en otra”. La energía del sistema comprende la variación de la energía interna, por efectos moleculares internos, la variación de la energía cinética por efecto de los cambios de velocidad en el sistema y la variación de la energía potencial por cambio< de posición o efecto de la gravedad. La energía de los alrededores indicaría la transferencia de energía como calor o trabajo desde o hacia los alrededores. Considerando los cambios que se suceden en el sistema y los alrededores, se tiene: 𝑄 (1 − 2) = ∆𝑈 + 𝑊 (1 − 2) Los signos en el segundo miembro de la ecuación se eligen por convención: Se elige: −𝑊, si el sistema realiza trabajo hacia los alrededores. +𝑊, si los alrededores realizan trabajo sobre el sistema. +𝑄, cuando se transfiere calor desde el exterior hacia el sistema. −𝑄, cuando la transferencia de calor va del sistema hacia los alrededores. 11. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: La segunda ley de la termodinámica expresa, que "La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo". Más sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico. (Smith, 1992) Esta ley indica las limitaciones existentes en las transformaciones energéticas en un sistema aislado, es decir, que no intercambia materia ni energía con su entorno, la entropía (expresión relacionada con el número de posibles estados de un sistema, entendida erróneamente como el desorden en un sistema) siempre habrá aumentado (nunca disminuido, como mucho se mantiene) desde

que ésta se mide por primera vez hasta otra segunda vez en un momento distinto. En otras palabras: El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde una temperatura más alta a una más baja. Existen numerosos enunciados, destacándose también el de Carnot y el de Clausius. La segunda ley de la termodinámica es expresada de muchas maneras diferentes. Se puede expresar así: Es imposible, mediante un proceso cíclico, tomar calor de un depósito y convertirlo en trabajo sin que al mismo tiempo no exista transferencia de calor desde un depósito caliente a otro frío. Es imposible transferir calor desde un depósito frío a uno caliente sin que al mismo tiempo se convierta cierta cantidad de trabajo en calor. Gráficamente se puede expresar imaginando una caldera de un barco de vapor. Ésta no podría producir trabajo si no fuese porque el vapor se encuentra a temperaturas y presión elevadas comparadas con el medio que la rodea. En términos más o menos sencillos se diría lo siguiente: existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo". Este principio (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se podría hacer funcionar una central térmica tomando el calor del medio ambiente; aparentemente no habría ninguna contradicción, pues el medio ambiente contiene una cierta cantidad de energía interna, pero debemos señalar dos cosas: Primero, la segunda ley de la termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente. Segundo, la segunda ley nos habla de las restricciones que existen al utilizar la energía en diferentes procesos, en nuestro caso, en una central térmica. No existe una máquina que utilice energía interna de una sola fuente de calor. 12. BALANCE DE MATERIA: Un Balance de Materia consiste básicamente en la aplicación de la Ley de la conservación de la masa ‘’La materia no se crea ni se destruye’’. En un proceso químico, en particular, no es más que el inventario de cuento entra, sale y se usa de cada componente químico que interviene en el proceso. Podemos generalizar para este caso como el total de la masa que entra en un proceso o unidad a un proceso es igual a total de la que sale de ese proceso. Es uno de los modelos

más aplicados en el balance de materia, la masa no se crea ni destruye, sino que sólo se transforma en el curso de las reacciones. (Smith, 1992) Ley de la conservación de la masa (Lavoisier) ∑ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = ∑ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 El balance de materia es derivado de la ley de la conservación y energía en sistemas abiertos donde hay entrada y salida de materia en cualquier estado. Las ecuaciones correspondientes al balance de materia constituyen una de las herramientas matemáticas más útiles de la Ingeniería Química. En forma más general, el balance de materia se puede representar por medio de la siguiente ecuación: 𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴 − 𝑆𝐴𝐿𝐼𝐷𝐴 + 𝑃𝑅𝑂𝐷𝑈𝐶𝐶𝐼𝑂𝑁 = 𝐴𝐶𝑈𝑀𝑈𝐿𝐴𝐶𝐼𝑂𝑁 13. BALANCE DE ENERGÍA “Ley de conservación de la energía”, en esta definición se usar “Balance de Energía”, la cual es definida como un principio físico tan fundamental que usamos varias clases de energía para asegurar que la ecuación quede realmente balanceada. 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 { }= − 𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑣𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 { 𝑠𝑢 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎 }

𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ℎ𝑎𝑐𝑖𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒 +{ }−{ } 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑣𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑢 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 { 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎 }

La “ley de conservación de la energía” que establece que ésta no se crea ni se destruye. ∆𝑈 = 𝑄 – 𝑊 Sistema Abierto: Sí intercambia materia con los alrededores. Sistema Cerrado: No intercambia materia con los alrededores. Sistema Aislado: No intercambia materia ni energía. ENTRADA - SALIDA: Energía neta transferida al sistema a través de los alrededores. [𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴] − [𝑆𝐴𝐿𝐼𝐷𝐴] = 𝑄 – 𝑊

Q: calor transmitido hacia el sistema desde los alrededores. W: trabajo realizado por el sistema sobre los alrededores. ACUMULACIÓN: incremento de energía total del sistema: energía final del sistema – energía inicial del sistema. 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = (𝑈𝑓 + 𝐸𝑐𝑓 + 𝐸𝑝𝑓) − (𝑈𝑖 + 𝐸𝑐𝑖 + 𝐸𝑝𝑖) U, Ec, Ep: energías interna, cinética y potencial Balance: (𝑄 − 𝑊) = ∆𝑈 + 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝

Figura 8: Proceso de Entrada Salida de un Sistema. FUENTE: (Bird, 1992)

El balance de materia y energía se basa en la ley de la conservación de la energía que en un proceso, la energía no se crea, ni se destruye, solo se transforma. En un balance total de energía se toma en cuenta las transferencias de energía a través de los límites del sistema. Ciertos tipos de energía están asociados a la masa que fluye, otros tipos de energía como el calor y el trabajo son solo formas de transmisión de energía. (Welty, 1992) 14. ANÁLISIS WBT En concordancia con las prácticas antes expuestas, las cocinas y calentadores mejorados a leña son artefactos comunes en toda Latinoamérica que en su mayoría se orientan a reducir los tiempos de operación, el consumo de leña y las emisiones de CO2 y CO al ambiente. Entre las pruebas de rendimiento más difundidas se encuentra el Ensayo de Agua Hirviendo (WBT por sus siglas en inglés) (Baldwin, 1987; Robert van der Plas y Mukunda, 2009). La bibliografía disp⁠onible acerca de cocinas a leña ensayadas mediante el WBT, indica rendimientos que rondan entre el 20 y 30%. Este tipo de artefactos responde específicamente a la necesidad de cocinar en climas templados, ya que su objetivo no es entregar calor al ambiente sino transferirlo de manera rápida a los alimentos.

Cuando el alimento se prepara en olla, el principio más utilizado es el de humos calientes donde el recipiente se coloca en el interior de la cámara de ⁠ combustión y los humos calientes ascienden por su perímetro, aprovechando hasta un 50% más el calor. IV. -

Glosario: Cámara de combustión. Parte de la cocina en la que quema el combustible.

-

Carbón de leña. Material negro y poroso que contiene carbón en su mayor parte y que se produce al quemar madera o un biocarburante.

-

Combustión. Es una reacción exotérmica (liberación de calor) entre un combustible y un oxidante, el cual consiste en las reacciones termoquímicas necesarias para la reducción del combustible.

-

Combustión Completa. Conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de hidrocarburos.

-

Combustión Incompleta. Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados, los más importantes son CO y H2; otros posibles inquemados son carbono, restos de combustible, etc.

-

Convección. Intercambio térmico en un gas o un líquido debido el movimiento del aire o del agua.

-

Corriente de aire. Aire que se desplaza por la cocina y que sube por la chimenea.

-

Contenido de humedad (H.R.). El contenido de humedad de la biomasa es la relación de la masa de agua contenida por kilogramo de materia seca. Para la mayoría de los procesos de conversión energética es imprescindible que la biomasa tenga un contenido de humedad inferior al 30%.

-

Emisiones. Subproductos del proceso de combustión que se descargan en el medio ambiente.

-

Energía retenida. Energía de calor que calienta los recintos alrededor del fuego que no se escapa a su exterior.

-

Exceso de aire. Cantidad de aire usada en exceso de la cantidad necesaria para la combustión completa.

-

Gases de combustión. Gases calientes que fluyen de la cámara de combustión y salen por la chimenea.

-

Poder calórico. El contenido calórico por unidad de masa es el parámetro que determina la energía disponible en la biomasa. Su poder calórico está relacionado directamente con su contenido de humedad. Un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la combustión debido a que una gran parte del calor liberado se usa para evaporar el agua y no se aprovecha en la reducción química del material.

PROCESO METODOLÓGICO I.

Procedimientos:

1. Obtención de la tierra: -

Se extrajo la tierra de la zona que es arcillosa con ayuda de una lampa.

Figura 9: Obtención de la tierra a utilizar. FUENTE: Propia.

2. Preparación de barro fino: -

Se pasó la tierra por una malla para hacerla más fina.

Figura 10: Pasar la tierra por la malla. FUENTE: Propia.

-

Se puso la tierra encima de un plástico grande, se le agrego agua para después proceder a pisarla y homogenizarla, agregar más agua de acuerdo a la consistencia de la mezcla.

Figura 12: Pasar la tierra a un plástico ubicado en el piso. FUENTE: Propia.

Figura 11: Agregado de agua y mezclado con lampa. FUENTE: Propia.

Figura 13: Homogenización de la tierra con el pisoteo. FUENTE: Propia.

3. Preparación de barro para la unión de los ladrillos -

En este caso no se requiere de tierra fina, así que se procedió a colocar la tierra encima de un plástico grande, y se agregó agua.

Figura 14: Colocación de la tierra FUENTE: Propia.

-

Se le agregó pelo de cerdo y paja para compactar la tierra y obtener una mayor compenetración de la mezcla, después proceder a pisarla y homogenizarla, agregar más agua de acuerdo a la consistencia de la mezcla.

Figura 15: Agregando el pelo de cerdo a la mezcla. FUENTE: Propia.

Figura 16: Pisoteando la mezcla hasta homogenizar. FUENTE: Propia.

4. Construcción de la cocina mejorada: -

Selección del lugar: Efectuamos la proyección del largo y ancho a construir (largo 122 cm y ancho 54 cm) que tendrá la cocina en base al número de ollas que usaremos que fueron dos, así como la

consideración para la instalación de la chimenea y la cámara de combustión que está ubicada en la dirección de la corriente del aire.

Figura 17: Midiendo el lugar donde se construirá la cocina. FUENTE: Propia.

-

Nivelación de la base.

Figura 19: Nivelando la base de la cocina con ayuda de un nivel y una tabla para nivelar. FUENTE: Propia.

-

Figura 18: Nivelando la parte final con ayuda de una tabla de nivel. FUENTE: Propia.

Construcción de la base:

Figura 20: Remojo de ladrillos para tener una más fácil unión con el barro. FUENTE: Propia

-

Construcción de las cámaras de combustión: Colocar la segunda capa dejando espacio para la cámara de combustión de la cocina (24cm x

50 cm y 25 cm de alto) y para la cámara de combustión del horno (28 cm x 40 cm y 25 cm de alto).

Figura 22: Construcción de la segunda capa. FUENTE: Propia.

-

Figura 21: Colocando los ladrillos en la segunda capa. FUENTE: Propia.

Antes de la cuarta capa colocar las varillas de fierro para marcar así el límite de la cámara de combustión, tanto de la cocina (3 varillas de 3/8) como del horno (3 varillas de 3/8).

Figura 24: Cámara de combustión de la cocina. FUENTE: Propia.

-

Figura 23: Cámara de combustión del horno. FUENTE: Propia.

En la cuarta capa dejar un espacio vacío de 10 cm (DUCTO POR DONDE PASAN LOS GASES DE COMBUSTION), realizar el tumulto en este espacio para que la más fácil conducción de los gases de combustión hacia las ollas colocar las 3 varillas de 3/8 y 40 cm de largo

Figura 26: Ducto de 10 cm. FUENTE: Propia.

Figura 25: Varillas para la primera cocina. FUENTE: Propia

sobre el espacio dejado en la cámara de combustión para colocar la olla.

-

Haciendo uso de la plancha metálica nivelarla, y dar forma a los

Figura 28: Nivelando la parte superior de la cocina con ayuda de la plancha metálica. FUENTE: Propia.

Figura 29: Dando forma a los ladrillos. FUENTE: Propia.

Figura 27: Dando forma a los orificios por donde ingresaran las ollas. FUENTE: Propia.

ladrillos donde serán colocadas las ollas. -

Encima de la cámara de combustión del horno y de la sexta capa colocar la plancha metálica (59 cm de largo x 43,5 cm de ancho), después se realiza el armazón del horno (60 cm x 66 cm y 57cm de alto).

Figura 30: Colocación de la plancha. FUENTE: Propia.

Figura 31: El horno. FUENTE: Propia.

-

Colocar la chimenea con el serpentín de cobre instalado.

Figura 35: Serpentín de cobre dentro de la chimenea. FUENTE: Propia.

Figura 32: Haciendo el agujero para la entrada de la chimenea. FUENTE: Propia

-

Figura 33: Chimenea con su gorro chino. FUENTE: Propia.

Figura 34: Chimenea colocada. FUENTE: Propia.

Colocar la puerta del horno (48 cm x 40 cm).

Figura 37: Construcción de la puerta. FUENTE: Propia.

Figura 36: Puerta Colocada. FUENTE: Propia.

-

Realizar las conexiones debidas hacia el serpentín y contenedor para el almacenamiento del agua caliente, realizar el soporte del contenedor haciendo uso de varillas de fierro empotradas en la pared para que soporte el contenedor.

Figura 44: Haciendo la conexión con la tubería de la casa. FUENTE: Propia.

Figura 43: Conexión de la casa. FUENTE: Propia.

Figura 42: Puesta de la llave para regular el agua. FUENTE: Propia

Figura 41: Conexión del serpentín con la tubería de la casa. FUENTE: Propia.

Figura 39: Colocando el soporte para la tubería. FUENTE: Propia.

Figura 40: Conexión del serpentín al contenedor de agua. FUENTE: Propia.

Figura 38: Colocando el contenedor de agua. FUENTE: Propia.

II.

Materiales 

Tierra arcillosa



Paja



125 Ladrillo



Pelo de cuy y chancho



30 Varillas de fierro (5/8 de pulgada)



2 varillas (1 pulgada)



1 Tubo galvanizado (15 cm de diámetro y 1.50 m de largo) con sombrero



2 Plancha de metal ( 0.0393 pulgadas de espesor)



2 Picos



2 Lampas



1 Nivelador



1 Badilejo



1 Destornillador



1 Taladro



1 Amoladora



1 Espátula



1 Regla de aluminio



1 Martillo



1 Comba



1 Cincel



1 Plancha



1 Carretilla



1 Zaranda



1 Wincha



1 Alicate pinza



500ml Pintura de color negro



250 ml de Tiner



1 Brocha



2 Tubos de agua (1/2 pulgada)



2 Mangueras para agua caliente (30 cm)



2 Abrazaderas para tubo



1 contenedor de metal de 30 litros



30 clavos (2 pulgadas)



2 Llaves de agua para tubo de 1/2 pulgada



2 rejillas

III.

Equipos 

TERMOCUPLA Y TERMÓMETRO: Usado para medir la temperatura de chimenea, horno, etc. en un tiempo de 30 min.



CRONÓMETRO: Usado para la medición del tiempo al registra las temperaturas de horno, chimenea, etc.

DATOS OBTENIDOS  Cantidad de combustible (leña de eucalipto): 𝑚𝑙  Cantidad de leña consumida(ceniza): 𝑚𝑐  Masa del agua en las ollas: 2 L TIEMPO (min)

TEMPERATURA TEMPERATURA DE LA TEMPERATURA DE LA AMBIENTE OLLA 1 CON AGUA OLLA 2 CON AGUA

-

-

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

19 °C 19 °C 22 °C 24 °C 24 °C 24 °C 23.5 °C 24 °C 24 °C 24 °C 24 °C 24 °C 24 °C 24 °C 24 °C 24 °C

𝑚𝑙 : 3 𝑘𝑔 𝑚𝑐 : 1 𝑘𝑔 20 °C 24 °C 34 °C 41 °C 50 °C 55 °C 60 °C 64 °C 68 °C 71 °C 74 °C 80 °C 87 °C 87 °C 86 °C 84 °C

𝑚𝑙 : 3 𝑘𝑔 𝑚𝑐 : 1 𝑘𝑔 18 °C 23 °C 30 °C 34 °C 40 °C 44 °C 51 °C 55 °C 61 °C 64 °C 68 °C 73 °C 78 °C 84 °C 86 °C 83 °C

TEMPERATURA DE LA CHIMENEA

TEMPERATURA DEL HORNO

𝑚𝑙 : 3 𝑘𝑔 𝑚𝑐 : 1 𝑘𝑔 24 °C 53 °C 101 °C 158 °C 204 °C 264 °C 300 °C 304 °C 296 °C 298 °C 293 °C 320 °C 354 °C 356 °C 323 °C 313 °C

𝑚𝑙 : 3 kg 𝑚𝑐 : 1 kg 22 °C 29 °C 30.1 °C 34.6 °C 41.5 °C 46.9 °C 55 °C 66.5 °C 74.6 °C 79.8 °C 82.6 °C 85.6 °C 86.8 C 89 °C 92.3 °C 104.2 °C

TEMPERATURA DEL AGUA PROVENIENTE DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR 𝑚𝑙 𝑚𝑐 71 °C 71 °C 72 °C 71 °C 71 °C 71 °C 70 °C 69.5 °C 69 °C 69 °C 71 °C 69 °C 69 °C 71 °C 72 °C 72 °C

CÁLCULOS BALANCE DE MATERIA DE COCINA Y HORNO: HUMEDAD RELATIVA DE HUAYUCACHI SEGÚN SENAMI (%)

70

TEMPERATURA DE BULBO SECO EN HUAYUCACHI (°C) LEÑA 𝑯 𝑶 𝟐 HUMEDAD RELATIVA DE HUAYUCACHI SEGÚN SENAMI (%)

15

MASA SECA

TEMPERATURA DE BULBO SECO EN HUAYUCACHI CAMARA DE (°C) 𝑵𝟐

AIRE SECO

70

GASES AIRE HUMEDO

COMBUSTION

𝑵𝟐 𝑯𝟐 𝑶

15

𝑺𝑶𝟐

CENIZA

𝑪𝑶𝟐

CO

𝑶𝟐 𝑯𝟐 𝑶

-

HUMEDAD RELATIVA DE HUAYUCACHI SEGÚN SENAMI (%)

-

TEMPERATURA DE BULBO SECO EN HUAYUCACHI (°C)

70

15

0.0075

15

COMPOSICIÓN DE LEÑA DE EUCALIPTO ELEMENTOS

COMPOSICIÓN MOLAR (%)

x

MOLES (n)

PESO MOLECULAR(kg/ molKg)

Azufre

0.13

0.0013

0.000191702

32

Carbono

43.21

0.4321

0.063718876

12

Hidrógeno

5.99

0.0599

0.008833049

1

Oxígeno

42.23

0.4223

0.062273736

16

Humedad

8.44

0.0844

0.012445899

18

SUMATORIA

100

1

0.147463263

DATOS ̅̅̅̅̅ 𝑃𝑀 𝐷𝐸 𝐿𝐸Ñ𝐴 𝐻𝑈𝑀𝐸𝐷𝐴 (Kg/mol)

13.5627

MASA INICIAL DE LEÑA (kg)

3

CENIZA (kg)

1

MASA DE LEÑA USADO EN COMBUSTION (kg)

2

MOLES DE LEÑA DE EUCALIPTO (mol)

0.147463263

MOLES DE AGUA DE LEÑA USADO EN COMBUSTION (mol)

0.012445899

MOLES DE LEÑA SECA USADA EN COMBUSTION(mol)

0.135017364

kg de Agua/ kg de aire seco

0.0075

̅̅̅̅̅ 𝐷𝐸 𝐴𝐼𝑅𝐸 𝑆𝐸𝐶𝑂 (kg/mol) 𝑃𝑀

29

COMPOSICION DE AIRE SECO 𝑂2 𝑁2

TOTAL -

(%) 21 79 100

REACCIÓN:

𝐶0.06372 𝐻0.0088 𝑂0.06227 𝑆0.00019 + 𝑎𝑂2 → 𝑏𝐶𝑂2 + 𝑐𝐶𝑂 + d 𝑆𝑂2 + 𝑒𝐻2 0

-

BALANCE DE REACCIÓN: BALANCE DE C:

0.06372 = b + c

BALANCE DE H:

0.0088 = 2*e

BALANCE DE O:

0.06227 + 2*a = 2*b + c + 2*d + e

BALANCE DE S:

0.00019 = d a

0.0242

b

0.02155

c

0.04217

d

0.00019

e

0.0044

𝐶0.06372 𝐻0.0088 𝑂0.06227 𝑆0.00019 + 0.0242𝑂2 → 0.02155𝐶𝑂2 + 0.04217𝐶𝑂 + 0.00019𝑆𝑂2 + 0.0044𝐻2 0

MOLES DE OXIGENO (mol)

0.00326742

MOLES DE MONOXIDO DE CARBONO (mol)

0.005693682

MOLES DE DIOXIDO DE CARBONO (mol)

0.002909624

MOLES DE DIOXIDO DE AZUFRE (mol)

2.56533E-05

MOLES DE AGUA (mol) AIRE HUMEDO: MOLES DE AIRE SECO

0.000594076 0.015559144

MOLES DE OXIGENO ALIMENTADO

0.00326742

𝑚𝑜𝑙 𝐴𝐼𝑅𝐸 𝑆𝐸𝐶𝑂 mol𝑂2* 𝑚𝑜𝑙 02 SEGUN REACCION ANTERIOR

MOLES DE NITROGENO ALIMENTADO

0.012291724

MAOLES DE AGUA

0.000188006 𝑘𝑔 𝐴𝐼𝑅𝐸 𝑆𝐸𝐶𝑂 Mol AIRE SECO* 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝐼𝑅𝐸 𝑆𝐸𝐶𝑂

MOLES DE A.S - MOLES DE OXIGENO

*

𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝐴𝐼𝑅𝐸 𝑆𝐸𝐶𝑂

∗

1 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎

-

RESULTADOS: LEÑA SECA (kg)

1.775973811

AGUA (kg)

0.224026189

LEÑA HUMEDA

OXIGENO (kg) 0.104557447 AIRE SECO NITROGENO (kg)

AIRE HUMEDO

0.344168261 AGUA(kg)

GASES DE LA CHIMENEA

CENIZA (kg)

0.003384114

NITROGENO (kg)

0.344168261

AGUA (kg)

0.238103678

MONOXIDO DE CARBONO (kg)

0.159423102

DIOXIDO DE CARBONO (kg)

0.128023464

DIOXIDO DE AZUFRE (kg)

0.001641811

1

BALANCE DE ENERGÍA DE LA COCINA:

Figura 45: Balance Energético para la cocina mejorada.

-

LA ENERGÍA PRODUCIDA EN LA COMBUSTIÓN SE DISTRIBUYE EN: 

Q1, Energía producida por la combustión de leña húmeda. 𝑄1 =



Q2, Energía perdida por humedad en la leña. 𝑄2 =



(fm ∗ m + 0.12 ∗ fm ∗ m)PC 𝑡𝑒𝑏 ∗ 60

Q3, Energía perdida en los residuos de carbón. 𝑄3 =



𝐶𝑝𝑎𝑔 ∗ 𝑀1(𝑎𝑔𝑢𝑎) ∗ 𝛥𝑇1 𝑡𝑒𝑏 ∗ 60

Q5, Energía ganada por el agua de olla secundaria. 𝑄5 =



Δc ∗ (1.5 ∗ PC) 𝑡𝑒𝑏 ∗ 60

Q4, Energía ganada por el agua de olla principal. 𝑄4 =



𝐶𝑝𝑎𝑔 ∗ 𝑀2(𝑎𝑔𝑢𝑎) ∗ 𝛥𝑇2 𝑡𝑒𝑏 ∗ 60

Q6, Energía ganada por evaporación de agua de olla principal. 𝑄6 =



fm ∗ PC 𝑡𝑒𝑏 ∗ 60

𝐶𝐿𝑒𝑣 ∗ 𝑀1𝑒𝑣 𝑡𝑒𝑏 ∗ 60

Q7, Energía ganada por evaporación de agua de olla secundaria.

𝑄6 =



𝐶𝐿𝑒𝑣 ∗ 𝑀2𝑒𝑣 𝑡𝑒𝑏 ∗ 60

Q8, Energía perdida en los gases de combustión. 𝑄6 = mg ∗ Cpgc ∗ ΔTg



Q9, Energía perdida en el cuerpo de la cocina. Q9 = Q1 − (Q2+ . . . + Q8 )

Reemplazando con los datos: fm

2 kg

PC

17.066 kJ/kg

teb

30 min

Leña húmeda consumida. Poder calorífico inferior de leña. Tiempo de la PEA hasta la ebullición de agua en olla principal.

m (% humedad leña)

0.0844 %

Cantidad de humedad.

Δc

0.5025 kg

Carbón producido durante la combustión.

Cpag

4.186 kJ/kg °C

Calor específico de agua.

M1(agua)

1.994 kg

Masa agua olla principal.

ΔT1

64 °C

M2(agua)

1.994 kg

ΔT2

63 °C

CLev

2260 kJ/kg

Diferencia de temperatura en olla principal hasta ebullición. Masa agua olla secundaria. Diferencia de temperatura en olla secundaria hasta ebullición. Calor latente de evaporación de agua.

M1ev

0.3545 kg

Masa agua evaporada en olla principal.

M2ev

0.1069 kg

Masa agua evaporada en olla secundaria.

mg Cpgc α A chim ΔPg ρg ΔTg Vg

0.02141116 kg/s 1.0319 kJ/kg °C

Flujo de masa de gases de combustión Calor específico de los gases de combustión.

0.72

Coeficiente de descarga de la chimenea.

0.017671 m2

Sección de flujo de gases de combustión.

2 Pa 0.708 kg/m3 291 °C 0.03024175 m3/s

*Referencia (Alvarez Pablo, 2009)

Diferencia de presión en la chimenea. Densidad de gases de combustión. Diferencia de temperatura de los gases de combustión. Caudal de gases de combustión.

Las energías serán:

-

Q1

18.96222222 kW

Q2

1.792460942 kW

Q3

7.1463875 kW

Q4

0.296778098 kW

Q5

0.29214094 kW

Q6

0.445094444 kW

Q7

0.134218889 kW

Q8

6.429405972 kW

Q9

2.425735437 kW

Balance de energía de ganancias y pérdidas

-

Q entregado

10.02337378 kW

Q aprovechado

1.168232371 kW

Balance de energía para el modelo de la cocina: Balance de Energía

Energía (kW)

%

Q entregado por el combustible

10.02337378

100

Q aprovechado por el contenido de ollas

1.168232371

11.65508138

Q perdida en chimenea

6.429405972

64.14413064

Q perdida en cuerpo cocina

2.425735437

24.20078798

-

Eficiencia de combustión: 0.623125 Ncomb 62.3125 %

BALANCE DE ENERGÍA DEL HORNO: -

Datos: Cantidad de leña(kg) : Cantidad de ceniza(kg):

-

Hallando calor útil:

3 1

Q=calor util(J) C=capacidad calorifica(J/Kg. K) V=volumen del horno(m^3) Ts=temperatura de salida(K) Ti=temperatura de entrada(K) peso especifico(Kg/m^3):

-

¿? 246.66 0.221958 377.35 295.15 0.63

Entonces: 2835.18823

-

Perdida de calor por las paredes (Qo):

-

Donde: Qo=Perdida de calor en las paredes(J): To=Temperatura media de la pared del horno(K): Co=Capacidad calorifica del ladrillo(J/Kg.K): o=Peso especifico(Kg/m^3): Vo=Volumen del Horno(m^3):

¿? 41.1 2691.5672 0.24 0.221958

Entonces: 5892.9003

-

Gases de la chimenea Qg:

Donde: Qg=calor de los gases de combustion(J): Mg=masa del gas de la chimenea(Kg): Cp=capacidad calorifica(J/Kg.K): Tg=Temperatura de salida en gases de chimenea(K)

Entonces: 0.10318741

-

Eficiencia del horno:

¿? 0.87136032 0.8418 586.15

Donde: Q=calor util(J): QT=Calor total(J):

-

Eficiencia: 32.4831113 %

2835.18823 8728.19172

RESULTADOS Y DISCUCIÓN Se aplicó la primera ley de la termodinámica en el calentamiento de las ollas donde se altera la energía del sistema debido a la transferencia de energía por las fronteras que se da gracias a la combustión de la leña. El primer principio de la termodinámica se apoya sobre hechos experimentales, de que la energía no puede ser creada ni destruida solo se transforma, balance de energía, el cual se realizó para saber el consumo de leña al hervir 2 litros de agua. Se aplicó la segunda ley de la termodinámica para la cocción de los alimentos donde la entropía dentro de las ollas aumenta hasta alcanzar un valor máximo. En las ollas como en el horno el flujo de la energía en forma de calor va en una forma unidireccional, desde una temperatura alta a una baja hasta alcanzar el equilibrio, calentando así el agua dentro de las ollas. Se determinó el balance de materia en la cocina mejorada, donde se utilizó 1.775973811 kg de leña para calentar 0.224026189 kg de agua y donde la ceniza fue de 1 kg. Entre los gases de la chimenea se encontraron nitrógeno (0.344168261 kg), agua (0.238103678 kg), monóxido de carbono (0.159423102 kg), dióxido de carbono (0.128023464 kg) y dióxido de azufre (0.001641811 kg). Se determinó el balance de energía de la cocina mejorada, donde se determinó el Q entregado por el combustible que fue de 10.02337378 kW, Q aprovechado por el contenido de ollas que fue de 1.168232371 kW, Q perdida en chimenea 6.429405972 kW y el Q perdida en cuerpo cocina que es 2.425735437 kW. Se determinó el balance de energía del horno, donde se determinó el Q útil que fue de 2835,18823 J, Q perdido por las paredes fue de 5892,9003 J y Q perdido en chimenea fue de 0,10318741 J. Se determinó la eficiencia de la cocina mejorada, que fue de 62,3125 % y la eficiencia del horno que fue de 32,4831113 %. En el trabajo realizado en diseño, construcción y evaluación de una cocina mejorada con Intercambiador de calor por Hugo A. Torres Muro en Tacna se obtuvo una eficiencia de 50,3 %, en nuestro trabajo superamos esa eficiencia en un 12 %.

Desde el punto de vista ambiental, económico y social, los resultados obtenidos nos permiten concluir que su aplicación masiva es una alternativa de solución que permitiría revertir la situación actual causando impactos positivos como la reducción de los niveles de contaminación intramuros, reducción de la tasa de deforestación y desertificación, disminución de problemas de salud, mejoras en la calidad de dieta alimenticia y por lo tanto una mejor calidad de vida de la población.

CONCLUSIONES

Se aplicó la primera y la segunda ley de la termodinámica al lograr conocer las características de una cocina mejorada como el poco uso de combustibles, poca perdida de calor, determinando el balance de materia y energía para finalmente determinar la eficiencia de la cocina mejorada. Se llegó a calcular el balance de masa para la leña por medio de una reacción de combustión ajustada. Se determinó el balance de energía de la cocina mejorada donde el Q aprovechado por el contenido de ollas que fue de 1.168232371 kW. Se determinó el balance de energía del horno donde el Q útil fue de 2835,18823 J. Se determinó la eficiencia de la cocina mejorada, que fue de 62,3125 % y la eficiencia del horno que fue de 32,4831113 %.

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ANEXOS

Cocina Tradicional de la familia de Huayucachi.