Cocina Mejorada Para Presentar

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMCA INDUSTRIAL

CÁTEDRA: TERMODINAMICA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS I

APLICACIÓN DE LA 1ra y 2da LEY DE LA TERMODINÁMICA EN UNACOCINA MEJORADA EN SAN JERÓNIMO DE TUNÁN PRESENTANDO AL DOCENTE: Ing. WALTER SEGUNDO FUENTES LOPEZ. REALIZADO POR: CANCHUMANI BAUTISTA Brigith Nicole

2016101548J-IQI

COLLAZOS ROMERO Gustavo Crhistian

2016101412A-IQ

HUAROC ALIAGA Damaris Gabriela

2016101432I-IQ

MAYTA ARMAS Angie Fiorella

2016101543C-IQI

ROJAS RAMOS Alain Jimi

2016101580J-IQI

Fecha:25-07-2018 Huancayo-Perú

CONTENIDO PROBLEMA ........................................................................................................4 DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN PROBLEMÁTICA .......................................4 OBJETIVOS ........................................................................................................6 OBJETIVO GENERAL .........................................................................................6 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...............................................................................6 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................7 RAZONES QUE MOTIVAN LA INVESTIGACIÓN ...............................................7 IMPORTANCIA DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN ..............................................7 I. MARCO TEÓRICO ........................................................................................8 1.1. ¿QUÉ ES UNA COCINA A LEÑA MEJORADA? .......................................8 1.2. COCINAS DE COMBUSTIÓN DIRECTA ...................................................9 1.3. COMBUSTION ......................................................................................... 10 1.4. CARACTERÍSTICAS DE USO DE UNA COCINA MEJORADA............... 11 1.5. PRINCIPALES COMPONENTES DE LA COCINA MEJORADA ............. 11 1.6. PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LA LEÑA .......................................... 12 1.7. RELACIÓN AIRE – COMBUSTIBLE ........................................................ 15 1.8. TRANSFERENCIA DE CALOR................................................................ 16 1.9. CONTENIDO DE HUMEDAD DE LA LEÑA ............................................. 21 1.10.

COMPOSICIÓN DE LA LEÑA DE EUCALIPTO ................................... 21

1.11.

CANTIDAD TEÓRICA DEL AIRE ......................................................... 23

1.12.

ANÁLISIS WBT ..................................................................................... 24

II. MARCO CONCEPTUAL .............................................................................. 25 III. DISEÑO METODOLÓGICO ........................................................................ 27 3.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO ................................................................ 27 3.2. INSTRUMENTOS PARA RECOLECTAR DATOS ................................... 28 3.3. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ........................................................ 28

3.4. PRESUPUESTO ...................................................................................... 29 IV. PROCEDIMIENTO DEL TRABAJO DE APLICACIÓN ................................ 30 V. DATOS OBTENIDOS .................................................................................. 37 VI. CÁLCULOS ................................................................................................. 39 VII.

CONCLUSIONES ................................................................................... 49

CONCLUSIÓN GENERAL ................................................................................. 49 CONCLUSIONES ESPECÍFICAS ..................................................................... 49 VIII. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA............................................................. 50

PROBLEMA DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN PROBLEMÁTICA Debido a que la leña es un recurso energético renovable, sin embargo, en algunos lugares las necesidades de la misma pueden llegar a superar la disponibilidad induciendo alguna condición de escasez, por lo que debe cuidarse que las prácticas de consumo, 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 nuevas formas que permitan una mejor, con estas nuevas formas, que implican el diseño y desarrollo de una nueva estufa mejorada, 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.

Debido al uso de cocina a leña se realizó una cocina mejorada a beneficio de la señora Alejandrina Arteaga Campos con domicilio en Pasaje las Flores del distrito de San Jerónimo de Tunan ya que anteriormente contaba con una cocina a 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.

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Ilustración 1 de las condiciones de la cocina

Fuente: Propia

Ilustración 2 de las condiciones de la cocina

Fuente: Propia

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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  Aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica en la cocina mejorada.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Determinar de las características de la cocina mejorada para un buen funcionamiento.  Determinar el balance de materia en la cocina mejorada.  Determinar el balance de energía de la cocina mejorada.  Determinar la eficiencia de la cocina mejorada y horno.

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JUSTIFICACIÓN RAZONES QUE MOTIVAN LA INVESTIGACIÓN El problema de los pueblos rurales es la energía con que se utiliza para cocinar sus alimentos, que en su mayoría son restos de árboles y muchos tipos de materia que se pueda llegar a tener un proceso de combustión.

IMPORTANCIA DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN Este problema lo llevaremos a cabo en el distrito de San Jerónimo de Tunan ya que por el lugar elegido es muy difícil hacer llegar la energía que se utiliza en la mayoría de las viviendas en las ciudades, el gas. Tomares la vivienda de la familia Artiaga Campos para poder realizar el mejoramiento de la cocina a leña que se encuentra en esta vivienda. También reducirá los problemas respiratorios y oculares, disminuirá el riesgo de sufrir quemaduras ya que la persona que utiliza la cocina es una persona de la tercera edad la señora (nombre de tu familiar) que le ayudara a tener una menos contaminación al interior de la vivienda con humos tóxicos, ceniza y hollín. En el ámbito económico mejorará la familia por el uso racional de leña, ahorra en un 40% el material de combustión, reducirá el tiempo de cocción de los alimentos y será más barato, porque se puede construir con materiales de la zona. En el sector social tendrá mayor comodidad al momento de preparar los alimentos, conservará mayor tiempo sus utensilios y evitará la mala posición y permite cocinar con facilidad e higiene. También ayudará en el ámbito ambiental porque será ecológico al ahorrar combustible para cocinar, tendrá menor cantidad de humo y promueve un ambiente limpio y sano aparte de la mejor conservación del medio ambiente.

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I. MARCO TEÓRICO 1.1. ¿QUÉ ES UNA COCINA A LEÑA MEJORADA? Son máquinas térmicas que generan calor mediante la combustión de sólidos. El calor liberado durante el proceso es utilizado para diferentes actividades como la cocción de alimentos, calefacción y calentamiento de agua. La ventaja de estas cocinas es su bajo costo y su fácil operación.

Figura 1.1. Partes de una cocina mejorada

Fuente: (CAÑAS, OCTUBRE 2008) Para el diseño de las cocinas mejoradas se deben considerar varios factores, tanto técnicos como sociales.

En cuanto a los factores técnicos, como se observa en la Fig.6.1. se debe considerar: materiales, transferencia de calor, aislación térmica, análisis del flujo de aire, tipo de combustible.

De acuerdo al fenómeno de combustión utilizado en el proceso para la generación de calor, se han dividido a las cocinas, tal como se presenta en la Fig 6.2. en dos grandes grupos los cuales son cocinas de combustión directa y cocinas de gasificación. (CAÑAS, OCTUBRE 2008)

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Figura 1.2. a) Cocinas de combustión directa, b) Cocina de gasificación

Fuente: (CAÑAS, OCTUBRE 2008) Esta clasificación permite analizar a todos los modelos encontrados a nivel mundial y ubicarlos dentro de estos dos grupos, lo cual servirá para comparar que tecnologías presentan una mejor eficiencia, menores emisiones de gases contaminantes y compararlas con el costo a nivel mundial.

1.2. COCINAS DE COMBUSTIÓN DIRECTA Son un tipo de cocinas mejoradas en donde la generación de calor se produce por la combustión directa de la biomasa. El diseño de este tipo de cocinas se viene desarrollando desde hace más de 30 años. El principal aporte de los estudios realizados es la optimización en la geometría de la cámara de combustión con los materiales, logrando obtener una mayor eficiencia, al mejorar la transferencia de calor por convección y radiación desde la llama hacia la olla. Además se ha demostrado en estudios realizados por Ruiz Mercado (2014), que las cocinas deben tener máximo dos quemadores para que sean eficientes. En cuanto a la solución del problema de la reducción de las emisiones de gases contaminantes, se instalan chimeneas para extraer el humo creado en la combustión. La desventaja de instalar chimeneas es la reducción de la eficiencia y el aumento del costo. El diseño óptimo de esta cocina permite:  Menor uso de material de combustión (leña, carbón, etc.) para hacer fuego.  -Que el humo que es toxico salga del lugar donde se cocina. No se irriten los ojos por el humo.  Que no hayan accidentes por volcamiento de las ollas.  Comodidad para cocinar.  La comida tenga buen sabor.  Son relativamente sencillas de construir y utilizar. 9

Los modelos más eficientes encontrados a nivel mundial según se muestran en la Fig. 1.3. (Juan Pablo Kastillo, 2005)

Figura 1.3 Modelos de cocinas de combustión directa

Fuente: (Juan Pablo Kastillo, 2005)

1.3. COMBUSTION Combustión (o quemado) es una reacción exotérmica (liberación de calor) entre un combustible y un oxidante y de manera general, puede expresarse como: Combustible + Oxígeno → Calor + Agua + Dióxido de Carbono

(1)

En una combustión completa, los productos que se obtienen a partir del carbono y el hidrógeno presente en el aire, son dióxido de carbono y agua, respectivamente. El oxígeno presente en el combustible, se incorpora a los productos de la combustión lo cual disminuye la cantidad de aire de combustión necesario.

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CALOR DE COMBUSTIÓN: Se denomina calor de combustión al calor que produce la combustión de la unidad de masa del combustible al quemarse totalmente. Normalmente los combustibles que se usan contienen hidrógeno, que al quemarse produce agua. Si el agua producida esta como vapor al medirse el poder calorífico, se los denomina poder calorífico inferior

1.4. CARACTERÍSTICAS DE USO DE UNA COCINA MEJORADA  Evita la contaminación en el interior de la vivienda con humo tóxico, ceniza, hollín y sus funestas consecuencias en cuanto a salubridad.  Mayor aprovechamiento del calor (eficiente transferencia de calor, menor consumo de combustible).  Mayor seguridad; evitando posibles quemaduras.  Higiene en general.  Disminución de la presión sobre los bosques.

1.5. PRINCIPALES COMPONENTES DE LA COCINA MEJORADA a) Armazón de la Cocina: Es la estructura base, construidos con diferentes tipos de materiales de albañilería existentes en la zona: adobe y barro o ladrillo y cemento o ladrillo y barro o piedras más barro.

b) Cámara de Combustión Generalmente es hecha artesanalmente. Se presenta de diferentes formas. 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.

c) 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.

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d) Rejilla Metálica Varios modelos de cocinas mejoradas optan por una plancha metálica o parrilla de fierro. Este componente cumple dos funciones, en la parte superior sostiene la leña y en la parte inferior permite la circulación de aire.

e) Hornillas Las hornillas es donde se ubican las ollas, generalmente en la parte inferior consta de varillas de fierro o túmulos de barro que sirve de soporte para las ollas, inmediatamente debajo de éste accesorio se encuentra ubicada la cámara de combustión donde ocurre la combustión del combustible. Entre hornillas consecutivas se hallan ductos que permiten la circulación del flujo de aire y gases calientes. Esto permite aumentar la turbulencia y dirigir el flujo del aire caliente hacia las ollas y los gases de combustión hacia la chimenea.

f) La Losa: Se presentan de diferentes materiales constan desde losas de concreto, fierro negro y hasta planchas de fierro fundido; las cuales presentan orificios denominadas hornillas, donde se insertan las ollas. Tipos de losas para cocinas mejoradas

g) Chimenea: Es una estructura que puede ser de adobe y/o metal galvanizado, cuya función es inducir el ingreso de aire al interior de la cámara de combustión y evacuar el humo al exterior del ambiente de cocina. 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.

1.6. PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LA LEÑA Proceso de combustión del combustible, oxígeno y alta temperatura son los requisitos para que suceda la combustión. La leña (madera) es un combustible químicamente complejo el cual se compone primordialmente de carbono, hidrogeno y también oxigeno combinados íntimamente en forma de celulosa,

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lignina, gomas y resinas. La combustión de la leña tiene las siguientes características:  La madera se quema en dos etapas. Primero, la quema del combustible genera los gases volátiles, dejando carbón sólido, la cual se quemará totalmente conforme incrementa la temperatura en la cámara de combustión.  El oxígeno debe venir del aire, circundante de la zona de combustión.  El tamaño la forma y el arreglo de las piezas de combustible afectan la tasa y la culminación de la combustión. a) LA MADERA SE QUEMA EN DOS ETAPAS  Cuando se agrega un trozo de madera al fuego ocurren cambios químicos por la presencia de calor.  Al principio se liberan los gases no combustibles, bióxido de carbono y vapor de agua, a medida que se va incrementando la temperatura se desprenden gases combustibles y alquitrán. Este proceso de degradación química de la madera se llama pirolisis.  Cuando la temperatura excede los 280ºC la proporción de gases inflamables emitidos es suficientemente alta para quemarse, en presencia de oxígeno y a temperatura que excedan la temperatura de ignición17 del combustible.  El gas es encendido por el calor radiante de los leños que ya están quemándose. Una vez encendidos, los gases pirolizados éstas se queman a una temperatura de 1100 ºC, las llamas proveen entonces calor radiante que mantiene y acelera la pirolisis.  Las llamas de un fuego de leña son estos gases en combustión. Las llamas probablemente ni siquiera tocan las superficies de la madera. El flujo de gases, que aumenta enormemente con el calor de las llamas, evita que el oxígeno alcance la superficie de la madera. Es solo cuando cesa este flujo de gases que el carbón empieza a quemarse. Se quema únicamente con una débil llama azul y los subproductos de su combustión son principalmente bióxido de carbono y CO.

b) RADIACIÓN  La energía radiante se emite de objetos calientes y no se vuelve calor perceptible hasta que es absorbida por la superficie de otro objeto. 13

 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. (PERU, 2009)  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. (PERU, 2009)  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. La celulosa de la leña:

En el análisis de alimentos también se conoce con el nombre de cenizas al conjunto de minerales que no arden ni se evaporan. Después de calcinarlo, es más fácil hacer un análisis detallado de cada mineral. Así por ejemplo, tras analizar miel obtenemos las siguientes cantidades: (PERU, 2009)  Fructosa: 38%  Glucosa: 31%

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 Sacarosa: 1%  Agua: 17%  Otros carbohidratos:  Cenizas: 0.17%

CO + H2O + 2E = Cenizas

(2)

1.7. 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 estequiometria.  Combustión completa (con exceso de aire).  Combustión incompleta (con defecto de aire).  Combustión imperfecta.

a. Combustión estequiometria: Este tipo de combustión se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente requeridas de combustible y oxígeno, los cuales se queman en forma completa y perfecta. Sin embargo, este tipo de combustión está 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.

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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.

1.8. TRANSFERENCIA DE CALOR La Transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos diferentes. De acuerdo con los conceptos de la Termodinámica, la energía que se transfiere como resultado de una diferencia de temperatura es el calor.  Las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, pero sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio (pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para modificar un sistema de un estado de equilibrio a otro), pero no sirven para predecir la rapidez (tiempo) con que pueden producirse estos cambios.  La transferencia de calor, complementa los principios termodinámicos, proporcionando métodos de análisis que permitan predecir esta velocidad de transferencia térmica. Realizando un análisis de la transmisión de calor, permite predecir la velocidad de la transferencia térmica de un sistema y de esta información se puede calcular las temperaturas del sistema en función del tiempo. 16

 Para proceder a realizar un análisis completo de la transferencia del calor es necesario considerar tres mecanismos diferentes: conducción, convección y radiación.  El diseño y proyecto de los sistemas de un intercambio de calor y conversión energética requieren de cierta familiaridad con cada uno de estos mecanismos, así como de sus interacciones.

A. CONDUCCION La conducción, es el único mecanismo de transmisión de calor posible en los medios sólidos opacos, cuando en estos cuerpos existe un gradiente de temperatura. El calor se trasmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura, debido al movimiento cinético o el impacto directo de las moléculas como en el caso de los fluidos en reposo o por el arrastre de los electrones como sucede en los metales. La ley básica de la conducción del calor (DOMINGO, 2011) establece: “La tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección”. 𝛛𝐓

𝐐𝐗 = −𝐊𝐀 𝛛𝐱

𝐪𝐱 =

𝐐𝐱 𝐀

(3)

𝛛𝐓

= −𝐊 𝛛𝐱

(4)

Donde: K= conductividad térmica A=Área de sección transversal de la trasferencia de calor. 𝛛𝐓 = gradiente de temperatura 𝛛𝐱 El flujo real de calor depende de la conductividad térmica (k), que es una propiedad física del cuerpo El signo (-) es consecuencia del segundo principio de la termodinámica, según el cual el calor debe fluir hacia la zona de temperatura más baja. El gradiente de temperatura es negativo si la temperatura disminuye para valores crecientes de x, por lo que el calor transferido de la dirección positiva debe ser una magnitud

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positiva, por lo tanto, al segundo miembro de la ecuación anterior hay que introducir un signo negativo, como se muestra en la figura. (HENRIQUEZ, 2009) Figura 1.4. Signos para la transmisión de calor por conducción.

Fuente: (HENRIQUEZ, 2009) B. CONVECCION Cuando un fluido a Tf se pone en contacto con un sólido cuya superficie de contacto está a una temperatura distinta T s, al proceso de intercambio de energía térmica se denomina convección. Existen dos tipos de convección: a) Convección libre o natural, ocurre cuando la fuerza motriz procede de la variación de densidad en el fluido como consecuencia del contacto con una superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a fuerzas ascensionales, el fluido próximo a la superficie adquiere una velocidad debida únicamente a esta diferencia de densidades, sin ninguna fuerza motriz exterior. b) Convección forzada, tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido con una velocidad (v), sobre una superficie que se encuentra a una temperatura Ts mayor o menor que la del fluido Tf, como la velocidad del fluido en la convección forzada es mayor que en la convección natural, se transfiere, por lo tanto, una mayor cantidad de calor para una determinada temperatura. Independiente de que la convección sea natural o forzada, la cantidad de calor transmitido Qc, se puede escribir (Ley de enfriamiento de Newton).

Qc=hA (TS-Tf)

(5)

Donde

18

h= coeficiente de transmisor de calor por convección en la interface liquida. A= Área superficial en contacto con el fluido. La ecuación anterior sirve como definición de (h), su valor numérico se tiene que determinar analítica o experimentalmente. En la figura adjunta se puede visualizar el perfil de un fluido adyacente a una superficie sólida.

Figura 1.4. Distribución de la temperatura y velocidad de un fluido sobre una placa plana en convección forzada

Fuente: Texto universitario: transferencia de calor Ing. Alberto Emilio Panana Girio

C. RACIACION Mientras que la conducción y la convección térmica tienen lugar sólo a través de un medio natural, la Radiación térmica puede transportar el calor a través de un fluido o del vacío, en forma de ondas electromagnéticas o fotones como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas, estos se propagan a la velocidad de la luz. La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta a la que se encuentra y también la naturaleza de la superficie. El radiador perfecto o cuerpo negro, emite una cantidad de energía radiante de su superficie, Qr 𝐐𝐫 = 𝛔𝐀𝐓 𝟒 = 𝐀𝐄𝐛

(6)

Donde: 19

Eb = poder emisivo del radiador σ=constante dimensional de Stefan-Boltzmann (5.67x10−8 w⁄m2 K 4 ) La

ecuación

anterior

dice:

que

toda

superficie

negra

irradia

calor

proporcionalmente a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Siendo la emisión independiente de las condiciones de los alrededores, la evaluación de una transferencia neta de energía radiante requiere una diferencia en la temperatura superficial de dos o más cuerpos entre los cuales tiene lugar el intercambio. Si un cuerpo negro irradia calor a un recinto que la rodea completamente y cuya superficie es también negra, es decir, absorbe toda la energía radiante que incide sobre él, la transferencia neta de energía radiante viene dada por: Qc=hA (𝐓𝟏𝟒 − 𝐓𝟐𝟒 )

(7)

Siendo: T1 y T2= la temperatura del cuerpo negro y la temperatura superficial del recinto en (K). Un cuerpo gris emite radiación según la expresión. Qr=𝛆𝟏 𝛔𝐀𝐄𝐛 = 𝛆𝛔𝐀𝐓 𝟒

(8)

El calor radiante neto transferido por un cuerpo gris a la temperatura T1 a un cuerpo negro que lo rodea a la temperatura T2 es: Qc=ε1 σ A (𝐓𝟏𝟒 − 𝐓𝟐𝟒 )

(9)

ε1 =Emisividad, propiedad de la superficie es numéricamente igual al cociente de la emisión de radiación del cuerpo en estudio con respecto a la de uno negro, adquiere valores entre 0 y 1 y constituye una medida para evaluar cuan efectivamente emite radiación un cuerpo real con respecto a uno negro. En la ilustración se visualiza los tres mecanismos de transferencia de calor (ALAN, 1947)

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Figura 1.5. Mecanismos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación.

Fuente: Alan Chapman, Fundamentos de transferencia de calor, 2da Edición

1.9. CONTENIDO DE HUMEDAD DE LA LEÑA 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: 𝑎𝑔𝑢𝑎(𝐾𝑔)

% 𝑑𝑒 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑𝑏𝑎𝑠𝑒 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎 = 𝑙𝑒ñ𝑎 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎 (𝑘𝑔) ∗ 100% 𝑎𝑔𝑢𝑎(𝐾𝑔)

% 𝑑𝑒 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑎 = 𝑙𝑒ñ𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 (𝑘𝑔) ∗ 100%

(10) (11)

El contenido de humedad afecta en gran medida al poder calorífico del combustible, además afecta su facilidad de combustión.

1.10. COMPOSICIÓN DE LA LEÑA DE EUCALIPTO Para determinar la composición de la leña, 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

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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. (PERU, 2009)

Ilustración 1.6 Composición de la leña

Fuente: (PERU, 2009) Ilustración 1.7 poder calorífico del eucalipto

Fuente: (PERU, 2009)

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1.11. 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: 𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 𝐴𝐼𝑅𝐸 𝑇𝐸Ó𝑅𝐼𝐶𝑂:

32𝑘𝑔𝑂2 + (0.79/0.21)(28𝑘𝑔𝑁 ) 22 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 11.44 12𝑘𝑔 𝐶 𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 𝐻𝐼𝐷𝑅Ó𝐺𝐸𝑁𝑂 ∶ 2𝐻2 + 𝑂2 → 𝐻2𝑂

𝐴𝐼𝑅𝐸 𝑇𝐸Ó𝑅𝐼𝐶𝑂:

32𝑘𝑔𝑂2 + (0.79/0.21)(28𝑘𝑔𝑁 ) 22 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 34.3 4𝑘𝑔 𝐻2 𝑘𝑔 ℎ𝑜𝑑𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 𝐴𝑍𝑈𝐹𝑅𝐸: 𝑆 + 𝑂2 → 𝑆𝑂2

𝐴𝐼𝑅𝐸 𝑇𝐸Ó𝑅𝐼𝐶𝑂:

32𝑘𝑔𝑂2 + (0.79/0.21)(28𝑘𝑔𝑁 ) 22 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 4.29 32𝑘𝑔 𝑆 𝑘𝑔 𝑎𝑧𝑢𝑓𝑟𝑒

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: 11.44𝐶 + 34.3𝐻 − 4.3𝑂 + 4.3𝑆

𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

DETERMINACIÓN DEL EXCESO DE AIRE EN LA COMBUSTIÓN El exceso de aire se puede calcular despejando la ecuación en los productos de combustión 𝑚̇ = (𝑚𝑎𝑡 . 𝑒𝑠 + 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 − 𝑚𝑐𝑒𝑛 ). 𝑉𝑐𝑜𝑚𝑏

(12)

Donde: m: Flujo de masa de los productos gaseosos de la combustión (kg/s). mat : Peso de aire teórico por kg de combustible (kg). em : Coeficiente de exceso de aire teórico. mcomb : Peso de combustible (kg).

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mcen : Peso de cenizas por kg de combustible (kg). Vcomb : Velocidad de combustión (kg/s).

1.12. 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.⁠

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II. MARCO CONCEPTUAL  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.

25

 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.

26

III.

DISEÑO METODOLÓGICO

3.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO  RESPECTO AL MÓDULO Primero nivelamos el piso donde se construirá la cocina, así mismo efectuamos la proyección del ancho y largo que tendrá la cocina en base al número de ollas que usaremos, así como la consideración para la instalación de la chimenea y la cámara de combustión. Figura 3.1. Diseño de la base de la cocina

Fuente: (Juan Pablo Kastillo, 2005) La cámara de combustión tiene forma de codo y de lados iguales en la mayoría de los casos tendremos una sección cuadrada de 20 cm X 20 cm, por 40 cm de alto o de lado. Así como un inicio se proyectó las ollas, ahora se colocan las mismas ollas que utilizarán, para ello colocaremos fierros de construcción en forma transversal, en la base de las ollas para que estas le sirvan de soporte, así mismo para la chimenea. Figura 3.2. Diseño tridimensional de la forma de la cocina

Fuente: (Juan Pablo Kastillo, 2005)

27

Los ductos que van en su interior que tienen un ancho aproximado al de un puño cerrado de un adulto y al término de éstos se coloca la última capa superior que dará la superficie externa de la cocina (mesa). Así mismo haremos como un faldón en la parte interna de cada olla, para que circulen los humos, instalaremos la válvula reguladora de humos entre la segunda olla y chimenea para que éste ayude a regular la extracción de humos. Figura 3.3. Vista de corte lateral del ducto de salida de gases de combustión

Fuente: (Juan Pablo Kastillo, 2005) Una vez terminada la cocina es instalada la chimenea, embarramos la chimenea para poder evitar que ésta se oxide con el tiempo, evitar accidentes de quemaduras cuando las personas se apoyen, así como la prevención de incendios (contacto de la chimenea con el techo).

3.2. INSTRUMENTOS PARA RECOLECTAR DATOS  Termocupla  Termómetro  Cronómetro

3.3. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ACTIVIDAD

ABRIL 1

Evaluación de campo Búsqueda de referencias Elaboración de Proyecto de Inv. Búsqueda de inf. adicional

2

3

x

x

MAYO 4

5

x

x

6

JUNIO 7

8

9

10 11 12

JULIO 13

14

15

x

x

x

28

Aplicación del proyecto Redacción de 1er borrador Procesamiento de datos Redacción de 2do borrador Presentación de reporte final

x

X x X

x

x x

x x

Fuente: Propia

3.4. PRESUPUESTO ||MATERIALES Y SERVICIOS

UNIDAD DE MEDIDA

CANTIDAD

COSTO S/.

Adobes

Unidades

20

S/.30

Ladrillos

Unidades

10

S/.5

Plancha de fierro fundido

Unidades

1

S/.20

Chimenea contiene tres tubos de calamina y un sombrero

Juego

1

S/.40

Mayólicas

Metros

2

S/.40

Pegamento

Bolsa

1

S/.15

Latas para la puerta

Unidades

3

S/.10

Transporte de materiales

Global

1

S/.20

TOTAL

S/.180

29

IV. PROCEDIMIENTO DEL TRABAJO DE APLICACIÓN 1. Se compraron adobes para la base de la cocina y materiales como fierros:

Fuente: Propia 2. Se pasó a medir el sector de construcción:

Fuente: Propia

Fuente: Propia

30

3. Se mezcló tierra que tenía que ser compacta que servirá de pegamento para dar el armado a la cocina.

Fuente: Propia 4. Se comenzó con el armado de la cocina.

Fuente: Propia

Fuente: Propia 31

Fuente: Propia

Fuente: Propia

32

5. Imagen de la cocina haciendo pruebas de funcionamiento.

Fuente: Propia 6. Se pasó al empastado de la cocina con yeso (sulfato de calcio) para colocar las mayólicas.

Fuente: Propia

33

7. Se pasó al proceso de enchapado con opinión de la dueña de casa, la señora Alejandrina Arteaga Campos.

Fuente: Propia

Fuente: Propia

Fuente: Propia

34

Fuente: Propia

Fuente: Propia 8. Se hizo la conexión de la chimenea.

Fuente: Propia

35

Fuente: Propia

Fuente: Propia 9. Cocina terminada.

Fuente: Propia

36

V.

DATOS OBTENIDOS

 Cantidad de combustible (leña de eucalipto): 1kg  Cantidad de leña consumida(ceniza):40 gr  Masa del agua en las ollas: 5 L Tabla 5.1. Datos registrados para los primeros 65 minutos iniciada la combustión

Tiempo(min) Ta(ambiente)°C 0 17.1 5 17.4 10 17.5 15 18.0 20 18.2 25 18.4 30 19.7 35 20.0 40 19.7 45 19.4 50 19.3 55 18.8 60 18.7 65 18.8

T1(olla)°C 13.8 44.0 52.0 67.0 85.0 95.2 97.5 98.9 99.5 88.0 86.7 86.0 85.0 84.0

T2(olla)°C 14.3 37.0 43.3 55.3 73.8 85.5 91.1 96.0 98.0 86.8 84.0 82.5 83.0 82.0

Tch(chimenea)°C Th(horno)°C 18.7 18.7 32.4 35.7 115.6 56.6 170.3 64.3 180.0 79.8 195.2 91.3 170.3 99.7 161.0 97.9 110.3 81.1 95.3 70.1 86.5 75.4 79.8 75.1 64.3 68.7 56.6 60.5

Tha(agua del horno)°C Tp(plancha)°C 14.7 18.4 34.0 64.2 37.3 77.6 51.4 98.6 71.2 114.0 80.4 124.5 85.4 130.5 89.1 132.4 79.6 124.0 64.5 108.5 64.1 107.0 63.8 103.5 63.7 102.0 59.3 100.2

Fuente: Elaboración propia

37

Grafica 5.1 Grafica de los datos experimentales 250

TEMPERATURAS EN GRADOS CELCIUS

200

150

Ta(ambiente)°C T1(olla)°C T2(olla)°C Tch(chimenea)°C

100

Th(horno)°C Tha(agua del horno)°C 50

0 0

10

20

30

40

50

60

70

TIEMPO EN MINUTOS

Fuente: Elaboración propia

38

VI.

CÁLCULOS

Se realiza el balance para la leña inicial considerando la humedad Balance de masa Composición madera Elemento Porcentaje % Carbono 38.98 Oxígeno 53.41 Hidrógeno 6.98 Nitrógeno 0.09 99.46

Base de cálculo: Madera total Madera húmeda Madera seca Peso de elemento 0.27286 kg 0.37387 kg 0.04886 kg 0.00063 kg

1.0 kg 0.3 kg 0.70 kg Peso molecular 12 g/mol 16 g/mol 1.008 g/mol 14 g/mol

Cenizas:

40

g

A= 22.74 B= 23.37 C= 48.47 D= 0.05

El balance de masa respecto a la reacción de combustión: 𝐶𝐴 𝑂𝐵 𝐻𝐶 𝑁𝐷 + 𝑎𝑂2 (𝑔) → 𝑏𝐶(𝑠) + 𝑐𝐶𝑂(𝑔) + 𝑑𝐶𝑂2 (𝑔) + 𝑒𝑁2 (𝑔) + 𝑓𝐻2 𝑂(𝑙)

Se reemplaza los coeficientes A, B, C y D hallados respecto a la composición de la madera de eucalipto obtenida por referencia bibliográfica: Se determinan los coeficientes estequiométricos por medio de un balance algebraico: a b c d e f

7.49 3.33 7.04 6.06 0.023 24.24

Reemplazando los coeficientes estequiométricos y proponiendo los fenómenos físicos y químicos como los cambios de fase y las reacciones químicas: RQ 1 𝐶2 . 4𝑂28. 1𝐻 . 𝑁 . + 7.49𝑂2 𝑔 → 3.33𝐶 𝑠 + 7.04𝐶𝑂 𝑔 + .0 𝐶𝑂2 𝑔 + 0.023𝑁2(𝑔) + 24.24𝐻2𝑂(𝑙) 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝐻2𝑂(𝑔) RQ 2 HUMEDAD 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝐻2𝑂(𝑔) masa= 0.3 kg DESCOMP. masa= 0.2666 kg .0 𝐶𝑂2 𝑔 →6.06𝐶𝑂 𝑔 + 3.03𝑂2 𝑔

ℎ 17066.23 2442.27 2442.27 30280.32

kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg Total

𝐻 11946.361 1065.61 732.68 8073.94 21818.60

ℎ 𝐻 + 7.49𝑂211946.361 𝑔 → 3.33𝐶 𝑠 + 7.04𝐶𝑂 𝑔 + .0 𝐶𝑂2 𝑔 + 0. + 7.04𝐶𝑂 𝑔 + .0 𝐶𝑂2 𝑔 + 0.023𝑁2(𝑔) + 24.24𝐻RQ 1 𝐶2 . 4𝑂17066.23 28. 1 𝐻 . 𝑁 . kJ/kg 2 𝑂(𝑙) 𝐻2𝑂(𝑙) →kJ/kg 𝐻2𝑂(𝑔) 1065.61 RQ 2 2442.27 HUMEDAD 𝐻2𝑂(𝑙) →kJ/kg 𝐻2𝑂(𝑔) 732.68 masa= masa= 0.3 kg 2442.27 DESCOMP. masa= 0. masa= 0.2666 kg 30280.32 kJ/kg 𝑔 8073.94 .0 𝐶𝑂2 𝑔 →6.06𝐶𝑂 + 3.03𝑂2 𝑔 Total 21818.60

39

Se calcula las rectas de regresión de cada lista de temperaturas: Figura 6.1. Regresión lineal de T. ambiente vs. Tiempo

Fuente: Elaboración propia Figura 6.2. Regresión lineal de T. olla 1 vs. Tiempo

Fuente: Elaboración propia Figura 6.3. Regresión lineal de T. olla 2 vs. Tiempo

Fuente: Elaboración propia

40

Figura 6.4. Regresión lineal de T. chimenea vs. Tiempo

Fuente: Elaboración propia Figura 6.5. Regresión lineal de T. horno vs. Tiempo

Fuente: Elaboración propia Figura 6.6. Regresión lineal de T. agua de horno vs. Tiempo

Fuente: Elaboración propia

41

Figura 6.7. Regresión lineal de T. plancha vs. Tiempo

Fuente: Elaboración propia Tabla 6.1. Temperaturas representativas estimadas Temperaturas (ºC) Ta T1 T2 Tch Th Tha Tp

0 min 65 min Variación 17.68 19.60 1.92 51.09 103.57 52.48 43.08 101.58 58.49 18.70 125.90 107.20 54.35 84.92 30.56 44.15 78.49 34.33 75.47 125.30 49.83 Fuente: Elaboración propia

Promedio 18.64 77.33 72.33 72.30 69.64 61.32 100.39

Evaluando los valores de Cp de los gases de chimenea: 𝑇

𝐻=𝑅

∫ 2 8.1

𝐶𝑃 𝑑𝑇 = 𝑅[𝐴 + 𝐵𝑇 + 𝐶𝑇 2 + 𝐷𝑇 −2 ](𝑇 − 298.15) 𝑅

Tabla 6.2. Temperaturas representativas estimadas GASES CO2 CO H2O O2 N2 Finalmente

T0 298.15 298.15 298.15 298.15 298.15

T 399.05 399.05 399.05 399.05 399.05

A 5.457 3.376 3.47 3.639 3.28

B 0.001045 0.000557 0.00145 0.000506 0.000593

C 0 0 0 0 0

D -115700 -3100 12100 -22700 4000

𝐶 𝑅 4.8488 3.5441 4.0772 3.6246 3.5203 Total:

𝐻𝑃 1084.06 585.77 1491.37 728.42 1.86 3891.49

Fuente: Elaboración propia

42

Cálculo de los valores de calor disipados: Material Barro Ladrillo Aluminio Acero

Conductividad (W/m -°C) 0.81 0.52 238 60.5

Calor disipado por la plancha: 𝑄 = −𝑘 ∙ 𝐴𝑘 ∙

𝑇 𝐿

𝐴𝑘 = 0.5 𝑚 × 0.34 𝑚 = 0.17 𝑚2 𝑄 = − 0.5 ∗ 0.17 ∗

18. 4 − 9. 4 0.4 ∗ 10−2

𝑄 = 131.13 𝑘𝑊

Calor disipado al ambiente por la plancha 𝑄 = ℎ ∗ 𝐴𝐶 ∗ (𝑇 − 𝑇𝑎 ) ℎ = 3.51

𝑊 ∙ °𝐶

𝑚2

𝐴𝐶 = 0.17 𝑚2 𝑄 = 3.51 ∗ 0.17 ∗ (100.39 − 18. 4) 𝑄 = 48.78 kW

Calor disipado al ambiente por la plancha por radiación 𝑄 = 𝜀 ∗ σ ∗ 𝐴𝑟 ∗ (𝑇𝑝4 − 𝑇𝑎4 ) 𝑄 = 0.52 ∗ 5. 7. 10−8 ∗ 0.17 ∗ ((100.39 + 273.15)4 − (18. 4 + 273.15)4 ) 𝑄 = 12.51 𝑘𝑊

Calor total disipada por la cocina Calor de RQ Chimenea Conducción Convección Radiación Total

9872.23 3891.49 131.13 48.78 612.51 14556.14

43

Poder calorífico del eucalipto Tenemos que tomarla con un 30% de humedad Entonces: 

30% de 1 kg de leña = 0.70 kg de leña seca



El poder calorífico de la leña seca de eucalipto es de 18000 kJ/kg

En 0.70 kg de leña seca tiene un valor calorífico de 12600 y el resto del poder calorífico se utiliza en evaporar el agua en la leña

Valor energético Para hallar el valor energético se utiliza la siguiente ecuación: VE = Es − Ee VE = 12 00 kJ – 5400 kJ VE =7200 KJ/kg Donde:   

VE : Valor energético de 1 Kg de leña con un 12% de humedad. Es : Energía con un 77% de leña seca de 1 kg. Ee : Energía de evaporación 0.3 kg de agua.

Por lo tanto, el poder calorífico de la leña utilizada en el proceso de evaluación es de 13680 kJ

44

BALANCE ENERGÉTICO Para encontrar la distribución de energía calorífica sobre las ollas Qu = Qab. - (Qp1 + Qp2) Donde:    

Qu : energía útil extraída por el agua. Qab. : Calor absorbido por la olla. Qp1 : energía de pérdidas por aumento de energía almacenada en la misma cocina. Qp2 : energía de pérdidas por la chimenea.

Como la energía útil en una cocina es la energía calorífica útil “Qu” que gana el agua.

Eu = Qu Qu = ma Ce (Tf-Ti)

Donde:       

Qu : energía clarifica del agua en (kcal) ma : masa del agua en Kg Cesp : calor específico del agua (1 kcal/kg°C) Tf : temperatura final del agua cuando alcanza su máxima temperatura Ti : temperatura inicial cuando se encuentra bajo mínimas condiciones de temperatura 1 kcal = 4186J 1kWh = 860 kcal

Calculo en la olla 1: Qu= 5 kg * 1kcal/kg°C(99.5-13.8) Qu= 428.5 kcal *4186 Qu=1793.7 kJ

Calculo en la olla 2: Qu= 5 kg * 1kcal/kg°C(98-14.3) Qu= 251.1 kcal *4186 Qu=1751.84 kJ

45

Energía causada por la combustión de la leña se conoce como la energía incidente: Ei = mL.Pc Donde:   

Ei mL Pc

: es la energía incidente (kJ) : masa de la leña en (kg) : Poder calorífico de la leña (kJ/kg) Ei = 1kg* 7200 KJ/kg Ei = 7200 kJ

EFICIENCIA EN EL PROCESO DE WBT

𝑛=

𝐸𝑢 𝑥 100% 𝐸𝑖

Donde:  

Eu : es la energía útil que extrae el agua (kJ/kg) Ei : es la energía incidente causada por la combustión de la leña (kJ/kg)

Eficiencia para la olla 1: 𝑛=

1793.7 KJ 𝑥 100% 7200 KJ 𝑛 = 25 %

Eficiencia para la olla 2: 𝑛=

1751.84 KJ 𝑥 100% 7200 KJ 𝑛 = 24.3 %

EFICIENCIA EN EL HORNO. Para encontrar la distribución de energía calorífica en el horno Eu = Qu Qu = ma Cesp (Tf-Ti)

Donde: 46

   

Qu : energía clarifica del agua en (kcal) ma : masa del agua en Kg Cesp : calor específico del agua (1 kcal/kg°C) Tf : temperatura final del agua cuando alcanza su máxima temperatura  Ti : temperatura inicial cuando se encuentra bajo mínimas condiciones de temperatura 1 kcal = 4186J 1kWh = 860 kcal Qu = 5L (1 kcal/kg°C) (99.7-18.7) °C Qu = 405kcal/kg×4186J Qu = 1883700J DATO ANTERIOR: 

Ei = 7200 kJ 𝑛=

1883.7 KJ 𝑥 100% 7200 KJ

𝑛 = 2 .1 %

47

VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Al finalizar el trabajo de campo aplicando la primera y la segunda ley de la termodinámica se logró determinar el balance de materia de la leña que es la siguiente: RQ 1 𝐶2 . 4𝑂28. 1𝐻 . 𝑁 . + 7.49𝑂2 𝑔 → 3.33𝐶 𝑠 + 7.04𝐶𝑂 𝑔 + .0 𝐶𝑂2 𝑔 + 0.023𝑁2(𝑔) + 24.24𝐻2𝑂(𝑙) 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝐻2𝑂(𝑔) RQ 2 HUMEDAD 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝐻2𝑂(𝑔) masa= 0.3 kg DESCOMP. masa= 0.2666 kg .0 𝐶𝑂2 𝑔 →6.06𝐶𝑂 𝑔 + 3.03𝑂2 𝑔

ℎ 17066.23 2442.27 2442.27 30280.32

kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg Total

𝐻 11946.361 1065.61 732.68 8073.94 21818.60

seguido se determinó el balance de energía de la cocina en diferentes puntos: Calor disipado por la plancha: 𝑄 = 131.13 𝑘𝑊 Calor disipado al ambiente por la plancha 𝑄 = 48.78 kW Calor disipado al ambiente por la plancha por radiación 𝑄 = 12.51 𝑘𝑊 Luego se determinó las eficiencias tanto para la cocina y el horno: Eficiencia para la olla 1: 𝑛 = 25 % Eficiencia para la olla 2: 𝑛 = 24.3 % Eficiencia del horno: 𝑛 = 2 .1 % Finalmente, con estos resultados se puede decir que la cocina mejorada cuenta con la capacidad de usar combustible en forma reducida, poca perdida de calor y que la persona beneficiaria no se afectara por las emisiones de los gases ya que la chimenea está instalada correctamente, la cocina es agradable y segura para la persona que lo utilizara.

48

VIII. CONCLUSIONES CONCLUSIÓN GENERAL  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.

CONCLUSIONES ESPECÍFICAS  Las características de la cocina son seguridad de la cocina que evite el volcamiento de las ollas, reducir el uso de combustible, poca perdida de calor y la buena conducción de los gases para que no afecte la salud de la persona que use esta máquina.  Se llega a despreciar el balance de masa para la leña

ℎ 𝐻 𝐶𝑂2 𝑔 + 0.023𝑁2(𝑔) + 24.24𝐻 7.49𝑂2 𝑔11946.361 → 3.33𝐶 𝑠 + 7.04𝐶𝑂 𝑔 + .0 𝐶𝑂2 𝑔 + 0.023𝑁2(𝑔) + 24.24𝐻2𝑂 kJ/kg RQ21𝑂(𝑙) 𝐶2 . 4𝑂28.17066.23 1𝐻 . 𝑁 . + 2442.27 𝐻2𝑂(𝑙) → kJ/kg 𝐻2𝑂(𝑔) 1065.61 RQ 2 masa= 0.3 kg HUMEDAD 2442.27 𝐻2𝑂(𝑙) → kJ/kg 𝐻2𝑂(𝑔) 732.68 masa= 0.3 kg masa= 0.2666 kg DESCOMP. 30280.32 kJ/kg 𝑔 +8073.94 masa= 0.2666 kg .0 𝐶𝑂2 𝑔 →6.06𝐶𝑂 3.03𝑂2 𝑔 Total 21818.60  El balance de masa en el horno es despreciable porque no es perceptible.  Se determinó el balance de energía obteniendo los calores disipados tanto por la plancha que es 131.13 𝑘𝑊 y sus mecanismos de transferencia y de los gases que salen por la chimenea dando los siguientes resultados: Calor de RQ Chimenea Conducción Convección Radiación Total

9872.23 3891.49 131.13 48.78 612.51 14556.14

 Se determinó la eficiencia de la cocina en la olla 1 es de 25% y en la olla 2 es 24.3% y del horno es de 26,16%.

49

IX.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

ALAN, C. (1947). FUNDAMENTOS DE TRANSFERECIA DE CALOR . CUARTA EDICION. CAÑAS, J. S. (OCTUBRE 2008). DESARROLLO DE UNA NUEVA COCINA MEJORADA

PARA

GASIFICACIÓN

DE

LEÑA FLUJO

BASADA

EN

CRUZADO

EL

PRINCIPIO

NATURAL.

DE

ANTIGUO

CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A. DOMINGO, A. M. (2011). APUNTES DE TRASMISION DE CALOR. MADRID . HENRIQUEZ, I. O. (2009). TRANFERECIAN DE CALOR. LIMA. JUAN PABLO KASTILLO, D. V. (2005). COCINAS MEJORADAS DE LEÑA.

50