XVIII SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR

ASOCIACIÓN PERUANA DE ENERGÍA SOLAR Y

DEL AMBIENTE

Lima, 14 al 19 de noviembre de 2011

CER-UNI

“DESARROLLO Y APLICACIÓN DE UN PROCESO EXPERIMENTAL PARA CALIFICAR EL

FUNCIONAMIENTO TÉRMICO DE UN HORNO PORTÁTIL DE LEÑA”

CARLOS ALBERTO SALVADOR TIXE carlosalbertosalvador@gmail.com RAFAEL ESPINOZA PAREDES respinoza@uni.edu.pe

ANTECEDENTESLa Sociedad Alemana para la Cooperación Internacional GIZ ha creído por conveniente desarrollar una consultoría que califique las iniciativas de diseño y construcción de hornos de leña, la misma que ayudará a afianzar y mejorar el avance en proyectos comprometidos a mejorar la calidad de vida de las comunidades rurales, con lo cual se aporte a la sostenibilidad de dichas iniciativas.”

En este escenario, la GIZ encarga al CER-UNI la ejecución de la Consultoría Desarrollo y Aplicación de un proceso experimental para calificar el funcionamiento térmico de un Horno de Leña ajustada a los Términos de Referencia referidos arriba.

HORNO PORTÁTIL DE LEÑA

INSTRUMENTACIÓN Y EQUIPOS USADOS PARA LA EVALUACION DEL HORNO DE LEÑA

Ítem Nombre Características Cant. Observaciones

1 Termocupla <400 °C (0.75% +/- 2.5 °C) 14 Colocadas al interior del horno y chimenea.

2 Hobo Data Logger 1 entrada -20 C a +70 , 5% a 95% HR 1 Medición de la temperatura del aire.

3 Hobo Data Logger 4 entradas -20°C a +70°C , 0%-95%HR 3 Colocadas en la superficie exterior de la horno.

4 Termómetro para termocuplas   1 Medición de un diferencial de temperatura

5 Balanza 0 - 2610 g 1  

6 Analizador de Gases de combustión BEA 250-EU 1 Mayormente utilizado en

equipos automotrices.

MONTAJE EXPERIMENTAL

Laboratorio de Energía, N° 5 de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la UNI.

Ubicación de los sensores de temperatura

En la figura se señala la cantidad, tipo y ubicación de los sensores de temperatura utilizados a lo largo de los ensayos experimentales a los que fue sometido con el objeto de determinar con suficiente detalle información relativa a los siguientes aspectos.

a. Grado de calentamiento b. Distribución del calor c. Indicadores de desempeño d. Balance térmico

Pruebas experimentales

N° FECHA DETALLES OBSERVACION

1 18/04 Prueba de observación general del funcionamiento del horno.

-Con la presencia de la Srta. Verónica Pilco de GIZ, experta en cocinas mejoradas; recomendó procedimientos precisos para el quemado de leña.-Se quemó leña de uso típico en cocinas mejoradas (0.30m de largo por 0.04m de diámetro).-Se observó cantidades importantes (visibles) de humo, particularmente en el inicio de quemado.-Se observó fugas de gases de combustión a través de juntas del cuerpo exterior.

2 26/04 Prueba inicial con registro de datos y observación del desempeño del horno, en vacío.

-Se hizo carga constante de leña en función del incremento de temperatura interior relativamente constantes.-Se detuvo el ensayo cuando la temperatura interior alcanzó 150°C aproximadamente.-Se decidió alimentar la cámara de combustión con leña de dimensiones ajustadas con la de la cámara.

3 27/04 Prueba en vacío a máxima potencia (cámara de combustión constantemente alimentada).

-Se alimentó con leña pequeña manteniendo la cámara de combustión constantemente “lleno”.-Con leños pequeños (del tamaño del interior de la cámara) se observó menor humeado y sin llamas por la boca de la cámara de combustión.

4 28/04 Primeras pruebas de calentamiento con una carga de 5 litros de agua y registro de temperatura importantes.

-Se decidió usar agua como masa de referencia para efectos de comparación con otros artefactos de la misma línea (cocina).

-Se observó el calentamiento del agua y se decidió graduar la alimentación de leña.

5 29/04 Segunda prueba de calentamiento de agua con carga máxima (20 litros de agua) en tres bandejas.

-Se graduó la alimentación de la leña empezando con máxima alimentación, luego mínima alimentación, terminando con máxima alimentación.-Este procedimiento servirá para relacionar velocidad de carga de leña con la respuesta del horno calentando el agua, concluyendo que es recomendable alimentar al horno a velocidad alta.-El desempeño observado aconsejó el uso de un solo deposito con agua ubicado sobre el piso inferior. El uso de depósitos en ambos pisos merma la transferencia de calor en el espacio que queda entre bandejas.

6 05/05 Prueba de calentamiento con un solo deposito (olla) de agua y registro de datos

-Se alimentó el horno a máxima potencia.-El humeado es mínimo, solo se intensifica por algunos segundos al cargar la leña.-En general mejoró el comportamiento del horno.

7 06/05 Prueba final de calentamiento con un sólo depósito de agua

-Se decidió mejorar el rendimiento del horno pintando de negro su superficie interior, ennegreciendo la superficie exterior de la olla y manteniendo la tapa de esta puesta en todo instante.

28/04/2011

Hora

Temperatura ºC Leña

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Chi 1_Abajo

Chi 2_Centro

Chi 3_Arriba Hora Peso (gr)

11:10 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 11:10 100gr.11:12 30 33 32 32 30 33 30 31 31 36 33 57 43 54 11:12 100gr.11:17 40 41 42 41 39 40 39 40 40 48 45 66 45 50 11:17 100gr.11:22 51 50 53 50 49 50 49 50 50 58 54 76 42 31 11:22 100gr.11:27 60 59 61 59 57 58 58 54 58 69 68 91 51 31 11:27 100gr.11:32 75 74 78 75 74 72 73 70 73 88 83 120 65 31   100gr.11:37 103 98 100 99 95 98 98 100 100 112 102 160 82 59   100gr.11:42 125 120 123 120 120 116 122 115 120 130 142 183 100 120   100gr.11:47 141 140 140 138 136 137 139 137 138 144 160 190 13 113   100gr.11:52 157 153 159 153 154 148 156 148 156 153 183 212 120 154   100gr.11:57 172 163 173 164 168 157 171 153 170 158 193 208 122 129   100gr.12:02 185 175 184 179 181 112 183 172 179 171 198 215 125 133   100gr.12:07 190 179 190 182 188 173 188 175 185 173 209 205 118 132    12:12 195 185 196 184 193 180 195 182 194 180 213 206 121 161    12:17 196 188 196 188 195 181 195 182 190 182 203 166 103 140    12:22 193 179 190 182 192 176 189 176 190 180 190 145 88 120    12:27 182 173 180 173 180 163 178 163 179 173 173 128 85 88    12:32 170 163 168 165 170 155 170 159 168 163 168 116 77 97    12:37 162 155 100 155 160 148 160 147 159 153 154 104 70 88    12:42 150 145 151 146 150 139 151 136 148 143 143 97 68 76    12:47 143 138 142 136 142 132 143 130 142 137 136 93 63 66    12:52 133 129 132 128 133 123 133 124 130 130 129 84 62 64    

Prueba ensayo carga minima

OBSERVACIONES

Para el encendido se uso 50g de papel y 50g de astillasLa masa de ceniza es 10gLa leña consumida es 1,19kg

Temperatura interna CC (ºC) Tchimenea (ºC) Leña OBSERVACIONES

Temperatura(°C) Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Arriba Abajo Hora Masa (g)

20 12:31 28 28 28 28 28 28 28 28 28 16 10 12:31 100 Se uso 50g de papel y 50g de astillas

40 12:42 61 66 64 64 58 55 58 56 60 75 96 12:33 120 La masa de ceniza al final de la prueba es 20g.

60 12:49 95 108 99 100 89 93 91 91 90 175 210 12:34 150 La leña consumida es 1,345kg

90 12:54 150 163 155 157 140 140 148 144 149 240 267 12:36 110

110 12:58 180 189 184 186 170 167 178 172 180 240 263 12:40 160

130 13:00 194 204 200 203 185 183 196 191 197 264 298 12:46 150

150 13:02 224 223 227 224 213 205 225 213 230 255 290 12:51 140

170 13:05 239 240 240 241 228 221 238 231 242 245 274 12:54 140

185 13:12 240 243 242 243 235 230 241 240 245 212 234 12:57 145

200 13:17 234 234 231 230 230 225 233 231 237 185 199 13:00 150

    221 226 220 223 219 215 222 214 226 165 178  

    211 203 209 209 209 203 211 204 215 152 161  

    196 196 193 196 195 190 195 191 199 138      

  13:37 182 180 181 180 181 176 183 179 184 128      

Prueba ensayo máxima carga

RESULTADOS :Los resultados gráficos del comportamiento de las temperaturas registradas en las pruebas experimentales realizadas, corresponden a las partes principales del horno:a. superficie exterior e interior del cuerpo,b. ambiente interior,c. superficie exterior de la chimenead. masa de agua calentada

Comportamiento Térmico de Ambientes y Superficies del Horno

Composición de los gases de combustión de la leña utilizada eucalipto.

En lo que se refiere a la composición de los gases de combustión de la leña utilizada, que fue eucalipto con un mínimo de contenido de humedad, se ha utilizado un equipo analizador marca BOSCH versión BEA V1.13-EURO; versión AMM 5575, aplicándolo en condiciones de sensibilidad a gasolina, GLP y GNC. La elevada sensibilidad del instrumento utilizado permite suponer que los registros obtenidos son sensiblemente representativos para el caso de gases de escape de combustión lenta de leña como es el caso actual.

En la tabla que se muestra a continuación se muestran los indicadores de performance para los cuatro ensayos de calentamiento de agua simulando una carga de cocción.

unidades 28-abr 29-abr 05-may 06-maykg leña 3.35 4.58 4.01 3.14

MJ/kg de leña 15 15 15 15Mjoule en leña 50.25 68.72 60.15 47.07

kg de agua 5 20.41 13.91 15.28[kJ/kg.K]-agua 4.19 4.19 4.19 4.19°C de aumento 74 73 75 74Mjoule en agua 1.55 6.24 4.37 4.73

minutos total 100 141 108 80grleña/min 33.5 32.49 37.13 39.23

KJ/min 502.5 487.34 556.94 588.38KWatts 8.38 8.12 9.28 9.81

grleña/°C 45.27 65.62 53.47 42.41kg leña/kg agua 0.67 0.22 0.29 0.21grleña/°C-litro 9.05 3.22 3.84 2.78

eficiencia térmica, % 3.08 9.08 7.26 10.06

INDICADORES

Cabe mencionar que se destaca el resultado del día 06 de mayo por las características del ensayo referidas al equipo y a la masa de agua calentada, consideradas como las más adecuadas a los fines perseguidos.

La tabla de indicadores de perfomance es el epílogo numérico del resultado final del proceso experimental desarrollado que revelan global y detalladamente el comportamiento del Horno y permiten establecer las conclusiones pertinentes detalladas en el protocolo experimental recomendado.

Protocolo experimental recomendado.

a. Verificar el estado físico del horno

a1 Cámara de combustión limpia y secaa2 Cámara de cocción limpia y secaa3 Chimenea firmemente montadaa4 Puerta del horno manipulable, segura y de cierre correctoa5 Apoyos interiores rígidos

b. Preparar la leña para su quemado en la cámara de combustión

b1. Seleccionar leña secab2. Trozarla en tamaño aproximado de 10 a 14 cm de largo y 3 a 5 cm como dimensión transversal máxima.b3. Pesar cada uno de los trozos y marcar este peso en una parte visible del mismo, utilizar una balanza con resolución de un gramo.b4. Acomodar la leña en un lugar seguro y cercano al horno

c. Preparar la masa de calentamiento.

c1. Seleccionar un depósito (olla) de dimensiones próximas a las de la cámara de cocción del horno, con volumen útil no menor que 15 litros.c2. Llenar el depósito con agua, al menos 15 litros.

d. Preparar el Horno para la prueba de performance

c1. Preparar astillas de leña y tiras de papel para el encendido del horno, 50 gramos de cada material.c2. Instalar dos sensores de temperatura en el interior del depósito, llevarlos a través de la tapa del mismo hasta el exterior del horno para el registro de las medidas.c3. Tener lista la “Hoja de registro de datos experimentales, HRDE”c4. Introducir el depósito con agua en la cámara de cocción del Horno tratando de ubicarlo en la parte media del mismo.c5. Cerrar la puerta del Horno con seguridad.c6. Medir el poder calorífico de la leña utilizando un calorímetro.c7. Practicar una verificación final revisando todo el horno y comprobando que se cumplió con lo dicho hasta este punto en el presente Protocolo.

e. Desarrollar la prueba de performance del Horno

e1. Ubicar una parte del papel y las astillas en la cámara de combustión del Horno, encenderlas y agregar papel y astillas para lograr una llama suficiente como para encender el primer trozo de leña.e2. Colocar el primer trozo de leña sobre las astillas y papel en ignición y prestar atención al instante en el que empieza a arder.e3. Registrar este instante como el tiempo de inicio de la prueba, además registrar en la HRDE el peso del leño utilizado y las temperaturas que reportan los sensores en el agua.e4. Agregar trozos de leña en la cámara de combustión de forma que se mantenga llena y con fuego vivo mientras se desarrolle la prueba.e5. Registrar el peso de los leños que se agregue y la hora en la que se lo hace cada vez.e6. Registrar los valores de las temperaturas que reportan los sensores en el agua y la hora en la que se hace esta medición; se recomienda hacerlo cada cinco (05) minutos, hasta que ambas temperaturas lleguen a 100°C.e7. Medir la composición de los gases de combustión en instantes de fuego vivo total.e8. Registrar todo suceso u ocurrencia no previsto en el instante en el que se lo observe o detecte.

f. Cerrar la prueba experimental

f1. Revisar la información experimental obtenida y detectar eventuales anomalías que, de darse, deben describirse y registrarse.f2. De no existir anomalías o si las hubiese no serían importantes, validar la prueba y cerrar la HRDE.f3. Abrir la puerta del Horno para permitir un enfriamiento más rápido, después del cual extraer el depósito, desmontar sensores y reubicar todos estos elementos en el lugar que les corresponda.

g. Calculo de indicadores de performance.

g1. Consumo de leña, dividiendo el peso total de leña utilizado (kg) más el peso de astillas y papel, entre el tiempo empleado (horas) en llevar el agua hasta 100°C, en horas, es decir X kg/h.g2. Calor de cocción disponible, multiplicando el peso total de leña más astillas y papel (kg) por el Poder Calorífico de la leña medido (oscila entre 15 y 20 MJ/kg), es decir X MJ en la leña.g3. Potencia Térmica Equivalente, dividiendo el calor de cocción disponible (MJ) entre el tiempo total de calentamiento (en horas) y entre el factor 1000, es decir X KWg4. Factores de rendimiento:

- Empleo de leña, dividiendo el peso total (kg) de leña utilizado entre el peso total (kg) de agua calentada, es decir X kg leña/kg agua.

(1)

- Empleo específico de leña, dividiendo el empleo de leña entre la cantidad de °C de calentamiento del agua hasta llegar a 100°C y multiplicar por el factor 1 000, es decir X gr leña/°C-litro de agua.

- Eficiencia térmica, multiplicando el peso de agua (kg) calentada por el calor específico del agua (kJ/kg.K) y por el factor 1 000 y dividiendo el producto resultante por el Calor de cocción disponible (MJ) y multiplicar el cociente que resulte por 100, es decir X %

Ficha técnica que caracteriza al horno de leña

En la tabla siguiente se especifica la ficha técnica para el horno de leña evaluado.

Dimensiones externas 1,04 de altura, 85,4 de largo y 59,4 de diámetroDimensiones de la cámara de cocción 79,5 de largo y 47 de diámetro

Dimensiones de la cámara de combustión 14 de ancho, 14 de fondo y 8,75 de altoDimensiones de la chimenea 133,5 de longitud y 11,8 diámetro

Capacidad nominal de carga de cocción 1,715 dm3 (litros)Capacidad de carga de leña 0,6 a 0,7 kg

Tamaño de los leños10 a 14 de longitud y 3 a 5 en la dimensión transversal

máximaCarga de cocción de prueba 15,28 kg (litros) de agua

Consumo de leña 3,14 kgCalor de cocción disponible 47,07 MJPotencia térmica equivalente 10,06 KW

Empleo de leña 0,21 kg leña/kg aguaEmpleo específico de leña 2,78 gr leña/°C-litro de agua

Eficiencia térmica 10,06%

CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES Y USO RACIONAL DE LA ENERGÍA( CER – UNI)UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA. Av. Túpac Amaru 210, Rimac.

Lima. Perú Teléfono 382 1058 e-mail: cer@uni.edu.pe

Lima - Perù

MUCHAS GRACIAS