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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UNA COCINA MEJORADA CON

INTERCAMBIADOR DE CALOR

HUGO A. TORRES MURO – GROVERT QUINO VILLANUEVA CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE TACNA – FACULTAD DE CIENCIAS

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN DE TACNA hugotorres@hotmail.com grovertquino@hotmail.com

RESUMEN

En nuestro país al igual que en muchos otros del planeta sobre todo en el medio rural la gente, utiliza la leña como

fuente de energía para cocinar sus alimentos, calentar agua (uso domestico), y calefacción. Muchos recorren

largas distancias pasando una gran parte del día ocupándose de recolectarla, además tienen que cortarla, cargarla,

secarla y prepararla de tal manera que sea útil en la cocina, constituyendo así la leña el combustible más usado y

la fuente de energía primaria más importante para estas poblaciones.

Pero además de ser una necesidad es un problema, debido a que el método que utilizan para cocinar es tradicional,

es decir que la leña, en la gran mayoría se quema en fogones abiertos, y muy rara vez tienen una chimenea, debido

a que su construcción carece de tecnología apropiada, este método genera una serie de desventajas como: baja

eficiencia entre el 5% al 17% (Dutt, 1987); excesivo consumo de leña, emisión de gases contaminantes

intramuros, problemas de salud, y sus consecuencias globales. Por otro lado esta también el problema de la crisis

global de la leña, ya que los bosques del mundo está desapareciendo rápidamente debido al crecimiento de la

población.

En la actualidad, en nuestro país este problema está siendo solucionado, pero como siempre en la mayoría de los

casos como se trata de población de muy bajos recursos económicos no le dan la importancia necesaria y

pretenden hacer creer a los más necesitados que con estas soluciones un tanto primitivas van a mejorar su calidad

de vida, demostrando con ello que no están interesados realmente en mejorarlas sino aparentar que se preocupan

por ellas para sacar provecho con fines políticos y/o económicos.

Es por esto que el Centro de Energías Renovables ha venido trabajando por varios años en elaborar y construir

nuevos diseños de cocinas o estufas mejoradas, para que los más pobres de nuestra región puedan aprovechar esta

tecnología en forma adecuada y eficiente, en diferentes formas y con posibilidades de mejorar su entorno y su

calidad de vida. Los resultados obtenidos son alentadores y ponemos en consideración este pequeño aporte para

que la comunidad académica y empresarial la desarrollen y la apliquen en sus respectivas regiones.

1. Cocinas Mejoradas

Son dispositivos que permiten cocinar con leña de un modo optimo, permitiendo de un lado, un ahorro

significativo de combustible: la leña, y ofreciendo a la vez una serie de ventajas operativas muy valoradas por los

usuarios.

2. Diseño de una Cocina Mejorada con Horno e Intercambiador de Calor

Las partes que conforman la cocina mejorada según la figura 1 son:

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• 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

Ventajas

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

• Económica; disminuye el consumo de leña en alrededor del 50%, por lo cual se ahorra tiempo y dinero en la

recolección y compra de leña;

• Fácil construcción; mayormente se hace de adobe y barro.

• Limpieza, seguridad y comodidad en la cocción, haciéndolas más atractivas para las usuarias.

• Disminuye los de problemas de salud en las mujeres; el calor llega con menor incidencia al sistema

reproductor. Colateralmente, también existen ventajas en la prevención de accidentes en los niños.

• Crea menores molestias y enfermedades a nivel de los sistemas respiratorio y visual.

Desventajas

• No existe cultura de adopción y adaptación de este tipo de cocina.

• Algunas veces no se puede conseguir materiales adecuados como varillas de hierro, planchas de metal,

tubería de cobre, etc.

Horno

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.

Figura 1. Esquema que muestra cada una de las partes de la cocina mejorada con horno e

intercambiador de calor diseñada y construida en el CER Tacna

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+

+

=

sistema del

materiales los

enalmacenada

energía de

Incremento

sistema del

inferior e superior

laterales, paredes

chimenea, la por

perdida Energía

IDC el y horno

el ollas, las

por extraída

útil, Energía

leña la por

dasuministra

Energía

Intercambiador de calor (IDC)

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.

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.

Balance energético

El balance energético permite encontrar la distribución de energía calorífica incidente sobre el sistema, su

transformación en energía útil y las pérdidas térmicas. Según el principio de conservación de la energía aplicado

al sistema de la cocina-horno mejorada con intercambiador de calor, establece que:

⇒ sumE = u

E + pE + E∆

sumE : Energía suministrada por la combustión de la leña.

uE : Energía útil absorbida por las ollas, el hormo y el tanque.

pE : Energía perdida por la chimenea y paredes del sistema.

E∆ : Energía almacenada en los materiales del sistema.

3. MATERIALES E INSTRUMENTACIÓN

Los materiales son de fácil adquisición en el mercado nacional y de bajo costo, se usó tubería de cobre para el

serpentín, un tanque de metal de una terma eléctrica usada, un horno de cocina a gas usado, adobes, planchas de

concreto para las paredes laterales y frontales de la cocina, ceniza como aislante térmico, arcilla para revestir el

interior de la cocina, fierro de construcción para soporte de la base de la cocina, latón para la chimenea, espuma

como aislante para el tanque almacén y la chimenea,

Instrumentos y Equipos de Evaluación

Entre ellos los más importantes son: un registrador de datos multicanal (Squirrel), programable y computarizado

con capacidad de ocho entradas, tres multímetros digitales, termocúplas, cronómetros, ollas de aluminio, leña,

agua, balanza, herramientas diversas, etc.

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4. METODOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN

Diseño: Las medidas de diseño se presentan a continuación en los cortes transversal, lateral y planta.

Construcción: Se realizo en el Fundo Velásquez, Av. Alcazar s/n, Distrito de Calana-Tacna. Construida con

ladrillos, adobes, varillas, planchas de metal, cemento, arcilla cocida, piedras, barro. Se construyo primero las

partes siguiendo las medidas del diseño se utilizaron moldes, luego se ensamblaron y añadieron accesorios y

materiales aislantes como fibra de vidrio y ceniza. Capacidad del tanque de almacenamiento es de 70 L

Figura 2. Esquema que muestra los planos y las medidas de la cocina mejorada con horno e

intercambiador de calor diseñada en el CER Tacna.

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FIGURA 3. Fotos que muestran algunos de los pasos de la construcción de la cocina mejorada y el estado

inicial con el estado final de la misma.

Evaluación

� Se utilizo como fluido de trabajo el agua.

� Se estudio el comportamiento térmico del agua midiendo las temperaturas desde antes de iniciar hasta

finalizar la combustión del último trozo de leña.

� Las variables que se midieron en esta evaluación fueron; temperatura inicial Ti y final Tf del agua, masa del

agua ma, masa de leña ml, temperatura ambiente Tamb , y tiempo que tarda el agua en llegar a su máxima

temperatura, en cada una de las ollas.

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� Se determino la eficiencia del sistema a través de dos procedimientos experimentales utilizando dos

modelos matemáticos: El primero sin cambios de estado, midiendo la elevación de temperatura por

calentamiento, utilizando la siguiente ecuación:

( ) %1001 1

1

5

1,, xTmC

mP

n

i iiinsiaesp

lc

∑ ∑−

= =

∆⋅⋅⋅

⋅=η

El segundo con cambios de estado, midiendo la elevación de temperatura y las pérdidas de calor por

vaporización del agua utilizando la siguiente ecuación:

( ) %1001 5

1,,, xCmTmC

mP ilatievapaiiaesp

lc

∑=

⋅+∆⋅⋅⋅⋅

=η

iiifi TTT ,, −=∆ ; if TT ≥

� Se elaboraron las curvas características térmicas en los procesos de calentamiento, y enfriamiento para el

tanque almacén de agua. Para el caso del intercambiador de calor se evaluó con comida para conocer el

comportamiento real de calentamiento y enfriamiento del agua en el tanque almacén.

5. PROCESAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES

Para el sistema completo: Primer procedimiento experimental (sin cambio fase)

Tabla Nº 1 y 2: Datos tomados y procesados del calentamiento del agua.

La eficiencia para este procedimiento utilizando los datos de la tabla y el modelo matemático nos da como

resultado; η = 47, 3 %.

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Tabla N° 3. Datos para la ebullición del agua, el

calentamiento del horno y el agua en el tanque

almacén.

Tabla N° 4. Datos procesados de la tabla 3, para la ebullición del agua, el calentamiento del horno y el

agua en el tanque almacén.

Segundo procedimiento experimental ( cambio de fase)

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Gráfica N° 3 y 4. Gráficas de barras que comparan la energía útil y suministrada para ambos

procedimientos de evaluación.

Figura 4. Fotos que muestran los dos procedimientos aplicados en el proceso de evaluación de

la cocina mejorada con horno e intercambiador de calor.

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6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

El gráfico Nº 1, nos muestra que el agua en la olla 1 es la que mayor ha incrementado su temperatura (80,7ºC) aún

contando con la mayor cantidad de agua (25 kg), esto se debe a que la cámara de combustión donde se deposita la

leña para quemar se encuentre directamente debajo de la primera hornilla.

En el gráfico Nº 2, nos muestra lo bien que se produce el aprovechamiento de calor en el interior del horno. La

diferencia entre la curva de color negro y la curva turquesa, representa la energía calorífica que fluye por la

chimenea, siempre que en su interior no existiese el intercambiador de calor.

El gráfico Nº 3 y 4, nos muestra la energía útil y suministrada en los dos procedimientos, que diferencian las

cantidades aprovechadas en la olla 2, 3, el tanque almacén y el horno..

En el gráfico Nº 5, las curvas de calentamiento, muestran un comportamiento similar que del primer

procedimiento con la diferencia que en este caso, cada olla tiene la misma cantidad de agua (5 kg). La línea de

color anaranjado nos indica que la velocidad promedio de calentamiento del agua en el tanque ha sido de 11,2ºC/h

siempre que el flujo calórico sea de manera regular.

En el gráfico Nº 6, al igual que las curvas del gráfico Nº 2, muestran un comportamiento similar que del primer

método, pero la temperatura máxima es 15,8ºC menor, lo cual coincide con lo esperado.

Los resultados obtenidos de la eficiencia de ambos procedimientos, 47,3 % y 50,3 %, respectivamente nos

muestran que se debe que para el segundo procedimiento se ha producido cambio de fase perturbado, ya que la

temperatura no ha permanecido constante, disminuyendo y aumentando, variando la temperatura al final del

proceso.

Este gráfico N° 6, nos muestra lo bien que se produce el aprovechamiento de calor en el interior del horno, cuya

temperatura máxima es de 184,1ºC y se requiere una temperatura mínima de 150ºC. La temperatura máxima de

pérdidas alcanzada por la chimenea (curva negra), es de 172,3ºC. en un tiempo de 36 minutos. La temperatura

máxima del agua en el horno (curva marrón), es de 77,6ºC en un tiempo de 56 minutos. La temperatura máxima

alcanzada por el agua en el tanque (curva anaranjada), es de 49,4ºC en un tiempo de 56 minutos.

La temperatura del agua para consumo, después de 67 horas (2½ días más 7 horas), en el tanque es de 38ºC. Estos

resultados nos indican que se tendrá agua caliente siempre que se haya cocinado alimentos por un mínimo de

cuatro horas, ya que 38ºC es una temperatura aún adecuada para ducharse.

El pronostico del comportamiento del IDC conectado al tanque de almacenamiento con las mismas condiciones

que presenta un proceso de cocción de alimentos, muestra una ganancia aproximadamente de 15,4ºC /h para una

envergadura de 9,6 m de largo en tubería de cobre cuyo diámetro es de 1/2 de pulgada (serpentín) y una capacidad

de 70 litros para el tanque.

7. CONCLUSIONES

• La eficiencia de la cocina mejorada con horno e intercambiador de calor a través del primer procedimiento,

es de 47,3%.

• La eficiencia para el segundo procedimiento es de 50,3%.

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• La velocidad de calentamiento de agua del intercambiador de calor es de 15,4ºC /h.

• Para el proceso de enfriamiento del agua en el tanque de almacenamiento con intercambiador de calor, nos

indica que; ha mantenido el agua caliente por arriba de los 38ºC después de 67 horas.

• Queda demostrado que la eficiencia de la cocina mejorada con horno e intercambiador de calor, es del

47,3% y supera en un 15% a otras cocinas del mismo tipo, entonces estos resultados en la práctica logrará un

notable ahorro en leña y además de agua caliente gratis.

• 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.

8. REFERENCIAS

[1] Braunschweig; Wiesbaden; “Estufas para ahorrar combustible”_Editorial Lengericher Westf_Federal

Republic of Germany-1985.

[2] Arias, T; Cervantes, V.; “Las Estufas de barro ahorradoras de leña” ¿Una tecnología apropiada para la

región de la Montaña de Guerrero?_PAIR-UNAM México-1994.

[3] Camps M.; Marcos F.; Los bio combustibles_Editorial Adeos, s.a._Mundi Prensa, Madrid_España-2002.

[4] Puentes, V.; Masera O.; Evaluación del programa de difusión de estufas eficientes de leña tipo Lorena en

la región Lago de Pátzcuaro, Michoacán_Editorial Rincón E., Álvarez, G.; Dorantes, R._México-1999.

[5] Anibal V.; Energía Solar I_Editorial Víctor Lopéz Guzmán_1ª Ed._Lima-Perú-1993.

[6] Olvea V.; Tecnologías para ahorrar energía: Diseño construcción y puesta en funcionamiento de una

cocina mejorada para ahorrar leña_Practicas pre-profesionales_FACI-ESFI_Tacna-Perú-2005.

[7] Quino G.; Evaluación comparativa de una cocina tradicional y una mejorada para ahorrar

leña_Practicas pre-profesionales_FACI-ESFI_Tacna-Perú-2005.

[8] Dutt, G.; Navia, J.; Sheinbaum, C.; "Cheranátzicurin: Tecnología Apropiada Para Cocinar Con Leña"-

1989.

[9] Yunus A.; Gengel; “Transferencia de calor”_Editorial McGrawhill/interamericana editores S.A. de

CV_2da Ed._2004.

[10] Rodríguez, O. Energías Renovables_Editorial Paraninfo_Madrid-España-1999.

[11] Dunn, P.D.; Renewable Energies IEE energy series_V-2_Inglaterra-1986.

[12] Montgomery, R.; Energía Solar_Editorial Limusa S.A._1ª Ed._México-1986.