DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COCINAS NO CONVENCIONALES … · (elaborado a partir del aceite de soya, aceite de girasol y aceite de algodón) como fuente de energía calorífica en

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COCINAS NO CONVENCIONALES PARA LA COMBUSTIÓN ÓPTIMA DE MEZCLAS DE PETRÓLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, GIRASOL Y ALGODÓN

DESIGN AND CONSTRUCTION OF NOT CONVENTIONAL KITCHENS FOR THE OPTIMUM COMBUSTION OF MIXTURES OF DIESEL FUEL 2 WITH BIODIESEL OF SOY, SUNFLOWER AND COTTON

Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama

____________________________________________________________________________

RESUMEN

Durante la última década los derivados del petróleo (diesel 2 y kerosene) han adquirido gran importancia como fuente de energía en cocinas domésticas no convencionales necesarias para la cocción de alimentos en hogares y comedores populares de zonas rurales y de extrema pobreza de nuestro país; pero debido al continuo incremento de los precios de estos combustibles la economía de estas familias se ve afectada económicamente; asimismo, debido a la emisión de partículas y gases contaminantes productos de la combustión de estos combustible se emite hacia la atmósfera, gases tales como: CO2, SO2, CH, CO, impactando sobre el medio circundante. En este contexto surge la necesidad del uso de fuentes de energías renovables alternativas. En el presente artículo, se muestran los criterios técnicos de diseño y construcción de una cocina doméstica no convencional, usando como combustible alternativo la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón en diferentes porcentajes en volumen. Los parámetros de variación son: distancia desde la salida del difusor a la parrilla de la cocina, el diámetro de los pulverizadores y la presión de pulverización del combustible de cada mezcla; para así determinar los parámetros constructivos y energéticos para el diseño de la cocina no convencional, que permita obtener el máximo aprovechamiento de energía térmica y mayor eficiencia de combustión empleando las diferentes mezclas.

ABSTRACT

During the last decade fuels derived from petroleum (diesel 2 and kerosene) have got a big importance like energy source in no conventional domestic kitchen needed to cook the food in rural and marginal zones; because of the fuel prices growth family economy is affected; and because of particle and gaseous pollutants from combustion, the environmental impact is rising. In this article, it is shown the construction and designing techniques criteria of a no conventional domestic kitchen using an alternative fuel: the mixture of diesel 2 and biodiesel of soya, sunflower and cotton in different volume percentages. The parameters to change are: distance from the diffuser exit to grill kitchen; diameter sprayer and combustion pressure to decide the constructive and energetic parameters to determinate the construction and designing parameter to obtain the most the thermal energy benefit and major combustion efficient with each mixture. _____________________________________________________________________________________

INTRODUCCIÓN

El presente proyecto de investigación tiene como finalidad estudiar los parámetros energéticos y constructivos de diseño para el empleo del biodiesel (elaborado a partir del aceite de soya, aceite de girasol y aceite de algodón) como fuente de energía calorífica en mezclas con petróleo diesel 2 en quemadores de cocinas. Los ensayos experimentales permitirán conocer los valores reales optimizados para la construcción de la cocina no convencional para combustión óptima de las mezclas de diesel 2 y biodiesel.

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO

Primera etapa. Calculo teórico del gasto de combustible y del flujo calor de combustión que se produce al atravesar la aguja del pulverizador. Se analizara la combustión usando 4 pulverizadores de diferente geometría, como se indican en la siguiente tabla:

Cuadro. 01. Geometría de los pulverizadores


Fig. 01. Vista de los pulverizadores Nº 1, 2, 3 y 4 • Cálculo teórico del flujo de calor transferido al

agua contenida en la tetera. • Planteamiento de las ecuaciones de balance de

energía • Cálculo de los parámetros constructivos permitirá

conocer los siguientes parámetros óptimos:

a. El porcentaje de biodiesel en la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya girasol y algodón respectivamente.

b. El diámetro del pulverizador para lograr optimizar la combustión.

c. La distancia desde el difusor a la parrilla para cada presión de pulverización y para cada mezcla óptima.

Segunda etapa Ensayos de combustión variando los parámetros constructivos: • Se observará y medirá la longitud de la flama y el tiempo que demora en hervir 1 litro de agua a las presiones de 24 y 32 PSI; con los parámetros obtenidos del análisis numérico (altura del difusor a la parrilla, diámetro del difusor y porcentaje de mezcla). • Determinación y análisis de los calores que intervienen en el proceso de combustión de las mezclas. Tercera etapa Construcción de la cocina no convencional para la combustión óptima de mezclas de diesel 2 y biodiesel

FORMULACIÓN DE OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES Plantear los criterios técnicos de construcción de una cocina doméstica no convencional, empleando como combustible alternativo las mezclas en diferentes porcentajes en volumen de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, respectivamente. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Determinar el porcentaje de biodiesel presente en

la mezcla y el diámetro del pulverizador adecuados para optimizar la combustión de las mezclas de biodiesel y diesel 2.

2. Determinar los parámetros constructivos adecuados para obtener el máximo aprovechamiento de la energía térmica y la mayor eficiencia de la combustión.

FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS

HIPÓTESIS GENERAL

• Las variaciones de los parámetros constructivos

originan la variación en los parámetros de transferencia de calor y del proceso de combustión; por lo que permiten obtener un rango de valores definidos para realizar los ensayos de combustión.

HIPÓTESIS ESPECÍFICAS

1. Al realizar la combustión de una determinada

masa de combustible, para lograr una combustión eficiente es necesario tener una mayor relación aire-combustible que la estequiométrica (>14,5) y por lo tanto reducir las emisiones tóxicas

2. Al variar la distancia del difusor a la base de la

parrilla en contacto con la base de la tetera; se logra que la flama incida en toda la base de la tetera logrando un mejor aprovechamiento del calor de combustión.

FUNDAMENTO TEÓRICO

1. Biodiesel.- la Sociedad Americana de Ensayos y Materiales (ASTM) define al biodiésel como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de insumos grasos renovables, como los aceites vegetales o grasas animales. El término bio hace referencia a su naturaleza renovable y biológica en contraste con el combustible diesel tradicional derivado del petróleo; mientras que diesel se refiere a su uso en motores de este tipo. Como combustible, el biodiesel puede ser usado en forma pura o mezclado con petróleo diesel. 1.1 Materias primas para la elaboración del biodiesel.- La fuente del aceite vegetal suele ser la palma, soya, colza, girasol (variedades con mayor

Geometría Pulv. 1 Pulv. 2 Pulv. 3 Pulv. 4

diámetro entrada Dp (m)

0,002 0,0022 0,0025 0,00315

diámetro salida dp

(m) 0,00021 0,00021 0,00035 0,0004

longitud L (m)

0,0085 0,00845 0,01 0,0106


rendimiento por hectárea), entre otros Fig.02. Aceite vegetal 2. Combustión.- proceso en donde los constituyentes del combustible son oxidados, acompañada de un intenso desprendimiento de calor. En el tiempo que ocurre la combustión, la masa total permanece casi inalterada, de manera que al momento de balancear las ecuaciones de reacción se puede aplicar la “ley de la conservación de la materia” 2.1. Calor de combustión.- es la disminución de entalpía de un cuerpo en condiciones normales de presión y a una temperatura definida. Será entonces el calor que se libera cuando el combustible arde en una llama o cuando los componentes principales reaccionan con el oxígeno 2.2. Combustión completa.- ocurre siempre que se produzca en presencia de una cantidad suficiente de oxidante y culmine con la oxidación completa de los combustibles. Los productos gaseosos de la combustión completa son fundamentalmente CO2, H2O, N2. La combustión completa presenta llama azul pálido, y es la que libera la mayor cantidad de calor –comparada con la combustión incompleta. 2.3. Combustión incompleta.- ocurre cuando la cantidad de O2 no es suficiente para quemar de modo completo al combustible. Generalmente entre sus productos se presenta CO (gas sumamente tóxico), CO2, H2O y N2. Otro producto de una combustión incompleta es el carbón, sólido, que por acción del calor se pone incandescente y da ese color amarillo-anaranjado a la llama, que por eso se le dice llama luminosa o fuliginosa. 2.4. Combustión de aire.- el oxigeno puro es poco frecuente encontrar, pero lo que sí ocurre con frecuencia es la combustión con el oxígeno del aire, o combustión con aire. ...… (01) 2.4.1 Aire teórico.- Toda combustión completa con aire teórico implica que no existirá oxigeno entre los productos. Al aire teórico también se le denomina aire estequiométrico. 2.4.2 Aire real.- es la cantidad de aire que se suministra durante el proceso de combustión para iniciar, mantener y terminar la combustión.

2.4.3. Mezcla estequiométrica.- es toda mezcla que contiene exactamente aire y combustible en proporciones mínimas para producir una combustión completa. 2.4.4. Mezcla pobre.- mezcla que contiene mayor cantidad de aire que la mezcla estequiometrica. La cantidad de aire garantiza la obtención de una combustión completa, se dice que el aire se encuentra en exceso. 2.4.5. Mezcla rica.- es toda mezcla que contiene menor cantidad de aire que la mezcla estequiométrica. En este caso se dice que el aire se encuentra en defecto. 2.5. Temperatura de la flama adiabática o temperatura de la combustión adiabática. Considerando en el caso que no exista trabajo, transmisión de calor o cambio alguno de energía cinética y potencial, entonces toda la energía térmica producida en la combustión elevara la temperatura de los productos. Cuando la combustión es completa y estequiométrica en tales circunstancias, se considera que la máxima cantidad de energía química se ha convertido en energía térmica, y que es máxima la temperatura de los productos. 3. Transferencia de Calor.- es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperatura. Esta transferencia se da por tres tipos de procesos. 3.1. Transferencia de calor por conducción.- para la conducción de calor la ecuación o modelo se conoce como ley de Fourier: ……...…… (02) El flujo de calor o transferencia de calor q’’

x (W/m2) es la velocidad con que se transfiere el calor en la dirección x por unidad de área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia de calor y es proporcional al gradiente de temperatura, dT/dx es esta dirección. La constante proporcional k, es una propiedad de transporte conocida como propiedad térmica (W/m.k) y es una característica del material. El signo menos es una consecuencia del hecho que el calor se transfiere en dirección de la temperatura decreciente. 3.2. Transferencia de calor por convección.- se da a través de la siguiente ecuación:

)TT(hq s'' ∞−= ………… (03) El flujo de calor por convección q’’ (W/m2) es proporcional a la diferencial de temperaturas de la

)76.3(11 22 NOkmolAirekmol +=

dx

dTkq x −=''


superficie y del fluido, Ts, T∞, respectivamente. Esta expresión se le conoce como ley de enfriamiento de Newton, y la constante proporcional h (W/m2.k) se denomina coeficiente de transferencia de calor por convección. Este depende de las condiciones en la capa límite en las que influyen la geometría de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido y una variedad de propiedades termodinámicas del fluido y de transporte. 3.3. Transferencia de calor por radiación.- el flujo de calor emitido por una superficie está dado por: ……....… (04) Donde: Ts es la temperatura absoluta (K) de la superficie, σ es la constante de Stefan Boltzmann (σ = 5.67 x 10-8 W/m2K4) y Tair es la temperatura absoluta (K) de los alrededores.

FORMULACIÓN DE ITEMS

¿Por qué el uso de las mezclas de biodiesel con diesel 2 como combustible alternativo a los derivados del petróleo? Debido al constante incremento del precio del kerosene que es mucho mayor que el petróleo diesel 2, por lo que se propone el uso de estas mezclas, cuyo costo de obtención es más barato que el costo de kerosene. De igual manera es menos contaminante que los derivados del petróleo. ¿Qué tan eficiente es el uso de estas mezclas de biodiesel con diesel 2 en comparación con los derivados del petróleo? En los ensayos preliminares de combustión que se hizo con estas mezclas se determinó, que su poder calorífico es aproximado al poder calorífico de los derivados del petróleo (kerosene, diesel2), también se comprobó que era un buen combustible (densidad energética >12). ¿Por qué se varia la altura desde el difusor hasta la parrilla de la cocina? Se observó en los ensayos de combustión, que para la altura de diseño (cocina convencional) la longitud de la flama se desborda por los lados de la base de la tetera, produciéndose una elevada perdida de calor. Por esto al aumentar esta altura se consigue una mayor área de contacto y por ende un mayor calor aprovechado.

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

1. Calculo del flujo de calor teórico de la combustión de las mezclas diesel y biodiesel.

Para el cálculo del flujo de calor producido por la combustión se emplea la siguiente relación:

… (05)

Donde:

• Qcombustión (W): es el flujo de calor de la combustión de las mezclas diesel y biodiesel.

• mcombustible(kg/s): Flujo másico de las mezclas biodiesel y diesel 2.

• Hu (KJ/kg): poder calorífico de la mezcla diesel 2 y biodiesel.

1.1 Cálculo del flujo másico del combustible.- Se

emplea la siguiente relación:

...(06)

Donde:

• (kg/s): Flujo másico de la mezcla biodiesel y diesel 2.

• ρ comb (kg/m3): densidad de la mezcla

biodiesel y diesel 2. • V pulverizador (m/s): velocidad del flujo de

combustible a la entrada del pulverizador. • A pulverizador (m2): área de paso del flujo de

combustible a través del pulverizador. •

1.2. Cálculo de la Velocidad de salida del pulverizador.- Para realizar este cálculo se hace necesario emplear las ecuaciones de continuidad por el recorrido del combustible desde el tanque, la tubería y el pulverizador A continuación se emplea la ecuación de continuidad entre la tubería de salida del tanque y el pulverizador: ..... (07) Luego:

pulv

tubtub

pulvA

AVV

×= ……….. (08)

Donde:

• Q (m3/s): caudal de combustible • Vpulverizador (m/s): velocidad del flujo de

combustible en la entrada del pulverizador. • Vtubería (m/s): velocidad del flujo de combustible

al pasar por la tubería.

)( 44''airsrad TTq −= εσ

uecombustiblcombustión HmQ ×=.

pulvpulvcombecombustibl AVm ××= ρ.

ecombustiblm.

cteAVAVQ pulvpulvtubtub =×=×=

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• Apulverizador (m2): área de paso del flujo de combustible a través del pulverizador.

• Atubería (m2): área de paso del flujo de combustible a través de la tubería.

1.3 Cálculo de la velocidad del combustible en la tubería.- se utiliza la ecuación de Bernoulli desde la superficie libre dentro del tanque hasta la tubería, como se muestra a continuación: Además:

• Ptanque (PSI): presión manométrica del tanque de la cocina

• Ptuberia (PSI): presión manométrica dentro de la tubería.

• Ztasque (m): altura de la superficie libre de la mezcla dentro del combustible.

• g (m2/s): aceleración de la gravedad• r (kg/m3): densidad de la mezcla de D2 y

biodiesel. La ecuación de Bernoulli se ha simplificado, la velocidad en la superficie libre del combustible dentro del tanque se considera estancada (Vo = 0).La altura Ztub se toma como nivel de referencia (Z0) P tanque

A pulv A tubería

Fig.03. Distribución de los parámetros para el cálculo de la velocidad a la salida del pulverizador2. Cálculo teórico del flujo de calor transferido al agua dentro de la tetera. El flujo de calor desprendido de la combustión se transmite en varias etapas, primera etapa: existe transferencia de calor por convección; transferencia de calor entre los gases de la combustión (propiedades físicas aproximadas a los valores de las propiedades físicas del aire) que inciden sobre la base de la tetera. Segunda etapatransferencia de calor por conducción; transferencia de calor a través del espesor de la placa de aluminio de la base de la tetera. Tercera etapa: transferencia de calor entre la superficie de aluminio de la tetera y el agua que se mueve sobre esta. El proceso de transferencia de calor a través de los tres modos se calcula mediante las siguientes expresiones: - En la corona de la flama

g

VPgZ

Ptubtuberia

que

que++++++++====××××++++

2

2

tantan

ρρρρρρρρ


): área de paso del flujo de pulverizador.

): área de paso del flujo de

1.3 Cálculo de la velocidad del combustible en la se utiliza la ecuación de Bernoulli desde la

superficie libre dentro del tanque hasta la tubería,

(09)

(PSI): presión manométrica del tanque de

nométrica dentro de la

(m): altura de la superficie libre de la

/s): aceleración de la gravedad ): densidad de la mezcla de D2 y

La ecuación de Bernoulli se ha simplificado, la velocidad en la superficie libre del combustible dentro del tanque se considera estancada (Vo = 0).

se toma como nivel de referencia (Ztub =

tanque

Fig.03. Distribución de los parámetros para el cálculo de la velocidad a la salida del pulverizador

flujo de calor transferido al . El flujo de calor desprendido

de la combustión se transmite en varias etapas, transferencia de calor por

convección; transferencia de calor entre los gases de la combustión (propiedades físicas aproximadas a los valores de las propiedades físicas del aire) que

Segunda etapa: por conducción; transferencia

de calor a través del espesor de la placa de aluminio : transferencia de

calor entre la superficie de aluminio de la tetera y el

de calor a través de los tres modos se calcula mediante las siguientes

- En la parte media de la flama Donde:

• h gases (W/m2.k): coeficiente de convección de los gases de combustión.

• h agua (W/m2.k): coeficiente de convección del agua a Tebu

• k aluminio (W/m.k): coeficiente de conducción del aluminio.

• T ebu (K): temperatura de ebullición del agua.• T fc (K): temperatura de la flama en la corona. • T fN (K): temperatura de la parte media de la

flama. • A1 (m

2): área circular de la base de la tetera.• A2 (m

2): área anular de la base de la tetera.• e (m): es el espesor de la tetera.

En la fig. 03. se puede observar las áreas transversales al flujo de calor del frente de flama.

Área circular A

Área anular A2

Fig. 04. Áreas A1 y A2 de trasferencia de calor2.1 Cálculo del área perpendicular al flujo de calor.Es función de la distancia (h) entre el difusor y la parrilla, de la siguiente manera:

2

RA

2A 1.

×π= ….. (14)

Donde:

gztub ××××++++

iominalu1gases1

ebucf1

Ak.A

e

h.A

1

)TT(Q

++

−=

2iominalu2gases2

ebuNf2

Ak.A

e

h.A

1

)TT(Q

++

−=

α×= tanHLH

α×+= cosLrR HdifusorA 1.

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.. (10)

...(11)

.k): coeficiente de convección de los

.k): coeficiente de convección del

(W/m.k): coeficiente de conducción del

(K): temperatura de ebullición del agua. (K): temperatura de la flama en la corona.

(K): temperatura de la parte media de la

): área circular de la base de la tetera. área anular de la base de la tetera.

e (m): es el espesor de la tetera. En la fig. 03. se puede observar las áreas transversales al flujo de calor del frente de flama.

Área circular A1

de trasferencia de calor 2.1 Cálculo del área perpendicular al flujo de calor.- Es función de la distancia (h) entre el difusor y la

….. (12)

……...(13)

agua1 h.A

1

agua2 h.

1


• LH (m): hipotenusa desde el difusor hasta la parrilla.

• RA1 (m): radio del área circular. • rdifusor (m): radio de entrada del difusor.• a (ºC): ángulo de salida del difusor• A1: área circular sobre la base de la tetera.

En la fig. 04 se pude observar la geometría del difusor de la cocina no convencional y la altura hasta la parrilla que se encuentra en contacto con la base de la tetara.

Fig. 05. geometría del difusor de la cocina no convencional

A continuación, se calcula el área anular (AA2 = A tetera - A1 ………….. (15)

2.2 Cálculo de la distancia desde la salida del difusor a la parrilla de la cocina (H).- considerando que el mayor porcentaje de calor de combustión es transferido al agua contenido dentro de la tetera, tenemos la siguiente aproximación: Donde: (W): Flujo de calor transferido por convección y conducción al agua dentro de la tetera.

(W): flujo de calor de combustión de las mezclas D2 y biodiesel. Empleando las ecuaciones 05, 10 y 11 se puede determinar la altura (H) óptima, así como los demás parámetros (presión de pulverización, diámetro del pulverizador) y en base a estos valores teóricos óptimos, se pueden realizar los ensayos de combustión con las mezclas de D2 y biodiesel. 3. Característica físicas de las mezclas de diesel 2 y biodiesel para el cálculo del flujo de calor de

Combustión ( combustión) Para seleccionar las mezclas de diesel y biodiesel óptimas cuyo calor de combustión sea el máximo, se utiliza el siguiente cuadro:

combustiónotransferid QQQQ ≅+= 21

21 QQ ++++

combustiónQ


(m): hipotenusa desde el difusor hasta la

m): radio de entrada del difusor. a (ºC): ángulo de salida del difusor

: área circular sobre la base de la tetera.

En la fig. 04 se pude observar la geometría del difusor de la cocina no convencional y la altura hasta

contacto con la base de

geometría del difusor de la cocina no

A continuación, se calcula el área anular (A2): ………….. (15)

2.2 Cálculo de la distancia desde la salida del difusor considerando que el

mayor porcentaje de calor de combustión es transferido al agua contenido dentro de la tetera,

…… (16)

(W): Flujo de calor transferido por convección y conducción al agua dentro de la tetera.

(W): flujo de calor de combustión de las

Empleando las ecuaciones 05, 10 y 11 se puede determinar la altura (H) óptima, así como los demás

sión de pulverización, diámetro del pulverizador) y en base a estos valores teóricos óptimos, se pueden realizar los ensayos de combustión con las mezclas de D2 y biodiesel.

Característica físicas de las mezclas de diesel 2 y biodiesel para el cálculo del flujo de calor de

Para seleccionar las mezclas de diesel y biodiesel óptimas cuyo calor de combustión sea el máximo, se

Cuadro. 02. Característica físicas de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón respectivamente

Fig. 06. Flujo de Calor de Combustión de las mezclas Diesel 2 y Biodiesel al pasar por el pulverizador del quemador En la figura 07 se observa una ampliación del pulverizador el cual se analiza para hallar los parámetros requeridos. 4. Parámetros de la transferencia de calor al agua dentro de la tetera (Q1 + Q2) Para hallar el cálculo se utiliza los siguientes parámetros:

% mezcla r (kg/m^3)

SOYA + D2

B10 826,5

B20 833

B30 839,5

B40 846

B50 852,5

GIRASOL + D2

B10 824

B20 828

B30 832

B40 836

B50 840

ALGODÓN + D2

B10 825,5

B20 831

B30 836,5

B40 842

B50 847,5

combustión

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Cuadro. 02. Característica físicas de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón

Flujo de Calor de Combustión de las mezclas Diesel 2 y Biodiesel al pasar por el pulverizador del

En la figura 07 se observa una ampliación del pulverizador el cual se analiza para hallar los

transferencia de calor al agua

Para hallar el cálculo se utiliza los siguientes

r (kg/m^3) Hu (KJ/Kg)

826,5 41760,15

833 41524,03

839,5 41291,58

846 41062,70

852,5 40837,30

824 41851,69

828 41704,82

832 41559,35

836 41415,28

840 41272,58

825,5 41849,49

831 41700,96

836,5 41554,39

842 41409,74

847,5 41266,96


T base tetera, ºk 418

T ebullición, ºk 373

K alumínio (W/m ºk) 237

h agua (W/m2 ºk) 1500

Cuadro. 03. Datos para el proceso de la combustión El coeficiente de transferencia de calor por convección a través de las áreas A1 y A2, depende de las condiciones de capa límite, en las que influyen la geometría de la superficie (base de la tetera), la naturaleza del movimiento del fluido y una variedad de propiedades termodinámicas del fluido y de transporte

5. Características geométricas del Quemador – Tanque - Difusor de la cocina no convencional Las características geométricas de la cocina no convencional (quemador - pulverizador) son empleadas en el cálculo del flujo de calor transmitido al litro y medio de agua contenida en la tetera. Los valores que se presentan el siguiente cuadro son tomados directamente del diseño original de la cocina no convencional de una sola hornilla.

Nomenclatura Dimensión

Diámetro de base la tetera

D tetera 0.26 m

Espesor de la base de la tetera

e tetera 0.002 m

Distancia del difusor a la parrilla

H 0.0365 m

Longitud desde difusor a la parrilla

L 0.0424 m

Angulo del difusor a 49.3 º

Diámetro de entrada del difusor

D difusor entrada 0.065 m

Diámetro de salida del difusor

D difusor salida 0.0857 m

Diámetro del quemador

D q 0.063

Diámetro de la tubería de paso

D tub 0,019

Cuadro. 04. Datos Geométricos del quemador de la cocina no convencional

Fig. 07. Geometría de las partes del Quemador – difusor – tanque de la mezcla biodiesel con diesel 2

CUADRO DE RESULTADOS

1. Selección de las mezclas de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón de mayor flujo de calor de combustión En el siguiente cuadro se observa el flujo másico y el flujo de calor de combustión para cada mezcla de diesel 2 y biodiesel:

Cuadro. 05. Flujo másico y flujo de calor de combustión de las mezclas diesel 2 y biodiesel De acuerdo con el gráfico obtenido el Flujo de calor de combustión es máximo al aumentar el porcentaje de biodiesel en la mezcla, por esto seleccionamos las siguientes mezclas para realizar los cálculos de transferencia de calor:


%

Mezcla

Flujo másico (kg/s)

Q combustión

(W)

SOYA + D2

B20 0,0269 1117,5112

B30 0,0271 1119,9265

B50 0,0275 1124,7572

GIRASOL + D2

B20 0,0268 1115,6396

B30 0,0269 1117,1191

B50 0,0271 1120,0781

ALGODÓN + D2

B20 0,0268 1119,5783

B30 0,0270 1123,0271

B50 0,0274 1129,9248

Cuadro. 06. Selección de mezcla que entrega mayor calor de combustión. 2. Flujo de calor transferido al litro de agua dentro de la tetera 2.1 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro

de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y biodiesel de soya

Biodiesel Soya +

D2

Q transferido pulverizador

Q 1(W) Q 2(W)

pulv 1 309,091 594,701

pulv 2 308,586 588,654

pulv 3 312,273 613,474

pulv 4 312,684 602,196

Cuadro 07. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2. Se observa que el mayor flujo de calor transferido tanto a través del área 1 y área 2 se da en los pulverizadores 3 y 4. El flujo de calor a través del área perpendicular anular es mayor que el flujo de calor de convección transferido a través del área circular.

2.2 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro

de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y biodiesel de girasol

Biodiesel Girasol+

D2

Q transferido pulverizador

Q 1(W) Q 2(W)

pulv 1 230 485,845

pulv 2 251,142 556,504

pulv 3 255,631 593,657

pulv 4 274,436 607,53

Cuadro. 08. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2. Se observa que el mayor flujo de calor transferido

tanto a través del área 1 y área 2 se da en los pulverizadores 3 y 4. El flujo de calor a través del área perpendicular anular es mayor que el flujo de calor de convección transferido a través del área circular.

2.3 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro

de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y biodiesel de algodón

Biodiesel Algodón

+ D2

Q transferido Pulver

Q 1(W) Q 2(W)

pulv 1 240,870 442,816

pulv 2 295,332 575,278

pulv 3 298,178 594,060

pulv 4 301,334 600,151

Cuadro 09. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2.

Se observa que empleando los pulverizadores 1 y 2 la transferencia de calor es menor, debido a que en los ensayos experimentales el flujo de calor de convección transferido a través del área circular fue inferior. 3. Selección de pulverizadores para la mayor transferencia de calor al agua dentro de la tetera. De acuerdo a los cuadros anteriores se observa que para las tres mezclas de diesel 2 y biodiesel la mayor transferencia de calor se produce empleando pulverizadores 3 y 4. Entonces se seleccionan los siguientes pulverizadores

Mezcla Pulverizador Q transferido (W)

Soya + D2 pulv 3 925,747 pulv 4 914,880

Girasol+ D2 pulv 3 849,288 pulv 4 881,967

Algodón + D2 pulv 3 892,239 pulv 4 901,485

Cuadro. 10. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2. 4. Variación de la altura desde la salida del difusor a la base de la parrilla (h) desde el difusor a la base de la parrilla. La variación de las alturas está limitada por el calor de combustión obtenido a partir del flujo másico de combustible. Debido a que en toda combustión a flama abierta existen pérdidas de calor se considera: La variación de la altura implica una mayor o menor área de contacto entre la flama y la base de la tetera y por ende una mayor o menor transferencia de calor

combustiónciatransferen QQQQ <+= 21


4.1 Variación de la altura desde la salida del difusor a la base de la parrilla (h) empleando la mezcla Biodiesel de Soya y diesel 2

Q transferencia (W)

Pulv. h (m)

pulv 3 pulv 4

0,0365 925,747 914,880

0,045 936,688 926,804

0,05 943,533 934,262

0,055 950,706 942,080

Cuadro. 11. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2 variando H. La transferencia de calor es mayor en el pulverizadores 3 y 4 para la altura H=0.055 m. 4.2 Variación de la altura desde la salida del difusor a la base de la parrilla (h) empleando la mezcla Biodiesel de Girasol y diesel 2

Q transferencia (W)

Pulv. h (m)

pulv 3 pulv 4

0,0365 861,562 881,967

0,05 868,053 888,694

0,07 879,245 900,293

0,09 892,357 913,883

Cuadro. 12. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de girasol y D2 variando H. 4.3 Variación de la altura desde la salida del difusor a la base de la parrilla (h) empleando la mezcla Biodiesel de Algodón y diesel 2

Q transferencia (W)

Pulv. h (m)

pulv 3 pulv 4

0,0365 892,239 901,485

0,045 902,023 911,389

0,055 902,023 911,389

0,075 943,159 953,026

Cuadro. 13. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de algodón y D2 variando H. La transferencia de calor es mayor en el pulverizadores 3 y 4 para la altura H=0.075 m.

5. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para las mezclas y pulverizadores seleccionados Se evalúa el Flujo de calor de transferido (aprovechado) y la eficiencia de la combustión, empleando las mezcla óptimas de D2 y biodiesel de soya, girasol y algodón, con pulverizadores seleccionados 3 y 4 para el H que permite la máxima transferencia.

5.1 Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la combustión de las mezcla de Biodiesel de soya empleando el pulverizador 3 y 4

Cuadro. 14. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la altura óptima empleando mezcla óptimas de soya y d2. 5.2 Máximo flujo de calor aprovechado y eficiencia para la combustión de las mezcla de Biodiesel de girasol empleando el pulverizador 3 y 4

Cuadro. 15. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la altura óptima empleando mezcla óptimas de girasol y D2. 5.4 Máximo flujo de calor aprovechado y eficiencia para la combustión de las mezcla de Biodiesel de soya empleando el pulverizador 3 y 4


Cuadro. 16. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la altura óptima empleando mezcla óptimas de algodón y D2 En los cuadros resumen anteriores se observa que al emplear el pulverizador 3 y el pulverizador 4, se obtiene la mayor eficiencia se obtiene para la mezcla B20. Además en la mayoría de las mezclas la eficiencia de combustión sobrepasa el 80% 5. Ensayos de Combustión - Flujo de calor aprovechado y eficiencia de combustión Luego de hallar teóricamente las mezclas y pulverizadores óptimos se realiza la combustión de las mezclas de biodiesel y diesel 2 para la altura desde la salida del difusor la parrilla original H= 0.0365 m. Además se trabaja a presiones de pulverización de 24 y 32 PSI, obteniéndose las siguientes eficiencias:

Cuadro. 17. eficiencia de la combustión empleando mezclas óptimas de girasol y D2.

Cuadro. 18. eficiencia de la combustión empleando mezclas óptimas de soya y D2.


Cuadro. 16. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la altura óptima empleando mezcla óptimas de

En los cuadros resumen anteriores se observa que al verizador 4, se

obtiene la mayor eficiencia se obtiene para la mezcla B20. Además en la mayoría de las mezclas la eficiencia de combustión sobrepasa el 80%

Flujo de calor aprovechado y eficiencia de combustión

Luego de hallar teóricamente las mezclas y pulverizadores óptimos se realiza la combustión de las mezclas de biodiesel y diesel 2 para la altura desde la salida del difusor la parrilla original H= 0.0365 m. Además se trabaja a presiones de

e 24 y 32 PSI, obteniéndose las

Cuadro. 17. eficiencia de la combustión empleando

Cuadro. 18. eficiencia de la combustión empleando

Cuadro. 19. eficiencia de la combustión empleando mezclas óptimas de algodón y D2.Se observa que las eficiencias obtenidas en la combustión de las mezclas optimas empleando los pulverizadores óptimos para el pulverizador 3 varían entre (66 y 71) % y para el pulverizador 4 varían entre el del (68 y 78) %. Lo que ratifica que al aumentar la distancia desde el difusor a la parrilla de la cocina la eficiencia de combustión aumenta llegando a valores mayores que el 80%.

CURVAS CARACTERÍSTICAS

Fig. 08. Flujo de calor transferido al agempleando pulverizadores 1, 2, 3 y 4.

Fig. 09. Flujo de calor de combustión de mezclas biodiesel y D2.

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la combustión empleando

mezclas óptimas de algodón y D2. Se observa que las eficiencias obtenidas en la combustión de las mezclas optimas empleando los pulverizadores óptimos para el pulverizador 3 varían entre (66 y 71) % y para el pulverizador 4 varían

Lo que ratifica que al aumentar la distancia desde el difusor a la parrilla de la cocina la eficiencia de combustión aumenta llegando a valores mayores que el 80%.

CURVAS CARACTERÍSTICAS

Fig. 08. Flujo de calor transferido al agua en la tetera empleando pulverizadores 1, 2, 3 y 4.

Fig. 09. Flujo de calor de combustión de mezclas


Fig. 10. Variación de altura H (m) con mezcla soya y D2 El calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de H (m) empleando el pulverizador 3; pero al emplear el pulverizador 4 disminuye. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de soya y D2 se debe emplear el pulverizador 3 y una altura de 0.055 m.

Fig. 11. Variación de altura H (m) con mezcla y D2 Se observa que el calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de la altura H (m) y el máximo valor se alcanza empleando el pulverizador 4. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de girasol y D2 se debe emplear el pulverizador 4 y una altura de 0.07 m


Fig. 10. Variación de altura H (m) con mezcla soya y

El calor transmitido al agua contenida en la tetera valor de H (m) empleando el

pulverizador 3; pero al emplear el pulverizador 4 disminuye. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de soya y D2 se debe emplear el

Fig. 11. Variación de altura H (m) con mezcla girasol

Se observa que el calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de la altura H (m) y el máximo valor se alcanza empleando el

En consecuencia para la mezcla de biodiesel de emplear el pulverizador 4 y una

Fig. 12. Variación de altura H (m) con mezcla algodón y D2 El calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de H (m), este valor tiende a mantenerse casi constante para los pulverizadores 3 y 4. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de algodón y D2 se debe emplear el pulverizador 4 y una altura de 0.075 m

RESULTADOS Y CONCLUSIONES

1. El flujo de calor de combustión se incrementa al

aumentar el porcentaje de biodiesel en la mezcla y esto permite seleccionar solo tres mezclas y disminuir los cálculos energéticos y los ensayos experimentales de combustión.

2. El empleo de los pulverizadores 3 y 4 originan un

aumento del calor transferido al agua dentro de la tetera, y por ende reducen se reducen las pérdidas de calor, producto de las cenizas desprendidas de la combustión y de lasgrasas que obstruyen el pulverizador, que impiden, la óptima pulverización de la mezcla combustible.

3. La variación de la distancia de la salida del

difusor a la parrilla muestra que a mayor distancia aumenta el calor aprovechado, aunque se debe considerar que este calor no debe exceder del calor de combustión entregado por la mezcla.

4. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la mezcla de biodiesel de soya y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que 0.0365 m y menor que 0.055 m.

5. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la

mezcla de biodiesel de girasol y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que 0.0365 m y menor que 0.09 m.

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Fig. 12. Variación de altura H (m) con mezcla

El calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de H (m), este valor tiende a mantenerse casi constante para los pulverizadores 3 y 4. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de algodón y D2 se debe emplear el

zador 4 y una altura de 0.075 m

RESULTADOS Y CONCLUSIONES

El flujo de calor de combustión se incrementa al aumentar el porcentaje de biodiesel en la mezcla y esto permite seleccionar solo tres mezclas y disminuir los cálculos energéticos y los ensayos experimentales de combustión.

El empleo de los pulverizadores 3 y 4 originan un aumento del calor transferido al agua dentro de la tetera, y por ende reducen se reducen las pérdidas de calor, producto de las cenizas desprendidas de la combustión y de las probables grasas que obstruyen el pulverizador, que impiden, la óptima pulverización de la mezcla

La variación de la distancia de la salida del difusor a la parrilla muestra que a mayor distancia aumenta el calor aprovechado, aunque

considerar que este calor no debe exceder del calor de combustión entregado por la

Para mejorar la eficiencia de la combustión de la mezcla de biodiesel de soya y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que

que 0.055 m.

Para mejorar la eficiencia de la combustión de la mezcla de biodiesel de girasol y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que 0.0365 m y menor que 0.09 m.


6. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la mezcla de biodiesel de algodón y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que 0.0365 m y menor que 0.075 m.

7. Las eficiencias de combustión obtenidas al

aumentar las alturas de la parrilla de la cocina no convencional son mayores a las obtenidas con la altura no modificada.

8. Toda cocina con quemador que trabaje con

presiones superiores a 1 bar (14.7 PSI), debe emplear un manómetro instalado en el tanque de mezcla.

9. Los resultados experimentales indican que para

una transferencia de combustión óptima se requiere emplear como combustible mezcla de biodiesel de soya y D2 al 20% con pulverizador 3 y una altura de 0.055 m.


una transferencia de combustión óptima se requiere emplear como combustible mezcla de biodiesel de girasol y D2 al 20% con un pulverizador 4 y una altura de 0.07 m


una transferencia de combustión óptima se requiere emplear como combustible mezcla de biodiesel de algodón y D2 al 20% con un pulverizador 4 y una altura de 0.075 m

RECOMENDACIONES DEL PROYECTO

1. Realizar mantenimiento cada 3 meses al quemador y a la cocina no convencional haciendo limpieza de tanque y cambio de empaquetaduras

2. Elaborar una nueva empaquetadura para incrementar el período de duración.

3. Adicionar un manómetro de presión 4. La mezcla de biodiesel con diesel 2 no debe

contener agua y glicerina ya que perjudica a la combustión y acelera el desgaste

5. Para tener una buena combustión y buen aprovechamiento del calor, se recomienda alcanzar las presiones óptimas indicadas.

6. En el momento del encendido de la cocina hacerlo en un lugar en el cual no haya fuertes corrientes de aire para evitar mayores perdidas.

7. Usar las mezclas de biodiesel con diesel 2 en las proporciones indicada en el presente proyecto, caso contrario no se obtendrán buenos resultados de la combustión de estas.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL

PROYECTO

Ventajas

1. Reducción de los gases contaminantes productos de la combustión en este tipo de cocinas.

2. Ahorro de costos en la adquisición de estos combustibles en comparación con los derivados del petróleo.

3. Optimización y adaptación del funcionamiento de una cocina no convencional para el empleo de mezclas de biodiesel y diesel 2.

4. Ccontrarresta la alta demanda del costo del petróleo y sus derivados.

5. El uso de biocombustible (biodiesel) tendrá una utilidad prolongada a comparación del gas

Desventajas 1. El diseño solo es para una cocina de una hornilla. 2. Los ensayos se realizaron solamente bajo las

condiciones de la ciudad de lima (temperatura, presión, humedad )

BIBLIOGRAFÍA

1. Incropera, F.; “Fundamentos de Transferencia de

Calor y Masa”; editorial Prentice Hall, USA. 2. Postigo, J. & Cruz, J; “Termodinámica

Aplicada”; editorial UNI , Lima1985. 3. Marks; “Manual del Ingeniero Mecánico”,

editorial Mc Graw Hill, México 1988 4. Perry, Jhon; “Manual de Ingeniero Químico”,

editorial Mc Graw Hill, México 1992 5. Brian, Spalding; “Combustión y transferencia de

masa”, Mexico1983.

Documents

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COCINAS NO CONVENCIONALES … · (elaborado a partir del aceite de soya, aceite de girasol y aceite de algodón) como fuente de energía calorífica en