Diseño y Construcción de Cocinas no Convencionales para la Combustión Óptima

El alza de precios de los combustibles fósiles en la actualidad conlleva a la búsqueda de nuevos combustibles y al mayor aprovechamiento de la energía liberada por estos, es por ello que este trabajo de investigación tiene la finalidad de estudiar los parámetros energéticos y constructivos de diseño de una cocina con el empleo del biodiesel (elaborado a partir del aceite de soya, aceite de girasol y aceite de algodón) 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.
Introducción

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO
Primera etapa: Análisis numérico
1. Cálculo teórico del gasto de combustible y del flujo calor de combustión que se produce al atravesar el pulverizador.
Se analizara la combustión usando 4 pulverizadores de diferente geometría, como se indican en la siguiente tabla:

2. Cálculo del flujo de calor aprovechado por el agua contenida en la tetera.
3. Cálculo de los parámetros que requieren para la construcción de la cocina:
Porcentaje de biodiesel en la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya girasol y algodón respectivamente
Diámetro del pulverizador para lograr optimizar la combustión.
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 temperatura inicial del agua y el tiempo que demora en en alcanzar la temperatura de 96 ºC 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).

Tercera etapa Construcción de la cocina no convencional para la combustión óptima de mezclas de diesel 2 y biodiesel

OBJETIVOS
Objetivos generales
Buscar el uso de fuentes de energías alternativas y renovables.
Plantear los criterios 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
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.
Determinación de la distancia entre difusor del quemador y parrilla de la cocina para mejorar la eficiencia de combustión.

Característica físicas de las mezclas de diesel 2 y biodiesel
para el cálculo del flujo de calor de Combustión (Qcombustión)

El incremento del porcentaje de biodiesel en la mezcla, permite incrementar la densidad energética, determinada a través de la relación H/C.

Características geométricas del Quemador – Tanque – Difusor
de la cocina no convencional

PROCEDIMIENTO DE CALCULO
Se realizan los siguientes cálculos:
Cálculos teóricos
1.1. Determinación del flujo de calor de combustión de las mezclas D2
y biodiesel en diferentes porcentajes de volumen
1.2 Determinación del flujo de calor absorbido por el agua dentro de la
tetera a través de la transferencia de calor por convección y conducción.
1.3 Determinación del aprovechamiento de calor al variar la distancia
desde el difusor del quemador hasta la parrilla de la cocina. (H)
2. Cálculos experimentales
2.1 Determinación del flujo másico de las mezclas de D2 con biodiesel
a través de la incorporación de una válvula y un manómetro en la tubería
de alimentación del quemador
2.2 Determinación del flujo de calor de combustión de las mezclas.
2.3 Determinación del flujo de calor sensible absorbido por el agua
dentro de la tetera.
2.4 Determinación del aprovechamiento de calor al variar la distancia
desde el difusor del quemador hasta la parrilla de la cocina. (H)

1.1 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

1.2. Cálculo teórico del flujo de calor transferido al agua dentro de la tetera.
Transferencia 1:
Transferencia 2:
Transferencia 3:
El flujo de calor de combustión se transmite al agua dentro de la tetera de la siguiente manera:
Flujo de calor transferido

Calor transferido al agua dentro de la tetera: en la corona de la flamar
Calor transferido al agua dentro de la tetera : en la flama media
Hgases (W/m2.k): coeficiente de convección de los gases de combustión.
hagua (W/m2.k): coeficiente de convección del agua a Tebu
kaluminio (W/m.k): coeficiente de conducción del aluminio.
Tebu (K): temperatura de ebullición del agua.
Tfc (K): temperatura de la flama en la corona.
TfN (K): temperatura de la parte media de la flama.
A1 (m2): área circular de la base de la tetera.
A2 (m2): área anular de la base de la tetera.
e (m): es el espesor de la tetera.
Área anular
Área circular

Parámetros de la transferencia de calor al agua dentro de la tetera (Q1 + Q2)
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
a.

Selección de la altura (H) de mayor aprovechamiento de calor

Para conocer la altura optima para obtener el mayor aprovechamiento de calor, se emplea la siguiente relación:
: flujo de calor de combustión de las mezclas D2 y biodiesel
: Flujo de calor transferido por convección y conducción al agua dentro de la tetera.
Para cada mezcla de D2 y biodiesel, se itero en una hoja Excel para determinar el rango de las alturas de mayor aprovechamiento de calor, las que se utilizaran como referencia durante los ensayos de combustión.

Áreas perpendiculares al flujo de calor en función de la altura (H).
Las áreas A1 y A2 están en función de la distancia (h) entre el difusor y la parrilla, de la siguiente manera
Longitud desde el difusor hasta la parrilla
Radio del área perpendicular al flujo A1
Área perpendicular al flujo (A1)
Área anular perpendicular al flujo (A2)
(Gp:) RA1

Cálculo experimental: Calor de combustión
Se instala una válvula de bola en la tubería de alimentación y un manómetro
para medir la presión de caída en la tubería
A través de la siguiente relación:
donde
?P = (P2 – P1) en Bar

? = densidad relativa de las mezclas D2 y Biodiesel

Q = caudal en

Kv = coeficiente de flujo de la válvula
Así se obtiene el flujo másico:
Y el calor de combustión:

Cálculo experimental: Calor latente absorbido por el agua
El flujo de calor latente se halla a través de la siguiente relación:
Donde:
m agua: masa de agua en Kg
Ce: calor específico del agua en KJ/ kg.K
?T : variación de temperatura
T: tiempo en calentar el agua hasta 96 ºC
Calculo de la eficiencia experimental