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Estufa multifunción basada en combustibles biomásicos

Borrazás, F. (i); Dartiguelongue, J. (i); Dartiguelongue, M. (i) ; Garófalo, J.(ii); Nanami, A. (iii); Ogara, M. (iii)

(i)
MMJ S.R.L.
(ii)
INTI- Coordinación Patagonia
(iii)
INTI-Energía
Introducción
Los combustibles tradicionalmente usados en los
estratos sociales de menores ingresos de nuestro
país ubicados por lo general en zonas urbanas
marginales y zonas rurales siempre han sido la
leña y el carbón vegetal, el querosén, y en los
últimos años el gas licuado de petróleo o GLP con
una fuerte penetración. Este tipo de combustibles
por lo general se lo conocen como “combustibles
sociales”.
Figura 1 Leña proveniente de podas de frutales
utilizada para cocción y calefacción en Neuquen.

Según un informe de la Oficina del Defensor del
Pueblo de la Nación, en la Argentina, el consumo
interno de gas licuado de petróleo (GLP) alcanza
aproximadamente el millón de toneladas por año.
El 80% se comercializa en forma de garrafas y
tubos, y el 20% restante a través de redes y
grandes cilindros. Unas 500.000 toneladas más se
emplean en el mercado petroquímico.
Por otro lado, un relevamiento realizado
últimamente en la mayoría de las provincias del
país, sobre el precio de las garrafas de 10 kg,
realizado por el Ombudsman Nacional [1], da como
resultado, en relación al 2004, un aumento
promedio del 17% en los precios. Existen
alrededor de 4,5 millones de consumidores
distribuidos en todo el país, incluyendo hogares,
industrias, agro, hoteles y escuelas. Los mayores
consumos de GLP se producen, como decíamos, en
los estratos sociales de menores recursos, que no
tienen acceso alguno a una red de distribución de
gas natural, hoy también escaso.
Frente a este panorama un grupo familiar típico
tiene dos opciones: adquirir la garrafa de GLP de
10 kg de 25$ a 30 $ o quemar residuos de diversa
naturaleza (biomasa, plásticos, caucho, papeles y
cartones, etc.) que puedan ser encendidos y
quemados, en el mejor de los casos, en un fogón
abierto, en una vieja cocina económica o en una
vieja salamandra de fundición de hierro o en
algún aparato similar de construcción casera.
Comparativamente, en los hogares de “fogón
abierto” el calor se transfiere fundamentalmente
por radiación desde la llama, desde los trozos de
carbón encendidos y desde el material refractario
de las paredes que lo rodean. Grandes cantidades
de aire del ambiente dónde están instalados son
absorbidos por la chimenea (por ejemplo, un
ambiente de unos 40 m3 bajo el efecto de éstas
chimeneas renueva el aire cada 5 minutos) lo cual
limita la eficiencia de estos sistemas a un 10%. Por
otro lado, el aire que fluye hacia la llama tiende a
enfriarla produciendo así una mayor emisión de
humo, material particulado y CO (monóxido de
carbono).
Por otro lado, las típicas salamandras construidas
por lo general en fundición de hierro basan su
funcionamiento en una única cámara en dónde
todas las fases de la combustión se desarrollan en
dicho recinto lo que ocasiona un mezclado pobre
de los gases combustibles con el aire generando,
como en el caso anterior, humos, material
particulado y CO. La eficiencia energética, en el
mejor de los casos, se limita al 30%.
Una tecnología más avanzada [2] y poco difundida

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en sistemas de pequeño porte que actualmente
está disponible a precios elevados corresponde a
modelos de estufas basados en la combustión
lenta en dos etapas que permiten alcanzar
eficiencias térmicas de conversión del orden del 50
al 70 % con bajos niveles de emisión. Sin
embargo, la sola instalación de una doble cámara
en una estufa de combustión lenta no asegura que
se logren las condiciones apropiadas para
garantizar un buen desempeño energético y
ambiental.
En este sentido, a requerimiento de la empresa
MMJ S.R.L , una PyME nacional, y basados en un
diseño original de Francisco Borrazas integrante de
dicha empresa, INTI-Energía en conjunto con la
Coordinación INTI-Patagonia con sede en la
Provincia del Neuquén ha trabajado en el
desarrollo y perfeccionamiento de un artefacto
multifunción de bajo costo basado en residuos
biomásicos como combustible primario que tenga
la posibilidad de calefaccionar, cocinar y calentar
agua para uso sanitario.
Figura 2 El calefactor multifunción en la
plataforma de ensayos de INTI-Energía.
El diseño del artefacto se basa en la combustión en
un sistema compacto de dos cámaras construidas
en material refractario. En la cámara primaria se
produce la pirolisis del combustible en tanto que
en la segunda se produce la combustión completa
de los gases pirolíticos provenientes de la primera
cámara. En esta segunda cámara se logra un
correcto mezclado de los gases en combustión con
el oxígeno del aire primario y secundario a una
temperatura mayor de la de ignición con un
tiempo de residencia adecuado para que la
reacción se desarrolle completamente.
Diversos prototipos de dicho artefacto fueron
sometidos a ensayos de desempeño a los efectos
de determinar su potencia térmica, su eficiencia de
conversión y las emisiones gaseosas
contaminantes.
La finalidad de este trabajo es disponer de un
producto de bajo precio, de fabricación en series
cortas y con un aceptable desempeño tanto en lo
energético como en lo ambiental de tal manera de
permitir el acceso a sectores de la población de
bajos recursos a sistemas de calefacción más
eficientes basados en combustibles accesibles y
económicos en muchas regiones de nuestro país.
Metodología / Descripción Experimental
La evaluación de desempeño, tanto desde el punto
de vista energético como ambiental de este tipo de
artefactos, se realizó de acuerdo con la norma
canadiense CAN/CAS-B415.1-92 [3].
Se construyó una plataforma de ensayos
consistente en un sistema de pesadas con balanza
electrónica con salida serie RS 232 para
determinar y registrar electrónicamente la masa
de combustible en cualquier instante del ensayo y
un sistema de captación de los gases de
combustión consistente en una chimenea y un
túnel de dilución para la determinación de la carga
de material particulado en los humos evacuados al
exterior a través de un sistema de tiraje inducido
por un eyector de aire impulsado por un ventilador
centrífugo.
En la Figura 3 se muestra un esquema de la
plataforma de ensayos construida en INTI-Energía.
Figura 3 Esquema de la plataforma de ensayos.
En la chimenea se instaló un sensor de
temperatura tipo termopar y una sonda para la
captación continua de muestras de gases de
combustión en las cuales se determinó la
concentración de CO2, O2 y CO.
El tren de análisis de gases consistió en un sistema
de acondicionamiento del flujo gaseoso
(atemperación y secado) y de un equipo de
análisis continuo y en línea basados en celdas de
absorción de radiación infrarroja no dispersiva para
el caso de CO2 y CO, y en celdas electroquímicas

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de alta temperatura equipadas con electrodos de
Zr para el caso del O2.
Figura 4 Sistema de monitoreo y adquisición de
datos. Análisis de gases de combustión.
El dispositivo experimental se completa con un
sistema de monitoreo y adquisición de datos
basados en un registrador híbrido y en una
computadora personal cuyos programas de
aplicación fueron desarrollados en INTI-Energía
por el grupo de Transferencia de Calor y Materia
(ver Figura 4).
La metodología de ensayos propuesta por la
norma canadiense se basa en la realización de
corridas en lotes (batch) de una dada cantidad de
combustible sólido a distintas velocidades de
combustión, la cual es regulada mediante la
restricción del tiraje en la chimenea del artefacto.
Tanto las variaciones de la masa de combustible en
el tiempo como la composición de los gases se
realiza de manera automática y en tiempo real.
En todos los ensayos se empleó como combustible
leña de “espinillo” y de “álamo” cuyas
características físico-químicas se muestran en la
tabla 1.
Tabla 1 Características del combustible
Combustible Humedad
[g/100g]
PCS (base
húmeda) [kJ/kg]
Espinillo 15,1 15.500
Alamo 19,8 14.650

Resultados
La evolución temporal de la eficiencia térmica
global del artefacto y de la concentración de CO en
los gases de combustión se tomó como
parámetros para realizar los ajustes de diseño y de
operación para mejorar el desempeño del artefacto
tanto desde el punto de vista energético como
ambiental.
En las Figuras 5 y 6 se puede apreciar una
evolución típica de las variables mencionadas.
En todos los ensayos realizados los niveles de
emisión de CO no superan concentraciones del
0,5 % v/v lo que se traduce en valores de emisión
promedio (expresados en g de CO por cada MJ de
energía térmica generada en el hogar) muy por
debajo de los límites sugeridos por la Norma
Canadiense (ver Figura 5).
Por otro lado, la eficiencia térmica global promedio
del artefacto supera el 60 %, alcanzando valores
del 75 % operando en condiciones de cargas
térmicas moderadas a elevadas.
Estos valores se consideran muy satisfactorios
para un aparato de construcción y operación
sencillas, lo que se traduce en consumos
razonables de leña para una dada prestación.

Figura 5 Evolución típica de la composición de los
gases de combustión.
Figura 6 Evolución típica del rendimiento y de la
conversión.
Finalmente, en la termografía de la Figura 7 se
puede observar la homogeneidad de la distribución
de temperaturas en la zona destinada a cocción y
calentamiento de agua en el artefacto.

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Figura 7 La temperatura en la zona de cocción.
Conclusiones
Un sistema de calefacción de muy buen
desempeño debe necesariamente ser eficiente
tanto desde el punto de vista energético como
ambiental.
Los sistemas basados en la combustión de
combustibles biomásicos (en general de todo tipo
de combustible sólido) en pequeños recintos son
extremadamente difíciles de controlar mediante
mecanismos sencillos (restricción y distribución de
aire de combustión y de tiraje natural) en diversos
estados de carga, fundamentalmente en los más
bajos, en los cuales la tendencia es generar una
gran carga de humo y material particulado como
así también altas concentraciones de CO en los
gases de de chimenea.
Se ha logrado incorporar al diseño básico diversos
aspectos técnicos tendientes a minimizar las
emisiones (CO y material particulado) y maximizar
la eficiencia térmica global del artefacto, a través
de:
• El suministro controlado de aire de combustión
(primario y secundario).
• Un diseño adecuado y buen dimensionado de
las cámaras de combustión tendiente a lograr
altas temperaturas y turbulencia de llama en
la segunda cámara de combustión,
garantizando así bajos niveles de emisión y
elevados valores de eficiencia térmica.
• Adecuada distribución del calor en la zona de
cocción y calentamiento de agua mediante un
sistema de circulación por convección natural
(termosifón).
Por último, la concepción constructiva del artefacto
realizada por la empresa MMJ S.R.L. y la utilización
de materiales adecuados ha permitido minimizar
los costos de producción lo que se traduce en
precios razonables y accesibles para los usuarios
de diversos estratos sociales.
Desde principios del año 2006 hasta el presente la
empresa ha producido y vendido en el mercado
local alrededor de xxxx artefactos de diverso
tamaño y modelos, destacándose las ventas
realizadas al Gobierno de la Provincia del Neuquén
(unos 500 artefactos) para su Programa de Apoyo
al Desarrollo Rural.
Referencias
[1] http://www.defensor.gov.ar/noticias/noti05-sp.htm
[2] M. Evans et al. “An investigation of the combustion of
Wood”, Journal of The Institute of Energy, 179, December
1981.
[3] Nacional Standard of Canada CAN/CSA-B415.1-92
“Performance Testing of Solid-Fuel Burning Stoves, Inserts,
and Low Burn Rates Factory Built Fireplaces”, April 1992,
Canadian Standards Association.









Para mayor información contactarse con:
Mario Ogara – ogara@inti.gov.ar