Diseño de una parrilla para la reducción de pérdidas de energía en estufas convencionales

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1 From the SelectedWorks of Francisco J. Valdes-Parada Spring May 6, 2010 Diseño de una parrilla para la reducción de pérdidas de energía en estufas convencionales Francisco J. Valdes-Parada Victor Castillo-Jimenez Alberto Gabino-Zamora Armando Astudillo-Velázquez Available at:

2 DISEÑO DE UNA PARRILLA PARA LA REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS DE ENERGÍA EN ESTUFAS CONVENCIONALES DE GAS V. Castillo Jiménez, A. Gabino Zamora, A. J. Astudillo Velázquez y F.J.Valdés Parada Departameto de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, Universidad Autónoma Metropolita Unidad Iztapalapa, México. Resumen Las estufas de gas convencionales tienen, por lo general, pérdidas considerables de energía alrededor del quemador, lo que disminuye su eficiencia e incrementa el consumo de recursos. Para atender este problema, en este trabajo se propone concentrar la mayor parte del calor hacia una sola región, para poder obtener la mayor cantidad de energía sin tener que suministrar más combustible y de esta manera aumentar la eficiencia de estufas convencionales. Para ello, se construyó un prototipo experimental a partir de cálculos de diseño teóricos. Con el prototipo ahorrador de energía se consiguió un ahorro hasta del 40% del consumo de gas, con respecto a una estufa tradicional. La extensión a mayor escala de este prototipo puede llevar a ahorros significativos de energía, sin involucrar costos de inversión considerables. Palabras clave: estufa de gas, transferencia de calor, ahorro de energía. 1. Introducción El proceso de preparación de alimentos es una de las principales fuentes de consumo de energía en los hogares mexicanos. Esta actividad se ve reflejada en una gran parte del consumo de gas (L.P. o Natural), lo cual implica un gasto significativo en el presupuesto familiar, ya que este insumo es de primera necesidad para la mayoría de la población. El precio promedio ponderado nacional al público del kilogramo de gas es de $8.03 [1]. Una familia mexicana estándar adquiere un cilindro de 20 kg cada mes resultando así $160.60; o bien $ , anualmente. En general, el parque domestico de estufas lo conforman aparatos poco eficientes tanto en la combustión de gas [2] como en el manejo de la energía suministrada por el quemador. El diseño y construcción de estos artefactos no han tenido mayor avance en comparación con generaciones pasadas que atiendan estos problemas. En este trabajo, se desarrolló una parrilla adaptable a una estufa que permite ahorrar combustible al concentrar la transferencia de calor hacia el objeto a calentar mediante la reducción de las pérdidas radiales de calor (Fig. 1). Para ello, se llevaron a cabo simulaciones numéricas del sistema que indicaran las condiciones favorables para el diseño del equipo. Posteriormente, se construyó el prototipo de ahorro de energía [3] y se comparó su funcionamiento con equipos tradicionales. Cabe mencionar que este prototipo permite disminuir considerablemente la temperatura alrededor de la parrilla [4], lo cual constituye una mejora en la seguridad de operación. En esta etapa del trabajo se hicieron pruebas únicamente a nivel piloto, aunque su extensión a escalas mayores puede hacerse de manera directa tomando como base los resultados aquí presentados. El trabajo está organizado como sigue: primeramente se presentan los detalles del modelo de transporte de calor que se resolvió numéricamente para el diseño del equipo; posteriormente se describen los

3 experimentos realizados y finalmente se exponen las conclusiones de este estudio. Fig. 1: Esquema del prototipo de la parrilla ahorradora Fig. 2: Vista superior del prototipo 2. Modelo teórico Para llevar a cabo el proceso de combustión en las estufas, debe existir suficiente espacio para la entrada de oxígeno, y la salida de los gases de combustión (Fig. 2). Por este mismo espacio existe transferencia de calor hacia los alrededores del quemador, (partes metálicas, la parrilla, la estructura de la estufa, etc.). Si se aprovecha el calor que se transmite a los alrededores del quemador se podría obtener el mismo resultado en menor tiempo, esto se traduce, directamente, a un menor consumo de gas, y por consiguiente un ahorro económico, al prolongar la compra periódica del combustible. En la Fig. 2, el radio interior r0 = 0.05m y el radio exterior r1= 0.1m. Las dimensiones del prototipo son 20cm x 19.5cm x 2.5cm. Estas se escogieron con base en las dimensiones de las parrillas de estufas convencionales, de esta manera no se modifica el espacio ya establecido por la estufa, evitando un gasto innecesario. En este dominio, se resolvió la ecuación de energía térmica expresada en la siguiente forma

4 T t 2 cp k T donde T es la temperatura en la parrilla, mientras que, c p y K denotan su densidad, capacidad calorífica y conductividad térmica, las cuales, por simplicidad se supusieron constantes en todo el sistema. Como se especificará más adelante, la parrilla está hecha de una mezcla de materiales de baja conductividad térmica. Dicha mezcla se supone suficientemente homogénea, de manera que se justifique considerar las propiedades de la parrilla como constantes en la posición y tiempo. La Ec. (1) está sujeta a las siguientes condiciones de frontera e iniciales: T T,en A (2) o f i a, en 0 n K T h T T A (3) cuando t 0, T Ta (4) siendo h el coeficiente de transferencia de calor, T f y T a las temperaturas de flama y ambiente, respectivamente. En las Ecs. (2) y (3), A i y A 0 representan las áreas interna (en contacto con el quemador) y externa (en contacto con el ambiente) de la parrilla. El modelo de transporte se resolvió utilizando el simulador comercial Comsol Multiphysics 3.5a en dominios en dos y tres dimensiones. Un ejemplo de los campos tridimensionales y en estado estacionario de temperatura en la parrilla se muestra en la Fig. 3. Como puede notarse, en la vecindad del área interna se da un brusco descenso de temperatura que va desde 650K hasta 400K, mientras que el área externa se encuentra a la temperatura ambiente. (1) Fig. 3: Ejemplo de perfil de temperatura del prototipo en estado estacionario.

5 Además, se analizó la distribución dinámica de la temperatura promedio de la parrilla para diferentes números de Biot, definido como Bi hr / 1 K. Los resultados de cambiar este parámetro adimensional en tres órdenes de magnitud se presentan en la Fig. 4. Como se puede notar, la temperatura promedio de la parrilla no es afectada por cambios en este parámetro hasta que el tiempo adimensional 2 tk / cpr1 es mayor o igual a 30, para las condiciones de esta simulación. Para elegir el material más adecuado, se llevaron a cabo simulaciones para diferentes conductividades térmicas y condiciones de operación (diversos coeficientes de película), de esta manera se optimizó el tiempo y los gastos para la construcción del prototipo. Posteriormente se investigaron los materiales que cumplieran con las características que, de acuerdo al modelado, resultaron ser las más adecuadas. De esta forma, se determinó que es razonable construir la parrilla a partir de una mezcla de cementoyeso con unicel, con una conductividad térmica de 1J/kg K. Temperatura promedio Bi = 0.1 Bi = 1.0 Bi = x10 3 Fig. 4: Temperatura promedio en función del tiempo adimensional para diversos valores de Bi. 3. Prototipo experimental 3.1 Materiales Una vez hechas las pruebas sobre el diseño teórico y elegir el mejor de estos, se procedió a la construcción del prototipo. El material del cual está construido el prototipo es una placa de poliestireno expandido (unicel), de grosor de 1cm. La placa tiene forma rectangular de dimensiones 17cm x 16cm, con un orificio en el centro de radio 5cm. Esta placa está cubierta con una mezcla de cemento-yeso, con 1cm de grosor en las partes superior e inferior. La mezcla está constituida de 70% cemento y 30% yeso. Las proporciones del unicel y la mezcla son 40% y 60% respectivamente.

6 Para refuerzo del prototipo, se colocó una malla de acero en el interior de la mezcla. Con el propósito de soportar los recipientes típicos que se utilizan en la cocina, se colocaron cuatro piezas metálicas unidas a la malla, distribuidas proporcionalmente sobre la longitud de la circunferencia interna. 3.2 Construcción. Se comenzó por desarrollar el molde para el vaciado de la mezcla con la placa de unicel, basado en el esquema tridimensional que se muestra. El molde se construyó a base de madera ya que este material es económico y de fácil acceso, a comparación del plástico, por ejemplo. El molde se recubrió con una película de aceite, para evitar que la mezcla de cemento-yeso de adhiriera a la piezas de madera. Se prosiguió al cortado de la placa de unicel así como a su ajuste dentro del molde. La malla de acero recibió el mismo proceso. Las cuatro piezas metálicas se moldearon mecánicamente con ayuda de maquinaria especializada en la manufactura de anillos metálicos para la construcción. Estas piezas se soldaron a la malla metálica para fijar su posición. Más adelante, se hizo un primer vaciado de la mezcla como capa inferior y posteriormente se colocaron tanto la placa de unicel como la malla metálica con las piezas de metal dentro del molde. Una vez hecho lo anterior, se agregó la segunda capa de la mezcla, dando a ésta el acabado final del prototipo y se esperó el fraguado de la mezcla para desmoldar la parrilla. 4. Comparación Una vez construido el prototipo se llevaron a cabo experimentos para cuantificar el beneficio que proporciona respecto a una estufa convencional. Con este fin, se midió cada minuto la temperatura de un recipiente con un litro de agua hasta alcanzar el estado estacionario en ambos sistemas. Los experimentos se hicieron por triplicado para garantizar la reproductibilidad de los datos. Los resultados de la Fig. 5 muestran que al utilizar el prototipo se alcanza el estado estacionario aproximadamente a la mitad del tiempo que en una estufa convencional. Lo anterior significa reducir casi a la mitad el consumo de gas. Actualmente se está trabajando en modificaciones al prototipo para aplicaciones a escalas mayores, así como para incrementar su resistencia y durabilidad para uso continuo prolongado.

7 Temperatura ( C) Convencional Prototipo tiempo (min) Fig. 5: Distribuciones experimentales de temperatura con el prototipo y en una estufa convencional. 5. Conclusiones Se diseñó un prototipo para mejorar la eficiencia de estufas convencionales a partir de simulaciones numéricas basadas en las ecuaciones gobernantes de transporte. El prototipo se elaboró a partir de materiales que no sólo garantizaran una baja transferencia de calor hacia los alrededores, sino que además fueran económicos para lograr recuperar los costos de inversión rápidamente. De hecho, el costo de los materiales utilizados para el prototipo utilizado para obtener los resultados en la Fig. 5, son inferiores a los $50. Por lo que si al mes, se consumen alrededor de $ utilizando una estufa convencional, es posible recuperar la inversión en el prototipo en el mismo mes. Los resultados de este trabajo pueden extenderse a mayores escalas, para lo cual se está actualmente analizando el uso de diversos materiales que proporcionen mejores resultados sin incrementar costos. Referencias 1. Diario Oficial de la Federación, diciembre Yung-Chang Ko, Ta-Hui Lin (2003). Emissions and efficiency of a domestic gas stove burning natural gases with various compositions. Energy Conversion and Management, Volume 44, Issue 19, Guzman J.A., Jordan R. (1987). Evaluation of possible energy savings through energy efficiency increase in domestic wood stoves. Resources and Conservation, Volume 15, Issues 1-2, Pan Z., Singh R.P. (2002). Heating Surface Temperature and Contact-Heat Transfer Coefficient of A Clam-Shell Grill. Lebensmittel-Wissenschaft und-technologie, Volume 35, Issue 4,