El Inicio de Aprovecho Research Center Entrenamiento sobre Diseño y Funcionamiento de Fogones

• Inició en 1976 con el invento del fogón Lorena • Un fracaso!!!!

Mike Hatfield – Aprovecho Reserch Center, USA

Aprovecho Research Center

Ahora tiene dos enfoques: 1 – Proyectos en el campo 2 – Monitoreo y evaluación

Trabajo en el Laboratorio

• Centro Internacional de Pruebas • Creación de Centros de Prueba Regionales • Creación de Estándares Internacionales de Desempeño

Aprovecho-Diseno de Estufas

Proyectos en más de 60 países Más de 100 diseños de estufas en el mundo

Elementos de un Fogón Mejorado (Improved Cookstove ICS) Hay 4 metas que necesitamos alcanzar cuando diseñamos un fogón mejorado— 1- El fogón cocina alimentos tan bien como, o mejor que, el método tradicional 2- El fogón elimina o reduce la cantidad de humo en la cocina 3- Utiliza menos combustible para cocinar los alimentos 4- Es producible a un costo que es aceptable para los usuarios

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Elementos de un fogón mejorado

Elementos de un fogón mejorado 1- El fogón cocina alimentos tan bien como, o mejor que, el método tradicional    

Use cocineros locales durante el proceso de diseño Forme un comité para el diseño del fogón Realice pruebas con cocineros locales (CCT y KPT) Seguimiento por parte de organizaciones independientes

2- El fogón elimina o reduce la cantidad de humo en la cocina 

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Elementos de un fogón mejorado 3- Utiliza menos combustible para cocinar los alimentos 

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Al lograr las metas 1 y 2 se estará en conflicto directo con el ahorro de combustible Requiere pruebas (WBT,CCT, KPT) para determinar si realmente se ahorra combustible

En todo el mundo 4 millones de personas, en su mayoría mujeres y niños, mueren cada año por aspirar humo de leña!! Lo mejor que podemos limpiamos la combustión y aseguramos que los cocineros no están expuestos al humo entonces reducimos los riesgos de salud por la cocción con biomasa Chimeneas

Elementos de un fogón mejorado 4- Es producible a un costo que es aceptable para los usuarios 

Con todo el dinero en el mundo casi cualquier tipo de fogón puede ser hecho

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Para llegar a la mayoría de los alrededor de 2,6 mil millones de personas que cocinan con leña, necesitamos tener un fogón que se venda en menos de $5 USD

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Otras opciones – Micro Finanzas, Creditos de Carbono…?

Existen muchas maneras de lograr nuestras metas Diseño simplificado de un fogón mejorado

La chimenea aumenta la corriente. El humo es aspirado hasta la llama y arde

palos de madera forman una rejilla que mejora la relación aire a combustible. Sólo las puntas de los palos se queman

1 – Combustión mejorada y/o chimenea 2 – Transferencia de calor mejorada

Pequeña recámara de carga de combustible alienta al usuario a medir el combustible. Palos más pequeños se queman de manera más eficiente

El aire que pasa bajo la plataforma es precalentado

La recámara de carga de combustible limita la entrada de aire frío. El aire frío reduce la temperatura en la cámara de combustión y disminuye la eficiencia.

Aprovecho-Diseno de Estufas

La plataforma en el interior del codo permite pasar el aire bajo los palos. Esto asegura el flujo de aire óptimo dentro de la cámara de combustión

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Revisión de la teoría de combustión simplificada La leña no se quema La leña se calienta y libera gases volátiles que luego se encienden Para que esto suceda necesitamos tener suficiente Tiempo, Temperatura y Turbulencia Si la leña se calienta a 650 grados Celsius (y suficiente oxigeno es mezclado con los gases volátiles) el resultado es la combustión completa. Los productos de una combustión limpia son el CO2 , vapor de agua y calor. Una gran cantidad de calor, en términos generales, la leña seca tiene la mitad de energía por kg como gasolina, El humo es energía desperdiciada

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 

Maximizar la eficiencia de la combustión

Desafìo # 1  

Cuerpo del fogón frío Tierra fría

El cuerpo del fogón o de la tierra roba calor del fuego  Lo cual reduce las temperaturas de combustión… lo cual disminuye la eficiencia…y aumenta el humo 

Maximizar la eficiencia de la combustión

Desafìo # 1  

Cuerpo del fogón frío Tierra fría

El cuerpo del fogón o de la tierra roba calor del fuego  Lo cual reduce las temperaturas de combustión… lo cual disminuye la eficiencia…y aumenta el humo 

Maximizar la eficiencia de la combustión

Solución? 

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Aislar el fogón con materiales de baja masa, resistentes al calor, para mantener el fuego tan caliente como sea posible Recuerde masa es lo opuesto a aislación Los aislantes para fogones eficientes son pumita, vermiculita, y ceniza de madera Cosas densas como tierra, arena, cemento, agua e hierro fundido son aislantes pobres

Fogón Lorena 1 m x 1 m x 1 m = 1,000,000 cc Densidad de 1.5 g/cc – 1,500 KG -Túneles = alrededor de 1,000 KG 1 kg arcilla elevada 1 deg C = 1.38 KJ 1.38 KJ x 100 deg x 1,000 KG = 138 MJ o 7KG leña seca Más conductividad térmica

Maximizar la eficiencia de la combustión

 Desafío #2

Maximizar la eficiencia de la combustión  Desafío #2

 Solución?

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Leña fresca

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Leña fresca

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Medir el combustible!

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Lo que reduce las temperaturas de combustión… disminuye la eficiencia… Y aumenta el humo

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Lo que reduce las temperaturas de combustión… disminuye la eficiencia… Y aumenta el humo

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Utilice palitos pequeños siempre cuando sea posible Maximizar el área de superficie de la leña expuesta a los carbones Calentar solo el combustible que se está quemando

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Aprovecho-Diseno de Estufas

Quemar las puntas de los palos solo a medida que entran en la cámara de combustión

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Maximizar la eficiencia de la combustión

 Desafío

#3

Maximizar la eficiencia de la combustión

 Desafío

#3

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Aire frío/Demasiado aire

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Aire frío/Demasiado aire

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Lo que reduce las temperaturas de combustión… lo que disminuye la eficiencia…y aumenta el humo Nota: un fuego abierto puede sacar 20 veces más de lo que es necesario para la combustión estequiométrica (quimícamente ideal)

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Lo que reduce las temperaturas de combustión… lo que disminuye la eficiencia…y aumenta el humo Nota: un fuego abierto puede sacar 20 veces más de lo que es necesario para la combustión estequiométrica (quimícamente ideal)

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#4

 Desafío

Olla fría La olla está por lo general a no más de 100 –200 grados Celsius Las llamas tocan la olla y producen Humo y hollín!

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La chimenea aumenta la corriente. El humo es aspirado hasta la llama y arde

Pequeña recámara de carga de combustible alienta al usuario a medir el combustible. Palos más pequeños se queman de manera más eficiente

La recámara de carga de combustible limita la entrada de aire frío. El aire frío reduce la temperatura en la cámara de combustión y disminuye la eficiencia.

Aprovecho-Diseno de Estufas

La plataforma en el interior del codo permite pasar el aire bajo los palos. Esto asegura el flujo de aire óptimo dentro de la cámara de combustión

Solución? Elevar la olla encima de la altura de las llamas  Esto crea una ‘chimenea’ interna que aumenta la corriente de aire  Y da tiempo para que el aire mejore / el combustible se mezcle 

Baldwin encontró que incluso un fuego ahumado puede tener una combustión eficiente de hasta 92%

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En todo el mundo 4 millones de personas, en su mayoría mujeres y niños, mueren cada año por aspirar humo de leña!!

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Si no nos preocupamos por la salud o la satisfacción de los usuarios probablemente no estaremos trabajando en la CE, sino que nos enfocaremos en la transferencia del calor a la olla.

Olla El aire que pasa bajo la plataforma es precalentado

#4

Olla fría La olla está por lo general a no más de 100 –200 grados Celsius Las llamas tocan la olla? Humo y hollín!

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Leña Aire

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No permita que ingrese aire en mucha cantidad o en muy baja cantidad a la cámara de combustión. Debe existir un mínimo exceso de aire para apoyar la combustión limpia.

Combustión completa

palos de madera forman una rejilla que mejora la relación aire a combustible. Sólo las puntas de los palos se queman

Fogón

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Maximizar la eficiencia de la combustión

Maximizar la eficiencia de la combustión  Desafío

 Solución

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Algunos de los químicos en el humo de leña

Combustión Completa    

 Monóxido de carbono (CO) Sin olor e invisible     

Partículas en suspensión (PM) – Humo visible

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Monoxido de carbono 80-370 Metano 14-25 VOCs (C2-C7) 7-27 Aldehídos 0.65.4  Formaldehídos 0.1-0.7  Acroleina 0.02-0.1  Propionaldehído 0.1-0.3  Butryaldehído 0.01-1.7  Acetaldehído 0.03-0.6  Furfural 0.2-1.6 1.6 Furanos substituídos 0.15-1.7 Benceno 0.6-4.0 Alquil Benzenos 1-6 Tolueno 0.15-1.0 Acido Acético 1.8-2.4 Acido Fórmico 0.06-0.08 Oxidos de nitrógeno (NO,NO2) 0.2-0.9 Dioxido de azufre 0.16-0.24 Cloruro de metilo 0.01-0.04 Naftaleno 0.24-1.6 Naftalenos substituidos 0.3-2.1 Monoaromáticos oxigenados 1-7  Guayacol (y derivados) 0.4-1.6  Fenol (y derivados) 0.2-0.8  Syringol (y derivados) 0.7-2.7  Catecol (y derivados) 0.2-0.8 Particulas de carbono orgánico 2-20 Dioxinas cloradas 1xl0-5 - 4x10-5 Acidez de partículas . 7x10-3 - 7x10-2 Alcanos normales (C24-C30) 1x10-3 - 6x10-3

HAPs oxigenados 0.15-1 Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) Fluoreno 5 - 1.7x10-2 Fenantreno 2x10-5 - 3.4x10-2 Antraceno 5x10-5 - 2.1x10-5 Metilantracenos 7xl0-5 - 8x10-5 Fluoranteno 7xl0-4- 4.2xl0-2 Pireno 8x10-4 - 3.1x10-2 Benzo(a)antraceno 4x10-4 - 2x10-3 Criseno 5x104- 1x10-2 Benzofluorantenos 6x10-4- 5x10-3 Benzo(e)pireno 2x104 - 4x10-3 Benzo(a)pireno 3x104- 5x10-3 Perileno 5x10-5 - 3x10-3 Ideno(1,2,3-cd)pireno 2xl0-4- 1.3x10-2 Benzo(ghi)perileno 3x10-5- 1.lx10-2 Coroneno 8x10-4- 3x10-3 Dibenceno(a,h)pireno 3x104- lx10-3 Retene 7x10-3 - 3x10-2 Dibenceno(a,h)antraceno 2x10-5 - 2xl0-3 Trazas de Elementos Cr 2x10-5 - 3x10-3 Mn 7xl0-5 - 4x10-3 Fe 3x10-4 - 5x10-3 Ni lxl0-6 - lx10-3 Cu 2x10-4 - 9x10-4 Zn 7xl0-4 - 8x10-3 Br 7x10-5 - 9x10-4 Pb lx10-4 -3x10-3 Carbon Elemental 0.3 - 5 Di-y triterpenoides cíclicos Acido Dehydroabietic 0.01 - 0.05 Acido Isopimaric 0.02 - 0.10 Lupenone 2x10-3 - 8x10-3 Friedelina 4x10-6 - 2x10-5

4x10-

USEPA

La segunda mitad de la ecuación La eficiencia real o ahorro de combustible potencial de un fogón proviene de dos factores

Eficiencia de la combustión (CE por sus siglas en inglés)  Eficiencia de transferencia de calor (HTE por sus siglas en inglés)

Eficiencia Total = CE x HTE

La segunda mitad de la ecuación Ef Total = 18% = 90% x 20% Qué sucede si trabajamos para conseguir un 100% de CE (un difícil aumento de 10%)? E Total = 100% x 20% = 20% Pero, al contrario, qué pasa si trabajamos para aumentar la HTE en un 10% (un aumento mucho más fácil)? E Total = 90% x 30% = 27% Siempre se debe trabajar en la relación más débil!!!

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La segunda mitad de la ecuación Eficiencia Total = CE x HTE El más simple de los fogones rocket, el codo aislado solo, puede decirse que tiene una eficiencia global de aproximadamente 18% Si estamos consiguiendo por encima de 90% de CE, cuál es la HTE? 18% = 90% x HTE -- HTE = 20%

Optimización de la transferencia de calor Baldwin encontró que incluso un fuego ahumado puede tener una combustión eficiente de hasta 92% Si no nos preocupamos por la salud o la satisfacción de los usuarios probablemente no estaremos trabajando en la CE, sino que nos enfocaremos en la HTE

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Intercambiador de calor/falda Minimizar la brecha entre la falda y la olla mientras se mantiene el área de sección transversal de la cámara de combustión ( para el tamaño promedio de las ollas 1 cm es una buena regla práctica)  Hacerlo tan alto como sea posible

Optimización de la transferencia de calor

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Optimización de la transferencia de calor

Maximizar el área de superficie de la olla que está expuesta a los gases de combustión calientes Mantener el área transversal constante a lo largo del recorrido del flujo de los gases calientes Maximizar la diferencia de temperatura Delta T. entre los gases calientes y la olla Maximizar la velocidad de los gases calientes para perturbar la capa límite

Con un intercambiador de calor, la eficiencia global puede ser mejorada en un 50% o más

Optimización de la transferencia de calor

Minimizar la brecha entre la falda y la olla mientras se mantiene el área de sección transversal de la cámara de combustión ( para el tamaño promedio de las ollas 1 cm es una buena regla práctica)  Hacerlo tan alto como sea posible 

Con un intercambiador de calor, la eficiencia global puede ser mejorada en un 50% o más

Optimización de la transferencia de calor Combustión Completa Cámara de combustión aislada  Combustible medido  Aire precalendado/Medido  Olla mantenida lejos de la zona de combustión

Transferencia de calor mejorada

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• Maximizar área de superficie • Área transversal constante • Maximizar la diferencia de temperatura entre gases calientes y la olla (aislar contra las pérdidas) • Maximizar la velocidad de los gases de combustión calientes

Algunas posibilidades de diseño de fogón rocket

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Horno Rocket para Hornear Pan 

Horno Tradicional: 200 kg de leña para 17 kg de pan

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Horno Rocket: 5 kg de leña para 17 kg de pan

Fogón plancha centroamericano

En América Central donde las tortillas constituyen una parte principal de las tareas de cocina se ha encontrado que nuestro fogón plancha ahorra hasta el 70% del costo del combustible

Plantaciones de té en Africa

En el sudeste de Africa hay Fogones Rocket de tamaños institucionales en las plantaciones de té que cocinan para 40,000 personas

Una comparación visual entre la cantidad de leña usada (170kg) para el fuego abierto versus la cantidad de leña usada (13kg) por el fogón 100L Rocket. Probado independientemente por EP Lauderdale Tea Estates (Malawi)

Fogones Institutionales

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