OPTIMIZACIÓN BAJO CRITERIOS DE SOSTENIBILIDAD Y

SALUBRIDAD DE COCINAS DE BIOMASA CONSTRUIDAS POR

MUJERES DE COMUNIDADES RURALES DE NICARAGUA.

JUSTIFICACIÓN MEDIANTE CFD.

MÁSTER DE EFICIENCIA ENERGÉTICA Y SOSTENIBILIDAD EN

INDUSTRIA, TRANSPORTE, EDIFICACIÓN Y URBANISMO

El alumno: GÓMEZ REVILLA, Aritz

agomez151@ikasle.ehu.eus

Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea (UPV/EHU)

Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao

Departamento de Máquinas y Motores Térmicos

El Director: MARTÍN ESCUDERO, Koldobika

koldobika.martin@ehu.eus

Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea (UPV/EHU)

Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao

Departamento de Máquinas y Motores Térmicos

En Bilbao, a 30 de junio de 2015.

Colaboran:

Colectivo Zompopo Ingeniería Sin Fronteras País Vasco

Galardones:

Dirección para la igualdad UPV/EHU

TFM con perspectiva de género

1

Índices 1-4

Resumen 5

1. Introducción 7

2. Un problema a escala global 9-10

3. Promoción de la Agricultura Campesina. Departamento de Jinotega, Nicaragua 11-14

3.1. Condicionantes socio-culturales. Comunidades aisladas con recursos propios 11

3.2. Exigencias salubres e higiénicas. Entorno y hogares sin peligros 12

3.3. Exigencias de sostenibilidad. Deforestación y cambio climático 13

4. Proyecto ‘Fogones Mejorados de Adobe’. Objetivos y diseño 15-28

4.1. Combustión 16-18

4.2. Mecanismos de transferencia de calor 19-25

4.2.1. Conducción 19-21

4.2.2. Convección 22-24

4.2.3. Radiación 25

4.3. Proceso de cocinado 26

4.4. Consideraciones de diseño 27

5. Modelización de cocinas mejoradas de biomasa 29-38

5.1. Ecuaciones gobernantes en el fluido 29

5.2. Hipótesis y simplificaciones 29

5.3. Cálculo de la transferencia de calor por convección 30-32

5.4. Water Boiling Test, WBT. ISO IWA 11:2012 33-37

5.4.1. Instrumental necesario 33

5.4.2. Protocolo 34-35

5.4.3. Variables de cálculo 36-37

5.5. Controlled Cooking Test, CCT 38

5.5.1. Instrumental necesario 38

5.5.2. Protocolo 38

5.5.3. Variables de cálculo 38

6. Resultados. Comparativa entre fogones. 39-50

6.1. Optimización bajo criterios de sostenibilidad y salubridad del prototipo ‘Fogón

Mejorado de Adobe’

44-50

7. Conclusiones 51-52

8. Referencias 53-55

Anexo I: Manual para la auto-construcción de un fogón mejorado de adobe 56

2

Índice de Figuras

Figura 1: Peldaños de energía: relación entre energía doméstica y desarrollo. 9

Figura 2: Escasez de energía en las viviendas. 10

Figura 3: Cambio porcentual anual de la cubierta forestal por país, 2005-2010. 13

Figura 4: Pérdidas de calor a través de las paredes de la cámara de combustión, según sistema. 20

Figura 5: Recuperación de calor en un muro masivo. 21

Figura 6: Transferencia de calor por convección y capa límite. 23

Figura 7: Eficiencia del canal en función de sus dimensiones. 23

Figura 8: Relación entre eficiencia total y potencia en función de las dimensiones del canal. 24

Figura 9: Relación entre la energía liberada en el fuego y la interceptada por la base de la olla. 25

Figura 10: Definición de parámetros para el cálculo de la transferencia de calor por convección. 30

Figura 11: Variación de la temperatura del agua a lo largo de cada una de las fases del ensayo. 33

Figura 12: Water Boiling Test. Eficiencias en cada etapa del ensayo. 40

Figura 13: Controlled Cooking Test (Arroz). 41

Figura 14: Controlled Cooking Test (Frijoles). 41

Figura 15: Water Boiling Test. Concentración de las emisiones. 42

Figura 16: Water Boiling Test. Ratio eficiencia / emisiones. Precio unitario. 43

Figura 17: Estado actual. Temperaturas. 44

Figura 18: Estado actual. Velocidades. 44

Figura 19: Estado actual. Régimen estacionario. Temperatura / Velocidad. 45

Figura 20: Exceso de aire. Relación rendimiento / contaminación. 46

Figura 21: Propuesta con ventilador inferior. Temperaturas. 46

Figura 22: Propuesta con ventilador inferior. Velocidades. 46

Figura 23: Propuesta con extractor dinámico superior. Temperaturas. 47

Figura 24: Propuesta con extractor dinámico superior. Velocidades. 47

Figura 25: Temperaturas en la plancha. 47

Figura 26: Propuesta sin plancha. Temperaturas. 49

Figura 27: Propuesta sin plancha. Velocidades. 49

3

Índice de Tablas

Tabla 1: Indicadores demográficos mundiales: población e índices de desarrollo humano. 9

Tabla 2: Indicadores socioeconómicos y culinarios de América Latina, 2007. 10

Tabla 3: Características físicas de los compuestos intervinientes en la combustión. 16

Tabla 4: Composición química de la biomasa sólida (% en peso seco). 17

Tabla 5: Poderes caloríficos. 17

Tabla 6: Propiedades térmicas de los materiales. 19

Tabla 7: Pérdidas de calor operativas en las paredes del fogón. 20

Tabla 8: Propiedades del fluido en función de la temperatura. 32

Tabla 9: Balances energéticos. 39

Tabla 10: Tipología de los fogones ensayados. 39

Tabla 11: Concentraciones límite según contaminante. 42

4

Terminología

∆cc Peso neto del char kg ∆Echar Energía almacenada en el char remanente kJ/kg ∆EH20 Energía requerida para eliminar la humedad del combustible kJ/kg ∆EH20,evap Energía requerida para evaporar el agua kJ/kg ∆EH20,heat Energía requerida para calentar el agua kJ/kg ∆Erelease Energía total liberada en la combustión kJ/kg ∆t Tiempo para hervir (Tiempo de cada etapa) min ∆tT Tiempo para hervir con la temperatura corregida min cc Peso del char kg Cp Poder calorífico del combustible kJ/kg·K fd Combustible seco consumido equivalente kg ff Peso del combustible no consumido (húmedo) kg fi Peso del combustible inicial (húmedo) kg fm Peso del combustible consumido (húmedo) kg FP Potencia del Fogón W FPc Potencia en la fase de hervido en frío (cold phase) W FPh Potencia en la fase de hervido en caliente (hot phase) W FPs Potencia en la fase de hervido a baja potencia (simmer phase) W fuelchar Peso del combustible no consumido en forma de char remanente kg fueldry Peso del combustible consumido (seco) kg fuelevap,water Peso del combustible requerido para eliminar su propia humedad kg h Eficiencia térmica % k Peso del contenedor del char vacío kg MC Contenido en humedad del combustible (en base húmeda) % mfuel,dry Peso del combustible seco kg mfuel,wet Peso del combustible húmedo kg mH2O Peso del agua contenida en el combustible kg P1 Peso de la olla principal vacía kg P1f Peso de la olla principal y el agua remanente al final de la etapa kg P1i Peso de la olla principal y el agua (5 litros) al inicio de la etapa kg Patm Presión atmosférica atm PCI Poder calorífico inferior del combustible kJ/kg PCIchar Poder calorífico inferior del char kJ/kg PCS Poder calorífico superior del combustible kJ/kg rb Velocidad de combustión kg/min SC Consumo específico del combustible kg comb. / l agua T1f Temperatura del agua al final de la etapa K T1i Temperatura del agua al inicio de la etapa K Ta Temperatura ambiente K Tb Punto de ebullición local K TDR Ratio de reducción - tf Tiempo al final de la etapa min ti Tiempo al inicio de la etapa min wf Peso de los alimentos preparados kg wr Peso del agua al final de la etapa kg wv Peso del agua evaporada al final de la etapa kg

5

RESUMEN

Más de la mitad de toda la madera cosechada en el mundo se utiliza como combustible. Esta recolección insostenible contribuye generosamente a la degradación de bosques y, en consecuencia, al cambio climático. Si bien ante la miope perspectiva de Occidente supondría un agravio ecológico quizás desconocido, de ella siguen dependiendo diariamente dos tercios de la población mundial para cocinar y calentar agua. Los desplazamientos implícitos en la recolecta de leña, así como la lenta preparación de los alimentos a causa de los ineficientes fuegos han convertido el cocinar en un trabajo a tiempo completo, que mayoritariamente es realizado por mujeres. La exposición diaria a los humos nocivos de las cocinas tradicionales, además de los problemas crónicos de salud derivados, es la razón de 4 millones de muertes al año. ‘Fogones mejorados de adobe’ es un proyecto basado en el diseño participativo y la auto-construcción de treinta cocinas de leña en comunidades rurales del Departamento de Jinotega (Nicaragua). La escasa capacidad económica obliga a usar tecnologías apropiadas, basadas en el uso de recursos propios y materiales y técnicas locales, que fortalezcan capacidades y necesidades futuras y no queden en desuso. Este documento tiene el objetivo de analizar las hornillas ya construidas y buscar soluciones útiles y baratas que permitan mitigar las cuestiones medioambientales y sanitarias expuestas anteriormente, transformando un elemento básico del hogar y mejorando las condiciones de vida familiares. Para ello, se categorizan las principales familias tipologías (rocket, multi-fuego y de canal) por medio de los ensayos estandarizados más reconocidos en el campo del diseño de fogones: el Water Boling Test y el Controlled Cooking Test. Los resultados evidencian una mejora sustancial de rendimientos con respecto a los obtenidos con un fuego a tres piedras. Sin embargo, las concentraciones de partículas contaminantes se mantienen a unos niveles alarmantes, por encima incluso de los límites legales para ambientes exteriores establecidos en los Estados Unidos y la Unión Europea. Por medio de las herramientas de cálculo computacional de fluidos, se identifican los puntos de conflicto del modelo de fogón mejorado de adobe propuesto por la asociación “Colectivo Zompopo”, promotora de esta investigación, y se proponen tres alternativas viables que conseguirían controlar estos efectos, descontaminando los espacios interiores hasta en un 99%. La Universidad Nacional de Ingeniería de Nicaragua será la encargada de simular estas propuestas en sus laboratorios y de corroborar estas hipótesis. La brecha económica dejada por la falta de subsidios de los gobiernos al GLP y al queroseno abre una vía de oportunidades para la promoción de combustibles de biomasa procesados y tecnologías de combustión mejoradas. Palabras clave: fogones mejorados de biomasa; calidad del aire; CFD.

6

7

1. Introducción

Transcurridos doscientos años desde el comienzo de la Revolución Industrial, que permitió que las sociedades occidentales aún ruralizadas tornasen en una economía de carácter urbano y modernista, las ciudadanas y los ciudadanos de estos países industrializados hemos olvidado muchas de las cuestiones más primitivas de nuestra existencia.

“Las prácticas culinarias se sitúan en el nivel más elemental de la vida cotidiana, en el nivel más necesario y más menospreciado” [1]

En la actualidad casi la mitad de la población mundial cocina, hierve agua o calienta sus casas a través de la quema de madera, estiércol, residuos agrícolas, o carbón en fuegos abiertos o estufas rudimentarias [2]. La madera, primera de las fuentes de energía de la humanidad, al constituirse como única materia prima barata y accesible, seguirá siendo empleada en aquellas sociedades subdesarrolladas.

Para entender la verdadera magnitud de esta situación, se debe conocer el volumen de personas en riesgo o situación de pobreza multidisciplinar que se ven obligadas a emplear estas técnicas arcaicas y que han hecho del cocinar su modo de vida, así como las posibilidades de éstos al desarrollo. Por otro lado, se presentan los condicionantes derivados del uso de este tipo de cocinas, y que se agrupan de este modo:

- socio-culturales, evitando así que tecnologías poderosas queden en desuso, incentivando el diseño participativo e integrando las aspiraciones y necesidades de las usuarios y/o usuarios finales por encima de la eficiencia energética.

- salubres e higiénicas, favoreciendo la ventilación de humos y las posiciones de cocinado ergonómicas, frente a la situación actual de exposición directa a partículas nocivas y exigencias de cocinado incomodas que afectan particularmente a las mujeres, niñas y niños, que pasan la mayor parte del tiempo cocinando o bien cerca del hogar.

- cambio climático, promoviendo el uso de fogones mejorados y combustibles eficientes, que consigan reducir la demanda de materia prima forestal y preservar los sumideros de carbono.

De una vez las mujeres dejarán de pasar hasta cinco horas diarias recolectando leña [3], desplazándose largas distancias en aquellas zonas desérticas o deforestadas y exponiéndose a un aumento de la vulnerabilidad a la violencia física y sexual, al salir de la seguridad de sus comunidades o campamentos. La introducción de tecnologías apropiadas, fogones más eficientes, más seguros y sobre todo más útiles, traerá consigo reducciones notables en cuanto a la materia prima necesaria para cocinar, permitiendo a su vez una producción sostenida de la masa forestal y asegurando que el tiempo innecesario dedicado anteriormente a la recolección sea empleado por las mujeres en otras tareas: aportación de ingresos al hogar, a su propia educación o a la de sus hijas y/o hijos, a ocio, etc. Estas prácticas, por supuesto, se desempeñaran en entornos sanos y seguros. Es posible modificar las tasas de desarrollo y alcanzar un estado de sostenibilidad, incluso a largo plazo [4].

Este documento tiene la misión de mejorar los denominados ‘Fogones mejorados de adobe’, hornillas diseñadas y construidas por el “Colectivo Zompopo”, a partir del análisis dinámico de fluidos (gases producidos en la combustión de biomasa) y de una serie de mediciones orientativas recogidas in situ, con el fin de buscar alternativas útiles y baratas que permitan atenuar las cuestiones medioambientales y sanitarias expuestas anteriormente, transformando un elemento básico del hogar y mejorando las condiciones de vida familiares de las comunidades rurales del Departamento de Jinotega (Nicaragua).

De su estudio saldrán también alternativas que ayuden a suavizar los severos efectos de esta situación de exclusión social, muchos incluso recogidos entre los Objetivos de Desarrollo del Milenio para el año 2015: erradicar la pobreza extrema y el hambre, lograr la enseñanza primaria universal, promover la igualdad de género y la autonomía de la mujer, reducir la mortalidad infantil, mejorar la salud materna, combatir el VIH/SIDA, el paludismo y otras enfermedades, garantizar la sostenibilidad del medio ambiente y fomentar una asociación mundial para el desarrollo [5].

8

9

2. Un problema a escala global

Si bien este trabajo profundiza más adelante en la situación de Nicaragua, las cuestiones expuestas no son exclusivas de este país. Es a escala global cuando se tiene una verdadera percepción del problema. Los indicadores demográficos recogidos en la Tabla 1, téngase en cuenta su homogeneidad, muestran la dispersión de población mundial, dando una primera idea de las zonas de actuación; y la proporción de personas que viven por debajo del umbral de la pobreza, y en consecuencia se ven obligadas a utilizar biomasa como combustible para satisfacer la escasez de energía en sus hogares.

Tabla 1: Indicadores demográficos mundiales: población e índices de desarrollo humano [6] [7].

Población total, 2014 IDH, 2013 IDH-D, 2013 IDG, 2013

Regiones África Occidental y Central 388M 5,35% 0,502 0,334 33,5 África Oriental y Meridional 523M 7,21% 0,588 0,419 28,0 América Latina y Caribe 618M 8,53% 0,740 0,559 23,9 Asia y Pacifico 3.823M 52,77% 0,703 0,564 19,5 Estados Árabes 327M 4,51% 0,682 0,512 24,2 Europa Oriental y Asia Central 263M 3,63% 0,738 0,639 13,2

Regiones más desarrolladas 1.256M 17,34% - - - Regiones menos desarrolladas 5.988M 82,66% 0,487 0,336 30,9

Total mundial 7.244M 0,702 0,514 22,8 IDH Índice de Desarrollo Humano Indicador social estadístico compuesto por tres parámetros: vida larga y saludable, educación y nivel de vida digno. IDH-D IDH ajustado a la Desigualdad Medición del nivel de desarrollo humano promedio de la gente en una sociedad una vez que la desigualdad ha sido tomada en cuenta.IDG Índice de Desigualdad de Género Indicador social similar al IDH y que mide las desigualdades sociales y económicas entre varones y mujeres.

Aproximadamente 6.000 millones de personas habitan en las regiones más desfavorecidas del planeta. El continente africano, con más de 900 millones de habitantes es sin dudas el menos desarrollado (IDH) y de forma directa, incapaz de hacer frente a cualquier tipo de gasto. Entre China, la India e Indonesia ya superan los 3.000 millones, y su crecimiento es exponencial. En este sentido, el Programa Nacional Chino de Cocinas Mejoradas [8] es un ejemplo a seguir en el campo de la energía doméstica, facilitando el acceso de casi 200 millones de cocinas entre los años ochenta y noventa por medio de proyectos de carácter descentralizador, reduciendo los obstáculos burocráticos y acelerando los pagos financieros. En América Central, 20 millones de personas cocinan con biomasa en fogones abiertos o estufas rudimentarias [9]. Esta cifra seguirá siendo significativa durante mucho tiempo debido a la alta incidencia de la pobreza, los altos precios combinados con la falta de sostenibilidad de los subsidios del gas licuado de petróleo (GLP), y un acceso relativamente sencillo a la leña.

Se estipula que alrededor de 1.200 millones de personas viven con menos de 1,25$ diarios y otros 1.400 millones con entre 1,25 y 2,50$ [10]. Como resultado, todas ellas son dependientes de las modalidades de generación de energía domestica contaminantes (véanse Figuras 1 y 2). No hay ningún Objetivo de Desarrollo del Milenio acerca de la energía. No obstante, la pobreza energética es una de las numerosas manifestaciones de la pobreza y una característica predominante de los hogares rurales y urbanos desamparados en los países en desarrollo. La falta de energía, en particular la falta de acceso a los combustibles para cocinar y la electricidad, representa un cuello de botella que frena el progreso hacia la consecución de estos objetivos. Al aumentar la prosperidad, combustibles más limpios, más eficaces y más convenientes reemplazan gradualmente la tradicional biomasa y el carbón.

Ingresos muy bajos

≤1,25$/día Ingresos bajos 1,25-2,50$/día

Ingresos medios >2,50$/día

Ingresos altos >10$/día

Uso

cr

ecie

nte

d

e co

mb

ust

ible

s m

ás l

imp

ios,

ef

icie

nte

s y

fáci

les

de

emp

lear

al c

ocin

ar

Electricidad Gas natural Gas licuado de petróleo (GLP) Etanol / Metanol

Combustibles no sólidos Queroseno Combustibles sólidos Carbón

Carbón de leña Leña

Residuos de cultivos Estiércol

Creciente prosperidad y desarrollo

Figura 1: Peldaños de energía: relación entre energía doméstica y desarrollo [11].

Figura

A lo largaltas. Laembargoparticula

Área Población : -Urbana -Rural

Economía IDH PIB per cápitPoblación bajPoblación en

Energía y SoUso de bioma -Población U -Población RLeña sostenibLeña extractiEmisiones CO

Salud Mortalidad enMortalidad mMortalidad asólidos y deb -Infección de -Enferm. pulTotal muertesTasa de morb

Educación MatriculaciónMatriculación

2: Escasez d(

go del correda introduccióo, para definaridades soci

Tabla 2: I

ta jo la línea de pobrezextrema pobreza (≤

ostenibilidad asa con fines energé

Urbana Rural ble (%) iva (%) O2 per cápita

n menores de 5 añomaterna atribuida al uso de bida a: e vías respiratorias lmonares crónicas (s bilidad

n escolar primaria n escolar secundaria

de energía en(Objetivo de

dor centroamón de cocinanir las tecnoioeconómica

Indicadores

za (3$/día) ≤1,25$/día)

éticos:

s

combustibles

(< 5 años) ≥30 años)

a

n las viviendaDesarrollo d

mericano se cas mejoradasologías apros (véase Tab

socioeconóm

Costa Rica

51.000 km2 4,9M 62% 38%

0,763 6.580$ 20% 2%

23% 0% 25%

- -

1,4 t

10‰

0,04‰

<10 100 100

0,2%

92% 74%

as. Porcentajdel Milenio 7

certifican uns de biomasopiadas en cbla 2, abajo).

micos y culin

El Salvador G

21.040 km2 16,4M 60% 40%

0,662 3.360$ 38% 19%

33% 11% 67% 42% 58% 1,0 t

36‰

0,15‰

220 160 400

1,0%

95% 61%

e de poblaci7, indicador

nas tasas de ua ha de ser cada región,

narios de Am

Guatemala H

08.890 km2 11215,9M 47% 53%

0,628 2.740$ 56% 15%

62% 46% 96% 58% 42% 0,9 t

47‰

0,24‰

1.570 1.690 3.300 3,1%

95% 46%

ón que usa c29), 2003 [12

uso de combvisto como

, es impresc

mérica Latina,

onduras Ni

2.090 km2 1308,3M 35% 65%

0,617 1.880$ 65% 54%

57% 37% 96%

- -

0,9 t

41‰

0,11‰ 0

390 140 500

1,4%

94% 45%

combustibles2].

bustibles sóliun gran ava

cindible con

, 2007 [13].

icaragua

0.370 km2 76,2M 59% 41%

0,614 1.080$ 48% 55%

58% 31% 92% 64% 36% 0,7 t

38‰

0,23‰

570 160 700

2,3%

93% 45%

10

sólidos

idos muy ance. Sin nocer sus

Panamá

5.520 km2 3,9M 71% 29%

0,765 6.990$ 25%

-

33% 0% 55%

- -

2,0 t

24‰

0,16‰

30 70 100

0,4%

92% 76%

11

3. Promoción de la Agricultura Campesina. Departamento de Jinotega, Nicaragua.

En Nicaragua, uno de los países más vulnerables a los efectos del cambio climático [14], la leña es la fuente de energía para cocinar más importante a nivel residencial, siendo el único combustible utilizado en el 92% de los hogares rurales (2,3 millones de personas) [15]. El imperativo económico, sumado a la creciente deforestación que asola el país, especialmente en corredor central, hace que por un lado sea imposible la sustitución de la biomasa por otras fuentes de energía más eficientes y saludables, y por otro convierte la leña un combustible escaso y preciado. En este contexto, urge encontrar soluciones concretas para el uso racional de la biomasa como fuente de energía doméstica.

‘Fogones mejorados de adobe’ es una experiencia realizada por “Colectivo Zompopo” en colaboración con la Asociación “La Cuculmeca”, que desde 2008 desarrolla el proyecto ‘Promoción de la Agricultura Campesina’ contribuyendo a la seguridad alimentaria de las familias, a través de diversas acciones que fomentan la producción ecológica, la protección ambiental y la participación comunitaria. La presente investigación se enmarca dentro de este gran proyecto como complemento para la mejora de las condiciones de vida rurales, optimizando las capacidades de una treintena de fogones mejorados de adobe construidos a lo largo del año 2014.

3.1. Condicionantes socio-culturales. Comunidades aisladas con recursos propios.

En las comunidades rurales de Jocomico, Paso Ancho, Los Calpules, Trucasán, Walasá, La Estancia y Agua Zarca, la carencia de infraestructuras y la degradada situación de los caminos, así como la falta de acceso a la electricidad y al agua potable [16], provocan unas condiciones de aislamiento que inherentemente hacen preservar un modo de vida campesino tradicional. El difícil acceso a los productos importados, potencia el uso de materiales locales y mantiene hábitos desaparecidos en lugares globalizados.

Las viviendas, por lo general auto-construidas, son en su mayoría de ‘henchido’, técnica tradicional próxima al bahareque, basada en estructura portante de cañas entretejidas y barro. Las cubiertas de teja artesanal cohabitan con láminas de zinc, de fácil transporte. Los materiales predominantes, como la tierra cruda y la madera, permiten construir a bajo coste pero también conservar la arquitectura vernácula, un verdadero patrimonio intangible vigente.

Como en numerosas áreas rurales del país, las mujeres construyen sus propias cocinas. En estas comunidades, la tradición constructiva se refleja también en las prácticas femeninas, transmitidas de madres a hijas. Expertas conocedoras del manejo de la tierra, son portadoras de la cultura constructiva popular. Si bien suelen ser los hombres quienes construyen las viviendas, son ellas las que les dan el mantenimiento cotidiano, enluciendo fachadas y recomponiendo los suelos de tierra.

La hornilla tradicional está esencialmente compuesta de una mesa maciza de tierra y piedra sobre la que se construye un cuerpo en “U” entre los que se coloca la leña y sobre los que asienta la olla. No son fogones eficientes ni canalizan el humo por una chimenea, sin embargo el manejo de la tierra sirve de precedente para el proyecto. La adaptabilidad al uso y a las particularidades de cada cocinera da pie a la apertura de talleres comunitarios de diseño de los nuevos fogones, en los que se intercambian impresiones y vivencias en primera persona con aportes científicos.

Teniendo en cuenta esta idiosincrasia, ‘Fogones mejorados de adobe’ se plantea como una alternativa técnica y socio-cultural, para reducir el impacto de la cocina tradicional de leña sobre el medio ambiente y la salud de la familia. En definitiva, una tecnología que genera conocimientos enfocados a un desarrollo comunitario a largo plazo, evitando el atrapamiento por la pobreza energética.

12

3.2. Exigencias salubres e higiénicas. Entorno y hogares sin peligros.

Conocida la situación de aislamiento y las limitaciones de acceso al agua potable, la tenencia de cocina se torna imprescindible para hervir y purificar la poca agua remanente en los acuíferos del corredor seco. El aprovechamiento indirecto de los humos desprendidos de la combustión para secar la leña, la ropa o incluso ahuyentar los mosquitos es una práctica muy arraigada. Sin embargo, la exposición diaria a estos humos nocivos lleva implícita la aparición de enfermedades pulmonares crónicas, irritaciones oculares, así como muertes prematuras en periodos de embarazo, parto y lactancia de mujeres y niños [17][18]. El quemado ineficiente de leña u otros materiales orgánicos genera, entre otros productos nocivos, grandes cantidades de partículas volátiles y monóxido de carbono. Las partículas en suspensión en el aire afectan principalmente a los órganos del aparato respiratorio, mientras que el monóxido de carbono se combina con la hemoglobina de la sangre causando la asfixia al ser inhalado en cantidades moderadas durante varios minutos [18].

Los niveles característicos de PM10 (pequeñas partículas de polvo, cenizas u hollín de diámetro inferior a 10 μm) en veinticuatro horas en el interior de las viviendas donde se usa biomasa en África, Asia o América Latina varían entre 300 y 3.000 microgramos por metro cúbico (PM10). Los valores máximos mientras se cocina pueden llegar a 10.000 μg/m3. En comparación, el límite medio anual de PM10 en ambientes exteriores acordado por la Unión Europea es de 40 μg/m3 [19]. Las mujeres, las niñas y los niños, que están en el interior de las viviendas y en los alrededores del fogón varias horas al día, tienen mayor riesgo de exposición. Además, existen resultados que sugieren que la inhalación del humo generado de la combustión de leña puede conllevar a abortos espontáneos en embarazadas, nacimiento de niños con bajo peso, anemia, asma o problemas de crecimiento. Otros estudios indican una relación directa entre la presencia de humo en el hogar y la incidencia de varias afecciones, como la tuberculosis, el cáncer de pulmón, enfermedades cardiovasculares o cataratas [20].

A través de la concienciación popular y con base científica, se insta a la promoción de nuevas actitudes y modificación de pequeños hábitos adquiridos, con la finalidad de convertir el hogar en un espacio saludable, donde las familias puedan desarrollar actividades independientes sin comprometer por ello su salud:

- mejorar la eficiencia energética de los fogones implica una reducción de los tiempos de preparado, y unas exposiciones mínimas al medio contaminante. Menores demandas de leña moderarán las necesidades de recolección, y consigo evitar la exposición a agresiones físicas y sexuales durante los desplazamientos. En lo que se refiere a la reducción de tiempos de cocción, existen recetas o técnicas como el remojo previo de los frijoles o la conservación del calor en los utensilios de cocina tapándolos. Es preciso que las mujeres se sientan a gusto con sus cocinas y puedan preparar con facilidad los platos típicos, bien mediante olla o sartén o bien sobre una plancha metálica. En las regiones frías, la calefacción deberá tenerse en cuenta en el proceso de planificación. El diseño debe proteger a la cocinera y/o al cocinero, evitando puntos calientes o saltos de llama que ocasionen quemaduras graves y garantizará una posición ergonómica, que evite dolencias derivadas de una mala postura de uso [21][22].

- la cantidad de humo desprendida puede ser reducida notablemente cambiando el tipo de combustible empleado por fuentes alternativas menos nocivas (combustibles no sólidos), si la capacidad económica lo permitiese. Sugerir una introducción paulatina o la combinación de varios combustibles o el tratado previo de estos (modificar el porcentaje de humedad en la madera mediante secado previo, evitar la presencia de trazas o residuos de cultivo, etc.) ayudarán a aminorar el volumen de humo. Existen proyectos que investigan la eficacia de carbones producidos de forma artesanal en este campo (MIT, D-Lab) [23]. Describir una volumetría que facilite el tiro natural de las cocinas (dimensiones de la cámara de combustión, longitudes de la campana de extracción, implementación de ventiladores y otras tecnologías), y garantizar la ventilación de las estancias donde se cocine son los objetivos de este proyecto.

3.3. Exig

El uso ambientaindustriade leña instanciaforestal dinámicamanifies2012, a p

En Nicaperdiendllegaba Vegetal la utilizaprogramprácticasdificulta

La energclima y condiciode calidamecanismcocinas m

gencias de s

insostenible al. A pesar alizado, en tocontribuye a

a, a la deserdisminuye sas de sobrecstan un aumepesar de los l

Figura 3:

aragua, el Mdo 70.000 ha las 15.000de Nicaraguación de leñ

mas sociales ps extractivas

ando su acces

gía procedenviable desde

ones: procedead, con rendimos que mejmejoradas.

ostenibilida

de la biomde que el

orno al 50% a la deforestrtificación (vse limitan la

calentamientoento continualímites acord

Cambio porc

Ministerio dehectáreas de 0 hectáreas aua para el perña y carbónpara la distribs abusivas haso a las comu

nte de la leñae el punto deencia de la leimientos adejoran los trad

ad. Deforesta

masa como cconsumo pde esta ener

tación, la ervéase Figuraas capacidado terrestre caado de las codados en el P

centual anual

e Ambiente bosque anu

anuales. Enríodo 2011-2

n vegetal’ ybución de coacen que la unidades ya d

a es considere vista socialeña de plantacuados y sindicionales m

ación y cam

combustible per cápita ergía es utilizrosión del sua 3). En lo qdes de captuausadas por oncentracioneProtocolo de

l de la cubier

y Recursosualmente, mn el marco d2025 [27], se

y propone pocinas mejoramadera se cde por sí má

rada una fuel. Pero esto staciones somn riesgo a incmétodos de co

bio climátic

está causanes reducido zada para cocuelo, la contque respecta ura de dióxiel efecto inves de CO2 enKyoto [25].

rta forestal p

s Naturales mientras que

de la Estrateincide en ‘mara ello entadas en hogaconvierta en s desfavorec

ente de energsucede sólo c

metidas a una cineración o gombustión ab

co.

ndo una impen comparacinar [24]. Lataminación d

al cambio cido de carbovernadero. Ln la atmosfer

por país, 2005

estimó en 2la tasa de

egia Nacionamejorar la efitre otras meares rurales yun bien preidas.

gía renovablecuando se cugestión sost

gasificación bierta de leñ

portante degación con ea obtención del agua y eclimático, siono, en favo

Las curvas dera en el perío

5-2010 [26].

2008 que sereforestació

al de Leña yiciencia eneredidas ‘fortay peri-urbanoeciado y com

e sin efectosumplen las stenible y comexcesiva. Y

ña en el dom

13

gradación el mundo intensiva

en última i la masa or de las e Keeling odo 2008-

e estaban n apenas y Carbón rgética en alecer los os’. Estas

merciable,

s sobre el siguientes mbustible

Ya existen icilio: las

14

15

4. Proyecto ‘Fogones Mejorados de Adobe’. Objetivos y diseño.

En Nicaragua muchas organizaciones trabajan actualmente financiando, promoviendo o construyendo cocinas mejoradas [28]. A causa de ello, existe una gran diversidad de prototipos desarrollados por las propias organizaciones o adquiridos a través de mecanismos de transferencia de tecnologías. Sin embargo, muchos de ellos no han sido técnica ni contextualmente evaluados y pueden ser producto de antiguas experiencias, que no siempre funcionan.

Seis meses después de la conclusión del proyecto, “Colectivo Zompopo” está llevando a cabo un primer estudio post-proyecto en colaboración con un grupo de investigación del ItdUPM (Centro de Innovación en Tecnología para el Desarrollo Humano, Universidad Politécnica de Madrid) y la UPV-EHU (Universidad del País Vasco). Un convenio recientemente firmado (Junio de 2015) con la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI-Norte), permitirá a las investigadoras e investigadores de este centro continuar con el seguimiento y monitoreo de futuras construcciones, así como la simulación real de nuevas cocinas en laboratorios propios.

Este proyecto tiene un doble objetivo: por un lado, la evaluación social (a cuenta de la organización) pretende obtener información sobre el uso y mantenimiento de las cocinas mejoradas. El objetivo es evaluar los niveles de adopción e impacto de los fogones mejorados a través de índices basados en la percepción que las usuarias tienen acerca de los cambios que los fogones han traído a sus vidas.

Por otro lado, la evaluación técnica (cometido principal de este documento), tiene el objetivo de analizar las diferencias entre la cocina tradicional y la cocina mejorada en los siguientes aspectos: calidad del aire en el interior de las viviendas con fogón mejorado y cocina tradicional, tiempo invertido en cocinar y control de combustible. Asimismo, la existencia de diferencias apreciables en rendimientos durante el preparado y en consumos dentro de una misma tipología de fogón hace que el análisis computacional sea requerido para conocer las posibles causas de estas variaciones. Achacables de forma presunciosa a la irregularidad dimensional de la cámara de combustión, a la longitud de la chimenea o incluso a la orientación de la vivienda, estas creencias deberán de ser corroboradas de forma empírica. El modelo de fogón diseñado por “Colectivo Zompopo” simulado en este artículo se detalla en el Anexo I.

¿Cuáles son los límites entre eficiencia energética y sostenibilidad y salubridad? ¿A qué precio se pueden alcanzar en los fogones mejorados?

El análisis de las hornillas construidas implica conocer en profundidad los mecanismos de combustión y transferencia de calor que en ellas se dan, y evaluar los efectos nocivos medioambientales y de salud derivados, agrupados según:

- combustión: de forma que la mayor cantidad de energía almacenada en el combustible sea liberada en forma de calor. Papel importante juega el tipo de combustible empleado y su grado de humedad, además del coeficiente geométrico de la cámara de combustión. Si se garantiza una quema satisfactoria, se reducen las emisiones contaminantes netas.

- transferencia de calor: de forma que la mayor cantidad del calor generado sea transmitido directamente al contenido de la olla. Se incluyen los procesos de conducción, convección y radiación. Al reducirse el tiempo de cocinado, se rebajan las emisiones contaminantes brutas.

- cocción: de forma que solo se genere el calor preciso para provocar los cambios físico-químicos en los alimentos al cocinar. La experiencia del cocinero o la cocinera y los gustos particulares de cada persona marcan las diferencias en este caso.

Los procesos de combustión y de transferencia de calor suelen tenerse en cuenta de manera combinada, bajo el término de eficiencia térmica del fogón. Si lo que se quiere es conocer la eficiencia del fogón ha de incluirse también el proceso de cocinado. En capítulos siguientes se explica la metodología de los ensayos orientados a tal efecto: Water Boling Test y Controlled Cooking Test.

16

4.1. Combustión.

Cualquier material que pueda quemarse para liberar energía recibe el nombre de combustible. Una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera una gran cantidad de energía recibe el nombre de combustión. La combustión de biomasa es un proceso exotérmico extremadamente complejo, en el que intervienen varias reacciones químicas; transferencias de calor conductiva, convectiva y de radiación; y otros fenómenos físicos [29]. Mejorar el proceso de combustión deberá de ir más encaminado a reducir el grado de peligrosidad de los humos tóxicos sobre la salud humana que al aumento de la eficiencia total del fogón.

Debido a su abundancia y su carácter gratuito, el comburente más empleado es el aire. En una base molar, el aire seco está compuesto por un 20,94% de oxígeno, un 78,08% de nitrógeno, un 0,035% de dióxido de carbono y el 0,93% restante por argón, helio y otros gases, de modo que puede considerarse aproximadamente como 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno en números molares. Por consiguiente, cada mol de oxigeno que entra en una cámara de combustión será acompañado por 0,79/0,21 = 3,76 mol de nitrógeno. Es decir:

1 kmol O2 + 3,76 kmol N2 = 4,76 kmol aire (1)

La cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa de un combustible recibe el nombre de aire estequiométrico. Durante la combustión, el nitrógeno se comporta como un gas inerte y no reacciona con otros elementos químicos más que para formar una pequeña cantidad de óxidos nítricos. Pero aun en ese caso, la presencia de nitrógeno influye de manera considerable en el resultado de un proceso de combustión, al entrar éste a la cámara de combustión en grandes cantidades a temperaturas bajas, y salir a temperaturas considerablemente altas, absorbiendo una gran proporción de la energía química liberada durante la combustión. Esta es una de las razones por las que se verifica la eficacia del aumento del flujo de aire de entrada (exceso de aire), y se cuantifica según la relación aire - combustible:

AC = maire

mcomb (2)

Esta relación también puede expresarse en una base molar como la proporción entre el número de moles de aire y el número de moles de combustible.

El uso de leña como combustible es la tendencia más extendida dentro de las comunidades rurales de Jinotega. De forma precisa, la combustión de madera es químicamente la combustión de celulosa, y su reacción molecular estequiométricamente ajustada es [30]:

n (C6H10O5) + n 6O2 → n 6CO2 + n 5H2O (3)

Las reacciones químicas se equilibran con base al principio de la conservación de la masa. Por tanto, la masa total de cada elemento del lado derecho de la ecuación de reacción (los productos) debe ser igual a la masa total de ese elemento en el lado izquierdo (los reactivos).

Tabla 3: Características físicas de los compuestos intervinientes en la combustión.

Compuesto Masa molar (g/mol)

Elemento Peso atómico (g/mol)

Átomos (n)

Porcentaje en masa (%)

Celulosa 162,140 C 12,010 6 44,446% H 1,007 10 6,216% O 15,999 5 49,338%

Oxigeno diatómico 31,998 O 15,999 2 100%

Dióxido de carbono 44,009 C 12,010 1 27,291% O 15,999 2 72,709%

Agua 18,015 H 1,007 2 11,190% O 15,999 1 88,810%

1 mol·(162,14 g/mol) (C6H10O5) + 6 mol·(31,998g/mol) O2 → 6 mol·(44,009 g/mol) CO2 + 5 mol·(18,015 g/mol) H2O

17

Teniendo en cuenta los pesos moleculares, recogidos en la Tabla 3, la reacción queda ajustada según:

162g (C6H10O5) + 192g O2 → 264g CO2 + 90g H2O (4)

1kg (C6H10O5) + 1,19kg O2 → 1,63kg CO2 + 0,56kg H2O (4.1)

Según sea el tipo de madera (conífera o frondosa) empleada como combustible, se liberará una cantidad de calor diferente durante la combustión debido a la variación en las concentraciones de carbono propias de la lignina; además del contenido de humedad. Ese calor liberado, en una combustión completa, se denomina poder calorífico.

El poder calorífico superior (PCS) corresponde al calor liberado en la combustión, incluyendo el calor latente del agua en los productos de la combustión. El poder calorífico inferior (PCI) parte del mismo valor de PCS, a presión constante, pero no incluye el calor latente del agua [31].

PCS = 81,4 C + 315,9 H + 16,3 S – [3,6 A + 28,63 (O + N)] (kcal/kg) (5)

PCI = [8100 C + 34000 [ H – (O / 8)] + 2500 S] / 100 (kcal/kg) - Fórmula de Dulong y Petit - (6)

donde

C, H, S, A, O y N se corresponden a los valores porcentuales en masa de los componentes del combustible: Carbono, Hidrógeno, Azufre, Cenizas, Oxigeno y Nitrógeno, respectivamente. Estos valores se recogen en la Tabla 4.

Tabla 4: Composición química de la biomasa sólida (% en peso seco).

C H O N S A

Coníferas 47-54% 5,6-7,0% 40-44% 0,1-0,5% < 0,01-0,05% < 0,01-0,03% Frondosas 48-52% 5,9-6,5% 41-45% 0,1-0,5% < 0,01-0,05% < 0,01-0,03% Carbón 72,50% 5,60% 11,00% 1,30% 0,94% < 0,10%

Dado que la mayoría de las maderas son similares en cuanto a estructura y composición química, sus poderes caloríficos son igualmente comparables. El poder calorífico superior medio de las frondosas es de 19.734 ± 981 kJ/kg y para las coníferas 20.817 ± 1.479 kJ/kg. Para conocer en detalle los poderes caloríficos de otros combustibles, véase la Tabla 5.

La variación observada entre especies de un mismo grupo, dada por las desviaciones estándar mostradas más arriba, es atribuible a las diferencias en las proporciones y los valores caloríficos específicos de los principales componentes de la madera: celulosa (17.500 kJ/kg), hemicelulosa (17.500 kJ/kg), la lignina (26.700 kJ/kg), resinas (34.900 kJ/kg) y sales minerales (0 kJ/kg). De media, las maderas se componen de un 40-50% de celulosa, 15-25% de hemicelulosa, 20-30% de lignina y el resto de los componentes se reparten en pequeñas proporciones.

Tabla 5: Poderes caloríficos [32].

Material Poder Calorífico Superior (PCS) Poder Calorífico Inferior (PCI)

Combustibles sólidos Madera de conífera 20.817 kJ/kg 14.497 kJ/kg Madera de frondosa 19.374 kJ/kg 18.411 kJ/kg Carbón 31.000 kJ/kg 29.800 kJ/kg Residuos de cultivo 14.700 kJ/kg 13.380 kJ/kg

Combustibles no sólidos GLP 48.000 kJ/kg 44.700 kJ/kg Queroseno 43.300 kJ/kg 39.700 kJ/kg Etanol 26.800 kJ/kg 24.200 kJ/kg

18

Para iniciar la combustión es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de ignición, a la que los vapores de un combustible arden espontáneamente. La combustión de la biomasa puede desglosarse en las siguientes etapas:

- El cuerpo leñoso se va calentando hasta alcanzar los 100ºC. En este momento la humedad de la madera comienza a evaporarse y es evacuada en forma de gas hacia el exterior o bien en forma líquida, condensándose en las vetas que se encuentran aún frías. La transferencia de calor a través de la madera es principalmente por conducción.

- A medida que la temperatura asciende hasta los 200ºC, la hemicelulosa comienza a descomponerse. Seguidamente, lo hace la celulosa. Esta descomposición se hace extensiva cuando las temperaturas rondan los 300ºC. Normalmente, entre un 8-15% de la celulosa y la hemicelulosa permanece como carbón fijado, a diferencia de aproximadamente un 50% de la lignina. Los compuestos volátiles producidos en esta descomposición son expulsados en forma de humo, transfiriéndose el calor por convección.

- Cuando estos compuestos escapan de la matriz (del cuerpo leñoso), se van mezclando con el oxígeno y, sobre los 550ºC, la ignición produce una llama amarillenta. A pesar de que el calor radiante de la propia llama implica menos de un 14% de la energía total de la combustión, es crucial para mantener el proceso, pues hace que se siga quemando más madera y continuando los procesos de descomposición. El ratio de combustión está controlado por la tasa a la que los compuestos volátiles se liberan. Los pequeños troncos, ramas, etc. tienen una mayor área superficial, lo que les permite combinarse de forma sencilla con el aire, y tienden a arder más rápido. Esta es la razón por la cual interesa empezar el proceso con piezas pequeñas.

- La capa superficial carbonizada (char según la literatura inglesa) que se va generando, permite catalizar la salida de los gases, dando lugar a reacciones más completas y facilitando una continua alimentación de las llamas. Sin embargo, esta capa de carbón tiene una conductividad térmica inferior a la de la madera, lo que frena la conducción del calor a su paso, y en consecuencia, a una ralentización del proceso. En algunos casos, los compuestos volátiles encuentran dificultades para ser liberados, por lo que comienzan a expandirse. La salida forzosa de estas partículas puede evidenciarse macroscópicamente en forma de grietas o de salpicado de brasas.

- Es en la misma superficie donde las moléculas de dióxido de carbono de los gases reaccionan con las de carbono que hay en ella, produciendo nuevas moléculas de monóxido de carbono. Un poco más lejos (fracciones de milímetro), la mayor concentración de oxígeno completa el proceso al combinarse con el monóxido de carbono produciendo dióxido de carbono. La temperatura, próxima a los 800ºC, está limitada por la disociación endotérmica de los procesos anteriores.

Cuando todo el carbón ha sido quemado, solo quedan sales minerales remanentes en forma de ceniza, bloqueando el flujo del oxígeno al interior y limitando los ratios de combustión. El proceso completo requiere de aproximadamente 5 m3 de aire (a 20ºC y a presión atmosférica a nivel del mar) para quemar de forma completa 1 kg de madera. Consecuentemente, un fogón con una potencia de 1kW es capaz de quemar 0,0556 gramos de combustible por segundo y requiere de 0,278 litros de aire por segundo [33].

Las propiedades anisótropas de la madera complejizan aún más si cabe el proceso. Por ejemplo, debido a que las fibras son más largas en el sentido longitudinal, la combustión es más efectiva en el eje axial que en el tangencial. De forma contraria, las briquetas o bloques sólidos, con una estructura porosa aleatoria, ralentizan ligeramente el proceso de quemado en igualdad volumétrica.

19

4.2. Mecanismos de transferencia de calor.

El calor se puede transferir de tres formas distintas: conducción, convección y radiación.

4.2.1. Conducción [34].

La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de sus interacciones. La conducción puede ocurrir en sólidos, líquidos o gases; siendo en estos dos últimos debida a la colisión de las moléculas durante su movimiento aleatorio, mientras que en los sólidos se debe a la combinación de la vibración de las moléculas en una red y el transporte de energía mediante electrones libres. La tasa de transferencia de calor se determina a partir de la Ley de Fourier, expresada como:

Qcond = -λt∙A dT

dx (W) - Ley de Fourier - (7)

donde

λt conductividad térmica del material (W/m·K) A área de contacto (m2) ∆T gradiente de temperatura (K) x el espesor de la pared (m)

La transferencia de calor por conducción se da en las paredes del fogón, separando ambientes interior y exterior. Este fenómeno, también se da desde la base de los utensilios de cocina (ollas, sartenes, planchas, etc.) hacia los alimentos. Las ollas de aluminio, por ejemplo, tienen unos rendimientos mejores en comparación con las de cerámica o barro. Sin embargo, se debe tener en cuenta que este tipo de útiles tienen unas pérdidas de calor considerables en las partes frías expuestas a temperatura ambiente. Una estrategia encaminada a limitar estas pérdidas es dejar semi-encajado el recipiente dentro de la propia cámara de combustión, de tal forma que los gases calientes lo envuelvan. Éste proceso es detallado en el apartado 4.2.2. Convección.

Las propiedades térmicas de algunos de los materiales más empleados en el diseño de cocinas se recogen en la Tabla 6.

Tabla 6: Propiedades térmicas de los materiales.

Material Conductividad térmica (λ) Densidad (ρ) Calor especifico (cp)

Metales Aleaciones de aluminio 230 W/m·K 2.700 kg/m3 880 J/kg·K Aleaciones de acero 50 W/m·K 7.800 kg/m3 450 J/kg·K

Cerámicas Ladrillo cocido 0,80 W/m·K 1.800 kg/m3 1.000 J/kg·K Hormigón 1,65 W/m·K 2.000 kg/m3 1.000 J/kg·K Ladrillo adobe 0,57 W/m·K 1.600 kg/m3 1.100 J/kg·K

Aislantes Origen natural 0,040 W/m·K 30 kg/m3 840 J/kg·K Poliméricos 0,030 W/m·K 30 kg/m3 1.400 J/kg·K

Otros Agua 0,597 W/m·K 1.000 kg/m3 4.180 J/kg·K Aire 0,026 W/m·K 1,177 kg/m3 1.005 J/kg·K

La inercconservaespecífic

dE ≈ ρ ·

donde dρcV∆

Figu

Tipo de

Sistema

LadrilloChapa mChapa mChapa m

En la Tatemporalcocinado66 W dinferior. exteriore

Cuando éstas se cantidadmayor sela cual contrapo

Para teneel régimecuación6-7 minu

cia térmica dar y la velocco y a la cond

cp · V · ∆T

dE variaρ denscp calorV volu∆T grad

ura 4: Pérdid

T

e pared

a masivo 10 cm

o refractario 5 metálica 2 mmmetálica 2 + 2metálica 2 mm

abla 7 se recl, de acuerdoo (aproximaddel fogón me

Por el cones a unas tem

se empieza van calentan

d de calor coerá su capacino se recom

osición a los

er una idea den estaciona

n (Ec. 9, siguutos en el seg

de un cuerpcidad con quductividad té

(J)

ación de la ensidad del matr específico (

umen de matediente de temp

das de calor a

Tabla 7: Pérd

m

cm m

mm m aislada 1 cm

ogen las péro con lo grafdamente 60 metálico aisla

ntrario, tienenmperaturas ra

a cocinar, lando a un ritmomienza a pidad de consmiendan lossistemas lige

de los órdeneario en compauiente páginagundo.

po es la proue lo cede oérmica del m

nergía almacterial (kg/m3)(J/kg·K) erial de cerraperatura (K)

a través de la

didas de calo

Eneralmace

4.9803.3152.540406 350

m 280

rdidas de calficado en la minutos) un do, a pesar n como ven

azonablement

as paredes inmo determinaperderse por servación de s sistemas meros, que cog

es de magnitaración con ua), siendo ap

opiedad que o absorbe. E

material.

cenada en un)

amiento (m3))

as paredes de

or operativas

rgía enada In

0 kJ 5 kJ

22

0 kJ 2kJ 2kJ 2kJ 2

lor propias dFigura 4. Sefogón masivde tener és

ntaja el factonte bajas en c

nternas del foado por su mr las caras eenergía para

masivos, quegen temperat

tud en tiempun sistema li

proximadame

indica la castá condicio

n cuerpo (J)

e la cámara d

s en las pared

Temperatnterior E

217ºC 250ºC 250ºC 231ºC 263ºC 287ºC

de cada tecnoe entiende quvo tiene unaste último uor de seguri

comparación

ogón están amasa y su calexteriores. Ca una misma e se van catura rápidam

o que necesiigero, se intrente de 5 hor

antidad de cnada a la m

e combustión

des del fogón

uras Exterior

57ºC 148ºC 148ºC 231ºC 154ºC 105ºC

ología en funue en los má

as pérdidas dna inercia tidad, al enccon el resto

aún frías. Conor especificouanto mayortemperatura

alentando deente.

ita un sistemoducen los vras en el prim

calor que ésmasa térmica

n, según sist

n.

Pérdidas d(cámara com

525 W 324 W 340 W C477 W C250 W C66 W C

nción de unaárgenes de ti

de 525 W fretérmica notacontrarse susde sistemas.

n el paso deo, mientras qr sean estos

a. Esta es la re forma pau

ma masivo envalores en la mer caso, y d

20

ste puede , al calor

(8)

tema.

de calor mbustión)

60 min. 4 horas

Constante Constante Constante Constante

a variable iempo de ente a los ablemente s paredes

el tiempo, que cierta s valores, razón por usada, en

n alcanzar siguiente

de apenas

tc = ρ

(Rint

donde tρcVRA

Existe unpueden embargo

En primeser transcámara, entre la tpor la ba

En la Figmomentofuncionadiferenteenergía temperatsí podría

La recuphaga de

Como sede su melos segununa envolas trans

∙cp∙V+ Rext)∙A (m

tc tiempρ denscp calorV voluR resisA área

na idea geneser devuelta

o, son realme

er lugar, dadportada direca pesar de sutemperatura aja radiación

gura 5 se deo inicial en amiento a unes temperatudel muro,

tura que no pa emplearse p

peración de uforma correc

e ha demostrenor inercia ndos no. Parolvente térmferencias de

min)

mpo necesariosidad del matr específico (

umen de matestencias térmde contacto

eralizada de as para seguente las ceniz

do que la conctamente a lau temperaturde las cazueen este punt

emuestra dichel que una

na potencia mras del agua aproximadampermite segupara tareas se

Figura 5

un calor prevcta y sin inte

rado, las paretérmica. Est

ra los espesomica, mientras

calor convec

o para alcanzterial (kg/m3)(J/kg·K) erial de cerra

micas superfic(m2)

que las granuir cocinandzas remanent

nducción a tra base de losra, es relativaelas y las parto de enfriam

ho proceso. Lolla de aguamedia duranal cabo de 1

mente 25ºC,uir cocinandoecundarias, c

5: Recuperac

viamente prorferir con el

edes ligeras to no quiere ores reducidos que para loctivo y de rad

zar el régimen)

amiento (m3)ciales interio

ndes cantidaddo, permitientes quienes c

ravés del mus utensilios damente buenredes de la cámiento.

La curva t =a se coloca nte una hora10, 30 y 60 m, alcanzando

o, al elevarsecomo calenta

ción de calor

ducido es algpropósito pr

tienen un podecir necesa

os, se deberáos muros en mdiación haci

n estacionari

r - exterior (m

des de calor ndo una exticumplen con

uro es lenta, ede cocina. Ad aislante. Poámara ralent

= 0 minutos den un fogón

a. En el margminutos. Como 50-53ºC. e el agua apear el agua de

r en un muro

go, sin lugarrimario de la

otencial supeariamente quán de limitarmasa deberáa la los instru

io (min)

m2·K/W)

absorbido poinción premesta función

es muy poca demás, el pror último, las izan un proc

de la cuadrícn (ya apagadgen izquierd

mo se ve, el aQueda demnas 2ºC cadala ducha.

masivo.

a dudas, despropia cocin

erior a los roue los primer

las pérdidasán de optimizumentos de c

or los murosmatura del fun.

la energía qopio aire inte

pequeñas diceso también

cula derecha do) que ha edo, se categoagua recuper

mostrado quea 5 minutos,

seable siempna.

obustos muroros ahorren es al exterior zarse cuidadococinado.

21

(9)

s masivos uego. Sin

que puede erior de la iferencias n limitado

indica el estado en orizan las ra algo de e es una pero que

pre que se

os a pesar energía y mediante osamente

22

4.2.2. Convección [35][36].

La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacente que está en movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de conducción y movimiento del fluido: mientras más rápido sea éste, mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento en masa del fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura.

Hay convección forzada si el fluido es forzado a fluir en un tubo o sobre una superficie por medios externos, como un ventilador, una bomba o le viento. En la convección natural, el caso más habitual en los fogones mejorados, el movimiento del fluido se debe a las fuerzas de flotación inducidas por la diferencia de densidades a causa de la variación de las temperaturas. Analizándolo en profundidad, el aire más caliente (seco, y por ello más ligero en comparación con el aire más frío, dado que cuenta con una menor concentración de humedad), asciende progresivamente a capas superiores a la vez que cede parte de su energía al medio que le rodea. De este modo, su temperatura comienza a disminuir en la misma medida en que lo hacen las fuerzas de flotación que lo empujaban hacia arriba, y en consecuencia, la velocidad a la que cede calor. Y así sucesivamente.

La transferencia de calor entre el bloque y el aire circundante se da por conducción si la diferencia de temperatura entre el aire y el bloque no es demasiado grande para vencer la resistencia del aire a moverse y así iniciar las corrientes de convección natural.

Aumentar la transferencia de calor convectivo es el mejor mecanismo para mejorar la eficiencia térmica del fogón. Se determina a partir de la ley de enfriamiento de Newton, expresada como:

Qconv = h∙A∙(Ts - Tf) (W) - Ley de enfriamiento de Newton - (10)

donde

h coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2·K) A área superficial en la cual tiene lugar la transferencia de calor (m2) Ts temperatura de la superficie (K) Tf temperatura del fluido lejos de la superficie (K)

Para el caso de una olla calentada por los gases calientes de la combustión, (Q) será el calor transferido desde el gas al recipiente, (h) el coeficiente de transferencia por convección, (A) el área de la olla a través de la cual el intercambio tiene lugar (no tiene por qué ser exclusivamente la base, y de hecho, no debiera serlo), y (∆T) la diferencia de temperatura entre los gases circundantes y la olla.

Para aumentar la transferencia de calor hacia la olla existen, en principio, tres vías de actuación:

- Aumentar la temperatura de los gases de la combustión. Esto se consigue exclusivamente cerrando la cámara de combustión con una puertilla y controlando la cantidad de aire que entra en ella. La medida puede resultar algo tediosa para la usuaria o el usuario, que se verá obligada u obligado a cortar la madera en porciones menores para que la puerta pueda cerrarse correctamente y a ir vigilando continuamente los niveles del fuego.

- Aumentar la superficie de contacto entre los gases y la olla. Los soportes de la olla deberán de ser lo suficientemente resistentes para aguantar su peso pero muy limitados en área, de tal forma que no actúen como pantalla protectora en la base. Además, como se ha citado previamente, los gases tienen que ser capaces de ascender alrededor de toda la olla.

- Aumentar el valor del coeficiente de transmisión por convección. Esto se consigue incrementando la velocidad a la que el gas fluye y entra en contacto directo con el cuerpo a calentar.

En los foconsiguehecho decontrol dladrillos fluido a

En la tracapa límcontineneficiencireducirsey en con

La eficiecombusten la Fig

TambiéncantidadIndistintde aire, del fogóno rápido

ogones mejoe aumentar ee que solo sede las tempeque se colocsu través, lim

ansferencia dmite, donde lante, los gaseia energéticae. Un aumen

nsecuencia, se

F

encia del cantión acumulagura 7, son ex

n es cierto qd de gas quetamente si eso por el conn, por lo quecalentamien

orados de adoel área de expea una olla laeraturas en ccan debajo dmitando el tir

de calor por cas velocidades fluyen liba del fogón

nto en la veloe ejerza una

Figura 6: Tra

nal, se definados en el esxtremadamen

Figura 7: Ef

que a pesar e puede fluis muy estrechntrario, ahogae la elección nto.

obe, al incluiposición al fua que esté dircada unidad de la plancharo en la chim

convección, des de los gabremente y n, las resisteocidad del flumenor resist

ansferencia d

ne como la fspacio perimnte variables

ficiencia del

de que los r a través dho o demasiar el propio de una anch

irse un segunfuego y los grectamente ede salida. Po

a, actúan commenea.

la máxima rases son nula

llevan consencias térmuido ayuda atencia al paso

de calor por

fracción de emetral entre és en función

canal en fun

canales estrdel él y de fiado largo, efuego. En c

hura óptima d

ndo fuego (regases calientexpuesta al fuor otro lado,mo deflectore

resistencia alas. A medidasigo las car

micas de estaa que exista mo del flujo de

convección y

energía transésta y el propdel espesor y

nción de sus d

rechos tieneforma directl humo tendualquier cas

deberá de val

econvertido ees. En la prácuego dificulta, la cama dees, modifican

flujo la ofrea que se alejgas caloríficas superficiemenor rozame calor (véas

y capa límite

smitida a la pio fogón. Suy la longitud

dimensiones.

en altas eficita, se limita erá a salir poo, se comprolorarse sopes

en plancha), ctica, sin ema si no impo

e ceniza así ando la trayec

ece la superfan de las pacas. Para mes límites d

miento con lase Figura 6).

e.

olla por los us valores, r

d de dicho esp

.

iencias, se ra el poder dor la boca domete el rensando entre e

23

sí que se mbargo, el

sibilita el como los ctoria del

ficie de la aredes del

mejorar la deben de s paredes

gases de recogidos pacio.

reduce la el fuego. e entrada

ndimiento eficiencia

El coefiparámetrla convelas propiW/m2·K100.000

Fig

Traduciepara el pincremen

Así, por otro de 2llegan a

De formagua al pexige unexcelentserie megrado deatribuiblquedan den la fas

El tiempla siguie

t = cp,H

donde cV∆P

A partir rápido ylento, a desmontlos reque

iciente de trro determinaección: la coiedades del

K en la conveW/m2·K par

gura 8: Relac

endo los resuprimer fogónntar dicha ef

ejemplo, se 20 cm y 8 mm2 kW mientr

ma parecida, spunto de ebuna precisióntes. En este sediante plantie correcciónles a detallesdesaconsejade de moldead

po requerido ente expresió

H2O·V·∆T

60·P

cp podeV volu∆T gradP poten

de las suposy potente, mi

pesar de untable con pieerimientos de

ransferencia ado de formanfiguración fluido y la vección naturara la convecc

ción entre efi

ultados repren (resultado dficiencia hast

ha de entenm elevan la eras que los d

si un fogón eullición en 14n milimétricsentido, entrillas y molden, haciendo s tan pequeñdos debido ado y curado.

para que el cn:

(min)

er calorífico dumen de aguadiente de tempncia máxima

iciones anterientras que

n encendido ezas de diáme los aliment

de calor poa experimentgeométrica d

velocidad voal de gases, ción en proce

iciencia total

esentados en de la convecta un 30% ex

nder que tanteficiencia de

del segundo r

es capaz de p4 minutos), rca en las dra en juego ees. Las cocinque entre uos. Asimism

a que control

contenido de

del agua (J/ka en la olla (mperatura en e

a de la olla (k

riores, se entlos más estrmás pausad

metro variabletos que se es

or convecciótal cuyo valode la superfi

olumétrica de25-250 W/mesos de ebull

l y potencia e

la Figura 8, cción y radiaxtra en funció

to un canal del fogón hastarondan los 3

producir 4 kWrequerirá un dimensiones el papel del

nas auto-consunas y otras mo, el empleo

lar su estabi

e una olla lle

kg·K) m3) el agua hastakW) según F

tiende que lorechos aumedo. Así, lo ide, donde podstén preparan

ón no es unor depende d

ficie, la naturel fluido. Tiem2·K en la colición y cond

en función d

se asume unación en la baón de las dim

de 5 cm de loa el 40%, loskW.

W de potencicanal con undel canal artesano o d

struidas, por existan gra

o de materialidad dimen

gue al punto

a llegar al punFigura 5

os canales mántan la eficideal sería coder emplear ndo (guisados

na propiedadde todas las vraleza del moene un valoronvección fo

densación.

e las dimens

na eficienciaase de la olla

mensiones de

ongitud y 6 ms picos de po

a (con 4 kWn espesor depara conseg

directamentelo tanto, es r

andes diferenles como el sional es cie

o de ebullició

nto de ebulli

ás anchos faviencia durantontar con unel utensilio ds, cocidos, fr

d del fluido,variables qu

movimiento dr estimado eorzada y ent

siones del can

a inicial totala) y la posib

el canal.

mm de espeotencia del pr

W se llevan 10e entre 9 y 11guir unos re de la produraro que alcancias de renadobe o el h

ertamente co

ón se estima

ición (K)

vorecen un ente la fase dena placa de fde cocina adritos, etc.).

24

, sino un ue afectan del fluido, ntre 2-25

tre 2.500-

nal.

l del 20% bilidad de

sor como rimero no

0 litros de 1 mm. Se esultados ucción en ancen ese ndimiento hormigón mplicada

mediante

(11)

encendido e hervido fundición

decuado a

4

La radiade cambconduccmedio. C

La radianegro a l

Qemitida

donde εσAT

La difertransfere

Qrad = ε

donde T

Otra prode la enemisividemisividonda.

En los fohacia la paredes de la ollpara caleaproxim

Figu

Acercar puesto qinterferirpráctica,superior

4.2.3. Radia

ación es la enbios en las ión y la con

Cuanto mayo

ación que emla misma tem

a = ε∙σ∙A∙ε emisσ 5,67A área Ts temp

rencia entre encia neta de

ε∙σ∙A∙(Ts4

T0 temp

opiedad de ranergía de radad, su valor dad y la abso

fogones mejoolla, hacia lahacia la ollaa está supedentar la base

ma más a las l

ura 9: Relaci

la olla al fuque se aumenr en el proce, la experiena 0,4 veces

ación [37].

nergía que econfiguracio

nvección, la tor sea la temp

miten todas lamperatura y s

Ts4 (W)

sividad de la ·10-8 (W/m2·superficial r

peratura abso

las tasa de e calor por ra

4 - T04) (W)

peratura del a

adiación impadiación incestá en el in

orbencia de

orados, la traa leña para ma y hacia el aditada a la tem

de la olla delamas o se au

ión entre la e

uego tiene enta el factoreso de combncia ha demel diámetro d

mite la mateones electrótransferenciaperatura de u

as superficiese expresa co

superficie (0·K4) – Constradiada (m2)oluta (K)

radiación eadiación:

ambiente que

portante sobridente sobre

ntervalo 0 ≤ αuna superfic

ansferencia dmantener la cambiente extmperatura dee forma más umenta la re

energía libera

efectos positr de forma. bustión e incmostrado quede la olla.

eria en formaónicas de loa de energía un cuerpo, m

es reales es momo:

0 ≤ ε ≤ 1) tante de Stefa

emitida por l

e rodea al cu

re una superfe una superα ≤ 1. La leycie son igua

de calor por combustión yterior. La trael fuego y alefectiva, o b

elación geom

ada en el fueg

tivos directoSin embargocrementar lae para contr

a de ondas eos átomos o

por radiaciómayor será la

menor que la

an-Boltzman

la superficie

uerpo (K)

ficie es su abrficie absorby de Kirchhoales con la m

radiación sey hacia las paansferencia dl factor de fobien se aume

métrica entre a

go y la interc

s en la trano, una reduc

producción rolar las em

electromagnéo moléculas.ón no requiercantidad de e

a radiación em

-

nn

e y de radia

bsorbencia (αbida por éstaff de la radia

misma tempe

e da desde laaredes de la cde calor desdorma entre amenta la tempeambas (véase

ceptada por l

sferencia dección excesiv

de monóxidmisiones, est

éticas como A diferenc

ere la presencenergía radia

emitida por u

Ley de Stefa

ación absorb

α), que es laa, y al iguaación estableeratura y lon

as brasas y lacámara; y de

de las brasas ambos. De eseratura de la e Figura 9).

la base de la

e calor por rva de la altudo de carbonta distancia

25

resultado cia de la cia de un ada.

un cuerpo

fan - (12)

ida es la

(13)

a fracción al que la ece que la ngitud de

as llamas esde estas a la base

ste modo, llama, se

olla.

radiación, ura puede no. En la debe ser

26

4.3. Proceso de cocinado.

Existen otras maneras de reducir la cantidad de combustible consumido, entre las que destacan mejorar el control sobre el fogón y la calidad de los utensilios de cocina.

La forma en la que se reparte la leña, tiene una fuerte influencia en los consumos finales de combustible. Un proceso de cocinado típico, incluye una primera fase en la que se eleva a la olla hasta una temperatura de hervido, y seguidamente, una segunda en la que se mantiene una temperatura constante. La cantidad total de combustible usado dependerá de la capacidad de la propia cocinera y/o cocinero por garantizar un fuego rápido inicial y conocer cuando ha de hacerse la transición a unos niveles menores, nunca usando más fuel del debido.

Evidentemente, papel importante juega el tipo de fogón empleado (multi-fuego, rocket, etc.), la familiarización de la cocinera y/o cocinero con éste y el tipo de combustible empleado. En este caso, las cocinas de varios fuegos son las más difíciles de manejar, por las exigencias de adecuación simultanea de la temperatura en varios pucheros. Si bien un fuego contenido apenas transfiere calor a la plancha, un fuego bravo ocasionará defectos de cocción en los alimentos, muy quemados en por fuera pero poco hechos por dentro. Las principales soluciones a este problema son: por un lado, una elección apropiada del volumen de los utensilios requeridos para cada tipo de alimento; y por otro, la posibilidad de emplear algún tipo de plataforma regulable, que permita reducir al antojo la altura entre la base de las ollas y la llama.

En muchas ocasiones y a pesar de contar con buenas cocinas, manipuladoras y/o manipuladores inexpertos avivan el fuego demasiado, consumiendo el doble de leña y generando un exceso de gases contaminantes. Uno de los factores destacables en el rendimiento del fogón es el nivel de la llama durante la fase de cocción a fuego lento. Debido a que este tipo de preparado tiende a prolongarse en el tiempo, un pequeño aumento innecesario en los niveles de fuego se puede traducir en diferencias considerables al finalizar el proceso.

Existen sin embargo razones suficientes para avivar la llama en algunos casos. Por ejemplo, cuando a lo largo del proceso se está generando demasiado humo, intensificar la entrada de combustible hará que mejore la calidad de la combustión. Será entonces cuando la cocinera y/o el cocinero deberán sopesar entre el disconfort del exceso de humo o el sobrecoste del exceso de combustible. En la mayoría de los casos se recurre a la segunda opción, convirtiéndose en un hábito profundamente arraigado y difícil de corregir. En el caso de los fogones de adobe, la incorporación de la chimenea solventa este problema.

Las medidas correctoras derivadas de la optimización de los mecanismos de transmisión de calor no serán efectivas si los utensilios empleados para cocinar están sucios o en mal estado, no se retira el carbón remanente de la parrilla o no se lleva a cabo un mantenimiento de limpieza de la campana.

27

4.4. Consideraciones de diseño.

A continuación se recogen algunas cuestiones relativas a la geometría o a la composición de las partes de un fogón, orientadas a mejorar la combustión, a los mecanismos de transferencia de calor y los procesos de cocción, descritos anteriormente:

- Aislar térmicamente la cámara de combustión tienen un doble efecto, aumentar la temperatura interior a la vez que reducir las fugas de calor.

- Optimizar la geometría de la cámara de combustión puede afectar a la calidad de la combustión y a la eficiencia del fogón de diversas maneras. En las cocinas de varios fuegos, por ejemplo, la altura elegida entre la base de las ollas y el depósito de la leña exige sopesar entre transferencia de calor radiante o calidad de la combustión. En lo que se refiere al volumen interno de la cámara, estará determinado en gran medida al tipo de combustible empleado (poder calorífico, constitución interna, tamaño de los cuerpos, etc.).

- El uso de una rejilla aumenta por sí sola la eficiencia de la cocina entre un 18 y un 25% [38]. La inyección de aire por debajo favorece el mezclado con el combustible y la excitación de la llama. A consecuencia de ello, en las hornillas de varios fuegos se puede aproximar las olla principal a las brasas (mejorando la transferencia de calor radiante), sin interferencias significantes en el proceso de combustión. En la práctica, es importante limpiar de forma frecuente las cenizas acumuladas que bloquean la corriente de aire ascendente.

- Controlar el exceso de aire puede aumentar la eficiencia, pero también producir mayores emisiones tanto si la entrada de oxígeno a la cámara de combustión es limitada como si el mezclado del aire con el combustible es pobre.

- Inyectar aire desde un segundo punto, en algunos casos, es beneficioso. A diferencia del aire primario (procedente de una boca principal y que pasa por debajo de la rejilla), este aire secundario se mezcla directamente con las llamas en la cámara de combustión, en aquellas situaciones en las que el exceso del aire se puede controlar.

- Colocar deflectores o barreras que promuevan la recirculación del aire o generen turbulencias de los gases de combustión.

- La introducción de la chimenea es vital en la consecución de los objetivos sanitarios planteados, al expulsar los gases de la combustión directamente al exterior. Las concentraciones de partículas y monóxido de carbono en el local de cocinado se reducen en 90% cuando el fogón cuenta con un conducto de extracción de humos. La chimenea debe incluir un cortatiros, es decir, una apertura hacia la estancia en algún punto por encima de la cámara de combustión. De esta forma se facilita el tiro natural ascendente, y por otro lado, facilita las tareas de limpieza de la misma y evita cualquier riesgo de incendio por acumulación de hulla.

El objetivo de aplicar los conocimientos ingenieriles mostrados a lo largo de este capítulo en relación a los fogones mejorados de biomasa, no está encaminado a desarrollar un producto de máxima eficiencia térmica, sino a mejorar la calidad de vida de la gran mayoría de los ciudadanos y ciudadanas de las comunidades rurales del Departamento de Jinotega, que aún siguen empleando combustibles sólidos en su día a día.

Los programas de introducción de hornillas deben focalizarse en satisfacer las necesidades de la población local, adaptándose a sus particularidades. Una tecnología basada en el empleo de los recursos locales disponibles genera conocimientos teóricos y prácticos enfocados a un desarrollo comunitario a largo plazo. Todas las modificaciones introducidas están supeditadas, por tanto, a los condicionantes socio-económicos y culturales regionales.

Bajo estas consideraciones, se encuentra un balance adecuado entre rendimiento, eficiencia, emisiones, facilidad de uso y costo.

28

29

5. Modelización de cocinas mejoradas de biomasa.

La modelización se centra en el fluido, el aire y los productos de la combustión, dejando a un lado el medio sólido, es decir, las paredes de la cámara de combustión [39].

5.1. Ecuaciones gobernantes en el fluido.

Se parte de las ecuaciones fundamentales de los fluidos (ecuación de la continuidad, ecuación de la conservación del momento y ecuación de la conservación de la energía) clásicas de la mecánica de medios continuos:

δ(ρu)

δx +

δ(ρv)

δy = 0 - Continuidad - (14)

ρuδu

δx + ρv

δv

δy =

δ

δy μ

δu

δy + g(ρ∞ - ρ) -

dP

dx - Conservación del momento - (15)

ρucpδT

δx + ρvcp

δT

δy =

δ

δy λ

δT

δy - Conservación de la energía - (16)

donde

u velocidad del gas en el eje x (m/s) v velocidad del gas en el eje y (m/s) T temperatura del gas (K) ρ densidad del gas (kg/m3) ρ∞ densidad del ambiente (kg/m3) μ viscosidad del gas (Pa·s o kg/m·s) λ conductividad térmica del gas (W/m·K) P presión (Pa) g aceleración debida a las fuerzas de la gravedad (m/s2)

El estado de una cantidad de gas se determina por su presión, su volumen y su temperatura:

P·V = n·R·T - Ecuación de estado de los gases ideales - (17)

donde

P presión del gas (Pa) V volumen del gas (m3) n número de moles del gas (mol) R 8,314 (J/kg·mol) - Constante universal de los gases ideales T temperatura del gas (K)

5.2. Hipótesis y simplificaciones.

El problema se resuelve de forma experimental por medio del Water Boiling Test (ISO IWA 11:2012) y del Controlled Cooking Test. A partir de los datos obtenidos, el modelo se somete a un proceso de optimización mediante herramienta informática. Se toman por válidas las siguientes hipótesis:

- El fluido tiene un movimiento tridimensional. Se espera la aparición de vórtices y puntos calientes, especialmente en las unidades de salida: el fuego principal y la plancha adicional.

- El fluido cumple con las propiedades de gas ideal, a pesar de que en teoría es aire más los productos gaseosos de la combustión.

- La combustión no se representa como un volumen de fuego con las propiedades de éste, sino como entrada de un flujo de aire caliente a una temperatura inicial dada. El proceso simula un régimen estacionario teórico.

5.3. Cálc

Los regím

- Lapsr

- E

- Eer

- Eg

La transf

Qconv =

El coefic

Nu = h

donde

NhGk

Figur

Se consi(∆Pi) deb

∆Pi =

donde f

Rνρ

culo de la tr

menes de ma

La columna aumenta propor encima dsu punto márecomienda a

El punto de

El flujo secuexterior y harelieves u ori

El canal lategases.

ferencia de c

= h∙A∙(Ts -

ciente de tran

h∙Gk

Nu númh coefiG anchk cond

ra 10: Defini

idera un pequbido a la fric

(fRe)∙xi∙ρ2∙G2

f factoRe númν viscoρ dens

ransferencia

ayor interés i

de gases calgresivamentde ellas, hastáximo cuandajustar la altu

estancamien

undario poracia arriba a ificios, etc.)

eral existent

calor convect

Tf) (W)

nsferencia de

mero Nusselt -ficiente de trahura del canaductividad tér

ición de pará

ueño segmencción del gas

i ∙ νi ∙ui2 (P

or de fricciónmero de Reyno

osidad del gasidad del gas

a de calor po

incluyen:

lientes procee con la altuta llegar al pdo las puntaura del recip

nto (velocid

r el que circlo largo de latiene una gra

te entre las p

tiva viene da

e calor por co

- cociente enansferencia dal (m) rmica del flu

ámetros para

nto del cuerpa lo largo de

Pa)

n Fanning olds medio pas (m2/s) (kg/m3)

or convecció

edentes de la ura dentro depunto de estaas de las llamiente según e

dad del fluido

culan los gasa olla. La moan influencia

paredes del f

ada por:

onvección (h

ntre transferede calor por c

uido (W/m2·K

a el cálculo d

po (xi). En ese las paredes

para una velo

ón.

combustióne las llamas, ancamiento. mas rozan leste principio

o nula) entre

ses desde el orfología de a en la transf

fogón y la o

h), viene defi

encias de caloconvección (

K)

e la transfere

sta región, ses, expresada c

ocidad media

. La velocidapero luego dLa transferea base de lao.

la columna d

punto de esla base de o

ferencia final

lla, al cual t

inido por la s

or por convec(W/m2·K)

encia de calo

e produce uncomo:

a

ad inicial de disminuye leencia de caloa olla, por l

de gases y la

stancamientoolla (plana, cul de calor.

terminan lleg

siguiente rela

cción y cond

or por convec

na caída de l

30

los gases entamente or alcanza lo que se

a olla.

o hacia el urva, con

gando los

(10)

ación:

(18)

ducción

cción.

la presión

(19)

31

La temperatura media (∆T) en esta región es:

∆T = (Ti + Tf) / 2 (K) (20)

donde Ti temperatura de entrada del gas (K) Tf temperatura de salida del gas (K)

Esta caída de la presión se equilibra por la variación de presión generada debido a las diferencias de densidad del gas en comparación con el aire a presión atmosférica, o bien por:

∆Pi = g∙xi∙(ρ∞ - ρ) (Pa) (21)

donde g aceleración debida a las fuerzas de la gravedad = 9,8 (m/s2) ρ∞ densidad del aire a presión atmosférica (kg/m3)

Las pérdidas caloríficas de los gases en la olla y en las paredes de la cámara se calculan según:

∆Q = Ap · Nup· k

G· ∆T - Tp + Aw ·

Nuw· k

G·(∆T - Tw) (W) (22)

donde Ap área de la olla (m2) Aw área de la pared (m2) Tp temperatura de la olla (K) Tw temperatura de la pared (K)

La cesión de calor de los gases a lo largo de la región se calcula a partir del flujo másico y la variación de las temperaturas, según:

∆Q = Ag· G · ui · ρi · cp,i · [2 · (Ti - ∆T)] (W) (23)

Igualando las presiones (ecuaciones 19 y 21) y las pérdidas de calor (ecuaciones 22 y 23), se despeja la variable velocidad:

u1 = 2 · g · G2

(fRe)·νi

∆T - T∞

T∞ (19)(21) = (24)

u1 = x1 · k · R · ∆T · [(Nup + Nuw) · ∆T - Nup · Tp - Nuw · Tw]

2 · G2 · P · cp,i · (Ti - ∆T) (22)(23) = (25)

Se agrupan términos de las ecuaciones resultantes anteriores (ecuaciones 24 y 25) y se igualan:

β = 4 · g · G4 · ρ∞

(fRe) · xi (26)

εi = k · νi

cp,i (27)

εi∆T2(Nup + Nuw) - εi∆T2(NupTp + NuwTw) + β∆T2 - β∆T(Ti + T∞) + βTiT∞ = 0 (24)(25) = (28)

32

La conductividad térmica, la viscosidad y el calor específico son valores que dependen de la temperatura del gas. Esta correspondencia se recoge en la Tabla 8.

Tabla 8: Propiedades del fluido en función de la temperatura [40].

T ρ cp μ ν λ α Pr (K) (kg/m3) (J/kg·K) (kg/m·s) (m2/s) (W/m·K) (m2/s)

250 1,4128 1,0053·103 1,488·10-5 10,53·10-6 0,02227 0,1568·10-4 0,722

300 1,1774 1,0057·103 1,983·10-5 16,84·10-6 0,02624 0,2216·10-4 0,708 350 0,998 1,0090·103 2,075·10-5 20,76·10-6 0,03003 0,2983·10-4 0,697 400 0,8826 1,0140·103 2,286·10-5 25,90·10-6 0,03365 0,3760·10-4 0,689 450 0,7833 1,0207·103 2,484·10-5 31,71·10-6 0,03707 0,4636·10-4 0,683 500 0,7048 1,0295·103 2,671·10-5 37,90·10-6 0,04038 0,5564·10-4 0,680 550 0,6423 1,0392·103 2,848·10-5 44,27·10-6 0,04659 0,6532·10-4 0,680 600 0,5879 1,0551·103 3,018·10-5 51,34·10-6 0,04659 0,7512·10-4 0,682 650 0,5430 1,0635·103 3,177·10-5 58,51·10-6 0,04953 0,8578·10-4 0,682 700 0,5030 1,0752·103 3,332·10-5 66,25·10-6 0,05230 0,9672·10-4 0,684 750 0,4709 1,0856·103 3,481·10-5 73,91·10-6 0,05509 1,0774·10-4 0,686 800 0,4405 1,0978·103 3,625·10-5 82,29·10-6 0,05779 1,1951·10-4 0,689 850 0,4149 1,1095·103 3,765·10-5 90,75·10-6 0,06028 1,3097·10-4 0,692 900 0,3925 1,1212·103 3,899·10-5 99,30·10-6 0,06279 1,4271·10-4 0,696 950 0,3716 1,1321·103 4,023·10-5 108,2·10-6 0,06525 1,5510·10-4 0,699

1000 0,3524 1,1417·103 4,152·10-5 117,8·10-6 0,06752 1,6779·10-4 0,702 1100 0,3204 1,1600·103 4,440·10-5 138,6·10-6 0,07320 1,9690·10-4 0,704 1200 0,2947 1,1790·103 4,690·10-5 159,1·10-6 0,07820 2,2510·10-4 0,707 1300 0,2707 1,1970·103 4,930·10-5 182,1·10-6 0,08370 2,5830·10-4 0,705

El modelo empírico descrito es útil cuando se pretenden describir las tendencias del gas en cuanto a su comportamiento dentro de la cámara, a su temperatura y a otros factores. Sin embargo, no es una herramienta de la que se pueda esperar demasiada exactitud.

Cuando en un caso determinado se consideren unas diferencias de temperatura bajas, se emplea la aproximación de Boussinesq, en la que se fija la densidad, la conductividad térmica y el calor especifico como valores constantes.

Cuando se desea alcanzar un grado de definición máximo, se acude a las herramientas informáticas de cálculo computacional de fluidos.

5.4. Wat

La Pruebun ensayUniversi11:2012

Tal y comel rendimpotenciatransfere

El WBT

- Hdr

- Hep

- Hms

Figu

La duracompleto

5

El mater

- B

- Tl

- C

- M

- C

- P

- Od

ter Boiling T

ba de Hervidyo recogido idad de Calibajo el título

mo su propiomiento de una) en un entorencia de calo

T consta de tr

Hervido en del fuego yreemplaza la

Hervido en etapa anterioproceso es pa

Hervido a bmanteniendosimula el len

ura 11: Varia

ción de cado, requiere d

5.4.1. Instru

rial necesario

Báscula con

Termómetro líquidos. Sop

Cronómetro.

Medidor de p

Cinta métric

Pala o espátu

Ollas estándade 5 litros, o

Test, WBT.

do de Agua, y publicado

ifornia en Beo ‘Guideline

o nombre indn fogón mienrno controlad

or.

res etapas:

frío (cold-sty se prolonga olla por otra

caliente (hor, con la saarticularmen

baja potenco el agua pornto proceso d

ación de la te

da prueba pude al menos tr

umental nece

o para la real

capacidad m

digital, conporte para ca

.

partículas.

a.

ula y cubo pa

ar (según tip bien de 3,5

ISO IWA 1

más conocid por primeraerkeley (UCs for evaluat

dica, se trata ntras compledo y de esta

tart high-poga hasta quea fuente con

ot-start higalvedad de qnte relevante

cia (simmerr debajo del pde cocción de

emperatura d

uede prolongres controles

esario.

ización corre

mínima de 6 k

n precisión dalibración de

ara manejar y

po de cocina)litros para lo

1:2012.

da por sus sia vez en 198

CB) en 2003ting cookstov

de un ensayeta una tareaforma conoc

ower phase).e el conteniagua a temp

gh-power phque el fogónen la catego

r phase). Enpunto de ebue las legumbr

del agua a lo

garse entre s.

ecta del ensa

kg y precisió

de 0,5ºC y ssonda

y almacenar

) con un voluos ensayos de

iglas en inglé82 en los est, y actualmeve performan

yo que permita de cocinadcer la eficacia

. Esta primerdo comienza

peratura ambi

hase). Se repn ya se encurización de c

n este puntoullición durares empleado

largo de cad

una hora y

ayo es el sigu

ón de ± 1 g.

sonda termo

las brasas y

umen aproxie 2,5 litros.

és WBT o Wtándares VITente reconocnce’ [41].

te determinaro (hervido da de la comb

ra fase arranca a hervir. Eiente.

pite el mismuentra a plencocinas con a

o, se baja laante 45 minuo en medio m

a una de las

media y do

uiente:

opar adecuad

el carbón.

mado de 7 li

Water BoilingTA, redefinidcido por la I

ar de forma ede agua a altbustión así co

ca con la preEn ese mom

mo proceso qno rendimiealta inercia té

a potencia dutos. De esta mundo.

fases del ens

os horas. El

da para inme

itros para los

33

g Test, es do por la ISO IWA

stadística ta y baja omo en la

eparación mento, se

que en la ento. Este érmica.

el fuego, forma se

sayo.

l proceso

ersión en

s ensayos

34

5.4.2. Protocolo.

Etapa 1. Hervido en frío

1. Preparación del cronómetro.

2. Pesaje del combustible empleado (madera, astillas, carbón, etc.).

3. Pesaje de la olla. Llenado con 5 kg de agua (5 litros). Medición de la temperatura del agua, desde el centro del recipiente y a 5 cm del fondo. En el caso de una cocina multi-fuego, se emplearán tantos recipientes como fuegos tenga.

4. Medición de emisiones. Medición de las concentraciones base y de la temperatura del conducto. Si se cuenta con un equipo de medición en tiempo real, es en este momento cuando deberá de ponerse en marcha.

5. Iniciar el fuego conforme a las prácticas locales.

6. Colocación de la olla u ollas en los respectivos fuegos, y llevarlas hasta el punto de ebullición rápidamente, controlando el fuego con los medios de uso locales.

7. Cuando el agua de la primera olla alcance el punto de ebullición:

a. Registro del tiempo.

b. Medición de la temperatura de la primera olla (#1). Pesaje de la primera olla (#1).

c. Control de los niveles de partículas y retirada del filtro empleado.

d. Retirar la leña de la estufa y apagar las llamas (bien en un cubo de ceniza o arena, pero nunca utilizando agua, lo que afectaría al peso de la madera). Despojar el carbón suelto de los extremos de la madera y almacenarlo junto con los bloques y cenizas remanentes.

e. Pesaje independiente del combustible (incluido todo aquel que no se hubiere introducido en la cámara) y del carbón.

f. Pesaje del resto de las ollas y medición de sus temperaturas (#2 - #n).

g. Vaciado de los recipientes.

Etapa 2. Hervido en caliente

1. Preparación del cronómetro.

2. Pesaje del combustible empleado (madera, astillas, carbón, etc.). Se recomienda que este paso se realice de forma previa.

3. Pesaje de la olla. Llenado con 5 kg de agua (5 litros). Medición de la temperatura del agua, desde el centro del recipiente y a 5 cm del fondo. En el caso de una cocina multi-fuego, se emplearán tantos recipientes como fuegos tenga. Se recomienda que este paso se realice de forma previa.

4. Medición de emisiones (opcional). Medición de las concentraciones base y de la temperatura del conducto. Si se cuenta con un equipo de medición en tiempo real, es en este momento cuando deberá de ponerse en marcha.

5. Iniciar el fuego conforme a las prácticas locales.

6. Colocación de la olla u ollas en los respectivos fuegos, y llevarlas hasta el punto de ebullición rápidamente, controlando el fuego con los medios de uso locales.

7. Cuando el agua de la primera olla alcance el punto de ebullición:

a. Registro del tiempo.

b. Medición de la temperatura de la primera olla (#1). Pesaje de la primera olla (#1).

c. Control de los niveles de partículas y retirada del filtro empleado.

d. Retirar la leña de la estufa y apagar las llamas. Despojar el carbón suelto de los extremos de la madera. Pesaje exclusivo del combustible (incluido todo aquel que no se hubiere introducido en la cámara).

e. Pesaje de las ollas y medición de sus temperaturas (#2 - #n).

f. Vaciado de los recipientes e introducción de la leña empleada previamente en el quemado.

35

Etapa 3. Hervido a baja potencia

Esta parte está diseñada para medir la capacidad del fogón para pasar de una fase de alto rendimiento a una fase de baja potencia con el fin de hervir agua durante 45 minutos utilizando la mínima cantidad de combustible posible. En este caso en las cocinas multi-fuego solo se evaluará el rendimiento de la primera olla.

1. Preparación del cronómetro.

2. Pesaje de la olla. Llenado con 5 kg de agua (5 litros). Medición de la temperatura del agua, desde el centro del recipiente y a 5 cm del fondo. En el caso de una cocina multi-fuego, se emplearán tantos recipientes como fuegos tenga. Se recomienda que este paso se realice de forma previa.

3. Pesaje del combustible empleado (madera, astillas, carbón, etc.) al que se le añaden los remanentes de la segunda fase.

4. Medición de emisiones (opcional). Medición de las concentraciones base y de la temperatura del conducto. Si se cuenta con un equipo de medición en tiempo real, es en este momento cuando deberá de ponerse en marcha.

5. Reencendido del fuego con la leña caliente de la segunda fase, conforme a las prácticas locales.

6. Colocación de la olla u ollas en los respectivos fuegos, e introducir el termómetro en el agua. Controlar el fuego durante 45 minutos a un nivel que mantenga el agua a ±3ºC por debajo del punto de ebullición. La prueba es nula si la temperatura baja más de 6ºC. Pasados los 45 minutos:

a. Registro del tiempo y medición de la temperatura de la primera olla (#1), que aún debe mantenerse a ±3ºC por debajo del punto de ebullición. Pesaje de la olla #1.

b. Control de los niveles de partículas y retirada del filtro empleado.

c. Retirar la leña de la estufa y apagar las llamas. Despojar el carbón suelto de los extremos de la madera y almacenarlo junto con los bloques y cenizas remanentes.

Pesaje independiente del combustible (incluido todo aquel que no se hubiere introducido en la cámara) y del carbón.

d. Vaciado de los recipientes.

36

5.4.3. Variables de cálculo.

PCS Higer Heating Value. Poder Calorífico Superior (PCS). Corresponde al calor liberado en la combustión, incluyendo el calor latente del agua en los productos de la combustión.

PCI Lower Heating Value. Poder Calorífico Inferior (PCI). Parte del mismo valor de PCS, pero no incluye el calor latente del agua.

MC Moisture content. Contenido de humedad (MC). Es la cantidad porcentual de agua en el seno de un combustible, en un ambiente húmedo.

MC = (mfuel,wet – mfuel,dry) / mfuel,wet (%) (29)

Tb Local boiling point. Punto de ebullición local (K). Es el ajuste de la temperatura de ebullición conforme a la altitud (msnm) del fogón.

Tb = (100 – h / 300) + 273 (K) (30)

∆cc Net change in char. Peso neto del char (residuo sólido carbonoso). Es la masa de char (cc) generada a lo largo de la prueba, obtenida por diferencia entre el peso neto y el peso del contenedor (k). Se hace de este modo ya que al retirar el carbón, éste sigue a temperaturas muy elevadas, por lo que se almacena en un depósito previamente pesado.

∆cc = cc - k (kg) (31)

fm Fuel consumed (moist). Combustible consumido (húmedo) (kg). Es la masa de madera requerida para llevar el agua hasta el punto de ebullición. Representa la diferencia entre la masa de madera inicial (fi) y la madera sobrante al final de cada etapa (ff).

fm = fi - ff (kg) (32)

fd Equivalent dry wood consumed. Consumo de madera seca equivalente (kg).

fd = fueldry – fuelevap,water - fuelchar (kg) fueldry = fm · (1 – MC) fuelevap,water = ∆EH2O / PCI = fm · MC · [ Cp · (Tb – Ta) + ∆hH2O,g ] fuelchar = ∆Echar / PCI = (∆cchar · PCIchar) / PCI

(33)

wv Mass of water vaporized. Masa de agua evaporada (kg). Es la medición de la masa de agua evaporada a lo largo de la prueba, obtenida por diferencia entre el peso inicial (P1i) y final (P1f) de la olla y el agua juntos.

wv = P1f - P1i (kg) (34)

wr Effective mass of water. Masa de agua final (kg). Es la medición de la masa de agua remanente al final de la prueba, obtenida por diferencia entre el peso final de la olla y el agua juntos (P1f) y el peso de la olla vacía (P1).

wr = P1f - P1 (kg) (35)

∆t Time to boil (pot #1). Tiempo para hervir (min). Es la medición del tiempo de cada etapa, desde que se inicial el fuego (ti) hasta que el agua de la primera olla alcanza el punto de ebullición (tf).

∆t = tf - ti (min) (36)

37

∆tT Temperature-corrected time to boil (pot #1). Tiempo para hervir con la temperatura corregida (min). Es la medición del tiempo de cada etapa, pero ajustando los resultados a una variación fija de 348K (desde 298K a 373K, es decir, desde 25ºC a 100ºC). Esta estandarización facilita la comparación entre pruebas que hayan podido ser realizadas con unas temperaturas iniciales (T1i) más altas o más bajas.

∆tT = (∆t · 75) / (T1f – T1i) (min) (37)

h Thermal efficiency. Eficiencia térmica (%). Es un término que permite cuantificar la energía aprovechada para calentar el agua, en relación a la energía total generada durante la combustión.

hc = (EH2O,heat + EH2O,evap) / (Ereleased) (%) EH2O,heat = mH2O · Cp · ∆T = (P1i – P1) · 4.186 · (T1f – T1i) (kJ) EH2O,evap = wv · ∆ hH2O,g = 2,260 · wv (kJ) Ereleased = fd · PCI (kJ) *En la fase 3, hervido lento, EH2O,heat se calcula según: EH2O,heat = mH2O · Cp · ∆T = [(P1i – P1 + wr) / 2 ] · 4.186 · (T1f – T1i) (kJ)

(38)

rb Burning rate. Velocidad de combustión (kg/s). Es un término que permite cuantificar la velocidad a la que se consume el combustible mientras se lleva el agua al punto de ebullición, mediante el cociente entre la madera seca consumida equivalente y el tiempo total de la prueba.

rb = fd / ∆t (kg/s) (39)

SC Specific fuel consumption. Consumo específico de combustible (kg madera / l agua). Es una herramienta que permite categorizar cualquier tarea y debería ser considerado como ‘el combustible necesario para producir una unidad de salida’, sea agua hervida, un preparado de lentejas o un horneado de pan. En el caso del WBT, mide la cantidad de madera necesaria para hervir 1 litro de agua.

SC = fd / wr = fd / (P1f – P1) (kg madera / l agua) (40)

FP Firepower. Potencia (W). Es un término que permite cuantificar la energía consumida para hervir el agua por unidad de tiempo. En definitiva, cuantifica el rendimiento medio del fogón. Es la herramienta más empleada en la comparación de fogones.

FP = (fd · PCI) / (∆t · 60) (W) (41)

TDR Turn down ratio. Ratio de reducción. Es el cociente de las potencias medias durante las fases de hervido lento y hervido rápido. De esta forma, cuantifica el grado de control que el cocinero o la cocinera tienen sobre el fuego.

TDR = FPc / FPs (42)

38

5.5. Controlled Cooking Test, CCT.

La prueba de Cocción Controlada, o Controlled Cooking Test (CCT) en inglés, es un ensayo complementario al WBT, diseñado para evaluar el funcionamiento específico de las cocinas al someterlas a un proceso de cocción estándar bajo las técnicas culinarias locales [42].

La duración total de la prueba se prolongará según las necesidades de preparado de cada alimento. El proceso completo, requiere de al menos tres controles.

5.5.1. Instrumental necesario.

El equipamiento requerido para llevar a cabo el ensayo es el mismo que en Water Boling Test, descrito en el sub-apartado 5.4.1 ‘Instrumental necesario’.

5.5.2. Protocolo.

1. Consensuar junto con la población local el alimento o los alimentos más consumidos en la región.

2. Descripción detallada del proceso de preparado de los alimentos (recolección, limpieza, pelado, orden de vertido, cantidades, etc.), según las recomendaciones VITA, CCT Procedural Note 2.

3. El preparado debe de realizarlo una persona local, familiarizada tanto con los productos como con el fogón a ensayar. En el caso de tratarse de un nuevo diseño, es recomendable un período de entrenamiento previo.

4. Preparación del cronómetro.

5. Pesaje del combustible empleado (madera, astillas, carbón, etc.). Considerar una cantidad aproximada del doble al requerido para completar la tarea, según estimaciones locales.

6. Iniciar el fuego conforme a las prácticas locales.

7. Mientras el cocinero o la cocinera estén preparando los alimentos, anotar cualquier información relevante (dificultades que encuentren, generación excesiva de calor, cantidad de humos, etc.). La exactitud de cada paso garantiza el éxito en un proceso que se basa en la repetición del protocolo en diferentes tipologías de fogón.

8. Cuando la comida esté preparada:

a. Registro del tiempo y pesaje de la olla u ollas con el preparado incluido.

b. Retirar la leña de la estufa y apagar las llamas. Despojar el carbón suelto de los extremos de la madera y almacenarlo junto con los bloques y cenizas remanentes.

Pesaje independiente del combustible (incluido todo aquel que no se hubiere introducido en la cámara) y del carbón.

5.5.3. Variables de cálculo.

Todas las operaciones necesarias para definir los indicadores del fogón son las mismas que en el Water Boiling Test, a excepción de:

wf Total weight of food cooked. Masa de los alimentos preparados (kg). Es el peso final de todos los alimentos cocinados, obtenido por la diferencia entre las ollas llenas una vez completadas todas las tareas y las ollas inicialmente vacías.

wf = Σj=1 (Pjf - Pj) (kg) (43)

El subíndice j hace referencia al número asignado a cada olla.

39

6. Resultados. Comparativa entre fogones.

Desde los años 1970, se ha promovido la introducción de cocinas mejoradas en América Latina, África y Asia. Frente al elevado precio del gas y otros combustibles, el fácil acceso a la madera hará que se siga utilizando mientras existan tales niveles de pobreza. Si se rentabiliza la leña empleada y se evita la inhalación del humo, la biomasa puede considerarse un combustible sostenible.

En los últimos 40 años, pocos proyectos de fogones mejorados han tenido éxito debido a que ha primado la eficiencia energética ante las costumbres culinarias locales, muy enraizadas y difíciles de cambiar, condenando así el fogón al desuso [43].

Los balances energéticos estadísticos de partida son:

Tabla 9: Balances energéticos [44].

Fogón Abierto Fogón metálico aislado Fogón de adobe

Ganancias Absorbido por el primer fuego 12,00% 17,60% 11,80% Absorbido por el primer fuego - 10,30% 3,60%

Pérdidas Liberado al ambiente 88,00% 22,20% 39,00% Almacenado en las paredes - 2,00% 29,20% Pérdidas de forma: convección y radiación - 40,40% 1,90% Combustión incompleta - 7,80% 2,70% Otros factores - - 11,80%

Los fundamentos teóricos recogidos a lo largo de este documento se ven reflejados de forma numérica en estos balances energéticos estadísticos. Por ejemplo, es evidente que un cajón metálico aislado por el exterior con tan sólo un centímetro de fibra de vidrio reduce las pérdidas de un 39% (en el caso del fogón de adobe) a un despreciable 2%. Además, el calor acumulado en el interior de la cámara se reparte entre los dos fuegos uniformemente (10-17% frente a 3-11%). Estos datos, sin embargo, no han de interpretarse de forma absoluta, puesto que habría que repercutirse las tasas de retorno de la inversión y derivadas del uso.

Teniendo en cuenta que el aprovechamiento de los materiales y técnicas constructivas oriundas es un requisito obligatorio (y por lo tanto el fogón debe ser de adobe), el siguiente paso consiste en notificar cuales son las fortalezas y puntos débiles de nuestra cocina, y actuar en consecuencia. A este propósito, se muestran a continuación los indicadores más relevantes de una quincena de fogones de biomasa instalados en Nicaragua (véanse Figuras 12 a 16) [45]. Si bien el problema planteado inicialmente hace referencia a las diferencias notables de rendimiento dentro de la misma tipología de fogón, es conveniente comparar el modelo con otros prototipos representativos. Entiéndanse los resultados como valores aproximados, por no tratarse de ensayos en condiciones de laboratorio, y por la necesaria aparición del factor humano.

Los 14 fogones analizados están clasificados según material, número de fuegos y tenencia de plancha metálica y chimenea (véase Tabla 10). La celda ‘Fuego’, se corresponde a un fogón de referencia básico, abierto o a tres piedras. El modelo diseñado por “Colectivo Zompopo” es el número 11.

El hecho de que no se puedan comparar las cocinas según el tipo de material se debe a la heterogeneidad tipológica dentro de cada grupo. Sin embargo, sí que se pueden equiparar tipologías iguales de materiales diferentes.

Tabla 10: Tipología de los fogones ensayados.

Fuego* #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11*** #12 #13

Material Hormigón Ladrillo refr. Metal** Adobe Fuegos 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 3 Plancha No No No Si No Si No No No No No Si Si No Chimenea No No No Si Si Si No Si Si No Si Si Si Si * Fuego hace referencia a un fogón abierto o a tres piedras. ** Metal hace referencia a fogones metálicos tipo rocket, sin aislamiento exterior. ***#11 hace referencia al modelo de fogón propuesto por “Colectivo Zompopo” - Fogón Mejorado de Adobe.

40

De forma genérica, la potencia media de todos los fogones ronda los 4-5 kW y la eficiencia media, en la que se incluyen las tres fases del WBT, el 18-20% (véase Figura 12). Por lo tanto, realmente solo 1 kW es efectivo. En los modelos tecnológicos, la eficiencia de un fuego a gas es de aproximadamente un 35%, frente a un 75-85% de las vitrocerámicas y hornos de inducción.

Figura 12: Water Boiling Test. Eficiencias en cada etapa del ensayo.

Cada una de las barras, de izquierda a derecha, se corresponden con las fases de hervido en frío, hervido en caliente y hervido a baja potencia, respectivamente.

Con una potencia pico de 6 kW el fogón abierto, demuestra que bajo control exhaustivo es capaz de garantizar unos rendimientos suficientes. Su eficiencia está limitada al 15%, muy próxima a los valores de partida del 12% (véase Tabla 9, página anterior). Los riesgos sanitarios que existen al estar expuesto directamente a los gases de la combustión exigen que esta técnica rudimentaria deba ser sustituida por tecnologías mejoradas. El fogón de hormigón número 3 destaca frente al resto, llegando en la fase de hervido lento hasta un notable 27%. Por tratarse éste de un proceso de larga duración (45 minutos), podría considerarse como el más ahorrativo en lo que a combustible refiriere.

Se analiza en profundidad el fogón mejorado de adobe en cada una de las etapas del WBT:

- Etapa 1 - Hervido en frío: punto débil del fogón, con tiempo de 46 minutos y una eficiencia del 16,2%. A causa de la elevada inercia térmica de las paredes, el aumento de la temperatura interior es paulatino. No obstante, es un valor próximo al del resto de fogones, incluidos los metálicos.

- Etapa 2 - Hervido en caliente: el encendido a alta potencia en caliente tiene una duración media de 33 minutos, y una eficiencia del 21,2%. Este resultado es interesante, teniendo en cuenta que se presuponían grandes pérdidas a través de las paredes, sobre todo en la primera hora de cocinado.

- Etapa 3 - Hervido a fuego lento: las grandes diferencias de combustible se dan en esta fase. Con una eficiencia del 22,6%, un 7% superior al fuego abierto, los ahorros son importantes.

Conocidas las capacidades tipo de los fogones en un proceso de hervido, se muestran los resultados de las pruebas de consumo específico de combustible (barras) y duraciones de preparado (puntos), determinadas mediante un CCT de arroz en el primer caso, y de frijoles, en el segundo (véanse Figuras 13 y 14). Mayores valores en la gráfica significan un mayor consumo de combustible o una mayor duración del tiempo en finalizar la prueba.

10,0%

12,5%

15,0%

17,5%

20,0%

22,5%

25,0%

27,5%

30,0%

- #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13

Efi

cien

cias

en

las

fase

s W

BT

41

Figura 13: Controlled Cooking Test (Arroz).

Figura 14: Controlled Cooking Test (Frijoles).

Tal y como se ha mencionado anteriormente, aquellos fogones con una alta eficiencia en la fase de hervido lento contribuyen a una reducción del combustible empleado para cocinar una misma cantidad de producto. Podría considerarse que todos aquellos fogones con tiempos de preparado y consumos específicos superiores a los de un fuego abierto carecen de utilidad, salvo que dispusiesen de chimenea y mejorasen las condiciones salubres del local. El problema del ensayo WBT en su tercera etapa, es que el tiempo establecido es de tan solo 45 minutos. En la realidad es un tiempo que no se aproxima a los propios de un preparado a fuego lento en este tipo de tecnologías, que puede prolongarse hasta los 100 minutos, por lo que las diferencias de pérdidas caloríficas entre los sistemas masivos y ligeros no llegan a apreciarse. Por ello, en los CCT de larga duración (como es el caso de los frijoles), estas desigualdades son más evidentes.

Durante el CCT del arroz, el fogón mejorado de adobe necesita casi la mitad de la madera para producir la misma cantidad de comida que un fuego a tres piedras (175 gramos de combustible por kilos de arroz frente a 250 g/kg) y además reduce ligeramente los tiempos de cocinado a 40 minutos. No obstante, estos tiempos están lejos de los empleados en una cocina eléctrica o a gas, de aproximadamente 20 minutos.

30

35

40

45

50

55

60

65

70

150

175

200

225

250

275

300

325

350

- #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13

Tie

mp

o d

e co

cció

n (

min

)

Con

sum

o es

pec

ífic

o d

e co

mb

ust

ible

(g/

kg)

40

50

60

70

80

90

100

110

120

200

250

300

350

400

450

500

550

600

- #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13T

iem

po

de

cocc

ión

(m

in)

Con

sum

o es

pec

ífic

o d

e co

mb

ust

ible

(g/

kg)

42

Por otro lado, en la cocción de frijoles se demuestra cierta vulnerabilidad en el fogón (y más teniendo en cuenta que siempre se está refiriendo al primer fuego, y no a la plancha). Los resultados se equilibran en comparación con un fuego abierto: 350 g/kg frente a 400 g/kg y 100 minutos frente a 95. Estas diferencias en ambos ensayos, además de por las pérdidas que pudiese tener un sistema masivo de adobe, también podrían ser atribuibles a un cierto descontrol de los niveles del fuego, al estar confinados en la cámara.

En el caso de las concentraciones de las emisiones (véase Figura 15) son los valores mayores los que tienen una implicación negativa. Las barras de la izquierda cuantifican la cantidad de monóxido de carbono emitido (ppm), mientras que las de la derecha las partículas volátiles (mg/m3). Como era de esperar, los valores de concentraciones de partículas contaminantes en las proximidades del fogón son menores en aquellos casos en los que estos cuentan con sistema de evacuación de humos.

Los resultados del fogón mejorado de adobe son:

- Monóxido de carbono: las concentraciones disminuyen de 6,4 ppm, en el caso de un fogón abierto, a apenas 1,1 ppm.

- PM2,5: las concentraciones disminuyen de 0,32 mg/m3, en el caso de un fogón abierto, a 0,06 mg/m3, es decir, 320 μg/m3 y 67 μg/m3 respectivamente.

Figura 15: Water Boiling Test. Concentración de las emisiones.

A pesar de las limitaciones de vivienda en las zonas rurales de estudio, la vulnerabilidad del ser humano ante estos productos tóxicos es la misma en cualquier lugar. Por ello, se comparan estos resultados con los valores límite definidos por el Standard Ashrae 62.1-2007 ‘Ventilation for aceptable indoor air quality’ (véase Tabla 11) [46].

Tabla 11: Concentraciones límite según contaminante.

Ashrae 62.1-2007 Ensayo Water Boiling Test Contaminante Concentraciones Límite Fuego Abierto Fogón Mejorado Adobe

Monóxido de carbono (CO) 9 ppm (8 h) 6,4 ppm (2 h) 1,1 ppm (2 h) Formaldehído (HCHO) 0,1 mg/m3 (30 min) - - Plomo (Pb) 1,5 μg/m3 - - Dióxido de Nitrógeno (NO2) 100 μg/m3 - - Ozono (O3) 100 μg/m3 - - Partículas (PM2,5) 15 μg/m3 320 μg/m3 67 μg/m3 Partículas (PM10) 50 μg/m3 300 - 3.000 μg/m3 - Dióxido de Sulfuro (SO2) 50 μg/m3 - -

0

1

2

3

4

5

6

7

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

- #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13C

O (

pp

m)

PM

2.5

(mg/

m3 )

43

Los ensayos presentados se limitan a la medición de las concentraciones de CO y PM2,5. Es cierto que al contar con un sistema de evacuación de humos se reducen ambos valores. No obstante, teniendo en cuenta que los niveles de PM2,5 son el doble de los permitidos, se pude concluir que el problema no está resuelto y que las familias siguen en claro riesgo de exposición a éstos agentes contaminantes. El resto de parámetros, incluso sin haber sido evaluados, podrían estar dentro de estos márgenes de peligrosidad. Conociendo estos datos, existen tres vías de actuación:

- Correcta ventilación de la estancia donde se vaya a cocinar.

- Optimización de la combustión (combustible, aumento de temperatura, control del caudal de aire de entrada, etc.) en favor de una menor producción de sustancias nocivas.

- Variación de la geometría del fogón y revisión de la eficiencia del canal, aumentando la superficie de contacto entre los gases y la olla.

De cara al futuro, se contempla también la evaluación de otras partículas nocivas (NOx, etc.). El olor, o en este caso mal olor debido a los compuestos orgánicos volátiles de la combustión o propios de la sudoración causada por la termorregulación del metabolismo del cocinero o cocinera próximos a un foco caliente, es un factor muy ligado al confort (o disconfort) de las personas, y que debe controlarse.

En este marco comparativo los resultados más claros se exponen por medio del ratio eficiencia / emisiones o el cociente entre la eficiencia de una cocina y las emisiones que la misma desprende durante la prueba (barras). Mayores valores en esta gráfica pueden considerarse que tienen una implicación positiva (véase Figura 16). Además, se incluyen los precios en dólares americanos de cada uno de los fogones (puntos).

Los fogones metálicos demuestran las teorías desarrolladas, confirmando que son unas opciones excelentes, especialmente el número 9, una cocina sencillo tipo rocket a un precio de 20$. También es cierto que hay otros modelos de hormigón o ladrillo refractario con resultados realmente buenos, pero a unos precios prohibitivos, superando los 150$. Se puede concluir entonces que el precio de un fogón no está necesariamente reñido con su eficiencia. Aquí se evidencia que la introducción de estas tecnologías por parte de las ONG y las agencias gubernamentales en ocasiones no es acertada y debe ser revisada, pues a estos precios quizás interese más sustituir definitivamente el tipo de combustible (véase Figura 1, Peldaños de la energía) en vez de invertir tanto dinero en un único fogón.

Figura 16: Water Boiling Test. Ratio eficiencia / emisiones. Precio unitario.

La relación más igualitaria entre eficiencia - emisiones - precio la encontramos en el fogón mejorado de adobe. Además, si se le suma el proceso de diseño participativo y de auto-construcción, que le da una plusvalía en cuanto a la identificación de la hornilla con la propia cultura local, lo convierte en una elección excelente, pero no por ello suficiente.

$0

$30

$60

$90

$120

$150

$180

$210

0

1

2

3

4

5

6

7

- #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13

Pre

cio

($)

Rat

io e

fici

enci

a / e

mis

ion

es

6.1. OptAdobe’.

Se graficlos gasesel interiopor las ccombust

Existen limita lavelocidapodría se

Las físicconvecciy velocidseccionaa lo largo

En el est

Una vezsuperiorecanal quvelocidatransmispuntos ‘sobre la (350ºC) simultán

timización b

can los resuls de la combor del sistemcorrientes detión.

varias posiba trasferenciad de los gaser liberado d

cas (physics)ión forzada edad del vien

ado de la coco del proceso

tado actual:

z encendido ees a los 650

ue pasa por dad (0,8-1,2 msión por conmás fríos’ eplancha hacdel fogón p

neamente en

bajo criterio

ltados de la bustión dentr

ma facilita la e aire ascend

bilidades: pua de calor ases; o bien z

directamente

) seleccionaden cada caso

nto), las medcina muestra o de cocción

F

F

el fuego, los K (380ºC) ydebajo de lam/s), convirtnvección, el en los extremcen que siga principal. Lala Figura 19

s de sostenib

simulación,ro del propioidentificacióentes, y que

ntos de estaa las unidadzonas de rápsin ser aprov

das en el pro, y las condidias de la reg

la variaciónn hasta llegar

Figura 17: Es

Figura 18: Es

gases del iny de 550 K (2a plancha y ttiéndose en ucalor no es mos. Evidencaliente, a u

a relación en.

bilidad y sal

con el softwo fogón. El cón de las zon

compromete

ancamiento odes de salidapidos, en losvechado.

rograma soniciones iniciagión: 1.100 mn de temperatr al régimen e

stado actual.

stado actual.

nterior de la 280ºC) en lastermina en euna vía direcedido unifo

ntemente, el una temperatuntre temperat

lubridad del

ware informáconocimientonas de conflien la transm

o zonas con a; deflectores que una bu

n las propiasales (altitud, msnm, 89.30tura y velociestacionario.

Temperatura

Velocidades

cámara de cs zonas centrel pie de la ecta de salidormemente ecarácter conura media detura y veloc

l prototipo ‘

ático Star CCo de la dinámicto, vórtices

misión de calo

velocidades es, que modiuena cantida

de la convepresión atm

00 Pa, 300K idad del fluid

as.

s.

ombustión arales de la plchimenea, lo

da. Así, en loen el terminnductivo y lae 340K (70ºC

cidad en cad

‘Fogón Mejo

CM+ [47], delmica de los fs y rebufos gor, el tiro na

s bajas, en ladifican la dirad del calor

ección naturmosférica, tem

y 1 m/s. El do en cada s

alcanzan temlancha. En elos gases cogo que se ref

nal, lo que da radiación C), frente a

da tramo pue

44

orado de

l flujo de fluidos en generados atural y la

as que se rección y generado

ral y/o la mperatura

volumen egmento,

mperaturas l estrecho gen cierta fiere a la a lugar a incidente los 620K ede verse

45

Figura 19: Estado actual. Régimen estacionario. Temperatura / Velocidad.

El hecho de que la salida de humos este localizada después de un tramo horizontal tan largo, y tenga un volumen tan reducido (ø100 mm), hace que el tiro sea ineficiente. Unas velocidades de salida tan lentas (0,3-0,6 m/s) y unas diferencias de presión tan bajas (15-20 Pa), teniendo en cuenta que la chimenea del modelo simulado es de tan solo 2 metros, demuestran esta teoría.

Dado que las localizaciones de las comunidades rurales se encuentran a diferentes alturas (800-1.200 msnm), y consecuentemente a presiones atmosféricas dispares (0,95-0,88 atm); cada vivienda tiene un grado de exposición propio a las corrientes de aire, y además cada chimenea tiene longitudes variables, el tiro natural en cada caso hará a favor del rendimiento del fogón o no.

Los gases van de las altas a las bajas presiones. En este sentido, una evacuación natural ineficiente provoca:

- La falta de flotabilidad de los gases hacen que se acumulen en las capas superiores del tramo horizontal, por debajo de la plancha, dificultando el proceso de combustión y provocando un exceso de monóxido de carbono.

- Diámetros de tubo no adecuados, sumados a una muy posible reducción extra provocada por la falta de limpieza de las paredes interiores, dónde se acumula de hollín, grasas y otros compuestos, impiden una evacuación ya de por sí mermada.

- Excepcionalmente, en los días con una presión atmosférica menor o con poco movimiento de aire, se puede dar el caso en el que la ventilación sea inversa, y los humos terminen siendo evacuados por la abertura de entrada del combustible o en último caso apagando el fuego.

En el marco de esta investigación, se contempla tanto la viabilidad de un ventilador que aumente el flujo de entrada inicial, así como la introducción de un extractor dinámico en la parte superior de la chimenea, que facilite la evacuación de humos al exterior. La intención, de este modo, es la de no modificar el diseño inicial del fogón mejorado de adobe.

Existen intentos de inclusión de ventiladores programables en cocinas tipo rocket metálicas en India por parte de la ‘Global Alliance for Clean Cookstoves’ con elevadas tasas de aceptación [48]. La introducción de estas tecnologías tendrá que ser evaluada también desde el punto de vista económico y social.

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

200

300

400

500

600

700

800

Vel

ocid

ad d

el f

luid

o (m

/s)

Tem

per

atu

ra (

K)

Fuego principal

Plancha

Chimenea

Se propofuncionavolumétr

El excesproduccirendimie

La dificuincluye ulas primerápidameverse colocalizac

Una vez combustcentralestransfereesquinasasegura

one por lo taamiento con rico de 0,02

so de aire, vaión de sustanento, al aume

Fi

ultad en esteun reguladoreras fases deente. De est

omo un verdciones (zonas

encendido etión alcanzans de la plancencia de calos. Los gasesque el tiro es

anto una pequuna pila de

m3/s y una v

aría entre un ncias nocivaentar el caud

igura 20: Exc

e caso radicar de velocidael encendido,ta forma, tamdadero probls con una tas

Figura 21:

Figura 22:

el fuego, y enn temperaturha. El hechoor por conve de la combs efectivo.

ueña unidad e petaca o 4velocidad pic

0,1 y un 0,4as (monóxidodal de humos

ceso de aire.

a en modulaad. No obsta, al facilitarsembién se incema en algusa de defores

Propuesta co

Propuesta c

n combinacióras superioreo de tal aumeección en labustión son

de ventilado4 pilas alcalico de 4,2 m/s

[49]. Incremeo de carbonoy reducir la

Relación ren

ar el flujo, pante, su funce la mezcla e

crementan lounos periodostación exten

on ventilador

con ventilado

ón con el venes a los 650 ento de la vea plancha se

expulsados

or eléctrico dinas de 1.2Vs, colocado e

entando esta o, óxidos de temperatura

ndimiento / c

pues un ventcionamiento entre el aire yos requerimios del año (ensiva, zonas d

r inferior. Te

or inferior. V

ntilador, los K (380ºC) y

elocidad se evda de unifoa velocidad

de 4.8V, queV en serie, cn la entrada

relación, se cnitrógeno, emáxima (vé

contaminació

tilador de eses muy intery el combustientos de bioestación secadesérticas, et

emperaturas.

elocidades.

gases del inty de 580 K videncia en formemente, des cercanas

e podría ser pcon un ratioprincipal de

consigue disetc.), pero taéase Figura 2

ón.

stas caracteríresante sobretible y avivaromasa, lo qua, etc.) o entc.).

terior de la c(310ºC) en forma de vóralcanzando a los 4 m/

46

puesto en de flujo aire.

sminuir la ambién el 20).

ísticas no e todo en r la llama ue podría n algunas

cámara de las zonas rtices. La todas las s, lo que

El extracayuda deen el tramde 0,03 superiore

Las tempsimilaresVelocidatambién reducidacomo se

La variaFigura 2extractorúnico sisventilado

En relaclos tres c

Figu

Fig

ctor dinámicel viento, cremo y facilitaa 0,08 m3/ses a los de la

peraturas obs a las del caades de entregarantizan u

a como la simaprecia en a

ación de la te25 (de izquier dinámico sustema con elor.

ción a la cantcasos en una

ura 23: Prop

gura 24: Prop

co, sustituto eando una deando su extra (95-300 m3

a primera pro

btenidas tantoaso anterior,e 2,5-3 m/s,una ventilacmulada, dete

algunas escen

emperatura eerda a derecuperior). Lasl que se cons

F

tidad de caloproporción 3

uesta con ex

puesta con ex

del chino suepresión a lo acción. Los m3/h). Sus preopuesta.

o en el inter cercanas a visibles en ión efectivaerminadas ránas.

en la planchaha: estado as curvas que sigue un repa

Figura 25: Te

or transmitid3 a 7.

xtractor dinám

xtractor diná

uperior en lalargo del co

modelos másecios, por de

rior de la cámlos 650 K (3forma de re

. En aquelloáfagas de vie

a en los diferactual, propu

se describenarto homogé

emperaturas

da por convec

mico superio

ámico superio

a chimenea, onducto, aums sencillos tieeterminar en

mara de com380ºC) y de emolinos en os modelos cento pueden

rentes prototuesta con ven son el refleéneo de la tem

en la planch

cción y radia

r. Temperatu

or. Velocidad

actúa comomentando la venen un ration Nicaragua,

mbustión com580 K (310ºel último tr

con una canainducir a de

tipos se muentilador infe

ejo de una comperatura es

a.

ación, los po

uras.

des.

o un aspiradovelocidad de o de flujo vol

son ostensi

mo en la plaºC), respecti

ramo de la calización deepresiones e

estra en paralerior y propuonvección alts el que cuen

orcentajes flu

47

or con la los gases lumétrico iblemente

ancha son ivamente. chimenea,

longitud excesivas,

lelo en la uesta con terada. El nta con el

uctúan en

Bajo las disposicide conflmal dim

CódigoSección2 Diseñ2.2 Ins2.2.2 C7

En la inminferior dde las tejlas cocin

Sección 4 Dimen4.2 Cond4.2.1 Co1 L

ldacbls

exigencias dión como laslicto, ademásensionamien

o Técnico den HS 2 Recoño y dimensitalaciones d

Condiciones El extremo ventilación de tal mane1 m como ma) la altura b) 1,3 veces

mensa mayodel faldón, mjas. De este

nas. Se recom

HS 3 Calidansionado ductos de ex

onductos de La sección dla tabla 4.2 edeterminarána) el caudal caudales queb) la clase dela más baja qse sitúa el ed

del Código Ts dimensiones, son sintomnto de las par

e la Edificacogida y evacionado

de traslado pparticularessuperior de en los sistem

era que (véasmínimo y supde cualquiers la altura de

oría de los fomuy próximomodo, la pro

mienda segui

ad del aire i

xtracción extracción p

de cada tramoen función den de la siguiede aire en e

e pasan por lael tiro se obtque vierte al dificio de acu

Técnico de laes de la chimmáticos de unrtes:

ción - DB HSuación de re

por bajantess de las bajala bajante enmas neumátise la figura 2pere las siguir obstáculo que cualquier ob

ogones consto a la cornisaopia cubiertar las relacion

interior

para ventilao de los condel caudal de ente forma: el tramo delas aberturas tiene en la taconducto y

uerdo con la t

a Edificaciónmenea, no cumun escaso con

S Salubridadesiduos

s antes n los sistemaicos deben d

2.2) el tramo ientes alturas

que esté a unabstáculo que

truidos, el ca, sobresaliena actúa comones dimensio

ación híbridductos de extaire en el tra

l conducto [lde extracción

abla 4.3 en fula última, amtabla 4.4.

n Documentomplirían con nocimiento d

d

as de trasladodesembocar eexterior sobs en función a distancia coe esté a una d

onducto de ndo apenas mo barrera al vonales descrit

a tracción debeamo del cond

l/s], qvt, quen que vierten

función del nmbas incluid

o Básico Salula regulación

del estado de

o por gravedaen un espacire la cubiertade su empla

omprendida edistancia men

extracción semedio metro viento, limitatas en la Figu

e ser como mducto y de la

es igual a ln al tramo; úmero de plas, y de la zo

ubridad (HS)n vigente. Loe la cuestión

ad y del condio exterior aa tenga una a

azamiento: entre 2 y 10 nor o igual qu

e localiza eno por encima ando el tiro nura 2.2 en el

mínimo la oba clase del ti

la suma de

lantas existenona térmica

48

), tanto la os puntos n y de un

ducto de adecuado altura de

m; ue 2 m.

n la parte del nivel

natural de futuro.

btenida de iro que se

todos los

ntes entre en la que

En la acmecánicsistemas

Independinsuficieclase de resultant

De acuerensayadode la asa

Se opta funcionafogón y cortatiro

Una primprimer fmecanism

ctualidad, too o híbrido.

s como posib

dientemente,ente. Siguien tiro térmicote es de 625 c

rdo a esta úlo en las instaamblea popul

por eliminaalidades de lfacilitando u

os actual por

mera simulacfogón de 65mo adiciona

odo sistema En las propu

ble solución a

, un tramo ndo los parámo T-4 y un ccm2. Esto se

ltima revisióalaciones de lar.

ar el tramo la chapa de un tiro naturuno de rejill

ción avala la50 K (380ºCl de entre 0,7

Figur

Figur

de ventilaciuestas de mea los problem

inicial de 1metros de dicaudal de aitraduce en u

ón, se proponla Universid

horizontal, hierro fundiral vertical da de guillotin

as mejoras deC) y unas v7 y 1,1 m/s (v

a 26: Propue

ra 27: Propu

ión ha de cejora de los fmas de tiro.

150 x 150 miseño, y supoire inferior aun canal mín

ne un modelodad Nacional

sobre el quido que se sidirecto. Este na (regulable

e este modelvelocidades dvéanse Figur

esta sin planc

uesta sin plan

ontar con ufogones mej

mm y un tuoniendo una a 100 l/s (qv

imo de 300 x

o que incluyl de Ingenier

ue se situabituará en el acometido s

e) situado en

lo, consiguiede evacuaciras 26 y 27).

cha. Tempera

ncha. Velocid

un dispositivorados de ad

ubo de 100 zona térmic

t ≤ 100), la x 300 mm.

ya estas mejoría, una vez t

ba la planchlugar que ahse ayuda conla base de la

endo unas temón de gases

aturas.

dades.

vo de extracdobe se aludí

mm de diáca semejantesección de

oras, y que ptuviese el vis

ha, aprovechhora ocupa en la modifica chimenea.

mperaturas ps sin ningún

49

ción, sea ía a estos

ámetro es e (Z), una conducto

podría ser sto bueno

hando las el primer ación del

pico en el n tipo de

50

51

7. Conclusiones

En las sociedades subdesarrolladas, los bienes naturales priman sobre los económicos. Este principio ha convertido la biomasa en la principal fuente de energía utilizada en dos tercios de los hogares del mundo para cocinar y calentarse. El calentamiento global viene propiciado por una deforestación incontrolable, derivada en gran parte de la dependencia energética para la subsistencia del ser humano, especialmente en la de aquellos sin recursos que encuentran la madera una fuente ‘ilimitada’ y gratuita. En paralelo, las condiciones de inseguridad e insalubridad generadas en torno a los rudimentarios fogones convierte esta situación en un drama social aún sin resolver.

‘Fogones mejorados de adobe’ potencia los recursos propios (materiales, humanos y organizativos) y se dirige a familias con necesidades pero también con capacidades. El objetivo es construir cocinas eficientes y saludables, duraderas y económicas con materiales locales y de bajo coste, a través de la auto-construcción y de la participación activa. Se diseña así un fogón mejorado compuesto principalmente de adobe y ladrillo cocido artesanal, asumiendo el 50% de los costos totales los propios comunitarios, un equivalente a 20 dólares americanos.

Como se ha demostrado, el precio de las cocinas no está necesariamente relacionado con su eficiencia. Sin embargo, la existencia de diferencias apreciables en rendimientos durante el preparado y en consumos dentro de una misma tipología de fogón hizo que el análisis computacional fuera requerido para conocer las posibles causas de estas variaciones. Los resultados de la evaluación del fogón mejorado de adobe propuesto por la asociación “Colectivo Zompopo” son prometedores, pero aún se encuentran dentro de unos márgenes de peligrosidad para la salud inaceptables. La optimización de estos fogones bajo criterios de sostenibilidad y salubridad por medio de la introducción de nuevas tecnologías es un hecho:

- El modelo que incluye un ventilador ayuda a mejorar la combustión y consigue picos de rendimiento excelentes. Por el contrario, se deducen unas demandas de leña ligeramente superiores.

- El modelo que incorpora un extractor en la chimenea garantiza un caudal de salida constante, limitando las concentraciones contaminantes interiores a la mínima expresión. No obstante, encarecería sensiblemente el precio total de la hornilla.

- El modelo propuesto por el investigador, una vez han sido considerados todos los factores intervinientes en la combustión, es una opción excelente en cuanto a la relación eficiencia / emisiones, permite ahorrar aproximadamente un 40% de material, pero exige ser sometido a la aprobación de la asamblea popular.

Las simulaciones en laboratorio previstas por la Universidad Nacional de Ingeniería para finales de año corroborarán su eficacia.

La incentivación al uso y el acceso a estas cocinas sostenibles por un precio asumible para las familias de las comunidades rurales de Jinotega garantiza unas mejoras impagables en su calidad de vida y abre una puerta al desarrollo y a la igualdad de género antes desconocida.

52

53

8. Referencias

[1] GIARD, L. The practice of everyday life. Volume II: Living and cooking. University of Minnesota Press, 1999. 292 p. ISBN: 0-8166-2877-7

[2] Organización Mundial de la Salud. Energía doméstica y salud: combustibles para una vida mejor. Ginebra: WHO Press, 2007. Prefacio, 4. ISBN: 978-92-4-356316-9

[3] Naciones Unidas. Objetivos de Desarrollo del Milenio Informe 2014. Nueva York: Naciones Unidas, 2014. Capítulo III, 20. ISBN: 978-92-1-101308-5

[4] MEADOWS, D.H. MEADOWS, D.L. RANDERS, J. BEHRENS III, W.W. The limits to growth. A report for The Club of Rome’s Project on the Predicament of Mankind. New York: Universe Books, 1972. 204 p. ISBN: 0-87663-165-0

[5] Naciones Unidas. Objetivos de Desarrollo del Milenio Informe 2014. Nueva York: Naciones Unidas, 2014. Anexo, 56. ISBN: 978-92-1-101308-5

[6] Naciones Unidas. Estado de la población mundial 2014. Nueva York: Fondo de Población de las Naciones Unidas, 2014. Indicadores, 104-115. ISBN: 978-0-89714-979-2

[7] Naciones Unidas. Informe sobre Desarrollo Humano 2014. Washington DC: Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, 2014. Anexos, 19.

[8] Banco Mundial. ¿Qué hemos aprendido del uso de biomasa para cocinar en los hogares de América Central? [en línea]. Washington DC: World Bank, 2012. Resumen, 7.

[9] Banco Mundial. ¿Qué hemos aprendido del uso de biomasa para cocinar en los hogares de América Central? [en línea]. Washington DC: World Bank, 2012. Resumen, 1.

[10] Naciones Unidas. Informe sobre Desarrollo Humano 2014. Washington DC: Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, 2014. Resumen, 4.

[11] Organización Mundial de la Salud. Energía doméstica y salud: combustibles para una vida mejor. Ginebra: WHO Press, 2007. Sección I, 9. ISBN: 978-92-4-356316-9

[12] Organización Mundial de la Salud. Energía doméstica y salud: combustibles para una vida mejor. Ginebra: WHO Press, 2007. Sección I, 8-9. ISBN: 978-92-4-356316-9

[13] Banco Mundial. ¿Qué hemos aprendido del uso de biomasa para cocinar en los hogares de América Central? [en línea]. Washington DC: World Bank, 2012. Capítulo II, 18.

[14] Germanwatch. Global climate risk index 2015. Who suffers most from extreme weather events? Berlin: Germanwatch e.V., 2015. Sección I, 11. ISBN: 978-3-943704-23-5

[15] Proleña. Cocinas mejoradas de Nicaragua. Sistematización y guía técnica. Managua: Génesis, 2013. Antecedentes, 4.

[16] Naciones Unidas. Poverty, health and environment. [en línea]. Washington DC: Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, 2008. Capítulo 1, 14.

[17] Organización Mundial de la Salud. Evaluating household energy and health interventions. Ginebra: WHO Press, 2008. Capítulo II, 4. ISBN: 978-92-4-159691-6

[18] ROBINSON, B. BAUMGARTER, J. Cultivating a demand for clean cookstoves. Science, 2011.

[19] Organización Mundial de la Salud. Energía doméstica y salud: combustibles para una vida mejor. Ginebra: WHO Press, 2007. Sección I, 10. ISBN: 978-92-4-356316-9

[20] Organización Mundial de la Salud. Estadísticas sanitarias mundiales 2014. Ginebra: WHO Press, 2014. Anexos, 166-175. ISBN: 978-92-4-069269-5

[21] Organización Mundial de la Salud. Indoor air pollution and lower respiratory tract infections in children. Ginebra: WHO Press, 2007. ISBN: 978-92-4-159572-8

54

[22] MEHTA, S. SHAHPAR, C. The health benefits of interventions to reduce indoor air pollution from solid fuel use: a cost-effectiveness analysis. Ginebra: WHO Press, 2004.

[23] SMITH, A. The charcoal project. Simple designs to save a live. Massachusetts: MIT Press, 2006.

[24] Banco Mundial. World Development Indicators 2014. Washington DC: World Bank, 2014.

[25] International Energy Agency. CO2 emisions from fuel combustion. Paris: IEA Publications, 2014.

[26] Naciones Unidas. Evaluación de los recursos forestales mundiales 2010. Roma: Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, 2010. Resumen, 14. ISBN: 978-92-5-306654-4

[27] Ministerio de Energía y Minas de Nicaragua. Estrategia Nacional de leña y carbón vegetal de Nicaragua 2011-2021. [en línea] Managua, 2011.

[28] Proleña. Cocinas mejoradas de Nicaragua. Sistematización y guía técnica. Managua: Génesis, 2013. Introducción técnica, 6.

[29] ÇENGEL, Y. Termodinámica. México: McGraw-Hill, 2012. ISBN: 9786071507433.

[30] VAN LOO, S. KOPPEJAN, J. The handbook of biomass combustión and co-firing. Londres: Earthscan, 2010. ISBN: 9781849711043.

[31] MARCOS, F. Biocombustibles sólidos de origen forestal. Madrid: Aenor, 2001.

[32] BALDWIN, S. Biomass stoves. New Jersey: Princeton University, 1987. p. 171-175. ISBN: 0-86619-274-3.

[33] BALDWIN, S. Biomass stoves. New Jersey: Princeton University, 1987. p. 58-63. ISBN: 0-86619-274-3.

[34] BALDWIN, S. Biomass stoves. New Jersey: Princeton University, 1987. p. 31-40. ISBN: 0-86619-274-3.

[35] BALDWIN, S. Biomass stoves. New Jersey: Princeton University, 1987. p. 40-53. ISBN: 0-86619-274-3.

[36] ÇENGEL, Y. Termodinámica. México: McGraw-Hill, 2012. ISBN: 9786071507433.

[37] BALDWIN, S. Biomass stoves. New Jersey: Princeton University, 1987. p. 53-58. ISBN: 0-86619-274-3.

[38] BALDWIN, S. Biomass stoves. New Jersey: Princeton University, 1987. p. 63. ISBN: 0-86619-274-3.

[39] BALDWIN, S. Biomass stoves. New Jersey: Princeton University, 1987. p. 143-160. ISBN: 0-86619-274-3.

[40] BALDWIN, S. Biomass stoves. New Jersey: Princeton University, 1987. p. 152. ISBN: 0-86619-274-3.

[41] International Organization for Standardization. Guidelines for evaluating cookstove performance. ISO IWA 11:2012. Ginebra: ISO, 2012. Disponible en web: http://www.iso.org/iso/catalogue_detail?csnumber=61975

[42] Aprovecho Research Center. Controlled Cooking Test. Oregon: Aprovecho, 2004. Disponible en web: http://www.aprovecho.org/lab/pubs/testing

[43] United States Environmental Protection Agency. Test results of cookstove performance. Washington: EPA, 2014.

[44] BALDWIN, S. Biomass stoves. New Jersey: Princeton University, 1987. p.24. ISBN: 0-86619-274-3.

55

[45] Proleña. Cocinas mejoradas de Nicaragua. Sistematización y guía técnica. Managua: Génesis, 2013.

[46] Ashrae Standards. Ventilation for acceptable indoor ir quality. ANSI/Ashrae 62.1-2007. Atlanta: Ashrae, 2007. ISSN: 1041-2336. Disponible en web: http://www.ashrae.org

[47] Computational Dynamic-Analysis and Design Application Company. STAR-CCM+ 8.06.007. Nueva York: 2013.

[48] Naciones Unidas. Sharing progress son the path to adoption cleaner and more efficient cooking solutions. 2013 Report . Wasington: Global Alliance for Clean Cookstoves, 2013. Disponible en web: http://cleancookstoves.org/resources/285.html

[49] ELIAS, X. Los residuos como combustibles. Madrid: Ediciones Díaz de Santos, 2012. ISBN: 978-84-9969-141-1.

56

Anexo I: Manual para la auto-construcción de un fogón mejorado de adobe

Toda la información relativa al proceso de diseño del modelo de fogón mejorado de adobe, así como sus dimensiones estandarizadas se detallan en el ‘Manual para la auto-construcción de un fogón mejorado de adobe’, disponible en el siguiente enlace:

http://www.colectivozompopo.org/wp-content/uploads/2014/11/Manual_auto_construccion.pdf

57

The authors thank for technical and human support

provided by IZO-SGI (SGIker) of UPV/EHU