DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UNA COCINA A LEÑA PARA LA AGRICULTURA FAMILIAR

E. Battista1, S. Justianovich2 y V. Passamai3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)

Instituto de Investigación y Desarrollo Tecnológico para la Agricultura Familiar (INTA IPAF Región Pampeana) - C.P. 1894 – La Plata, Buenos Aires

Tel. 0261-4288797 – e-mail: ipafregpamp@correo.inta.gov.ar

Recibido 07/09/15, aceptado 09/10/15

RESUMEN: En este trabajo se presenta el diseño y construcción de una cocina a leña para la cocción de alimentos en olla, con el objetivo de mejorar la eficiencia de la combustión y las condiciones de uso respecto de braseros y fogones abiertos, dispositivos muy utilizados en el medio rural. El dimensionamiento del artefacto se realizó en base a los requerimientos energéticos necesarios para una olla estándar de 9,5 litros. Se retomaron aspectos constructivos presentes en un brasero tipo rocket, calculando el exceso de aire necesario y volumen de la cámara de combustión. A partir del ensayo de agua hirviendo (“water boiling test”, WBT), se comparó el rendimiento de la cocina con un fogón abierto, obteniendo potencias del orden de 157 kW y un rendimiento del 37%. Palabras clave: cocina mejorada, leña, agricultura familiar. INTRODUCCIÓN El uso de leña para satisfacer demandas energéticas como la cocción de alimentos, calefacción y agua caliente, está extendido en todo el mundo. A pesar del avance de la electrificación y acceso a otras fuentes convencionales de energía, como el gas natural, se estima que más de tres mil millones de personas aun quema algún tipo de combustible en sus viviendas (Rehfuess, 2007). Sólo en América Central veinte millones de personas cocinan con biomasa (Wang, et al., s/a). En nuestro país la extracción de leña y su relación con la variedad de usos energéticos se encuentra subestimada. Esto se debe a que no todas las provincias suscriben a la ley 25.080 de promoción forestal y, al no contar con registros sobre el consumo tanto a nivel doméstico e industrial, el mercado de la leña se constituye como un mercado mayoritariamente informal. En Argentina el 9% de la población (casi 3.780.000 habitantes) vive en el espacio rural (Censo Nacional de Población, Hogares y Vivienda, 2010). Estas cifras se corresponden con la cantidad de productores agrupados bajo el concepto de Agricultura Familiar, definida como una “forma de vida” y “cuestión cultural”, donde el trabajo, la gestión de la unidad productiva y las inversiones en ella son realizadas por individuos que mantienen entre sí lazos de familia (FoNAF, 2007). Del total de la energía utilizada en estas viviendas, el casi el 54% corresponde al calentamiento de agua para higiene personal y la cocción de alimentos (Bravo, 2005). Es por ello que el desarrollo de artefactos para estos fines energéticos resulta prioritario. Existen en el mundo más de cien tipos de estufas tradicionales y mejoradas, en donde los principios constructivos están guiados por dos parámetros principales: la eficiencia en la combustión para disminuir el consumo de biomasa y la reducción de la contaminación al ambiente que ocasiona problemas de salud en los usuarios (Westhoff y Germann, 1995). Cerca de veinte estufas mejoradas de biomasa han sido probadas y difundidas en América Central. Estas estufas que queman leña y otros tipos de biomasa como carbón, tienen usos variados y múltiples como calentar agua, cocinar alimentos 1 Becaria CONICET 2 � Investigador INTA – IPAF Pampeana 3 Investigador de la Facultad de Ciencias Exactas, UNSa, INENCO-CONICET

ASADES Acta de la XXXVIII Reunión de Trabajo de la Asociación

Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 3, pp. 06.97-06.106, 2015. Impreso en la Argentina.

ISBN 978-987-29873-0-5

06.97

y secar ropa, entre otros. (Wang, et al., 2014). Argentina también tiene registro de experiencias similares con la fabricación de estufas como el caso de la estufa-horno multifunción Ñuke (Garófalo y Brillarelli, 2006) y la estufa de masa térmica SARA (Nanami, et al., 2014). En materia de cocción de alimentos, el INTA recopiló cuatro modelos de cocinas diseñadas para su autoconstrucción, poniendo en valor el diálogo de saberes entre productores familiares y técnicos (Stahringer y Cardozo, 2012). Sin embargo, el desarrollo y ensayo de dispositivos específicos para cocción de alimentos es aún incipiente y requiere de un estudio detallado. Como se señaló anteriormente las funciones de calefacción y cocción pueden convivir en un mismo artefacto. Pero debido a la amplitud de climas que presenta nuestro país, es necesario hacer una distinción por tipo de dispositivo y función, ya que las estufas de masa térmica resultan más adecuadas para calefaccionar y cocinar en zonas frías. Esto se debe a los materiales con los que son construidas (como ladrillos, mampostería, etc.) que acumulan una gran cantidad de calor y lo entregan al ambiente de manera estable aun después de haber sido apagadas (Nanami, et al, 2014). En zonas templadas como la región pampeana los requerimientos para calefaccionar viviendas son estacionales, por lo que poner en régimen una cocina de masa térmica resultaría poco económico e ineficiente. A su vez, cuando el objetivo es la cocción de alimentos o el calentamiento de agua, son otros los requerimientos. En este caso no sólo se necesita una combustión eficiente sino una óptima transferencia de calor desde la cámara de combustión hacia el recipiente contenedor, evitando pérdidas de calor al ambiente y por acumulación en el propio dispositivo (Baldwin, 1987). En estudios anteriores se señaló la importancia de abordar la temática de la eficiencia energética para la agricultura familiar (Battista, et al., 2014). Es por eso que teniendo en cuenta los antecedentes de cocinas se procedió a indagar sobre las prácticas de los agricultores a la hora de cocinar alimentos. Cuando el gas de garrafa es inviable debido a su alto precio o dificultad de acceso, en las zonas rurales la cocción de alimentos y calentamiento de agua muchas veces se realiza a leña, fuera de las viviendas en espacios semicubiertos. Las figuras 1 y 2 muestran las condiciones y artefactos utilizados por productores familiares en un predio del Parque Pereyra Iraola de la ciudad de La Plata, provincia de Buenos Aires. El uso de leña en fogones abiertos o braseros fabricados artesanalmente son las opciones más difundidas. En ambos casos, la existencia de una trayectoria socio-técnica (Thomas, 2010) permite pensar en el desarrollo de cocinas a leña eficientes como opción viable para mejorar la calidad de vida en el medio rural.

Figura 1: Fogón abierto. Figura 2: Brasero artesanal. ANTECEDENTES ESTUDIADOS Y MEDIDOS Se tomó como antecedente un “brasero optimizado” fabricado en Salta (Figuras 3 y 4). Este brasero fue introducido por Tom Lawand del Brace Research Institute (Giroux, et al., 199) y se encuentra específicamente diseñado para una olla de 9,5 litros de capacidad. Presenta mejoras respecto a un fogón abierto tradicional, ya que sus paredes conducen los humos calientes, producto de la combustión, hacia el perímetro de la olla, previo a ser expulsados al aire. Varios autores señalan que esta morfología, que mantiene un canal entre la pared de la olla y la del brasero, puede lograr mejoras en la eficiencia de la transferencia de calor de hasta un 50% (Stahringer y Cardozo, 2012; Bryden, et

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al., 2002; Baldwin, 1987). Si bien el dispositivo estudiado mejora la eficiencia respecto del uso de un brasero abierto, su diseño presenta algunas dificultades. En primer lugar, al no contar con una salida de humos segura, sólo es recomendado para uso exterior. A su vez, si se utiliza en el piso, su altura total de 42 centímetros trae aparejados muchos problemas en el manejo de la leña y encendido del fuego. Tampoco cuenta con un recipiente contenedor de cenizas, lo que atenta contra la limpieza del lugar de emplazamiento.

Figura 3: Brasero optimizado. Figura 4: Esquema del brasero y conducción de humos

Un par de experiencias preliminares, realizadas en Salta, donde el agua hierve a 95,5-96°C, para llevar a ebullición 5 L de agua, tanto al aire libre, como dentro del brasero optimizado, indicaron una diferencia en tiempo para realizar el proceso de casi 50 minutos a favor del sistema cerrado. Esto se observa en la Figura 5, donde se muestra que para hervir el agua con fuego al aire libre el sistema demoró 74 minutos (flecha A), mientras que dentro del brasero se logró en 28 minutos (flecha B).

Figura 5: Curvas experimentales T(°C) vs. Tiempo (min) para la ebullición de agua.

La cantidad de leña usada en uno y otro caso fue igualmente diferente: 0,5 kg para el brasero optimizado mientras que para la ebullición a fuego abierto fueron necesarios 1,5 kg de la misma madera.

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DIMENSIONAMIENTO Y TRATAMIENTO DE LA COMBUSTIÓN Aire disponible Para determinar el tamaño de la cámara de combustión, se tomó como referencia aire seco, conteniendo O2, N2, Ar y pequeñas cantidades de CO2, Ne, He e H2. Como un parámetro importante en un proceso de combustión, se toma también la relación aire-combustible, definida como el cociente entre la masa Ma del aire y la masa Ml del combustible (Çengel y Boles 2009):

AC = Ma /Ml (1) Cuando además se cumple que todos los componentes combustibles presentes en la leña se queman completamente, se habla de combustión estequiométrica o teórica (Çengel y Boles, 2009). Como se sabe que en los procesos de combustión reales el aire mínimo o aire estequiométrico resulta insuficiente, se optó por trabajar con exceso de aire con una relación AC= 6/1 (Del Fresno, 1974). Se midió el volumen de la cámara de combustión del brasero optimizado de la Figura 3, que responde al tamaño de la leña, facilitando su manejo y suministro durante el uso, dando por resultado: Volumen cámara = 12,5 cm × 19,5 cm × 15 cm = 3656,3 cm³ = 3,66 × 10−3 m³ (2)

Tomando la densidad del aire ρ = 1,16 kg/m³, se determinó la cantidad Ma del mismo que ocupa el volumen anterior de la cámara de combustión: Ma = 1,16 × 3,66 × 10−3 = 4,24 × 10−3 kg (3)

En el análisis de procesos de combustión, el Ar se trata como N2, mientras que los gases restantes que existen en pequeñas proporciones, se descartan. De esta manera el aire seco se considera compuesto por 21 % de O2 y 79 % de N2 en números molares (Çengel y Boles 2009). Este porcentaje puede expresarse en términos de unidades de oxígeno (UO2), de nitrógeno (UN2) y de aire (Uaire). Por conservación de la masa, vale que: MO2 + MN2 = Ma y, por los porcentajes anteriores, equivale a decir que: 21 UO2 + 79 UN2

= 100 Ua. Dividiendo miembro a miembro por 100 y por 21, resulta:

1UO2 + 0,79/0,21 UN2 = 1/0,21 Ua (4)

Como 0,79/0,21=3,7619 y 1/0,21=4,7619:

1UO2 + 3,76 UN2 = 4,76 Ua

Expresado en moles: 1 molO2 + 3,76 molesN2 = 4,76 molesa (5)

O sea, finalmente:

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O2 + 3,76 N2 = 4,76 AIRE

Caso en que el combustible es madera Tomando como componente básico de la madera a la celulosa (C6H10O5), se puede calcular que la ecuación básica de su combustión es:

C6H10O5 + 6 (O2 + 3,76N2) = 6 CO2 + 5 H2O + 22,56 N2 (6)

Igual que antes, vale la conservación de la masa:

mcelulosa + ma = mCO2 + mH2O + mN2

Con el dato calculado para la masa de aire dado por la ecuación (3), se obtiene:

maire

6(O2+3,76 N2)=

mcelulosaC6H10O5

=mCO26CO2

=mH2O5H2O

=m N2

22,56 N2 (7)

Y de la (7), tomando los símbolos químicos como equivalentes a sus masas moleculares, se pueden calcular las masas de celulosa, dióxido de carbono, agua y nitrógeno intervinientes en (6):

mcelulosa = C6H10O5 ma/[6(O2 + 3,76N2)] = 8,34.10-4 kg

mCO2= 6CO2 × ma/[6(O2+3,76N2)] = 1,3594.10-4 kg

mH2O= 5H20 × ma/[6(02+3,76N2)] = 4,6343.10-4 kg

mN2= 22,56 N2 × ma/[6(02+3,76N2)] = 3,2527.10-3 kg

Por último, la relación AC puede expresarse de manera equivalente para 1 kg de celulosa, a través de la proporcionalidad:

1kg/8,34.10-4 = ma/4,24.10-3 (8)

De esta manera la masa de aire consumida es:

ma = 1kg/8,34.10-4 × 4,2413.10-3 = 5,1 kg (9)

Finalmente la relación AC quedó definida en 1/5, es decir, 1 kg de combustible por 5 kg de aire, aproximadamente. DISEÑO DEL NUEVO BRASERO-COCINA

06.101

El diseño de la nueva cocina retoma el principio de funcionamiento del brasero y se adapta al uso en espacios cerrados incorporando una salida o tiraje a través de una tubería de 100 mm de diámetro. Se respetaron las alturas de trabajo recomendadas por la bibliografía (Panero y Zelnik, 1987) y se optó para su fabricación por una pared doble de acero de 1,2 mm de espesor. La doble pared aprovecha el aire como aislante, mientras que el acero no retiene el calor generado por la combustión de la leña y permite su dirección a la olla (Baldwin, 1987). La transferencia de calor hacia la olla cuyo volumen es de 9,5 litros, se da principalmente por radiación debido a que el fuego se encuentra en contacto directo con el recipiente; y por convección, por la circulación de los humos calientes que lamen las paredes de la cocina. Véanse las figuras 6 y 7.

El tamaño de la olla se mantuvo ya que responde a un volumen estándar para una comida típica como guisos, fideos, etc. Teniendo en cuenta lo anterior, se calculó la cantidad de calor requerido para llevar a ebullición 5 litros de agua, a través de la fórmula:

Q = m Cp ∆T (10)

Q = 5 × 4,19 × 85

Q = 1780,75 kJ Donde: Q= cantidad de calor que absorbe el agua m = masa de agua = 5 [kg] Cp = calor específico del agua [kJ/kg °C] ∆T = diferencial de temperatura con la de ebullición, para una temperatura inicial de 15 °C

Con los datos de la fórmula (10), se procedió a calcular la cantidad de leña teórica requerida. Se seleccionó madera de eucalipto colorado ya que es una de las especies disponible en la región y por sus características desprende llama en su combustión con un poder calorífico inferior de 15.412 kJ/kg (Camps Michelena y Martín, 2002). Esto indica una cantidad de 0,115 kg de leña necesaria para hervir los 5 kg de masa de agua. MÉTODO DE MEDICIÓN A los fines de obtener datos sobre el rendimiento de la cocina se utilizó el protocolo elaborado por la Universidad de California-Berkeley denominado Water Boiling Test (WBT por sus siglas en inglés) (Bailis R. et al., 2014). Este ensayo es uno de los más utilizados ya que consiste en una simulación simple del proceso de cocción que permite medir la eficiencia de una cocina en términos de la cantidad de combustible utilizado para calentar agua en una olla. A su vez contempla la cantidad de

Figura 7: detalle del interior Figura 6: vista completa de la cocina

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emisiones producidas durante el proceso de combustión. En este trabajo sólo se procedió a obtener datos sobre el combustible utilizado, como insumo preliminar para posteriores adaptaciones de la cocina diseñada. El ensayo WBT permite comparar diferentes dispositivos y, a los fines de obtener parámetros de referencia, se realizaron mediciones paralelas en un fogón abierto, con el brasero optimizado y con la cocina diseñada y construida. Esta metodología fue empleada en estudios anteriores para una cocina fabricada en barro, obteniendo datos sobre mejoras en la eficiencia del consumo respecto a un fogón abierto del orden del 20% (Mas, et. al., 2013). La prueba consta de tres instancias de medición: 1) WBT inicial en frío y de alta potencia: llevando a ebullición 5 litros de agua con la cocina en frío, de la manera más rápida posible; 2) WBT en inicio caliente y de alta potencia: se repite la prueba anterior pero con la estufa precalentada; 3) WBT cocción a fuego lento y baja potencia: se mantiene el agua llevada a ebullición en la prueba anterior por 45 minutos, en un rango de variación máximo de temperatura del orden de los +/- 3 °C y con un uso mínimo de combustible. Esta última prueba de baja potencia pretende simular el proceso de cocción de una comida típica. Para la medición de datos de temperatura del agua en el interior de la olla se utilizó un multímetro marca “UNI-T” modelo UT55. Para pesar la leña utilizada y el carbón remanente se empleó una balanza electrónica digital marca “Trébol”, con capacidad máxima de 60 kg, mínima de 0,1 kg y precisión de 5 gr. Para dar inicio a las pruebas uno de los requisitos del WBT es conocer el porcentaje de humedad de la leña empleada. Esto se determinó tomando muestras de la leña y secándolas por 24 horas a 105 °C. (Camps Michelena y Martín, 2002) Para ello se empleó una estufa marca “SAN-JOR” modelo SL30S con un rango de temperatura de 30-200 °C. RESULTADOS La prueba se realizó a fuego abierto y en la cocina mejorada. En el caso del fuego abierto, la prueba de alta potencia en caliente no se llevó a cabo ya que sólo se recomienda en cocinas, considerando una posible mejora en el rendimiento gracias al calor acumulado en la primera etapa. Se determinó el contenido de humedad de la fórmula: H=100(1-Peso inicial/Peso final) [%] (11) En la madera utilizada, el porcentaje alcanzó un 17% , resultado óptimo para proceder con el ensayo que recomienda la realización de pruebas con un rango de humedad entre el 10-20% (Brailis, et al., 2014). De la ecuación (10) se obtuvo que la energía necesaria para hervir los 5 kg de agua era 1780,75 kJ, equivalente a 0,115 kg de leña. Con los datos reales de consumo se obtiene la energía total liberada: 15412 × 0,45 = 5394, 2 kJ/kg (12) Siendo 0,45 kg la cantidad de leña utilizada en la cocina para la fase de alta potencia en frío. Se calculó el rendimiento global, a través de la formula PHU (porcentaje de calor utilizado en inglés) (Baldwin, 1987; Mas, et al., 2013):

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PHU = 100 (4,19.5,02.85+2260.0,26)/(0,45.15412-0,03.15412) [%] (13) Donde: 4,19 calor específico agua [kJ/kg °C] 5,02 masa inicial de agua [kg] 85 ∆T (°C) 2260 calor latente de vaporización del agua [kJ/kg °C] 0,26 cantidad de agua evaportada [kg] 0,45 leña utilizada [kg] 15412 poder calorífico leña [kJ/kg] 0,03 carbón remanente dentro de la cámara de combustión [kg] Finalmente, se calculó la potencia del sistema: P = (0,45.15412-0,03.15412)/41 =157 kW (14)

Donde: 0,03 = carbón remanente [kg] 41= tiempo del proceso de ebullición [min] En la tabla 1 se exponen los principales resultados de las pruebas para los dos sistemas estudiados:

Fuego abierto Cocina Mejorada

Cocina mejorada

Alta potencia Frío

Alta Potencia Caliente

Baja Potencia Alta Potencia Frío

Alta potencia caliente

Baja Potencia

Tiempo para la ebullición (min)

75 - 45 41 38 45

Cantidad de leña utilizada (kg)

1,5 - - 0,45 0,4 0,3

Agua evaporada (kg)

0,45 - - 0,26 0,24 0,45

Carbón remanente (kg)

0,05 - - 0,03 0,03 0,03

Tasa de consumo (kg/h)

1,2 - - 0,68 0,6 0,53

Potencia (kw/min) 293 - - 157 150 92 Eficiencia térmica

(%) 12,5 - - 37 41 -*

Tabla 1: principales datos obtenidos en cada una de las fases del WBT para el fogón abierto y la cocina diseñada. *No se aconseja calcular ya que en esta fase la temperatura es constante.

CONCLUSIONES De las experiencias preliminares (Figura 5), realizadas a cielo abierto y con brasero a leña, se obtiene una notable diferencia tanto en el tiempo empleado para hervir una misma cantidad de agua como en el consumo de leña o madera.

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De la Tabla 1 se desprenden los siguientes datos: la cocina diseñada presenta una mejora de casi el 25% respecto del fogón abierto, utilizando sólo el 30% de la leña requerida por el fogón. Para el caso de la cocina, la diferencia en los valores de las fases de alta potencia en frío y en caliente es ínfima, debido a los materiales con los que se encuentra construida. El diseño propuesto es una primera aproximación que permite verificar el dimensionamiento teórico realizado, siendo un insumo para calcular el tamaño de otros dispositivos según los requerimientos energéticos de cada caso. Finalmente, la incorporación de un tiraje posibilita el uso en el interior de las viviendas, evitando la contaminación del aire interior. Su peso liviano cercano a los 30 kg lo convierte en un producto liviano, fácil de transportar y adaptar según las necesidades de los usuarios, ya sea para uso doméstico o productivo. Para completar el ensayo propuesto se prevé el análisis de los gases producidos por la combustión, conocer el nivel de concentración de CO2 y la calidad de la combustión del dispositivo. REFERENCIAS Bailis R., MacCarty, N., Ogle, D. y Still, D. (2014). The Water Boiling Test (WBT) Version 4.2.3.

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ABSTRACT: This paper presents the design and construction of a wood cook stove for cooking food in a pot. The stove improves combustion efficiency and conditions of use compared to open fires and braziers, which are widely used in rural places. The size of the device is determined based on the energy requirements for a standard 9.5 liter pot. Constructive aspects present in the rocket type brazier were taken into account. The excess of air mass needed and the volume of the combustion chamber were calculated. Using "water boiling test", WBT, the performance of the oven was compared with an open air fire, obtaining powers of the order of 157 kW and a yield of 37%. Keywords: improved cookstove, firewood, farming families.

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