Mejoramiento del desempeño de un recuperador de calor a condensación para combustión de biomasa a escala domiciliaria.

Abstract

El consumo de los combustibles derivados de la madera tiene un extendido uso como fuente de energía para cocinar y mayormente para calefacción, en casi 2 millones de hogares del país. Si bien la biomasa es una forma aceptada de energía renovable y se considera un medio para ayudar a reducir el calentamiento global, tiene efectos adversos En 2019, la combustión a leña fue responsable del 65,9% de las emisiones de material particulado MP 2,5, la cual afecta la salud de personas y animales, daña la vegetación y el suelo, deteriora materiales, reduce la visibilidad y contribuye significativamente al cambio climático de manera negativa. Se propone una manera eficiente de realizar el proceso de combustión para calefacción domiciliaria mediante la incorporación de un intercambiador de calor a condensación (llamado comúnmente termocañón) en conjunto con un equipo reductor de material particulado al sistema de evacuación de gases de una cocina a leña convencional. Se caracteriza su comportamiento mediante pruebas bajo condiciones de operación controladas en un banco de ensayos, obteniendo así variables de entrada para confeccionar y validar un modelo CFD basado en estos resultados experimentales. En base al análisis del desempeño del intercambiador de calor convencional mediante CFD, se proponen mejoras a su geometría, las cuales consisten en aumentar la cantidad de pasos de los gases de combustión, disminuir el diámetro del cañón y adicionar generadores de turbulencia. Estas mejoras se evalúan en dos prototipos de intercambiadores de calor a condensación, que se diferencian únicamente en que uno de ellos incluye generadores de turbulencia adheridos en la placa separadora con dirección al paso 1. Así, se evalúa el desempeño de los prototipos utilizando las condiciones de borde derivadas del ensayo de caracterización y se compara con el desempeño del caso base. Las modificaciones geométricas produjeron un aumento significativo en variables de interés para el desempeño del equipo al compararse con el caso base. Lo anterior se demuestra en el aumento de 68% en la intensidad turbulenta, 57% en la velocidad, duplicar el tiempo de residencia de los gases de combustión y el aumento de 96% en la tasa de transferencia de calor. El modelo que contiene la adición de generadores de turbulencia presenta el mejor desempeño de los tres equipos, obteniendo la mayor tasa de transferencia de calor igual a 3,5 kW, lo que produce una disminución en la temperatura de los gases de combustión igual a 62% y un aumento en la temperatura de salida del agua igual a un 53% comparado con el caso base. Si bien este modelo obtiene el mejor desempeño, se debe evaluar el costo de fabricación y mantención que conlleva su fabricación, puesto que, entre él y el modelo sin GT, la diferencia de rendimiento puede no justificar la dificultad en la fabricación y posterior mantenimiento del equipo.