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II ENCUENTRO DE INVESTIGADORES AMBIENTALES
Claustro Menor de la Universidad Nacional de San Agustín
Nodo Macroregional Sur - Red Peruana de Investigación Ambiental - RedPeIA
Arequipa, 3, 4 y 5 de julio del 2013
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE COMBUSTION DE UN HORNO TEJERO RECTANGULAR
ARTESANAL DEL CUSCO
1
Chávez Bermúdez Bitia K , Ingeniería química, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Perú
E-mail: [email protected]
Contreras Cornejo Edward José
2,
Ingeniería química, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Perú
E-mail: [email protected]
RESUMEN:
El presente trabajo fue desarrollado en el centro poblado de Piñipampa, distrito de Andahuaylillas,
provincia de Quispicanchis, departamento del Cusco. Se utilizó para el monitoreo de temperatura un
horno tejero rectangular artesanal convencional, un dataloguer con termocuplas tipo k, medidor de flujo
de gases, mediante estos se obtuvo una data, la cual sirvió de para la elaboración de línea base y
posterior validación de la simulación. Mediante el análisis de la línea base se definieron las variables
operativas más importantes a fin de desarrollar el modelo matemático utilizado para la elaboración del
simulador. Con la elaboración de este simulador se pretende estudiar los mecanismos de transferencia
de calor para de esta manera mejorar la eficiencia energética en el proceso de combustión, lo cual se
reflejará en la reducción de la deforestación producto del uso de la leña como combustible principal en
esta actividad, mejora de la calidad del producto, además de reducir la emisión de los gases de efecto
invernadero producto de la combustión incompleta en el proceso de quema.
PALABRAS CLAVES:
eficiencia energética, transferencia de calor, gases de efecto invernadero
Abstract
Key words:
eficiencia energética, heat transfer,
INTRODUCCIÓN
La presencia de suelos arcillosos por la geología del Cusco, hace posible el desarrollo de diferentes
actividades de la industria de los cerámicos (tejas, ladrillos, utilitarios, artesanías, etc)
Los productores tejeros de la localidad de Piñipampa, distrito de Andahuaylillas provincia de
Quispicanchis a 30 km de la carretera Cusco-Urcos, vienen trabajando en esta actividad, constituyéndose
como los principales productores en el rubro en el departamento del Cusco.
El proceso de producción de tejas en estas zonas, es principalmente artesanal, aunque se registran
algunos procesos mecanizados cuyas maquinarias de fabricación local, utilizan tecnologías poco
eficientes. El proceso de producción se inicia con la mezcla de arena, arcilla y agua para el posterior
moldeado, secado y cocción final.
La cocción de tejas se realiza en hornos artesanales haciendo uso de diferentes combustibles
principalmente ramas de eucalipto y aserrín. Las deficiencias en el proceso de combustión coadyuvan al
bajo nivel de eficiencia térmica en el proceso de quema y al incremento de gases de efecto invernadero
producto de la combustión incompleta.
CODIGO: 68-EII4
Una de las herramientas utilizadas en los estudios de transferencia de calor es el uso de software para la
simulación de procesos, lo cual permite desarrollar modelos de combustión eficiente, manejando
coeficientes de transferencia de calor de materiales (conducción, convección, radiación).
Aunque existen numerosos estudios acerca del proceso de combustión en hornos ladrilleros, todos estos
se realizaron utilizando metodologías de prueba- error, con lo cual los periodos de estudio se
prolongaban y por consiguiente los daños al ambiente se han ido incrementando progresivamente.
Se hace necesario entonces, el uso de un software que simule transferencia de calor, el cual permita
manejar variables como la temperatura, tiempo de cocción y flujo de aire a fin de mejorar la combustión,
y con ello encontrar un programa de quema eficiente.
Para la presente investigación se utilizó el método de los elementos finitos, con lo cual pretendemos
simular el proceso de combustión de un horno tejero, a fin de evaluar los mecanismos de transferencia de
calor, lo cual permite desarrollar programas de cocción más eficientes.
RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
1. DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE COCCIÓN ACTUAL
Para obtener la curva de cocción, se procedió a monitorear la temperatura en el horno durante la
quema, utilizando termocuplas tipo K ubicadas en las 4 paredes del horno a una misma altura (1.40
m) con un Datalogger Multi Input Thermometer modelo PCE Instruments. La disposición de las
termocuplas tuvo como finalidad obtener lecturas de diferentes puntos del horno a una misma altura,
los cuales fueron representativos en el presente estudio. Se observó que existe una gran diferencia
de temperaturas en los 4 puntos monitoreados (véase gráfico 1), esto se debe a la carencia de
programas de quema adecuados con los cuales podría lograrse una quema uniforme mejorando la
calidad del producto cerámico.
Figura 1. Disposición de termocuplas de horno tejero artesanal
CODIGO: 68-EII4
Termocupla A
Termocupla B,C,D
T. pared
(°C)
T hogar (°C)
T. pared
(°C)
T cámara
principal (°C)
00:00
5
5
5
5
5
00:45
5
120
5
15.8
5
01:15
10
360
7
19.7
5
01:45
7
256
7
24.4
5
02:15
10
509
10
33.3
5
02:45
12
620
11
45.5
5
03:15
10
756
11
63.5
5
03:45
10
875
10
117.3
5
04:15
10
850
10
177.3
5
04:45
10
748
10
234
8
05:45
10
1030
10
286.2
10
06:15
10
970
10
342.1
10
06:45
10
1050
10
405.6
10
07:15
10
1050
10
460.8
10
07:45
10
1000
10
513.6
10
08:15
10
987
10
560.6
10
10
1005
10
620.7
10
Hora
08:45
Tabla 1. Monitoreo de temperatura Piñipampa
CODIGO: 68-EII4
T ambiente(°C)
Gráfico 1. Curva de temperatura Piñipampa
2. DESARROLLO DEL MODELO MATEMÁTICO
Tomando en cuenta los datos analizados en la línea base y acomodando la simulación al modelo
matemático propuesto, se procedió a dibujar el horno diferenciándolos de acuerdo a las propiedades
de los materiales con los cuales están construidos.
Sistema monodimensional.- Se describe una expresión de conservación de la energía en el nodo
cero, rodeado por los nodos 1 y 2 sin generación interna de calor.
Ec. 1
Donde Uo es la energía interna del nodo
qi es el calor que llega o sale del nodo 0
Ec. 2
Figura 2. Distribución de nodos interiores en un cuerpo sólido
Los términos de conducción se aproximaron mediante diferencias finitas de la ley de Fourier.
Ec. 3
Ec. 4
El aumento de energía interna para el material suponiendo densidad y calor específico
constantes para el material, viene dado por:
=
Ec. 5
Dónde:
AQ es el tiempo transcurrido entre el tiempo J y el nuevo j+1
Para nodos en la frontera el balance de energía es:
Ec. 6
Reemplazando se tiene:
Ec. 7
Despejando la temperatura del nodo superficial se tiene:
Ec.8
Al conocer las temperaturas de las superficies de un cuerpo en un instante dado y la temperatura
del otro nodo que no está en la superficie determina la temperatura del nodo superficial en el
instante posterior.
De esta manera, al realizar el análisis para cada nodo, formará una malla con una gran cantidad
de matrices dependiendo de las distancias internodales, por lo cual el uso de un software para la
simulación simplifica los cálculos sucesivos en matrices.
CODIGO: 68-EII4
3. DESARROLLO DEL SIMULADOR
Se utilizó el programa de simulación COMSOL Multiphysis 4.2a © 1998-2010, COMSOL
multiphysics, and COMSOL Reaction Engineering Lab- COMSOL AB. ACIS Interop Author:
Spatial Corp. La metodología con la que trabaja COMSOL está basada en el método de
elementos finitos (MEF).
De acuerdo a los modelos matematicos desarrollados inicialmente se desarrolló la simulación por
partes
CONDUCCION:
Se simuló conducción en un horno tejero cargado con bloques de teja. Se añadió las
caracteristicas de cada material (horno: construido de piedra en la base y adobe en la parte
superior; tejas: material cerámico)
Se observo el comportamiento de la transferencia de calor en el tiempo.
Figura 3. Transferencia de calor por conducción en horno
CONVECCION:
En esta sección se analizó la simulación del flujo de fluido (aire) en el horno que permitirá una
mejor combustión, con una idea del comportamiento térmico del horno, se procedió a realizar la
simulación del flujo de fluido. Parte esencial del trabajo puesto que permitió conocer la cantidad
de flujo necesario para llevar a cabo una buena combustión en el hogar, determinándose así, el
caudal idóneo de oxígeno a ingresar al horno, el cual permite un mejor aprovechamiento
energético del combustible.
CODIGO: 68-EII4
Figura 4. Transferencia de calor por convección en horno
CONDUCCION-CONVECCION:
Se simuló conducción y convección en un horno tejero cargado con bloques de teja. Se añadió las
características de cada material (horno: construido de piedra en la base y adobe en la parte superior;
tejas: material cerámico)
Se analizó la simulación del flujo de fluido (aire) en flujo laminar.
4. VALIDACION DE LA SIMULACION
Con los resultados obtenidos de la línea base, y del modelamiento matemático se procedió a realizar la
validación de la simulación para determinar la diferencia que existen entre el funcionamiento del
simulador y el sistema real hallándose el factor de corrección. Se encontró que el error entre el simulador
y el modelo real es del 5%.
Temperatura °C Temperatura
°C
Simulador
Modelo real
Hogar
Cámara Principal
Flujo de oxigeno Km/h
Tiempo (horas)
1200
1005
631
621
12
12
6:30
8:45
Tabla 2. Cuadro comparativo simulador- modelo real
De los datos obtenidos podemos observar que si se trabaja en condiciones favorables (reduciendo
perdidas de calor) e incrementando el flujo de oxígeno las temperaturas se incrementarán en el horno, lo
que conlleva menor tiempo de quema.
Sin embargo, las condiciones a las que deberán estar sujetas deben obedecer a la etapa en la cual se
está trabajando: Calentamiento, cochura y enfriamiento.
CONCLUSIONES
Mediante la simulación de procesos de combustión puede manipular variables de proceso, lo cual permite
a los productores y tomadores de decisiones planificar la utilización de recursos de manera eficiente,
reduciendo los gases de efecto invernadero e incrementando la calidad de los productos cerámicos.
CODIGO: 68-EII4
CONCLUSIONES ESPECÍFICAS
 Se realizó el diagnóstico del horno estudiado, el cual fué de naturaleza intermitente, de estructura
rectangular, modelo típico en el área estudiada. Las bases del horno fueron construidas con
piedra de geometría irregular de 0.30-0.40 cm, las paredes de adobe de 0.4x0.7cm, mientras que
los arcos estructurales en el hogar de ladrillo de 0.20x0.10cm. En el horno tejero rectangular
artesanal, se registraron temperaturas máximas de 1100°C y mínimas de 400°C, la eficiencia
calculada del horno fue de 20% lo cual reflejó las pérdidas de temperatura en las paredes.
 Se modeló el proceso de combustión, utilizando coeficientes de transferencia de calor para
conducción y convección de acuerdo a cada material, adobe 880 J/kg°K, piedra 840 J/kg-K,
ladrillo 840 J/kg-K, adobe 1260 W/m-K, piedra 3 W/m-K, ladrillo 0.4 W/m-K, adobe 100
kcal/m2h°K, ladrillo 160 kcal/m2h-K.
 La simulación realizada ha sido validada con el modelo real, teniendo un error del 5%, con el
simulador se ha podido observar que es posible el manejo de ciertas variables a fin de mejorar el
proceso de combustión.
BIBLIOGRAFÍA
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TESIS
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Estadísticas climáticas
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