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Autores: Nicolás Di Ruscio¹, P. Bertinat.
Observatorio de Energía y Sustentabilidad, Departamento Ingeniería Eléctrica, Facultad Regional Rosario, Universidad Tecnológica Nacional, Zeballos 1341 CP 2000 – Rosario, Santa Fe – Tel. 0341-4484909 int. 181

e-mail: nicolasdr@live.com

RESUMEN: El presente trabajo tiene como objetivo analizar el desempeño de una Estufa Rocket empleando leña dura y leña blanda. El modelo ensayado tiene una cámara de combustión en L, con campana japonesa y se la alimentó con quebracho colorado, álamo blanco y pino. Se realizaron mediciones de temperaturas ambiente, en diversas zonas de la cámara de combustión, en los ductos de gases y otras variables meteorológicas. Para evaluar la temperatura superficial de la envolvente se efectuaron ensayos termográficos.

Palabras clave: Estufa Rocket, estufa de alta eficiencia, biomasa, leña, termografía infrarroja.

INTRODUCCIÓN

En el área dedicada a la energía de biomasa del Observatorio de Energía y Sustentabilidad, dentro del uso eficiente de la energía en el hogar, se ha realizado el desarrollo e investigación de estufas a leña de alta eficiencia con el fin de alcanzar un aprovechamiento más racional y eficiente de los recursos naturales y económicos; y su aplicación para el confort térmico de viviendas. En particular se han estudiado las denominadas “estufas Rocket de masa térmica”, difundidas considerablemente en la Patagonia andina y zona centro-litoral del país en la última década (Tognetti y González, 2014). Este trabajo es continuación del análisis de cámaras de combustión en estufas Rocket, realizado mediante  ladrillos refractarios.

En este caso se estudia el desempeño térmico, tanto interno como externo, de una estufa Rocket alimentada con leña dura de quebracho colorado (utilizada en salamandras en el sur de la provincia de Santa Fe) y leña blanda de álamo blanco y pino (restos de carpinterías de la localidad).

 

METODOLOGÍA DE TRABAJO.

 Análisis interno de la estufa Rocket.

Se estudió el comportamiento térmico interno del sistema de calefacción, tomando mediciones en distintos sectores de la cámara primaria de combustión, la cámara secundaria y ductos de gases calientes. Para ello se utilizaron sensores de temperatura colocados en vainas térmicas (“termovainas”) instaladas en la estufa en el momento de su construcción.

Análisis externo de la Estufa Rocket.

Por medio de termografía infrarroja de onda larga, se observó el desempeño térmico de la envolvente externa de mampostería de la estufa y del ducto de gases calientes, productos gaseosos de la combustión hacia el exterior.

Equipamiento empleado.

Las mediciones se realizaron mediante el equipamiento que se describe a continuación:

• Adquisidor de datos Novus Field Logger con 3 termocuplas tipo K y 2 termorresistencias tipo PT100.
• Estación meteorológica HP1000 con sensores de temperatura, humedad interna y externa, radiación solar y UV, barómetro, pluviómetro y anemómetro con veleta.
• Cámara termográfica FLUKE Ti105 y CAT S60 FLIR.
• Balanza comercial.

 Análisis computacional.

Además, para profundizar el estudio del comportamiento térmico de los materiales empleados, se hizo uso de termografía infrarroja y análisis por software (IR Vision, Fluke Corporation; Field Chart, Novus).

Figura  1: Cámara termográfica, estación meteorológica y adquisidor de datos.

También se obtuvo información bibliográfica impresa y digital sobre estufas Rocket de masa (Van den Berg, 2012; Evans y Jackson 2006), con el fin de abarcar las peculiaridades de esta clase de estufas.

CONDICIONES DE ENSAYO.

Estufa Rocket Analizada.

Se trata de una Estufa Rocket BBR6” (Van den Berg, 2012) con cámara horizontal realizada con ladrillos refractarios de 23cm x 5,5cm x 11cm, con carga externa, campana tipo japonesa, con mampostería de ladrillo colorado común, horno intermedio, 3 metros de zócalo radiante construido con ladrillos colorados comunes y un ducto de gases de chapa galvanizada de 0,5 mm y 6” de diámetro con una longitud total de 11 metros.

El ambiente donde se localiza la estufa es una pequeña industria textil, en el sur de la provincia de Santa Fe, que cuenta con un galpón de 9m´10m, con una altura de 4,2m, paredes de 30cm de ladrillo colorado y techo de fibrocemento.

Debido a la necesidad de máxima seguridad frente a la presencia de llama, chispas o focos calientes, al manipular y almacenar telas para confección de vestimenta (material altamente inflamable), tanto la leña como el aire primario de combustión ingresan desde el exterior de la edificación.

La estufa Rocket cuenta ya con dos años y medio de uso. El galpón se calefaccionaba anteriormente con una salamandra y estufas eléctricas.

      Figura  2: De izquierda a derecha: Modelo 3D de la cámara L, cuerpo principal y campana;  cañería de salida.

Combustible empleado.

Como se mencionó antes, la leña dura disponible para realizar la prueba era quebracho colorado. El mismo estuvo estacionado durante 4 meses y, al momento de realizar el encendido de la estufa, se encontraba humedecida superficialmente, debido a que se encontraba a la intemperie. Por este motivo se cortó en pedazos pequeños, empleándose kerosene blanco para ayudar el encendido.

Con respecto a la leña blanda, se emplearon restos provenientes de carpinterías: álamo blanco (estacionado 4 años y muy bajo porcentaje de humedad) y pino.

Se alimentó la estufa con ambos tipos de leña, preparándose lotes de 2,5 kg y 5 kg, aproximadamente. También se utilizó cartón corrugado para ayudar en el encendido.

Condiciones climáticas.

Durante el primer ensayo, la temperatura ambiente externa (y por consiguiente la del aire de entrada para la combustión) oscilaba alrededor de los 11°C mientras que la humedad relativa ambiente se mantuvo entre 97% y 99%. El aire se mantuvo calmo y la presión atmosférica en torno de los 1006 HPa.

Figura  3: Condiciones meteorológicas durante el ensayo con leña dura.

Durante el segundo día de pruebas, la temperatura ambiente externa varió entre 9 y 14°C mientras que la humedad relativa se mantuvo alrededor del 80%. Al igual que en el caso anterior, el aire se mantuvo calmo y la presión atmosférica en el orden de los 1008 HPa.

Figura  4: Condiciones meteorológicas durante el ensayo con leña blanda.

 Puntos de medición.

Se dispusieron un total de 5 puntos de medición distribuidos como se detalla a continuación:

• T1: termocupla tipo K (aleación de Ni-Cr y de Ni-Al; rango (–200°C,1372°C) y una sensibilidad de 41 µV/°C). Ubicada en el techo de la cámara de combustión primaria.
• T2: termocupla tipo K. Ubicada en el comienzo de la cámara de combustión secundaria (torreta).
• T3: termocupla tipo K. Ubicada en la zona superior de la cámara de combustión secundaria (torreta).
• Campana: Pt100 (RTD, de platino, con R=100 Ω a 0 °C). Ubicada dentro del volumen de la campana superior.
• Entrada Caño: Pt100. Ubicada al inicio de la cañería galvanizada de 6”.
• Salida Caño: Pt100. Ubicada al final de la cañería galvanizada de 6”, antes de salir al exterior.
• Ambiente: Pt100. Ubicada 40cm por sobre la campana de mampostería.

Figura  5: Puntos de medición en las cámaras de combustión primaria y secundaria.

Figura  6: Localización de puntos de medición en cámara, campana y cañería.

RESULTADOS

 Ensayo de calentamiento con leña dura: La carga de leña se efectuó de acuerdo a lo registrado en la tabla 1:

Tabla 1: Secuencia de alimentación de leña.

Se registraron las temperaturas que se detallan a continuación:

Gráfica 1: Curvas de calentamiento de la Estufa Rocket con leña dura.

En la Gráfica 1 puede observarse que luego de cada carga de biomasa humedecida, disminuye notablemente la temperatura en las cámaras de combustión 1ª y 2ª, demorando una media de 35 minutos en recuperar la temperatura inicial.

Las estufas Rocket se caracterizan por combustionar en la cámara secundaria el gas producto de la microgasificación de madera que tiene lugar a temperaturas elevadas. Este fenómeno se ve acentuado cuando se superan los 500-600°C en la cámara de combustión primaria.

Es por ello que se visualiza en las zonas A y B de la Gráfica 1 que las temperaturas en las zonas superior (T3) e inferior (T2) de la cámara secundaria superan el valor de (T1). Esta particularidad de microgasificación solamente se sostiene un breve tiempo. En la región B se debe principalmente a la incorporación de tela y cartón como combustibles de llama instantánea.

Durante este último período de elevada temperatura se registraron las temperaturas máximas que se muestran en la Tabla 2:
Tabla 2: Temperaturas máximas registradas.

Figura 7: Imagen termográfica de la envolvente inmediatamente después del último pico térmico.

En la Figura 7(izquierda) se distingue una zona saturada en color rojo oscuro, correspondiente a una temperatura de la plancha metálica superior o igual a 150°C.

De acuerdo a la escala gráfica para temperaturas superiores a 60°C, Figura 7(derecha), se resaltan las áreas donde existe riesgo de quemaduras por contacto directo.

También se visualizan puntos calientes en los lugares donde se encuentran las termovainas de cobre que alojan a los sensores de temperatura utilizados en el ensayo.

Ensayo de enfriamiento con leña dura.

Durante el período de enfriamiento no se incorporó nueva leña; el único aporte térmico fue el debido a la presencia de brasas.

Gráfica 2: Curvas de enfriamiento de la Estufa Rocket con leña dura.

En la Gráfica 2 se visualiza un leve aumento de temperatura en las zonas C, D, E y F. Ello se debe a la remoción de las brasas restantes que en ese momento se encienden ligeramente. También se indica con una línea vertical de trazo discontinuo el momento a partir del cual ya se ha consumido toda la leña y solamente hay ceniza. A partir de ese momento, se observa la disminución de la temperatura en la cámara primaria (T1) por debajo de (T2).

Se realizó una aproximación exponencial para (T1) obteniendo como resultado:

T = 494,97 . e ^-0,00135.t

Donde:

            T = temperatura

            t = tiempo en horas

 Ensayo de calentamiento con leña blanda.

La carga de leña se efectuó de acuerdo a lo registrado en la tabla 3:

Tabla 3: Secuencia de alimentación de leña blanda.

Se registraron las temperaturas que se detallan a continuación:

Gráfica 3: Curvas de calentamiento de la Estufa Rocket con leña blanda.

En la Gráfica 3 se visualiza que el tiempo en alcanzar el pico de temperatura luego de la incorporación del combustible es menor que la mitad con leña blanda (10 a 15 minutos) respecto a la leña dura (30 a 35 minutos).

Se observa en las zonas G, H e I de la Gráfica 3 que las temperaturas en las zonas superior (T3) e inferior (T2) de la cámara secundaria superan el valor de (T1). Este fenómeno se ve mucho más acentuado en la región I debido probablemente a la incorporación de un lote de leña mayor (4,9 kg).

También se ha notado emisión de gases grisáceos durante el período I, lo cual lleva a suponer que había faltante de oxígeno para realizar la combustión completa.

En el transcurso de este último período de elevada temperatura se registraron las temperaturas máximas que se muestran en la Tabla 4:

Tabla 4: Temperaturas máximas registradas.

Figura  8: Imagen termográfica de la envolvente inmediatamente después del último pico térmico.

El mapa térmico de la Figura 8 (izquierda) se asemeja en rango y alcance térmico al de la Figura 7 (izquierda); pero se diferencia en cuanto a que la temperatura máxima alcanzada en la plancha metálica es de 120°C.

Por otro lado se observa en la Figura 8(derecha), que las áreas donde existe riesgo de quemaduras por contacto directo son similares en forma y extensión a las de la Figura 7(derecha).

Ensayo de enfriamiento con leña blanda.

En el tiempo de enfriamiento no se incorporó nueva leña; el único aporte térmico es el debido a la presencia de brasas.

Gráfica 4: Curvas de enfriamiento de la Estufa Rocket con leña blanda.

En la Gráfica 4 se registra un leve aumento de temperatura en las zona J debido a la remoción de las brasas restantes. Se indica con una línea vertical de trazo discontinuo el momento a partir del cual ya se ha consumido la totalidad de las brasas. A partir de ese momento, también se observa la disminución de la temperatura en la cámara primaria (T1) por debajo de (T2).

Se realizó una aproximación exponencial para (T1) obteniendo como resultado la ecuación siguiente:

T = 401,08 . e ^-0,00263.t

Donde:

            T = temperatura

            t = tiempo en horas

RESULTADOS.

A partir de esta investigación, hemos determinado que la combustión de leña dura (quebracho colorado) en la estufa Rocket evaluada con cámara en L, se desarrolla con una tasa de alimentación de biomasa de 1,86 kg/hora, lo que conlleva a un aporte calórico de 9.122 kcal/hora.

Se logran temperaturas máximas, entre 400°C y 500°C, con un tiempo de respuesta medio de 35 minutos y sólo se han podido superar los 650°C con el agregado de biomasa de combustión rápida (cartón).

La combustión de leña blanda (álamo blanco y pino) permite alcanzar temperaturas entre 450°C y 700°C con un tiempo de respuesta medio de 15 minutos.

La tasa de alimentación de leña blanda resultó ser de 2,41 kg/hora, implicando un aporte calórico de 10.721 kcal/hora.

CONCLUSIONES.

El proceso de encendido de una estufa Rocket con leña dura conlleva un tempo de respuesta mayor tanto en lo concerniente a las temperaturas internas en las cámaras de combustión primaria y secundaria como en los ductos de gases y en la envolvente externa.

Esto implica que para calefaccionar un local se requiere un encendido anticipado de la estufa.

Como punto favorable a la utilización del quebracho colorado, se destaca la gran inercia térmica obtenida con la presencia de brasas de larga duración.

 

Empleando leña blanda, la estufa Rocket entra en régimen interno con mayor rapidez, alcanzando la temperatura necesaria para la gasificación de biomasa (700°C) sin la necesidad de añadir algún otro tipo de biomasa. Con estas temperaturas elevadas se produce una combustión más completa, disminuyendo la posibilidad de acumulación de hollín en los ductos de gases y evitando la condensación de los vapores de la combustión en forma de agua y creosota en la cañería galvanizada.

La temperatura de la envolvente externa también se eleva rápidamente, permitiendo una transferencia térmica pronta al ambiente.

 

La leña dura tiene un alto costo mayor en la región sur de la provincia de Santa Fe, mientras que la leña blanda se puede conseguir como desecho en carpinterías y otras industrias.

RECONOCIMIENTOS.

Agradecemos a los propietarios de la industria textil donde se han realizado los ensayos de la estufa Rocket, por su colaboración, paciencia y ayuda brindada.

También damos las gracias a la Asociación Argentina de Estuferos (AAdE), Alejandro D. González y a Pablo Kulbaba por la información y experiencias compartidas con nosotros y la facilitación de numerosos informes elaborados por Peter Van den Verg y sus colaboradores.

 

 

 

REFERENCIAS.

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• Conrado Tognetti, Alejandro D. González (2015), Encuesta sobre prácticas de uso y satisfacción en hogares con estufas a leña Rocket en la patagonia andina. Acta de la XXXVIII Reunión de Trabajo de la Asociación  Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 3, pp. 12.73-12.80, 2015.
• Battista, F. Ocampo, V.J. Passamai (2016), Nuevas pruebas de rendimiento en una cocina a leña para la agricultura familiar pampeana. Medición de emisiones y dimensionamiento de la entrada de aire. Acta de la XXXIX Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 4, pp. 06.115-06.125, 2016.
• Evans I., Jackson L. (2006). Rocket mass heaters: superefficient woodstoves you can build. Cob Cottage Company, Coquille, Oregon, EE.UU. Edición en español, traducida por Conrado Tognetti, disponible libre acceso  http://www.rosario.gov.ar/ArchivosWeb/estufasRocket.pdf
• Gallipoliti, V. Martina, P. Corace, J. Aeberhart (2013), Aprovechamiento energético de residuos biomásicos de la región nordeste Argentino. Insumo valorable como recurso de ahorro de energía primaria. Acta de la XXXVI Reunión de Trabajo de la Asociación  Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 1, pp. 07.117-07.123, 2013.
• INTA (2011). Estufas de alto rendimiento. http://inta.gob.ar/documentos/la-estufa-a-lena-de-alto-rendimiento/
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• Paunu V.V. (2012). Emissions of residential wood combustion in urban and rural areas of Finland. Master’s Thesis, Aalto University. http://lib.tkk.fi/Dipl/2012/urn100624.pdf
• Peter van den Berg (2012). Traducción de Pablo Kulbaba (2016). Web: http://batchRocket.eu/es/
• Scott A.J. (2005).Real-life emissions from residential wood burning appliances in New Zealand. Ministry for the Environment New Zealand, http://ecan.govt.nz/publications/Reports/air-report-emissions-residential-wood-burning-appliances-nz-000805.pdf

ABSTRACT

The objective of this work is to analyze the performance of a Rocket stove using hardwood and soft wood.
For this, a Rocket stove with an L-shaped combustion chamber with a Japanese hood located in a small textile industry has been tested and was mainly fed with firewood of red quebracho, white poplar and pinewood.
Measurements were made of ambient temperatures, in various areas of the combustion chamber and in the gas ducts, as well as measurements of various meteorological variables. A series of thermographic tests were also carried out to evaluate the surface temperature of the stove.

 Keywords:  High efficiency stove, Biomass, Rocket Stove, Firewood, Thermography.