Diseño y construcción de una hornilla de convección térmica

Abstract

RESUMEN: En este trabajo de tesis se desarrolla el diseño térmico y construcción de una hornilla de convección térmica como propuesta alternativa al uso de hornillas convencionales en medios rurales. Al cocinar alimentos una hornilla convencional de gas se usa comúnmente con gas natural, propano, butano, gas de petróleo licuado o otro gas flamable como fuente de combustible. Antes de usar gas, comúnmente las estufas de cocina usaban combustibles sólidos como carbón o madera. El objetivo de la presente investigación es el desarrollo de un sistema que transporta calor usando el flujo de un fluido térmico, este fluido llega a una hornilla formada por dos placas que encierran un arreglo geométrico, la configuraciones que se evalúan son un arreglo en forma radial y otro en forma de espiral. Con este fin la pregunta de investigación se enfoca en determinar que arreglo funciona mejor, y su solución debe determinar el arreglo con mejor desempeño. En este contexto, se evalúa cada arreglo bajo las mismas condiciones de operación enfocando evaluar los parámetros de distribución de temperatura y flux de calor. En el capítulo 1 se describen las hornillas convenciones y cocinas solares, también se justifica el desarrollo de una hornilla de convección térmica basado en una hipótesis, además los objetivos y metodología de análisis. En el capítulo 2 está el marco teórico que muestra cómo se evalúa la distribución de calor y flux de calor en las configuraciones o arreglos radial y espiral para la hornilla. En el capítulo 3 se construye el modelo conceptual usando un software de diseño CAD y el uso de simulación CFD. Se configura el fluido y aislante considerando las propiedades propias de cada material. Cada configuración se evalúa a diferentes cantidades de flujo, pero a la misma temperatura de fluido, de donde los resultados se comparan. En el capítulo 4 es la descripción de la construcción de las hornillas usando material comercial y como es que se empaquetaron las dos hornillas en una estructura que soporta y transporta el tanque y tubería necesaria para conectar las hornillas. En el capítulo 5 se hacen pruebas experimentales con las hornillas que se construyeron y se miden temperaturas en la placa superior, además de considerar parámetros de temperatura y flujo de los fluidos similares para cada hornilla. En los capítulos 6 y 8, se realiza una discusión de las suposiciones y hallazgos, para llegar a conclusiones y recomendaciones para concluir este estudio. Teniendo esto en cuenta, se podrían llegar a realizar investigaciones adicionales para identificar otros factores a tener en cuenta a la hora de seleccionar la mejor hornilla y esto sería de gran utilidad para su evaluación. ABSTRACT: In this thesis the thermal design and construction of a thermal convection burner is developed as an alternative proposal to the use of conventional burners in rural environments. When cooking food a conventional gas burner is commonly used with natural gas, propane, butane, liquefied petroleum gas or other flammable gas as a fuel source. Before using gas, kitchen stoves commonly used solid fuels such as coal or wood. The objective of the present investigation is the development of a system that transports heat using the flow of a thermal fluid, this fluid reaches a burner formed by two plates that enclose a geometric arrangement, the configurations that are evaluated are an arrangement in radial form and another in the form of a spiral. To this end, the research question focuses on determining which arrangement works best, and its solution must determine the best performing arrangement. In this context, each arrangement is evaluated under the same operating conditions focusing on evaluating the parameters of temperature distribution and heat flux. Chapter 1 describes conventions stoves and solar cookers, the development of a thermal convection burner based on a hypothesis is also justified, as well as the objectives and analysis methodology. In Chapter 2 is the theoretical framework that shows how heat distribution and heat flux are evaluated in the configurations or radial and spiral arrangements for the burner. In Chapter 3, the conceptual model is constructed using CAD design software and the use of CFD simulation. The fluid and insulation are configured considering the properties of each material. Each configuration is evaluated at different flow quantities, but at the same fluid temperature, where the results are compared. In Chapter 4 is the description of the construction of the burners using commercial material and how the two burners were packaged in a structure that supports and transports the tank and tubing necessary to connect the burners. In Chapter 5 experimental tests are done with the burners that were built and temperatures are measured in the upper plate, in addition to considering similar temperature and flow parameters of the fluids for each burner. In Chapters 6 and 8, a discussion of the assumptions and findings is made, to reach conclusions and recommendations to conclude this study. With this in mind, additional research could be carried out to identify other factors to be taken into account when selecting the best burner and this would be very useful for its evaluation.