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El desarrollo de este proyecto es motivado por el gran interés que, a nivel mundial, en el último tiempo ha adquirido el uso de energías renovables, dentro de las cuales está la biomasa, y específicamente la madera y sus derivados; fuente energética que en Chile tiene una importante presencia.
En Chile, en los ámbitos residencial e industrial, se consume un total del orden de 12 millones de metros cúbicos de leña al año, lo que constituye del orden del 17 % de la matriz energética (expresada en teracalorías), y además es una fuente de energía 100 % nacional y la de más bajo costo. El consumo de leña residencial está destinado principalmente a calefacción y cocina, y está localizado desde la IV región hacia el sur del país, siendo la zona que abarca desde la VIII a la X región donde se concentra el 66 % del consumo. Si bien en países desarrollados, tanto los equipos combustores a leña, como la leña misma y sus derivados, son de calidad certificada para asegurar su eficiencia y bajas emisiones contaminantes, en Chile, a pesar de que esta fuente de energía ocupa el segundo lugar en la matriz energética, no forma parte de las políticas energéticas nacionales, a lo que se suma el escaso número de trabajos en esta área temática, y como consecuencia se tienen zonas altamente contaminadas por la combustión de leña, como es la zona de Temuco y sus alrededores. De lo expuesto se desprende que, considerando que en Chile sólo el 40 % de la energía utilizada es de origen nacional, y dentro del cual está la leña, debe prestarse especial atención al desarrollo de conocimientos y tecnologías que permitan un uso sustentable en el tiempo de esta fuente energética.
El tema central de este proyecto es realizar un estudio teórico, numérico y experimental del uso de la energía térmica en la post-combustión de gases producto de la combustión primaria de leña en artefactos domésticos, cuyo objetivo principal es desarrollar nuevos conocimientos que permitan utilizar la leña, como recurso energético en el ámbito residencial, en forma eficiente, amigable con el medio ambiente y con costos de operación razonables.
El problema específico a estudiar consiste en analizar el comportamiento de la mecánica de fluidos y la transferencia de calor y materia en el sistema compuesto por: Un combustor de medio poroso, en el cual se lleva a cabo la postcombustión del gas generado por la combustión primaria de leña que permitan mejorar la transferencia de calor entre el combustor y el flujo de aire. El propósito es determinar parámetros para el diseño de dispositivos de postcombustión basados en el uso de medios porosos, que hagan mas eficiente la combustión y que reduzcan la emisión de contaminantes.
La metodología para el desarrollo del estudio propuesto considera tres partes: Un análisis teórico de los fenómenos de transporte, que incluye el modelamiento matemático y la construcción de soluciones numéricas con el método de volúmenes finitos y la simulación computacional utilizando programas propios; aplicación de las predicciones teóricas al desarrollo tecnológico de un prototipo del sistema de postcombustión y un trabajo experimental orientado a la validación de las predicciones teóricas, al desarrollo de pruebas de un prototipo de postcombustor y al análisis comparativo de resultados experimentales sobre eficiencia energética y emisiones de contaminantes obtenidos en equipos convencionales sin y con el prototipo de postcombustor incorporado, y en equipos de última tecnología, como son los calefactores a pellets. El análisis teórico tiene como objetivo desarrollar los modelos matemáticos que conjuguen los mecanismos de transferencia de calor y materia con los de la mecánica de fluidos para la descripción del funcionamiento del medio poroso con generación de calor por reacción exotérmica del sistema. La aplicación de la teoría al desarrollo tecnológico del sistema de postcombustión tiene como objetivo el diseño teórico del sistema, y de cada una de las partes fundamentales que lo integran; del medio poroso. Adicionalmente se considera el diseño físico y construcción del prototipo de postcombustor, que será la base para el desarrollo del trabajo experimental. El trabajo experimental tiene como objetivos principales: i) verificar que cada componente básico del prototipo de postcombustor; el medio poroso y tubos de calor, o superficies extendidas, funcione de acuerdo a las especificaciones de diseño, ii) comprobar que el prototipo de postcombustor completo como unidad funcione adecuadamente, realizando los ajustes que sean necesarios para obtener, en definitiva, un funcionamiento seguro y eficiente, iii) integrar el prototipo de postcombustor a un calefactor específico, y verificar que la unidad completa funcione adecuadamente, y iv) comparar críticamente el funcionamiento de un calefactor convencional con el prototipo de postcombustión incorporado, con el funcionamiento de un calefactor convencional y con el de un calefactor a pellets.
Los resultados esperados incluyen la predicción y validación de la variación en el tiempo de las distribuciones de velocidad, temperatura y concentración en el sistema a desarrollar; la construcción y prueba del prototipo de postcombustor y la determinación experimental de la concentración de emisiones de gases en eltipo de calefactor ensayado. |