PROYECTO INTEGRADOR EVALUADOR I

CALCULO DE VOLUMENES DE LA COMBUSTION DE UN HORNO PARA GAS NATURAL Y CASCARILLA DE ARROZ

Faider Eliecer Baron Castillo (1), Daniel José Insignares Flórez(2)

(1) Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Tecnológica de Bolívar. Cartagena. Colombia.

Grupo I; e-mail: fai_ baron@hotmail.com (2) Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Tecnológica de Bolívar. Cartagena.

Colombia.Grupo I; e-mail: Dante_9015@hotmail.com

INTRODUCCION

Para este proyecto integrador nuestro fin es diseñar un prototipo de caldera, el cual va a trabajar a partir de dos combustibles, estos son Gas natural y cascarilla de arroz, a partir de estos se va a producir vapor saturado.

Mediante la norma soviética encontramos los volúmenes de aire, nitrógeno, gases y vapor de agua de ambos combustibles, seleccionamos sus propiedades para proceder a realizar los cálculos. La cascarilla de arroz es un tejido vegetal constituido por Celulosa y Sílice, elementos que ayudan a su buen rendimiento como combustible.

El uso de la cascarilla como combustible representa un aporte significativo a la

preservación de los recursos naturales y un avance en el desarrollo de tecnologías limpias y económicas en la producción de arroz uno de los principales cereales de nuestra canasta familiar. El gas natural es un gran combustible fósil que en su gran porcentaje está conformado por metano y es uno de los combustibles más limpio y usados. Constituye la parte más volátil de los combustibles fósiles y se encuentra muchas veces asociado con el petróleo. Se originó en parte por la degradación anaeróbica del plancton, hace millones de años y se encuentra muchas veces acompañado por ácido sulfhídrico que tiene olor desagradable y es sumamente tóxico

Estado del arte

Fundamentos de generación de vapor

FIG.1 CALDERA SIMPLE

El proceso de ebullición del agua para producir vapor es un familiar Fenómeno. Termodinámicamente, en lugar de El aumento de la temperatura del agua, la energía utilizada Resulta en un cambio de fase de líquido a gaseoso Estado, es decir, el agua en vapor. Un sistema de generación de vapor Debe proporcionar un procedimiento continuo para esta conversión. El caso más simple para un dispositivo de este tipo es una caldera hervidor

Donde se calienta una cantidad fija de agua (Fig. 1). El calor aplicado eleva la temperatura del agua. Eventualmente, para la presión dada, el punto de ebullición (de saturación la temperatura que se alcanza y se empiezan a formar burbujas. como de calor se sigue aplicando, la temperatura se mantiene constante, y el vapor se escapa de la superficie del agua. Si el vapor se retira continuamente del recipiente, la

temperatura se mantendrá constante hasta que todo el Agua se evapora. En este punto, además de calor haría Aumentar la temperatura de la caldera y de cualquier Vapor de agua restante en el recipiente. Proporcionar un continuo Proceso, lo único que se necesita es un suministro regulado de Agua al recipiente para igualar el vapor que se genera Y eliminado. Los factores técnicos y económicos indican que la mayor parte Forma eficaz para producir vapor de alta presión es calentar Tubos de diámetro relativamente pequeño que contiene una continua Flujo de agua. Independientemente de si la fuente de energía Es nuclear o combustibles fósiles.

(The babcock and wilcox company, 2005)

Principios de la combustión

Una caldera requiere una fuente de calor a una temperatura suficiente para producir vapor. El combustible fósil es generalmente quemado directamente en el horno de la caldera para proporcionar esta calor aunque la energía de residuos de otro proceso puede también ser utilizado. La combustión se define como la combinación química rápida de oxígeno con los elementos inflamables de los un combustible. Hay sólo tres elementos combustibles de Importancia en la mayoría de los combustibles fósiles: carbono, hidrógeno y de azufre. El azufre, por lo general, de poca importancia como calor Fuente, puede ser un importante contribuyente a la corrosión y Los problemas de contaminación.

El objetivo de una buena combustión es liberar a todos la energía en el combustible y reducir al mínimo las pérdidas de imperfecciones de combustión y el exceso de aire. Requisitos del sistema objetivos incluyen nitrógeno minimizando óxidos (No), monóxido de carbono (CO), compuestos orgánicos volátiles compuestos (COV) y, desde hace más difícil quemar combustibles, Minimizando carbón no quemado (UBC) y el horno la corrosión. La combinación de los elementos combustibles inflamables y los compuestos presentes en el combustible con el oxígeno requiere temperaturas lo suficientemente altas como para encender la constituyentes, de mezcla o de turbulencia para proporcionar íntima

El contacto de oxígeno - combustible, y tiempo suficiente para completar

El proceso, a veces referido como las tres Ts de combustión.

La tabla 1 se enumera los elementos y compuestos químicos que se encuentra en los combustibles utilizados generalmente en vapor comercial

Generación.

(The babcock and wilcox company, 2005)

Composición de aire

Hasta ahora, la combustión ha sido considerada sólo como un proceso que incluye el combustible y el oxígeno. Para combustión normal

y aplicaciones del generador de vapor, la fuente de oxígeno es aire. El aire atmosférico se compone de oxígeno, nitrógeno y otros gases de menor importancia. Los cálculos

y la derivación de las constantes que siguen en este texto se basan en un estándar atmosphere3 EE.UU. compuesta de 0,20946 O2, N2 0,78102, 0,00916 argón (Ar) y

0,00033 moles de CO2 por mol de aire seco, que tiene un peso molecular medio de 28,9625. Para simplificar el cálculos, N2 incluye argón y otros elementos traza;

que se conoce como el nitrógeno atmosférico (N2a) tiene un peso molecular equivalente de 28.158. (Ver

Tabla 2.) El aire normalmente contiene un poco de humedad. Como norma la práctica, la caldera Asociación Americana de Fabricantes

(ABMA) considera el contenido de humedad sea 0.013 lb de agua / aire seco libras, lo que corresponde a aproximadamente Humedad relativa del 60% a los 80F. Para la combustión cálculos sobre una base molar, se multiplican la base de masas la humedad por 1.608 (peso molecular de aire dividida por peso molecular del agua). Por lo tanto, 0,013 lb de agua / aire seco libra convierte 0,0209 moles de aire seco de agua / mol.

Fig. 2 Composición del aire

(The babcock and wilcox company, 2005)

Biomasa

Al mencionar la palabra BIOMASA nos estamos refiriendo a toda la materia orgánica proveniente de plantas, arboles, desechos de animales, desechos de agricultura (residuos de caña de azúcar, arroz, maíz, etc.) desechos del proceso de aserrío (aserrín, cortezas, ramas etc.) y residuos urbanos (basura orgánica, aguas negras, entre otros). Este tipo de energía renovable se define como una de las más antiguas conocida por el ser humana, usada por siglos como materia prima para combustión directa; supliendo las necesidades térmicas de confort, cocción de alimentos, generación de electricidad y producción de vapor.

La biomasa se puede obtener muchas formas, desde cultivos dedicados específicamente a la producción de la misma hasta residuo de actividades industriales, urbanas y agrícolas. De acuerdo al tipo que se emplee dependerá en gran medida su transporte y tratamiento a fin de utilizarla como fuente alterna de energía.

La cascarilla de arroz como biomasa

La cascarilla de arroz es un tejido vegetal constituido por Celulosa y Sílice, elementos que ayudan a su buen rendimiento como combustible. El uso de la cascarilla como combustible representa un aporte significativo a la preservación de los recursos naturales y un avance en el desarrollo de tecnologías limpias y económicas en la producción de arroz uno de los principales cereales de nuestra canasta familiar. La cascarilla de arroz presenta una gran variedad de características fisicoquímicas que es preciso estudiar, según la aplicación que se desee darle. El contenido de humedad, la composición química y el poder calorífico de la cascarilla son aspectos que hay que conocer para la construcción y el funcionamiento de hornos y hogares mecánicos que son los más adecuados para la quema e incineración de este subproducto agrícola.

Las investigaciones realizadas por grupos de biocombustibles en España, china, Brasil y Colombia, iniciaron a comienzos de los 90 con las construcción de plantas pilotos de hornos de lecho fluidizado para la quema de la cascarilla de arroz para obtener ceniza en grandes cantidades, para aprovechar el contenido de sílice amorfa, que se utiliza para, mejorar las propiedades mecánicas de materiales de construcción por ejemplo el concreto, en aislantes térmicos y filtros de agua. La mayor aplicación de sílice amorfo, se da para la conformación de cemento puzolánico, a través de la

combustión de la cascarilla en un horno entre los 550 ˚C y 700˚C.

En España, instituto tecnológico agroalimentario y la empresa valenciana Dacsa, están utilizando la cascarilla de arroz como biomasa en una planta de cogeneración eléctrica. La instalación tiene una potencia de 2MW, y consiste básicamente en el mismo esquema de otras centrales que consumen biomasa. La dirección de Dacsa se planteó la posibilidad de aprovechar su cascarilla para usos energéticos siguiendo las pautas oficiales de apoyo e iniciativas que reutilicen la biomasa, que hasta el momento es desechable.

Uno de los proyectos de mayor envergadura en Latinoamérica, es el de Pronaca, una empresa procesadora de alimentos ubicada en Duran, Ecuador.

Actualmente el complejo de Durán, genera 830 ton de cascarilla de arroz mensualmente, de las cuales se aprovechan 5,3 ton/h, aunque se espera que en los próximos 3 años, la demanda aumente a 7,3 ton/h. en el proyecto se plantea que con la cascarilla de arroz reemplace 14,5 millones de galones diésel en un periodo de 10 años, para esto se requiere una cantidad de 161000 ton de cascarilla, para una caldera de parrilla móvil de 10 ton/h de biomasa.

Empresas Colombianas como SUPERBRIX, Ubicada en el municipio de Soledad (Atlántico), empezó su desarrollo a partir de sus máquinas enviadas al exterior como las que tienen

en República Dominicana, que fue el pionero y, países de Centroamérica, que por escasez y altos costos de combustibles fósiles, han tenido mayor interés en el desarrollo de fuentes de energía renovable. El desarrollo generado por SUPERBRIX, ha sido el diseño e instalación de quemadores de biomasa serie TEO llamados así, por su creador Ing. Teófilo Ghisays, los cuales están en funcionamiento desde hace varios años en 14 países latinoamericanos. Actualmente se está instalando la serie TEO IV con muy buenos resultados.

En 1980 SUPERBIX desarrollo su primer quemador llamado Teo I, el cual tiene como características una cámara de combustión con niveles por donde pasaba el aire a calentar. Dos años después, en 1982 fue lanzado Teo II que tenía como novedad que al calentar pasa dentro de unos tubos que están en contacto con los gases de la combustión. El TEO III fue lanzado en 1996, el cual no obtuvimos especificaciones técnicas.

Gas Natural

El gas natural constituye la parte más volátil de los combustibles fósiles y se encuentra muchas veces asociado con el petróleo. Se originó en parte por la degradación anaeróbica del plancton, hace millones de años y se encuentra muchas veces acompañado por ácido sulfhídrico que tiene olor desagradable y es sumamente tóxico

Según la permeabilidad de las rocas y las fisuras existentes, el reservorio

natural puede contener gas o haberlo perdido. Se trata en general de hidrocarburos volátiles, de 1 a 4 átomos de carbono denominados, en ese orden, metano, etano, propano y butano. Si su cantidad no permite el aprovechamiento comercial, o se encuentra lejos de posibles usuarios, se lo ventea o se quema en boca de pozo, constituyendo esta última operación un aporte más de dióxido de carbono a la atmósfera.

Además del gas natural asociado al petróleo, debemos considerar la producción de otro gas natural, el metano, llamado biogas. Se forma en las degradaciones anaeróbicas, en los pantanos, en los basurales y en una porción del estómago de los rumiantes y se libera espontáneamente a la atmósfera. Este mismo proceso puede desarrollarse, en forma controlada, en biodigestores y aprovecharse como una fuente de energía alternativa.

CALCULOS DE VOLUMENES DE LA COMBUSTION:

1. GAS GUAJIRA (PROMIGAS): COMPOSICION PORCENTUAL MOLAR

H2S=0

C2H6= 0,2531

C4H10= 0,0281

CO2= 0,1299

CH4=98,033

C3H8=0,0619

C5H12=0,0084

N2=1,4705

C6H14=0,0152

VOLUMEN TEORICO DE AIRE- NORMA SOVIETICA:

Va=0,0476∗¿

Va=0,0476∗[1,5 H 2 S+(∑ m+ n4)CmHn]

Va=0,0476∗¿)*98,033 +(2+ 64

)*0,2531 +(

3+ 84

)*0,0678 +( 4+ 104

)*0,0281 +( 5+ 124

)*0,0084 +( 6+ 144

)*0,0152 ]

Va=0,0476∗[196,066+0,88585+0,3095+0,1826+0,0672+0,1444 ]

Va=9,40m 3nm3c

VOLUMEN TEORICO DE NITROGENO:

Vn2=0.79∗Va+ N 2100

Vn2=0.79∗9.20+ 1.4765100

Vn2=7.4440m3 Nm 3C

VOLUMEN TEORICO DE GASES TRIATOMICOS:

Vro2=0.01∗¿

Vro2=0.01∗¿

Vro2=0.01∗[99.1004]

Vro2=0.991004m3 Nkgc

VOLUMEN TEORICO DE VAPOR DE AGUA:

Vh2o=0. .01∗[H 2 S+H 2+∑ N2CmHn]+0.032Va

Vh2o=0. .01∗( 42∗98.033)+( 6

2∗0..2531)+( 8

2∗0.0619)+( 10

2∗0.028)+( 12

2∗0.0084)+(14

2∗0.0152)+0.032∗9.40

Vh2o=2.274m 3Nkgc

VOLUMEN TEORICO DE GASES SECOS:

Vgs=Vr2o+Va

Vgs=0.991004+7.44=8.431004m3 Nkgc

VOLUMEN REAL DE GASES SECOS:

Vgs=Vgs ¨+(α−1 )∗Va

Vgs=2Vgs ¨+(α−1 )∗Va

Se Asume que el coeficiente de exceso de aire es :

α=1.06

Vgs=8.431004+ (1.06−1 )∗9.40=8.995

VOLUMEN REAL DE VAPOR DE AGUA:

Vh2o=Vh2o +0.032* left (α-1 right ) *V

Vh2o=2.274+0.032∗(1.06−1 )∗9.40=2.292m3 Nkgc

VOLUMEN REAL DE LOS GASES DE LA COMBUSTION:

Vg=Vgs+Vh2o

Vg=8.992+2.292=11.287m 3Nkgc

2. CASCARRILLA DE ARROZ

C= 33.4

H=4.3

O=38.5

N=0.38

S=0.32

CENIZAS= 24.1

HUMEDAD=9.4

COMPOSICION DE LA CENIZA:

K2O=1.10

Na2O=0.78

CaO=0.25

MgO=0.23

S04=1.13

S1O2=96.51

VOLUMEN TEORICO DE AIRE :

Vaire=0.0889∗(C t+0.375∗S t )+0.265∗H t−0.0383∗Ot

Vaire=0.0889∗(33.4+0.375∗0.32 )+0.265∗4.3−0.0383∗38. .5

¿2.83m3 Nkgc

VOLUMEN DE GASES TRIATOMICOS:

VRo 2=1.866∗(C t+0.375∗S t )

100

VRo 2=1.866∗(33.4+0.375∗0.32 )

100

VRo 2=0. .625m 3Nkgc

VOLUMEN TEORICO DE NITROGENO:

VN 2=0.79∗Vaire∗N t

100∗ρN 2

ρN 2=1.257kgm3

VN 2=0.79∗2.83∗0.38100∗1.257

=2.238m 3Nkgc

VOLUMEN TEORICO DE VAPOR DE AGUA:

Vh2o=0.111∗H t+0.0124∗W t+0.032∗Vaire

Vh2o=0.111∗4.3+0.0124∗9.4+0.032∗2.98=0.684m3 Nkgc

VOLUMEN TEORICO DE GASES SECOS:

Vh2o=VRo 2+VN 2=0.625+2.238=2.863m 3Nkgc

VOLUMEN REAL DE VAPOR DE AGUA:

Vh2o=Vh2o+0.032+(α−1)∗Vaire

Se Asume que el coeficiente de exceso de aire es :

α=1.25

Vh2o=0.684+0.032+(1.25−1 )∗2.83=0.706m3 Nkgc

VOLUMEN REAL DE GASES SECOS:

Vgs=Vgs+(α-1)*Vaire=2.863+(0.25*2..83)=3.5705 {m3 N} over {kgc

VOLUMEN REAL DE LA COMBUSTION:

Vgc=Vgs+Vh2o=3.5705+0.706=4.27m3 Nkgc

CALCULOS DEL DISEÑO DEL HORNO

Primeramente y según los criterios de diseño explicados por el STEAM uno de los parámetro que se necesitas para empezar el diseño de un horno es suponer una potencia termina en esta caso asumieremos una potencia de 1000 KW. Luego calculamos el FLUJO VOLUMETRICO DE COMBUSTIBLE, en

este caso BIOMASA (CASCARILLA DE ARROZ) mediante la siguiente ecuación:

PT=ṁFcascarilla∗PCI

ṁFcascarilla=PTPCI

= 1000 KW17466 KJ /KG

=0,056KGS

ṁFcascarilla :Fl .masico decascarilla

PI : potencia termica

PCI :Podercalorico inferior extraido de tablas

Tabla 1. Composicion elemental de la cascarilla de arroz a diferentes % de

humedad en colombia

Se selecciono una humedad relativa de 9.4 %.

Ahora calculamos el FLUJO VOLUMETRICO TOTAL DE GASES DE COMBUSTION:

QGases=V realgasess∗ṁFcascarilla∗¿

QGases=(4,27m 3 N

KGcascarilla)∗¿

V realgasess :Volumenreal de gases

tempgases :Temperaturade gases

A continuación calcularemos EL ÁREA EFECTIVA DE LA CÁMARA VERTICAL DIAMETRO DE LA CAMARA VERTICAL:

Acv=QGases

Vel gases=

0,9869m3s

9ms

=0,1096m 2

Dcv=√ 4∗Acv

π=0,37m

Ahora calcularemos el tiempo que tarda la reacción de combustión para quemar la particula.

τ comb=2,2∗daep0,85

daep :Diametro aerodinamico de la particula

τ comb=2,2∗(0,002m )0,85=0,011

Se calcula el tiempo de estancia del combustible rotando y luego el VOLUMNE DEL HORNO NODULAR:

τ est=0,011

V horno=τ est∗V realgasess=0,011∗4,27=0,04772m 3

Y se calcula la ALTURA DE LA CAMARA VERTICAL:

hcv=V horno

Acv

=0,047720,1096

=0,4354m

Sabemos que el horno nodular posee cuatro entradas de aire para la combustión con diferentes finalidades, a continuación calculamos la cantidad de aire total y despues en cada entrada de aire respectivamente

:

Q I=0,40∗QAIire total

Q II=0,30∗QAIire total

Q III=0,15∗QAIire total

Q IV=0,15∗QAIire total

mg=2841.25Kgh

ANALISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

Donde se asume la diferencia de temperatura de 28.4 °C a la salida de los gases de combustión. A partir de la

siguientes formula podemos hallar el calor del aire y el calor de los gases de combustión.

Qaire=C p ,aire x mc x ∆T (14.0)

Q gas=C p , gas x mg x ∆T (15.0)

El calor especifico del aire y de los gases de combustión son 1.007 Kj/Kg°C y 1.163 Kj/Kg°C, respectivamente.

Qaire=5765.518Kjh

Q gas=93844.42Kjh

Determinación de la transferencia de calor por conducción.

Para el cálculo de la transferencia de calor por conducción tenemos en cuenta la temperatura de entrada de los gases de combustión y la temperatura exterior de de los tubos. Para el diseño de los tubos que van hacia el horno usamos una tubería galvanizada Sc.40 ASTM A53 con un diámetro nominal de 2 pulgadas, diámetro exterior e interior de 0.0603 m y 0.0525 m respectivamente, con una longitud de 6 m.

Qcondu=T ext. tubos−T∫ .tubo

Rcyl

(16.0)

Rcyl=ln (

r 2

r1

)

2 πLk

(17.0)

Donde, r2 y r1 son los radios externos e internos respectivamente, L la longitud de los tubos y K la conductividad térmica del materia.

Qcondu=83884.66Kjs

Determinación de la transferencia de calor por convección interna

La determinación del cálculo de transferencia de calor se hizo mediante el uso de la siguiente ecuación.

Qconv=h x A x ∆T

En primer lugar para el cálculo de esta transferencia debemos saber el tipo de régimen que lleva el fluido en la tubería, por eso realizamos el siguiente procedimiento:

Hallamos el numero de Reynolds en el interior mediante la siguiente formula.

Re=Velaire x D interior

μ=1.63 x104

Luego hallamos el factor de fricción,

f=¿

Después podemos hallar el número de Nusselt en el interior, el valor para el número de prandalt del aire es 0.708 en el interior del tubo.

Nu=( f

8)(Re−1000)Pr

1+12.7( f8)(Pr

23−1)

(21.0)

Nu=44.048

Luego podemos hallar el coeficiente de transferencia de calor por convección interna por medio de la siguiente formula.

h=Nu x D inter

K=18.71

Wm2 °C

(22.0)

El área de transferencia se calcula multiplicando el diámetro por la longitud, el número de tubos y la constante pi.

Qconv=2407.0533Kjs

1.1. Determinación de la transferencia de calor por convección externa.

Para determinar la transferencia de calor por convección externa realizamos el procedimiento que efectuamos anteriormente.

El valor para en número de Reynolds exterior es

Re=Velaire x D exterior

μ=2.16 x 104

Para hallar el numero de Nusselt en el exterior se usa la siguiente ecuación, sabiendo que el numero de prandalt en el exterior equivale a 0.704

Nu=0.664 x Re0.5x P r

0.33=27.471 (23.0)

Así, podemos hallar el coeficiente de transferencia de calor externa

h=Nu x D exterior

K=33.349

Wm2° C

Obteniendo como resultado la trasferencia de calor por convección externa.

Qconv=26079.0317Kjs

1.2. Determinación de la transferencia de calor por medio de radiación.

Se determino la transferencia de calor por radiación se hizo uso de la siguiente ecuación.

Qrad=σxεx AT (T g4−T s

4) (24.0)

Donde, σ es la constante de Stefan Boltzman, ε es la emisividad de los gases de combustión el cual hallamos con la siguiente formula.

ε=εH 2O+εCO2

−∆ε

εH 2O=0.18

εCO2=0.13

∆ ε=0.02

ε=0.29

Por consiguiente para finalizar hallando la transferencia de calor por radiación necesitamos la temperatura de los gases y la exterior del tubo, las cuales son 860°C y 172°C, entonces

Qrad=30080.263Kjs

La transferencia de calor por radiación totales igual a la radiación por los gases mas la transferencia de calor por convección externa, y nos da como resultado.

Qrad ,total=56159.294Kjs

1.3. Calor de transferencia total (

Qtotal)

El calor de trasferencia total simplemente es la suma de las transferencias de calor por conducción, convección y radiación.

Qtotal=221861.858Kjs

Conclusión

Las calderas que trabajan a partir de la cascarilla de arroz y gas natural, son excelente para muchas industrias puesto que son de gran ayuda económica en la compra de energía para muchos de sus procesos. Pero a la vez afectan mucho en caso del impacto ambiental. Nos damos cuenta de que los volúmenes de de aire con respecto a los gases es mayor en el producto de la combustión.

Con respecto a la quema de cascarilla nos damos cuenta que hay un porcentaje de ceniza que a merita un estudio para saber que son aprovechadas.

A partir de estos cálculos y de otras variables se puede iniciar el diseño de una caldera óptima para llevar el proceso de producción de vapor saturado por medio de los combustibles mencionados.

Bibliografía

STEAM, The babcock and wilcox company

http:// ingquimicaujat.blogspot.com/2010/11/generacion-de-electricidad-apartir-de.html

http:// www.ehowenespanol.com/propiedades-cenizas-cascarilla-arroz-info_192823/

http:// www.areatecnologia.com/tecnologia/calderas-de-gas.html

http://webserver.dmt.upm.es/ ~isidoro/bk3/c15/Combustion.%20Caracteristicas.pdf

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[2] Thipwimon Chungsangunsit, Shabbir H. Gheewala, and

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[3] Experimental study on rice husk combustion in a circulating fluidized bed.

[4] Utilization of a Direct Combustion Type Husk Burner for Grain Drying

[5] Rice Hull Furnaces For Paddy Drying: The Philippine Rice Research Institute's Experience

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