Prueba de ebullición de agua (WBT 4.2.2) para estufas de biomasa

Laboratorio de Innovación y Evaluación en Estufas de Biomasa

Laboratorio de Innovación y Evaluación en Estufas de Biomasa Universidad Nacional Autónoma de México Antigua carretera a Pátzcuaro No. 8701, (443) 322-27-77 ext 42510

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ÍNDICE

1. Prueba de ebullición de agua (WBT 4.2.2, por sus siglas en inglés).............................................. 1

1.1 Descripción .......................................................................................................................... 1

1.2 Materiales ............................................................................................................................ 1

1.2.1 Preparación de la prueba ............................................................................................... 3

1.2.1 inicio de la prueba ......................................................................................................... 3

1.3 Resultados............................................................................................................................ 7

1.4 Evaluación de Emisiones ....................................................................................................... 9

1.4.1 Descripción del equipo de medición .............................................................................. 9

1.4.2 Evaluación de emisiones en WBT ................................................................................. 10

1.4.2.1 Corrección de los tiempos iniciales y finales de cada prueba. ................................ 13

1.4.2.2 Balances de carbono ............................................................................................. 13

2.4.2.3 Factores de emisión .............................................................................................. 18

2.4.2.4 Eficiencia Nominal de Combustión ........................................................................ 20

1.5. Formato para prueba de ebullición de agua (WBT) con el uso del PEMS ............................ 21

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Formato para captura de datos en la prueba WBT usando el PEMS. ............................... 21

INDICE DE TABLAS Tabla 1. Número de ollas por tipo de estufa. .................................................................................. 2

Tabla 2. ISO VITA WBT Tiers. ........................................................................................................ 12

Tabla 3. SPM para una estufa mejorada. ...................................................................................... 12

Tabla 4. Corrección de tiempo para inicio y final de cada fase en el WBT...................................... 15

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1. Prueba de ebullición de agua (WBT 4.2.2, por sus siglas en inglés)

Objetivo: evaluar el desempeño térmico de una estufa al calentar agua en tres fases:

I. Inicio en Frío de Alto Poder (IFAP) II. Inicio en Caliente de Alto Poder (ICAP)

III. Fuego Lento (FL) Número de repeticiones: mínimo 3.

Personal necesario: Responsable técnico y asistente.

1.1 Descripción

La prueba de ebullición de agua (Water Boiling Test, WBT) es una simulación simplificada del proceso de cocinado. Sirve para comparar el desempeño de estufas en condiciones controladas en el laboratorio y en óptimo funcionamiento. El WBT no está diseñado para realizar pruebas en campo. En esta prueba se mide el tiempo y la cantidad de combustible consumido al realizar una tarea muy simple: calentar una o varias ollas con agua. No hay todavía un estándar internacional para realizar esta prueba. En el LINEB se utiliza la versión 4.2.2, elaborada por ETHOS & Partnership for Clean Indoor Air (2009).

1.2 Materiales

Los materiales requeridos para la prueba son:

1. Estufa. 2. Combustible (En caso de leña aprox. 10 Kg). 3. Iniciador de fuego (ocote, aceite, alcohol en gel, etc.). 4. Equipo de seguridad: mandil, guantes de alta temperatura, lentes de

protección, máscara contra humo, zapatos cerrados y pantalón.

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5. Hacha para leña. 6. Higrómetro. 7. Termómetros: para la cámara de combustión, para la chimenea y para cada

olla. 8. Reloj con cronómetro. 9. Encendedor o cerillos. 10. Recogedor y charola de metal para el carbón. 11. Removedor de brasas. 12. Balanza resistente al calor. 13. Formatos para el WBT.

14. Ollas con capacidad para 3.5 L y 5 L de agua (ver Tabla 1). 15. Ahogador de fuego, por ejemplo un recipiente de metal con fondo de arena

y tapa.

Tabla 1. Número de ollas por tipo de estufa.

Estufa Ollas de 3.5 L Ollas de 5 L

Patsari 2 1

Onil 1 1

Plancha 1 1

Portátil V* > 15 L 0 1

Portátil V* < 15 L 1 0

Fogón tres piedras pequeño 1 0

Fogón tres piedras grande 0 1 *V = Volumen del cuerpo de la estufa

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1.2.1 Preparación de la prueba

El WBT se divide en tres fases: IFAP, ICAP y FL. Los preparativos para la prueba son:

1) Se verifica que se tiene todo el material en el laboratorio (ver 1.2 Materiales). 2) Todos los participantes de la prueba se registran en la bitácora, firman la hoja

de seguridad del laboratorio y se colocan el equipo de seguridad: mandil y guantes de alta temperatura, lentes de protección, zapatos cerrados y pantalón.

3) Se capturan los datos generales en el formato para el WBT. 4) Se registran la temperatura y humedad del ambiente. 5) Se mide la temperatura local de ebullición del agua con ayuda de una estufa

eléctrica, un mechero de bunsen, una estufa de gas o una estufa alternativa de combustibles sólidos.

6) Si se usa leña como combustible, se cortan trozos de 2 a 4 cm de ancho y de 20 a 40 cm de largo.

7) Se mide la humedad del combustible con el higrómetro (al menos 9 muestras) y se registra.

8) Se registra el peso de la charola para carbón. 9) Se registra el peso del combustible que se va a utilizar para cada fase de la

prueba: 4 Kg para el IFAP, 4 Kg para el ICAP y 4 Kg para el FL. 10) Se registra el peso de la(s) olla(s) vacía(s).

1.2.1 inicio de la prueba

Fase I. IFAP

En la primera fase IFAP, se utiliza una estufa que no ha sido encendida por lo menos en las últimas 24 horas. Los pasos a seguir son:

1) Se llena(n) la(s) olla(s) con agua a temperatura ambiente (ver Tabla 1). 2) Se registra el peso de la(s) olla(s) con agua.

4

3) Se pone(n) la(s) olla(s) sobre la(s) superficie(s) de cocción. 4) Se posicionan los termómetros en la cámara de combustión, la chimenea y

en la(s) olla(s) con agua. 5) Se registran la temperatura del agua en la(s) olla(s). 6) El responsable técnico forma un arreglo con trozos de combustible que

permita el paso del aire. 7) El responsable técnico enciende, fuera de la cámara de combustión, un trozo

de iniciador de fuego (ocote, trozo de leña con alcohol en gel, papel con aceite, etc.) y lo posiciona dentro del arreglo de combustible en la cámara de combustión. A partir de este paso se comienza a contar el tiempo.

8) El responsable técnico vigila el fuego. Si el fuego se apaga y se consumió combustible, se mide y registra de nuevo el peso del combustible.

9) Una vez que la cámara de combustión está encendida, el responsable técnico debe alimentarla cada dos o tres minutos. Se debe mantener el fuego en alto poder durante toda la prueba. La frecuencia de alimentación y la cantidad de combustible dependerán del comportamiento de la cámara de combustión y de la destreza del responsable técnico.

10) Cuando el agua de la olla de 5 L o 3.5 L (ver Tabla 1) llegue a la temperatura de ebullición, se registran el tiempo y la temperatura de la(s) olla(s). En este paso inicia la cuenta de 10 minutos para comenzar con la fase de ICAP.

11) El responsable técnico y el asistente se ponen la máscara contra humo 12) El responsable técnico retira de la cámara de combustión el combustible no

quemado y lo introduce en el ahogador de fuego. 13) El responsable técnico retira el carbón y las cenizas de la cámara de

combustión y los deposita en el ahogador para carbón. 14) El asistente retira la(s) olla(s) con agua de la estufa. 15) El responsable técnico mide y registra el peso de la charola con el carbón. 16) El asistente mide y registra el peso de la(s) olla(s). 17) Se mide y registra el peso de todo el combustible que no se quemó en la

prueba.

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18) Se limpia y ordena el área de trabajo.

Entre el paso 10 del IFAP y el paso 7 del ICAP deben transcurrir como máximo 10 minutos. Fase II. ICAP

Los pasos a seguir para la fase ICAP son:

1) Todos los participantes de la prueba se colocan el equipo de seguridad: mandil y guantes de alta temperatura, lentes de protección, zapatos cerrados y pantalón.

2) Se llena(n) la(s) olla(s) con agua (ver Tabla 1). 3) Se pone(n) la(s) olla(s) sobre la(s) superficie(s) de cocción.

4) Se posicionan los termómetros en la(s) olla(s) con agua 5) Se registran las temperaturas del agua en la(s) olla(s) 6) El responsable técnico forma un arreglo con trozos de combustible que

permita el paso del aire. 7) El responsable técnico enciende, fuera de la cámara de combustión, un trozo

de iniciador de fuego (ocote, trozo de leña con alcohol en gel, papel con aceite, etc.) y lo posiciona dentro del arreglo de combustible en la cámara. A partir de este paso se comienza a contar el tiempo.

8) El responsable técnico vigila el fuego. Si el fuego se apaga y se consumió combustible, se mide y registra de nuevo el peso del combustible.

9) Una vez que la cámara de combustión está encendida, el responsable técnico debe alimentarla cada dos o tres minutos. Se debe mantener el fuego en alto poder durante toda la prueba. La frecuencia de alimentación y la cantidad de combustible dependerán del comportamiento de la cámara de combustión y de la destreza del responsable técnico.

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10) Cuando el agua de la olla de 5 L o 3.5 L (ver Tabla 1) llegue a la temperatura de ebullición, se registran el tiempo y la temperatura de la(s) olla(s). En este paso inicia la cuenta de 5 minutos para comenzar con la fase de FL.

11) El responsable técnico y el asistente se ponen la máscara contra humo 12) El responsable técnico retira de la cámara de combustión el combustible no

quemado y lo introduce en el ahogador de fuego. 13) El responsable técnico retira el carbón y las cenizas de la cámara de

combustión y los deposita en el ahogador para carbón. 14) El asistente retira la(s) olla(s) con agua de la estufa. 15) El responsable técnico registra el peso de la charola con el carbón.

16) El asistente registra el peso de la(s) olla(s) 17) Se registra el peso de todo el combustible que no se quemó en la prueba.

Entre el paso 12 del ICAP y el paso 9 del FL deben transcurrir como máximo 5 minutos. Fase III. FL

Esta fase es una continuación directa del ICAP. Los pasos para la fase de FL son:

1) Se vuelven a poner la(s) olla(s) usadas en el ICAP sobre la(s) superficie(s) de cocción (sin enfriar ni agregar agua).

2) Se posicionan de nuevo los termómetros en la(s) olla(s) con agua. 3) El responsable técnico acondiciona la cámara de combustión para que

trabaje a bajo poder. Debe mantenerse una combustión constante y homogénea. Esta fase dura 45 minutos.

4) El agua se mantiene 3°C debajo de la temperatura de ebullición y puede oscilar ±3°C.

5) Cumpliendo los 45 min, se registran la hora y la temperatura de la(s) olla(s). 6) El responsable técnico y el asistente se ponen la máscara contra humo.

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7) El responsable técnico retira de la cámara de combustión el combustible no quemado y lo introduce en el ahogador de fuego.

8) El responsable técnico retira el carbón y las cenizas de la cámara de combustión y los deposita en el ahogador de carbón.

9) El asistente retira la(s) olla(s) con agua de la estufa. 10) El responsable técnico registra el peso de la charola con el carbón. 11) El asistente registra el peso de la(s) olla(s). 12) Se registra el peso de todo el combustible que no se quemó en la prueba. 13) Se limpia y ordena el área de trabajo.

1.3 Resultados

Los resultados principales del WBT son:

El tiempo para llevar a ebullición 5 L o en su variante 3.5 L (ver Tabla 1) de agua (teb): se calcula restando la hora de inicio y de fin de las fases IFAP e ICAP.

La eficiencia térmica de la estufa (Eft): es el cociente de la energía útil otorgada a la olla con agua entre la energía total de entrada. Se calcula para las tres fases.

퐸푓 =EE ∗ 100

E = (m )(PCI )

E = 4.18x10푀퐽

퐾푔 °퐶(∆푇)(m ) + 2.257

MJKg

(m )

El combustible consumido (mcomb): es la diferencia de peso del combustible al inicio y al final de cada fase.

La tasa de combustión (τ): es el consumo promedio de combustible durante cada fase de la prueba.

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τ =푚(푡 )

La potencia de la estufa (Pt): es la energía de entrada por unidad de tiempo (KW). Se calcula dividiendo la energía total de entrada entre el tiempo total de cada fase en segundos

Pt =E

(60)(푡 )

Nomenclatura: teb = Tiempo para alanzar el punto de ebullición (min). Eft= Eficiencia térmica (%). mcomb = Masa del combustible quemado (Kg). PCIcomb = Poder calorífico inferior del combustible (~18 MJ/Kg de leña seca). ΔT= Diferencia de temperatura en el agua, entre la inicial y la de ebullición (°C). Eo = Energía útil otorgada (MJ). Ee= Energía total de entrada (MJ). mev = Masa de agua evaporada (Kg). meb = Masa de agua llevada al punto de ebullición (Kg). τ= Tasa de combustión (Kg/min). Pt= Potencia (KW).

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1.4 Evaluación de Emisiones

1.4.1 Descripción del equipo de medición

El Laboratorio de Innovación y Evaluación en Estufas de Biomasa (LINEB) cuenta con el Sistema Portátil de Medición de Emisiones (PEMS, por sus siglas en inglés) para determinar la tasa de emisión de gases contaminantes como el CO, CO2 y PM. El objetivo es medir y evaluar las emisiones de gases y material particulado de una estufa. Se trata de una evaluación complementaria que está siempre ligada a una prueba de desempeño, como WBT, CCT, etc. El PEMS consta de una campana y un ventilador el cual recoge las emisiones provenientes tanto de las estufas ahorradoras como del dispositivo tradicional. También cuenta con una bomba de succión la cual extrae una muestra de las emisiones a través de la línea de muestra a los sensores. Por otra parte, un termopar registra la temperatura del agua y el equipo de cómputo registra el flujo y las concentraciones en tiempo real. El software del PEMS procesa los datos registrados para determinar el desempeño de la estufa y cuantificar la masa integrada de las emisiones. El Sistema Portátil de Medición de Emisiones cuenta con tres sensores:

• CO (monóxido de carbono) el cual es una celda electroquímica o un circuito potenciostático el cual requiere de un controlador para su funcionamiento. La conductividad entre los dos electrodos en la celda estima la concentración de CO presente.

• CO2 (dióxido de carbono) el cual utiliza un Sensor Infrarrojo No Dispersivo (NDIR, por sus siglas en inglés) para estimar la concentración de CO2 y el voltaje en las salidas.

• El sensor de PM (material particulado) es un fotómetro de dispersión. El interior del sensor actúa como láser y receptor de luz al mismo tiempo. Cuando el humo proveniente de la combustión ingresa a la cámara de detección, las partículas de humo dispersan la luz láser en el receptor. Mientras más luz llegue al receptor indica que hay más humo en la cámara de detección. La cantidad de luz dispersada

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se calibra con un nefelómetro-estándar de laboratorio. Una constante se aplica a la salida para estimar la concentración en masa del material particulado PM.

1.4.2 Evaluación de emisiones en WBT Se prepara la prueba según el punto 1.2.1. Antes de encender la estufa (fase IFAP, paso 7) el PEMS debe estar instalado, y operando asegurándose que todos sus componentes estén calibrados. La operación termina en la fase FL paso 5.

Al terminar la prueba se capturan los datos registrados en el Formato para el WBT en el archivo Excel con macros “WBT_spreadsheet”. Al importar los datos de la prueba se genera automáticamente un libro excel de resultados que contiene las hojas: Data Import, WBT, Results, Logger Data, Raw Data, Assumptions, Calorific Valeus.

a) Data Import: su función principal es importar los datos crudos del archivo “.csv” al libro de cálculo Excel. Contiene el campo para importar datos del archivo “.csv”, los tiempos de inicio y fin de las tres fases de la prueba, un cuadro de consumo de combustible y emisiones totales, una gráfica de concentraciones de CO y PM durante la prueba y un cuadro de lecturas de presión en la sección de toma de muestra.

b) WBT: en esta hoja se capturan los datos del formato WBT al libro Excel, es decir las temperaturas del ambiente y del agua en las ollas, los pesos de las ollas, la humedad del combustible, etc.

c) Results: es la hoja de resultados detallados. Contiene una gráfica de las concentraciones de CO y CO2 y otra de concentración de material particulado y humedad relativa. Presenta una tabla de Tiers, medidas estándar de desempeño (SPM), valores de eficiencia, consumo específico de combustible, potencia, emisiones de gases y particulados, tiempos de cocción, etc.

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d) Logger Data: contiene los datos de flujo, temperatura, humedad relativa, balance de carbono y concentraciones de CO, CO2 y PM que se midieron y registraron durante la prueba.

e) Raw Data: contiene los datos “crudos” en unidades “log”. Para obtener los resultados en unidades físicas (ppm, g/m3, ºC, tec) se multiplica cada entrada por un coeficiente de equivalencia.

f) Assumptions: contiene los supuestos de cálculo y coeficientes de calibración.

g) Calorific Values: contiene una lista de poderes caloríficos de algunos combustibles fósiles, especies de árboles, residuos de cosecha y estiércol.

Los resultados principales WBT con evaluación de emisiones son los Tier y las Standard Performance Measures (SPM). Los Tier son criterios de valor que sirven para clasificar una máquina por su nivel de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y de otros contaminantes a la atmósfera, se desarrollaron en EUA

en 1991 para clasificar automóviles. La Tabla 2 muestra nueve conceptos de Tiers para calificar estufas mejoradas, que incluyen eficiencia térmica, consumo específico de combustible, emisiones de gases y particulados y seguridad.

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Tabla 2. ISO VITA WBT Tiers.

ISO VITA WBT Tiers units Tier 0 Tier 1 Tier 2 Tier 3 Tier 4

High Power Thermal Efficiency % <15 ≥15 ≥25 ≥35 ≥45

Low Power Specific Consumption MJ/min/L >0.05 ≤0.05 ≤0.039 ≤0.028 ≤0.017

High Power CO g/MJd >16 ≤16 ≤11 ≤9 ≤8

Low Power CO g/min/L >0.20 ≤0.20 ≤0.13 ≤0.10 ≤0.09

High Power PM mg/MJd >979 ≤979 ≤386 ≤168 ≤41

Low Power PM mg/min/L >8 ≤8 ≤4 ≤2 ≤1

Indoor Emissions CO g/min >0.97 ≤0.97 ≤0.62 ≤0.49 ≤0.42

Indoor Emissions PM mg/min >40 ≤40 ≤17 ≤8 ≤2

Safety <45 ≥45 ≥75 ≥88 ≥95

La Tabla 3 muestra las SPM de una estufa mejorada para realizar una tarea concreta: cocinar 5 litros de agua durante 45 minutos. Incluye las cantidades totales consumidas de combustible y energía, CO, CO2, PM y Black Carbon emitidos, y el tiempo transcurrido durante la prueba.

Tabla 3. SPM para una estufa mejorada.

Medidas estándar de desempeño (SPM) para cocinar 5 L de agua unidades

Combustible consumido g

Monóxido de carbono CO g

Partículas PM mg

Energía KJ

Dióxido de carbono CO2 g

Black Carbon BC mg

Tiempo para llevar a ebullición min

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1.4.2.1 Corrección de los tiempos iniciales y finales de cada prueba.

1. En la hoja WBT se pueden observar los tiempos iniciales y finales de cada prueba. Sin embargo, es necesario precisar la hora en la que comenzó y finalizó cada una de las fases de la prueba.

2. Los tiempos iniciales exactos (hora, minutos y segundos) se pueden corroborar en la hoja de Logger Data en la columna de PM (µg/m3). Se identifica la celda en la cual la concentración aumenta considerablemente y se marca como el tiempo inicial en el que comenzó la fase de la WBT.

3. De igual forma, los tiempos finales exactos (hora, minutos y segundos) se identifican en la hoja de Logger Data cuando en la columna de la concentración de CO2 (ppm) se mantienen constantes los valores. Se identifica la celda en la cual la concentración disminuye abruptamente y no vuelve a tener un valor superior y se marca como el tiempo inicial en el que comenzó la fase de la WBT.

4. Es recomendable identificar las celdas de los tiempos iniciales y finales de cada prueba.

5. Una vez hecho el paso 4, en la hoja WBT se corrigen los tiempos iniciales y finales con los tiempos iniciales y finales exactos (hora, minutos y segundos).

6. De esta forma se puede conocer la duración de las 3 fases de la prueba WBT.

1.4.2.2 Balances de carbono

El balance de carbono es el parámetro principal para realizar la evaluación de

emisiones WBT tanto de las estufas ahorradoras como del dispositivo tradicional. El balance de carbono cuantifica las entradas y salidas de carbono durante una prueba WBT y el valor para cada una de las fases se puede encontrar en la hoja de resultados. Para que exista una interpretación confiable de los resultados de las emisiones WBT, es necesario que el balance de carbono para las tres fases (inicio

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frío, inicio caliente y fuego lento) se encuentre cercano al 100%. Sin embargo, puede existir variación en la estimación de los balances de carbono originando sobreestimación (>100%) y subestimación (<100%) de las entradas y salidas de carbono. Un balance subestimado se puede mejorar con la cuantificación de otros gases que contiene carbón como el metano (CH4), hidrocarburos totales no metánicos (TNMHC, por sus siglas en inglés) y compuestos orgánicos volátiles (COV). Por otra parte, un balance de carbono sobreestimado es el resultado de cuantificar más carbono del que está entrando al momento de realizar la prueba. Existen diversas causas que pueden afectar el consumo de combustible y por consiguiente la entrada de carbono durante una prueba WBT. Algunas de estas

razones son: la habilidad y práctica del probador de la estufa, el contenido de humedad, el diseño de la estufa, etc. Como resultado de la variabilidad en las emisiones de CO, CO2 y PM en las tres fases de la prueba, el promedio de la salida de carbono en las estufas eficientes puede ser mayor al de la entrada dando como resultado un balance sobreestimado. Otra de las razones para que exista fluctuación en los balances es que el consumo de leña no es constante durante las fases de la WBT lo que ocasiona variabilidad en la cuantificación de la cantidad de carbono. Por último, el grado de error del equipo de medición (PEMS) también puede ser otra de las causas para que exista variación en los balances de carbono. La forma en la que el PEMS estima los balances de carbono es la siguiente:

푪풂풓풃풐풏풐 풅풆 풆풏풕풓풂풅풂= (푔푟푎푚표푠 푑푒 푚푎푑푒푟푎 ℎú푚푒푑푎 푐표푛푠푢푚푖푑푎) ∗ (1 −퐻 )∗ (푓푟푎푐푐푖ó푛 푑푒 푐푎푟푏표푛표 푒푛 푙푎 푚푎푑푒푟푎)− (푔푟푎푚표푠 푑푒 푐푎푟푏ó푛 푝푟표푑푢푐푖푑표 푑푢푟푎푛푡푒 푐푎푑푎 푓푎푠푒 ∗ 0.81)

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏ)

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푪풂풓풃풐풏풐 풅풆 풔풂풍풊풅풂

= (푔푟푎푚표푠 푡표푡푎푙푒푠 푑푒 퐶푂)푝푒푠표 푚표푙푒푐푢푙푎푟 푑푒푙 퐶푝푒푠표 푚표푙푒푐푢푙푎푟 푑푒푙 퐶푂

+ (푔푟푎푚표푠 푡표푡푎푙푒푠 푑푒 퐶푂 )푝푒푠표 푚표푙푒푐푢푙푎푟 푑푒푙 퐶푝푒푠표 푚표푙푒푐푢푙푎푟 푑푒푙 퐶푂

+ (0.91 ∗ 푔푟푎푚표푠 푡표푡푎푙푒푠 푑푒 푃푀)

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟐ)

Donde:

퐻 = Humedad base húmeda =Humedad base seca

(1 + Humedad base seca) (퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟑ)

La humedad base seca (HBS) se obtiene con las mediciones del higrómetro. El contenido de carbono es de 50% como se puede observar en la hoja de supuestos y el contenido de carbono en el carbón residual es de 81%. La estimación de las emisiones totales se debe realizar de acuerdo a la duración de cada fase. También,

se supone que la cantidad de carbono en el material particulado es igual a 91%. En la hoja de Logger Data se presenta una columna en la que se calcula la masa integrada para PM, CO y CO2. Una vez que se ha hecho la corrección de tiempo como se indica en la sección 1.4.2.1 en la hoja de Data Import se puede observar la fila donde inicio y finalizó cada prueba (Start row & End row) un ejemplo de esto sería:

Tabla 4. Corrección de tiempo para inicio y final de cada fase en el WBT. Inicio en frío Inicio en caliente Fuego lento

Celda de inicio 450 2038 3058

Celda de final 1798 2938 4330

Para cuantificar la cantidad de emisiones en la fase de inicio en frío tendríamos que hacer lo siguiente suponiendo que la masa integrada del CO2, CO y PM se encuentra en la columna AB, W y R respectivamente:

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푃푎푟푎 푔 (푐)푒푛 퐶푂:′퐿표푔푔푒푟 퐷푎푡푎 !푊1798− 퐿표푔푔푒푟 퐷푎푡푎 !푊450

28 ∗ 12

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟒ)

푃푎푟푎 푔 (푐)푒푛 퐶푂 :′퐿표푔푔푒푟 퐷푎푡푎 !퐴퐵1798− 퐿표푔푔푒푟 퐷푎푡푎 !퐴퐵450

44 ∗ 12

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟓ)

푃푎푟푎 푔 (푐) 푃푀:(′퐿표푔푔푒푟 퐷푎푡푎 !푅1798− 퐿표푔푔푒푟 퐷푎푡푎 !푅450) ∗ 0.91

1000000

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟔ)

De igual forma para las otras dos fases. Esta es una forma rápida y sencilla de obtener los balances de carbono. Sin embargo, es muy común que se obtengan balances sub o sobre estimados de esta forma principalmente debido a que las emisiones totales de CO, CO2 y PM depende de muchas otras variables como flujos másicos, molares, temperatura, densidad y añadiendo el grado de error del PEMS en la medición, la estimación de los balances puede no ser la eficaz. Por tal razón existe una forma mucho más precisa para la estimación de los balances con base a las concentraciones obtenidas en cada fase para cada contaminante. La lista de pasos se hace a continuación:

1. Hacer un promedio de las concentraciones de CO (ppm), CO2 (ppm) y PM (µg/m3) que se encuentran en la hoja de Logger Data con base en la fila inicial y final de cada fase.

2. En la hoja de resultados se localiza el Background para PM, CO y CO2. 3. Para obtener las concentraciones reales es necesario restar las

concentraciones de background a las concentraciones promedio.

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4. Se hace la conversión de ppm a mg C/m3 con la siguiente ecuación:

퐶푂 (푚푔 퐶푚 ) = [퐶푂 푝푝푚] ∗

1224.45

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟕ)

퐶푂(푚푔 퐶푚 ) = [퐶푂 푝푝푚] ∗

1224.45

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟖ)

푃푀(푚푔 퐶푚 ) = 푃푀

휇푔푚 ∗ 0.001 ∗ 0.91

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟗ)

5. En la hoja de WBT se extraen los valores de madera húmeda consumida (Wood consumed moist), la humedad en base húmeda y de la hoja de supuestos el contenido de carbono en la madera.

6. La estimación del carbono neto de entrada se hace con la misma ecuación:

푪풂풓풃풐풏풐 풅풆 풆풏풕풓풂풅풂= (푔푟푎푚표푠 푑푒 푚푎푑푒푟푎 ℎú푚푒푑푎 푐표푛푠푢푚푖푑푎) ∗ (1− 퐻 )∗ (푓푟푎푐푐푖ó푛 푑푒 푐푎푟푏표푛표 푒푛 푙푎 푚푎푑푒푟푎)− (푔푟푎푚표푠 푑푒 푐푎푟푏ó푛 푝푟표푑푢푐푖푑표 푑푢푟푎푛푡푒 푐푎푑푎 푓푎푠푒 ∗ 0.81)

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟎ)

7. Para estimar la salida de carbono:

퐶푂 표푢푡 =( )

( ) ( ) ( ) ∗ 푐푎푟푏표푛표 푛푒푡표 푑푒 푒푛푡푟푎푑푎

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟏ)

퐶푂 표푢푡 =( )

( ) ( ) ( )∗ 푐푎푟푏표푛표 푛푒푡표 푑푒 푒푛푡푟푎푑푎

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟐ)

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푃푀 표푢푡 =( )

( ) ( ) ( )∗ 푐푎푟푏표푛표 푛푒푡표 푑푒 푒푛푡푟푎푑푎

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟑ)

2.4.2.3 Factores de emisión

Durante la combustión de la leña, el carbono contenido en la madera se convierte principalmente a partículas suspendidas totales (TSP, por sus siglas en inglés), CO, CO2 y compuestos orgánicos volátiles. Una pequeña fracción del carbono en el combustible se convierte en ceniza o permanece como material parcialmente quemado (carbón). Los factores de emisión para un contaminante se definen como la masa del contaminante emitido por la masa del combustible consumido (quemado). Para la estimación de los factores de emisión se utilizaron las concentraciones en mg C/m3 de CO2, CO, PM, la cantidad de leña consumida (quemada) y la cantidad de carbón producida en cada una de las fases de la prueba WBT .Los factores de emisión se estimaron utilizando las siguientes ecuaciones:

푪풇 − 푪풂 = 푪푪푶ퟐ + 푪푪푶 + 푪푷푴

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟒ)

Donde:

퐶 = 푚푎푠푎 푑푒 푐푎푟푏표푛표 푝푟푒푠푒푛푡푒 푒푛 푙푎 푙푒ñ푎

퐶 = 푚푎푠푎 푑푒 푐푎푟푏표푛표 푒푛 푒푙 푐푎푟푏ó푛 푝푟표푑푢푐푖푑표

퐶 ,퐶 ,퐶 = 푚푎푠푎 푑푒 푐푎푟푏표푛표 푒푛 퐶푂 ,퐶푂,푃푀

Dividiendo entre la masa de carbono de CO2 la ecuación (14) queda:

푪풇 − 푪풂푪푪푶ퟐ

= ퟏ +푪푪푶푪푪푶ퟐ

+푪푷푴푪푪푶ퟐ

= ퟏ + 푲

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟓ)

19

푲 =푪푪푶푪푪푶ퟐ

+푪푷푴푪푪푶ퟐ

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟔ)

Donde:

퐶퐶 ,

퐶퐶 = 푟푒푙푎푐푖표푛푒푠 푑푒 푒푚푖푠푖ó푛 푑푒 퐶푂,푃푀

퐾 = 푒푠 푙푎 푠푢푚푎 푑푒 푙푎푠 푟푒푙푎푐푖표푛푒푠 푑푒 푒푚푖푠푖ó푛 푑푒푙 퐶푂,푃푀 푟푒푠푝푒푐푡표 푎푙 퐶푂

De la ecuación (15) tenemos:

푪푪푶ퟐ =푪풇 − 푪풂ퟏ + 푲

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟕ)

Para el factor de emisión para carbono en CO2:

푭푬풎,푪푶ퟐ 푪 =푪풇 − 푪풂

(ퟏ+ 푲)푴

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟖ)

Donde:

푀 = 푚푎푠푎 푑푒 푐표푚푏푢푠푡푖푏푙푒 푐표푛푠푢푚푖푑표 (푞푢푒푚푎푑표)

A partir de la ecuación (18) y con la relación molar de emisión podemos calcular los factores de emisión para cualquier otro contaminante con la siguiente ecuación:

푭푬풎,푿 = 푭푬풎,푪푶ퟐ 푪푪푿푪푪푶ퟐ

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟏퟗ)

Donde:

퐹퐸 , = 푓푎푐푡표푟 푑푒 푒푚푖푠푖ó푛 푑푒 푋

퐶 = 푐표푛푐푒푛푡푟푎푐푖ó푛 푚표푙푎푟 푑푒 푋

20

2.4.2.4 Eficiencia Nominal de Combustión

La Eficiencia Nominal de Combustión (NCE, por sus siglas en inglés) es un parámetro para determinar la calidad de la combustión tanto de las estufas mejoradas como del fogón tradicional. La NCE se determina mediante la relación molar (moles) de CO2 dividida entre la sumatoria d la cantidad de CO2 y CO. La NCE o Eficiencia Modificada de Combustión se define como la relación de energía que se libera en la combustión por la energía en el combustible (Johnson y col., 2010). La NCE se determinó siguiendo la siguiente ecuación:

푬풇풊풄풊풆풏풄풊풂 푵풐풎풊풏풂풍 풅풆 푪풐풎풃풖풔풕풊ó풏 =풎풐풍풆풔 풅풆 푪푶ퟐ

풎풐풍풆풔 풅풆 (푪푶ퟐ + 푪푶)

(퐄퐜퐮퐚퐜퐢ó퐧 ퟐퟎ)

21

1.5. Formato para prueba de ebullición de agua (WBT) con el uso del PEMS

Figura 1. Formato para captura de datos en la prueba WBT usando el PEMS.