UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”

“DISEÑO DE PLANCHA A GAS EFICIENTE”

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PARA OPTAR AL GRADO DE

INGENIERO MECÁNICO

POR:

ANTONIO ADOLFO BLANCO RAUDA

CÉSAR ANTONIO GALDÁMEZ NÚÑEZ

OCTUBRE DE 2012

ANTIGUO CUSCATLAN, EL SALVADOR, C.A.

RECTOR

ANDREU OLIVA DE LA ESPERANZA, S.J.

SECRETARIA GENERAL

CELINA PÉREZ RIVERA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

CARLOS GONZALO CAÑAS GUTIERREZ

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA

DIRECTOR DEL TRABAJO

MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA

LECTOR

LUIS AARÓN MARTINEZ

AGRADECIMIENTOS

Queremos darle las gracias a Dios ya que gracias a su voluntad hemos culminado nuestra

carrera y agradecerle a nuestros padres por habernos brindado su apoyo y consideración

durante todos estos años.

También queremos dar las gracias a todos nuestros catedráticos que nos brindaron sus

conocimientos y nos ayudaron a convertirnos en profesionales, en especial al Ing. Mario

Chávez por haber sido nuestro asesor y haberse tomado el tiempo para guiarnos en

nuestro proceso de graduación, al señor Gustavo Peña de Stove Team quien compartió

con nosotros su trabajo y a la pupusería Rosy que nos abrieron sus puertas para realizar

nuestra investigación.

César Galdámez y Antonio Blanco

DEDICATORIA

Queremos dedicar este trabajo a todas aquellas personas que nos han apoyado durante

estos años de estudio y durante el transcurso de nuestras vidas. A nuestros amigos de

desvelos y estudios que compartieron día a día alegrías y tristezas pensando siempre en

salir adelante. Especialmente deseamos dedicar este esfuerzo a nuestras familias, quienes

siempre nos han apoyado y nos han dado palabras de aliento cuando más lo necesitamos.

César Galdámez y Antonio Blanco

i

RESUMEN

La vida moderna depende del consumo de hidrocarburos, desde la construcción y

transporte hasta la alimentación. La importancia de este recurso no renovable a través de

los años ha provocado que su valor sea uno de los pilares de la economía mundial.

Desde siempre el precio de los hidrocarburos ha ido en aumento, afectando cada uno de

los sectores de la economía. El gas propano, uno de los derivados del petróleo más usados

para la preparación de alimentos, ha sido afectado por la crisis mundial y directamente,

en el caso de El Salvador, por la liberación del precio de referencia establecido por el

gobierno.

Lo antes descrito genera preocupación y también la necesidad de realizar investigaciones

que ayuden a mejorar la eficiencia de los equipos de cocina que utilizan gas propano como

combustible.

En El Salvador los negocios de comida ocupan un lugar muy importante dentro de la

economía y la sociedad, ya que los alimentos tradicionales, como las pupusas y las

tortillas, los podemos encontrar desde las esquinas de las viviendas hasta en los grandes

centros comerciales, estos negocios tienen un alto consumo de cilindros de gas propano y

en su mayoría tienen planchas de construcción artesanal las cuales no han sido diseñadas

bajo ningún tipo de estudio de ingeniería y por lo tanto la eficiencia de las mismas no es

conocida y se presume muy baja.

En este trabajo se presenta un estudio realizado a planchas mediante el diseño asistido

por computadora y el análisis dinámico de fluidos computacional, para obtener un modelo

de plancha a gas eficiente, que reduzca los costos de operación, el consumo de gas

propano y las enfermedades de personas que operan las planchas a gas.

ii

INDICE

RESUMEN ................................................................................................................................. i

INDICE DE FIGURAS .............................................................................................................. viii

SIGLAS ..................................................................................................................................... x

UNIDADES DE MEDIDA ......................................................................................................... xii

SIMBOLOGÍA ........................................................................................................................ xiv

CAPITULO 1: GENERALIDADES DE PLANCHAS A GAS ............................................................. 1

1.1 PLANCHAS A GAS EN EL SALVADOR ......................................................................... 1

1.1.1 Plancha a Gas ................................................................................................................. 1

1.1.2 Planchas de barro .......................................................................................................... 1

1.1.3 Planchas de hierro y acero inoxidable ........................................................................... 2

1.1.4 Funcionamiento de una plancha a gas .......................................................................... 3

1.1.5 Materiales de construcción ........................................................................................... 3

1.2 GAS PROPANO .......................................................................................................... 5

1.2.1 Definición: ...................................................................................................................... 5

1.2.2 Características físicas del gas propano .......................................................................... 6

1.2.3 Gas propano y sus usos .................................................................................................. 6

1.2.4 Forma de almacenamiento ............................................................................................ 7

1.2.5 Combustión del Gas propano ........................................................................................ 7

1.3 TRANSFERENCIA DE CALOR .............................................................................................. 8

1.3.1 Conducción .................................................................................................................... 8

1.3.2 Convección ..................................................................................................................... 9

1.3.3 Radiación ........................................................................................................................ 9

CAPITULO 2: ESTUDIO DE COMPORTAMIENTO DE UNA PLANCHA A GAS ........................... 11

2.1 INVESTIGACIÓN DE CAMPO ............................................................................................ 11

2.1.1 Primera Fase ................................................................................................................ 11

2.1.2 Segunda Fase ....................................................................................................... 13

2.2 ESTUDIOS RELACIONADOS ......................................................................................... 16

2.2.1 Stove Team .......................................................................................................... 16

2.2.2 Fundación Shell .................................................................................................... 18

CAPITULO 3: SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................... 19

3.1 SIMULACIÓN MEDIANTE SOFTWARE CFD .................................................................. 19

3.2 SIMULATION CFD 2013 ............................................................................................... 20

3.2.1 Simulación del modelo base ................................................................................ 20

3.2.2 Cargas de flujo...................................................................................................... 20

3.2.3 Cargas de transferencia de calor ......................................................................... 21

3.3 VALIDACIÓN DEL MODELO ......................................................................................... 22

3.3.1 Resultados de validación de modelo ................................................................... 23

3.4 CAMBIOS AL MODELO ................................................................................................ 25

3.4.1 Escenario 1: Entradas de aire inferiores .............................................................. 26

3.4.2 Escenario 2: Quemadores a 3 cm de la plancha .................................................. 27

3.4.3 Escenario 3: Plancha de acero inoxidable AISI 304 ............................................. 28

3.4.4 Escenario 4: Disminuir pérdidas por alta temperatura en gases en las salidas .. 29

3.4.5 Escenario 5: Disminuir pérdidas por radiación con papel aluminio .................... 30

3.5 COMPARACIÓN ENTRE ESCENARIOS ...................................................................... 32

CAPITULO 4: MODELO DE PLANCHA PROPUESTO ............................................................... 36

4.1 PLANCHA A GAS EFICIENTE ......................................................................................... 36

4.1.1 Diseño de plancha ................................................................................................ 36

4.1.2 Diseño de cámara de combustión ....................................................................... 37

4.1.3 Diseño de quemadores ........................................................................................ 40

4.2 DISEÑO FINAL DE PLANCHA A GAS EFICIENTE ............................................................ 43

CAPITULO 5: PLANOS CONSTRUCTIVOS ............................................................................... 46

5.1 ENSAMBLE COMPLETO ................................................................................................... 46

5.2 CAMARA DE COMBUSTION ............................................................................................. 47

5.3 CARCASA DE CAMARA DE COMBUSTIÓN ....................................................................... 48

5.4 RIEL CON QUEMADORES ................................................................................................ 49

5.5 QUEMADOR .................................................................................................................... 50

5.6 BASE DE PLANCHA .......................................................................................................... 51

5.7 PLANCHA ......................................................................................................................... 52

5.8 ESTRUCTURA DE SOPORTE ............................................................................................. 53

5.9 VÁLVULA ......................................................................................................................... 54

5.10 TAPON PERFORADO ...................................................................................................... 55

5.11 INYECTOR ...................................................................................................................... 56

CAPITULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................... 57

6.1 CONCLUSIONES ............................................................................................................... 57

6.2 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 58

REFERENCIAS......................................................................................................................... 59

ANEXO A

ANEXO A. GAS ORIFFICE CAPACITY CHART (CARTA DE CAPACIDAD DE ORIFICIOS DE GAS)

vii

INDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Composición comercial del gas propano ………………...............................................6

Tabla 1.2. Características físicas del gas propano .……………......................................………….6

Tabla 2.1. Moda de planchas ………………….............................................…............................11

Tabla 2.2. Resumen de mediciones de tiempo y temperatura……………..............................13

Tabla 2.3. Resumen de consumo de gas.…………………………..................................................14

Tabla 2.4. Diferencia de masa entre masa para tortilla y tortilla cocida ............................15

Tabla 3.1. Flujo másico de gas y aire................................................….................................21

Tabla 3.2. Calculo de flujo de calor….............................................…....................................21

Tabla 3.3 Resumen de resultado de simulaciones y porcentaje de ahorro….......................34

viii

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Tortillas y Pupusas…………………................................................…..........................1

Figura 1.2. Plancha de barro……................................................…..........................................2

Figura 1.3. Modelo de plancha convencional........................................................................2

Figura 1.4. Tubo cuadrado de hierro……………................................................….....................3

Figura 1.5. Lamina……………................................................….................................................4

Figura 1.6. Platin...........................................…................................................…....................4

Figura 1.7. Tambo de gas de 25 lb…………................................................…............................5

Figura 1.8. Estructura molecular del gas propano.................................................................5

Figura 1.9. Partes de la llama………................................................…......................................7

Figura 2.1. Quemadores de plancha en estudio……...............................................…...........14

Figura 2.2. Modelo de moda de planchas………................................................….................15

Figura 2.3. Diseño convencional de cocina ecológica……................................................…..16

Figura 2.4. Diseño de plancha ecológica………................................................…...................17

Figura 3.1. Modelo original con cargas……................................................…........................22

Figura 3.2. Validación térmica del modelo original…................................................…........23

Figura 3.3. Validación de flujo del modelo original…...................................................….....24

Figura 3.4. Esquema de distribución de agujeros inferiores….............................................25

Figura 3.5. Resultados de simulación escenario 1…................................................…..........26

Figura 3.6. Resultados de simulación escenario 2 ……................................................…......27

Figura 3.7. Resultados de simulación de escenario 3….................................................…....28

Figura 3.8. Resultados de simulación de escenario 4….................................................…....29

Figura 3.9. Resultados obtenidos de la simulación del escenario 5..…................................30

Figura 3.10. Experimento casero que demuestra los resultados obtenidos

en el escenario 4…...........................................................................…............31

Figura 3.11. Escala de comparación…..................................................................................31

Figura 3.12. Escenario 1 en una escala de 200 a 370 ºC…...................................................32

ix

Figura 3.13. Escenario 2 en una escala de 200 a 370 ºC…...................................................32

Figura 3.14. Escenario 3 en una escala de 200 a 370 ºC…................................................….33

Figura 3.15. Escenario 4 en una escala de 200 a 370 ºC….................................................…33

Figura 3.16. Escenario 5 en una escala de 200 a 370 ºC…...................................................34

Figura 4.1. Plancha mejorada…................................................….........................................36

Figura 4.2. Angulo de diseño de la carcasa de la cámara de combustión.…........................37

Figura 4.3. Cámara de combustión de plancha a gas eficiente….........................................38

Figura 4.4. Flujo de aire dentro de la cámara de combustión…...........................................38

Figura 4.5. Llama de quemadores de plancha base…..................................................…......39

Figura 4.6. Quemador de Horno de cocina de ga….................................................…..........40

Figura 4.7. Modelo base de quemadores…................................................….......................41

Figura 4.8. Detalle de zona de pre-mezcla gas y aire…........................................................41

Figura 4.9. Diseño de quemadores….................................................…................................42

Figura 4.10. Plancha a gas eficiente…................................................…................................43

Figura 4.11. Simulación del modelo propuesto. Escala de 100 a 350 °C…...........................43

Figura 4.12. Modelo final con un juego de quemadores activo. Escala de 100 a 350 Cº.44

Figura 4.13. Modelo final de plancha a gas…................................................…....................45

x

SIGLAS

AISI : American Iron and Steel Institute (Instituto Americano de Hierro y Acero)

ASME : American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros

Mecánicos)

ASTM : American Society for Testing and Materials (Sociedad Estadounidense para

Pruebas y Materiales).

API : American Petroleum institute (Instituto americano del petróleo)

CFD : Computational Fluid Dynamics (Dinámica de fluidos computacional)

FDA : Food and drug administration (Administración de alimentos y

medicamentos, Estados Unidos)

xi

xii

UNIDADES DE MEDIDA

°C : celsius, grados.

cm : centímetro

h : horas

in(”) : pulgadas

kg : kilogramo

kcal : kilocalorías

kJ : kiloJoules

lb : libras

m : metros

m3 : metros Cúbicos

min : minutos

mm : milímetro

psi : libras sobre pulgadas cuadradas

s : segundos

W : Watt

xiii

xiv

SIMBOLOGÍA

% : Porcentaje

ρ : Densidad

C : Carbono

g : Gravedad

H : Hidrogeno

O : Oxígeno

W : Potencia (Watts)

xv

1

CAPITULO 1: GENERALIDADES DE PLANCHAS A GAS

1.1 PLANCHAS A GAS EN EL SALVADOR

1.1.1 Plancha a Gas

Una plancha a gas es una cocina metálica de formas variadas construidas generalmente de

hierro o de acero inoxidable, son usadas para la elaboración de alimentos principalmente

tortillas y pupusas.

Las tortillas son un producto alimenticio de gran demanda en El Salvador y en muchos

países de Latinoamérica, son elaboradas con una masa producida de la molienda del maíz

y luego son cocidas en planchas de leña o de gas.

Las pupusas son una variante de las tortillas cuya diferencia radica en que internamente

llevan un ingrediente extra que puede variar entre frijoles, chicharrón, queso, loroco,

camarones, entre otros, dependiendo de la creatividad de la persona que las produce.

Figura 1.1. Tortillas y Pupusas [elsalvador.travel]

La cocción de las tortillas y de las pupusas como se mencionó anteriormente es realizada

en la superficie de una plancha que se encuentra a una temperatura elevada y cuyo

material puede variar entre barro, hierro y acero inoxidable

1.1.2 Planchas de barro

Este tipo de plancha es la más antigua ya que es usada desde la época precolombina para

la cocción de alimentos, son cocinas artesanales cuya cámara de combustión es construida

con ladrillos y su plancha, también llamada comal, es construida con arcilla moldeada.

2

Actualmente muchas personas en el campo utilizan este modelo de plancha, porque les

resulta funcional y barata.

Figura 1.2. Plancha de barro [chaletvicentino.com]

1.1.3 Planchas de hierro y acero inoxidable

Las planchas de hierro y acero inoxidable son las mas usadas en el área urbana, más que

todo en las ventas de tortillas y pupusas. La forma geométrica de estas planchas puede

cambiar de acuerdo al fabricante y en nuestro país la mayoría son fabricadas

artesanalmente, lo cual produce una gran variedad.

En la figura 1.3 se muestra una plancha que comúnmente puede ser encontrada en una

pupusería de El Salvador

Figura 1.3. Modelo de plancha convencional [lapaz.quebarato.com.sv]

Como ya se mencionó anteriormente las planchas que funcionan con gas son

generalmente fabricadas de hierro o acero inoxidable. La diferencia entre ambas radica en

primer lugar en el costo, ya que las cocinas de acero inoxidable son mucho más costosas

que las de hierro pero a su vez, proveen la ventaja de poseer un grado alimenticio

3

otorgado por la FDA que es la administradora de alimentos y medicamentos de Estados

Unidos que las hace más higiénicas que las de hierro. Además, la vida útil de las cocinas de

acero inoxidable por sus características de resistencia a la corrosión es mucho mayor que

la de las cocinas de hierro.

1.1.4 Funcionamiento de una plancha a gas

Como ya se ha mencionado anteriormente, las planchas son utilizadas para la cocción de

tortillas y pupusas y esto es posible a través del intercambio de calor por conducción que

reciben de la plancha que se encuentra a una temperatura aproximadamente de 350°C

(cuando esta sin tortillas o pupusas). La temperatura de la plancha es obtenida como

resultado de la combustión del gas propano, ya que al arder produce una llama luminosa

que irradia calor a la plancha y además el flujo de aire que se genera dentro de la cámara

de combustión contribuye a elevar la temperatura de la plancha. Llamamos cámara de

combustión a un volumen en el cual se encuentran los quemadores, que son los que

permiten la salida del gas y su mezcla con el aire presente en la cámara de combustión y

que con la presencia de una chispa permiten la combustión del gas produciendo la llama.

La cámara de combustión posee una entrada de aire y una salida de gases que son

resultado de la combustión.

1.1.5 Materiales de construcción

Los materiales ocupados son principalmente:

Tubo cuadrado de 1” chapa 16

Figura 1.4. Tubo cuadrado de hierro [Vidrí, El Salvador]

4

Lamina de 1/16” de espesor

Figura 1.5. Lamina [Vidrí, El Salvador]

Platinas de 1/8” de espesor x ½” de ancho

Figura 1.6. Platina [Vidrí, El Salvador]

Y su combustible es el gas propano, almacenado en cilindros el cual, en la mayoría de las

pupuserías tiene una capacidad de 25 lb

5

Figura 1.7. Tambo de gas de 25 lb [Clasificados, El Salvador]

1.2 GAS PROPANO

1.2.1 Definición:

El gas propano es el combustible que comúnmente ocupamos como fuente de energía

para la cocción de alimentos en nuestras casas, ha existido durante millones de años pero

fue descubierto hasta 1912 por científicos y justo un año después empezó a ser ocupado

por las personas para calentar sus casas.

El gas propano se encuentra debajo de la tierra mezclado con gas natural y petróleo y

puede ser separado mediante la limpieza y refinación.

El propano es un hidrocarburo alcano, también llamado hidrocarburo saturado

perteneciente a la familia de los hidrocarburos alifáticos los cuales contienen enlaces

simples entre carbono y carbono. Los alcanos responden a la formula:

Para el caso del gas propano tenemos:

6

Figura 1.8. Estructura molecular del gas propano [www.unprg.edu.pef]

Los gases licuados del petróleo comerciales no son gases puros, sino que llevan un

porcentaje máximo de otros gases y un porcentaje mínimo del gas que les da el nombre.

Una composición típica del gas propano comercial es la que se encuentra en la tabla 1.1.

Tabla 1.1. Composición comercial del gas propano [www.unprg.edu.pef]

Componente Porcentaje de

volumen

Etano (C2H6) 0.63

Propano (C3H8) 87.48

Isobutano (C4H10) 6.30

Butano normal

(C4H10)

5.59

1.2.2 Características físicas del gas propano

Tabla 1.2. Características físicas del gas propano [www.unprg.edu.pef]

Característica

Densidad 1.87 Kg/m3

Poder calorífico Superior 11.59 kcal/Kg

Poder calorífico inferior 11.082 kcal/Kg

Inflamabilidad inferior 2.37%

Inflamabilidad superior 9.50%

Temperatura de

ebullición

-44°C

1.2.3 Gas propano y sus usos

El gas propano es utilizado principalmente en la ciudad para la cocción de alimentos,

como combustible en trabajos de metalurgia, calefacción de viviendas, calentamiento de

agua y en algunos casos es ocupado como combustible para automóviles.

7

1.2.4 Forma de almacenamiento

Si se dispusiera almacenar el gas propano a presión atmosférica se necesitaría tanques

que mantuvieran una temperatura de -42 °C. Por tal razón el gas propano es almacenado

en recipientes cilíndricos o esféricos que trabajan a 150 psi aproximadamente según los

envasadores de zeta gas.

Los recipientes son diseñados por normas API, que consideran el diseño del recipiente a

presión como lo hace el código ASME sección VIII.

Debido a las altas presiones y el peligro de inflamabilidad de los hidrocarburos, existen

legislaciones para el almacenamiento de los mismos. En el caso de El Salvador la Asamblea

legislativa en la ley de hidrocarburos, título quinto del art. 51 al art. 53 menciona los

requisitos necesarios para el almacenamiento de hidrocarburos.

1.2.5 Combustión del Gas propano

Le Llamamos combustión al proceso exotérmico en el que combustible reacciona con el

oxigeno cuando se le añade calor, produciendo una manifestación sensible llamada llama,

que físicamente se manifiesta como luz y calor.

La llama irradia calor y normalmente son luminosas, pero en el caso de los hidrocarburos

son poco visibles.

La figura 1.9 muestra las partes generales de la llama

Figura 1.9. Partes de la llama [teleformacion.edu]

Dependiendo de la velocidad de propagación del frente de llama se distinguen tres

regímenes:

8

Oxidación lenta, en la cual la liberación de calor por unidad de tiempo es muy baja

y no se aprecia la característica principal de la llama, la luminosidad.

Deflagración, en la cual el frente de la llama o zona de reacción se propaga a una

velocidad inferior a la del sonido, este es el modo común de combustión.

Detonación, en el cual el frente de llama se propaga a una velocidad mayor que la

velocidad del sonido. Es el modo de combustión de las explosiones.

Para el caso particular del gas propano la reacción química que describe el proceso de

oxidación es:

Durante el proceso de combustión la energía química del combustible es liberada, la cual

es transferida al medio por conducción, convección y radiación, que son los distintos tipos

de transferencia de calor.

1.3 TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor es una forma de energía que se transmite de un medio de mayor temperatura a

un medio con temperatura más baja y es generado en procesos de fricción, en conducción

eléctrica, combustión entre otras.

Existen tres formas básicas de transferencia de calor las cuales Nasif Nahle las explica en

un artículo publicado por el mismo llamado “Transferencia de calor”

1.3.1 Conducción: Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las

moléculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. Las moléculas y los

electrones libres de la fracción de un sistema con temperatura alta, vibran con más

intensidad que las moléculas de otras regiones del mismo sistema o de otros sistemas en

contacto con temperaturas más bajas. Las moléculas con una velocidad más alta chocan

con las moléculas menos excitadas y transfieren parte de su energía a las moléculas con

menos energía en las regiones más frías del sistema. Las moléculas que absorben el

9

excedente de energía también adquirirán una mayor velocidad vibratoria y transmitirán

más calor.

1.3.2 Convección: Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido (líquido o

gaseoso). La convección es el desplazamiento de masas de algún líquido o gas. Cuando

una masa de un fluido se calienta al estar en contacto con una superficie caliente, sus

moléculas se separan y se dispersan, causando que la masa del fluido llegue a ser menos

densa. Cuando llega a ser menos denso se desplazará hacia arriba u horizontalmente hacia

una región fría, mientras que las masas menos calientes, pero más densas, del fluido

descenderán o se moverán en un sentido opuesto al del movimiento de la masa más

caliente (el volumen de fluido menos caliente es desplazado por el volumen más caliente).

Mediante este mecanismo los volúmenes más calientes transfieren calor a los volúmenes

menos calientes de ese fluido (un líquido o un gas).

1.3.3 Radiación: Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se

requiere de un medio para su propagación. La energía irradiada se mueve a la velocidad

de la luz. El calor irradiado por el Sol se puede intercambiar entre la superficie solar y la

superficie de la Tierra sin calentar el espacio de transición.

10

11

CAPITULO 2: ESTUDIO DE COMPORTAMIENTO DE UNA PLANCHA A GAS

2.1 INVESTIGACIÓN DE CAMPO

2.1.1 Primera Fase

Debido a la falta de información sobre el diseño de planchas a gas se ha realizado sondeo

en una muestra representativa de pupuserías para conocer los parámetros de operación

de las planchas.

Algunos de los datos importantes a tomar en cuenta fueron las dimensiones generales, la

temperatura de la plancha, temperatura ambiente, temperatura de las pupusas, entre

otros.

Debido a que como se mencionó anteriormente existen una gran variedad de diseños de

planchas para elaborar pupusas y tortillas, el primer estudio se centra en delimitar las

dimensiones geométricas de las planchas y medición de las temperaturas generales en

condiciones de trabajo normal. Para lograr este fin se realizaron mediciones a las planchas

de las pupuserías de las zonas más visitadas por los turistas y que por lo tanto tienen

mayor demanda. En la tabla 2.1 se muestra la moda de las mediciones realizadas.

Tabla 2.1. Moda de planchas

Dimensiones de la plancha

Largo Ancho Alto espesor de plancha

100 cm 50 cm 90 cm 1/8”

Temp. plancha 250 °C Temp. Ambiente 30 °C

Quemadores 4 Consumo de gas 1 tambo de gas diario

12

Durante las visitas realizadas a las pupuserías se pudieron observar los siguientes detalles:

La mayoría de las planchas no tienen refuerzos en la parte inferior lo que ocasiona

el hundimiento de la parte central

Debido a que las planchas no cuentan con lámina que cubra los alrededores de la

superficie de la plancha, las operarias de forma artesanal colocan cartón, plywood

o algún material que les sirva como barrera para la convección superficial.

No todas las pupuserías ocupan su plancha con los quemadores totalmente

abierto, e incluso en algunas pupuserías solo ocupan la mitad de la plancha

La distribución de los quemadores en las planchas de las pupuserías es muy variada

pero en todas están formados por tubos ya sea cuadrados o redondos de hierro

con agujeros en la superficie que ve a la plancha.

De este primer estudio se pueden obtener las siguientes conclusiones:

La geometría más común en las planchas tanto en pupuserías de mediana

demanda como en pequeñas es la de 100 cm de longitud x 50 cm de ancho x 90 cm

de altura.

La duración promedio de un tambo de gas de 25 lb es de 12 horas

La mayoría de planchas son construidas con hierro ASTM-36 (hierro negro).

La variación de espesor de las planchas es de 1/16”.

Las pupusas de maíz tardan más en cocinarse que las de arroz.

El promedio de tiempo de cocción de las pupusas es de 5 min.

La temperatura promedio de cocción de las pupusas en la plancha es de 87°C.

El diseño de las planchas que actualmente se está desarrollando en El Salvador no

esta basado en ningún tipo de estudio, sino que muchos diseños son elaborados en

base a la experiencia de las personas dedicadas a este rubro o simplemente a la

experiencia de las personas que operan las planchas las cuales dan un valioso

aporte en el proceso de diseño y fabricación.

13

2.1.2 Segunda Fase

Una vez obtenidas las conclusiones de la primera fase se delimitó el modelo de estudio,

tomando la moda de las dimensiones de planchas y centrando la recolección de

parámetros en ese modelo.

Se realizó una serie de visitas en la Pupusería Rosy ubicada en la Colonia Santa Mónica,

Santa Tecla, La Libertad, para poder obtener los datos necesarios que luego se ocuparían

para la simulación de la plancha en el software de análisis de elementos finitos.

La tabla 2.2 resume las mediciones tomadas en esta tortillería, durante el consumo de un

tambo de gas de 25 lb.

Tabla 2.2. Resumen de mediciones de tiempo y temperatura

Tiempo en calentar la plancha 7 min

Temp. Amb. Promedio 28 °C

Temp. Masa promedio 30 °C

Abertura de los quemadores Completa

Temp. Tambo sin ocupar 26 °C

Temp. Tambo en uso 20 °C

Tiempo Promedio en calentar 8.25 min

Temp. Plancha antes de

empezar 27.7 °C

Temp. Plancha al empezar 337.5 °C

Temp. Carcasa 120.5 °C

Temp. Debajo de plancha 166.5°C

Temp. Pupusas promedio 85.5 °C

Temp. Alrededor de pupusa 228 °C

Tiempo promedio por pupusa 4 min

Aprox. De pupusas en 5 min 14

14

Tabla 2.3. Resumen de consumo de gas

Horas

Utilizado

Peso del tambo

antes de iniciar (lb)

Diferencia de peso

(lb)

Día 1 3.12 50.4 -

Día 2 3.68 47 3.4

Día 3 1.81 35.4 11.6

Día 4 2.53 32 3.4

Día 5 2.58 29.2 2.8

Día 6 0.67 24.2 5

Total 14.39

Peso del tambo vacío 22.5 lb

En la figura 2.1 se muestra la cámara de combustión de la plancha que ha sido estudiada.

Se puede apreciar la distribución de los quemadores y la forma en la que es alimentada

por el gas.

Figura 2.1. Quemadores de plancha en estudio

15

Además de las mediciones antes mencionadas otro parámetro importante que se pudo

cuantificar es el peso de la masa necesaria para hacer una tortilla y el peso de la tortilla

una vez finalizada su cocción.

Dicho valor nos ayudará a calcular de una forma indirecta la cantidad de energía que se

transfiere en forma de calor de la plancha a la tortilla.

Tabla 2.4. Diferencia de masa entre masa para tortilla y tortilla cocida

Peso de la masa para tortilla Peso de tortilla después de

cocción

Diferencia de masa

82 g 60 g 22 g

Con los parámetros obtenidos de la medición se prosiguió a realizar un modelo virtual de

la plancha estudiada, y de esta forma poder simular en un software de dinámica de fluidos

computacional el comportamiento de la plancha.

La figura 2.2. muestra la moda de planchas, elaborado para iniciar el proceso de

simulación

Figura 2.2. Modelo de moda de planchas

16

2.2 ESTUDIOS RELACIONADOS

2.2.1 Stove Team

Uno de los estudios realizados en El Salvador para reducir el consumo de gas propano es

el realizado por el Sr. Gustavo Peña de Stove Team. Él plantea una solución para la cocción

de alimentos con unas cocinas ecológicas diseñadas por él mismo. Las cocinas funcionan

con la combustión de leña y direccionando el flujo del calor dentro de la cámara de

combustión, distribuyendo el calor proporcionalmente en la superficie a calentar y

guiando los gases de escape en una sola dirección, logrando de esta forma la eliminación

del consumo de gas y la reducción de la contaminación que produce la combustión de la

leña.

El precio de sus planchas igualan a los precios de las planchas que funcionan con gas, con

la diferencia que el combustible es más barato y la eficiencia de su plancha es muy buena,

según experimentos empíricos realizados por el señor Peña.

Figura 2.3. Diseño convencional de cocina ecológica

17

Además del diseño tradicional de cocina ecológica, el señor Peña ha desarrollado el diseño

de planchas ecológicas que funcionan bajo el mismo principio. Muchas personas de

Nahuilingo, lugar donde se encuentra ubicado Stove Team, han cambiado plancha de gas

propano por estas planchas ecológicas, ya que El señor Peña asegura que la inversión que

realizan las personas que compran sus planchas es recuperada en el intervalo de un mes.

Figura 2.4. Diseño de plancha ecológica

A pesar de que no ha podido cuantificar un porcentaje de eficiencia en sus diseños, ha

realizado estudios prácticos para tener una idea del ahorro que sus cocinas generan. Una

de las pruebas consiste en poner a hervir una cantidad de agua y cuantificar el tiempo en

el que llega a su temperatura de ebullición.

Las cocinas ecológicas están siendo estudiadas por muchas personas con diferentes

diseños, debido al alto precio del gas, el aprovechamiento del calor y la reducción de

contaminación al medio ambiente.

El señor Peña nos asegura que la mayor parte de mejoras realizadas a los diseños de sus

cocinas han sido producidos mediante la experiencia que le comparten las personas que

ocupan cocinas de leña.

A pesar de que el combustible utilizado por el señor Peña no es gas propano se obtuvieron

grandes aportes en la visita realizada a su empresa, respecto al aprovechamiento del calor

y se tomaron ideas que podrían mejorar la eficiencia de las planchas que funcionan con

gas.

18

2.2.2 Fundación Shell

Otro de los estudios relacionados es el realizado por el Dr. Larry Winiarski de Fundación

Shell, que al igual que el señor Peña Stove Team estudian la forma de optimizar la

combustión de la leña en cocinas artesanales.

El principio es básicamente el mismo, consiste en una cámara de combustión que

convierte la leña en calor sin crear mucho humo y ocupando solo la leña necesaria para

una buena combustión.

La meta de las estufas diseñadas por el Dr. Larry Winiarski es obtener una combustión

completa y a pesar de que sus diseños no logran obtenerla, el enumera ocho

características que debe de tener un diseño de estufa para lograr una combustión casi

completa.

1) Dividir la leña en trozos pequeños, meterlos al fuego a una velocidad apropiada es

decir según como se consumen.

2) Aumentar la temperatura de la combustión. La temperatura de la combustión

debe ser bastante caliente para quemar todos los gases lanzados por la leña.

3) Precalentar el aire que se incorpora a la cámara de combustión

4) Aprovechar la temperatura de los gases de escape, pasándolo a través de la llama.

5) Proporcionar el aire adecuado.

6) Calentar y aumentar la velocidad del aire frio que entra a la cámara de combustión.

7) Juntar la leña formando una rejilla, los trozos que se queman estando cercanos

unos con otros, mantienen alta la temperatura.

8) Crear una adecuada corriente de aire. Usar una chimenea adecuada, aislada y lo

suficientemente alta.

Fundación Shell ha llevado sus estudios de ingeniería aplicados a estufas ecológicas a

través de varios países y con sus investigaciones se dedican a ayudar a personas que

utilizan cocinas de leña y a la vez ayudan a reducir el deterioro del medio ambiente.

19

CAPITULO 3: SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

3.1 SIMULACIÓN MEDIANTE SOFTWARE CFD

Una vez elaborado el diseño virtual de la plancha se buscó un programa de simulación de

dinámica de fluidos computacional, o CFD por sus siglas en ingles, que ofreciera los

resultados aproximados de las condiciones reales a las que está sometida la plancha en la

que se realizaron las mediciones, así mismo, que pudiera incorporar al modelo los

distintos tipos de transferencia de calor llevados a cabo por la combustión y el flujo de los

gases dentro de la plancha.

La obtención de datos por medio de este software ayuda a crear prototipos digitales de la

plancha, a evaluar las distintas propuestas de mejoras y mostrar el impacto que tendrán

dichas propuestas en el modelo base y propuesto.

Para el desarrollo de este análisis computacional se seleccionó la versión 2013 del

software Simulation CFD distribuido por Autodesk Inc. que es obtenido en versión de

estudiante de forma gratuita.

La dinámica de fluidos estudia los movimientos de los fluidos (gases y líquidos), debido a

la acción de fuerzas, o a su interacción con otros medios y con el contorno que los

delimita.

En el caso del software CFD funciona basado en la aproximación de un número finito de

valores en puntos llamados nodos, que luego son iterados en ecuaciones cuyos resultados

convergen dando repuestas a cada uno de estos nodos.

Existen tres etapas en el proceso de análisis de CFD, las cuales son:

20

Cálculos previos: Formulación del problema, definición de condiciones de frontera

y generación de una malla de elementos finitos.

Solución de ecuaciones: En esta etapa se da lugar a la solución numérica de las

ecuaciones que gobiernan el problema

Análisis de resultados: Es la etapa mas importante, ya que es donde se debe

analizar si los resultados que se obtienen son lógicos y es donde tenemos que

tener parámetros claros de comparación con la realidad o con cálculos teóricos y

de esta forma validar los modelos futuros.

Siguiendo la estructura antes planteada se procede a realizar las primeras pruebas de

simulación empezando por la validación de los resultados obtenidos a partir de la

investigación de campo.

3.2 SIMULATION CFD 2013

3.2.1 Simulación del modelo base

En la simulación del modelo base buscamos recrear las condiciones reales de trabajo de la

plancha a gas, sometiendo el modelo a condiciones de flujo y transferencia de calor

obtenidas en las mediciones realizadas en el capítulo II.

Para la realización de este análisis se tomaron en cuenta dos grandes grupos de cargas en

el sistema: cargas de flujo y cargas de transferencia de calor.

3.2.2 Cargas de flujo

Las cargas de flujo buscan aproximar el modelo a la convección natural generada por la

temperatura interna, el flujo de gases de escape y la geometría real de la plancha. En

Autodesk Simulation CFD, se debe en primer lugar, especificar las entradas y las salidas de

flujo del sistema y para este caso, hemos seleccionado como salidas los espacios por

debajo de la plancha y se les ha asignado una presión manométrica igual a cero Psi,

mientras que se ha tomado como entrada el espacio rectangular que se encuentra en la

parte frontal de la cocina y se le ha asignado un flujo correspondiente al aire necesario

21

para garantizar una combustión completa en base al flujo de propano que se calcula

utilizando los datos de la tabla 3.1.

Tabla 3.1. Flujo másico de gas y aire

Flujo másico del

combustible 0.000229 kg/s

Relación aire-

combustible 15.55:1

Flujo másico del

aire 0.00355 kg/s

Densidad del aire 1.207kg/m3

Flujo volumétrico

del aire 0.00295 m3/s

El flujo volumétrico se calcula multiplicando el flujo másico del combustible, medido en el

capítulo II, por la relación estequiometria de aire, para la combustión del propano,

obteniendo el flujo másico del aire, el cual dividido entre la densidad a temperatura

ambiente da como resultado el flujo volumétrico de aire.

3.2.3 Cargas de transferencia de calor

Con las cargas de transferencia de calor buscamos recrear las temperaturas de la plancha,

cocina y gases de escape simulando la energía aportada al sistema por la combustión del

propano. En Autodesk Simulation CFD esta carga es añadida como un flujo total de calor

de entrada en la superficie de aire en contacto con los quemadores, calculando

previamente este flujo de calor como el poder calorífico inferior del combustible por el

flujo másico medido. Los datos utilizados en la simulación se encuentran en la tabla 3.2.

22

Tabla 3.2. Calculo de flujo de calor

Flujo másico del

combustible

0.000229

kg/s

Poder calorífico

inferior 46389.7kJ/kg

Flujo de calor total 10637.9 W

3.3 VALIDACIÓN DEL MODELO

Una vez definido los cálculos previos fue necesario añadir nuevas cargas que simulan las

pérdidas de calor que se dan en la plancha real, esto incluye las pérdidas de energía por la

alta temperatura en los gases de escape y el intercambio de calor del modelo con el medio

ambiente o aire exterior como cargas de convección y radiación.

Para añadir dichas pérdidas al modelo se escogió aplicar cargas de radiación y convección

a todas las superficies exteriores, añadiendo cargas de radiación con el valor de emisividad

del material usado y cargas de convección con coeficiente de película para convección

natural. Para simular las pérdidas por la alta temperatura en los gases de escape, se

redujo el flujo de calor en el modelo.

Una vez añadidas todas las cargas al modelo se itera hasta obtener los resultados

iniciales, los cuales ayudaran a ajustar las cargas para obtener los resultados más cercanos

a los reales y de esta forma utilizar dichas cargas para las simulaciones de mejoras

posteriores.

A continuación se muestra el modelo con todas sus cargas:

23

Figura 3.1. Modelo original con cargas

3.3.1 Resultados de validación de modelo

Luego de que el programa se encarga de realizar la resolución de las ecuaciones que

describen la solución del problema planteado, se obtienen los primeros resultados los

cuales deben de analizarse con cuidado, ya que estos se compararan directamente con los

resultados obtenidos de la investigación de campo.

En la figura 3.2 se muestra los resultados obtenidos

24

Figura 3.2. Validación térmica del modelo original

Efectivamente se puede comprobar que la temperatura de la plancha es de 350°C tal y

como se midió en la investigación de campo y la distribución de las isotermas alrededor de

la plancha concuerda con las mediciones y los comentarios realizados por la operaria de la

plancha que se ha estudiado.

Otro dato importante obtenido a partir de este análisis, el cual no había podido ser

cuantificado de ninguna forma en la investigación de campo, es la distribución del flujo de

aire dentro de la plancha el cual según se muestra en la figura es muy ineficiente, ya que

entra y sale en una sola dirección, sin distribuirse de una forma adecuada en toda la

superficie de la plancha.

25

Figura 3.3. Validación de flujo del modelo original

Es importante también hacer notar que la temperatura en la carcasa tal y como sucede en

la plancha real es muy alta, varia entre 120°C en los alrededores de la carcasa y 160°C en

la parte de debajo de la carcasa, lo cual es una perdida significativa de calor y además ese

calor es irradiado a la operaria de la plancha, lo que en varias ocasiones causa

enfermedades en los riñones de las mismas.

Obtenidos estos resultados y comprobando que son bastante aproximados al

comportamiento real de la plancha se da por valida la simulación y se procede al siguiente

paso que es el rediseño de la plancha y de esta forma obtener el diseño de una plancha

eficiente.

3.4 CAMBIOS AL MODELO

En los siguientes apartados se presentan una serie de cambios al modelo original y los

resultados de sus respectivas simulaciones. De acuerdo al impacto generado por cada una

de los cambios en el modelo original se tomaran los más representativos como aporte al

diseño final.

26

3.4.1 Escenario 1: Entradas de aire inferiores

En la simulación del modelo original se observa que debido al flujo de aire de entrada, la

parte posterior de los quemadores recibe menos aire para combustión que la parte

frontal. También se observa en el modelo una excesiva transferencia de calor de los gases

de escape a la pared posterior de la carcasa que se traduce en mayores pérdidas al

ambiente.

Figura 3.4. Esquema de distribución de agujeros inferiores

En esta propuesta de mejora pretende cambiar la velocidad y la dirección del aire de

entrada para mejorar la eficiencia de la combustión mejorando el flujo de aire a los

quemadores y disminuyendo las pérdidas de calor por convección con las paredes internas

de la carcasa.

En la figura 3.5 se muestra el resultado obtenido de la simulación de este escenario

27

Figura 3.5. Resultados de simulación escenario 1

3.4.2 Escenario 2: Quemadores a 3 cm de la plancha

En la simulación del modelo base se observa que se pierde calor por radiación debido a

que los quemadores se encuentran alejados de la plancha lo cual podría solucionarse

acercando los quemadores a una determinada distancia para aprovechar mejor la

temperatura de la llama y de los gases de escape. Para demostrar esta hipótesis se

realizaron dos modelos en los cuales los quemadores se encuentran a 5 cm y a 3 cm de

distancia, obteniendo mejores resultados con quemadores a 3cm.

Los resultados obtenidos de la simulación se encuentran en la figura 3.6.

28

Figura 3.6. Resultados de simulación escenario 2 con quemadores a 3 cm

Se puede notar rápidamente el aumento que de temperatura en la plancha lo que

comprueba la hipótesis planteada. Con este cambio la plancha aumenta un 22.5%

su eficiencia que equivale a un consumo de un tambo de gas cada 31 horas para las

pupuserías que consumen un tambo diario.

3.4.3 Escenario 3: Plancha de acero inoxidable AISI 304

En el estudio del capítulo 2 se encontraron planchas construidas con acero inoxidable que

ofrecen múltiples ventajas que no se relacionan directamente al desempeño de la misma,

sino más bien con la limpieza y con el grado alimenticio otorgado por la FDA al material.

Se realizó un escenario cambiando la lámina ASTM-36 del modelo original por acero

inoxidable AISI 304 y se ocuparon las mismas cargas que el modelo base, obteniendo el

resultado que se muestra en la figura 3.7.

29

Figura 3.7. Resultados de simulación de escenario 3

3.4.4 Escenario 4: Disminuir pérdidas por alta temperatura en gases en las salidas

En el modelo original se midieron altas temperaturas en los gases de escape, por lo que se

generan pérdidas de energía proveniente de la combustión la cual no es transferida a la

plancha sino al ambiente. Se propone aprovechar mejor estos gases de escape

disminuyendo su velocidad promedio de 0.5 m/s aumentando el área de las salidas de

gases bajo la plancha, aumentando su área total en un 20%.

30

Figura 3.8. Resultados de simulación de escenario 4

3.4.5 Escenario 5: Disminuir pérdidas por radiación con papel aluminio

En el modelo original se observa perdida de eficiencia por radiación a las paredes internas

de la plancha por lo que se buscó un material con baja emisividad que redujera estas

pérdidas y reflejara el calor que se pierde en las paredes internas de vuelta a la plancha

logrando así una mayor eficiencia en el modelo.

Se escogió el papel aluminio por su bajo costo, su fácil recambio y su baja emisividad. Los

resultados obtenidos se muestran en la figura 3.9.

31

Figura 3.9. Resultados obtenidos de la simulación del escenario 5

Es muy fácil notar una gran mejora en la eficiencia la plancha forrada con papel aluminio

en su interior, lo que hace centrar la atención en este escenario, ya que es el que muestra

un ahorro significativo de energía.

Este cambio equivale a un 49% de mejora con respecto al diseño base y también equivale

a consumir un tambo de gas cada dos días en el caso de las pupuserías que consumen un

tambo de gas diario.

Una forma sencilla y práctica de comprobar el resultado obtenido en esta simulación es el

forrar un horno tostador con papel aluminio en las paredes internas y poner un trozo de

pan durante un tiempo igual que cuando no se tiene papel aluminio en las paredes del

horno. Los resultados son sorprendentes, ya que en el mismo tiempo un pan pasa de

quedar tostado a quemado, tal como se muestra en la figura 3.10.

32

Figura 3.10. Experimento casero que demuestra los resultados obtenidos en el escenario 4

3.5 COMPARACIÓN ENTRE ESCENARIOS

Para poder realizar una comparación entre los escenarios descritos anteriormente es

necesario que todos los resultados de las simulaciones se encuentren a la misma escala,

por lo que a continuación se presenta dicha comparación gráficamente.

Figura 3.11. Escala de comparación

33

Escenario 1 con un flujo total de 6400 W

Figura 3.12. Escenario 1 en una escala de 200 a 370 ºC

Escenario 2 con un flujo total de 4960 W

Figura 3.13. Escenario 2 en una escala de 200 a 370 ºC

34

Escenario 3 con un flujo total 5200 W

Figura 3.14. Escenario 3 en una escala de 200 a 370 ºC

Escenario 4 con un flujo total de 6400 W

Figura 3.15. Escenario 4 en una escala de 200 a 370 ºC

35

Escenario 5 con un flujo total de 3040 W

Figura 3.16. Escenario 5 en una escala de 200 a 370 ºC

En las imágenes de los escenarios a una misma escala, se puede observar como el colocar

papel aluminio en las paredes internas de la cámara de combustión mejora la distribución

de las temperaturas en la plancha.

En la tabla 3.3 se muestra un resumen de las temperaturas y el flujo de calor en los

escenarios descritos, además del porcentaje de ahorro que representa cada uno de los

cambios realizados en los distintos escenarios.

Tabla 3.3. Resumen de resultado de simulaciones y porcentaje de ahorro

Temp

min Temp max

Temp

promedio

Flujo de

calor

% de reducción

consumo

Base 185 354 299 6400 0%

Escenario 1 185 307 221 6400 0%

Escenario 2 136 357 258 4960 23%

Escenario 3 152 353 270 5200 19%

Escenario 4 188 366 300 6400 0%

Escenario 5 156 353 312 3040 53%

36

CAPITULO 4: MODELO DE PLANCHA PROPUESTO

4.1 PLANCHA A GAS EFICIENTE

Los resultados obtenidos en el capitulo anterior son la base para generar el diseño de la

plancha eficiente, además de la experiencia obtenida en la investigación de campo y las

observaciones realizadas por las operarias de las planchas a gas.

Es importante mencionar que para el diseño propuesto de la plancha se tomaran en

cuenta únicamente aquellas simulaciones que representen una mejora significativa en la

eficiencia de la plancha, ya que el exceso de mejoras pequeñas pueden alterar el costo

económico de la plancha y de esta forma hacerla inaccesible para las personas que

compran este tipo de planchas.

A continuación se mencionarán los cambios realizados a las tres partes más importantes

de la plancha, las cuales son: La plancha, cámara de combustión y quemadores.

4.1.1 Diseño de plancha

Anteriormente se ha mencionado que la plancha es la superficie metálica que se

encuentra en la parte superior de la cámara de combustión a una elevada temperatura

que permite la cocción de las tortillas y pupusas.

Las planchas a gas normalmente no tienen un puesto fijo en los negocios de pupuserías y

tortillerías, en algunos lugares están dentro de casas y en otros lugares están al aire libre,

por tal razón es que la convección en la superficie de la plancha roba calor disminuyendo

la temperatura de la plancha.

Debido a lo anterior es que en el diseño de la plancha eficiente se ha optado por la

construcción de aletas verticales que ayudan a evitar la convección superficial en la

plancha y de esta forma mantener la temperatura.

En la figura 4.1 se muestra la plancha propuesta.

37

Figura 4.1. Plancha mejorada

Es importante mencionar que el espesor de la plancha es de 3/16”, ya que en las

simulaciones del capitulo 3 se pudo observar que la plancha, debido a su mayor inercia

térmica muestra una temperatura mas uniforme que la de 1/8” de espesor, lo cual

favorece la cocción de los alimentos.

En la parte inferior posee unos ángulos que aseguran la abertura de la salida de los gases

de escape por los laterales y su obstrucción en la parte frontal y trasera, esto con el fin de

mejorar la distribución del flujo de los gases calientes en toda la superficie interna de la

plancha.

La plancha tiene en sus laterales unas manecillas que ayudaran al desmontaje y montaje

de la plancha, ya que será necesario quitarla para poder encender los quemadores y

también para remover el papel aluminio y colocar nuevo cuando sea necesario.

4.1.2 Diseño de cámara de combustión

Como ya se mencionó en el capitulo 3 uno de los factores mas importantes a tomar en

cuenta para el diseño de la cámara de combustión es la radiación de la llama generada por

la combustión del gas propano.

38

La emisividad de las paredes internas es el parámetro principal para poder controlar la

radiación dentro de la cámara de combustión.

Gracias a los resultados obtenidos de la simulación con papel aluminio en el capitulo 3,

nos podemos dar cuenta que el papel aluminio es una muy buena opción para el diseño

de la plancha eficiente.

Una forma de aprovechar la baja emisividad del papel aluminio es diseñar la carcasa de la

cámara de combustión de tal forma que los factores de vista de las paredes reflejen la

radiación hacia a los quemadores y a la plancha, para lo cuál se optimizó el diseño de la

cámara de combustión

En la figura 4.2 se muestra el ángulo que se obtuvo como referencia para el diseño de la

carcasa de la cámara de combustión

Figura 4.2. Angulo de referencia para el diseño de la carcasa de la cámara de combustión

El Diseño de la cámara de combustión también incluye las entradas del aire. Las cuales

para el diseño de la plancha eficiente se han considerado por la superficie inferior.

A pesar de que en las simulaciones del capítulo 3 este escenario no produjo cambios

significativos en la plancha, en este diseño debido a los cambios en las paredes, el flujo es

guiado por las pendientes de la carcasa y se optimiza el flujo interno.

Además, justo en el centro de la cámara de combustión existe una división de lámina de

hierro que ayuda a que no se produzcan remolinos de gases calientes en la parte central.

Esta medida aparte de mejorar la eficiencia del flujo en la cámara de combustión, también

tiene la ventaja de aislar los gases de escape de ambos juegos de quemadores, ya que los

39

gases de escape se concentran en el área de los quemadores activos y se disminuye la

transferencia de calor a las partes inactivas de la plancha.

A continuación se presenta la figura 4.3 que muestra el diseño final de la cámara de

combustión

Figura 4.3. Cámara de combustión de plancha a gas eficiente

Para poder evaluar los criterios tomados en el diseño de la cámara de combustión se

realizó una simulación de flujo de aire y los resultados obtenidos se muestran en la figura

4.4.

Figura 4.4. Flujo de aire dentro de la cámara de combustión

40

Efectivamente se puede comprobar como el flujo se distribuye uniformemente dentro de

la cámara de combustión, entrando por la superficie inferior de la plancha y saliendo por

los laterales.

Otro detalle que se puede apreciar en la figura 4.4 es que la distancia de los quemadores

es cercana a la plancha lo que mejora la eficiencia de la misma como se pudo observar en

los resultados obtenidos en el capitulo 3.

4.1.3 Diseño de quemadores

Normalmente el diseño de los quemadores de las planchas que se visitaron en la

investigación de campo es similar a los de la plancha original analizada en este trabajo.

Dicho diseño resulta no del todo eficiente y se puede apreciar directamente en la calidad

de la llama generada por los mismos, la cual termina en una llama amarilla como la que se

muestra en la figura 4.5.

Figura 4.5. Llama de quemadores de plancha base

La ineficiencia de estos modelos de quemadores radica en que la mezcla de combustible

con aire se realiza hasta que el gas sale por los orificios de los quemadores, por tal razón

se analizó la geometría de los quemadores de un horno de cocina los cuales han sido

diseñados aplicando el efecto de Venturi. Se encontró que estos quemadores poseen un

área de pre-mezcla de combustible con aire y que esa mezcla es llevada hasta los orificios

41

de salida de los quemadores, garantizando una buena relación de aire-combustible, lo

cual genera una llama color azul que corresponde a la combustión completa.

En la figura 4.6 Se muestra un quemador de gas propano de un horno de cocina que

funciona bajo este efecto.

Figura 4.6. Quemador de Horno de cocina de gas

El efecto Venturi es provocado por la disminución del área transversal en un tramo del

tubo, provocando un aumento en la velocidad del gas propano y creando succión de aire,

mezclándose antes de encender el combustible.

En el diseño de los quemadores de la plancha eficiente se tomó en cuenta el efecto

Venturi y la investigación realizada por un miembro de la comunidad AR15, quien basó su

diseño en quemadores industriales. Dicho aporte facilitó en gran medida el diseño de los

quemadores de la plancha eficiente.

La HVACRedu.net es una organización que estudia los sistemas de acondicionamiento y el

desempeño de edificios, ellos han desarrollado una tabla estándar para comparar

quemadores de gas propano y gas natural. Dicha tabla tabula orificios de agujeros y la

cantidad de energía que permiten suministrar en la combustión.

En las figuras 4.7 y 4.8 se muestra el diseño de los quemadores del miembro de la

comunidad AR15, cuyo inyector ha sido diseñado bajos los parámetros de la tabla de la

HVACRedu.net.

42

Figura 4.7. Modelo base de quemadores [comunidad AR15.com]

Figura 4.8. Detalle de zona de pre-mezcla gas y aire [comunidad AR15.com]

Se decidió optar por este diseño ya que la manufactura del mismo es muy sencilla y

además podemos tener el control de la cantidad de energía que estamos aportando al

43

sistema. Todos los materiales para la fabricación de los quemadores son fácilmente

encontrados en cualquier ferretería.

El diseño final de los quemadores de la plancha eficiente se muestra en la figura 4.9.

Figura 4.9. Diseño de quemadores.

En la figura 38 se puede observar como el gas es llevado desde el tambo por medio de

mangueras hasta una válvula de bola que le permite el paso a un riel de combustible el

cual distribuye el gas en cada uno de los inyectores de los quemadores, asegurando que

se cumpla el efecto de Venturi con la reducción de área y permitiendo la pre-mezcla del

aire y el combustible.

4.2 DISEÑO FINAL DE PLANCHA A GAS EFICIENTE

Una vez diseñadas cada una de las partes de la plancha a gas y comprobando los buenos

resultados de cada una de ellas, se procede al ensamble completo de la plancha,

obteniendo el resultado que se muestra en la figura 4.10.

44

Figura 4.10. Plancha a gas eficiente

Para comprobar que la plancha hace un uso más eficiente del combustible que la plancha

original se realizó una simulación, modificando el flujo de calor de entrada para hasta

obtener las temperaturas del modelo base simulado en el capitulo 3 y los resultados

obtenidos se muestran en la figura 4.11.

Figura 4.11. Simulación del modelo propuesto. Escala de 100 a 350 ºC

45

Se puede observar como resultado una temperatura más uniforme en la plancha la que

permite aprovechar mejor el calor generado por la combustión para la cocción de las

tortillas y las pupusas y con estos resultados se podrían mejorar los tiempos de

producción.

En la investigación de campo se observó que las planchas no son ocupadas al 100% todo el

tiempo ya que, como antes se ha mencionado, depende de la demanda de los

consumidores. Por tal razón es necesario desarrollar una simulación en la que se pueda

observar el comportamiento de la plancha funcionando a la mitad de su capacidad, lo que

equivale a tener un solo juego de quemadores en uso.

En la figura 4.12 se muestran los resultados obtenidos de la simulación del modelo final a

la mitad de su capacidad.

Figura 4.12. Modelo final con un juego de quemadores activo. Escala de 100 a 350 ºC

Como se observa en la simulación la plancha disminuye la temperatura por perdidas en

conducción hacia el resto de la plancha pero el diseño logra mantener la temperatura del

área de los quemadores activos eficientemente.

En condiciones de diseño, que equivalen a una plancha trabajando al 100% de su

capacidad, el modelo propuesto utilizará un 65% menos de combustible que la plancha

base en las cuales se realizaron las mediciones de este estudio. Este valor equivale a

utilizar un tambo de gas propano de 25 lb por 23.1 horas comparado con las 14 horas que

se obtienen de la plancha de gas base.

46

CAPITULO 5: PLANOS CONSTRUCTIVOS

Figura 4.13. Modelo final de plancha a gas

46

5.1 ENSAMBLE COMPLETO

47

5.2 CAMARA DE COMBUSTION

48

5.3 CARCASA DE CAMARA DE COMBUSTIÓN

49

5.4 RIEL CON QUEMADORES

50

5.5 QUEMADOR

51

5.6 BASE DE PLANCHA

52

5.7 PLANCHA

53

5.8 ESTRUCTURA DE SOPORTE

54

5.9 VÁLVULA

55

5.10 TAPON PERFORADO

56

5.11 INYECTOR

57

CAPITULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1 CONCLUSIONES

La fabricación de planchas a gas en El Salvador no cuenta con ningún tipo de

diseño aplicando ingeniería, las planchas son construidas a base de la experiencia de

personas que se dedican a la metalmecánica, lo cual da como resultado planchas

ineficientes que aumentan los costos de operación y las enfermedades producto de la

radiación.

Muchas de ideas generadas en los estudios de planchas que funcionan con leña

son aplicables al diseño de las planchas a gas, como por ejemplo el aprovechamiento del

calor de los gases de escape, mantener caliente la cámara de combustión, disminuir la

convección superficial en la plancha, entre otras.

La radiación de la llama generada en el proceso de combustión es la característica

más importante a tomar en cuenta en el diseño de las cámaras de combustión de las

planchas a gas, ya que como se observó en las simulaciones y con el experimento

práctico, genera un aporte aproximadamente de un 50% más energía en el proceso de

transferencia de calor.

La distribución de los gases calientes dentro de la cámara de combustión genera

un aporte significativo en el proceso de transferencia de calor. Dirigir los gases calientes

por toda la superficie inferior de la plancha ayuda a mantener una temperatura alta con

un porcentaje inferior de combustible.

La cercanía de los quemadores a la plancha mejora su eficiencia general, siempre y

cuando la llama generada tenga una mezcla adecuada de propano y oxigeno.

La pre-mezcla del gas y el aire aumenta la temperatura de la llama generada por la

combustión del propano.

Disminuir la radiación en la carcasa de la plancha disminuye la probabilidad de

enfermedades en los riñones de las personas que operan las planchas a gas.

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6.2 RECOMENDACIONES

La plancha diseñada como producto del proceso de investigación necesita tener

libre de obstáculos los laterales de la plancha, ya que estos son los que permiten la salida

de los gases de escape.

Se recomienda que la superficie de papel aluminio sea revisada cada vez que se

encienda la plancha y que se realice el cambio respectivo cuando esta se deteriore.

No alterar el diámetro del agujero del inyector a menos que la persona que lo

realice sea un profesional calificado que conozca los cambios de aumento o disminución

de energía que esto provocaría.

Evitar la contaminación con masa de los quemadores, específicamente en el área

de los inyectores, ya que esto provocaría una reducción del aire de entrada y por

consecuencia una llama amarilla con menor temperatura.

Realizar una limpieza periódica de la plancha para evitar el deterioro de la misma.

Inspeccionar con agua jabonosa cada mes las conexiones de mangueras y tubos de

conducción de gas, para prevenir cualquier tipo de fuga de gas propano.

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REFERENCIAS

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legislativo/buscador-de-documentos-legislativos/ley-de-hidrocarburos, Junio 2012

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ulo+3.pdf, Junio de 2012

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DIGECA,http://www.digeca.go.cr/documentos/legislacion/30131-

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FING,http://www.fing.edu.uy/iimpi/academica/grado/energia1/teorico/Apuntes%

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UBA,http://materias.fi.uba.ar/6756/Tanques_de_almacenamiento_de_hidrocarbu

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UPRG,http://www.unprg.edu.pe/bounprg/blogs/media/blogs/rsamillanri/DMecani

co/simbologia.pdf, Junio 2012

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ANEXO A

GAS ORIFFICE CAPACITY CHART (CARTA DE CAPACIDAD DE

ORIFICIOS DE GAS)

A-1

ANEXO A