Campo Técnico

La presente invención se refiere a una estufa de combustible sólido con emisiones de material particulado reducidas con respecto a estufas disponibles tanto en el arte previo como comercialmente.

Antecedentes de la Invención y Arte Previo

La calefacción de espacios habitacionales, o también la generación de calor como fuente de energía para distintos procesos industriales, es una necesidad humana. Dicha calefacción se logra por medio de la combustión o quema de distintos tipos de combustibles, tales como biomasa, combustibles fósiles, carbón, gas natural, etc.

En general, la calefacción se ha producido con la utilización de combustibles fósiles debido a su bajo precio, facilidad de manejo, posibilidad de refinación para obtener combustibles de mejor calidad y que generen menos residuos. Además, los combustibles fósiles refinados kerosene por ejemplo, por sus mismas características físicas y químicas, permiten el desarrollo de aparatos de combustión, más eficientes tanto en la generación de calor como también en la emisión de productos contaminantes, cuando se comparan con aparatos de combustión que utilizan biomasa como fuente de energía.

Sin embargo, en las últimas décadas, con la disminución de las reservas mundiales, la disponibilidad de combustibles fósiles ha ido en disminución y su precio en aumento. Es frente a esto que la utilización de combustibles basados en recursos renovables, tales como biomasa, y más específicamente leña, aparece como una alternativa de menor costo.

En las últimas décadas, a nivel mundial, se han ido implementando nuevas regulaciones que buscan mejorar la calidad del aire, y parte de dichas regulaciones apuntan a asegurar la calidad de la combustión en estufas de todo tipo, más particularmente estufas de combustible sólido.

Surge entonces un problema en el campo de los dispositivos o aparatos que usan combustibles sólidos o biomasa como fuente de energía. Estos dispositivos en general no han sido optimizados para reducir las emisiones contaminantes producto de la combustión de los combustibles sólidos o biomasa. En el caso particular de estufas que utilizan leña u otros combustibles derivados de ella, y debido a que por las mismas características físicas y químicas de la leña, su combustión genera mayores niveles de material particulado que otros combustibles por ejemplo gas o kerosene, es que existen regulaciones particulares que se aplican a ellas.

Dependiendo de la jurisdicción en que se busque la autorización para comercializar una estufa particular será la regulación medioambiental que deberá cumplirse, tanto en términos de emisiones de gases como también de material particulado.

En el arte previo existen distintos documentos que describen estufas que buscan, de distintas maneras, reducir las emisiones de productos contaminantes. En particular, los documentos que se describen a continuación corresponden a descripciones similares a la presente invención, sin embargo, la presente invención exhibe ventajas comparativas que le permiten destacarse frente a dichas divulgaciones.

El documento US20120192855 describe una parrilla para estufas que permite alimentar aire fresco a una zona de combustión secundaria. En particular, en la figuras se aprecia una estructura que permite inyectar aire fresco desde una toma de aire que sería equivalente a la de aire primario, sobre la zona de combustión secundaria. La inyección de aire se realiza desde arriba, y hacia la zona de combustión.

El documento US7082942 describe un quemador de madera con emisiones "mejoradas". La descripción indica la presencia de una entrada de aire que conduce aire externo hacia la cámara de combustión, y un colector manifold con una o más cámaras internas dentro de él. El colector en este documento incluye tuberías de aire que dirigen el aire captado, que ha sido calentado, hacia la cámara de combustión, desde arriba.

El documento US5014683 describe una estufa de leña que incluye varios deflectores y templadores baffles que se usan para dirigir los productos de la combustión hacia los componentes refractarios. Se indica que una parrilla inferior grate tiene varias aperturas a distintos niveles sobre el fondo de manera de proveer aire de combustión en distintos lugares dentro de la cámara de combustión, Se indica que la dirección del aire se puede dirigir preferencialmente a zonas primarias y secundarias de combustión. La parrilla descrita en este documento está limitada a una zona particular de la caja de fuego, y la distribución del aire se realiza desde el frente y desde el fondo hacia la zona de combustión.

El documento US20130000625 describe una estufa, donde la principal característica es el control de la combustión a través de una pluralidad de válvulas controladas dispuestas verticalmente a distintas alturas. Las válvulas se abren o cierran dependiendo de la temperatura del gas efluente de manera de minimizar la temperatura de dicho gas, a la vez que se mantiene lo suficientemente alta para evitar el punto de rocío.

El documento EP0886108 describe una caja de fuego que comprende un sistema de canales que conducen aire o gases de combustión. La descripción indica que el aire primario se alimenta a la zona de combustión, y un canal de retorno lleva los gases de combustión a una segunda zona donde prevalece una presión menor. Este documento también incluye una parrilla que será la encargada de distribuir el aire conducido por los canales hacia la zona de combustión desde arriba.

Los documentos del arte previo antes descritos describen estufas de combustión para generación de calor, donde existe un sistema de distribución de aire específico, sin embargo, todos ellos indican que la inyección del aire desviado por sus canales se realiza ya sea desde arriba, desde el frente o desde el fondo hacia la zona de combustión, ya sea primaria o secundaria. Ninguno de ellos describe la inyección de aire desde las zonas laterales, y algunos de los documentos citados incluyen una rejilla o parilla para la inyección de aire, lo que genera una desventaja clara, pues aumenta los procesos de mantención para mantener limpia tal adición a la cámara de combustión. Por el contrario, la presente invención, que permite la inyección de aire a la zona de combustión de gases o zona de combustión secundaria, resulta libre de actividades de mantenimiento distintas a las usuales para una estufa de este tipo.

Breve Descripción de las Figuras

La Figura 1 muestra un corte lateral esquemático de una realización particular de la invención. Los números presentes en la figura se utilizan en la descripción de la invención que se detalla más adelante.

La Figura 2 muestra una vista lateral de una realización de la invención, donde se muestra un corte a uno de los pulmones laterales 153, 154, y ubicación de cámara 121 .

La Figura 3 muestra un corte de una estufa correspondiente a una realización particular de la invención, donde se muestran las corrientes de aire 211 (ingreso por zona inferior, y direccionamiento directo hacia zona de combustión primaria), 201 que ingresa por la parte inferior a la cámara 121 , donde es dirigida como dos corrientes 212 a través de conductos verticales 122, 123 (una corriente 212 por cada conducto vertical) hacia arriba, hasta llegar a una cámara superior 124, donde la corriente 212 puede dividirse en corriente 213 que baja verticalmente en forma sustancialmente paralela a la cara interna del cristal cerámico de la puerta, y una corriente 214 que se mueve a través de los pulmones laterales 153, 154, para finalmente ingresar a la caja de fuego desde las paredes laterales hacia el centro. También aparece la corriente de aire secundario 202 que ingresa por la zona posterior de la estufa, y la corriente 400 que corresponde a la salida de los gases ya combustionados.

La Figura 4 muestra un corte detallado de una estufa correspondiente a una realización particular de la invención, donde se aprecia el ingreso de la corriente de aire primario 201 a la cámara 121 , para dirigirse a través de los conductos verticales 122, 123 hacia la zona superior para luego dirigirse a través de los pulmones laterales 153, 154 hacia la caja de fuego, donde la corriente de aire 214 ingresa desde las paredes laterales a la zona de combustión primaria o secundaria.

Resumen de la Invención

La invención corresponde a una estufa de combustión de biomasa sólida, donde se ha incluido una toma o conducto que divide la corriente de aire primario en dos corrientes, una que se dirige directo al combustible sólido, como ocurre en el arte previo, y la segunda que se dirige hacia la parte superior de la cámara, a través de conductos denominados pulmones, desde donde se alimenta desde las paredes laterales hacia la zona centro- superior de la cámara de combustión, más específicamente se dirige a la zona de combustión de gases.

Esta división de la corriente de aire primario permite una reducción de cerca de un 70% desde 4,8 a 1 ,36 g/hr en las emisiones de material particulado producto de la combustión de biomasa.

Descripción Detallada de la Invención

La siguiente descripción se realizará en base a las figuras, sin embargo no debe entenderse que la invención está limitada por ellas, sino que la referencia se realiza con fines de ejemplificación, de manera de lograr una comprensión de la invención. Distintas variaciones serán evidentes para un experto en el arte.

La invención está dirigida a una estufa que utiliza una fuente de energía sólida, preferentemente biomasa, y más preferentemente leña. En particular, para la presente invención no resulta esencial la presencia de un dispositivo catalizador dirigido a disminuir las emisiones tanto de gases como de material particulado, sin embargo, la estufa de la presente invención puede usarse adaptando un dispositivo catalizador y funcionará de manera usual.

La estufa 100 de la presente invención comprende una caja de fuego o cámara de combustión 102, dentro de la estructura externa de la estufa 101 , una chimenea 103 que permite la salida al exterior de los gases producto de la combustión 400 al interior de la caja de fuego 102.

La estufa comprende además una abertura frontal 106, que se cierra con una puerta 107 con una ventana de cristal cerámico resistente al calor cuyo cierre con la abertura frontal de la estufa es sustancialmente hermético, y donde dicha abertura frontal 106 permite el ingreso a la caja de fuego 102, que es donde se coloca el combustible sólido 300.

Dentro de la caja de fuego se definen dos zonas principales, la primera de combustión primaria 104, que es donde se localiza el combustible sólido 300 y que es donde se realiza la quema del combustible, donde producto de la combustión se generan distintos tipos de gases que aún tienen potencial combustible; y una zona de combustión secundaria 105, que es donde producto de la interacción de aire ambiental precalentado, que ingresa a la caja de fuego a través de distintos conductos, que se mezcla con gases de combustión incompleta provenientes de la combustión inicial del combustible sólido, se genera la combustión de dichos gases de combustión incompleta. Ambas zonas de combustión primaria 104 y secundaria 105 pueden solaparse.

La estufa además comprende varias entradas de aire ambiental que son dirigidas a través de distintos conductos hacia distintas zonas dentro de la caja de fuego 102 o alrededor de la estructura de la estufa 101 .

Inyectores 110, ubicados justo bajo la puerta 107, permiten la entrada de una corriente de aire 211 que se inyecta directamente a la zona de combustión primaria 104 desde el frente .

Otra toma de aire primario 151 ubicada en la cara frontal de la estufa, bajo la puerta 107 de cristal cerámico, permite la entrada de una corriente de aire primario 201 desde abajo de la estufa. Dicha toma de aire primario 151 se conecta con una cámara 121 ubicada dentro de la estufa, bajo la abertura de la puerta, donde dicha cámara permite dividir la corriente de aire primario 201 en dos corrientes de aire 212, que se direccionan hacia la zona superior de la cara frontal de la estufa a través de conductos verticales 122, 123 ubicados en uno o ambos costados de la abertura frontal 106 de la estufa, que se unen en una cámara superior 124.

La corriente 212 se divide en una corriente 214 que alimenta a los pulmones laterales 153, 154, y una corriente 213 para limpiar el cristal cerámico, que se devuelve en forma sustancialmente paralela a la cara interna del cristal cerámico.

En una realización particular, la división de la corriente 212 en las corrientes 213 y 214 se lleva a cabo en la cámara superior 124. En otra realización, la división de la corriente 212 se realiza antes de llegar a la cámara 124.

La cámara superior 124 comprende aberturas que permiten dirigir el aire para limpiar el cristal 213 hacia abajo, generando una corriente paralela a la cara interna de la puerta 107, que mantiene el cristal cerámico limpio.

En una realización opcional, la cámara superior 124 se encuentra conectada con una o dos cámaras laterales superiores o pulmones 153, 154, donde dichos pulmones 153, 154 se ubican en la zona superior lateral de la cámara de fuego. La corriente de pulmón 214 se dirige, a través de los pulmones 153, 154, desde el frente de la estufa hacia la zona posterior de la estufa. Los pulmones 153, 154 comprenden aberturas que permiten que la corriente de pulmón ingrese a la cámara de fuego 102, más particularmente a la zona de combustión secundaria 105, desde las caras laterales de la estufa hacia el centro.

La corriente de aire primario se precalienta a medida que se divide en las distintas corrientes de aire accesorio 212, aire para limpiar el cristal 213 y corriente de pulmón 214.

Además, la estufa puede comprender una toma de aire secundario 152, que permite captar una corriente de aire secundario 202, que se ubica en la cara posterior de la estufa. Dicha toma de aire secundario 152 puede ubicarse a distintas alturas en la parte posterior de la estufa. En una realización particular de la invención, la toma de aire secundario 152 se encuentra permanentemente abierta. En una realización opcional de la invención, la abertura de la toma de aire secundario 152 podría controlarse usando medios apropiados.

En otra realización de la invención, dicha toma de aire secundario 152 se encuentra cercana a un templador 108. El templador 108 se puede ubicar a distintas alturas dentro de la caja de fuego. En una realización particular, el templador 108 se ubica en la zona superior de la caja de fuego. En otra realización, el templador se ubica en la zona media de la caja de fuego.

La corriente de aire secundario 202 captada en la toma de aire secundario 152 se dirige hacia la zona de combustión primaria 104 o secundaria 105.

Para comprender la invención, se describirá el funcionamiento de la estufa alimentada con leña como combustible sólido:

Una cantidad apropiada de leña 300 se ubica en el piso de la cámara de fuego 102, procediendo a encenderla con un medio apropiado, como por ejemplo fósforos de seguridad, combinado con la ayuda de materiales de combustión rápida tal como papel, astillas, etc., luego se procede al cierre de la puerta 107, dejando la cámara de fuego alimentada por aire sólo a través de las distintas tomas de aire. La combustión inicial genera un cambio de presión al interior de la cámara de fuego 102, que permite que ingrese aire a través de las tomas de aire abiertas. En particular, aire fresco ingresa como aire primario 201 a través de la toma de aire primario 151 , y el aire de combustión 211 ingresa directamente a la zona primaria de combustión 104 a través de los inyectores 110.

La corriente de aire primario 201 se separa en dos corrientes accesorias 212 que suben por los conductos verticales 122, 123 hacia la cámara superior 124. La corriente accesoria 212 se divide en una corriente para limpiar el cristal 213 y una corriente de pulmón 214.

Paralelamente, la toma de aire secundario 152 permite el ingreso de una corriente de aire secundario 202 a través de dichas tomas 152, que se dirigirán hacia la zona de combustión primaria o zona de combustión secundaria. Opcionalmente, la toma de aire secundario podría comprender medios de control para modificar su apertura/cierre.

La corriente de pulmón 214, que puede tener dos componentes, uno por cada pulmón 153, 154, se ha precalentado en su viaje desde la toma de aire primario 151 hasta llegar a los pulmones 153, 154. Esta corriente de pulmón 214 que corresponde a aire fresco precalentado, se alimenta desde las paredes laterales de la cámara de fuego hacia el centro.

En particular, la alimentación de la corriente de pulmón desde las caras laterales de la cámara de fuego hacia el centro, es la que permite la reducción en la emisión de material particulado en cerca de un 70% en comparación con una estufa configurada de acuerdo al arte previo, donde las estructuras de pulmón no están presentes.

Ejemplos de Aplicación

Para evaluar la efectividad de la invención descrita en el presente documento, se encargaron estudios de "Determinación de emisiones de material particulado" a un laboratorio independiente, certificado y acreditado de acuerdo al Reglamento de Laboratorios de Medición y Análisis de Emisiones Atmosféricas del Ministerio de Salud de Chile.

El estudio fue realizado sobre una estufa de acuerdo al arte previo, y la estufa de la presente invención.

Los resultados que se reportan en las tablas más adelante, corresponden a pruebas elaboradas para determinar emisiones y rendimiento a cuatro tasas de quemado. El material particulado se obtuvo de acuerdo a lo especificado en los métodos CH-28 y CH-5G.

En ambos casos, de estufa de arte previo y de la estufa de la invención, la cámara de combustión se encuentra completamente recubierta de vermiculita en su pared posterior y en la mitad superior de las paredes laterales. El piso y la mitad inferior estaban recubiertos por ladrillos refractarios, y el templador corresponde a una placa de vermiculita.

Tabla 1 : Características de estufas evaluadas y condiciones de carga.

Las normas de referencia usadas en el estudio corresponden al método CH28 que establece la infraestructura del banco de ensayo, carga de combustible, determinación de tasas de quemado. La norma CH-5G corresponde a la norma para determinación de material particulado (MP).

Finalmente, la norma NCH3173 establece potencia térmica, rendimiento y emisiones de gases de combustión.

El combustible utilizado en las pruebas correspondió a madera de Eucaliptus globulus, donde la carga de cada estufa consistió en dos trozos de 5,08 cm (2 pulgadas) x 10,16cm (4 pulgadas) x 32 cm de largo. En ambos casos la madera presentaba una humedad entre 17,5 y 18,4%.

Las condiciones de prueba consistieron en:

1 ) Nominal, 5 minutos a puerta abierta

2) Entrada de aire de combustión cerrada, puerta abierta por 5 minutos

3) Entrada de aire de combustión un poco abierta, puerta abierta por 4 minutos

4) Entrada de aire de combustión al 50%, puerta abierta por 5 minutos

La Tabla 2 a continuación muestra los resultados de las evaluaciones realizadas sobre las estufas normal y de la presente invención.

Tabla 2: Resultados de tasas de emisión de material particulado en g/h.

De los resultados observados, se obtiene una significativa rebaja en el material particulado, en todas las condiciones de operación, y considerando el promedio ponderado, la estufa de la invención logra una reducción de más del 70% de material particulado, lo que demuestra la efectividad de la estufa de la invención en comparación con la estufa del arte previo.

Aplicación Industrial

La presente invención tiene aplicación en la producción de estufas de combustión de combustible sólido, particularmente leña, donde las emisiones de material particulado se reducen en cerca de un 70% con respecto a estufas que corresponden al arte previo.