EVALUACIÓN DEL USO DE CALENTADORES PARA LECHONES, OPERADOS CON BIOGÁS Y DE BAJO COSTO

Carlos Andrés Guerrero Vargas1

Adrián Pérez Albuerne1 Raúl Botero Botero2

Manuel Cerrato2

RESUMEN Dentro de la actividad porcina los costos de la calefacción de los lechones son

considerados entre los más altos. El uso del biogás como combustible para calefacción

brinda una opción interesante para la reducción de estos costos. Este proyecto evaluó la

eficiencia del uso de tres modelos de calentadores de bajo costo para lechones en el Sistema

Integrado de Producción Pecuaria de la Universidad EARTH. La eficiencia de los

calentadores fue evaluada a través de la medición de la temperatura en la llama, la

temperatura irradiada, el consumo de biogás y el costo de fabricación de cada modelo

artesanal de calentador. El calentador de estañon metálico se destacó por su menor

consumo de biogás, aunque fue el de mayor costo de fabricación. El calentador de lámina

con doble boquilla se destacó debido a que la temperatura irradiada fue mayor, con un costo

intermedio de fabricación. La doble boquilla utilizada, aunque motivó un mayor consumo

de biogás, propició una mayor y más uniforme irradiación de la temperatura en el recinto.

El calentador de disco de rastra sobresalió por su bajo costo de fabricación, su consumo

intermedio de biogás y su mayor vida útil estimada. Los agricultores de América Latina

pueden construir cualquiera de los tres modelos artesanales con el material que les sea más

disponible.

INTRODUCCIÓN

La producción de biogás en el sector ganadero ha sido una fuente alterna para la

generación de energía. Dentro del sector ganadero la actividad bovina y porcina son en las

que comúnmente se establecen sistemas de producción de biogás. Dentro de la actividad

porcina los costos en la calefacción de lechones son considerados entre los más altos, por lo

que la tecnología del biogás brinda una opción para la reducción de estos costos.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 Ingenieros Agrónomos Egresados Universidad EARTH. 2 Facilitadores del Aprendizaje, Facultad Universidad EARTH.

Los productores optan por adquirir artefactos de tipo comercial que requieren

mayores costos de inversión y de operación, como lámparas, estufas, refrigeradores y

calentadores para agua, operados con energía eléctrica o con gas propano.

En vista de los altos costos energéticos en las actividades del sector agrícola, de la

escasez de recursos energéticos no renovables y de las altas emisiones de CO2 hacia la

atmósfera efectuadas por los motores de combustión, el presente trabajo tiene la finalidad

de brindar una recomendación a agricultores dedicados a la producción porcina, que les

permita tener una opción más en el uso de calentadores para lechones a un menor costo.

Se realizó la evaluación del uso de tres modelos diferentes de calentadores

artesanales de bajo costo para lechones en el sistema porcino que posee la Universidad

EARTH. Se pretende integrar el sistema, de forma tal que el biogás obtenido de las excretas

de la porqueriza sea aprovechado como fuente de energía.

Cabe resaltar que el enfoque del presente trabajo esta dado para una escala

artesanal, lo cual no es una limitante para que la implementación de estas técnicas se pueda

realizar a escala industrial, pudiendo utilizar los materiales de desecho de la propia finca, de

tal manera que el agricultor obtiene la energía a un bajo costo, con recursos propios y

contribuye así a la conservación del medio ambiente.

OBJETIVO GENERAL

Evaluar la eficiencia del uso de tres modelos diferentes de calentadores de bajo

costo para lechones en un sistema de producción porcina.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Adaptar equipos para utilizarse como calentadores para ser operados con biogás.

• Establecer la eficiencia del uso de tres modelos de calentadores en función de la

temperatura en la llama, la temperatura irradiada, el consumo de biogás y el costo

de fabricación de cada modelo.

REVISIÓN DE LITERATURA

En vista de que el tema de investigación es innovador existe muy poca información

publicada al respecto.

MATERIALES Y MÉTODOS

FABRICACIÓN DE EQUIPOS PARA SER USADOS COMO CALENTADORES OPERADOS CON BIOGÁS

Calentador construido con disco de rastra Este tipo de calentador se construyó con un disco de rastra usado. Posee un

diámetro de 56 cm, un espesor en el centro del disco de 6 mm y de 4 mm en la periferia,

con una concavidad de 8,5 cm. Se le acondicionó un tubo galvanizado de 1,27 cm (½

pulgada) de diámetro que conduce el biogás hacia donde se genera la llama, que calienta el

disco para irradiar calor.

Figura 1. Calentador construido con disco de rastra.

Calentador construido con campana de lámina galvanizada Se utilizó una campana de 88 cm de diámetro, construida con lámina de zinc

galvanizada calibre # 18 equivalente a 0,16 cm (1/16 de pulgada) de espesor, a la que se le

adaptó una conexión de tubo galvanizado de 1,27 cm (½ pulgada) de diámetro. La salida de

biogás se subdividió en dos terminales o boquillas de cobre, de 0,95 cm (3/8 de pulgada) de

diámetro, la suma de las dos boquillas fue de 1,90 cm (¾ de pulgada) de diámetro, por

donde se produce la llama, la cual calienta la campana para la irradiación de calor (Figura

2A). Este modelo de calentador tuvo la variante de una sola boquilla de tubo galvanizado

de 1,27cm (½ pulgada) de diámetro (Figura 2B).

Figura 2A. Calentador con una sola Figura 2B. Calentador con doble boquilla, boquilla, Lámina 1. Lámina 2.

Calentador construido con un recipiente metálico de 200 litros de capacidad (estañón) Este calentador se construyó utilizando un estañon metálico de 200 litros de

capacidad cuya lámina tiene un espesor de 0,16 cm (1/16 de pulgada). Al estañón se le hizo

un corte longitudinal por el centro, quedando con 87 cm de largo por 59 cm de ancho y con

una concavidad de 27 cm. Se le acondicionó un tubo galvanizado de 1,27 cm (½ pulgada)

de diámetro, como boquilla para la salida del biogás.

Figura 4. Calentador construido con un estañón metálico de 200 litros.

EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS CALENTADORES El factor de eficiencia de los calentadores se estableció mediante la medición de

cuatro parámetros: la temperatura de la llama, la temperatura irradiada, el consumo de

biogás por unidad de tiempo y tanto el costo como la complejidad de fabricación y / ó

adaptación de cada uno de los calentadores.

Cada uno de los modelos de calentadores se colocó dentro de un recinto construido

con bloques de cemento, con 104 cm de largo, 43 cm de ancho y 80 cm de altura con

relación al suelo. Cada calentador se fijó a una altura de 60 cm del borde de la campana con

respecto al suelo. En los tres modelos de calentadores artesanales la distancia de donde se

originó la llama hasta la superficie de las campanas fue de 10 cm y la ubicación de los

quemadores fue equidistante entre el centro y el borde de la campana de cada modelo de

calentador. Durante las mediciones todos los recintos en los que se colocaron los

calentadores estaban siendo ocupados por lechones en sus primeros días de edad.

La temperatura generada se midió en el extremo superior de la llama. Para estas

mediciones se utilizó un sensor de calor de 1 400 °C. Esta medición se realizó cada dos

horas durante un período de 12 horas.

La evaluación de la temperatura irradiada por cada calentador se midió con un

termómetro de máximas y mínimas, cuyo centro estaba ubicado a 25 cm del suelo, medida

esta que corresponde a la altura del lomo del lechón. Las mediciones se tomaron cada dos

horas por un periodo de 12 horas, de 6:00 p.m. a 6:00 a.m. Las lecturas de máximas y

mínimas temperaturas se registraron con la finalidad de determinar si existían variaciones

superiores o inferiores a los 28 °C, temperatura esta considerada como de confort para los

lechones. Simultáneamente, se registró la temperatura ambiental.

La medición del consumo de biogás se realizó cada dos horas a partir de las 6:00

p.m. hasta las 6:00 a.m. del día siguiente. Para medir el volumen de flujo de biogás en cada

calentador se utilizaron bolsas plásticas de polietileno transparente de 20,3 x 30,5 cm, en

calibre de una centésima de milímetro, que se fijaron a las boquillas de salida del biogás o

extremo de los quemadores de cada modelo de calentador. La duración de cada medición

de consumo fue de un minuto.

Cabe resaltar que, para no alterar las mediciones, se tuvo la precaución de que las

bolsas, antes de ser fijadas a las boquillas, no tuvieran aire en su interior.

Posteriormente, para medir el volumen de biogás que se almacenó en cada una de

las bolsas plásticas, se sumergieron completamente una por una en un recipiente con un

volumen conocido de agua. Donde, la cantidad de agua desplazada correspondió al

volumen estimado de biogás consumido por cada calentador durante un minuto. Se tuvo la

precaución de sellar la boca de cada bolsa plástica antes de desconectarla de la boquilla de

salida.

Otro parámetro para establecer la eficiencia de los calentadores fue el análisis de

costos de adaptación y fabricación. El costo de compra de las materias primas y accesorios

fue obtenido en chatarrerías y ferreterías locales. Los costos de mano de obra fueron

suministrados por el Taller Didáctico de la Universidad EARTH.

Para las mediciones de calor en la llama, temperatura irradiada y consumo de biogás

de los diferentes modelos de calentadores, se realizaron dos repeticiones, cada repetición

constó de 6 lecturas en intervalos de dos horas entre las 6:00 p.m. y las 6:00 a.m.

Algunas características de los calentadores artesanales se detallan en el Cuadro 3.

Cuadro 3. Características de área de cobertura y espesor de la lámina metálica de

cada modelo artesanal de calentador.

Modelo de Calentador Espesor de la lámina

metálica (cm)

Área de Cobertura

(cm2)

Disco de Rastra 0,5 2 408

Campana de Lámina 0,16 3 784

Estañon metálico 0,16 5 133

35,234,0

33,431,9

30,031,032,033,034,035,036,0

Tem

per

atu

ra

irra

dia

da

(°C

)

Lámina 2 Estañon Rastra Lámina 1

Modelo de calentador

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El calentador de lámina con boquilla doble de cobre irradió la mayor temperatura,

alcanzando un promedio de 35,2 °C, a diferencia del calentador de lámina con una boquilla

de tubo galvanizado, el cual presentó la menor temperatura irradiada con 31,9 °C. Los

calentadores de estañon metálico y de disco de rastra irradiaron temperaturas intermedias

de 34 y 33,4 °C respectivamente (Figura 5).

Figura 5. Temperatura irradiada por los diferentes modelos de calentadores. Nota: Lámina 1: calentador de lámina con una boquilla galvanizada de 1,27 cm (1/2 pulgada) de

diámetro. Lámina 2: calentador de lámina con doble boquilla de cobre, cada una de 0,63 cm (3/8 de pulgada) de diámetro.

En la Figura 6 se observa que el calentador de campana de lámina 2 generó la mayor

temperatura en la llama (666 °C) a diferencia del calentador de estañón metálico cuya llama

fue la de menor temperatura (636 °C). Los dos modelos restantes generaron temperaturas

intermedias en la parte superior de la llama.

Figura 6. Temperatura generada en la parte superior de la llama de los diferentes

modelos de calentadores.

666

636

654661

620630640650660670

Tem

per

atu

ra

gene

rada

(°

C)

Lámina 2 Estañon Rastra Lámina 1

Modelo de calentador

Según la Figura 7, el calentador que presentó el mayor consumo de biogás fue el de

lámina 2 con 99,6 L/hora, seguido del calentador de lámina 1 con 82,5 L/hora. Los

calentadores con menor consumo de biogás fueron el de estañon metálico y el de disco de

rastra con 53,6 L/hora y 64,3 L/hora respectivamente.

Figura 7. Consumo de biogás por los diferentes modelos de calentadores.

La temperatura irradiada por los tres modelos de calentadores evaluados fue

siempre superior al rango de confort recomendado para lechones, que está entre 28 y 30 °C

(Pond, et al, S.F.:71). En vista de lo anterior, la evaluación se centró principalmente en el

consumo de biogás por unidad de tiempo, el costo de construcción y la vida útil estimada

de la lámina metálica que irradia el calor.

Uno de los factores que determinan el valor de un combustible es la cantidad de

calor producido. En el biogás su capacidad de combustión es baja en comparación con otros

gases combustibles como el propano o el butano. Esto implica que la superficie de contacto

y la relación de mezcla con el aire deben ser mayores para que la combustión sea más

eficiente, maximizando con esto el uso del biogás.

Según la Figura 6, el calentador de lámina con doble boquilla de 0,63 cm (3/8 de

pulgada) de diámetro, generó 666 °C de temperatura en la parte superior de la llama, siendo

este el que mayor calor generó. Un posible factor que explica este comportamiento es la

relación entre combustible y aire, que en este caso se ve influenciada por el diámetro de

cada boquilla, ya que la boquilla de 0,63 cm (3/8 de pulgada) de diámetro, permite una

reacción neutra existiendo igualdad entre las cantidades de combustible y aire, a diferencia

del calentador de lámina con una sola boquilla de 1,27 cm (½ pulgada) de diámetro, que

99,6

53,6 64,3

82,5

0,020,040,060,080,0

100,0

Con

sum

o de

bi

ogás

(L

/ ho

ra)

Lámina 2 Estañon Rastra Lámina 1

Modelo de calentador

presenta una reacción carburante, por tanto en esta última existe mayor presencia de

combustible que de aire. Es decir que con una boquilla de mayor diámetro, la superficie de

contacto del gas con el aire y la mezcla de gas con aire es menor, debido a que los gases

salen con menor presión, provocando una mayor expansión de estos y reflejándose en una

llama de mayor diámetro o grosor (California Polytechnic State University, 1978:14-2).

La diferencia de consumo de biogás por unidad de tiempo entre los calentadores de

campana de lámina 1 y 2 (Figura 7), se debe al número de boquillas y al diferente diámetro

total de ellas, teniendo en cuenta que el área de cobertura de sus campanas es igual.

Mientras el único quemador del calentador de lámina 1 tiene un diámetro de 1,27 cm (1/2

pulgada), la suma de los dos quemadores del calentador de lámina 2 es de 1,90 cm (3/4 de

pulgada) de diámetro, lo cual explica su mayor consumo de biogás y en consecuencia su

mayor irradiación de temperatura, debida a la mejor distribución del calor que le permiten

sus dos quemadores ubicados equidistantes del centro de la campana y en lados opuestos

uno del otro (Ver Figuras 2A y 2B). Además, las boquillas de 0,63 cm (3/8 de pulgada) al

ser de menor diámetro hacen posible que el gas tenga una relación más adecuada y mayor

superficie de contacto con el aire, permitiendo una combustión más eficiente.

En lo que respecta a los tres modelos de calentadores con el mismo número y

diámetro de boquilla (tubo galvanizado de 1,27 cm ó ½ pulgada de diámetro), era de

esperar que el consumo de biogás fuera igual, sin embargo, estos presentaron una

diferencia. Una posible explicación a esta diferencia es que a mayor temperatura en el tubo

de paso del quemador, el flujo de biogás se incrementa. Al realizar las mediciones de

consumo de biogás, se requería de un tiempo para enfriar el tubo de paso y poder realizar la

medición; no en todos los modelos estos tiempos fueron iguales.

Igualmente en los tres modelos con una boquilla, la variación de la temperatura

irradiada se debió al diferente espesor de la lámina metálica y al área de cobertura de cada

una de las campanas de los calentadores (Figura 5). Por ejemplo, el calentador de estañon

que tiene una lámina de 1,58 mm de espesor, que es igual al espesor del material metálico

de los calentadores de campana de lámina 1 y 2, presentó una mayor irradiación de

temperatura debido a su estructura de mayor concavidad y debido además, a que el área de

cobertura de la campana del estañon es mayor (Cuadro 3).

En el caso del calentador de disco de rastra, que tiene el menor costo de adaptación,

la menor área de cobertura, y un menor consumo de biogás, comparado con los

calentadores de lámina 1 y 2 (Figura 7), los 5 mm de espesor de la lámina del disco de

rastra no permiten que la temperatura ambiente afecte considerablemente la temperatura

irradiada. Además, lo faculta no solo para irradiar una mayor temperatura, sino también

para tener una mayor vida útil.

Al comparar las Figuras 5 y 6 es de esperar que la relación entre temperatura de la

llama y temperatura irradiada sea proporcional, sin embargo, se observó un

comportamiento totalmente contrario en todos los modelos de calentadores, con excepción

del calentador de doble boquilla de cobre. Por ejemplo, en el calentador de estañon su

temperatura en la llama es menor y su calor irradiado es mayor en comparación al

comportamiento del calentador de lámina 1, en el cual la temperatura en la llama es mayor,

pero el calor que irradió es menor. Resalta entonces, el efecto de la forma y el área de

cobertura del calentador de estañon para irradiar una mayor temperatura dentro del recinto.

De acuerdo con el análisis de costos realizado (Anexo 1), el calentador de estañon

costó US$13,32, siendo este el más costoso, debido a que requirió mayor número de horas

para su construcción. Los calentadores de lámina 1 y 2 tuvieron un costo de US$10,87 y

US$12,59, respectivamente. El calentador de disco de rastra fue el de más bajo costo con

US$7,55. Cabe destacar que el costo estimado del disco de rastra hace referencia a un disco

de desecho adquirido en una chatarrería, lo que influye en que el costo total de adaptación

sea el menor. Los datos utilizados para obtener el costo total de fabricación de cada modelo

de calentador fueron obtenidos de ferreterías y de chatarrerías del mercado local.

CONCLUSIONES

En cuanto a la eficiencia de los tres modelos de calentadores evaluados se concluye

que cada calentador posee ventajas y desventajas para el agricultor. Tal es el caso del

calentador de estañon que consume menor cantidad de biogás, pero a la vez su costo de

adaptación es el mayor y su vida útil puede ser más corta, debido al menor espesor de la

lámina metálica (1,58 mm) con la que está construido. Por el contrario, utilizar el disco de

rastra es ventajoso, ya que por su lámina de mayor espesor (5 mm) es de esperar que

presente la mayor durabilidad y es el de menor costo de adaptación.

En lo que respecta al calentador de lámina con doble boquilla se destacó por su

costo intermedio y porque la distribución del calor fue más uniforme, lo cual garantiza un

ambiente cálido y confortable para el lechón. No obstante, la temperatura se puede regular

en cualquiera de los tres modelos de calentadores ajustando su altura con respecto al suelo.

A su vez, estos tres modelos son fáciles de construir, ya que el material esta disponible para

cualquier agricultor en el medio rural de América Latina.

No habiendo obtenido explicación en la diferencia de consumo de biogás entre los

mismos tipos y diámetros de boquillas, es de notar que el consumo de los tres modelos de

calentadores estuvo entre 50 y 100 L/hora, lo cual es muy bajo, comparado con los 375

litros de consumo por hora en una hornilla para cocinar, reportados por Espinel y Solarte,

1995.

Cualquiera de los tres modelos de calentador permite que se alcance fácilmente la

temperatura de confort para los lechones. Sin embargo, al relacionar los resultados de

consumo de biogás y teniendo en cuenta la regulación de la temperatura mediante el ajuste

de la altura, el calentador de disco de rastra es el más eficiente.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

California Polytechnic State University. 1978. Oxyacetylene Welding. In Bongio, E; Smith,

E; Sabo, R. eds. Principles of Industrial Welding. A text for students and others

interested in welding. San Luis Obispo, California, E.U., The James Lincoln ARC

Welding Foundation. 14.1-14.10.

Espinel, R; Solarte, L. 1995. Biodigestores plásticos de flujo continuo, generador de gas y

bioabono a partir de aguas servidas. Cali, Co., Editorial CIPAV. 19 p.

Guerrero, C; Pérez, A. 2001. Evaluación del uso de calentadores de lechones operados con

biogás y de bajo costo en la producción porcina. Trabajo de Graduación.

Guácimo, C.R., Universidad EARTH, 28 p.

Pond, W; Houpt, K. S.F. Biología del cerdo. Zaragoza, Esp., Editorial Acribia. 334 p.

Anexo 1. Análisis del costo de fabricación y/ó adaptación (US $) de los tres

modelos de calentadores.

Modelo de Calentador Cantidad Unidad Costo Unitario Costo TotalCalentador de Disco de Rastra

Disco de Rastra usado 1 unidad 3.79 3.79Mano de obra 0.5 hora 1.79 0.90Codos galvanizados de 1/2" 2 unidad 0.24 0.48Niples de 1/2" de hierro galvanizado (para boquilla) 3 unidad 0.15 0.46Llave de paso de balín de 1/2" 1 unidad 1.93 1.93

7.55Calentador de Lámina 1

Lámina metálica calibre # 18 1/2 unidad 5.02 5.02Mano de obra 1 hora 2.99 2.99Codos galvanizados de 1/2" 2 unidad 0.24 0.48Niples de 1/2" de hierro galvanizado (para boquilla) 3 unidad 0.15 0.46Llave de paso de balín de 1/2" 1 unidad 1.93 1.93

10.87Calentador de Lámina 2

Lámina metálica calibre # 18 1/2 unidad 5.02 5.02Mano de obra 1 hora 2.99 2.99Niples de 1/2" de hierro galvanizado (para boquilla) 1 unidad 0.15 0.15Secciones de tubo de cobre de 3/8" (para boquilla) 2 unidad 0.71 1.42Llave de paso de balín de 1/2" 1 unidad 1.93 1.93Reductor de cobre de 1/2" a 3/8" 2 unidad 0.24 0.48Campana de unión de cobre de 3/8" 2 unidad 0.18 0.36"T" galvanizada de 1/2" 1 unidad 0.25 0.25

12.59Calentador de Estañon

Estañon metálico usado 1/2 unidad 4.48 4.48Mano de Obra 2 hora 2.99 5.97Codos galvanizados de 1/2" 2 unidad 0.24 0.48Niples de 1/2" de hierro galvanizado (para boquilla) 3 unidad 0.15 0.46Llave de paso de balín de 1/2" 1 unidad 1.93 1.93

13.32