Apéndice C — NOM-036-ENER-SE-2025, Eficiencia térmica y seguridad de estufas que funcionan con leña. Especificaciones, métodos de prueba y marcado.

Apéndice C

Normativo

Mediciones de emisiones y desempeño basadas en laboratorios - Consideraciones adicionales

C.1. Generalidades

El inciso 7.1.1 está diseñado para estufas, pero comparte muchos principios con las mediciones de emisión de partículas y

gases que han estado en uso durante muchos años para fuentes de combustión estacionarias. Un procedimiento de prueba que

comparte muchos de estos principios es el método del túnel de dilución tal como se especifica actualmente para la certificación de

estufas para calentamiento de espacios en muchos países.

Otro procedimiento de prueba basado en laboratorio, el método de balance de masa comparte muchos principios con

procedimientos basados en campo que han sido ampliamente utilizados, especialmente cuando el uso de un túnel de dilución no

es práctico. La captura total de las emisiones no se requiere con el uso del método del balance de masa. El método de balance de

masa de carbono ha estado en uso durante muchos años para diversas aplicaciones.

El estándar dorado para la cuantificación de las emisiones y la eficiencia del biocombustible usa el túnel de dilución para la

captura total cotejado con el método de balance de masa de carbono. Obteniendo consistentemente resultados similares para

ambos métodos que no demuestran exactitud, pero mejoran bastante la confianza en los resultados.

La evaluación de emisiones y eficiencia del biocombustible de las estufas es más complicada que la misma tarea para otras

fuentes estacionarias debido a la diversidad de diseños, biocombustibles y aplicaciones de las estufas. Por ejemplo, muchas de

las aplicaciones de fuentes estacionarias consisten principalmente en operaciones en condiciones de estado estacionario. Las

aplicaciones de estufas incluyen una gama más amplia de niveles de potencia y funciones. Además, algunas estufas son lo

suficientemente grandes como para impedir la aplicación de equipos y métodos de pruebas de laboratorio típicos. En los casos en

que no sea posible la aplicación de un túnel de dilución, las pruebas deben realizarse en el sitio o bajo condiciones apropiadas.

La evaluación de las emisiones y la eficiencia del biocombustible también es más complicada para las estufas de

biocombustibles sólidos que para las estufas de líquido/gas. La combustión de biocombustibles sólidos es inherentemente más

variable que en las estufas de biocombustibles líquidos o gaseosos porque el proceso de combustión de biocombustibles sólidos

incluye vaporización de la humedad (secado), volatilización de hidrocarburos (pirólisis y carbonización), carbonizarse (carbón),

gasificación y combustión de gas. Además, controlar la combustión de biocombustibles sólidos es más complicado que controlar

la combustión de líquidos y gases típicos.

C.2. Cálculos del número de Reynolds del conducto

Para conseguir un número de Reynolds mínimo de 104, seleccione una sección transversal de conducto circular y un flujo

volumétrico como se indica en la fórmula 10.

(10)

Donde:

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Re es el valor del número de Reynolds, sin unidad;

V es la velocidad del aire en el conducto, m/s;

d es el diámetro del conducto, m;

v es la viscosidad cinemática del aire a la temperatura y presión de muestreo, m2/s;

Q es el flujo volumétrico, m3/s.

C.3. Cálculo del flujo mínimo

Para aire a 20 ºC y presión de 100 kPa (n = 1.5x10-5 m2/s), resuelva el flujo mínimo de 0.15 m y 0.3 m de conducto como se

indica en la fórmula 11.

(11)

Qmin,D = 0.15m 64 m3/hr (V 1 m/s)

Qmin,D = 0.30m 130 m3/hr (V 0.5 m/s)

Donde:

Q es el flujo volumétrico, m3/s;

n es la viscosidad cinemática del aire a la temperatura y presión de muestreo, m2/s;

d es el diámetro del conducto, m;

V es la velocidad del aire en el conducto, m/s;

Qmin,D es el flujo volumétrico mínimo, m3/s

C.4. Muestreo y cálculos de las emisiones de contaminantes del aire

C.4.1. Muestreo isocinético de material particulado

El muestreo isocinético se considera una buena práctica y se recomienda para el muestreo de material particulado a partir de

un túnel de dilución (ver Liu et al. 2008 [11], Maricq et al. 2003 [12], y Petrovic et al. 2015 [13]). Sin embargo, no se requiere

muestreo isocinético, porque para el conteo y el diámetro medio de la masa de las partículas es típicamente inferior a 500 nm. Por

esta razón, la deposición inercial que domina desde partículas > 1 µm de diámetro no es tan grande como debería, y la

consideración cuidadosa del muestreo isocinético no es crítica.

C.4.1.1. Determinación del diámetro del tubo de muestra, método del túnel de dilución

Utilizando el método del túnel de dilución, el diámetro interno del tubo de muestreo se puede determinar como se indica en la

fórmula 12.

(12)

Donde:

dmuestra es el diámetro interno del tubo de muestreo, m;

dducto es el diámetro interno del conducto de gases de salida, m;

Qducto es el flujo volumétrico a través del sistema de gases de salida, m3/s;

Qmuestra es la tasa de muestreo, m3/s.

C.4.1.2. Determinación del diámetro del tubo de muestra, método de balance de carbono

Cuando se emplee el método de balance de masa de carbono, se recomienda determinar el diámetro del tubo de muestreo

como se indica en la fórmula 13.

(13)

Donde:

dmuestra es el diámetro interno del tubo de muestreo, m;

vpluma es la velocidad de la pluma, m/s;

Qmuestra es la tasa de muestreo, m3/s.

Se puede usar un anemómetro o dispositivo similar para aproximar la velocidad de la pluma. Los límites de temperatura del

anemómetro deben ser verificados para asegurar el rango apropiado para medir la pluma.

El eje del tubo de muestreo debe ser paralelo a la velocidad de la pluma.

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C.4.2 Medición de la concentración de masa de aerosol

La concentración de masa de aerosol, tal como PM2.5, se debe medir por muestreo de aerosol en filtros gravimétricos de

cuarzo, fibra de vidrio o PTFE como se describe en la ISO 9096. Ver inciso A.9 y la Figura A.1.

Los métodos basados en óptica no son una referencia aceptable para cuantificar las concentraciones de masas de aerosoles

generadas por cocinas porque los métodos ópticos deben calibrarse a las propiedades ópticas de una fuente dada y son menos

precisos que los métodos gravimétricos, especialmente cuando la masa significativa es inferior a 50 nm a 100 nm (ver Amaral et

al. 2015 [10]).

Código

1 ciclón o impactador

2 porta filtro

3 bomba y control de flujo

dmuestra diámetro interno del tubo de muestreo, m;

dducto diámetro interno del conducto de gases de salida, m;

Qducto flujo volumétrico a través del sistema de gases de salida, m3/s;

Qmuestra Tasa de muestreo, m3/s;

vducto Velocidad del gas en el conducto, m/s;

vmuestra Velocidad del gas en la sonda de muestra, m/s.

Figura C.1 - Diagrama representativo de un sistema de muestreo de la concentración en masa de aerosol

C.4.3. Muestreo de contaminantes gaseosos

El muestreo de especies gaseosas no necesita ser isocinético, ver Figura C.2. No obstante, debe tenerse cuidado de que el

equipo de análisis esté protegido de la alta concentración de aerosol y la humedad relativa que puede estar presente en el

conducto. Si se están realizando muestreos de especies reactivas, se debe tener cuidado de elegir un muestreo apropiado para

reducir las pérdidas debidas a reacciones en la pared. Por lo general, las pruebas de estufas se pueden realizar utilizando

instrumentos de medición de gas con una escala completa de 10 000 ppm para CO2 y 1 000 ppm para CO, aunque se pueden

usar otras escalas completas según las condiciones de la prueba.

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Código

1 Filtración del aerosol

2 secador

3 analizador de gas

Figura C.2 - Diagrama representativo de un sistema de muestreo de gas carbónico

C.4.3.1. Medidas integradas

Para medidas integradas tales como la concentración de masa de aerosol basada en filtros, la tasa de emisión de masa

promedio desde la fuente durante el período de integración, t, (Es,i) se puede calcular como se indica en la fórmula 14.

(14)

Donde:

Es,i es la tasa de emisión de masa promedio de la fuente durante el período de integración, g/s;

R es la proporción de dilución de la solución, sin unidad;

m es la masa integrada del contaminante muestreado, g;

t es el tiempo, s;

Qmuestra es el flujo volumétrico de muestreo, m3/s;

Ci,0 es la concentración en masa del contaminante de interés en el aire ambiente, g/m3;

Qducto es el flujo volumétrico a través del sistema de gases de salida, m3/s.

Nota 1: La fórmula anterior es aplicable para los esquemas de muestreo basados en la captura total (campana y conducto),

pero no es relevante para el muestreo de una habitación u otro ambiente interior.

Nota 2: Se supone que la corriente de dilución, en su caso, contiene concentraciones insignificantes del contaminante de

interés. Esta suposición no siempre es cierta, especialmente si la corriente de dilución primaria es el aire ambiente de un

ambiente contaminado.

Nota 3: Qducto siempre se refiere al flujo volumétrico previo a la muestra a través del conducto a la temperatura y presión del

conducto. Sin embargo, es raro en la práctica que la medición de Qducto después de la muestra pueda afectar los resultados

porque, por lo general, Qducto >> Qmuestra

Ejemplo: Un sistema de captura total típico puede tener Qducto = 7000 LPM mientras que Qmuestra = 16.7 LPM, dando lugar

a un error de 0.2% si el Qducto se define incorrectamente.

C.4.3.2. Mediciones en tiempo real

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Para los sistemas de medición de concentración en tiempo real, como un analizador de gas, la tasa de emisiones de una

fuente se define como se indica en la fórmula 15.

(15)

Donde:

Es,rt es la tasa de emisión de la fuente en tiempo real, g/s;

R es la proporción de dilución de la solución, sin unidad;

Cmuestra,DTP es la concentración en masa generada por el fuego del contaminante de interés a la

misma temperatura y la presión del conducto, g/m3;

Qducto es el flujo volumétrico a través del sistema de gases de salida, m3/s.

Corrección de temperatura y presión pueden ser aplicados como se indica en la fórmula 16.

(16)

Donde:

Cmuestra,DTP es la concentración en masa generada por el fuego del contaminante de interés a la misma temperatura y

presión del conducto, g/m3;

Cmuestra es la medida de la concentración de la muestra, g/m3;

C0 es la concentración en masa del contaminante de interés en el aire ambiente, g/m3;

Tmuestra es la temperatura del gas de muestra, K;

Tducto es la temperatura del gas en el conducto, K;

Pducto es la presión en el conducto, Pa;

Pmuestra es la presión en la línea de muestreo, Pa.

Nota 1: T y P se miden en unidades absolutas, es decir, Kelvin y Pascales absolutos.

Nota 2: Muestreo con instrumentos de un conducto y túnel de dilución tiene desfase inherente de tiempo. La muestra tendrá

lugar a partir del fuego y viajará a través del conducto, túnel de dilución, y líneas de muestreo antes de llegar finalmente al

instrumento. Además, el instrumento puede tener su propio retraso (por ejemplo, métodos electroquímicos para medir CO). Por

esta razón, datos "en tiempo real" pueden retrasar el comportamiento de la estufa, típicamente de 5 a 30 s. Es importante

considerar retrasos y tiempos de respuesta de instrumento a la hora de analizar los datos, considerando los efectos de tiempo de

respuesta en solapamiento, y cuando se alineen secuencias de datos en el dominio de tiempo.

C.5. Método del balance de carbono

Para medidas integradas como concentración en masa del aerosol basada en filtros, la tasa promedio de las emisiones de la

fuente durante el período de integración, t, (Es,i) se pueden calcular como se indica en la fórmula 17.

(17)

Donde:

Es,i es la tasa promedio de las emisiones de la fuente durante el período de integración, g/s;

R es la proporción de dilución, sin unidad;

m es la masa de contaminante recolectado en el filtro,

zc es la fracción de todo el carbono elemental, habiendo surgido del fuego, que pasa a través del dispositivo de

muestreo, sin unidad;

t es el tiempo, s.

Para el biocombustible que contiene una fracción de masa seca de carbono elemental, fc,w, quemado en un fuego con

duración t, zc se puede escribir como se indica en la fórmula 18.

(18)

Donde:

zc es la fracción de todo el carbono elemental, habiendo surgido del fuego, que pasa a través del dispositivo de

muestreo, sin unidad;

Qmuestra es la tasa de muestreo volumétrico, m3/s.

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n es el número de moléculas que contienen carbono, sin unidad;

fc,i es la fracción de masa de carbono en las moléculas que contienen carbono, sin unidad;

Ci es la concentración en masa total de cualquier especie que contiene carbono, g/m3;

Ci,0 es la concentración en masa del ambiente (fondo) de cualquier especie que contiene carbono, g/m3;

t es el tiempo de duración del fuego, s;

fc,w Es la fracción de masa seca de carbono elemental contenida en el biocombustible, sin unidad;

mwes la masa de biocombustible, g.

Nota: Para determinar fc,w, un análisis de composición elemental del biocombustible de carbono seco y cenizas es obligatorio

en el resultado más importante, siendo la fracción de masa de carbono elemental por la masa de biocombustible seco.

Ejemplo: Leña que contiene un 45% de carbono elemental por masa seca es quemada en una prueba. Una determinada fase

de la prueba dura 30 min. Durante este tiempo, 500 g de masa de madera seca se consume. Las concentraciones ambientes de

CO2 y CO son 400 ppm y 0 ppm, respectivamente. Un investigador coloca un tubo en la pluma de emisiones del fuego para medir

PM2.5. Las concentraciones variables en el tiempo de CO2 y CO en el tubo se muestran en la Figura C.3. Dado que 5 mg de

PM2.5 fueron depositados en el filtro del investigador durante la prueba y que el filtro tenía un flujo volumétrico de 16.7 l/min,

determine la tasa de emisión de masa total de PM2.5 del fuego. El muestreador no tiene dilución. Asuma que la masa de carbono

elemental en la leña es emitida principalmente como CO2 y CO.

Ejemplo de la prueba de balance de masa

Figura C.3 - Concentraciones variables en el tiempo de CO2 y CO en el tubo de muestra

En primer lugar, integre la serie de tiempo de CO2 y CO.

(19)

Donde:

t es el tiempo de duración del fuego, s;

Cco(t) es la concentración de CO en función del tiempo (es decir, a la tasa de muestreo proporcionada por el

instrumento), g/m3;

Cco(0) es la concentración ambiente de CO (en t=0, antes de que el fuego esté encendido), g/m3.

Nota 1: La conversión de ppm·min a unidades de g·min/l utiliza el volumen molar del aire en STP (24.79 l/mol) y masa molar

de CO (28 g/mol) igualmente, para CO2:

(20)

Donde:

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t es el tiempo de duración del fuego, s;

Cco2(t) es la concentración de CO2 como una función de tiempo (es decir, a la tasa de muestreo proporcionada por el

instrumento), g/m3;

Cco2(0) es la concentración ambiental de CO2 (en t=0, antes de que el fuego esté encendido), g/m3.

Nota 2: unidades de ppm·min se convierten en g·min/l usando el volumen molar del aire en STP (24.79 l/mol) y masa molar de

CO2 (44 g/mol).

Luego, suponiendo que fc = 12/(12+16) para CO y fc = 12/(12+2x16) para CO2, zc se calcula como:

(21)

Finalmente, llegamos a la tasa de emisión:

(22)

Nota 3: Para obtener más información sobre el método del balance de carbono, ver Zhang et al. 2000 [14].

C.6. Eficiencia de combustión

La eficiencia de la combustión puede ser útil para determinar en la estufa propósitos de desempeño e investigación.

Debido a la complejidad de la determinación de la eficiencia de combustión, una aproximación se utiliza a menudo como un

indicador de la eficiencia de la combustión. Eficiencia nominal de la combustión (CO2/[CO2+CO+PM+HCX], donde HCX es total

de hidrocarburos) o eficiencia modificada de la combustión (CO2/[CO2+CO]) son útiles para aproximar la eficiencia de

combustión.

La determinación de la eficiencia de combustión puede estar basada en DIN 1942 (1994-02) - Acceptance testing of steam

generators (VDI Code of practice), German Institute for Standardization (withdrawn), ASME PTC 4.1 - Boiler efficiency test,

American Society of Mechanical Engineers, y la BS 845-1:1987 - Methods for assessing thermal performance of boilers for steam,

hot water and high temperature heat transfer fluids. Concise procedure, British Standards Institution.

C.7. Método de prueba de fugas

C.7.1. Aplicación

Este método de prueba de fugas debe aplicarse a

a) toda la parte de un sistema de muestreo que funcione en vacío (presión manométrica negativa), a fin de asegurar que

la muestra no se diluya, y

b) toda la parte de un sistema de muestreo que opera bajo presión (presión manométrica positiva) en el que es

necesaria la medición de caudal volumétrico, a fin de asegurar que el flujo volumétrico sea medido con precisión.

Este método de prueba de fugas también puede aplicarse a una parte de un sistema de muestreo que opere bajo presión

positiva en la cual la medición del flujo volumétrico no es necesario (p. ej., entre la salida de la bomba de muestreo y la entrada de

los analizadores de gases), pero esto no es un requisito, porque si suficiente flujo volumétrico se mantiene, entonces la muestra

no se diluye.

C.7.2. Procedimientos

El volumen interno debe ser determinado por la parte del sistema de toma de muestras para la evaluación de fugas. Debe

determinarse el volumen interno:

a) mediante el cálculo del volumen de las dimensiones internas medidas, o

b) al llenar el sistema con agua y medir el volumen directamente.

El agua residual puede ser removida del sistema de toma de muestras con una bomba de vacío.

La típica presión de funcionamiento del sistema de muestreo debe ser medida.

La parte del sistema de toma de muestras bajo prueba debe ser bombeada a la presión de operación (o inferior para un

sistema en vacío, más alto para un sistema bajo presión), y el sistema debe ser cerrado con válvulas.

El cambio de presión (si hay alguno) debe ser medido a lo largo del tiempo.

La tasa de fuga debe calcularse mediante la medición de la tasa de cambio en la presión y el volumen interno del sistema de

toma de muestras como se indica en la fórmula 23.

(23)

Donde:

LR es la tasa de fuga, l/min;

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V es el volumen interno del sistema de muestreo, l;

DPfuga es el cambio en la presión durante el tiempo t, debido a la fuga, Pa;

t es el tiempo transcurrido de la prueba de fugas, min;

Patm es la presión atmosférica, Pa.

C.7.3. Prueba del sistema

Además de las pruebas de fugas requeridas, una prueba periódica del sistema es recomendada, como se indica.

Gas de CO2 debe ser entregado en un flujo conocido en la campana de emisiones ya sea por:

a) medir el cambio en la masa de CO2 sólido (hielo seco) a lo largo del tiempo, o

b) la medición del flujo de gas CO2 comprimido (u otro gas trazador).

La concentración de CO2 en el túnel de dilución debe calcularse como se indica en la fórmula 24.

(24)

Donde:

C es la concentración de CO2 en el túnel de dilución, ppm;

Cb es la concentración de fondo de CO2 en el aire ambiente,

QCO2 es el flujo volumétrico de CO2 emitido a la campana, l/min;

Qtunel es el caudal de aire en el túnel de dilución, l/min;

106 es el factor de conversión a ppm.

La concentración de CO2 debería medirse en el lugar de muestreo. El analizador de gas de CO2 debe verificarse para la

calibración como se especifica en el inciso 7.1.1.3.5. Si las concentraciones de CO2 calculadas y medidas no están en estrecho

acuerdo (dependiendo del sistema) entonces, el sistema de medición de emisiones debe ser evaluado para identificar y corregir el

problema.

C.8. Método para validar las emisiones bien mezcladas en un conducto

C.8.1. Generalidades

Este método se proporciona como un ejemplo para determinar si los gases de salida diluidos de una estufa están bien

mezclados en un conducto antes del muestreo con instrumentos de medición de emisiones. En este método, se inyecta gas

trazador ascendente en el puerto de muestreo, aproximadamente en la boca o la entrada del conducto, y una muestra de sonda

conectada al analizador de gases correspondiente toma mediciones en varias ubicaciones (axialmente) del diámetro entero del

conducto.

C.8.2. Equipo

Este método requiere:

a) una sonda de toma de muestras,

b) un gas trazador (por ejemplo, CO2, CO, SF6).

c) una precisión de masa o flujo volumétrico del dispositivo de control, y

d) un analizador de gases correspondiente para el gas trazador.

La sonda de muestreo debe ser lo suficientemente larga para atravesar todo el diámetro del conducto.

Se recomienda que el analizador de gases tenga un intervalo de medición no superior a 1 s. Cuando se seleccione un gas

trazador, es importante asegurarse de que la diferencia entre la concentración esperada del gas trazador diluido en el conducto y

la concentración ambiente de fondo del trazador supere el sesgo de error del analizador.

C.8.3. Preparación

Antes del experimento:

a) Los analizadores deberán ser puestos en cero y ajustados.

b) Los cálculos deben realizarse para estimar la concentración esperada de este gas en el conducto después de la

dilución. Esta concentración calculada será mayor que el sesgo del analizador de gases para asegurar mediciones

exactas.

C.8.4. Introducción del trazador al conducto

El gas trazador debe introducirse en la entrada del conducto axialmente con el flujo de aire y a una velocidad similar a la del

flujo de aire (inyección isocinética). Para mayor certeza, se pueden realizar más experimentos con el trazador introducido

tangencialmente al conducto; el uso de ambas configuraciones puede aumentar la certeza de que la muestra está completamente

mezclada en el conducto.

C.8.5. Procedimiento

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El procedimiento es el siguiente:

a) Para comenzar el experimento, coloque la sonda de toma de muestras en el eje del conducto.

b) A continuación, inyecte el gas trazador en una constante tasa volumétrica en la campana y espere hasta que las

mediciones en estado estacionario se alcancen en el instrumento analizador de gases (al menos 1 min).

c) Después de alcanzar el estado estacionario, deje la sonda en la misma posición y apague el gas de muestra. Continúe

el muestreo hasta que el analizador lea las concentraciones de fondo (al menos 1 min).

d) Repita este proceso según sea necesario para alcanzar el nivel deseado de confianza.

e) Cuando el nivel deseado de confianza sea obtenido para la primera posición de la sonda, mueva la sonda a una

nueva ubicación axial en el conducto, más cerca de la pared, y repita el proceso de pulsar encendido y apagado el gas

trazador. Recopile datos de cinco posiciones axiales en el conducto (por ej. 0D, 1/4D, 1/2D, 3/4D y D).

f) Compare los resultados para predecir (calcular) las concentraciones de gases y calcule el error.

Además de analizar la concentración media de trazador diluido, se recomienda que la variación de la concentración del

trazador con respecto al tiempo será comparada con la varianza nativa del instrumento (ruido) al medir el aire ambiente. Este

paso asegura que en promedio el trazador no simplemente esté bien mezclado, sino también bien mezclado en la escala de

tiempo de la velocidad de muestreo del instrumento.

Un conducto bien mezclado debe tener un trazador cuya concentración media está dentro del 5 % del valor esperado y no

más del 10 % de variación entre la medición máxima y mínima.

C.9. Lineamientos sobre la selección del material del filtro

La Tabla C.1 proporciona lineamientos sobre la selección del filtro.

Tabla C.1 - Ventajas y desventajas de los tipos de filtros

Tipo de Politetrafluoroetileno/PTFE (Teflón) Fibra de vidrio Cuarzo

Ventajas - Fuerte y robusto

- Químicamente inerte

-Muy adecuado para mediciones

gravimétricas

- Bajo costo

Muy adecuado para

gravimétrica.

- Apropiado para

mediciones termo-ópticas

de CE/OC

- Bajo costo

- Apropiado para mediciones termo-ópticas de

CE/OC

Inconvenientes - Normalmente más caro

-No es apropiado para mediciones

termo-ópticas de CE/OC

- Puede exhibir los

artefactos debido a las

conversiones de gas a

partículas

- Más frágil que TFE

- Frágil a menudo no muy

adecuado para mediciones gravimétricas,

especialmente cuando la masa capturada en

el filtro es pequeña (<0.5 mg)

- Propenso a absorber humedad, que puede

afectar las mediciones gravimétricas debido al

gasto de las conversiones de partículas si el

filtro se ha fortalecido a través de un proceso

alcalino