Diseño de cocinas para combustión óptima de mezclas de diesel y biodiesel

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COCINAS NO 
CONVENCIONALES PARA LA COMBUSTIÓN ÓPTIMA DE 
MEZCLAS DE PETRÓLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, 
GIRASOL Y ALGODÓN 
 
DESIGN AND CONSTRUCTION OF NOT CONVENTIONAL KITCHENS FOR THE OPTIMUM 
COMBUSTION OF MIXTURES OF DIESEL FUEL 2 WITH BIODIESEL OF SOY, SUNFLOWER AND 
COTTON 
 
Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama 
____________________________________________________________________________ 
RESUMEN 
Durante la última década los derivados del petróleo (diesel 2 y kerosene) han adquirido gran importancia como 
fuente de energía en cocinas domésticas no convencionales necesarias para la cocción de alimentos en hogares y 
comedores populares de zonas rurales y de extrema pobreza de nuestro país; pero debido al continuo incremento de 
los precios de estos combustibles la economía de estas familias se ve afectada económicamente; asimismo, debido a 
la emisión de partículas y gases contaminantes productos de la combustión de estos combustible se emite hacia la 
atmósfera, gases tales como: CO2, SO2, CH, CO, impactando sobre el medio circundante. En este contexto surge la 
necesidad del uso de fuentes de energías renovables alternativas. 
 
En el presente artículo, se muestran los criterios técnicos de diseño y construcción de una cocina doméstica no 
convencional, usando como combustible alternativo la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón 
en diferentes porcentajes en volumen. Los parámetros de variación son: distancia desde la salida del difusor a la 
parrilla de la cocina, el diámetro de los pulverizadores y la presión de pulverización del combustible de cada 
mezcla; para así determinar los parámetros constructivos y energéticos para el diseño de la cocina no convencional, 
que permita obtener el máximo aprovechamiento de energía térmica y mayor eficiencia de combustión empleando 
las diferentes mezclas. 
ABSTRACT 
During the last decade fuels derived from petroleum (diesel 2 and kerosene) have got a big importance like energy 
source in no conventional domestic kitchen needed to cook the food in rural and marginal zones; because of the fuel 
prices growth family economy is affected; and because of particle and gaseous pollutants from combustion, the 
environmental impact is rising. 
In this article, it is shown the construction and designing techniques criteria of a no conventional domestic kitchen 
using an alternative fuel: the mixture of diesel 2 and biodiesel of soya, sunflower and cotton in different volume 
percentages. The parameters to change are: distance from the diffuser exit to grill kitchen; diameter sprayer and 
combustion pressure to decide the constructive and energetic parameters to determinate the construction and 
designing parameter to obtain the most the thermal energy benefit and major combustion efficient with each 
mixture. 
_____________________________________________________________________________________ 
INTRODUCCIÓN 
 
El presente proyecto de investigación tiene como 
finalidad estudiar los parámetros energéticos y 
constructivos de diseño para el empleo del biodiesel 
(elaborado a partir del aceite de soya, aceite de 
girasol y aceite de algodón) como fuente de energía 
calorífica en mezclas con petróleo diesel 2 en 
quemadores de cocinas. Los ensayos experimentales 
permitirán conocer los valores reales optimizados 
para la construcción de la cocina no convencional 
para combustión óptima de las mezclas de diesel 2 y 
biodiesel. 
 
PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO 
 
Primera etapa. Calculo teórico del gasto de 
combustible y del flujo calor de combustión que se 
produce al atravesar la aguja del pulverizador. 
Se analizara la combustión usando 4 pulverizadores 
de diferente geometría, como se indican en la 
siguiente tabla: 
 
Cuadro. 01. Geometría de los pulverizadores 
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Fig. 01. Vista de los pulverizadores Nº 1, 2, 3 y 4 
 
• Cálculo teórico del flujo de calor transferido al 
agua contenida en la tetera. 
• Planteamiento de las ecuaciones de balance de 
energía 
• Cálculo de los parámetros constructivos permitirá 
conocer los siguientes parámetros óptimos: 
 
a. El porcentaje de biodiesel en la mezcla de diesel 
2 y biodiesel de soya girasol y algodón 
respectivamente. 
b. El diámetro del pulverizador para lograr 
optimizar la combustión. 
c. La distancia desde el difusor a la parrilla para 
cada presión de pulverización y para cada mezcla 
óptima. 
 
Segunda etapa Ensayos de combustión variando los 
parámetros constructivos: 
 
• Se observará y medirá la longitud de la flama y el 
tiempo que demora en hervir 1 litro de agua a las 
presiones de 24 y 32 PSI; con los parámetros 
obtenidos del análisis numérico (altura del difusor a 
la parrilla, diámetro del difusor y porcentaje de 
mezcla). 
• Determinación y análisis de los calores que 
intervienen en el proceso de combustión de las 
mezclas. 
Tercera etapa Construcción de la cocina no 
convencional para la combustión óptima de mezclas 
de diesel 2 y biodiesel 
 
FORMULACIÓN DE OBJETIVOS 
 
OBJETIVOS GENERALES 
Plantear los criterios técnicos de construcción de una 
cocina doméstica no convencional, empleando como 
combustible alternativo las mezclas en diferentes 
porcentajes en volumen de diesel 2 con biodiesel de 
soya, girasol y algodón, respectivamente. 
 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 
1. Determinar el porcentaje de biodiesel presente en 
la mezcla y el diámetro del pulverizador 
adecuados para optimizar la combustión de las 
mezclas de biodiesel y diesel 2. 
2. Determinar los parámetros constructivos 
adecuados para obtener el máximo 
aprovechamiento de la energía térmica y la 
mayor eficiencia de la combustión. 
 
FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS 
 
HIPÓTESIS GENERAL 
 
• Las variaciones de los parámetros constructivos 
originan la variación en los parámetros de 
transferencia de calor y del proceso de combustión; 
por lo que permiten obtener un rango de valores 
definidos para realizar los ensayos de combustión. 
 
HIPÓTESIS ESPECÍFICAS 
 
1. Al realizar la combustión de una determinada 
masa de combustible, para lograr una 
combustión eficiente es necesario tener una 
mayor relación aire-combustible que la 
estequiométrica (>14,5) y por lo tanto reducir las 
emisiones tóxicas 
 
2. Al variar la distancia del difusor a la base de la 
parrilla en contacto con la base de la tetera; se 
logra que la flama incida en toda la base de la 
tetera logrando un mejor aprovechamiento del 
calor de combustión. 
 
FUNDAMENTO TEÓRICO 
 
1. Biodiesel.- la Sociedad Americana de Ensayos y 
Materiales (ASTM) define al biodiésel como ésteres 
monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga 
derivados de insumos grasos renovables, como los 
aceites vegetales o grasas animales. 
El término bio hace referencia a su naturaleza 
renovable y biológica en contraste con el combustible 
diesel tradicional derivado del petróleo; mientras que 
diesel se refiere a su uso en motores de este tipo. 
Como combustible, el biodiesel puede ser usado en 
forma pura o mezclado con petróleo diesel. 
 
1.1 Materias primas para la elaboración del 
biodiesel.- La fuente del aceite vegetal suele ser la 
palma, soya, colza, girasol (variedades con mayor 
Geometría Pulv. 1 Pulv. 2 Pulv. 3 Pulv. 4 
diámetro 
entrada 
Dp (m) 
0,002 0,0022 0,0025 0,00315 
diámetro 
salida dp 
(m) 
0,00021 0,00021 0,00035 0,0004 
longitud L 
(m) 
0,0085 0,00845 0,01 0,0106 
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rendimiento por hectárea), entre otros 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.02. Aceite vegetal 
 
2. Combustión.- proceso en donde los constituyentes 
del combustible son oxidados, acompañada de un 
intenso desprendimiento de calor. En el tiempo que 
ocurre la combustión, la masa total permanece casi 
inalterada, de maneraque al momento de balancear 
las ecuaciones de reacción se puede aplicar la “ley de 
la conservación de la materia” 
 
2.1. Calor de combustión.- es la disminución de 
entalpía de un cuerpo en condiciones normales de 
presión y a una temperatura definida. Será entonces 
el calor que se libera cuando el combustible arde en 
una llama o cuando los componentes principales 
reaccionan con el oxígeno 
 
2.2. Combustión completa.- ocurre siempre que se 
produzca en presencia de una cantidad suficiente 
de oxidante y culmine con la oxidación completa 
de los combustibles. Los productos gaseosos de la 
combustión completa son fundamentalmente CO2, 
H2O, N2. La combustión completa presenta llama azul 
pálido, y es la que libera la mayor cantidad de calor –
comparada con la combustión incompleta. 
 
2.3. Combustión incompleta.- ocurre cuando la 
cantidad de O2 no es suficiente para quemar de modo 
completo al combustible. Generalmente entre sus 
productos se presenta CO (gas sumamente tóxico), 
CO2, H2O y N2. Otro producto de una combustión 
incompleta es el carbón, sólido, que por acción del 
calor se pone incandescente y da ese color amarillo-
anaranjado a la llama, que por eso se le dice llama 
luminosa o fuliginosa. 
 
2.4. Combustión de aire.- el oxigeno puro es poco 
frecuente encontrar, pero lo que sí ocurre con 
frecuencia es la combustión con el oxígeno del aire, o 
combustión con aire. 
 ...… (01) 
 
2.4.1 Aire teórico.- Toda combustión completa con 
aire teórico implica que no existirá oxigeno entre los 
productos. Al aire teórico también se le denomina 
aire estequiométrico. 
2.4.2 Aire real.- es la cantidad de aire que se 
suministra durante el proceso de combustión para 
iniciar, mantener y terminar la combustión. 
 
2.4.3. Mezcla estequiométrica.- es toda mezcla que 
contiene exactamente aire y combustible en 
proporciones mínimas para producir una combustión 
completa. 
 
2.4.4. Mezcla pobre.- mezcla que contiene mayor 
cantidad de aire que la mezcla estequiometrica. La 
cantidad de aire garantiza la obtención de una 
combustión completa, se dice que el aire se encuentra 
en exceso. 
 
2.4.5. Mezcla rica.- es toda mezcla que contiene 
menor cantidad de aire que la mezcla 
estequiométrica. En este caso se dice que el aire se 
encuentra en defecto. 
 
 2.5. Temperatura de la flama adiabática o 
temperatura de la combustión adiabática. 
Considerando en el caso que no exista trabajo, 
transmisión de calor o cambio alguno de energía 
cinética y potencial, entonces toda la energía térmica 
producida en la combustión elevara la temperatura de 
los productos. Cuando la combustión es completa y 
estequiométrica en tales circunstancias, se considera 
que la máxima cantidad de energía química se ha 
convertido en energía térmica, y que es máxima la 
temperatura de los productos. 
 
3. Transferencia de Calor.- es la energía en tránsito 
debido a una diferencia de temperatura. Esta 
transferencia se da por tres tipos de procesos. 
 
3.1. Transferencia de calor por conducción.- para la 
conducción de calor la ecuación o modelo se conoce 
como ley de Fourier: 
 
 ……...…… (02) 
 
 
El flujo de calor o transferencia de calor q’’x (W/m
2) 
es la velocidad con que se transfiere el calor en la 
dirección x por unidad de área unitaria perpendicular 
a la dirección de transferencia de calor y es 
proporcional al gradiente de temperatura, dT/dx es 
esta dirección. La constante proporcional k, es una 
propiedad de transporte conocida como propiedad 
térmica (W/m.k) y es una característica del material. 
El signo menos es una consecuencia del hecho que el 
calor se transfiere en dirección de la temperatura 
decreciente. 
 
3.2. Transferencia de calor por convección.- se da a 
través de la siguiente ecuación: 
 
)TT(hq s'' ∞−= ………… (03) 
 
El flujo de calor por convección q’’ (W/m2) es 
proporcional a la diferencial de temperaturas de la 
)76.3(11 22 NOkmolAirekmol +=
dx
dT
kq x −=
''
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superficie y del fluido, Ts, T∞, respectivamente. Esta 
expresión se le conoce como ley de enfriamiento de 
Newton, y la constante proporcional h (W/m2.k) se 
denomina coeficiente de transferencia de calor por 
convección. Este depende de las condiciones en la 
capa límite en las que influyen la geometría de la 
superficie, la naturaleza del movimiento del fluido y 
una variedad de propiedades termodinámicas del 
fluido y de transporte. 
 
3.3. Transferencia de calor por radiación.- el flujo de 
calor emitido por una superficie está dado por: 
 
 
 ……....… (04) 
 
Donde: 
 
 Ts es la temperatura absoluta (K) de la superficie, σ 
es la constante de Stefan Boltzmann (σ = 5.67 x 10-8 
W/m2K4) y Tair es la temperatura absoluta (K) de los 
alrededores. 
 
FORMULACIÓN DE ITEMS 
 
¿Por qué el uso de las mezclas de biodiesel con diesel 
2 como combustible alternativo a los derivados del 
petróleo? 
 
Debido al constante incremento del precio del 
kerosene que es mucho mayor que el petróleo diesel 
2, por lo que se propone el uso de estas mezclas, 
cuyo costo de obtención es más barato que el costo 
de kerosene. De igual manera es menos contaminante 
que los derivados del petróleo. 
 
¿Qué tan eficiente es el uso de estas mezclas de 
biodiesel con diesel 2 en comparación con los 
derivados del petróleo? 
 
 En los ensayos preliminares de combustión que se 
hizo con estas mezclas se determinó, que su poder 
calorífico es aproximado al poder calorífico de los 
derivados del petróleo (kerosene, diesel2), también se 
comprobó que era un buen combustible (densidad 
energética >12). 
 
 ¿Por qué se varia la altura desde el difusor hasta la 
parrilla de la cocina? 
 
Se observó en los ensayos de combustión, que para la 
altura de diseño (cocina convencional) la longitud de 
la flama se desborda por los lados de la base de la 
tetera, produciéndose una elevada perdida de calor. 
Por esto al aumentar esta altura se consigue una 
mayor área de contacto y por ende un mayor calor 
aprovechado. 
 
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO 
 
1. Calculo del flujo de calor teórico de la combustión 
de las mezclas diesel y biodiesel. 
Para el cálculo del flujo de calor producido por la 
combustión se emplea la siguiente relación: 
 
 … (05) 
 
 
Donde: 
 
• Qcombustión (W): es el flujo de calor de la 
combustión de las mezclas diesel y biodiesel. 
• mcombustible(kg/s): Flujo másico de las mezclas 
biodiesel y diesel 2. 
• Hu (KJ/kg): poder calorífico de la mezcla 
diesel 2 y biodiesel. 
 
1.1 Cálculo del flujo másico del combustible.- Se 
emplea la siguiente relación: 
 
 ...(06) 
 
Donde: 
 
• (kg/s): Flujo másico de la mezcla 
biodiesel y diesel 2. 
• ρ comb (kg/m3): densidad de la mezcla 
biodiesel y diesel 2. 
• V pulverizador (m/s): velocidad del flujo de 
combustible a la entrada del pulverizador. 
• A pulverizador (m
2): área de paso del flujo de 
combustible a través del pulverizador. 
• 
1.2. Cálculo de la Velocidad de salida del 
pulverizador.- 
 
Para realizar este cálculo se hace necesario emplear 
las ecuaciones de continuidad por el recorrido del 
combustible desde el tanque, la tubería y el 
pulverizador 
 
A continuación se emplea la ecuación de continuidad 
entre la tubería de salida del tanque y el pulverizador: 
 
 ..... (07) 
 
 
 
Luego:pulv
tubtub
pulv
A
AV
V
×
= ……….. (08) 
Donde: 
 
• Q (m3/s): caudal de combustible 
• Vpulverizador (m/s): velocidad del flujo de 
combustible en la entrada del pulverizador. 
• Vtubería (m/s): velocidad del flujo de combustible 
al pasar por la tubería. 
)( 44'' airsrad TTq −= εσ
uecombustiblcombustión HmQ ×=
.
pulvpulvcombecombustibl AVm ××= ρ
.
ecombustiblm
.
cteAVAVQ pulvpulvtubtub =×=×=
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• Apulverizador (m
2): área de paso del flujo de 
combustible a través del pulverizador.
• Atubería (m
2): área de paso del flujo de 
combustible a través de la tubería. 
 
1.3 Cálculo de la velocidad del combustible en la 
tubería.- se utiliza la ecuación de Bernoulli desde la 
superficie libre dentro del tanque hasta la tubería, 
como se muestra a continuación: 
 
 
Además: 
• Ptanque (PSI): presión manométrica del tanque de 
la cocina 
• Ptuberia (PSI): presión manométrica dentro de la 
tubería. 
• Ztasque (m): altura de la superficie libre de la 
mezcla dentro del combustible. 
• g (m2/s): aceleración de la gravedad
• r (kg/m3): densidad de la mezcla de D2 y 
biodiesel. 
La ecuación de Bernoulli se ha simplificado, la 
velocidad en la superficie libre del combustible 
dentro del tanque se considera estancada (Vo = 0).
La altura Ztub se toma como nivel de referencia (Z
0) 
 
 
 P tanque
 A pulv 
 
 
 
 A tubería 
 
 
 
 
 
 
Fig.03. Distribución de los parámetros para el cálculo 
de la velocidad a la salida del pulverizador
2. Cálculo teórico del flujo de calor transferido al 
agua dentro de la tetera. El flujo de calor desprendido 
de la combustión se transmite en varias etapas, 
primera etapa: existe transferencia de calor por 
convección; transferencia de calor entre los gases de 
la combustión (propiedades físicas aproximadas a los 
valores de las propiedades físicas del aire) que 
inciden sobre la base de la tetera. Segunda etapa
transferencia de calor por conducción; transferencia 
de calor a través del espesor de la placa de aluminio 
de la base de la tetera. Tercera etapa: transferencia de 
calor entre la superficie de aluminio de la tetera y el 
agua que se mueve sobre esta. 
El proceso de transferencia de calor a través de los 
tres modos se calcula mediante las siguientes 
expresiones: 
- En la corona de la flama 
 
 
g
VP
gZ
P
tubtuberia
que
que
++++++++====××××++++
2
2
tan
tan
ρρρρρρρρ
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): área de paso del flujo de 
pulverizador. 
): área de paso del flujo de 
 
1.3 Cálculo de la velocidad del combustible en la 
se utiliza la ecuación de Bernoulli desde la 
superficie libre dentro del tanque hasta la tubería, 
 (09) 
(PSI): presión manométrica del tanque de 
nométrica dentro de la 
(m): altura de la superficie libre de la 
/s): aceleración de la gravedad 
): densidad de la mezcla de D2 y 
La ecuación de Bernoulli se ha simplificado, la 
velocidad en la superficie libre del combustible 
dentro del tanque se considera estancada (Vo = 0). 
se toma como nivel de referencia (Ztub = 
tanque 
Fig.03. Distribución de los parámetros para el cálculo 
de la velocidad a la salida del pulverizador 
flujo de calor transferido al 
. El flujo de calor desprendido 
de la combustión se transmite en varias etapas, 
transferencia de calor por 
convección; transferencia de calor entre los gases de 
la combustión (propiedades físicas aproximadas a los 
valores de las propiedades físicas del aire) que 
Segunda etapa: 
por conducción; transferencia 
de calor a través del espesor de la placa de aluminio 
: transferencia de 
calor entre la superficie de aluminio de la tetera y el 
de calor a través de los 
tres modos se calcula mediante las siguientes 
 
 
 
 
 
 
- En la parte media de la flama 
 
 
 
 
 
 
Donde: 
• h gases (W/m
2.k): coeficiente de convección de los 
gases de combustión. 
• h agua (W/m
2.k): coeficiente de convección del 
agua a Tebu 
• k aluminio (W/m.k): coeficiente de conducción del 
aluminio. 
• T ebu (K): temperatura de ebullición del agua.
• T fc (K): temperatura de la flama en la corona. 
• T fN (K): temperatura de la parte media de la 
flama. 
• A1 (m
2): área circular de la base de la tetera.
• A2 (m
2): área anular de la base de la tetera.
• e (m): es el espesor de la tetera.
En la fig. 03. se puede observar las áreas 
transversales al flujo de calor del frente de flama.
 
 
 
 
 
 
 
 
 Área circular A
 Área anular A2 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 04. Áreas A1 y A2 de trasferencia de calor
2.1 Cálculo del área perpendicular al flujo de calor.
Es función de la distancia (h) entre el difusor y la 
parrilla, de la siguiente manera: 
 
 
 
 
 
2
R
A
2
A 1.
×π
= ….. (14) 
Donde: 
 
gztub ××××++++
iominalu1gases1
ebucf
1
Ak.A
e
h.A
1
)TT(
Q
++
−
=
2iominalu2gases2
ebuNf
2
Ak.A
e
h.A
1
)TT(
Q
++
−
=
α×= tanHLH
α×+= cosLrR HdifusorA 1.
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 .. (10) 
 ...(11) 
.k): coeficiente de convección de los 
.k): coeficiente de convección del 
(W/m.k): coeficiente de conducción del 
(K): temperatura de ebullición del agua. 
(K): temperatura de la flama en la corona. 
(K): temperatura de la parte media de la 
): área circular de la base de la tetera. 
área anular de la base de la tetera. 
e (m): es el espesor de la tetera. 
En la fig. 03. se puede observar las áreas 
transversales al flujo de calor del frente de flama. 
 
Área circular A1 
de trasferencia de calor 
2.1 Cálculo del área perpendicular al flujo de calor.- 
Es función de la distancia (h) entre el difusor y la 
 ….. (12) 
 ……...(13) 
agua1 h.A
1
agua2 h.
1
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• LH (m): hipotenusa desde el difusor hasta la 
parrilla. 
• RA1 (m): radio del área circular. 
• rdifusor (m): radio de entrada del difusor.
• a (ºC): ángulo de salida del difusor
• A1: área circular sobre la base de la tetera.
 
En la fig. 04 se pude observar la geometría del 
difusor de la cocina no convencional y la altura hasta 
la parrilla que se encuentra en contacto con la base de 
la tetara. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 05. geometría del difusor de la cocina no 
convencional 
A continuación, se calcula el área anular (A
A2 = A tetera - A1 ………….. (15)
2.2 Cálculo de la distancia desde la salida del difusor 
a la parrilla de la cocina (H).- considerando que el 
mayor porcentaje de calor de combustión es 
transferido al agua contenido dentro de la tetera, 
tenemos la siguiente aproximación: 
 
 
 
 
Donde: 
 
 (W): Flujo de calor transferido por 
convección y conducción al agua dentro de la tetera.
 
 (W): flujo de calor de combustión de las 
mezclas D2 y biodiesel. 
Empleando las ecuaciones 05, 10 y 11 se puede 
determinar la altura (H) óptima, así como los demás 
parámetros (presión de pulverización, diámetro del 
pulverizador)y en base a estos valores teóricos 
óptimos, se pueden realizar los ensayos de 
combustión con las mezclas de D2 y biodiesel.
 
3. Característica físicas de las mezclas de diesel 2 y 
biodiesel para el cálculo del flujo de calor de 
Combustión ( combustión) 
 
Para seleccionar las mezclas de diesel y biodiesel 
óptimas cuyo calor de combustión sea el máximo, se 
utiliza el siguiente cuadro: 
combustiónotransferid QQQQ ≅+= 21
21 QQ ++++
combustiónQ
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(m): hipotenusa desde el difusor hasta la 
m): radio de entrada del difusor. 
a (ºC): ángulo de salida del difusor 
: área circular sobre la base de la tetera. 
En la fig. 04 se pude observar la geometría del 
difusor de la cocina no convencional y la altura hasta 
contacto con la base de 
geometría del difusor de la cocina no 
A continuación, se calcula el área anular (A2): 
………….. (15) 
2.2 Cálculo de la distancia desde la salida del difusor 
considerando que el 
mayor porcentaje de calor de combustión es 
transferido al agua contenido dentro de la tetera, 
 …… (16) 
(W): Flujo de calor transferido por 
convección y conducción al agua dentro de la tetera. 
(W): flujo de calor de combustión de las 
Empleando las ecuaciones 05, 10 y 11 se puede 
determinar la altura (H) óptima, así como los demás 
sión de pulverización, diámetro del 
pulverizador) y en base a estos valores teóricos 
óptimos, se pueden realizar los ensayos de 
combustión con las mezclas de D2 y biodiesel. 
Característica físicas de las mezclas de diesel 2 y 
biodiesel para el cálculo del flujo de calor de 
Para seleccionar las mezclas de diesel y biodiesel 
óptimas cuyo calor de combustión sea el máximo, se 
 
Cuadro. 02. Característica físicas de la mezcla de 
diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón 
respectivamente 
 
Fig. 06. Flujo de Calor de Combustión de las mezclas 
Diesel 2 y Biodiesel al pasar por el pulverizador del 
quemador 
En la figura 07 se observa una ampliación del 
pulverizador el cual se analiza para hallar los 
parámetros requeridos. 
 
4. Parámetros de la transferencia de calor al agua 
dentro de la tetera (Q1 + Q2) 
 
Para hallar el cálculo se utiliza los siguientes 
parámetros: 
 
 
 
 % mezcla r (kg/m^3)
SOYA + D2 
B10 826,5
B20 833
B30 839,5
B40 846
B50 852,5
GIRASOL + D2 
B10 824
B20 828
B30 832
B40 836
B50 840
ALGODÓN + 
D2 
B10 825,5
B20 831
B30 836,5
B40 842
B50 847,5
combustión
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Cuadro. 02. Característica físicas de la mezcla de 
diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón 
 
Flujo de Calor de Combustión de las mezclas 
Diesel 2 y Biodiesel al pasar por el pulverizador del 
En la figura 07 se observa una ampliación del 
pulverizador el cual se analiza para hallar los 
transferencia de calor al agua 
Para hallar el cálculo se utiliza los siguientes 
r (kg/m^3) Hu (KJ/Kg) 
826,5 41760,15 
833 41524,03 
839,5 41291,58 
846 41062,70 
852,5 40837,30 
824 41851,69 
828 41704,82 
832 41559,35 
836 41415,28 
840 41272,58 
825,5 41849,49 
831 41700,96 
836,5 41554,39 
842 41409,74 
847,5 41266,96 
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 65 
 
T base tetera, ºk 418 
T ebullición, ºk 373 
K alumínio (W/m ºk) 237 
h agua (W/m
2 ºk) 1500 
 
Cuadro. 03. Datos para el proceso de la combustión 
 
El coeficiente de transferencia de calor por 
convección a través de las áreas A1 y A2, depende de 
las condiciones de capa límite, en las que influyen la 
geometría de la superficie (base de la tetera), la 
naturaleza del movimiento del fluido y una variedad 
de propiedades termodinámicas del fluido y de 
transporte 
 
5. Características geométricas del Quemador – 
Tanque - Difusor de la cocina no convencional 
 
Las características geométricas de la cocina no 
convencional (quemador - pulverizador) son 
empleadas en el cálculo del flujo de calor transmitido 
al litro y medio de agua contenida en la tetera. 
Los valores que se presentan el siguiente cuadro son 
tomados directamente del diseño original de la cocina 
no convencional de una sola hornilla. 
 
 Nomenclatura Dimensión 
Diámetro de base la 
tetera 
D tetera 0.26 m 
Espesor de la base de 
la tetera 
e tetera 0.002 m 
Distancia del difusor a 
la parrilla 
H 0.0365 m 
Longitud desde difusor 
a la parrilla 
L 0.0424 m 
Angulo del difusor a 49.3 º 
Diámetro de entrada 
del difusor 
D difusor entrada 0.065 m 
Diámetro de salida del 
difusor 
D difusor salida 0.0857 m 
Diámetro del 
quemador 
D q 0.063 
Diámetro de la tubería 
de paso 
D tub 0,019 
 
Cuadro. 04. Datos Geométricos del quemador de la 
cocina no convencional 
 
 
 
Fig. 07. Geometría de las partes del Quemador – 
difusor – tanque de la mezcla biodiesel con diesel 2 
 
CUADRO DE RESULTADOS 
 
1. Selección de las mezclas de diesel 2 y biodiesel 
de soya, girasol y algodón de mayor flujo de calor 
de combustión 
 
En el siguiente cuadro se observa el flujo másico y el 
flujo de calor de combustión para cada mezcla de 
diesel 2 y biodiesel: 
 
 
 
Cuadro. 05. Flujo másico y flujo de calor de 
combustión de las mezclas diesel 2 y biodiesel 
 
De acuerdo con el gráfico obtenido el Flujo de calor 
de combustión es máximo al aumentar el porcentaje 
de biodiesel en la mezcla, por esto seleccionamos las 
siguientes mezclas para realizar los cálculos de 
transferencia de calor: 
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 66 
 
 
% 
Mezcla 
Flujo 
másico 
(kg/s) 
 Q 
combustión 
(W) 
SOYA + 
D2 
B20 0,0269 1117,5112 
B30 0,0271 1119,9265 
B50 0,0275 1124,7572 
GIRASOL 
+ D2 
B20 0,0268 1115,6396 
B30 0,0269 1117,1191 
B50 0,0271 1120,0781 
ALGODÓN 
+ D2 
B20 0,0268 1119,5783 
B30 0,0270 1123,0271 
B50 0,0274 1129,9248 
 
Cuadro. 06. Selección de mezcla que entrega mayor 
calor de combustión. 
 
2. Flujo de calor transferido al litro de agua 
dentro de la tetera 
 
2.1 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro 
de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y 
biodiesel de soya 
 
Biodiesel 
Soya + 
D2 
 Q transferido 
pulverizador 
Q 1(W) Q 2(W) 
pulv 1 309,091 594,701 
pulv 2 308,586 588,654 
pulv 3 312,273 613,474 
pulv 4 312,684 602,196 
 
Cuadro 07. Flujo de calor de transferido empleando 
mezcla biodiesel de soya y D2. 
Se observa que el mayor flujo de calor transferido 
tanto a través del área 1 y área 2 se da en los 
pulverizadores 3 y 4. El flujo de calor a través del 
área perpendicular anular es mayor que el flujo de 
calor de convección transferido a través del área 
circular. 
 
2.2 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro 
de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y 
biodiesel de girasol 
Biodiesel 
Girasol+ 
D2 
 Q transferido 
pulverizador 
Q 1(W) Q 2(W) 
pulv 1 230 485,845 
pulv 2 251,142 556,504 
pulv 3 255,631 593,657 
pulv 4 274,436 607,53 
Cuadro. 08. Flujo de calor de transferido empleando 
mezcla biodiesel de soya y D2. 
Se observa que el mayor flujo de calor transferido 
tanto a través del área 1 y área 2 se da en los 
pulverizadores 3 y 4. El flujo de calor a través del 
área perpendicular anular es mayor que el flujo de 
calor de convección transferido a través del área 
circular. 
 
2.3 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro 
de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y 
biodiesel de algodón 
Biodiesel 
Algodón
+ D2 
 Q 
transferido Pulver 
Q 1(W) Q 2(W) 
pulv 1 240,870 442,816 
pulv 2 295,332 575,278 
pulv 3 298,178 594,060 
pulv 4 301,334 600,151 
 
Cuadro 09. Flujo de calor de transferido empleando 
mezcla biodiesel de soya y D2. 
Se observa que empleando los pulverizadores 1 y 2 la 
transferencia de calor es menor, debido a que en los 
ensayos experimentales el flujo de calor de 
convección transferido a través del área circular fue 
inferior. 
 
3. Selección depulverizadores para la mayor 
transferencia de calor al agua dentro de la tetera. 
 
De acuerdo a los cuadros anteriores se observa que 
para las tres mezclas de diesel 2 y biodiesel la mayor 
transferencia de calor se produce empleando 
pulverizadores 3 y 4. Entonces se seleccionan los 
siguientes pulverizadores 
 
Mezcla Pulverizador Q transferido (W) 
Soya + D2 
pulv 3 925,747 
pulv 4 914,880 
Girasol+ D2 
pulv 3 849,288 
pulv 4 881,967 
Algodón + D2 
pulv 3 892,239 
pulv 4 901,485 
Cuadro. 10. Flujo de calor de transferido empleando 
mezcla biodiesel de soya y D2. 
4. Variación de la altura desde la salida del 
difusor a la base de la parrilla (h) desde el difusor 
a la base de la parrilla. 
 
La variación de las alturas está limitada por el calor 
de combustión obtenido a partir del flujo másico de 
combustible. Debido a que en toda combustión a 
flama abierta existen pérdidas de calor se considera: 
 
 
 
La variación de la altura implica una mayor o menor 
área de contacto entre la flama y la base de la tetera y 
por ende una mayor o menor transferencia de calor 
combustiónciatransferen QQQQ <+= 21
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 67 
 
4.1 Variación de la altura desde la salida del difusor a 
la base de la parrilla (h) empleando la mezcla 
Biodiesel de Soya y diesel 2 
Q transferencia (W) 
 Pulv. 
h (m) 
pulv 3 pulv 4 
0,0365 925,747 914,880 
0,045 936,688 926,804 
0,05 943,533 934,262 
0,055 950,706 942,080 
 
 
Cuadro. 11. Flujo de calor de transferido empleando 
mezcla biodiesel de soya y D2 variando H. 
La transferencia de calor es mayor en el 
pulverizadores 3 y 4 para la altura H=0.055 m. 
 
4.2 Variación de la altura desde la salida del difusor a 
la base de la parrilla (h) empleando la mezcla 
Biodiesel de Girasol y diesel 2 
 
 
Q transferencia (W) 
 Pulv. 
h (m) 
pulv 3 pulv 4 
0,0365 861,562 881,967 
0,05 868,053 888,694 
0,07 879,245 900,293 
0,09 892,357 913,883 
 
Cuadro. 12. Flujo de calor de transferido empleando 
mezcla biodiesel de girasol y D2 variando H. 
 
4.3 Variación de la altura desde la salida del difusor a 
la base de la parrilla (h) empleando la mezcla 
Biodiesel de Algodón y diesel 2 
 
Q transferencia (W) 
 Pulv. 
h (m) 
pulv 3 pulv 4 
0,0365 892,239 901,485 
0,045 902,023 911,389 
0,055 902,023 911,389 
0,075 943,159 953,026 
 
Cuadro. 13. Flujo de calor de transferido empleando 
mezcla biodiesel de algodón y D2 variando H. 
La transferencia de calor es mayor en el 
pulverizadores 3 y 4 para la altura H=0.075 m. 
 
5. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para las 
mezclas y pulverizadores seleccionados 
Se evalúa el Flujo de calor de transferido 
(aprovechado) y la eficiencia de la combustión, 
empleando las mezcla óptimas de D2 y biodiesel de 
soya, girasol y algodón, con pulverizadores 
seleccionados 3 y 4 para el H que permite la máxima 
transferencia. 
 
5.1 Flujo de calor aprovechado y eficiencia 
para la combustión de las mezcla de 
Biodiesel de soya empleando el 
pulverizador 3 y 4 
 
 
 
Cuadro. 14. Flujo de calor aprovechado y eficiencia 
para la altura óptima empleando mezcla óptimas de 
soya y d2. 
 
5.2 Máximo flujo de calor aprovechado y eficiencia 
para la combustión de las mezcla de Biodiesel de 
girasol empleando el pulverizador 3 y 4 
 
 
Cuadro. 15. Flujo de calor aprovechado y eficiencia 
para la altura óptima empleando mezcla óptimas de 
girasol y D2. 
5.4 Máximo flujo de calor aprovechado y eficiencia 
para la combustión de las mezcla de Biodiesel de 
soya empleando el pulverizador 3 y 4 
 
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Cuadro. 16. Flujo de calor aprovechado y eficiencia 
para la altura óptima empleando mezcla óptimas de 
algodón y D2 
 
En los cuadros resumen anteriores se observa que al 
emplear el pulverizador 3 y el pulverizador 4, se 
obtiene la mayor eficiencia se obtiene para la mezcla 
B20. Además en la mayoría de las mezclas la 
eficiencia de combustión sobrepasa el 80%
 
5. Ensayos de Combustión - Flujo de calor 
aprovechado y eficiencia de combustión
 
Luego de hallar teóricamente las mezclas y 
pulverizadores óptimos se realiza la combustión de 
las mezclas de biodiesel y diesel 2 para la altura 
desde la salida del difusor la parrilla original H= 
0.0365 m. Además se trabaja a presiones de 
pulverización de 24 y 32 PSI, obteniéndose las 
siguientes eficiencias: 
 
Cuadro. 17. eficiencia de la combustión empleando 
mezclas óptimas de girasol y D2. 
 
 
Cuadro. 18. eficiencia de la combustión empleando 
mezclas óptimas de soya y D2. 
 
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Cuadro. 16. Flujo de calor aprovechado y eficiencia 
para la altura óptima empleando mezcla óptimas de 
En los cuadros resumen anteriores se observa que al 
verizador 4, se 
obtiene la mayor eficiencia se obtiene para la mezcla 
B20. Además en la mayoría de las mezclas la 
eficiencia de combustión sobrepasa el 80% 
Flujo de calor 
aprovechado y eficiencia de combustión 
Luego de hallar teóricamente las mezclas y 
pulverizadores óptimos se realiza la combustión de 
las mezclas de biodiesel y diesel 2 para la altura 
desde la salida del difusor la parrilla original H= 
0.0365 m. Además se trabaja a presiones de 
e 24 y 32 PSI, obteniéndose las 
 
Cuadro. 17. eficiencia de la combustión empleando 
 
Cuadro. 18. eficiencia de la combustión empleando 
Cuadro. 19. eficiencia de la combustión empleando 
mezclas óptimas de algodón y D2.
Se observa que las eficiencias obtenidas en la 
combustión de las mezclas optimas empleando los 
pulverizadores óptimos para el pulverizador 3 varían 
entre (66 y 71) % y para el pulverizador 4 varían 
entre el del (68 y 78) %. Lo que ratifica que al 
aumentar la distancia desde el difusor a la parrilla de 
la cocina la eficiencia de combustión aumenta 
llegando a valores mayores que el 80%.
 
CURVAS CARACTERÍSTICAS
Fig. 08. Flujo de calor transferido al ag
empleando pulverizadores 1, 2, 3 y 4.
 
Fig. 09. Flujo de calor de combustión de mezclas 
biodiesel y D2. 
Página 68 
 
la combustión empleando 
mezclas óptimas de algodón y D2. 
Se observa que las eficiencias obtenidas en la 
combustión de las mezclas optimas empleando los 
pulverizadores óptimos para el pulverizador 3 varían 
entre (66 y 71) % y para el pulverizador 4 varían 
Lo que ratifica que al 
aumentar la distancia desde el difusor a la parrilla de 
la cocina la eficiencia de combustión aumenta 
llegando a valores mayores que el 80%. 
CURVAS CARACTERÍSTICAS 
 
Fig. 08. Flujo de calor transferido al agua en la tetera 
empleando pulverizadores 1, 2, 3 y 4. 
 
Fig. 09. Flujo de calor de combustión de mezclas 
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
 
Fig. 10. Variación de altura H (m) con mezcla soya y 
D2 
El calor transmitido al agua contenida en la tetera 
aumenta al aumentar el valor de H (m) empleando el 
pulverizador 3; pero al emplear el pulverizador 4 
disminuye. En consecuencia para la mezcla de 
biodiesel de soya y D2 se debe emplear el 
pulverizador 3 y una altura de 0.055 m. 
 
Fig. 11. Variación de altura H (m) con mezcla 
y D2 
 
Se observa que el calor transmitido al agua contenida 
en la tetera aumenta al aumentar el valor de la altura 
H (m) y el máximo valor se alcanza empleando el 
pulverizador 4. 
En consecuencia para la mezcla de biodiesel de 
girasol y D2 se debe emplear el pulverizador 4 y una 
altura de 0.07 m 
 
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT 
 
Fig. 10. Variación de altura H (m) con mezcla soya y 
El calor transmitido al agua contenida en la tetera 
valor de H (m) empleando el 
pulverizador 3; pero al emplearel pulverizador 4 
disminuye. En consecuencia para la mezcla de 
biodiesel de soya y D2 se debe emplear el 
 
 
Fig. 11. Variación de altura H (m) con mezcla girasol 
Se observa que el calor transmitido al agua contenida 
en la tetera aumenta al aumentar el valor de la altura 
H (m) y el máximo valor se alcanza empleando el 
En consecuencia para la mezcla de biodiesel de 
emplear el pulverizador 4 y una 
 
Fig. 12. Variación de altura H (m) con mezcla 
algodón y D2 
 
El calor transmitido al agua contenida en la tetera 
aumenta al aumentar el valor de H (m), este valor 
tiende a mantenerse casi constante para los 
pulverizadores 3 y 4. En consecuencia para la mezcla 
de biodiesel de algodón y D2 se debe emplear el 
pulverizador 4 y una altura de 0.075 m
 
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
 
1. El flujo de calor de combustión se incrementa al 
aumentar el porcentaje de biodiesel en la mezcla 
y esto permite seleccionar solo tres mezclas y 
disminuir los cálculos energéticos y los ensayos 
experimentales de combustión.
 
2. El empleo de los pulverizadores 3 y 4 originan un 
aumento del calor transferido al agua dentro de 
la tetera, y por ende reducen se reducen las 
pérdidas de calor, producto de las cenizas 
desprendidas de la combustión y de las
grasas que obstruyen el pulverizador, que 
impiden, la óptima pulverización de la mezcla 
combustible. 
 
3. La variación de la distancia de la salida del 
difusor a la parrilla muestra que a mayor 
distancia aumenta el calor aprovechado, aunque 
se debe considerar que este calor no debe 
exceder del calor de combustión entregado por la 
mezcla. 
4. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la 
mezcla de biodiesel de soya y D2 se requiere una 
altura desde el difusor a la parrilla mayor que 
0.0365 m y menor que 0.055 m.
 
5. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la 
mezcla de biodiesel de girasol y D2 se requiere 
una altura desde el difusor a la parrilla mayor 
que 0.0365 m y menor que 0.09 m.
Página 69 
 
Fig. 12. Variación de altura H (m) con mezcla 
El calor transmitido al agua contenida en la tetera 
aumenta al aumentar el valor de H (m), este valor 
tiende a mantenerse casi constante para los 
pulverizadores 3 y 4. En consecuencia para la mezcla 
de biodiesel de algodón y D2 se debe emplear el 
zador 4 y una altura de 0.075 m 
RESULTADOS Y CONCLUSIONES 
El flujo de calor de combustión se incrementa al 
aumentar el porcentaje de biodiesel en la mezcla 
y esto permite seleccionar solo tres mezclas y 
disminuir los cálculos energéticos y los ensayos 
experimentales de combustión. 
El empleo de los pulverizadores 3 y 4 originan un 
aumento del calor transferido al agua dentro de 
la tetera, y por ende reducen se reducen las 
pérdidas de calor, producto de las cenizas 
desprendidas de la combustión y de las probables 
grasas que obstruyen el pulverizador, que 
impiden, la óptima pulverización de la mezcla 
La variación de la distancia de la salida del 
difusor a la parrilla muestra que a mayor 
distancia aumenta el calor aprovechado, aunque 
considerar que este calor no debe 
exceder del calor de combustión entregado por la 
Para mejorar la eficiencia de la combustión de la 
mezcla de biodiesel de soya y D2 se requiere una 
altura desde el difusor a la parrilla mayor que 
que 0.055 m. 
Para mejorar la eficiencia de la combustión de la 
mezcla de biodiesel de girasol y D2 se requiere 
una altura desde el difusor a la parrilla mayor 
que 0.0365 m y menor que 0.09 m. 
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 70 
 
6. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la 
mezcla de biodiesel de algodón y D2 se requiere 
una altura desde el difusor a la parrilla mayor 
que 0.0365 m y menor que 0.075 m. 
 
7. Las eficiencias de combustión obtenidas al 
aumentar las alturas de la parrilla de la cocina no 
convencional son mayores a las obtenidas con la 
altura no modificada. 
 
8. Toda cocina con quemador que trabaje con 
presiones superiores a 1 bar (14.7 PSI), debe 
emplear un manómetro instalado en el tanque de 
mezcla. 
 
9. Los resultados experimentales indican que para 
una transferencia de combustión óptima se 
requiere emplear como combustible mezcla de 
biodiesel de soya y D2 al 20% con pulverizador 
3 y una altura de 0.055 m. 
 
10. Los resultados experimentales indican que para 
una transferencia de combustión óptima se 
requiere emplear como combustible mezcla de 
biodiesel de girasol y D2 al 20% con un 
pulverizador 4 y una altura de 0.07 m 
 
11. Los resultados experimentales indican que para 
una transferencia de combustión óptima se 
requiere emplear como combustible mezcla de 
biodiesel de algodón y D2 al 20% con un 
pulverizador 4 y una altura de 0.075 m 
 
 
RECOMENDACIONES DEL PROYECTO 
 
1. Realizar mantenimiento cada 3 meses al 
quemador y a la cocina no convencional 
haciendo limpieza de tanque y cambio de 
empaquetaduras 
2. Elaborar una nueva empaquetadura para 
incrementar el período de duración. 
3. Adicionar un manómetro de presión 
4. La mezcla de biodiesel con diesel 2 no debe 
contener agua y glicerina ya que perjudica a la 
combustión y acelera el desgaste 
5. Para tener una buena combustión y buen 
aprovechamiento del calor, se recomienda 
alcanzar las presiones óptimas indicadas. 
6. En el momento del encendido de la cocina 
hacerlo en un lugar en el cual no haya fuertes 
corrientes de aire para evitar mayores perdidas. 
7. Usar las mezclas de biodiesel con diesel 2 en las 
proporciones indicada en el presente proyecto, 
caso contrario no se obtendrán buenos 
resultados de la combustión de estas. 
 
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL 
PROYECTO 
 
Ventajas 
 
1. Reducción de los gases contaminantes productos 
de la combustión en este tipo de cocinas. 
2. Ahorro de costos en la adquisición de estos 
combustibles en comparación con los derivados 
del petróleo. 
3. Optimización y adaptación del funcionamiento 
de una cocina no convencional para el empleo de 
mezclas de biodiesel y diesel 2. 
4. Ccontrarresta la alta demanda del costo del 
petróleo y sus derivados. 
5. El uso de biocombustible (biodiesel) tendrá una 
utilidad prolongada a comparación del gas 
 
Desventajas 
 
1. El diseño solo es para una cocina de una hornilla. 
2. Los ensayos se realizaron solamente bajo las 
condiciones de la ciudad de lima (temperatura, 
presión, humedad ) 
 
BIBLIOGRAFÍA 
 
1. Incropera, F.; “Fundamentos de Transferencia de 
Calor y Masa”; editorial Prentice Hall, USA. 
2. Postigo, J. & Cruz, J; “Termodinámica 
Aplicada”; editorial UNI , Lima1985. 
3. Marks; “Manual del Ingeniero Mecánico”, 
editorial Mc Graw Hill, México 1988 
4. Perry, Jhon; “Manual de Ingeniero Químico”, 
editorial Mc Graw Hill, México 1992 
5. Brian, Spalding; “Combustión y transferencia de 
masa”, Mexico1983.