Thesis:

Desarrollo tecnológico de una estufa de calefacción residencial a leña para la mitigación de contaminantes atmosféricos

La contaminación atmosférica por material particulado en la zona centro-sur de Chile constituye una problemática estructural compleja, determinada por factores climáticos, socioeconómicos y culturales que han limitado la efectividad de tecnologías para mejorar la calidad del aire en zonas saturadas. Frente a este desafío, la presente investigación aborda el rediseño de un calefactor residencial a leña mediante la integración de Medios Porosos Inertes (MPI) al interior del hogar de combustión, como solución primaria que anticipe y prevenga la formación de contaminantes. El estudio consideró el análisis comparado de un prototipo MPI respecto de un calefactor comercial (11 kWth), con monitoreo en línea de variables operacionales y emisiones de gases y partículas en el rango TSP a MP1, bajo un protocolo de quema modificado hacia una mayor representatividad de uso residencial. Los resultados evidencian que la integración de MPI intensificó los mecanismos de transferencia de calor y la mezcla aire-combustible, favoreciendo la redistribución de la energía útil para calefacción. Ello se tradujo en un aumento de 23,3% en la eficiencia, registrando a su vez, reducciones cercanas a 57% en las tasas de emisión y de 65,5% en los factores de emisión másicos de material particulado. La disminución de CO y el aumento de CO2 fueron consistentes con una tendencia hacia un mayor grado de oxidación. Sin embargo, la respuesta no fue homogénea. Los HC disminuyeron 11,5% al normalizar por energía útil, mientras que NOx aumentó 26,2%, aunque dentro de rangos reportados para tecnologías convencionales de combustión residencial a biomasa. El factor de emisión másico de BC varió -3,8%, sin diferencias significativas, mientras UVPM aumentó descriptivamente 15,4%. Finalmente, la operación pasiva, el no requerir energía auxiliar y la facilidad de integración estructural posicionan al diseño como una solución con alto potencial de escalamiento y masificación, posicionándose como una alternativa viable para conciliar el confort térmico accesible con la descontaminación atmosférica, contribuyendo directamente a la protección de la salud pública en los contextos residenciales más críticos.

Atmospheric particulate matter pollution in south-central Chile constitutes a complex structural problem driven by climatic, socioeconomic, and cultural factors that have limited the effectiveness of technological solutions for improving air quality in designated saturated areas. Addressing this challenge, this study investigates the redesign of a residential wood stove through the structural integration of Inert Porous Media (IPM) within the combustion chamber as a primary mitigation strategy targeting pollutant formation at the source. The study compared an IPM-equipped prototype with a commercial reference stove (11 kWth), using continuous monitoring of operational variables and gaseous and particulate emissions across the particle-size range from TSP to PM1 under a modified combustion protocol designed to represent residential operating conditions. IPM integration modified the thermal behavior and energy balance of the stove, resulting in a 23.3% increase in thermal efficiency. Particulate matter showed the clearest mitigation response, with reductions of approximately 57% in emission rates and 65.5% in mass-based emission factors. Decreased CO and increased CO2 were consistent with a higher degree of oxidation. However, emission responses were pollutant-dependent. HC decreased by 11.5% when normalized by useful energy, whereas NOx increased by 26.2%, although remaining within ranges previously reported for biomass combustion. The mass-based BC emission factor changed by only -3.8%, while UVPM showed a descriptive 15.4% increase. Finally, passive operation, no auxiliary energy requirements, and ease of structural integration support the potential scalability and transfer of the proposed design. Overall, IPM integration provides a promising pathway for improving energy performance while substantially reducing particulate emissions from residential biomass heating systems.