EVALUACIÓN DE UN BANCO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR UTILIZANDO GASES DE COMBUSTIÓN DE BIOMASA Y FLUJO AGUA EN

CONFIGURACIÓN VARIABLE

Jorge Mario Mendoza Fandiño1, Arnold Rafael Martínez Guarín1 Leonardo José Geovo Coronado1, Oscar David Reza Morales1,

1Universidad de Córdoba, Carrera 6 No. 76-103 Montería -Córdoba - Colombia 1e-mail: jorge.mendoza@correo.unicordoba.edu.co

RESUMEN

En el departamento de Córdoba (Colombia) se realizó un banco de intercambiadores de calor para analizar la transferencia entre gases de combustión de pellets de biomasa y agua a contra flujo, constituyéndose por una cámara de combustión, una de postcombustión y un adaptador de metal con dos salidas, una para la línea de calentamiento (longitudinal) y la otra para la línea de precalentamiento (transversal). La elaboración de los pellets fue a partir de residuos de 5 cultivos comunes en la región (Algodón, Arroz, Coco, Maíz y Sésamo). Se realizó una optimización del diseño experimental de 37 mezclas de estos residuos, tomando como variable la temperatura de los gases y modelos de regresión no lineales, teniendo como resultado 5 mezclas optimas, los pellets se elaboraron a través de la densificación de las mezclas. Se realizaron 30 pruebas experimentales (6 montajes por 5 mezclas). Para el registro de las temperaturas se fotografiaban las temperaturas cada 10 segundos, posteriormente se tabularon los datos. El gasto másico de biomasa fue de 180 gramos cada 4 minutos durante 46 minutos. Para la modelación del banco se desarrolló un código de programación para calcular el rendimiento. Para determinar la composición y algunas propiedades de los gases, se supuso una combustión completa. Para determinar el rendimiento de los intercambiadores se utilizó el método de la efectividad–NUT. Se observó que el más eficiente fue el ensamble 4 compuesta en precalentamiento por (BT-ST-85-1 y las mezcla 1, 2 y 4) y en calentamiento por (BT-ST- 155-B y las mezcla 1, 3 y 4), correspondiente al 60 % de todas las comparaciones.

Palabras claves: Mezcla, Biomasa, Intercambiadores de calor, Pellets

1. INTRODUCCIÓN

Debido al gran auge de proyectos que buscan reemplazar los combustibles fósiles por alternativos,

la generación de energía a partir de biomasa ha toma una participación importante a nivel mundial

para el aprovechamiento térmico, utilizando combustibles sólidos alternativos para calefacción a

nivel doméstico y comercial en zonas de bajas temperaturas o como fuente de energía en zonas

de difícil acceso. Según estadísticas de la FAO en el 2017 [1], se produjeron en el mundo

alrededor de 28,6 MT de pellets de madera, siendo Europa el mayor productor con el 58,3%,

seguido de América con 32,6 %, Asia 8,4 %, Oceanía con 0,5 % y África con 0,1 %. Los residuos

agroindustriales también representan recursos biomásicos con proyecciones concretas en el sector

energético, por ejemplo, en Colombia los residuos agrícolas de la industria de la palma de aceite,

se utilizan tanto la parte sólida como los efluentes en el proceso de extracción del aceite, pueden

ser insumos para la cogeneración de electricidad a través de turbinas de condensación o la

generación de biogás que utilizan motores de combustión interna para la producción de energía

eléctrica [2]. En 2016, en Colombia se generaron 65.935 GWh de electricidad en el Sistema

Interconectado Nacional, de los cuales 597,81 GWh fueron generados a partir de biomasa, lo

equivalente al 0,9 % del total producido, siendo el bagazo y el biogás las fuentes principales de

materia prima para la generación eléctrica. Además, el sector industrial del país utiliza un 16% de

este energético para la generación de calor industrial, elemento indispensable para la producción

del sector [3].

Una de las formas de convertir la biomasa en energía, es mediante su utilización en calderas

donde son quemadas para ser transformadas en calor y cenizas, la energía libera calienta el agua

transformándola en vapor, luego el vapor es llevado a una turbina quien trasformará la energía

térmica en energía mecánica y posteriormente a través de un generador en energía eléctrica [4],

según el miniterios de minas y energia [5] el departamento de Córdoba presenta rendimiento neto

en residuos de cultivo de agrícolas de 2.261.839 T/año. Siendo una gran cantidad de material

inutilizado, que podría ayudar a la generación de energía dado que las agroindustrias tienen altos

gastos energéticos en sus procesos además de que estas en su mayoría se localizan en lugares

de difícil acceso y con deficiencia energética.

En Colombia se han realizado diversas investigaciones como es la de (Berastegui & Ortega, 2016)

[6] en la cual tratan de establecer las mezclas óptimas en la elaboración de biocombustibles

sólidos densificados (briquetas), a partir de tres biomasas residuales agroindustriales, como son, la

tusa de maíz, cascarilla de arroz y residuos de algodón, adicionando carbón mineral y tres

bioaglomerantes, con el fin de lograr un mejoramiento de las condiciones de transporte y

almacenamiento de la biomasa, permitiendo encontrar mezclas óptimas, para briquetas a base de

tusa de maíz, con porcentaje de aglomerante de 5%, biomasa de 68 a 71% y carbón mineral de 24

a 27%, logrando aumentar el poder calorífico de la briqueta hasta en un 11,85% respecto al de la

biomasa pura.

Este proyecto tiene como objetivo analizar la transferencia de calor entre gases de combustión de

pellets de mezclas de biomasa y agua, utilizando un banco de intercambiadores de calor de tubo y

coraza, con configuración variable. Con ello se busca tener una caracterización energética de

biomasa residual y conocimiento de tecnología que permitan aprovechar su potencial para el

calentamiento de agua y con ella utilizarla en los diferentes procesos agroindustriales como el

lavado de los productos con agua caliente para su desinfección.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Diseño y construcción del banco de intercambiadores de calor

Para el diseño del banco pruebas se estableció la circulación de los gases por medio del

intercambio de calor entre los productos de la combustión de pellets de biomasa y agua. El banco

se constituye en tres partes: una cámara de combustión y una de postcombustión, un adaptador

de metal con dos salidas una para la línea de calentamiento (longitudinal) y otra para la línea de

precalentamiento (transversal), la cual admite el resto de los gases del proceso que no alcanzaron

la línea principal. Se buscó recolectar los gases en la zona de mayor temperatura del combustor

(dato empírico de combustiones previas) y minimizar la resistencia térmica para cada dispositivo

(perdidas por pared) y resistencia al flujo (por diferentes cambios de sección). El sistema se definió

de tal forma que se podían utilizar dos de los tres intercambiadores disponible (BT-ST-300-B, BT-

ST-155-B y BT-ST-85-1) generando 6 ensambles diferente como muestra la (Tabla 1).

Tabla 1. Configuraciones del montaje con diferentes combinaciones de intercambiadores

Línea Calentamiento Línea de Precalentamiento

Montaje 1 BT–ST–300–B BT–ST–155–B

Montaje 2 BT–ST–155–B BT–ST–300–B

Montaje 3 BT–ST–85–1 BT–ST–300–B

Montaje 4 BT–ST–85–1 BT–ST–155–B

Montaje 5 BT–ST–155–B BT–ST–85–1

Montaje 6 BT–ST–300–B BT–ST–85–1

El agua se encuentra a una altura de 165 cm en un recipiente de 20 L que está conectado

mediante una manguera de uso común a uno de los extremos de la línea de precalentamiento, el

otro extremo mediante una manguera resistente a altas temperaturas se conecta al intercambiador

principal con acoples hidráulicos en ambos extremos, este sistema consta al final de una válvula

para el control del flujo del líquido, termocuplas tipo K, Psicómetro, termómetros los cuales se

instalaron después de las entradas y salidas del fluido de los intercambiadores de calor. El sistema

es a contraflujo donde los gases de combustión pasan por el interior de los tubos y el agua por el

interior de la concha. La Figura 1. Muestra el diseño final del banco de prueba.

Tabla 2. Especificaciones técnicas de los dispositivos.

Figura 1: Diseño y montaje final del banco de pruebas. Fuente, autores, 2017

2.2. Diseño de las baterías de mezclas

Se utilizaron cinco tipos de biomasa provenientes de residuos agroindustriales (Ajonjolí, Algodón,

Arroz, Coco y Maíz) para la elaboración de las baterías de mezclas, Tomando información del

diseño experimental de 37 mezclas de estos residuos desarrollados en el laboratorio de energías

renovables, UPB – Montería (Tabla 3), donde realizaron mediciones de los parámetros de

combustión de pellets obteniendo como resultados las temperaturas de los gases, eficiencias,

partículas contaminantes, entre otros factores, la cual concluyó una batería de mezcla optimizada

para factores de durabilidad, dado esto se realizó una optimización tomando como variable de

respuesta la temperatura de los gases , para el análisis de transferencia el gasto másico es

constante y se asume un valor promedio para las propiedades de los gases.

Tabla 3. Batería de mezcla de cinco residuos biomasico presentes en la región. Fuente: Mendoza,

J., 2016. Convenio especial de cooperación n° 753. Proyecto de desarrollo de integración

tecnológica de recursos energéticos renovables en sistemas productivos agrícolas y

agroindustriales Montería, Córdoba, Caribe.

Exp

Arroz (%)

Ajonjolí (%)

Algodón (%)

Maíz (%)

Coco (%)

Tg (°C)

1 3,1 23,9 47,8 12,5 12,8 317,9

2 10,6 23,9 45,3 7,5 12,8 355,9

3 0,0 40,0 60,0 0,0 0,0 286,2

4 15,0 40,0 0,0 45,0 0,0 288,8

5 8,1 23,9 47,8 7,5 12,8 324,9

6 0,0 40,0 0,0 0,0 60,0 242,2

7 3,1 23,9 12,8 12,5 47,8 390,7

8 6,1 27,8 25,6 15,0 25,6 399,1

9 10,0 20,0 0,0 0,0 70,0 379,2

10 15,0 20,0 0,0 65,0 0,0 382,6

11 3,1 23,9 17,8 7,5 47,8 288,2

12 8,1 23,9 12,8 7,5 47,8 288,2

13 3,1 33,9 12,8 7,5 42,8 332,1

14 15,0 40,0 0,0 0,0 45,0 365,9

15 15,0 40,0 45,0 0,0 0,0 128,4

16 3,1 23,9 12,8 47,5 12,8 430,8

17 0,1 40,0 0,0 60,0 0,0 263,3

18 3,1 28,9 12,8 7,5 47,8 325,2

19 10,6 33,9 35,3 7,5 12,8 361,3

20 10,6 33,9 12,8 30,0 12,8 420,3

21 0,0 20,0 0,0 10,0 70,0 370,2

22 3,1 33,9 12,8 37,5 12,8 354,6

23 10,6 33,9 12,8 7,5 35,3 338,9

24 15,0 20,0 0,0 0,0 65,0 225,4

25 3,1 33,9 42,8 7,5 12,8 301,4

26 0,0 20,0 70,0 10,0 0,0 190,1

27 0,0 20,0 70,0 0,0 10,0 291,5

Exp

Arroz (%)

Ajonjolí (%)

Algodón (%)

Maíz (%)

Coco (%)

Tg (°C)

28 10,0 20,0 70,0 0,0 0,0 293,3

29 10,6 23,9 12,8 40,0 12,8 475,4

30 15,0 20,0 65,0 0,0 0,0 262,1

31 3,1 28,9 47,8 7,5 12,8 438,0

32 0,0 30,0 70,0 0,0 0,0 164,2

33 3,1 23,9 47,8 7,5 17,8 344,7

34 0,0 20,0 0,0 80,0 0,0 436,9

35 0,0 30,0 0,0 0,0 70,0 359,3

36 10,6 23,9 12,8 7,5 45,3 299,1

37 0,0 20,0 10,0 0,0 70,0 291,6

Para la optimización se utilizó el software estadístico Minitab 17, donde se evaluaron modelos de

regresión no lineal para describir las relaciones estadísticas entre las mezclas de biomasa y la

temperatura. Se analizaron los valores estadísticos para comparar la potencia explicativa de los

modelos, por ejemplo, con R-Cuadrado se verificó el porcentaje de variación de la respuesta en

relación con las variables exógenas, con R-Cuadrado Ajustado se midió el porcentaje de variación

en la variable de la respuesta explicada por su relación con una o más variables endógenas

ajustado para el número de predictores. Estos criterios son importantes porque al agregar o quitar

un término se esperaría que R-Cuadrado Ajustado siempre aumentara o disminuyera

respectivamente para cualquier modelo, sin embargo, algunas variaciones en R-Cuadrado podrían

atribuirse únicamente a razones aleatorias [7]. También se tuvo en cuenta el error estándar de la

regresión S, mientras la ecuación mejor pronostique la respuesta más bajo será el valor de S.

La biomasa fue triturada a excepción de la cascarilla de arroz debido a su tamaño, luego se

pelletizarón, obteniendo de las mezclas el biocombustible en pellets. Los gránulos con geometría

cilíndrica de diámetros entre 5 y 10 mm y longitudes menores de 50 mm fueron fabricados y

quemados.

2.3. Métodos de recolección de datos

Para la elaboración de las pruebas experimentales se consideró algunos parámetros obtenidos en

pruebas pilotos, se armaron los montajes disponibles para cada combinación de intercambiadores

como se muestra en la (Tabla 1) con su respectiva instrumentación y se procedió al inicio de las

pruebas y a la captura de los datos. Luego se instalaron los instrumentos de medición de

temperatura (termocuplas tipo K) y se conectaron a los dos Psicrómetro y al Termómetro de cuatro

canales, y el montaje de registro en tiempo real, ver Figura 2.

Figura 2: Esquema del montaje e instrumentación para las pruebas

Para las pruebas experimentales se realizaron 6 montajes diferentes para cada una de las 5

mezclas obteniendo un total de 30 pruebas con un flujo de masa de 180 gramos para un total de

1620 gramos durante toda la prueba, esto equivale a 9 descargas. En el proceso de

precalentamiento de la cámara de combustión la primera carga de pellets se calentaba en la

resistencia durante 4 minutos, enseguida iniciaba el flujo de aire para pellets produciendo la

ignición y el inicio de la combustión, luego de los primeros 4 minutos de combustión se realizaba la

próxima descarga de 180 gramos, y así consecutivamente hasta completar los 1620 gramos de

biomasa evaluada en 32 minutos de prueba, para la última descarga el intervalo de tiempo de

combustión aumentaba a 6 minutos para realizar el máximo consumo del combustible, luego de

esto se suspendía el flujo de aire y se dejaba entre 4 y 7 minutos más para la recolección de datos

y apreciar así un lapsus del comportamiento del enfriamiento del equipo en esta etapa. La técnica

Timelapse se utilizó para registrar las temperaturas, donde se hace una captura de imagen de los

instrumentos de medición cada diez segundos como también el flujo másico del agua, del are de

entrada y de los gases de combustión. [8]

2.4. Modelación del banco de intercambiadores de calor.

Posteriormente, se introdujeron los datos en una hoja de cálculo. Para la modelación del banco se

utilizó el software EES (Engineering Equation Solver) 2004 versión académica, se desarrolló un

código de programación con las ecuaciones necesarias para calcular el rendimiento y se diseñó

una interfaz gráfica para facilitar el ingreso de las variables y la corrida del software.

A continuación, se propuso un equilibrio estequiométrico teórico, suponiendo una combustión

completa para determinar la composición y algunas propiedades de los gases de combustión,

como indica la Ecuación (1).

(1)

Dónde

= moles de componentes de la biomasa

= moles de los componentes del gas de combustión

= Moles de aire suministrado para la combustión

Se continúan los cálculos basándose, en el método de la eficacia-NTU el cual permite calcular las

temperaturas de salida directamente, usando As, U, y las temperaturas de entrada como

parámetros. La deducción del método NTU se basa en la asunción de U constante en el balance

de energía para calcular el rendimiento de cada intercambiador de calor [9], de acuerdo con la

Ecuación (2). El verdadero calor transferido es el calor absorbido por el agua, ya que es el último

receptor de energía durante las pruebas. El calor máximo depende de la capacidad mínima

calorífico, que para todos los ensayos fue correspondiente a la de los gases.

(2)

Dónde

= eficacia

= Capacidad de calor (kW / ºC)

= Específica de calor (kJ / kg ºC)

= Caudal másico (kg / s)

T = temperatura (ºC)

Se utilizan las relaciones del número de unidades de transferencia de método (NTU) y la eficacia,

como se indica en la Ecuación (3) y Ecuación (4), debido a las características de flujo y la

geometría de los intercambiadores de calor, las configuraciones de doble tubo para contrarrestar

los flujos que están idealizadas:

(3)

(4)

Dónde

= Número de unidades de transferencia

= Coeficiente global de transferencia de calor global (kW / m2 ºC)

= Área de transferencia de calor (m2)

= Relación de capacidad de calor (

3. RESULTADOS Y DISCUSIONES

Partiendo de la metodología anterior y analizando los datos obtenidos llegamos a los siguientes

resultados.

3.1. Banco de intercambiadores de calor

El diseño del banco de intercambiadores de calor se basó en crear un equipo simple en su

implementación, operación y mantenimiento ver Figura 3. También la facilidad de montaje entre las

diferentes posiciones de los intercambiadores en la línea de calentamiento y precalentamiento,

dado el estudio de este trabajo el cual se basa en la realización de diversos montajes. Como los

gases que circulan por el sistema son productos de la combustión se tuvo en cuenta que el diseño

permitiera con facilidad realizarle tareas de mantenimiento y limpieza. Además, se buscó reducir el

costo del equipo lo máximo posible, por lo que se pasó de un presupuesto de 8.650 dólares a 520

dóalres, a partir de los avances en el diseño, sin sacrificar las funciones y operatividad de equipo.

Figura 3: Diseño final del banco de intercambiadores de calor.

3.2. Batería de mezclas optimizada

Se obtuvo una batería de mezcla optimizada para la evaluación de la transferencia de calor, como

se planteó en la metodología del diseño de la batería de mezcla, partiendo de la (Tabla 2) se

evaluaron regresiones; cuadrática, cubica especial, cubica completa, cuartica especial y cuartica

completa obteniendo los valores estadísticos mostrados en la (Tabla 3).

Tabla 4. Valores estadísticos para modelos de regresión aplicados a la batería de mezclas

Regresión Cuadrática

S = 62,8518 R-cuad. = 58,66% R-cuad. (ajustado) = 32,35 %

Observaciones inusuales de T(°C)

Observación T(°C) Residuo Estándar

3 286,21 2,13R

14 365,91 2,21R

15 128,41 -2,54R

26 190,07 -2,14R

31 438,00 2,03R

Regresión Cubica Especial

S = 55,4267 R-cuad. = 82,46% R-cuad. (ajustado) = 47,39 %

Observaciones inusuales de T(°C)

Observación T(°C) Residuo Estándar

3 286,21 2,20R

4 288,81 0,42X

10 382,64 -0,22X

17 263,31 -0,18X

31 438,00 2,05R

32 164,24 -2,38R

Regresión Cubica Completa

S = 39,9358 R-cuad. = 96,97% R-cuad. (ajustado) = 72,69 %

Observaciones inusuales de T(°C)

Observaciones T(°C) Residuo Estándar

1 317,95 0,07X

3 286,21 2,20R

4 288,81 0,42X

6 242,18 -1,70X

7 390,68 0,07X

9 379,17 -0,50X

10 382,64 -0,22X

14 365,91 0,80X

15 128,41 -0,87X

17 263,31 -0,18X

21 370,20 -0,07X

24 225,36 -0,16X

26 190,07 -0,07X

27 291,51 0,26X

28 293,33 0,48X

30 262,05 0,22X

32 164,24 -2,38R

34 436,91 0,07X

35 359,29 1,73X

37 291,62 -0,27X

A partir de esto se optimizó el modelo para una temperatura deseable de 440 ºC, arrojando los

porcentajes óptimos, ver (Tabla 4). se puede evidenciar el comportamiento de las soluciones

arrojada por el software para la temperatura respecto a las composiciones.

Tabla 5. Mezclas optimizadas y porcentajes en peso para biomasas de la región

Arroz (%) Ajonjolí (%) Algodón (%) Coco (%) Maíz (%) Respuesta

pronosticada (ºC) Deseabilidad

M1 6,11 27,77 25,56 17,23 23,33 440,00 1,00

M2 6,50 20,00 28,50 17,08 27,92 440,00 1,00

M3 7,00 29,00 0,00 60,08 3,9 440,00 1,00

M4 4,71 29,31 1,46 64,52 0,00 440,00 1,00

M5 3,83 30,02 47,46 0,00 18,69 440,00 1,00

3.3. Perfiles de temperatura

Durante las pruebas experimentales, se identificaron tres fases; desde el principio a un tiempo

entre 5 y 10 minutos se inicia el sistema y los gránulos se calientan superior a su temperatura de

ignición. Entre 5 y 44 min, se presenta el intercambio de calor observado en el aumento de la

temperatura de los gases y el agua, para las entradas de gas hay un crecimiento de oscilación de

la temperatura, que son generalmente simétrica, con valores más altos en la línea de

calentamiento, la temperatura máxima alcanzada por los gases en esta fase es 360 ºC y 102,3 ºC

para el agua que se experimentan en el montaje 2 - mezcla de 1. Para los últimos 6 minutos, el

enfriamiento del sistema se produce. En la figura 4, se puede apreciar cómo se presenta las fases

de temperaturas en las diferentes pruebas realizadas.

Figura 4. Los perfiles de temperatura característicos en las pruebas experimentales, (EES 2004)

3.4. Rendimiento del banco de intercambiadores

Se pudo observar que el rendimiento de los equipos fue más eficaz en el conjunto 4, con la línea

de precalentamiento (montaje 4, mezcla 1, 2 y 4) y en la línea de calentamiento (montaje 4, mezcla

1, 3 y 4), correspondiente a la 60 % de las todas las comparaciones, también el montaje 1 presenta

relativamente alta eficacia, pero fluctúa considerablemente con respecto al tiempo, esta predomina

para la calefacción en la mezcla de 2 y el precalentamiento de la mezcla de 5 equivalente a 20%

de las todas las evaluaciones, el resto presentó baja efectividad. Aunque en conjunto de 2 - mezcla

1 un máximo local de 70% y en el conjunto 3 - se alcanzaron mezcla 3 del 75%, para el montaje 6

las pruebas no exceden 55%. La (Tabla 5). Muestra la efectividad obtenidas en las pruebas

realizadas.

Tabla 6. Efectividades máximas obtenidas para las evaluaciones de mezclas

Línea Prueba Efectividad Tiempo transcurrido

Mezcla 1

Precalentamiento M1-1 75 % 2400 s (40 min)

Calentamiento M1-1 59 % 2380 s (≈ 40 min)

Mezcla 2

Precalentamiento M4-2 75 % 2350 s (≈ 39 min)

Calentamiento M1-2 64 % 1810 s (≈ 30 min)

Mezcla 3

Precalentamiento M1-3 84 % 1260 s (21 min)

Calentamiento M4-3 62 % 2110 s (≈ 35 min)

Mezcla 4

Precalentamiento M4-4 90 % 2400 s (40 min)

Calentamiento M4-4 74 % 2130 s (≈ 36 min)

Mezcla 5

Precalentamiento M6-5 54 % 1710 s (≈ 29 min)

Calentamiento M4-5 47 % 1070 s (≈ 18 min)

Adicionalmente, la máxima transferencia de calor alcanzado es de alrededor de 1 kW y se obtuvo

en el precalentador de montaje 2 - mezcla 1 y el coeficiente de transferencia de calor global

máximo en el precalentamiento era 0,0359 kW / m2ºC en el montaje 1 - mezcla de 3 y en el

calentamiento de 0,0205 kW / m2 ° C en el montaje 1 - mezcla 4.

4. CONCLUSIÓN

Con los 6 montajes diferentes de los intercambiadores de calor y las 5 mezclas optimizadas de

(Ajonjolí, Algodón, Arroz, Coco y Maíz) se realizaron 30 ensayos donde se presentó el mejor

rendimiento en el Montaje 4 con los intercambiadores BT–ST–85–1 en la línea de calentamiento y

BT–ST–155–B en la línea de precalentamiento y la mezcla 4 mostrando en la línea de

precalentamiento 90% de efectividad y un tiempo de transcurrido de 40 min y en la de

calentamiento 74% después de 36 min aproximadamente, las pruebas fueron satisfactorias dado

que el banco de pruebas pudo calentar el agua e incluso presento un cambio de fase, indicando

que con optimizaciones y ajustes apropiados pueden configurar como un generador de vapor.

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