PROYECCIÓN DE UN SISTEMA BASADO EN TECNOLOGÍA STIRLING ALIMENTADO POR BIOMASA, PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN VIVIENDAS DE REGIONES NO INTERCONECTADAS

JESÚS RICARDO ZAMBRANO ORTIZ JORGE LEÓN TORRES ENRIQUEZ

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI 2014

PROYECCIÓN DE UN SISTEMA BASADO EN TECNOLOGÍA STIRLING, ALIMENTADO POR BIOMASA PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN VIVIENDAS DE REGIONES NO INTERCONECTADAS

JESÚS RICARDO ZAMBRANO ORTIZ JORGE LEÓN TORRES ENRIQUEZ

Proyecto de grado para optar el título de Ingeniero Mecánico

Director JUAN RICARDO VIDAL MEDINA

Ingeniero mecánico Doctor en ingeniería mecánica

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI 2014

3

Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico

CARLOS EDUARDO CASTANG Jurado

____DUCARDO LEÓN MOLINA Jurado

Santiago de Cali, 05 de Agosto de 2014

4

AGRADECIMIENTOS Agradecemos a todos los docentes que nos dedicaron su tiempo para construir profesionales con su aporte de experiencia y conocimiento. Un agradecimiento especial a nuestro director de proyecto Juan Ricardo Vidal, quien ha sido de gran apoyo con sus conocimientos en la realización de este proyecto; También gracias a nuestras familias que siempre han estado dándonos motivación permanente en el trascurso de nuestras vidas, han sido el apoyo permanente y con sus sabios consejos también hacen parte del proceso educativo que en un universo de conocimientos y saberes son parte de las decisiones más importantes que tomamos en nuestras vidas.

5

CONTENIDO

pág.

RESUMEN

20

INTRODUCCIÓN

21

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 22

1.1 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA 22

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 25

2. JUSTIFICACIÓN 27

3. OBJETIVOS 28

3.1 OBJETIVO GENERAL

28

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 28

4. MARCO TEÓRICO

29

4.1 BIOMASA

29

4.1.1 Características térmicas de la biomasa

30

4.1.2 Procesos de conversión de la biomasa en energía

31

4.1.2.1 Procesos termoquímicos

31

4.1.2.2 Procesos bioquímicos

32

4.2 TIPOS DE HORNO PARA LA QUEMA DE BIOMASA

33

4.3 MOTOR STIRLING

34

4.3.1 Tipos de motor Stirling

35

6

4.3.2 Funcionamiento del motor Stirling

36

4.3.3 Tipos de Biomasa para Motores Stirling

37

5. METODOLOGÍA

39

5.1 DIAGRAMA DE FLUJO

40

5.2 CÁLCULO TEÓRICO DE LAS DIMENSIONES DEL HORNO

45

5.2.1 Composición elemental del biocombustible

45

5.2.2 Productos de la combustión del combustible sólido

47

5.2.2.1 Cantidad de aire estequiométrico

47

5.2.2.2 Determinación de los volúmenes teóricos de los productos de la combustión

48

5.2.3 Propiedades de los gases de combustión y del exceso de aire

50

5.2.3.1 Poder Calorífico Del Combustible

50

5.2.3.2 Peso molecular de los gases de combustión y del aire

51

5.2.3.3 Fracción volumétrica de los productos de combustión

52

5.2.3.4 Densidad de los gases de combustión y del aire

53

5.2.3.5 Calor específico de los gases de combustión

53

5.2.4 Eficiencia del horno

55

5.2.4.1 Pérdida de calor por los gases de salida q2

55

5.2.4.2 Pérdida de calor por incombustión química q3

55

5.2.4.3 Pérdida de calor por incombustión mecánica q4

56

5.2.4.4 Pérdida de calor al medio ambiente q5

57

5.2.4.5 Pérdida de calor físico por la escoria q6 58

5.2.4.6 Pérdida de calor por humedad en el combustible q7 59

7

5.2.4.7 Pérdida por vapor de agua por combustión del Hidrógeno q8

60

5.2.5 Flujo másico del combustible, del aire y de los gases de combustión

61

5.2.6 Características técnicas del horno

63

5.2.6.1 Tensión térmica de la superficie de la parrilla

63

5.2.6.2 Tasa de carga

64

5.2.6.3 Tensión térmica volumétrica del horno

64

5.2.7 Cálculo del horno

66

5.2.7.1 Cálculo del coeficiente promedio de la eficacia térmica de las paredes de los tubos del horno

66

5.2.7.2 Cálculo de la altura relativa de la disposición de los distribuidores

66

5.2.7.3 Determinación de la longitud específica de la capa radiante

67

5.2.7.4 Cálculo del calor liberado en el horno (Qf)

67

5.2.7.5 Cálculo de factores de emisividad de la llama y horno

67

5.3 DISEÑO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR Y EL REGENERADOR

69

5.3.1 Diseño de intercambiador de calor caliente

69

5.3.1.1 Cálculos al lado exterior de la tubería con los gases de combustión

69

5.3.1.2 Propiedades de los gases de combustión a una igual a y a presión atmosférica

70

5.3.1.3 Número de Reynolds y número de Nusselt

78

5.3.1.4 Cálculos al lado interior de la tubería con los gases de combustión

79

5.3.2 Determinación de la potencia del Sistema Stirling 85

8

5.3.3 Diseño del intercambiador de calor frio 85

5.3.3.1 Cálculos de temperaturas del gas nitrógeno N2

85

5.3.3.2 Propiedades a temperatura media de igual a y una presión de 30 bar del gas nitrógeno

86

5.3.3.3 Coeficiente de transferencia de calor por convección promedio

88

5.3.3.4 Flujos másicos de nitrógeno en el intercambiador de calor frio

88

5.3.3.5 Transferencia de calor para el lado del agua de refrigeración

89

5.3.3.6 Propiedades a temperatura media de igual a y una presión atmosférica

89

5.3.3.7 Número de Reynolds y número de Nusselt para el agua

89

5.3.3.8 Coeficiente de transferencia de calor por convección promedio para el agua

90

5.3.3.9 Determinación de la superficie media de calor del intercambiador de calor frio

90

5.3.4 Diseño del regenerador

91

5.3.4.1 Propiedades del gas nitrógeno en el regenerador a igual a y a una presión interna igual a 30 bar

92

5.3.4.2 Número de Reynolds y número de Nusselt para el nitrógeno

92

5.3.4.3 Coeficiente de transferencia de calor por convección promedio para el nitrógeno

92

5.3.4.4 Superficie de calentamiento H

92

5.3.5 Calculo de espesores de pared de la carcasa para los intercambiadores de calor y el regenerador

94

5.3.5.1 Calculo de espesor de pared de la carcasa para el intercambiador de calor caliente

95

9

5.3.5.2 Calculo de espesor de pared de la carcasa para el intercambiador de calor frio

95

5.3.5.3 Calculo de espesor de pared de la carcasa para el regenerador

95

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

97

7. CONCLUSIONES

111

BIBLIOGRAFÍA

114

ANEXOS

121

10

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1 Composición elemental de la biomasa (base seca)

46

Tabla 2 Composición de la biomasa sobre la base de trabajo

47

Tabla 3 Masa molecular de los compuestos de los productos de combustión y del aire

52

Tabla 4 Calores específicos de los gases de combustión

54

Tabla 5 Pérdidas de calor en el horno

61

Tabla 6 Densidad de los productos de combustión a igual a y

71

Tabla 7 Viscosidad dinámica de los productos de combustión a igual a y

72

Tabla 8 Conductividad térmica de los productos de combustión a igual a y

74

Tabla 9 Calor especifico de los productos de combustión a igual a y

75

Tabla 10 Número de Prandtl de los productos de combustión a igual a y

77

Tabla 11 Composición elemental de la biomasa para madera y para bagazo de caña

98

Tabla 12 Volumen real de vapor agua de los productos de combustión para la madera y para bagazo de caña

99

Tabla 13 Volumen real de los gases secos de los productos de combustión y flujo másico del combustible para la madera y para bagazo de caña

99

Tabla 14 Dimensiones del horno para la madera y para bagazo de caña

100

11

Tabla 15 Eficiencia del horno para la madera y para bagazo de caña

101

Tabla 16 Resultados finales

103

12

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1 Gráfica de relación de cantidad de viviendas sin electricidad y total de biomasa residual (Sector agrícola y pecuario) en cada departamento

26

Figura 2 Esquema del primer motor Stirling construido por Robert Stirling en 1816

35

Figura 3 Motor Stirling de configuración alfa

35

Figura 4 Motor Stirling de configuración beta

36

Figura 5 Motor Stirling de configuración gamma

36

Figura 6 Esquema ideal de una maquina Stirling isotérmica

37

Figura 7. Esquema del sistema Stirling

40

Figura 8 Diagrama de flujo para el cálculo de las dimensiones del horno

41

Figura 9 Diagrama de flujo para el cálculo de los intercambiadores de calor y el regenerador

42

Figura 10 Pérdidas de calor en el horno

61

Figura 11 Nomenclatura para identificación de mallas cuadradas planas de acero inoxidable

91

Figura 12 Características físicas de diferentes mallas de acero inoxidable 304 disponibles en el mercado

91

Figura 13 Diagrama de Hausen: gRe del regenerador como una función de la longitud reducida con los parámetros del período reducido

94

13

LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A Hoja de cálculo del horno

121

Anexo B Hoja de calculo del intercambiador de calor caliente

123

Anexo C Hoja de calculo del intercambiador de calor frio

125

Anexo D Hoja de calculo del regenerador

126

Anexo E Hoja de cálculo para el espesor de pared del intercambiador de calor caliente

127

Anexo F Hoja de cálculo para el espesor de pared del regenerador

127

Anexo G Hoja de cálculo para el espesor de pared del intercambiador de calor frio

128

Anexo H Modelo del horno

128

Anexo I Parrilla del horno

129

Anexo J Plano del horno

130

Anexo K Plano de la parrilla del horno

131

Anexo L Intercambiador de calor caliente

132

Anexo M Intercambiador de calor frio

134

Anexo N Regenerador

136

14

Nomenclatura C Contenido de carbono [%] H Contenido de Hidrógeno [%] O Contenido de Oxígeno [%] N Contenido de Nitrógeno [%] S Contenido de Azufre [%] A Contenido de Cenizas [%] Contenido de humedad [%]

Vol. teórico de Aire Coeficiente de exceso de Aire Volumen real de Aire

Vol. teórico de Nitrógeno Vol. teór. Gases Triatómicos

Vol. teórico vap. de agua Vol. teórico de Oxígeno

Vol. teór. productos combustión Vol. real vapor de agua

Vol. real gases secos Poder Calorífico Inferior Peso molecular de los gases comb. Fracción volumétrica Nitrógeno Fracción de volumen del aire Fracción volumétrica del vapor de agua Fracción vol. de los gases secos triatómicos Total fracciones volumétricas gases triatómicos Densidad de los gases de combustión Patm Presión atmosférica Ru Constante universal de los gases Calor específico gases de comb. Cal. específico molar gases comb. Eficiencia del horno [%] Temperatura de los gases de salida [K] T1 Temperatura del intercambiador de calor [K] Coef. Transf. cal. convección nat. y forzada Coef. Transferencia cal. rad. Coef. global de transferencia de calor flujo de calor por unidad de área Temperatura de superficie [K] C Coef. de forma e Espesor del material aislante [mt] TOp Temperatura de operación [K]

15

Tsup Temp. supuesta superficie del termoaislante [K] Ta Temperatura ambiente [K] kaisl Conductivid. térmica termoaislante V Velocidad media del viento Emss Emisividad de la superficie aislada Fracción de cenizas arrastradas por los gases CpCen Calor específico de las cenizas TCen Temperatura de cenizas [K] Poder Calorífico Superior Entalpía del vapor Entalpía del líquido saturado Calor útil

Calor disponible ̇ Flujo másico del combustible ̇ Flujo másico de los gases de combustión Volumen exceso de aire ̇ Flujo másico del vapor de agua ̇ Flujo másico del Aire tensión térmica de la superficie de la parrilla Ap Superficie total de la parrilla Longitud de la parrilla Tasa de carga Tensión térmica volumétrica del horno Vf Volumen del horno Altura del horno Área total paredes del horno ̅ Coef. prom. eficacia térmica paredes tubos del horno Altura relativa disposición distribuidores K1, K2 Constantes tipo de combustible y mét. de comb. Hq Altura colocación quemadores Long. específica capa radiante

Calor liberado en el horno Coef. amort. de la radiación gases triatómicos presión Coef. amort. de la radiación por ceniza Diám. medio partículas de cenizas Masa productos comb. Densidad del Aire Concentración adimensional de cenizas Coef. de amortiguación de radiación Factor de emisividad de la llama Factor de emisividad del horno

16

Eficiencia del motor Stirling ̇ Potencia neta [ Velocidad en revoluciones por minuto Paso longitudinal del banco de tubo Paso transversal del banco de tubos Diámetro externo de la tubería Espesor de la tubería (Se verifica que resistan la presión

interna) Temperatura de los gases de combustión en la admisión

del banco de tubos Diferencia de temperatura entre la entrada y la salida de

los gases de combustión Diferencia media de temperatura en la transferencia de

calor del intercambiador Temperatura del gas de trabajo N2 a la entrada de la

tubería Fracción volumétrica de los gases secos triatómicos Fracción volumétrica del vapor de agua

Fracción volumétrica del nitrógeno Fracción volumétrica del aire Densidad de los gases de combustión ⁄ Presión inicial del dióxido de azufre Presión final del dióxido de azufre

Temperatura inicial del dióxido de azufre Temperatura final del dióxido de azufre Densidad inicial del dióxido de azufre Densidad final del dióxido de azufre Viscosidad de los gases de combustión ⁄ Conductividad térmica de los gases de combustión

⁄ Calor especifico de los gases de combustión ⁄ Numero de Prandtl de los gases de combustión a

temperatura media Numero de Prandtl de los gases de combustión a

temperatura superficial de la tubería ̇ Flujo másico requerido de los gases de combustión ⁄ Velocidad media de los gases de combustión ⁄ Área transversal de la chimenea Velocidad máxima de los gases de combustión ⁄

17

Número de Reynolds de los gases de combustión Número de Nusselt de los gases de combustión Coeficiente de transferencia de calor por convección para

los gases de combustión ⁄ Número de agujeros Suma de las áreas de la sección transversal interna de

los tubos Diámetro de pistón estándar Área efectiva de pistón Velocidad media del pistón ⁄ Velocidad del gas de trabajo nitrógeno en el

intercambiador de calor caliente ⁄ Temperatura media del gas nitrógeno Presión interna de trabajo Viscosidad dinámica del nitrógeno ⁄ Conductividad térmica del nitrógeno ⁄ Calor especifico del nitrógeno ⁄ Número de Prandtl del nitrógeno Número de Reynolds del nitrógeno Número de Nusselt del nitrógeno Coeficiente de transferencia de calor interno ⁄ Coeficiente de transferencia de calor total ̇ Flujo másico requerido de nitrógeno ⁄ ̇ Flujo másico de nitrógeno real ⁄ Carrera del pistón Potencia estimada del sistema según formula de Beale Superficie media de transferencia de calor de la tubería

Longitud media de tubería Número de tubos Número de filas ̇ Calor de salida del sistema [ Velocidad del nitrógeno en el intercambiador de calor frio

⁄ Diferencia de temperatura entre la entrada y salida del

gas . Temperatura media del nitrógeno Densidad del nitrógeno

⁄ Viscosidad dinámica del nitrógeno ⁄

18

Conductividad térmica del nitrógeno ⁄ Calor especifico del nitrógeno ⁄ Número de Prandtl Número de Reynolds del en el intercambiador frio Número de Nusselt del en el intercambiador frio Coeficiente de transferencia de calor intercambiador

frio ⁄ Temperatura de entrada del agua Diferencia de temperatura del agua Temperatura media del agua Densidad del agua ⁄ Calor especifico del agua ⁄ Viscosidad dinámica del agua ⁄ Número de Prandtl a temperatura media Número de Prandtl a temperatura superficie de tubería Conductividad térmica del agua ⁄ ̇ Flujo másico de agua requerido por el sistema ⁄ Velocidad media del agua ⁄ Número de Nusselt para el flujo de agua Coeficiente de transferencia de calor por convección del

agua ⁄ coeficiente de transferencia de calor por convección

global Intercambiador de calo frio ⁄ Superficie media de transferencia de calor de la tubería

del intercambiador de calor frio Longitud media de tubería del intercambiador de calor frio

Número de tubos intercambiador de calor frio Número de filas del intercambiador de calor frio. Diámetro del alambre de malla Porosidad volumétrica Factor de llenado Diámetro interior del regenerador Longitud del regenerador Área efectiva del regenerador Volumen del regenerador Volumen de masa de almacenamiento ⁄ Área de flujo de gas nitrógeno Velocidad del gas nitrógeno ⁄

19

Temperatura media del regenerador Densidad gel nitrógeno en el regenerador

⁄ Viscosidad dinámica del nitrógeno en el regenerador

⁄ Conductividad térmica del nitrógeno en el regenerador

⁄ Calor especifico del nitrógeno en el regenerador

⁄ Número de Prandtl del nitrógeno en el regenerador Número de Reynolds del nitrógeno en el regenerador Número de Nusselt del nitrógeno en el regenerador Coeficiente de transferencia de calor por convección del

nitrógeno en el regenerador ⁄ Masa de almacenamiento del alambre Longitud del alambre de la masa de almacenamiento Superficie de calentamiento del regenerador ⁄ ̇ Flujo másico de nitrógeno ⁄ Tiempo de soplado Capacidad calorífica de almacenamiento masivo del

regenerador ⁄ Longitud del regenerador reducida Periodo reducido Eficiencia del regenerador

20

RESUMEN

En la actualidad existe desabastecimiento de energía eléctrica en una gran cantidad de regiones en departamentos del sur-occidente colombiano derivado de su ubicación geográfica y costo ambiental y económicos que dificultan el uso de tecnologías convencionales, que por sus características inherentes requieren de grandes sistemas de generación y distribución (hidroeléctricas, PCHs, termoeléctricas), o en el caso de sistemas de micro generación convencional, del transporte de combustible y mantenimiento con mano de obra calificada, se considera de gran importancia la búsqueda de una tecnología que supla esta necesidad, aprovechando su fácil acceso a la biomasa proveniente de desechos agrícolas, pecuarios y del proceso maderero. Teniendo en cuenta que el suministro de energía eléctrica mejoraría significativamente la calidad de vida de estas poblaciones aisladas, se considera de gran importancia la búsqueda de una tecnología que supla esta necesidad con bajo costo, fácil operación y amigable con el entorno. El motor Stirling, debido a su característica de ser de combustión externa, puede trabajar con casi cualquier fuente de calor, incluida la quema directa de la biomasa, ya sea como combustible biomásico sólido, líquido o gas. El problema de utilizar estos combustibles se presenta en la transferencia de calor de los gases de combustión para el gas de trabajo (Obernberger et al. 2003).1 Por esta razón se debe analizar la caracterización de los motores Stirling operados con biomasa según combustible para el diseño del intercambiador, ya que este depende directamente de la fase caliente del combustible, la cual, afecta indirectamente la cantidad de volumen muerto (volumen que no realiza trabajo).

Palabras clave: Biomasa. Motor Stirling. Balance estequiométrico. Método de balance indirecto. Transferencia de calor. Intercambiadores de calor.

1 OBERNBERGER, I., CARLSEN, H., BIEDERMANN, F. State-of-the-Art and Future developments Regarding mall-Scale Biomass CHP Systems with a Special Focus on OCR and Stirling Engine Technologies.In: International Nordic Bioenergy 2003 Conference, 2003.

21

INTRODUCCION En la región sur-occidental de Colombia, comprendida por los departamentos del Valle del cauca, Cauca y Chocó existe una gran cantidad de viviendas sin cobertura eléctrica. El problema radica en que las poblaciones que habitan estas regiones están ubicadas en asentamientos dispersos y conformadas por pocas personas. Teniendo en cuenta la dificultad que tienen estas poblaciones aisladas para conectarse a la red eléctrica, se considera de gran importancia la búsqueda de tecnología que supla esta necesidad con bajo costo, fácil operación y amigable con el entorno, de este modo se contribuye al mejoramiento de la calidad de vida de estas personas. Desde el punto de vista de la sustentabilidad, estas poblaciones aisladas tienen acceso a la biomasa proveniente de desechos agrícolas, pecuarios y del proceso maderero en los puntos donde se encuentran habitando. Contando con la disponibilidad de esta fuente de energía renovable, el objetivo de este proyecto se centra en la proyección de un sistema basado en tecnología Stirling, que utilice la biomasa como combustible para la generación de electricidad en las viviendas de estas regiones. EL Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo de origen escocés. El motor Stirling es un motor de combustión externa que funciona con una gran variedad de fuentes energéticas, tales como, la biomasa, energía geotérmica, energía solar térmica y todo tipo de combustibles convencionales. Este tipo de motor opera de modo volumétrico a través de un ciclo termodinámico en el cual normalmente se utiliza como fluido de trabajo aire, helio o hidrógeno.

22

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA En Ecuador se han realizado estudios a biomasas locales típicas para la optimización de los parámetros de: temperatura, relación aire/combustible, tiempo de residencia y mezclado, para una combustión completa con biomasa como combustible, para generar energía que puede ser usada en la industria agrícola como vapor o para generar energía eléctrica, donde se encontró que con la cascarilla de arroz y café, se generan altos niveles de emisiones de óxidos de Nitrógeno, por lo que recomiendan el uso de medidas de reducción de emisiones secundarias2. En otros países de Latino américa como Perú, se han realizado investigaciones sobre el diseño y construcción de un motor Stirling para la generación de energía eléctrica, donde se realizaron pruebas con el prototipo en funcionamiento y se obtuvo una potencia máxima de eje de 33 W 3. En Austria, el Sector Eléctrico y la Ley de Organización (E1WOG) exigió que a partir del 2005, el 3 % de la electricidad austriaca vendida fuera obtenida de fuentes de energía renovables (excluyendo la energía hidroeléctrica). Es así como la producción combinada de calor y electricidad (CHPP) por biomasa fue considerada, basándose en la viabilidad económica de un motor Stirling CHPP en una planta de calefacción urbana, con biomasa en el rango de capacidad de 20 a 120 kWel. Analizando costos de inversión y de producción de electricidad, los resultados demuestran que si se utilizan métodos de financiación de plantas de biomasa de calefacción urbana en Austria – los períodos de amortización se lograrían en un tiempo entre 4 y 5 años. Con los resultados del análisis económico, la financiación de una planta de demostración de 30 kWel podría realizarse4. 2 TOSCANO MORALES, Luis Alberto. "Análisis de los parámetros y Selección de hornos para la combustión de biomasa” (APLICACIÓN A BIOMASAS LOCALES TÍPICAS). Tesis de Ingeniero Mecánico. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL. Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción, Ecuador, 2009. 136-138p. 3 AGÜERO ZAMORA, Víctor Raúl. Diseño y construcción de un motor Stirling para la generación de energía eléctrica. Tesis Ingeniero Mecánico. [en línea]. Lima-Perú.: Universidad Nacional de Ingeniería. Facultad de Ingeniería Mecánica, 2006.166p. [consultado el 23 Agosto del 2013]. Disponible en: http://cybertesis.uni.edu.pe/uni/2006/aguero_zv/pdf/aguero_zv.pdf 4 World Renewable Energy Congress VI (WREC2000). Application and economy of biomass Stirling engines in Austria. [en línea]. JOANNEUM RESEARCH, Elisabethstrasse 5, A-8010 Graz, Austria. [consultado el 24 Agosto del 2013]. Disponible en: Base de datos Science Direct Universidad Autónoma de Occidente.

http://cybertesis.uni.edu.pe/uni/2006/aguero_zv/pdf/aguero_zv.pdf

23

En 2007 la compañía japonesa de Suction Gas Engine Mfg introdujo un nuevo mecanismo denominado Alfa + instalado en su AP1-10/250 motor. El mecanismo consta de un intercambiador de calor superior y dos inferiores integrados con un pistón de potencia alojado en el medio de los intercambiadores de calor inferiores. Este mecanismo permite trabajar con una fuente de calor de baja temperatura. El prototipo de 10 kW opera con la ayuda de un circuito de aceite térmico como una fuente de calor, que a su vez se calienta por la combustión de biomasa (Takeuchi et al. 2007)5. La empresa italiana ha desarrollado el prototipo de "gamma motor Stirling tipo + motor generador de imanes permanentes." Genoastirling Este motor utiliza nitrógeno como gas de trabajo, la presión de 50 bar, una temperatura de la fuente fría y caliente 1023K, y 333K, respectivamente, y la velocidad de 600 rpm. Con el objetivo de eliminar las pérdidas en los sellos, el generador eléctrico se encuentra dentro de la cámara de compensación (BOTTER COSSO, 2009)6. El motor Sunmachine es capaz de generar entre 1,5-3 kW de energía eléctrica entre 4.5 a 10.5 kW térmicos y puede llegar a tener una eficiencia del 90% de cogeneración. Este motor alfa tiene una presión de gas de trabajo de 33bar. Se alimenta con la biomasa en forma de pellets, su gas de trabajo es nitrógeno y tiene un dispositivo de almacenamiento, suministro y la quema de los pellets en su versión comercial (SUNMACHINE, 2006)7. El Instituto Austríaco de Investigación Joanneum Research desarrolló dos motores Stirling, uno de 35 kWel y otro de 3 kWel, que funcionan con combustión directa de biomasa. La construcción de estos motores se hace de la adaptación del mecanismo de un compresor de aire para el motor de 35 kW, y un motor en V de motocicletas para el motor 3 kW, siendo en ambos casos, una configuración alfa (. Podesser et al 1995). El intercambiador de calor caliente del motor requiere una configuración particular para reducir el problema de ensuciamiento en el exterior del mismo, pero con el riesgo de aumentar el volumen muerto y la disminución de la uniformidad de la temperatura en el gas de trabajo en este dispositivo (Podesser et al. 1995) 8Además de las dificultades en su fabricación.

5 TAKEUCHI, M., ABE, Y., SUZUKI, S., KITAHARA, A. Development of 10kw class low temperature difference indirect heating stirling engine using .alpha.'+' mechanism.The 13th International Stirling Engine Conference. Tokyo, 2007 6 BOTTER, R., COSSO, R. Stilring engine gamma type + permanent magnet enerator. Génova: Faculdade de Engenharia da Universidade de Génova, 2009 7 SUNMACHINE. Sunmachine Holz-Pellet. Sunmachine corp. 2006 8 PODESSER, E., DERMOUUZ, H., PADINGER, R., WENZEL, T. Entwicklung eines mit holz betriebenen Stirling, kleinkraftwerkes zur dezentralen strom-und warmeerzeugung-phase II. Report. Institute Fur energieforschung, 1995

24

El motor desarrollado por la Universidad de Dinamarca (DTU) ha sido probado teniendo en cuenta dos alternativas: con la combustión directa de combustible y acoplado a un gasificador (Palsson, 2007)9. La primera alternativa requiere un complejo sistema de combustión para evitar el ensuciamiento del intercambiador de calor. Los resultados de esta investigación se muestra en el trabajo de Carlsen (1996)10 y (BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, 2011)11. La segunda alternativa, con la gasificación, se hizo realidad con éxito a finales de 2009 con la entrada en funcionamiento de una estación de cogeneración en DTU, capaz de generar 1% de la electricidad y el 2% de la energía térmica consumida en la institución. El sistema está formado por un gasificador de flujo ascendente de aire de 200 kW que alimenta un motor Stirling. Este motor es tipo beta, que tiene cuatro cilindros, el gas de trabajo es el helio, la presión de funcionamiento 4,0 MPa y la velocidad de 1010 rpm con generador eléctrico presurizado.

José Luis García Campuzano, ingeniero mecánico de la universidad Eafit de Medellín, ganó el Concurso Nacional Otto de Greiff que fue entregado el 15 de junio del 2011 en Bogotá en la categoría desarrollo sostenible y medio ambiente con su proyecto, el cual, consistió en el diseño, construcción y realización de pruebas de un sistema que permite la obtención de potencia mecánica a partir de energía solar. Dicho sistema está compuesto básicamente por un concentrador de rayos solares y por un motor Stirling tipo beta. El sistema de concentración de energía solar consiste principalmente en un disco parabólico de superficie brillante, el cual tiene como función captar y reflejar la mayor cantidad posible de luz solar y enfocarla en una región de área reducida, para disponer de una zona de alta temperatura. Según las pruebas realizadas, este concentrador de 0,31 m2 de área, tiene la capacidad de incrementar la energía en 103 veces y generar una temperatura de 240°C aproximadamente. La función del motor Stirling, es la de aprovechar la energía térmica generada por el concentrador en la zona de alta temperatura y convertirla en potencia mecánica. Este motor utiliza como fluido de trabajo aire, y como fuente de refrigeración agua a temperatura ambiente. La potencia máxima entregada por el motor fue de aproximadamente 8W. Este valor se determinó por medio de las temperaturas alta (300°C) y baja (36°C), las RPM (859) y la ecuación de Beale para motores Stirling12.

9 PÅLSSON, M. Experiences whith a 35 kWel wood powder fuelled Stirling CHP unit. In: The 13th international Stirling Engine Conference, p. 243-248. Tokyo: Waseda University, 2007 10 CARLSEN, H. 40 kW Stirling engine for solid fuel. IEEE, 0-7803-3547-3-7, 1996 11 BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH. Description of the biomass CHP technology based on Stirling engines. 2011. [en línea]. [consultado el 16 de Agosto del 2013]. Disponível em http://www.bios-bioenergy.at/en/electricity-from-biomass/stirling-engine.html. 12 Universidad Eafit de Medellín, Concurso Nacional Otto de Greiff 15 de Junio del 2011 Bogotá, Colombia [En línea]. [Consultado el 16 de Agosto del 2013].Disponible en internet: http://www.cronicadelquindio.com/noticia-completa-titulo-un_quindiano_se_quedo_con_el_premio_nacional_otto_de_greiff-seccion-Educaci%C3%B3.

http://www.bios-bioenergy.at/en/electricity-from-biomass/stirling-engine.html

25

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En la actualidad existe desabastecimiento de energía eléctrica en una gran cantidad de regiones en departamentos del sur-occidente del país, tales como, Valle del cauca, Cauca y Chocó. El factor que más contribuye a esta problemática es la particularidad de las poblaciones que habitan estas regiones, en su mayoría asentamientos dispersos y conformados por pocas personas, imposibilitando ambiental y económicamente el uso de tecnologías convencionales, que por sus características inherentes requieren de grandes sistemas de generación y distribución (hidroeléctricas, PCHs, termoeléctricas), o en el caso de sistemas de micro generación convencional, del transporte de combustible y mantenimiento con mano de obra calificada. En estas regiones se presenta gran cantidad de biomasa residual la cual no está siendo aprovechada. Por esta razón, se hace necesario conocer el potencial de fuentes renovables y la cantidad de viviendas sin cobertura eléctrica en estas regiones. Según datos de la UPME (Unidad de planeación minero energética), plasmados en el "Atlas del Potencial Energético de la Biomasa Residual en Colombia", el cual trata acerca del potencial energético de fuentes renovables, como los residuos orgánicos en los distintos sectores de producción de biomasa residual. Se analizarán entonces, los residuos orgánicos presentes en el sector agrícola y pecuario en las regiones aisladas. Para la obtención de la cantidad de viviendas sin cobertura eléctrica se consultó La serie de tiempo histórica de Necesidades del servicio de energía eléctrica reportada por los alcaldes relacionada con Viviendas sin servicio de energía eléctrica, disponible en la SIEL (Sistema de Información Eléctrico Colombiano). La cual contiene información actualizada hasta el 31/12/2009. Al relacionar la proporción de viviendas sin energía eléctrica y cantidad de recurso de biomasa residual disponible se obtuvieron los siguientes resultados en la Figura 1:

26

Figura 1. Gráfica de relación de cantidad de viviendas sin electricidad y total de biomasa residual (Sector agrícola y pecuario) en cada departamento

La Figura 1, muestra las cantidades sin electricidad y las totalidades de biomasa [tonelada/año] con la que cuentan los departamentos del Cauca, Choco y Valle del Cauca; el problema radica en que estos tres departamentos poseen una cantidad considerable de viviendas sin electricidad; sin embargo, se puede ver que cuentan con potencial energético de fuentes renovables, como los residuos orgánicos de biomasa residual, provenientes de los sectores agrícola y pecuario, que pueden ser la solución al problema de desabastecimiento de energía eléctrica, a través de una tecnología que opere con biomasa residual y que sea económica y en comparación con otras tecnologías que trabajan con fuentes de energías no renovables (combustibles fósiles).

1266735,72

572469,97

3258734,9

38155

6952 6751

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

3500000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

CAUCA CHOCO VALLE DEL CAUCA

Viviendas sin electricidad Vs Total Biomasa Residual [tonelada/año]

Total Biomasa Residual[tonelada/año] Viviendas Sin Electricidad

27

2. JUSTIFICACION

Teniendo en cuenta que el suministro de energía eléctrica mejoraría significativamente la calidad de vida de estas poblaciones aisladas, se considera de gran importancia la búsqueda de una tecnología que supla esta necesidad con bajo costo, fácil operación y amigable con el entorno. Una ventaja de algunas de estas poblaciones, desde el punto de vista de la sustentabilidad, es su fácil acceso a la biomasa proveniente de desechos agrícolas, pecuarios y del proceso maderero. En este orden de ideas se centra el objetivo de esta investigación, que es proyectar un sistema basado en tecnología Stirling, que utilice biomasa como combustible para la generación de energía eléctrica en viviendas de regiones no interconectadas del sur-occidente colombiano. Este motor Stirling puede trabajar con combustible biomásico sólido, líquido o gas. El problema de utilizar estos combustibles se presenta en la transferencia de calor de los gases de combustión para el gas de trabajo (Obernberger et al. 2003)13. Por esta razón se debe analizar la caracterización de los motores Stirling operados con biomasa según el combustible para el diseño del intercambiador, ya que este depende directamente del combustible en fase caliente , el cual, afecta indirectamente la cantidad de volumen muerto (volumen que no realiza trabajo). El motor Stirling posee las condiciones económicas y técnicas para convertirse en una de las tecnologías más prominentes para ser utilizada en el suministro de energía eléctrica en las regiones aisladas ya que, debido a su característica de ser de combustión externa, puede trabajar con casi cualquier fuente de calor, incluida la quema directa de la biomasa. 13 OBERNBERGER, I., CARLSEN, H., BIEDERMANN, Op. cit., p. 19.

28

3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL Proyectar un sistema basado en tecnología Stirling, que utilice biomasa como combustible, para la generación de energía eléctrica en viviendas no interconectadas. 3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Identificar mediante trabajos de investigación de SIEL y la UPME, la cantidad

de viviendas sin cobertura eléctrica y la cantidad de biomasa residual disponible en tres departamentos del sur-occidente colombiano, para utilizarla como combustible en el sistema basado en tecnología Stirling para la generación de energía eléctrica.

Diseñar un horno para la quema de biomasa y suministro de calor para la operación del sistema basado en tecnología Stirling.

Diseñar los intercambiadores de calor caliente, frio y el regenerador del sistema basado en tecnología Stirling.

29

4. MARCO TEORICO

4.1 BIOMASA La biomasa se puede definir como una fuente de energía renovable originada a partir de materia orgánica formada por vía biológica14. El contenido energético proviene de la energía solar fijada por los vegetales durante la fotosíntesis. Esta energía es liberada una vez se rompen los enlaces de los compuestos orgánicos durante la combustión, produciendo dióxido de carbono y agua. Los productos procedentes de la biomasa usados para fines energéticos se denominan biocombustibles, los cuales pueden ser, biocombustibles sólidos, los cuales se utilizan generalmente para fines térmicos y eléctricos, y líquidos como sinónimo de los biocarburantes para automoción15. La biomasa puede clasificarse en cuatro grupos: a) Biomasa natural: Producida en ecosistemas naturales. b) Biomasa residual: La cual comprende:

Residuos forestales: residuos de tratamientos silvícola y de cortes de pies maderables.

Residuos agrícolas: restos de podas, rastrojos de cultivos, etc. Residuos de industrias forestales: aserraderos, fábricas de pasta y papel, etc. Residuos de industrias agrícolas: bagazos, orujos, cáscaras, vinazas, huesos,

etc.

14 FERNÁNDEZ, Jesús. Energías renovables para todos. En: Energía de la Biomasa. 2p. Madrid. [en línea]. [Consultado el 16 de Agosto del 2013]. Disponible en internet: http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/cuadernos-energias-renovables-para-todos-biomasa.pdf. 15 TOSCANO, Op. cit., p. 6.

http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/cuadernos-energias-renovables-para-todos-biomasa.pdfhttp://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/cuadernos-energias-renovables-para-todos-biomasa.pdf

30

Residuos biodegradables: purines, estiércoles, Iodos de depuradoras, huesos, sebos, etc.

c) Biomasa proveniente de cultivos energéticos:

Especies leñosas en periodos de 3-4 años y con 10.000 pies/Hectáreas. Populus, etc.

Especies herbáceas. Miscanthus, Cynara, etc. Cultivos para producir etanol (Trigo, maíz, pataca, sorgo azucarero, etc.). Cultivos para producir biodiesel (colza, girasol, lino oleaginoso, etc.). d) Excedentes agrícolas: Complementan los cultivos no alimentarios y sustituyen

parcialmente los biocarburantes y los combustibles fósiles (aceite de algodón, aceite de soja, aceite de cártamo, etc.)16.

4.1.1 Características térmicas de la biomasa. Existen características específicas que determinan el funcionamiento de la biomasa como combustible en la combustión o gasificación o ambas; Entre estas características referentes a la conversión térmica de la biomasa se tiene:

Contenido de humedad: Es la cantidad de agua en el material, expresada como porcentaje del peso del material.

Contenido de ceniza: Se expresa generalmente sobre una base seca. La

composición de la ceniza afecta el comportamiento bajo temperaturas altas de la combustión y de la gasificación.

Contenido de materia volátil: Es la parte de la biomasa que se obtiene cuando

se calienta la biomasa (hasta 400 a 500ºC), donde se descompone en gases volátiles y carbón de leña sólido.

16 TOSCANO, Op. cit., p. 6.

31

Composición elemental: La composición del componente orgánico libre de ceniza de la biomasa es relativamente uniforme. Los componentes principales son carbono, oxígeno, e hidrógeno. La mayoría de la biomasa también contiene una pequeña proporción de nitrógeno.

Poder calorífico: Indica la combinación química de energía en el combustible

bajo condiciones estándar de temperatura, estado del agua (vapor o líquido), y productos de la combustión (CO2, H2O, etc.). la combinación química de energía en el combustible está dada por el poder calorífico del combustible en energía (j) por la cantidad de la materia (kilogramo).

Densidad aparente: Es la masa de material por unidad de volumen. Para la

biomasa se expresa comúnmente sobre una base seca peso-horno (contenido de humedad; MC=0 %) o sobre una base como se encuentra, con una indicación que corresponde al contenido de humedad (MCw)17.

4.1.2 Procesos de conversión de la biomasa en energía. Los procesos de conversión con fines energéticos pueden ser: termoquímicos o biológicos.

4.1.2.1 Procesos termoquímicos. Comprenden básicamente la combustión, gasificación y pirolisis, encontrándose aún en etapa de desarrollo la licuefacción directa. Combustión: Permite obtener energía térmica, ya sea para usos domésticos

(cocción, calefacción) o industriales (calor de proceso, vapor mediante una caldera, energía mecánica utilizando el vapor de una máquina). Las tecnologías utilizadas para la combustión directa de la biomasa abarcan un amplio espectro que va desde el sencillo fogón a fuego abierto (aún utilizado en vastas zonas para la cocción de alimentos) hasta calderas de alto rendimiento utilizadas en la industria.

Gasificación: Consiste en la quema de biomasa en presencia de oxígeno, en

forma controlada, para producir un gas combustible denominado “gas pobre”, pues contiene bajo contenido calórico. Se introduce el combustible y una

17 MÍGUEZ GÓMEZ, Claudio Daniel. La eficiencia energética en el uso de la biomasa para la generación de energía eléctrica: optimización energética y exergética. Tesis doctoral. Madrid-España.: Universidad complutense de Madrid. Instituto Universitario de Ciencias Ambientales, 2012. 180p.

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cantidad pequeña de aire en un recipiente cerrado; El gas pobre obtenido puede quemarse luego en un quemador para obtener energía térmica, en una caldera para producir vapor, o bien ser enfriado y acondicionado para su uso en un motor de combustión interna que produzca, a su vez, energía mecánica18.

Pirolisis: Proceso donde se realiza una oxigenación parcial y controlada de la

biomasa, para obtener como producto una combinación variable de combustibles sólidos (carbón vegetal), líquidos (efluentes piroleñosos) y gaseosos (gas pobre). Generalmente, se obtiene el carbón vegetal, considerándose a los líquidos y gases como subproductos del proceso. El carbón vegetal como combustible sólido contiene un poder calórico mayor, o sea, un peso menor para igual cantidad de energía, lo que permite un transporte más fácil. Sin embargo, la carbonización representa una pérdida muy importante de la energía presente en la materia prima, ya que en el proceso consume gran cantidad de ella19.

4.1.2.2 Procesos bioquímicos. Consisten en la degradación de la biomasa por la acción de microorganismos; Se pueden dividir en dos grupos: los que se producen en ausencia de aire (anaeróbicos) y los que se producen en presencia de este (aeróbicos). Procesos anaeróbicos: Se logra por la fermentación de residuos animales o

vegetales de baja relación carbono / nitrógeno, en un recipiente cerrado en ausencia del aire, llamado “digestor” produciendo un gas combustible denominado biogás. Adicionalmente, la biomasa residual degradada del proceso de producción del biogás, se usa como fertilizante para cultivos agrícolas. El biogás, constituido básicamente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), es un combustible que puede ser empleado como el gas natural, o también puede comprimirse para ser usado en vehículos de transporte.

Procesos aeróbicos: También por fermentación, este proceso aeróbico usa

biomasa de alto contenido de azúcares o almidones y da origen a la formación de alcohol (etanol), está siendo usado como combustible líquido con

18 PALATNIC AMPUERO, María Esmeralda. Diseño y desarrollo de pequeñas unidades de gasificación de madera para aplicaciones de generación de energía térmica y cogeneración a baja escala. Tesis Ingeniero Civil Mecánico. Santiago de Chile.: Universidad de Chile. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Departamento de ingeniería mecánica, Marzo 2011. 4p. 19 TOSCANO, Op. cit., p. 6.

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propiedades similares a los que se obtienen por medio de la refinación del petróleo20.

4.2 TIPOS DE HORNO PARA LA QUEMA DE BIOMASA Para la selección del tipo de horno, se debe tener en cuenta el tamaño del combustible y la potencia a generar. Hornos de tiro ascendente: Estos hornos fueron desarrolladas por los años

de 1 550 a 1 650 °C. La combustión se desarrolla en la cámara de combustión y el calor fluye de abajo hacia arriba atravesando la carga para desfogar los gases de combustión por encima de la bóveda del horno. El inconveniente de estos hornos es que la cámara de combustión tiene mayor temperatura en la parte inferior de la cámara de quemado y más fría en la parte superior, lo que no garantiza una buena transferencia de calor.

Hornos de Cámaras Múltiples: Este horno consiste en una serie de cámaras

individuales pero conectadas entre sí, y comparten una misma salida de los gases de combustión, son hornos de alta producción. El encendido se inicia en la primera cámara haciendo pasar el calor residual de los gases de combustión a las siguientes cámaras para precalentar y completar el secado de los productos cargados, cuando la primera cámara ha alcanzado la temperatura de quemado, la segunda cámara estará entre los 300 a 400 °C., que da lugar a la combustión en la segunda cámara y la tercera cámara aprovechara el calor residual de la segunda cámara sucesivamente hasta completar la serie, cabe indicar que cada cámara tiene su compuerta para la combustión.

Hornos de bóveda de tiro Invertido: En Europa, por el año de 1750 se

desarrolló el horno de tiro invertido, cuya característica es que, el calor sigue hacia arriba para luego ser succionado hacia el escape atravesando la carga de arriba hacia abajo, con lo que consigue una transferencia de calor homogénea, puesto que existe una distribución de temperatura uniforme en la cámara.

Horno semicontinuo de cámaras: Este tipo de horno reúne las características de los hornos continuos y los intermitentes, y optimiza el uso de

20 TOSCANO, Op. cit., p. 6.

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la energía que se perdería en el calentamiento de las cámaras subsiguientes. Además cuenta con vagonetas de carga para facilitar la carga y descargas21.

4.3 MOTOR STIRLING Entre los motores de combustión externa existen los motor Stirling, el cual fue inventado por Robert Stirling en 1816, él elaboro este motor para suplantar al motor de vapor ya que este era muy peligroso para trabajar. EL motor Stirling es un dispositivo que convierte calor en trabajo, a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y expansión cíclicas del fluidos de trabajo normalmente aire. Operando dicho fluido entre un diferencial de temperaturas. Una maquina Stirling opera de modo volumétrico y una maquina Ericsson opera mediante flujo permanente continuo, ambas son máquinas de combustión externa. La primera experiencia conocida de los motores Stirling se remonta al 1699, con un rudimentario artefacto que aprovechaba la expansión de aire caliente para hacer girar un volante, realizada por Amontons, en Francia, solo un año después de que Savery fabricase la primera máquina de vapor para bombear agua. El desarrollo de los motores Stirling ha transcurrido siempre paralelo al de la máquina de vapor22. En 1759 Wood modificó para aire caliente la máquina de vapor de Newcomen. Glazebrook, en 1801 introdujo el ciclo cerrado, y ya en el 1816 los hermanos Robert y James Stirling dieron un gran impulso al ciclo cerrado regenerativo23. En el siglo XIX centenares de motores Stirling se utilizaban para el bombeo de agua y otras de menor potencia (0.1, 4 KW) como ventiladores. Se consideraban seguros y silenciosos para estas aplicaciones, sin embargo presentaban problemas en las configuraciones de mayor potencia. Hasta 1940 se fabricaban en grandes cantidades.

21 SUMA QUISPE, Celso, Gutiérrez Samanez, Julio y Suma Quispe, Rodolfo. Memoria descriptiva consultoría: Estudio de definición de tipo de horno apropiado para el sector ladrillero. Licitado por el Programa Regional de Aire Limpio (PRAL) y el Consejo Nacional de Medio Ambiente (CONAM) para la fundación SWISS CONTACT y la Agencia Suiza para el Desarrollo y Cooperación (COSUDE). Cusco, 2008. 24-26p. 22 ÁLVAREZ FLÓRES, Jesús Andrés y CALLEJÓN AGRAMUNT, Ismael. Maquinas térmicas motoras.1 ed. México.: Alfaomega Grupo Editor, 2005.533p. 23 Ibíd., p. 12.

35

El desarrollo de los motores de combustión interna a partir de la mitad del siglo XIX y la mejora experimentada en el refinamiento de los derivados del petróleo (gasolina, diésel o gasóleo), hizo que estos se pusiesen al frente de los motores térmicos. Este acontecimiento, acompañado de la invención de los motores eléctricos, consiguió que, desde principios del siglo XX, la máquina de vapor y los motores Stirling y Ericsson fueran apartados en la competencia por la industrialización. Los motores Stirling dejaron de estar presentes en aplicaciones motrices y de bombeo24. Hacia mediados del siglo XX aparece un renovado interés por los motores Stirling para nuevas aplicaciones. Refrigeración, calefacción y generación eléctrica a partir de fuentes de calor alternativas a los combustibles fósiles de alta calidad. Figura 2. Esquema del primer motor Stirling construido por Robert Stirling en 181625

4.3.1 Tipos de motor Stirling. Tipo Alfa: Esta configuración consta de dos cilindros independientes unidos mediante un ducto; este tipo de motor Stirling no tiene desplazador, pero tiene dos pistones desfasados 90º. Uno de los cilindros se calienta mediante suministro de calor y el otro se enfría mediante aletas o agua. Figura 3. Motor Stirling de configuración alfa26

24 ÁLVAREZ FLÓRES, Op. cit., p. 12. 25 AGÜERO ZAMORA, Op. cit., p. 7. 26 Ibíd., p. 7.

36

Tipo Beta: En esta configuración, el pistón y el desplazador están en el mismo cilindro, por eso tiene poco volumen muerto, y, por lo tanto, es el de mayor potencia específica de las tres configuraciones. Existe una holgura entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del gas de la zona caliente a la fría y viceversa. Su desventaja está en su fabricación, porque ésta es muy complicada y requiere de bastante precisión. Figura 4. Motor Stirling de configuración beta27

Tipo Gamma: Este tipo es derivado de la configuración beta, pero más sencillo de construir. Consta de dos cilindros separados, en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en el otro el pistón de potencia. Es el de menor potencia específica debido a su gran volumen muerto. Figura 5. Motor Stirling de configuración gamma28

4.3.2 Funcionamiento del motor Stirling. El motor Stirling opera con un fluido motor en un ciclo cerrado, obteniendo trabajo a partir de cuatro procesos cíclicos consecutivos: Aporte de calor, expansión con el aporte de calor de la fuente de

27 AGÜERO ZAMORA, Op. cit., 28 Ibíd., p. 7.

37

calor, extracción de calor hacia un acumulador térmico regenerativo y compresión con extracción de calor hacia el foco frio. Figura 6. Esquema ideal de una maquina Stirling isotérmica29

4.3.3 Tipos de Biomasa para Motores Stirling. El uso de biomasa como combustible para las plantas micro-CHP para disminuir la contaminación ambiental (Gaun Y Schmautzer, 2007; Katsura et al, 2007)30, necesita procesos de transformación para ser usada como fuente de energía, dentro de las cuales se tiene: combustible sólido, líquido o gas. Los motores Stirling de biomasa sólida. En la mayoría de los casos, el intercambio de calor sucede entre los gases de combustión de la biomasa y el fluido de trabajo del motor, pero los gases de escape tienen una gran cantidad de ceniza o residuos que perjudican el funcionamiento del motor. Es por esto que el intercambiador de calor no puede tener superficies extendidas (aletas) (Podesser, 1999) 31y sus tubos deben ser colocado de tal forma que mantenga en gran medida, la uniformidad de la temperatura en la superficie del intercambiador de calor. Otro problema generado por la combustión directa de combustibles sólidos es el tamaño de la cámara de combustión, mucho más grande que las cámaras de combustible líquido o gaseoso, y la necesidad de grandes cantidades de exceso de aire para controlar la temperatura de los gases de escape (Palsson y CARLSEN, 2003)32. Una alternativa para superar este problema podría ser la disminución de esta clase de residuos mediante la mezcla de dos tipos de combustible sólido (madera y paja de arroz.). 29 ÁLVAREZ FLÓRES, Op. cit., p. 12. 30 GAUN, A., SCHMAUTZER, E. Biomass-Fuelled Stirling Micro Combined Heat. IEEE, 429-423, 2007 31 PODESSER, E. Electricity production in rural villages with a biomass stirling engine.Renewable Energy, 16 1049-1052, 1999 32 PÅLSSON M, & CARLSEN H. Development of a wood powder fuelled 35 kW stirling chp unit. In: 11th International Stirling Engine Conference, p. 19-21. Rome, 2003

38

Los motores Stirling operados con gas procedente de la gasificación de biomasa. Pequeñas plantas modulares de gasificación de biomasa pueden proporcionar gas combustible para motores Stirling, y reducir al mínimo los problemas de incrustaciones que tiene la combustión directa de la biomasa, mejorando así la eficiencia de la combustión y la uniformidad de temperatura de la superficie en el intercambiador de calor (Saito et al. 2009)33. Además, la automatización de este proceso de gasificación es más fácil de operar (Departamento de Energía de los EE.UU., 2005). Los motores Stirling operados con biocombustibles líquidos. La compañía WhisperGen (2005)34 desarrolló un sistema para generar energía eléctrica y térmica a través de un motor de Stirling dev 0,75 kWel. El motor es del tipo alfa, con pistón de doble efecto, opera con diésel o queroseno y tiene un sistema de carga de la batería (Barros, 2005)35. En el trabajo realizado por Aliabadi et al. (2009)36 evaluaron esta unidad con biodiesel. Los resultados de esta investigación fueron: eficiencia eléctrica del 11,5% y térmica del 77,5% (ligeramente inferior a la operación de diésel). Con el objetivo de proporcionar la energía térmica y eléctrica al mismo tiempo, en las zonas urbanas, la compañía británica Desanco adquirió de investigadores escandinavos, la tecnología de generación combinada de calor y electricidad basado en el motor Stirling, junto con el reto de convertirlo en un producto comercialmente viable (BETTS, 2010)37. El micro cogenerador de calor y potencia puede producir 3.15 kW de energía térmica y 3.1 kW de energía eléctrica (DISENCO, 2011)38. También puede funcionar con cualquier combustible y biocombustible líquido (Hall, 2008)39.

33 SAITO, T., IRAGO, Y., YOKOKURA, S., HAMAGUCHI, K. Study of gasified combustor of wood pellets for Stirling engine.International Stirling Engine. Netherlands: International Stirling Engine Committee, 2009 34 WHISPERGEN. Manual do usuário Copyright. New Zealand: Whisper Tech Limited, 2005 35 BARROS, R. Avaliação teórica e experimental do motor Stirling Solo 161 operando com diferentes combustíveis.Universidade Federal de Itajubá, 2005 36 ALIABADI, A., THOMSON, M.J., WALLACE, J.S., TZANETAK, T., LAMONT, W., DI CARLO, J. Efficiency and emissions measurement of a stirling-engine-based residential microcogeneration system run on diesel and biodiesel. Energy & Fuel, 23-1032-1039, 2009 37 BETTS, B. A stirling idea. Engineering & technology, pp. 58-60, 2010 38 DISENCO. m-CHP Make your own home or small business a power house of energy.2011. [en línea]. [consultado el 16 de Agosto del 2013]. Disponível em: http://www.disenco.com/html/mchp.htm. Acesso em: 18 Ago. 2011 39 HALL, B. Centrica agrees micro-CHP deal with Disenco Energy, 2008. [en línea]. [consultado el 16 de Agosto del 2013]. Disponível em: http://www.hvnplus.co.uk/3100842.article. Acesso em: 18 Ago. 2011

http://www.disenco.com/html/mchp.htmhttp://www.hvnplus.co.uk/3100842.article

39

5. METODOLOGÍA

En el diseño preliminar del sistema basado en tecnología Stirling, se estableció como condiciones, producir una potencia de 0,5 kW (Kilo Watios) a una velocidad de 500 rpm (revoluciones por minuto). Dentro de los componentes del sistema, se ha seleccionado un horno de tiro invertido, el cual, gracias a su configuración, tiene una transferencia de calor homogénea, puesto que existe una distribución de temperatura uniforme en la cámara, gracias a que el calor atraviesa la carga de arriba hacia abajo40. En cuanto a la selección del combustible, se ha elegido madera, la cual posee un bajo contenido de humedad, y un alto poder calorífico. Para el motor Stirling, se seleccionó el tipo alfa, el cual consta de dos pistones desfasados 90°, con dos cilindros independientes unidos mediante un ducto; uno de los cilindros se calienta mediante suministro de calor y el otro se enfría mediante aletas o agua41. El diseño del intercambiador de calor caliente se realizó considerando flujo cruzado sobre un banco de tubos alineados42 . En este intercambiador de calor de coraza y tubos el fluido de trabajo nitrógeno se mueve por dentro de los tubos, mientras los gases de combustión se mueven alrededor de estos en dirección perpendicular. En el diseño del intercambiador de calor frio también se consideró flujo cruzado sobre un banco de tubos alineados. En este intercambiador de calor de coraza y tubos el agua se mueve alrededor de los tubos en dirección perpendicular al nitrógeno. El regenerador se diseñó en base a una geometría cilíndrica y se seleccionó una malla cuadrada plana de acero inoxidable43. Los resultados relacionados con la transferencia de calor, dimensiones y materiales del horno, intercambiadores de calor y el regenerador, se pueden ver más adelante en el siguiente capítulo (…Ver capítulo 6, pág. 97…). 40 SUMA QUISPE, Op. cit., p. 33. 41 AGÜERO ZAMORA, Op. cit., p. 35. 42 YUNUS A, Cengel, Afshin J, Ghajar. Transferencia de calor y masa de Cengel.4 ed. México: McGraw-Hill, 2011.920 p. ISBN 978-0-07-339812. 43 KNOWLES, T. R. Composite - matrix regenerators for Stirling engines. NASA Contractor Report, 202322, pp. 78, 1997.

40

A continuación, se muestra un diseño preliminar del sistema basado en tecnología Stirling: Figura 7. Esquema del sistema Stirling

5.1 DIAGRAMA DE FLUJO

Con el fin de explicar paso a paso la metodología para los cálculos del sistema basado en tecnología Stirling, se ha diseñado un diagrama de flujo, en el cual se muestra una secuencia de pasos, los cuales constan de los cálculos ordenados que se tienen en cuenta para obtener los resultados de las dimensiones de cada componente del sistema. A continuación, se muestra el esquema:

41

Figura 8. Diagrama de flujo para el cálculo de las dimensiones del horno

# Descripción

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Composición elemental de la biomasa:

INICIO

Productos de la combustión del combustible sólido: Cantidad exceso de aire (Sólidos: 1.15 – 1.3)

Volúmenes teóricos de los productos de la combustión: Volumen real de vapor de agua-Volumen real de gases secos

Propiedades de los gases de combustión y del exceso de Aire: Poder calorífico del Combustible, Peso molecular, Fracción volumétrica, Densidad, Calor específico y Cp. molar de los gases de combustión

Eficiencia del horno por el método indirecto para pérdidas térmicas: gases de salida q2, incombustión química q3, incombustión mecánica q4, medio ambiente q5, escorias q6, Humedad del combust. q7 y vapor de agua q8

Flujo másico del combustible: Calor útil requerido para generar

0.5kW = 17.26kW

SI

NO5

Determinación flujo másico de los gases de combustión y del Aire

Dimensiones del horno: Tensión térmica de la sup. de la parrilla, Long. de la parrilla, Tasa de carga, Tensión térmica volumétrica del horno, Altura del horno, área tot. y vol. del horno

Cálculo del coeficiente promedio de la eficacia térmica de las paredes de los tubos del horno, Cálculo de la altura relativa de la disposición de los distribuidores, Determinación de la longitud específica de la capa

radiante

Cálculo del calor liberado en el horno (Qf)

Cálculo factor de emisividad de llama

y horno

FIN

42

Figura 9. Diagrama de flujo para el cálculo de los intercambiadores de calor y el regenerador

# Descripción

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

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12

13

14

Paso 5: �̇� requerido, 𝑉𝑚 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐴𝐶 y 𝑉𝑚á𝑥 y 𝑅𝑒𝐷

Paso 1: Parámetros: 𝜂𝑠𝑡𝑖𝑟𝑙𝑖𝑛𝑔, �̇�𝑛𝑒𝑡𝑎, 𝑟𝑝𝑚

Paso 2: Suposición de datos:𝑆𝐿, 𝑆𝑇, 𝐷𝑒𝑥𝑡(S gún f b n ) , 𝐸𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑, 𝑇 𝑒𝑛𝑡, 𝑇, 𝑇𝑐 𝑒𝑛𝑡, 𝑇𝑠 =𝑇𝑚 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜𝑠

Paso 3: Fracciones volumétricas de los productos de combustión: 𝑟𝑅𝑂 𝑟𝐻 𝑂 𝑟𝑁 , 𝑟𝑂

Paso 4: Propiedades de los gases de combustión 𝜌𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛, 𝜇𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛, 𝐾𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛, 𝐶𝑝𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛, 𝑃𝑟𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑃𝑟𝑠𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛

Paso 8: 𝑇𝑚𝑖 nitrógeno y 𝑃𝑔𝑖 de trabajo (Nitrógeno) Propiedades: 𝑝𝑔𝑖, 𝜇𝑁 𝑘𝑁 , 𝐶𝑝𝑐𝑁 𝑃𝑟 𝑁 .

Metodología para diseñar los intercambiadores de calor caliente y frio, y el regenerador.

Metodología para diseñar un intercambiador de calor caliente

Paso 6: 𝑁𝑢𝐷 𝑁𝑙 (Se asume en primera instancia un numero de filas mayor a 16, es decir un factor de corrección igual a 1, luego será verificado), y .

Paso 7: 𝑁𝑎𝑔𝑢𝑗𝑒𝑟𝑜𝑠, 𝐴𝑟, 𝐷𝑘 , 𝐴𝑘, la 𝑉𝑘 y la 𝑉𝑟 del gas de trabajo.

Paso 9: 𝑅𝑒 del gas interno (Se busca que sea turbulento), el 𝑁𝑢𝑖, se determina el 𝑖 del nitrógeno

Paso 10: 𝑈 total para los fluidos caliente y frio.

Paso 11: �̇�𝑐 de nitrógeno para el sistema.

Paso 12: Se hace balance de masa para determinar el �̇�𝑐 de nitrógeno con el cual está operando el sistema.

1

43

15

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27

El �̇�𝑐 y el �̇�𝑐 con el cual está trabajando el sistema son iguales?

No

Variar 𝐷𝑘 , la 𝐶𝑎𝑟𝑃𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛 o las rpm.

Si

Paso 13: Con la fórmula de

Beale 𝑃 = 𝛽𝑛𝑃𝑚𝑓𝑉𝑝

El sistema está alcanzando la 𝑃 requerida?

No

Si

Paso 14: Se calcula La 𝐴𝑠 𝑚, la 𝐿𝑠 𝑚, 𝑁𝑡, el 𝑁𝐿

Número de filas >16?

No Usar factor de corrección 𝐹 para número de filas < 6

Fin diseño intercambiador de calor

caliente

Se sigue con el intercambiador frio

Metodología para diseñar un intercambiador de calor frio

Paso1: �̇�𝑙 del sistema y 𝑉𝑟 = 𝑉𝑟 𝑁

𝜌𝑁 𝜇𝑁 𝐾𝑁 𝐶𝑝𝑁 𝑃𝑟𝑁

Paso 2: Propiedades del nitrógeno:

Paso 3: Se calcula el 𝑅𝑒𝐷𝑁 , el 𝑁𝑢 𝑁 , el 𝑖 𝑁

Paso 4: Se realiza el balance de energía para fluido interno para determina el �̇� 𝑁 requerido del intercambiador de calor

Paso 5: Se realiza balance de masa para determinar con que �̇� 𝑁 está trabajando el intercambiador de calor

1

Si

44

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43

44

�̇� 𝑁 y �̇� 𝑁 de masa son iguales?

No

Encuentro la 𝑇𝑒 𝑓 del nitrógeno.

Si

Paso 6: 𝑇𝑖 𝑎𝑔𝑢𝑎 y una 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 para el flujo exterior (Agua)

𝑃𝑟 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑃𝑟𝑠 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑎𝑔𝑢𝑎

Paso 7: Propiedades del agua𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝜇𝑎𝑔𝑢𝑎

Paso 8: �̇�𝑎𝑔𝑢𝑎 requerido por el intercambiador,𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎, 𝑉𝑚á𝑥 𝑎𝑔𝑢𝑎 y 𝑅𝑒𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 (Agua)

Paso 9: 𝑁𝑢𝐷 𝑁𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 (En primera instancia se asume numero de filas mayor a 16, es decir se utiliza un factor de corrección igual a 1). Se determina el 𝑎𝑔𝑢𝑎

Paso 10: el 𝑈𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑜,𝐴𝑠 𝑚 𝑓𝑟𝑖𝑜, la 𝐿𝑠 𝑚 𝑓𝑟𝑖𝑜, el 𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠, el 𝑁𝐿 𝑓𝑟𝑖𝑜

Número de filas > 16?

No Usar factor de corrección F para un número de filas < 16. Si

Fin diseño intercambiador de calor frio

Se sigue con el regenerador

Metodología para diseñar un Regenerador

Paso 1: Malla comercial para regenerador.𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎, la Ψ y su 𝐹𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝐿𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜

Paso 2: 𝐷𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 y una 𝐿𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟

Paso 3: 𝐴𝑅𝑒𝑔, el 𝑉𝑣𝑜𝑙 𝑅𝑒𝑔, el 𝑉𝑚, el 𝐴𝐺𝑎𝑠, la 𝑉𝐺𝑎𝑠

Paso 4: A 𝑇𝑚 𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 determino las propiedades del gas nitrógeno. Propiedades a determinar: 𝜌𝑁 𝑟𝑒𝑔, 𝜇𝑁 𝑟𝑒𝑔, 𝑘𝑁 𝑟𝑒𝑔 𝐶𝑝𝑁 𝑟𝑒𝑔, 𝑃𝑟𝑁 𝑟𝑒𝑔

Paso 5: 𝑅𝑒𝑁 𝑟𝑒𝑔, el 𝑁𝑢𝑁 𝑟𝑒𝑔, 𝑁 𝑟𝑒𝑔

Paso 6: 𝑚𝑚, 𝑙, 𝐻, �̇�𝑁 𝑟𝑒𝑔, 𝑍, 𝐶

Paso 7: y el

Paso 8: Se calcula la 𝜂𝑅𝑒𝑔 por medio del diagrama o función de Hausen

45

45

46

5.2 CÁLCULO TEÓRICO DE LAS DIMENSIONES DEL HORNO

Con el fin de obtener las dimensiones adecuadas del horno de biomasa que proveerá el calor útil al motor Stirling para generar electricidad, inicialmente se realiza un análisis elemental del combustible, así como ciertas características físicas del mismo para su mejor aprovechamiento. 5.2.1 Composición elemental del biocombustible. Conociendo las propiedades del combustible, se realiza un balance de masa y energía, esto permite una evaluación teórica del horno, con la cual se busca obtener las características de funcionamiento de este y también su eficiencia44. A continuación, se muestra la composición elemental del biocombustible, que para este caso, se optó por madera:

44 DRº ELECTO SILVA LORA, DRº VLADIMIR R. M. COBAS, MSCº JOSÉ CARLOS ESCOBAR PALACIUS, RAFAEL BERGAMASCO E PAULA. Calculo térmico para uma fornalha para acionamento de um motor Stirling de 9 KW. 4o RELATÓRIO PARCIAL. NEST/UNIFEI-CEMIG, pp. 4 - 19.

Se alcanzo 𝜂𝑅𝑒𝑔

deseada?

No Variar el número de malla, 𝐷𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟,𝐿𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟

Si

Fin diseño del regenerador

46

Tabla 1. Composición elemental de la biomasa (base seca)45 Composición Elemental Biomasa (Base Seca) Tipo Biomasa: Madera Compos. Elem. Desechos Madera (%) C 49 H 5,9 O 40,7 N 2,5 S 0,05 A 1,9 La humedad presente en el combustible, representa una pérdida de calor específico de combustión (por unidad de masa), además de generar otros factores perjudiciales en la operación46. Considerando dicha humedad sobre la base de trabajo como W t=20%; para convertir la composición en base seca a base de trabajo, se multiplica el contenido de cada elemento de la Tabla 1 por la expresión:

=

= (1)

La siguiente tabla muestra la composición en base de trabajo para cada elemento. 45 Basu, 2006 46 ANÍBAL E. BORROTO NORDELO. Ahorro de Energía En Sistemas De Vapor. Universidad de Cienfuegos. Centro De Estudios De Energía Y Medio Ambiente. Editorial Universidad De Cienfuegos Cuba, 2002, pp. 17 - 45.

47

Tabla 2. Composición de la biomasa sobre la base de trabajo Compos. Elem. Biomasa (Base De Trabajo) Tipo De Biomasa: Madera Wt 20 % Humedad 0,8 Compos. Elem. Desechos Madera (%) C 39,2 H 4,72 O 32,56 N 2 S 0,04 A 1,52 PCI (kJ/Kg) 14125,72

5.2.2 Productos de la combustión del combustible sólido.

5.2.2.1 Cantidad de aire estequiométrico. El volumen teórico de aire necesario para quemar completamente 1 kg de combustible para combustibles sólidos y líquidos a 0 ° C y 101,325 kPa puede ser determinado por la ecuación:

= ( ) 6 (2)

En los procesos reales en hornos, no se logra una combustión completa del combustible junto a la cantidad de aire teórica Vao; esto se debe a que no se logra una mezcla perfecta de combustible y aire47. Para esto, se determina el volumen real de aire necesario para lograr una combustión completa, el cual se calcula a partir de la relación entre este con la cantidad de aire teórica, la cual se denomina coeficiente de exceso de aire dada por la siguiente expresión: =

(3)

47 ANÍBAL E. BORROTO NORDELO, Op. cit., p. 39.

48

Para los diferentes tipos de combustibles, el coeficiente de exceso de aire se encuentra en los siguientes rangos (Rodríguez, AD; Rosabal, LB, Martínez, PB 2000)48: Sólidos: 1.15 – 1.3 Líquidos: 1.03 – 1.10

Gaseosos: 1.05 – 1.10 Asumiendo un valor de α = 1,3, se calcula el volumen real de aire por la ecuación anterior: =

(4) 5.2.2.2 Determinación de los volúmenes teóricos de los productos de la combustión. Es importante determinar el volumen de los gases producto de la combustión ya que estos transfieren calor al agua y al aire49; generalmente, los productos de la combustión se componen de: Nitrógeno (N2) proveniente de la composición elemental del combustible y del

aire.

Dióxidos (CO2 y SO2) proveniente de la oxidación del C y S del combustible.

Vapor de agua (H2O) proveniente de la oxidación del H2 del combustible, de la evaporación de la humedad del combustible y del vapor de agua que entra con el aire.

Oxígeno (02) proveniente del aire que se suministra en exceso. El oxígeno proveniente del combustible se considera en el balance de la reacción y por

48 RODRIGUEZ, A.D., ROSABAL, L.B., MARTINEZ, P.B. (2000), Teoría y Práctica de los Procesos de Combustión, Editorial Academia, La Habana, 453p. 49 ANÍBAL E. BORROTO NORDELO, Op. cit., p. 39.

49

ende se tiene en cuenta para calcular el aire teórico, por lo tanto se asume que no queda como oxígeno libre.

Gases producidos por los elementos minerales no combustibles y NOx, H2 y H2S todos importantes en cuanto a la contaminación, pero de volúmenes despreciables50.

Para α = 1, la composición y volumen de los productos de combustión se determina como: Volumen teórico de nitrógeno

:

= (5)

Volumen teórico de los gases triatómicos (CO2 y SO2) : = 66(

) (6) Volumen teórico de vapor de agua

:

= (7)

Volumen teórico de los productos de combustión:

=

(8) Para α > 1, la composición y volumen de los productos de la combustión son: 50 ANDRADE JUAREZ. Metodología para la evaluación de la eficiencia de calderas en el ingenio cuatotolapan. Universidad Veracruzana. Facultad de ingeniería. Coatzacoalcos, Ver. 9 de agosto 2011, pp. 43 - 71.

50

El volumen real de vapor de agua: =

6 ( ) (9)

Volumen real de gases secos: =

6 ( ) (10)

5.2.3 Propiedades de los gases de combustión y del exceso de aire.

5.2.3.1 Poder Calorífico Del Combustible. El poder calorífico de un combustible se define como el calor liberado durante la combustión completa de la unidad de masa del combustible. Se distinguen dos calores de combustión: Poder Calorífico Superior (Bruto), y Poder Calorífico Inferior (Neto)51.

Sabiendo que la oxidación de una unidad de masa de hidrógeno genera nueve unidades de masa de agua, y considerando un calor latente aproximado del agua a presión atmosférica y temperaturas bajas de 2500kJ/Kg, el poder calorífico superior (PCS) para combustibles líquidos y sólidos es52: = ( ) ( ) (11) El poder calorífico inferior (PCI) de un combustible, puede determinarse obteniendo en los productos gaseosos en forma de vapor, el agua producto de la humedad del combustible y del hidrógeno quemado53. Se aplica la ecuación de Mendeliev para combustibles sólidos y líquidos54: = ( ) (12) 51 ANÍBAL E. BORROTO NORDELO, Op. cit., p. 20. 52 Ibíd., p.20. 53 ANDRADE JUAREZ, Op. cit., p. 42. 54 Ibíd., p. 43.

51

5.2.3.2 Peso molecular de los gases de combustión y del aire. Para conocer el peso molecular de los gases de combustión se tiene la siguiente ecuación:

=

(13)

La masa molecular es la suma de las masas de cada elemento que la conforma. Así, la masa molar molecular es la masa de un mol de moléculas y equivale a la masa de un número de Avogadro de moléculas expresado en gramos. El valor numérico de la masa atómica y de la masa molar es igual55. = (14) Dónde: : Masa en kilogramos M: Masa molar N: No. de moles En la TABLA A-1 del libro de TERMODINÁMICA de Cengel Sexta Ed. (Pág. 904) se encuentran los valores de masa molecular para los compuestos de los gases de combustión y para el aire.

55 ANDRADE JUAREZ, Op. cit., p. 47.

52

Tabla 3. Masa molecular de los compuestos de los productos de combustión y del aire56 Compuesto Masa Molecular

(Kg/Kmol) CO2 44.012 SO2 64.89 RO2 108.902 H2O 18.016 N2 28.013 O2 32 Aire 28.97 Con la masa molecular de cada elemento y su volumen, se puede determinar la masa molecular de los gases de combustión. 5.2.3.3 Fracción volumétrica de los productos de combustión.

Fracción volumétrica Nitrógeno: =

(15)

Fracción de volumen del aire: =

(16)

Fracción volumétrica del vapor de agua: =

(17)

56 YUNUS A. CENGEL, MICHAEL A. BOLES. TERMODINÁMICA. Sexta Ed. México. MacGraw-Hill/Interamericana editores, S.A., 2009. 1008p. ISBN 978-970-10-7286-8, 904p.

53

Fracción de volumen de los gases secos triatómicos: =

(18)

La sumatoria de las fracciones volumétricas de los gases triatómicos será: = (19)

5.2.3.4 Densidad de los gases de combustión, vapor de agua y del aire. Se calcula a presión atmosférica de 101.325 kPa y con la constante universal de los gases: Ru: 8.31447 kJ/Kmol*K57.

=

(20)

Dónde: Patm: Es la presión atmosférica a 101.325 (kPa) Mg: Masa molecular de los gases de combustión (Kg/Kmol) Ru: Constante universal de los gases: Ru: 8.31447 (kJ/Kmol*K) Tg: Temperatura de los gases de combustión (K) Al igual que para los gases de combustión, se determina la densidad del vapor de agua y del aire. Para el vapor del agua, se tiene en cuenta sólo la masa molecular del agua (…Ver tabla 3…) a 101, 325kPa y la temperatura de los gases de combustión; para el aire, su masa molecular (… Ver tabla 3…) a la presión atmosférica y a temperatura ambiente (26°C (299K)). 5.2.3.5 Calor específico de los gases de combustión. = (21)

57 ANDRADE JUAREZ, Op. cit., p. 42.

54

Para gases reales, el calor específico a presión constante está en función de la presión y temperatura; sin embargo, se puede despreciar la presión, quedando únicamente en función de la temperatura. El cálculo del calor específico en función de la temperatura, se obtiene mediante la siguiente expresión algebraica58: =

(22) Donde a, b, c y d son valores experimentales que se encuentran en la Tabla A-2 del libro de termodinámica de Cengel Sexta Edición para calor específico a baja presión constante de distintos gases, a diferentes temperaturas59. El calor específico se encuentra en kJ/Kmol*K y la temperatura en K. Se asume una temperatura de 900°C (1173K) a la salida de los gases de combustión, tomando como referencia los valores obtenidos en la tesis de VIDAL MEDINA, JUAN RICARDO sobre ANÁLISIS TEÓRICA DEL MOTOR STIRLING AMAZON CON EL OBJETIVO DE LA OPTIMIZACIÓN DE SU DESEMPEÑO60. Tabla 4. Calores específicos de los gases de combustión Calor Específico Gases Comb. @ 900°C (1173K) Compuesto Cp (kJ(Kmol*K) RO2(CO2+SO2) 104.668 H2O 43,210 N2 33,539 O2 35,582 El calor específico molar de los gases de combustión se obtiene dividiendo por el peso molecular61.

58 ANDRADE JUAREZ, Op. cit., p. 42. 59 YUNUS A. CENGEL, MICHAEL A. BOLES, Op. cit., p. 907. 60 VIDAL MEDINA, Juan Ricardo. Análisis teórica del motor Stirling Amazon con el objetivo de la optimización de su desempeño. Doctorado en Ingeniería. Universidad Federal de Itajubá. Diciembre 2012. 61 ANDRADE JUAREZ, Op. cit., p. 42.

55

=

(23)

5.2.4 Eficiencia del horno. Debido a que se emplea combustible sólido en el horno (biomasa), se determina la eficiencia de este usando el método de balance indirecto, donde se muestran las fuentes de baja eficiencia62. Por medio de un balance térmico se determina las pérdidas de calor en el horno, mediante la medición directa de diferentes parámetros de operación63. = ( ) (24) 5.2.4.1 Pérdida de calor por los gases de salida q2. Esta es causada porque los gases de salida salen a alta temperatura, o sea, una entalpía mayor a la del aire y el combustible de entrada, llevándose consigo una cantidad de calor que no ha podido convertirse en calor útil, hacia el intercambiador de calor que se encuentra a menor temperatura, lo que genera un diferencial de temperatura.

El cálculo de estas pérdidas se determina según la fórmula: =

( )

(25)

Dónde: Vg: Es el volumen real de los gases secos (mt3N/Kg) ρg: Densidad de los gases de combustión (Kg/mt3) Cpg: Calor específico molar de los gases de combustión (kJ/Kg*K) Tg: Temperatura de los gases de salida (K) T1: Temperatura del intercambiador de calor (K) PCIt: P