UTILIZACIÓN DE BIOMASA RESIDUAL SECA PARA CALENTAMIENTO DE AGUA EN LOS HOGARES DOMÉSTICOS

Buenaventura J., Díaz D., Figueroa J.Ingeniería Mecatrónica

Universidad de las Fuerzas Armadas- ESPEAv. General Rumiñahui S/N, Sector Santa Clara - Valle de los Chillos, Sangolquí-Ecuador.

{jmbuenaventura@espe.edu.ec.,dadiaz@espe.edu.ec.,jefigueroa@espe.edu.ec.}

RESUMEN

El presente proyecto nace de la necesidad de obtener fuentes de energía térmica sin recurrir al manejo y utilizando de combustibles fósiles, de esta manera reducir las emisiones tóxicas al ambiente producto de la combustión específicamente del gas licuado de petróleo. Con esta premisa se opta por realizar un biocalefón para calentamiento de agua con capacidad de 12 litros, para elevar la temperatura de este volumen de agua 18°C que es la temperatura que se obtiene desde la red de agua, hasta una temperatura de 60°C considerada para uso diario, prototipo funciona mediante la combustión de biomasa residual seca, para los ensayos se consideraron dos diferentes biomasa las cuales son: césped y hoja de eucalipto para evaluar cuál de ellas produce una mejor combustión y una mejor eficiencia con un mejor consumo de biomasa. Además con el objetivo de modernizar este proyecto se realizó un proceso de obtención de toma de datos digital, de esta manera se tendrán resultados precisos y en tiempo exacto. Finalmente este proyecto concluye con un estudio de factibilidad económica donde se puede ver la rentabilidad de este sistema de calentamiento a largo plazo.

Palabras clave: Energía térmica, combustibles fósiles, biocalefón, biomasa, modernizar.

ABSTRACT

This project stems from the need for thermal energy sources without resorting to the management and use of fossil fuels, thereby reducing toxic to the environment combustion product specifically liquefied petroleum gas emissions. With this premise you choose to do a biocalefón for water heating capacity of 12 liters, to raise the temperature of this water 18 ° C which is the temperature obtained from the network of water to a temperature of 60 ° C considered for daily use, prototype works by burning dry waste biomass, for testing two different biomass which are considered: lawn and eucalyptus leaf to assess which one produces better combustion and better efficiency with better biomass consumption. In addition to this project to modernize the process of obtaining digital data making thus performed accurate results will be accurate and time. Finally this project concludes with an economic feasibility study where you can see the performance of this system of long-term warming.

Keywords: Thermal energy, fossil fuels, furnace, biomass, modernize.

INTRODUCCIÓN

Cuando se habla sobre las formas de entregar la energía calórica correcta a un sistema, el utilizar el vapor es una alternativa muy viable y a la vez sencilla, que puede ayudar a la manufactura de un producto o a su vez para la creación de un entorno aceptable.

Las máquinas que generan vapor se diseñan puntualmente para que produzcan el vapor necesario para cumplir los requerimientos de determinado proceso, también se considera factores de diseño como son confiabilidad, eficiencia y menor costo.

Al considerar la caldera como un volumen de control que es una cantidad de materia o región en el espacio elegido para el análisis en este caso la caldera y cámara de combustión. (Cengel, 2009)

En éste contexto, dentro de lo que es la generación de vapor en el ámbito industrial uno de los equipos que, por lo general, se encuentra presente en la mayoría de los procesos son las calderas, que también tiene gran utilidad en procesos químicos.

En el mercado de la industria, estas máquinas tienen regido su diseño para quemar una amplia gama de combustibles, también para trabajar a regímenes de

1

presión por encima de los 12,4 Mpa (1800 psi) para generar corrientes de vapor de hasta 455000 Kg/h.(Michelena, 2008)

En los casos en donde el vapor producido se lo utiliza como una fuente de energía para turbinas o grandes maquinarias, es necesario que la presión a la que trabaje la caldera sea alta y también por lo general el vapor producido es sobrecalentado.

Con el paso de los años la sociedad ha adquirido dependencia en el consumo de combustibles fósiles, para la generación de energía como un recurso limitado y agresivo en cuanto al impacto ambiental. (Michelena, 2008)

Biocalefón

El "biocalefón" es una estructura de metal con varias cámaras por donde circula aire y agua. Su funcionamiento es simple y la explicación de su eficacia está en el intercambio de calor y la producción mínima de gases contaminantes.

Con un ventilador se ingresa aire frío a una cámara que es calentada con fuego. El aire frío se calienta y eleva la temperatura al agua contenida en un tanque. El calor del agua sirve a su vez para secar la materia orgánica o biomasa que servirá luego como combustible para el fuego. (Guasumba, 2009)

Fig 1. Biocalefón Continuo de agua (Juan, 2014)

Biomasa

Se refiere a la biomasa (útil) en términos energéticos formales: las plantas transforman la energía radiante del Sol en energía química a través de la fotosíntesis, y parte de esa energía química queda almacenada en forma de materia orgánica; la energía química de la biomasa puede recuperarse quemándola

directamente o transformándola en combustible.(Guasumba, 2009)

AUTOMATIZACIÓN PARA EL PROCESO DE TOMA DE DATOS

INSTRUMENTACIÓN

Para la parte de toma de datos del proceso de combustión de biomasa, se utilizó termocuplas tipo J con acondicionadores de señal AD594 para eliminar ruidos y acondicionar la señal procedente de la termocupla y un arduino para procesar éstas señales y realizar la programación necesaria para obtener los datos de temperatura de forma automática en un ordenador. (Juan, 2014)

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

Debido a que el funcionamiento de las termocuplas tipo J se basa en generar un voltaje pequeño en sus dos terminales, muchas veces se ve afectado por agentes externo como el ruido que distorsionan la señal y ésta no puede ser recibida correctamente por el controlador, también debido a su pequeño voltaje, la señal debe ser acondicionada para que ingrese al controlador de forma correcta y se tenga una buena lectura de señal. Para acondicionar esta señal se utiliza amplificadores señal, eliminan ruido exterior entre otras ventajas como linealización de señales y precisión de datos. (Juan, 2014)

Fig 2. Diagrama de amplificación AD-594 (Juan, 2014)

CONTROL DE SEÑALES Y PROGRAMACIÓN

Con el acondicionamiento realizado se puede enviar las señales al controlador para la programación.

2

Fig 3. Conexiones Sensor-Acondicionador (Juan, 2014)

MATERIALES

1. Biocalefón continuo de agua.2. Arduino tipo uno3. Amplificadores AD 5944. Termocuplas transfer type tipo J5. Laptop Toshiba 6. Electric Blower 3’’ 7. Hojas de eucalipto 4 Kg8. Césped 4 kg

MÉTODOS

La prueba de calentamiento de agua se realiza de la siguiente manera.

Verificar el estado operacional de los sensores para la adquisición de datos. Activar el programa computacional. Alimentar la cámara de combustión con biomasa, iniciar la combustión. Encender el compresor de aire para generar una relación aire combustible correcta para combustión. Una vez generada la combustión se toma datos del proceso con lapsos de tiempo de 1 minuto entre cada toma. Cuando el agua alcanza la temperatura requerida se abre la válvula de salida. Abrir la válvula de entrada de agua para repetir el proceso.

RESULTADOS

Una vez listo el equipó se procedió a tomar los datos siguiendo un orden que permita evaluar dos diferentes tipos de biomasa utilizada, también se

realizó réplicas para cada uno de éstas combinaciones de datos para evitar la sesgadura de los mismos para encontrar con que biomasa se obtiene un calentamiento más eficiente al evaluar la masa total real de biocombustible utilizada y el tiempo requerido para el calentamiento del agua. La humedad medida con el higrómetro del césped es 15% y la de las hojas de eucalipto es 8%

Tabla 1: Reporte 1 de Datos tomados

ENSAYO 1BIOMASA MASA (kg) TIEMPO

(min)T SALIDA DE AGUA MAX °C

HOJA DE EUCALIPTO

1.4 8 50

CÉSPED 1.4 13 49

Tabla 2: Reporte 2 de Datos tomados

ENSAYO 2BIOMASA MASA (kg) TIEMPO

(min)T SALIDA DE AGUA MAX °C

HOJA DE EUCALIPTO

1.5 9 55

CÉSPED 1.5 14 50

Tabla 3: Datos tomados de Césped

TIEMPO (min)

SALIDA DE AGUA (°C)

0 271 272 283 284 285 296 317 358 369 36

10 3711 38

3

12 4413 5114 50

Tabla 4: Datos tomados de hojas eucalipto

TIEMPO(min)

SALIDA DE AGUA

(°C)0 331 342 353 344 335 346 397 468 539 55

Tabla 5: Análisis de los resultados

BIOMASA PODER CALORÍFICO

(KJ)

Q SALIDA(KJ)

EFICIENCIA COMBUSTIÓN

(%)HOJA DE

EUCALIPTO30.1248 4.521 15.001

CÉSPED 28.242 4.447 15.748

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Con la obtención de los datos obtenidos se puede ver el comportamiento de la temperatura respecto el tiempo.

Para este caso nos enfocamos en la Tabla 3 y Tabla 4.

0 2 4 6 8 10 12 14 160

10

20

30

40

50

60

f(x) = 0.00498575498575503 x³ + 0.0283793004381229 x² + 0.385402451578929 x + 26.7173202614379

CéspedT salida agua vs Tiempo

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(ºC)

Fig 3. Análisis comparativo de velocidad de calentamiento respecto al tiempo

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

10

20

30

40

50

60

f(x) = 0.0205905205905206 x³ + 0.229603729603729 x² − 1.18259518259518 x + 34.2083916083916

Hojas de EucaliptoT salida agua vs Tiempo

Tiempo (min)

Tem

pera

tira (

ºC)

Fig 4. Análisis comparativo de velocidad de calentamiento respecto al tiempo

DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

Al comparar los resultados obtenidos con la hoja de eucalipto y el césped, se puede observar en la Tabla 5, se alcanza la mayor eficiencia de 15.748% cuando se combustiona césped, se aprecia que con el césped logra de alguna manera alcanzar la temperatura requerida para el agua en un tiempo extenso y cuando se combustiona las hojas de eucalipto resulta que logra alcanzar una mejor temperatura y en menos tiempo, esto se debe a que su poder calórico es mayor. Al analizar las cantidades de biomasa requerida de la Tabla 1 y Tabla 2 para el calentamiento del volumen requerido de agua se observa que las masas requeridas del césped y hoja de eucalipto son las mismas para que así no haya variación de estas en cuanto a masa se refiere.

4

Al analizar la Tabla 5 se observa que la eficiencia en general de los de los dos tipos de biomasas utilizadas son considerablemente bajas, para poder entender el motivo se debe entender que la variación de la temperatura de entrada y salida de los gases de combustión es pequeña esto significa que la cantidad de calor que estos gases transmiten al caldero es pequeña respecto a la cantidad de energía calórica generada por el combustible, al no transferir suficiente energía al caldero los gases salen del mismo a altas temperaturas hacia la atmosfera sin aprovechar su temperatura lo que genera las bajas eficiencias del sistema.

VENTAJAS

-Las biomasas son útiles en muchas aplicaciones como motores de combustión, turbinas de gas, hornos y calderas, estufas domésticas.

-Las biomasas son fuentes renovables de energía

-Las biomasas no contribuye a acelerar el calentamiento global.

-Las biomasas no contribuyen a la lluvia acida

-El eucalipto posee mayor poder calórico

-El césped existe en abundancia

DESVENTAJAS

-Deforestar un bosque natural para introducir plantaciones de biomasa es muy negativo para el -medio ambiente.

-Baja densidad relativa de energía, mucha materia para producir poca energía

-Su combustión incompleta produce materia orgánica, monóxido de carbono (CO) y otros gases.

-La producción y el procesamiento de la biomasa pueden requerir importantes insumos, como combustible para vehículos y fertilizantes, lo que da como resultado un balance energético reducido en el proceso de conversión.

-El potencial calórico de la biomasa es muy dependiente de las variaciones en el contenido de humedad, clima y la densidad de la materia prima.

CONCLUSIONES

Al utilizar un sistema de calentamiento de agua de un solo paso de gases de combustión se generan pérdidas en el proceso de calentamiento de agua, lo que produce eficiencias bajas que fluctúan entre 8 y 20% debido a que los gases cumplen un corto recorrido dentro de los tubos, lo que produce una variación de temperatura pequeña por lo cual tampoco producen una buena transferencia de calor y por ende una baja eficiencia.

Dentro de las biomasas estudiadas, la hoja de eucalipto es de mayor eficiencia al generar el calentamiento necesario de 55°C en un tiempo de 9 minutos y un consumo de biocombustible de 1.5 Kg.

La hoja de eucalipto cumple con entregar la temperatura necesaria, con tiempos de calentamiento menores al del césped, pero su calor de reacción es mayor, esto hace que este biocombustible no sea tan eficiente dentro del proceso de calentamiento de agua.

RECOMENDACIONES

Dejar secar con anticipación las biomasas para obtener resultados correctos, Limpiar correctamente la cámara de combustión del biocalefón antes de cada prueba.

Cerrar muy bien la puerta principal de la cámara de combustión ya que puede existir una fuga de energía.

Verificar que las termocuplas estén muy bien conectadas al arduino, para que así no existan errores en los datos tomados.

BIBLIOGRAFÍA

Cengel, Y. (2009). Transferencia de calor. McGraw Hill.

5

Incropera. (2006). Fundamentos de la transferencia de calor. Prentice Hall.

Juan, O. I.-G. (2014). Optimizacion de un biocalefon de 12 litros. Sangolqui: ESPE.

Michelena. (2008). Los Biocombustibles. Madrid: Mundi-Prensa.

Ortega. (2000). Energía renovable. Paraninfo.

Cengel. (2009). Termodinámica. Mc Graw Hill.

ANEXOS

Fig 6. Arduino Numero 1

Fig 7. Electric Blower 3 pulg

Fig 8. Humedad del Pasto

Fig 9.Humedad Hojas Eucalipto

6

Fig 10. Conexiones Termocuplas-Arduino

Fig 11. Cámara de combustión

Fig 12. Conexión Termocuplas-Arduino

Fig 13. Pesaje de hojas de Eucalipto

Fig 14. Biomasa en cámara de combustión

Fig 15. Iniciar Combustión

7

Fig 16. Fuga de gas

Fig 17. Toma de Datos

Fig 18. Salida de gas

Fig 19. Salida de gas y toma de datos

8

Fig 20. Ceniza de hojas de eucalipto

Fig 21. Pesaje de Pasto

Fig 22. Biomasa en cámara de combustión

Fig 23. Salida de gas

9

Cálculos:

Humedad del Césped: 15%

Humedad de las Hojas de eucalipto: 8%

Masa césped: 1.5 kg

Masa hoja eucalipto: 1.5 kg

PChojaeucalipto=4.800 (Kcal/kg)

PCcésped=4.500 (Kcal/kg)

PChojaeucalipto=4.800

KCalkg

∗4.184 J

1Cal∗1.5Kg

PoderCalorificohojaeucalipto=30.1248KJ

PoderCalorifico césped=4.500

KCalkg

∗4.184 J

1Cal∗1.5Kg

PoderCalorifico césped=28.2420KJ

Ƞ=WQ¿

=QutilQ¿

Hoja de eucalipto:

Q¿=30.1242KJ

C p=4.18KJ

Kg∗° K

mv=0.0035Kg

∆T=36 ° C=309 ° K

Qout=m∗Cp∗∆T=4.521KJ

Ƞ=QoutQ¿

= 4.521301242

∗100=15.001%

Eficiencia césped:

Q¿=28.242KJ

C p=4.18KJ

Kg∗° K

mv=0.0035Kg

∆T=31 °C=304 ° K

Qout=m∗Cp∗∆T=4.447KJ

Ƞ=QoutQ¿

= 4.44728.242

∗100=15.748%

10

DATOS OBTENIDOS:

HOJAS DE EUCALIPTO

TIEMPO

ENTRADA DE AGUA (°C)

SALIDA DE AGUA(°C)

AGUA CALDERO(°C

)ENTRADA DE

GAS(°C)SALIDA DE

GAS(°C)0 20 33 33 10 981 20 34 32 11 912 21 35 32 113 953 22 34 30 298 2844 20 33 35 370 3085 21 34 34 380 3926 19 39 42 377 3807 20 46 46 379 3958 20 53 49 336 2639 23 55 54 252 203

CÉSPED

TIEMPO

ENTRADA DE AGUA(°C)

SALIDA DE AGUA(°C)

AGUA CALDERO(°C)

ENTRADA DE GAS(°C)

SALIDA DE GAS(°C)

0 19 27 25 62 491 19 27 25 61 482 19 28 24 62 873 20 28 25 127 954 20 28 25 154 1005 20 29 32 159 1056 20 31 33 163 1037 21 35 36 167 1078 22 36 36 151 1099 23 36 35 153 120

10 23 37 35 225 13511 25 38 48 377 38012 29 44 50 377 37713 28 51 51 381 36714 18 50 52 399 294

11

0 2 4 6 8 10 12 14 160

50100150200250300350400450

Entrada de Gas

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(ºC)

0 2 4 6 8 10 12 14 160

50

100

150

200

250

300

350

400

Salida de Gas

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(ºC)

12

0 2 4 6 8 10 12 14 160

5

10

15

20

25

30

35

Entrada de Agua

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(ºC)

0 2 4 6 8 10 12 14 160

10

20

30

40

50

60

Agua Caldero

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(ºC)

0 2 4 6 8 10 12 14 160

10

20

30

40

50

60

Salida de Agua

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(ºC)

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