INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA DEPARTAMENTO DE METAL-MECÁNICA

Re-diseño del sistema de admisión de un motor-generador de alto desempeño para la generación de electricidad por la combustión de biogás

con aire enriquecido con oxígeno

PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN QUE PRESENTA

Quiroz Ambriz Pedro Alejandro

Moisés García Monroy

Mayo 2014

I

CONTENIDO

RESUMEN……………………………………………………………………………. iii

OBJETIVOS……………………………………………………………………..........iv

JUSTIFICACION…………………………………………………………………….v

MARCO TEÓRICO

I.- ASPECTOS BASICO DEL BIOGÁS…………………………………………….. 1

1.1 Biogás…………………………………………………………………………11.2 Características del biogás…………………….……………………………… 2 1.2.1 Metano……………………………..…………………………………. 21.3 Potencial energético y aprovechamiento del biogás……………………….… 3 1.3.1 Usos del biogás……………………………..………………………….. 31.4 Comparación del biogás con otros gases…………………………………….. 4

II.- CONCEPTOS SOBRE COMBUSTIÓN…………………………………………. 5

2.1 Combustibles y combustión…………………………………………………… 5

III.- PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES…………………………………… 8 IV.- PROPIEDADES DE COMBUSTION……………………………………………10

4.2Procesos de combustión teórica y real……………………………………….. 114.2 Combustión con aire enriquecido…………………………………………… 12

V.- CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE BIOGÁS………………………………………………………………………………… 14

5.1 Regulador dosificador………………………………….………………………145.2 Mezclador……………………………………………………….………………15

METODOLOGIA…………………………………………..……………………………16

CRONOGRAMA………………………………………………………………………. 23

COSTOS ESTIMADOS……………………………………….……………………….. 24

REFERENCIAS……………………………………………….……………………….. 25

ii

RESUMEN

En este proyecto se abordara la metodología del rediseño del sistema de alimentación del combustible aplicado en un motor generador de alto rendimiento (encendido por chispa, diseñado para trabajar con gasolina). La modificación del sistema de alimentación permitirá que el motor logre trabajar con biogás y lograr generar electricidad por medio de la combustión de biogás enriquecido con oxígeno.

Primero lo que se va a realizar es un estudio sobre la literatura del enriquecimiento de oxígeno a combustibles de baja poder calorífico a partir de las conclusiones del estudio se realizara el análisis de las reacciones estequiométricas del proceso de combustión de la mezcla enriquecida con oxígeno para obtener el porcentaje teórico a utilizar durante el proyecto de la mezcla del combustible.

Para lograr generar electricidad en un motor diseñado para trabajar con gasolina es necesario cambiar el sistema de alimentación del motor. Por lo tanto a partir de los parámetros del análisis estequiométrico de la mezcla se realizara la selección e implementación de los mecanismos de admisión existentes en el mercado, para finalizar se realizara la regulación automática del flujo másico (caudal, biogás-oxigeno-aire) mediante la modificación de los mecanismos de admisión del combustible. La modificación se realizara a partir de las ecuaciones fundamentales de la física, mecánica de fluidos y los gases ideales, aplicados principalmente al regulador de presiones y al mezclador aire biogás permitiendo obtener energía eléctrica a partir de la combustión de biogás enriquecido con oxígeno en un motor.

iii

OBJETIVO GENERAL

Generar electricidad por medio de la combustión de biogás con aire enriquecido con oxígeno mediante la modificación del sistema de alimentación en un motor-generador de alto desempeño encendido por chispa.

OBJTIVOS ESPECÍFICO

1. Realizar un estudio de la literatura de las características de combustión de combustibles enriquecidos con oxígeno. Permitiendo saber si se mejoran las características como combustible del biogás con la técnica antes planteada.

2. Analizar las reacciones estequiométricas del biogás con aire normal y con aire enriquecido con oxígeno.

3. Realizar un estudio comparativo entre las propiedades de combustión con aire normal y con aire enriquecido con el fin de obtener la mezcla idealizada de biogás-oxígeno.

4. Realizar la selección de un motor-generador.

5. Realizar la selección de los mecanismos de admisión existentes en el mercado.

6. Regular los mecanismos de admisión para lograr la mezcla idealizada con aire enriquecido.

7. Implementar los mecanismos de admisión biogás-oxígeno al motor generador, para lograr que el motor trabaje con biogás.

8. Incrementar las propiedades del biogás como combustible y alcanzar niveles altos de eficiencia en la combustión.

9. Generar electricidad por el aprovechamiento de biogás enriquecido con oxígeno.

iv

JUSTIFICACION

El biogás utilizado como combustible presenta una baja densidad de energía en base volumétrica, su velocidad de deflagración es menor comparada con otros gases como gas licuado del petróleo y gas natural. Estas diferencias se presentan debido a que la presencia de CO2 en el biogás ocasiona efectos térmicos y cinéticos que afectan las propiedades de combustión del biogás, ocasionando que se disminuyan las posibilidades de aplicación como combustible en diferentes tecnologías. En la actualidad la generación de energía eléctrica con biogás se emplea en turbinas y motores de combustión interna diseñados específicamente a las características del biogás, el cual es un gas de bajo poder calorífico y composición química que se separa de la habitual en combustibles de física similar como el gas natural. Actualmente estas tecnología son muy costosas (estudio SAGARPA) [1], por lo tanto empresas o granjas que generan biogás al no contar con el capital necesario para adquirir los dispositivos especializados para la combustión del biogás suelen desaprovechar este valioso recurso.

Por lo antes mencionado lo que se plantea es el rediseño de los mecanismos de admisión en un motor-generador encendido por chispa, dicho rediseño permitirá la admisión del combustible al motor logrando aprovechar biogás en un equipo más redituable. El rediseño se realizara por la modificación de los mecanismos de admisión a partir de las ecuaciones fundamentales de la física, mecánica de fluidos y los gases ideales, aplicados principalmente al regulador de presiones y al mezclador de biogás con aire enriquecido. El enriquecimiento del biogás con oxígeno se pretende realizar ya que es una técnica para mejorar las características de combustión de combustibles con baja densidad energética y baja velocidad de deflagración laminar.

v

ASPECTOS BASICOS DEL BIOGAS

I.- ASPECTOS BASICO DEL BIOGAS

1.1 BIOGAS

El término biogás incluye una mezcla de gases producidos a lo largo de las múltiples etapas del proceso de descomposición de la materia orgánica y en las que intervienen una población heterogénea de microorganismos. Fundamentalmente el biogás está compuesto por metano y dióxido de carbono, mezclado en menor proporción con distintas gases.

COMPUESTOS DEL BIOGÁS %

Metano, CH4……………………………………… 50 - 75 Dióxido de carbono, CO2 ……………….……...….25 - 45 Vapor de agua, H2O……………………………..….1 - 2 Monóxido de carbono, CO………………………… 0 - 0,3 Nitrógeno, N2 …………………………………....…..1 - 5 Hidrógeno, H2 ………………………….………..…...0 – 3 Sulfuro de hidrógeno, H2S …………….………….….0,1 - 0,5 Oxígeno, O2 ……………………………………..…....0,1- 1,0 [2]

Como se puede apreciar el metano es el principal componente del biogás y su baja densidad de 0,7 kg/m3 en condiciones normales, le hace más ligero que otros gases como el propano y butano, por lo que no se acumula a ras del suelo, disminuyendo los riesgos de explosión.

1.2 CARACTERISTICAS DEL BIOGAS

Entre más largo es el tiempo de retención (en los biodigestores), más alto es el contenido de metano, y con esto el poder calorífico. Con tiempos de retención cortos el contenido de metano puede disminuir hasta en un 50%.Con un contenido de metano mucho menor del 50%, el biogás deja de ser inflamable. El primer gas de una planta recién cargada contiene muy poco metano, por esa razón el gas producido en los primeros 3 a 5 días se debe dejar escapar sin utilizarlo.

El contenido de metano depende de la temperatura de fermentación. Con bajas temperaturas de fermentación se obtiene un alto porcentaje de gas metano, pero las cantidades de gas son menores.

El porcentaje de metano depende del material de fermentación, alcanzando los siguientes valores aproximadamente:

1

ASPECTOS BASICOS DEL BIOGAS

Estiércol de gallina 60% Estiércol de cerdo 67% Estiércol de establo 55% Pasto 70% Desperdicios de cocina 50% [3]

El metano, principal componente del biogás, es el gas que le confiere las características combustibles al mismo

1.2.1 EL METANO

El metano es el principal componente del biogás, y le confiere la capacidad calorífica que este tiene. El valor energético del biogás, por lo tanto, estará determinado por la concentración de metano el cual es alrededor de 20 a 25 MJ/m3, comparado con el gas natural que tiene de 33 a 38 MJ/m3. [4]

El metano, químicamente, está compuesto por un carbono ligado a cuatro hidrógenos (CH4). Es una molécula no polar, ya que sus elementos se neutralizan entre sí. Por ser una molécula muy pequeña la fuerza de atracción es pequeña. Esto hace que estas fuerzas de atracción sean vencidas con facilidad por la energía térmica, de modo que la fusión y la ebullición se producen a temperaturas muy bajas (p.f. -183ºC, p.e.-161.5ºC). En consecuencia, el metano es un gas a temperatura ambiente.

La combustión de este hidrocarburo sólo se efectúa a temperaturas elevadas, como las que proporcionan una llama o una chispa. Sin embargo, una vez iniciada, la reacción desprende calor, que es suficiente para mantener la temperatura alta y permitir que la combustión continúe. La cantidad de calor que se genera al quemar un mol de un hidrocarburo a dióxido de carbono y agua se llama calor de combustión: para el caso del metano, el calor de combustión es de 213 Kcal [5].

1.3 POTENCIAL ENERGÉTICO Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS

El biogás como se ha venido describiendo es un gas combustible cuya composición depende fundamentalmente del tipo de sustrato utilizado y digerido en el proceso, y su alta concentración en metano, de elevada capacidad calorífica (5.750 kcal / m3), le confiere características combustibles ideales para su aprovechamiento energético en motores de cogeneración, calderas, turbinas, pudiendo por tanto generar electricidad, calor o ser utilizados como bio-carburantes.

De manera aproximada, se puede constatar que el gas natural tiene un contenido en CH4 del 100%. Por lo tanto, se podría decir que 1 m3 de biogás equivale a la energía de 0,65 m3de gas

2

ASPECTOS BASICOS DEL BIOGAS

natural (suponiendo que el biogás tiene una riqueza media en metano del 65%). Por otra parte, la cantidad de CH4 necesaria para obtener 10 kWh de energía total es de 1 m3de metano aproximadamente. Si además, el rendimiento eléctrico de un motor es del 40 –45%, se puede concluir que 1 m3 de biogás puede llegar a producir 2,8 kWh de energía eléctrica renovable. [6]

1.3.1 USOS DEL BIOGÁS

Como ya se ha señalado, el biogás es un gas combustible que puede aprovecharse energéticamente en motores de cogeneración, calderas, turbinas, pudiendo por tanto generar electricidad, calor o ser utilizados como bio-carburantes. Así mismo, también puede ser inyectado el biogás depurado en la red de gas. Cuando la concentración de sulfuro de hidrógeno en el biogás supera las 200 ppm, debe ser sometido a un proceso previo de lavado antes de ser utilizaos como combustibles. Ello se produce fundamentalmente cuando se utilizan estiércoles y purines en el proceso de digestión y por tanto se deberán tener en cuenta los correspondientes costes de pre-tratamiento a la hora de efectuar los estudios económicos de rentabilidad de las instalaciones.

El aprovechamiento energético más habitual del biogás es en el motor de cogeneración, mediante el cual se obtienen unos rendimientos en energía eléctrica de entre el 35 y el 40% y en energía térmica de entre el 30 y el 40%. La energía eléctrica puede entregarse a la red eléctrica, recibiéndose a cambio una remuneración económica.

Para el caso del biogás agroindustrial, especialmente cuando se usan como sustratos los estiércoles, una alta proporción de la energía térmica producida (entre el 40% y el 80%) se auto consume para alcanzar y mantener la temperatura mesófila o termófila del proceso de digestión. El excedente térmico puede destinarse a distintos usos (calefacción, agua caliente sanitaria, secado, invernaderos, producción de frío, etc.)

1.4 COMPARACION DEL BIOGAS CON OTROS GASES

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ASPECTOS BASICOS DEL BIOGAS

El biogás es un poco más liviano que el aire y posee una temperatura de inflamación de alrededor de los 700 º C (Diésel 350 º C, gasolina y propano cerca de los 500 º C).La temperatura de la llama alcanza 870 º C.

La siguiente tabla 1.1 nos presenta una comparación del poder calorífico del biogás con otros combustibles.

[7]

4

CONCEPTOS SOBRE COMBUSTION

II.- CONCEPTOS SOBRE COMBUSTIÓN

La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. Es característica de esta reacción la formación de una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que está en contacto con la sustancia combustible. La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxígeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente más habitual. La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas entre las cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma genérica productos, humos o gases de combustión.

2.1. COMBUSTIBLES Y COMBUSTION

Cualquier material que puede quemarse para liberar energía recibe el nombre de combustible. La mayoría de los combustibles conocidos se componen principalmente de hidrogeno y carbono. Reciben el nombre de combustibles hidrocarburos y carbono. Reciben el nombre de combustibles hidrocarburos y se denotan por la forma general CnHm. Los combustibles hidrocarburos existen en todas las fases y alguno son el carbono, la gasolina y el gas natural.

Aunque los combustibles hidrocarburos líquidos son mezclas de muchos hidrocarburos diferentes, por conveniencia suelen considerarse como un solo hidrocarburo; por ejemplo el fas natural, que es una mezcla de metano y cantidades más pequeñas de otros gases, algunos veces se trata como metano CH4 por simplicidad (como será el caso del biogás),

En una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera una gran cantidad de energía recibe el nombre de combustión. El oxidante empleado con mayor frecuencia en los procesos de combustión es el aire. El oxígeno puro, se emplea como oxidante solo en algunas aplicaciones especializadas, como el corte y la soldadura, donde no se puede emplear aire. En base molar o volumétrica, el aire seco está compuesto por 20.9 % de oxígeno, 78.1 % e nitrógeno y .9% de argón y pequeñas cantidades de dióxido de carbono, helio, neon y hidrogeno. En el análisis de los procesos de combustión, el argón en el aire se toma como nitrógeno, en tanto que los gases que existen en cantidades muy pequeñas se descartan. De modo que el aire seco puede considerarse aproximadamente como el 21 % de oxígeno y 79 % de nitrógeno en números molares. Por consiguiente cada mol de oxígeno que entra a la cámara de combustión será acompañado por .79/.21=3.76 mol de nitrógeno es decir.

1 kmol O2 + 3.76 Kmol N2 = 4.76 Kmol aire - Ecuación 2.1- [8]

Durante la combustión, el nitrógeno se comporta como gas inerte y no reacciona con otros elementos químicos más que para formar una pequeña cantidad de óxidos nítricos. A pesar de esto, la presencia de nitrógeno influye considera mente en el resultado de un proceso de combustión, pues el nitrógenos suele entrar a una cámara de combustión en grandes cantidades a temperaturas bajas, y salir a temperaturas considerablemente altas, absorbiendo una gran proporción de la energía química liberada durante la combustión.

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CONCEPTOS SOBRE COMBUSTION

El aire entra a una camba de combustión contiene algo de vapor de agua (o humedad), que también es digno de consideración. En casi todos los procesos de combustión puede tratarse como un gas inerte, como nitrógeno. Sin embargo a temperaturas muy altas un poco de vapor de agua se descompone en h2 y o2, así como en H, O y OH. Cuando los gases de combustión se enfrían por debajo de la temperatura de punto de roció el vapor de agua una parte de la humedad se condensa. Es importante predecir la temperatura de roció debido a que las gotas de agua suelen combinarse con el dióxido de azufre que puede estar presente en los gases de combustión, formando ácido sulfúrico el cual es muy corrosivo.

Durante un proceso de combustión los componentes que existen antes de la reacción reciben el nombre de reactivos, y los componentes que existen después de la reacción se denominan productos.

Debe mencionarse que poner un combustible en estrecho contacto con el oxígeno no es suficiente para iniciar la combustión. El combustible debe llevarse arriba de su temperatura de ignición para iniciar la combustión. “Las temperaturas mínimas de ignición mínima aproximadamente de varias sustancias del aire atmosférica son 260 c para la gasolina, 400 c para el carbón y 630 para el metano” [9]. Además las proporciones del combustible y del aire deben estar en un nivel adecuado para que comience la combustión. Las ecuaciones químicas se balancean en el principio de la conservación de la masa, que se enuncia como sigue: la masa total de cada elemento se conserva durante una reacción química. Es decir la masa total de cada elemento en el lado derecho de la ecuación de la reacción(los productos) debe ser igual a la masa total de ese elemento en el lado izquierdo(los reactivos) aun cuando los elementos existan en compuestos químicos diferentes en los reactivos y los productos.

Una cantidad utilizada frecuentemente en el análisis de procesos de combustión para cuantificar las cantidades de combustibles y aire es la relación aire-combustible, AC. Suele expresarse en una base de masa y se define como la relación entre la masa del aire y la masa del combustible en el proceso de combustión. Es decir.

AC= m aire / m combustible - Ecuación 2.2-

La masa m de una sustancia se relaciona con el número de moles N por medio de la relación m=NM donde M es la masa molar. la relación aire-combustible puede expresarse también de en una base molar del combustible.

De acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustión, estas pueden ser de distintos tipos:

a) Combustión completa: ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el máximo grado posible de oxidación. En este caso no habrá presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción.

b) Combustión incompleta: se produce cuando no se alcanza el grado máximo de oxidación y hay presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de la reacción.

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CONCEPTOS SOBRE COMBUSTION

c) Combustión estequiométrica o teórica: Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad mínima de aire para que no existan sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión no hay presencia de oxígeno en los humos, debido a que este se ha empleado íntegramente en la reacción.

d) Combustión con exceso de aire: Es la reacción que se produce con una cantidad de aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la combustión tiende a no producir sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión es típica la presencia de oxígeno en los gases de combustión. La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso.

e) Combustión con defecto de aire: Es la reacción que se produce con una menor cantidad de aire que el mínimo necesario. En este tipo de reacción es característica la presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de reacción. [10]

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PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES

III.- PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES Las propiedades más características de un combustible son las siguientes: Composición Conocer la composición de un combustible es muy importante para poder determinar los parámetros característicos estequiométricas de la reacción de combustión y conocer si en el existen sustancias que puedan tener importancia posterior en cuanto a la contaminación o nocividad de los productos de reacción. La forma más común de indicar la composición de un combustible gaseoso es como porcentaje en volumen de cada uno de sus componentes en condiciones normales. Para un combustible gaseoso tipo hidrocarburo, la fórmula general es:

CmHn + [( 4m + n)/4]O2 ....................... m CO2 + (n/2) H2O -Ecuacion 3.1- Poder Calorífico El poder calorífico (PC) de un combustible es la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad empleada de combustible (Kg, Kmol, m3) De acuerdo a como se expresa el estado del agua en los productos de reacción se puede dividir en: • Poder calorífico Superior (PCS): Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en forma líquida a 0 ºC y 1 atm. • Poder calorífico Inferior (PCI): Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa de la unidad De combustible con el agua de los humos en estado de vapor. Viscosidad La viscosidad tiene gran importancia en los combustibles líquidos a efectos de su almacenamiento y transporte. Su determinación es experimental y los valores típicos se encuentran tabulados para los distintos combustibles industriales líquidos. Densidad Generalmente se determina experimentalmente y para el caso de los combustibles gaseosos se utiliza la densidad relativa al aire. En la práctica es muy importante conocer este parámetro para saber si el gas combustible se acumula en el techo o en el suelo, en caso de una fuga en un local cerrado.

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PROPIEDEADE DE LOS COMBUSTIBLES

La densidad absoluta del aire en condiciones normales es de 1,293 kg/m3 Para los combustibles líquidos, en forma aproximada se puede utilizar la siguiente fórmula: Límite de inflamabilidad Esta propiedad es característica a los combustibles gaseosos y establece la proporción de gas y aire necesaria para que se produzca la combustión, indicando un límite superior y uno inferior. Punto de inflamación Para que una reacción de combustión se produzca, la mezcla de combustible y comburente debe alcanzar una temperatura mínima necesaria, que recibe el nombre de punto de inflamación. El punto de inflamación depende del comburente, por lo que su valor no es el mismo si se utiliza oxígeno o aire. Una vez iniciada la reacción, el calor mantendrá la temperatura por encima de la inflamación y la reacción continuara hasta agotarse el combustible. Otra temperatura importante es la temperatura de combustión o de llama máxima, que se alcanza en la combustión.

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PROPIEDADES DE COMBUSTION

IV.- PROPIEDADES DE COMBUSTION

Para el estudio y aplicación de los combustibles gaseosos es indispensable identificar algunas propiedades volumétricas y másicas que resultan importantes para su análisis, como conocer acerca de la disponibilidad energética por cantidad de combustible, de las condiciones para que ocurra la combustión, de los requerimientos de aire para tener una combustión completa y de la cantidad y composición de productos de combustión. Estos requerimientos pueden ser fácilmente determinados cuando se conocen las propiedades de combustión de la mezcla combustible – comburente utilizada, de ahí la importancia de este tema en la ingeniería de combustión ya que con estas propiedades se pueden saber la disponibilidad energética por cantidad de combustible, las condiciones para que ocurra la combustión, los requerimientos de aire para una combustión completa y la cantidad y composición de los productos de combustión. Es importante mencionar que el cálculo de las propiedades de combustión se basa en las siguientes suposiciones:

a. La combustión del combustible y el comburente es estequiométricab. El oxígeno se toma del aire atmosférico y éste se considera secoc. El combustible está en fase gaseosa, éste y el aire se consideran gases ideales

A continuación se realiza una breve descripción de cada una de estas propiedades.

Volumen estequiométrico de aire (Va)Es el volumen normal o estándar de aire requerido para quemar estequiométricamente 1 m3 normal o estándar de gas combustible.

Volumen de humos húmedos (Vhh)Es el volumen total de humos, normal o estándar, producido por la combustión de un m3 normal o estándar de gas combustible; se expresa en m3 normales o estándar de humos húmedos/m3 normal o estándar de gas.

Volumen de humos secos (Vhs)Es el volumen de humos secos, normal o estándar, producido por la combustión estequiométrica de un m3 normal o estándar de gas combustible. No se tiene en cuenta el agua producida; se expresa en m3normales o estándar de humos secos/m3 normal o estándar de gas.

Porcentaje máximo de CO2

Es la relación entre el volumen de CO2 y el volumen de humos secos en porcentaje; en condiciones de combustión estequiométrica este valor es máximo.

Temperatura de rocío (TR)La combustión de hidrocarburos (CxHy) e hidrógeno produce vapor, el cual se encuentra como vapor en los productos de combustión. La temperatura a la cual se inicia la condensación del vapor de agua en los productos de combustión se denomina temperatura de rocío. Ésta resulta importante en el estudio de la recuperación de la entalpía de vaporización del agua en los productos de combustión resultantes al quemar un combustible específico.

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PROPIEDEADE DE COMBUSTION

Temperatura adiabática de llama (Tad)Es la máxima temperatura que alcanzan los productos de combustión cuando ésta se realiza en condiciones estequio-métrica y adiabáticas y no ocurren reacciones de disociación.

Velocidad de deflagración laminar (VL)Conocida también como velocidad de llama, es la velocidad lineal a la cual viaja la llama a través de una mezcla gas-aire estática, la rapidez con la que avanza la combustión de la zona quemada a la zona sin quemar, o también como la rapidez con la que un combustible libera su energía. Este parámetro, igualmente, depende en gran forma del tipo de gas y la cantidad de aire con que éste se mezcle.

Mínima energía de ignición (EMI)La energía mínima de ignición es una de las propiedades de combustión más importantes a considerar en el estudio del comportamiento de la propagación de la combustión. Se define como la cantidad de energía que es necesario suministrar a una mezcla combustible-aire para que la combustión se inicie, auto sostenga y propague. Los factores a tener en cuenta para su cálculo son la composición del comburente y la presión de la mezcla. [11]

4.1 PROCESOS DE COMBUSTION TEORICA Y REAL

Muchas veces es útil estudiar la combustión de un combustible con la suposición de que la combustión es completa. Un proceso de combustión está completo si todos los componentes del combustible se queman totalmente durante el proceso de combustión. Por el contrario un proceso de combustión incompleto si los productos de combustión contiene algo de combustible o componentes no quemados.

El oxígeno insuficiente es una razón obvia para la combustión incompleta, pero no la única. La combustión incompleta sucede incluso cuando en la cámara de combustión hay mas oxigeno del necesario para la combustión completa. Esto puede atribuirse al mezclado insuficientemente en la cámara de combustión durante el limitado tiempo en que el oxígeno y el combustible quedan en contacto. Otra causa de combustión incompleta es la disociación, la cual se vuelve importante en temperaturas elevadas.

La cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa de un combustible recibe el nombre de aire estequiométrico o teórico. De manera que cuando un combustible se quema por completo con aire teórico, no estará presente el oxigeno sin combinar el producto de los gases. El aire teórico también se conoce como cantidad de aire químicamente correcto o aire 100% teórico. Un proceso de combustión ideal durante el cual un combustible se quema por completo con aire teórico se conoce como combustión estequiométrica o teórica de ese combustible.

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PROPIEDEADE DE COMBUSTION

En los procesos de combustión reales es una práctica común emplear más aire que la cantidad estequiométrica, con el fin de aumentar las oportunidades de combustión completa o para contralar la temperatura de la cámara de combustión. Las cantidades de aire en exceso de la cantidad estequiométrica se llama exceso de aire. La cantidad de exceso de aire suele expresarse en temimos del aire estequiométrico como exceso de aire porcentual o aire teórico porcentual. Cantidades de aire menores que la cantidad estequiométrica reciben el nombre de deficiencia de aire y se expresan a menudo como deficiencia de aire porcentual. La cantidad de aire utilizado en procesos de combustión se expresa también en términos de la relación de equivalencia, la cual es la proporciona entre la relación real combustible-aire y la relación estequiométrica combustible-aire

4.2 COMBUSTION CON AIRE ENRIQUECIDO

La  combustión  enriquecida  con  oxígeno  OEC (Oxygen  Enhanced  Combustion)  consisten efectuar  el  proceso  de  combustión  con  aire  con concentraciones de oxígeno mayores al 21% .El  parámetro  característico  que  determina  el grado  de  oxigenación  del comburente es  el factor  de  oxígeno  equivalente, el  cual se  define mediante la siguiente expresión:

Según  el factor  de  oxigeno  equivalente  se  han definido tres  rangos de regímenes de operación de sistemas de combustión con aire enriquecido:

-Ecuación 4.1-

Enriquecimiento  de  bajo  nivel: Ω < 0,3.  Es utilizado  en situaciones  en las cuales se tienen que hacer ligeros ajustes en las configuraciones  existentes.  Es  utilizado cuando  se quieren  beneficios incrementales.

Enriquecimiento de nivel intermedio: 0,3 <  Ω  <  0,9. Se requieren  quemadores especiales

Enriquecimiento  de  alto  nivel:  Ω > 0,9.  Aplicaciones  de  procesos  de  alta temperatura en donde los beneficios por la  alta  tasa  de  transferencia  de  calor justifican  los  altos  costos  asociados.  Se requieren quemadores especiales.

Por otro lado, la composición de los productos de combustión depende de varios  factores incluyendo la composición del oxidante. Cuando el  porcentaje  de  oxigeno  aumenta,  la  composición de los humos se afecta así: H2O aumenta, CO2 aumenta muy ligeramente

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PROPIEDEADE DE COMBUSTION

el N2 disminuye de un máximo acero y el CO aumenta, este último debido a la  disociación química. De igual modo, todas las especies menores (H, H2, O, OH  y  O2) aumentan su concentración. Este aumento de radicales, O2 no quemado y (H2  y  CO) que representa el combustible no  quemado se debe la disociación  química,  la cual  ocurre a muy altas temperaturas [11].

 Dentro de los beneficios que preséntala OEC se encuentra el aumento en la temperatura de llama  ya  que  cuando  el aire  es  enriquecido  con oxígenos reduce  el  nitrógeno  y en consecuencia la temperatura  de llama  aumenta.  Por  otro lado, el flux de calor disponible es mayor comparado comprado con el obtenido  en  la  combustión  con  aire  normal.  Todo  esto facilita  la  reducción del consumo de combustible ya que se necesita menos para aprovecharla misma cantidad  de energía.  De igual  modo  la  OEC  en  algunos  casos puede  alcanzar  disminuciones  en  la emisión  de  contaminantes [12].

 

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CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACION DE BIOGAS

V.- CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE BIOGÁS

5.1 REGULADOR DOSIFICADOR

El regulador-dosificador de biogás es el componente más importante del sistema de alimentación. Es un dispositivo neumático, que se encuentra ubicado entre la línea de suministro y el mezclador. Su función es regular con precisión la cantidad de biogás que ingresa al motor en función de la carga.

Figura 5.1 esquema del sistema de alimentación

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CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACION DE BIOGAS

Este dispositivo, como todos los reguladores de presión, consta de los siguientes elementos básicos:

Un diafragma de acrilo nitrilo, material resistente a la acción diluyente del gas. Un resorte calibrado antagonista. Un balancín con su obturador.

En general, para reductores-reguladores convencionales para GLP o GNV, con presiones de alimentación mucho mayores que la presión de suministro del biogás, es recomendable que la presión del gas en un compartimiento (etapa) tenga un valor que, en lo posible, produzca una caída de presión en el obturador. Esta condición es particularmente importante para garantizar una presión de suministro al mezclador lo más estable posible. Sin embargo, en nuestro caso, esta recomendación no se puede llevar a cabo debido a la pequeña presión de suministro del biogás. [13]

5.2 MEZCLADOR

Es el elemento encargado de combinar el gas con el aire en la proporción adecuada, en cualquier régimen de funcionamiento del motor. El perfil de la tobera debe ser tal que produzcan las menores pérdidas de presión en el flujo, por lo que éste debe ser lo más aerodinámico posible. El mezclador tiene, básicamente, el mismo principio que un carburador convencional es decir, el flujo de aire, que ingresa al motor durante la admisión, origina una depresión en la garganta del mezclador donde se ubican los agujeros por donde sale el biogás hacia el motor. La depresión en la garganta del mezclador varía en función de la posición de la válvula de mariposa del carburador y de la velocidad del motor.

El diseño del mezclador permite obtener las principales medidas de éste, tales como: los diámetros de ingreso y salida de la tobera, el diámetro de la garganta, la longitud y el perfil óptimos de la tobera. La modelación también permite determinar el número y diámetro de los agujeros de alimentación de biogás, de manera que se obtenga una mezcla homogénea y con un coeficiente de exceso de aire adecuado.

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CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACION DE BIOGAS

Fig 5.2

Las dimensiones principales del mezclador de biogás utilizado se muestran en la Fig. 5.3.

Fig 5.3

El flujo másico de gas, también se puede determinar a partir de:

-Ecuación 5.1-

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CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACION DE BIOGAS

Donde Vg y ρg son el caudal de gas suministrado al motor y la densidad del gas (a las condiciones de suministro), respectivamente. El caudal de gas suministrado al motor también se calcula con la siguiente fórmula:

Donde Asal es el área efectiva equivalente entre el regulador-dosificador y el mezclador, y se calcula con la siguiente fórmula

-Ecuación 5.2-

Donde (A1Cd,1) y (AagujCd,aguj) son las áreas efectivas de la salida del reductor y los agujeros del mezclador, respectivamente. La caída de presión que produce el flujo de mezcla aire-gas al pasar por la garganta del mezclador es:

-Ecuación 5.3-

Donde Ages el área de la garganta del mezclador. Por lo que la presión absoluta en la garganta del mezclador es. [13]

-Ecuación 5.4-

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METODOLOGIA

METODOLOGIA

NO SI

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Realizar un estudio sobre cómo mejorar las

características del biogás (combustible)

Beneficia Técnica de

enriquecimiento con oxígeno

ANALISIS ESTEQUIMOTRICO

Análisis de datos.

Selección de motor-generador

Selección de los componentes de

admisión

Calibración de los mecanismos de

admisión

Generación de electricidad

Rediseño de los mecanismos de

admisión

Implementación de los componentes de

admisión

1. Se realizara un estudio sobre la historia de literatura en los medios de información físicos y virtuales sobre el enriquecimiento de las propiedades de combustible de baja poder calorífico.

2. Se realizara un análisis de la combustión en la cual se planteara cambiar la composición del aire utilizado como comburente, aumentando el porcentaje de oxígeno entre 20 y 35% en la mezcla reaccionante biogás-aire. La composición del biogás espera que sea un promedio de 40% de CO2 y 60% de CH4.

Análisis estequiométrico

Se tendrán que tomar ciertas consideraciones.

combustible y el comburente es estequiométrica, no existen reacciones de disociación.

El oxígeno se toma del aire atmosférico y éste se considera seco. El combustible está en fase gaseosa; éste, y el aire, se consideran gases ideales.

La combustión de los carburantes en el cilindro del motor es un proceso químico complejo. Se analizaran las reacciones químicas finales de los elementos componentes del combustible con el oxígeno del aire. Cuando la combustión del combustible es completa los productos de la combustión están formados por anhídrido carbónico, vapor de agua, oxígeno sobrante respectivamente.

Las reacciones estequiométricas utilizadas para el biogás con aire normal y con aire enriquecido se podrán calcular por medio de la siguiente ecuación por medio de las

metodologías de balance de energia.  

A CH4 + B CO2 + D (O2 + 3.76 N2) ------ CO2 + E H2O + F N2 [14] –Ecuacion 6.1-

Teniendo en cuenta las reacciones que se obtendrán tomando en cuenta que los valores de la composición de O2 variaran desde el 20 al 35%, se obtendrán ciertos valores para el volumen estequiométrico de aire, volumen de humos húmedos y secos, porcentaje máximo de CO2 en humos secos y la presión parcial del vapor de agua en los humos húmedos.

3. Análisis de datos obtenidos : se estudiaran los resultados antes obtenidos para poder tener parámetros que definirán la selección del motor y los mecanismos de admisión.

4. Selección de motor: esta activad se realizara por medio de comparación de diferentes mores-generadores de electricidad por medio de catálogos de proveedores nacionales., dicha selección será en base a los datos y parámetros obtenidos.

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5. Selección de los mecanismos de admisión: dicha actividad se realizara mediante el análisis de catálogos. Para garantizar el trabajo normal de un motor los reductores de presión y caudal se seleccionan para trabajar con un régimen nominal del motor, es decir, para el máximo caudal de gas (con la mínima presión de suministro).

6. Rediseño de los mecanismos de admisión : Para determinar las modificaciones en los párrafos siguientes se muestran los fundamentos teóricos los cuales se seguirá.

Los caudales de gas (V g) y aire (Va), en m3/s, están relacionados con el caudal de la mezcla aire combustible (V mz) mediante las siguientes expresiones.

-Ecuación 6.2-Donde λ es el coeficiente de exceso de aire, y L0 es la relación aire combustible, en m3/m3. El caudal de la mezcla Vmz es directamente proporcional a la cilindrada del motor (VH) (en litros), a la máxima velocidad del motor (n) (en rpm), y a la eficiencia volumétrica del motor (ηv)

-Ecuación 6.3-

La eficiencia volumétrica del motor es función, principalmente, de la velocidad del motor (y de la apertura de la válvula de mariposa del motor.) [14]

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FLUJO MASICO QUE ENTRA AL REGULADOR

Dada la presión tan baja de suministro del biogás (máx. 20 mbar), el régimen del flujo a través del obturador siempre es subcrítico. La fórmula general para el cálculo del flujo másico (en kg/s) de un fluido compresible a través de un agujero en régimen subcrítico es:

-Ecuación 6.4-Donde Ar es el área de paso efectiva equivalente del flujo a través del tubito surtidor y del obturador; Pa lim es la presión de ingreso al reductor, se considerara aproximadamente igual a la temperatura atmosférica. K es el exponente adiabático del gas; para el biogás, se puede asumir k=1,285. La Ec. Anterior también puede ser escrita como.

-Ecuación 6.5-

Donde la función Φ está dada por

-Ecuación 6.6-

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En nuestro caso, como la presión de suministro alim Pa lim es muy pequeña (no supera 1 mbar), entonces se cumple que (Pa lim – Pr)/P alim << 1 y Φ ≈1, por lo que al fluido se lo puede considerar prácticamente incompresible.

Para calcular el área de la sección de paso del obturador (válvula) del reductor, hay que tomar en cuenta que realmente hay dos obstrucciones hidráulicas en serie: el agujero surtidor y el área lateral del anillo imaginario que se forma entre el obturador y el pico del surtidor , El área efectiva equivalente se calcula con la siguiente fórmula

-Ecuación 6.7-

Donde K es factor que relaciona a las dos secciones en serie antes mencionadas, y se calcula con

-Ecuación 6.8- [15]

7. Calibración de los mecanismos: se realizara la calibración en base a los datos y parámetros obtenidos en paso anterior y en el paso 3. Dicha modificación se realizara en los componentes de los mecanismos por medio de las técnicas de maquinado de piezas.

8. Implementación de los mecanismos de admisión en el motor: en este paso se desmontaran los mecanismos (de fábrica) del motor los cuales serán reemplazados por los mecanismo antes calibrados.

Todos los pasos anteriores se realizaran en los laboratorios de mecánica y metrología del Instituto Tecnológico de Morelia.

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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

ACTIVIDAD SEMANAS2 4 6 8 10 12 14 16

Investigar técnicas para mejorar las características del biogás como combustible.Analizar la mezcla estequiométrica enriquecida con oxigeno

Selección del motor generador

Seleccionar los mecanismos de admisión

Rediseño de los mecanismos de admisión

Calibración e Implementación de los mecanismos de admisión al motor

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COSTOS ESTIMADOS

MATERIAL COSTOMotor generador 7 000Mecanismos de admisión 3 000Material de papelería 200Transporte 300Accesorios (mangueras, empaques etc.) 500Software Solid Works 4000TOTAL $ 15 000.00 pesos

¿QUIÉN FINANCIARA DICHO PROYECTO?

El encargo del proyecto, Quiroz Ambriz Pedro Alejandro.

INFRAESTRUCTURA

La infraestructura necesaria es contar con un equipo de laboratorio de metrología y maquinado de piezas para poder realizar la calibración y con esto el rediseño de las piezas para posteriormente implementarlas al motor-generador.

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REFERENCIAS

[1] APROVECHAMIENTO DE BIOGÁS PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL SECTOR AGROPECUARIO, SAGARPA 2007, PAG 48, 49 Y 50 http://www.cmp.org/apoyos/BIOGAS0902/0524_LIBRO_de_BIOGAS.pdf

[2] Tratamiento térmico de gases, Autor: Xavier Elías Castells; Carlos Fernando Cadavid; E-libro, Corp. Editorial: Madrid : Ediciones Diaz de Santos, 2012.

[3] Biogas plants: design and details of simple biogas plants por Ludwig Sasse; German Appropriate Technology Exchange.

[4] Zapata, A. 1998. Utilización de biogás para la generación de electricidad.

[5] UNAM, 2000. Universidad Nacional Autónoma de México. Metano, México, DF.

[6] EL SECTOR DEL BIOGÁS AGROINDUSTRIAL EN ESPAÑA, Madrid, 16 de septiembre de 2010 (DOCUMENTO ELABORADO POR MIEMBROS DE LA MESA DE BIOGÁS). Pagina 6

[7] Schnürle, A.; List, H. (1944). “Motores de Combustión Interna. Fascículo V: Motores de Gas”. Editorial Labor, S.A. España.

[8] Termoquímica, séptima edición. Yunes A Cengel, Michael A. Boles Mc Graw Hill, pag 773

[9] Termoquímica, séptima edición. Yunes A Cengel, Michael A. Boles Mc Graw Hill, pag 774

[10] Combustión, Universidad Tecnologica Nacional facultad regional la plata departamento de ingeniería química, cátedra integración II, Ing. Oscar l., Danilin 1999

[11] Estudio numérico y experimental de las propiedades y fenómenos radiativos en una llama de metano (ch4) con aire enriquecido, 2010, José Luis Suárez, Andrés Amell Arrieta.  

[12]COLORADO, A.SÁNCHEZ,M.“Diseño  y  construcción  de  un  prototipo  para  la  obtención  de  una  combustión sin  llama” [Tesis de  pregrado].  Medellín,  Colombia:  Universidad de Antioquia, 2007.

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[13] Regulacion automatica del sistema de alimentacion de biogas de un motor de combustion interna, Juan Guillermo Lira Cacho - Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingeniería Mecánica

[14] MEZCLAS REACTIVAS Y COMBUSTIÓN http://www.tecnun.es/asignaturas/termo/Temas/Tema10-Combustion.pdf

[15] Lira Cacho, J.G., Oliveros Donohue, A., Barrera, J., “Sistema de Alimentación de Biogás para un motor de Combustión Interna”, Revista TECNIA, Vol.13, Nº1, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, 2003.

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