REVISTA CIENTIFICA CEDIT - UNMSMunmsm.edu.pe/cedit/linked/revista cientifica cedit - 2007.pdfE.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos UNMSM Ciudad Universitaria Av. Venezuela Cdra. 34

Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 2

REVISTA CIENTIFICA CEDIT

CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACIÓN EN TERMOFLUIDOS CEDIT

Número 2 2007

Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Universidad del Perú , Decana de América)


UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

EAP INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS

CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION EN TERMOFLUIDOS - CEDIT

REVISTA CIENTIFICA CEDIT

Dr. Luis Izquierdo Vásquez

Rector

Dr. Víctor Peña Rodríguez Vicerrector Académico

Dra. Aurora Marrou Roldán Vicerrectora de Investigación

Dr. Ángel Bustamante Domínguez

Decano de la Facultad de Ciencias Físicas

MSc. Ing. Sissi Santos Hurtado Director (a) de E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos

COMITE EDITOR 2007

Centro de Publicación CEDIT

ASESORES

Ing. Andrés Valderrama Romero Ph. D.

Ing. José Aguilar Bardales Ing. Miguel Ángel Ormeño Valeriano Ph. D.

La Revista de Investigación del Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT de la E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos publica trabajos realizados por los docentes, estudiantes y egresados investigadores de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos

Para solicitar información, dirigirse a: E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos UNMSM Ciudad Universitaria Av. Venezuela Cdra. 34 s/n Lima 1 Perú Apartado postal 14-0149 Lima 14- Perú Teléfono (51-1) 6197000 anexo 3819 / 3810 /3806 Email: [email protected]

AÑO 2006

Edición Nº1


___________________________________________________________________________________

REVISTA CIENTIFICA CEDIT _________________________________________________________________________________________________________

2007 NUMERO 2

INDICE

PRESENTACIÓN ................................................................................................................................................. Pág. 5

ENERGIA TERMICA DE LAS MEZCLAS DE PETROLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, ALGODON Y GIRASOL EN QUEMADORES NO CONVENCIONALES ...................................................... Pág. 6

TERMICAL ENERGY FROM MIXTURES OF DIESEL 2 PETROLEUM WITH BIODIESEL OF SOYBEAN, COTTON AND SUNFLOWER USED IN NO CONVENCIONAL BURNERS ............................................... Pág. 6

Yhon Deudor, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama ................................... Pág. 6

ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS DE PETROLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, ALGODON Y GIRASOL EN COCINAS NO CONVENCIONALES ...................... Pág. 19

ANALISIS OF THE PROCESS OF COMBUSTION OF THE MIXTURES OF PETROLEO DIESEL 2 WITH BIODIESEL OF SOY, ALGODON AND SUNFLOWER IN NOT CONVENTIONAL KITCHENS ............. Pág. 19

Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama ............................... Pág. 19

BRIQUETAS DE RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS COMO FUENTE DE ENERGÍA CALORÍFICA EN COCINAS NO CONVENCIONALES ............................................................................................................... Pág. 26

BRIQUETTES OF ORGANIC SOLID RESIDUES AS SOURCE OF CALORIFIC ENERGY IN NOT CONVENTIONAL KITCHENS ........................................................................................................................ Pág. 26

Andrés Valderrama; Herve Curo; César Quispe; Victor Llantoy & José Gallo .............................................. Pág. 26

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO AERODINÁMICO DE AEROGENERADOR A SOTAVENTO ..................................................................................................................................................... Pág.35

DE 80 W CON PALAS NO LINEALIZADAS ................................................................................................. Pág. 35

DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN AERODYNAMIC PROTOTYPE OF WIND TURBINE TO LEEWARD OF 80W WITH SPADES NOT LINEALIZADAS ........................................................................ Pág. 35

José Aguilar; Ayala Marino; Saúl Vallejos, Rubén Marcos; & Fernando Castillo, ......................................... Pág. 35

SOBRE EL PROBLEMA DE ESTIMAR LA FUERZA DE PULSACION EN LA FRECUENCIA DE PASO DE LOS ALABES DE UN VENTILADOR CENTRIFUGO ................................................................................... Pág. 45

TO A PROBLEM ON ESTIMATE OF PULSATION FORCE ON FREQUENCY OF FOLLOWING OF ROTOR BLADINGS IN A CENTRIFUGAL FAN .......................................................................................................... Pág. 45

M. A. Ormeño Valeriano, E. N. Vlasov .............................................................................................................. Pág. 45


PRESENTACIÓN

Nos complace en Presentar a la comunidad universitaria el presente número de informe científico de

Investigación de la E.A.P. Ingeniería Mecánica de Fluidos de la Facultad de Ciencias Físicas, parte de

difusión del esforzado trabajo de investigación trabajos realizados por los docentes , estudiantes y

egresados investigadores de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos.

Hacemos Público nuestro agradecimiento a todos los autores por su desplegado desempeño para publicar

sus trabajos, Además Debemos agradecer a las personas que han colaborado en la evaluación y revisión de

los artículos tanto en el aspecto técnico como estilo, a fin de garantizar la calidad académica y científica.

Asimismo, agradecemos al Dr. Ángel Bustamante Domínguez por el apoyo incondicional mostrado

durante estos años.

Lima-Perú 2007


ENERGIA TERMICA DE LAS MEZCLAS DE PETROLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, ALGODON Y GIRASOL EN QUEMADORES NO CONVENCIONALES TERMICAL ENERGY FROM MIXTURES OF DIESEL 2 PETROLEUM WITH BIODIESEL OF SOYBEAN, COTTON AND SUNFLOWER USED IN NO CONVENCIONAL BURNERS

Yhon Deudor, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas & Andrés Valderrama

RESUMEN En el presente estudio se describe los ensayos realizados con biodiesel elaborado a partir de los aceites vegetales de soya, girasol y algodón. Se empleó cuatro tipos de pulverizadores instalados en dos quemadores situados en cocinas domésticas no convencionales; los ensayos se realizaron en el Laboratorio de Termofluidos de la Escuela de Ingeniería Mecánica de Fluidos de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos; se trabajaron con mezclas en volumen de diesel 2 con 10%, 20%, 30% y 50% de biodiesel de soya, girasol y algodón.

Los resultados preliminares de los ensayos experimentales permiten establecer que es posible reemplazar parcialmente al petróleo diesel 2 alcanzando condiciones de desprendimiento de calor y de combustión controlada. Se analizará la longitud de la llama, calor aprovechado (ganado) y calor perdido en la transferencia de calor que permite hacer hervir un litro de agua sobre la parrilla de la cocina doméstica, se encontrará la presión óptima para cada pulverizador y para cada mezcla.

ABSTRACT

In this study it is described the tests made with biodiesel made from vegetable oils of soybean, sunflower and cotton. It was used four types of sprayers installed in two burners in no conventional domestic kitchens. It was made mixtures of 10%, 20%, 30% and 50% of biodiesel of soybean, sunflower and cotton in volume. The preliminary results of the experimental test allow establishing that it is possible to replace the petroleum diesel 2 bye biodiesel partially, reaching conditions of heat It will be analyzed the flame large, the emitted heat and heat loosed in the heat transfer that allow boiling a liter of water on the domestic kitchen´s grill, it will be found the best pressure for each sprayer and for each mixture. ____________________________________________________________________________________

INTRODUCCION

Actualmente la sustitución de los combustibles denominados fósiles o tradicionales derivados del petróleo, por otros de origen vegetal, ha tomado gran importancia, pues provienen de una fuente renovable y representan un medio eficaz de lucha contra el deterioro medioambiental (atendiendo las justificadas normas medio ambientales que cada vez exigen menores contenidos de elementos nocivos en los gases de la combustión cuando se queman los derivados del petróleo) y un factor de desarrollo de la agricultura e industrias derivadas.

En este contexto, se presenta el estudio de la obtención de energía térmica de las mezclas de petróleo Diesel 2 con biodiesel de Soya, girasol y algodón en quemadores no convencionales, que nos permite establecer, a través del análisis del proceso

de combustión de la mezcla, la posibilidad de sustitución del petróleo diesel 2 o kerosene en quemadores no convencionales. La combustión es una reacción termodinámica rápida entre el aire y el combustible, cuyos productos de la combustión son: CO2, CO, CH, NOx y vapor de H2O, más el consiguiente desprendimiento de calor (reacción exotérmica), en este caso particular la reacción emite luz visible denominada flama. El análisis de las características físicas de la llama (color, intensidad, longitud) que presenta en el proceso de combustión, así como la presión optima de pulverización; son algunos de los factores determinantes que nos permite establecer el porcentaje optimo de biodiesel de soya, girasol y algodón en la mezcla.

Este análisis del proceso de combustión de la mezcla

Centro de Desarrollo e Investigación en

del biodiesel de soya, aceite y de girasol y aceite de algodón con el petróleo diesel 2 permite hallar el calor entregado (calor total) por la mezcla de biodiesel y petróleo diesel 2, el calor perdido y el calor aprovechado (calor útil) para hacer hervir un litro de agua en un quemador no convencional, para cada régimen de operación del quemador

PLANTEO DEL ESTUDIO

El trabajo de investigación se ejecutará en las etapas siguientes: 1. Elaboración del biocombustible y mezcla con diesel 2

Proceso de obtención del biodiesel

- A partir de aceite de soya - A partir de aceite girasol - A partir de aceite algodón Este combustible alternativo al petróleo tradicional es producido a partir de los aceites vegetales convirtiendo a los triglicéridos en ésteretilo, a través de un proceso denominado transesterificación. En este proceso se produce la reacción de las tres cadenas de ácidos grasos (cadenas ésteres) de cada molécula de triglicérido, con un alcohol, produciéndose la separación de estade la molécula de glicerina. Esta separación necesita temperatura y un potente catalizador básico, como un hidróxido, para que la reacción sea completa.Finalmente, las cadenas de ésteres se convertirán en biodiesel, reteniendo moléculas de oxígeno en su constitución, lo que le otorgará propiedades físico químicas de un combustible, necesarias para participar en el proceso de la combustión. Además estas cadenas no contienen azufre, el cual es considerado un potente contaminante medioambiental. Por otro lado, la glicerina, luego de su purificación puede tener múltiples usos, en la industria farmacéutica y cosmética, donde cuenta con una gran demanda.

A continuación se presenta las reacciones de síntesis para la obtención del biodiesel

Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT

del biodiesel de soya, aceite y de girasol y aceite de algodón con el petróleo diesel 2 permite hallar el calor entregado (calor total) por la mezcla de biodiesel y petróleo diesel 2, el calor perdido y el

hacer hervir un litro de agua en un quemador no convencional, para cada régimen de operación del quemador

PLANTEO DEL ESTUDIO

El trabajo de investigación se ejecutará en las etapas

1. Elaboración del biocombustible y mezcla con

Este combustible alternativo al petróleo tradicional es producido a partir de los aceites vegetales convirtiendo a los triglicéridos en ésteres de metilo o etilo, a través de un proceso denominado transesterificación. En este proceso se produce la reacción de las tres cadenas de ácidos grasos (cadenas ésteres) de cada molécula de triglicérido, con un alcohol, produciéndose la separación de estas cadenas de la molécula de glicerina. Esta separación necesita temperatura y un potente catalizador básico, como un hidróxido, para que la reacción sea completa. Finalmente, las cadenas de ésteres se convertirán en

oxígeno en su constitución, lo que le otorgará propiedades físico químicas de un combustible, necesarias para participar en el proceso de la combustión. Además estas cadenas no contienen azufre, el cual es considerado un potente contaminante

. Por otro lado, la glicerina, luego de su purificación puede tener múltiples usos, en la industria farmacéutica y cosmética, donde cuenta con

reacciones de síntesis

Fig .1. Reacciones químicas para la obtención del biodiesel Mezclas de biodiesel de soya, girasol y algodón con el petróleo diesel 2 Las mezclas de biodiesel y diesel 2 que se realizaron fueron las siguientes:

Denominación % biodieselB10 10 B20 20 B30 30 B40 40 B50 50

2. Ensayos de quemado de los biocombustibles en una cocina de kerosene - Se instala un manómetro en el tanque de la cocina no convencional para medir las presiones de pulverización. - Se somete a la cocina a presiones de 1,103 hasta 2,206 (16 hasta 32PSI). - Se toma tres mediciones durante los ensayos: el tiempo que demora en hervir un litro de agua a las presiones especificadas, la longitud y la temperatura de la flama en tres zonas del dardo de la flama: núcleo, centro y corona.

3. Análisis del proceso de quemado de los biocombustibles - Análisis de las características de la flama- Determinación de la presión óptima de pulverización de las mezclas - Análisis y determinación de los calores por convección forzada y radiación durante el proceso de entrega de calor desde el pulverizador hacia la base hacia el recipiente que recibe el calor. - Cálculo del calor desprendido (calor total), calor aprovechado (calor útil) y calor perdido

DELINEACIÓN DE OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES Demostrar que el empleo de biocombustibles permite obtener energía calorífica, que reemplace a los combustibles tradicionales, tales como: kerosene, petróleo Diesel 2 en quemadores no convencionales

Página 7

Reacciones químicas para la obtención del

Mezclas de biodiesel de soya, girasol y algodón con

Las mezclas de biodiesel y diesel 2 que se realizaron

% biodiesel % diesel 2 90 80 70 60 50

2. Ensayos de quemado de los biocombustibles en

Se instala un manómetro en el tanque de la cocina no convencional para medir las presiones de

presiones de 1,103 hasta

Se toma tres mediciones durante los ensayos: el tiempo que demora en hervir un litro de agua a las presiones especificadas, la longitud y la temperatura de la flama en tres zonas del dardo de la flama:

3. Análisis del proceso de quemado de los

Análisis de las características de la flama Determinación de la presión óptima de

Análisis y determinación de los calores por convección forzada y radiación durante el proceso de entrega de calor desde el pulverizador hacia la base hacia el recipiente que recibe el calor.

Cálculo del calor desprendido (calor total), calor calor útil) y calor perdido

DELINEACIÓN DE OBJETIVOS

Demostrar que el empleo de biocombustibles permite obtener energía calorífica, que reemplace a los combustibles tradicionales, tales como: kerosene,

quemadores no convencionales


OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Aplicación del biodiesel en las cocinas

domesticas e industriales, pudiendo emplearse en quemadores no convencionales, reemplazando así de esta manera los combustibles tradicionales (diesel 2, kerosene, GLP)

2. Determinar la energía calorífica óptima para cuando se combustionan las mezclas en volumen de diesel 2 con 10%, 20%, 30%, 40% y 50% de biodiesel de soya, girasol y algodón

3. Determinar el porcentaje del calor aprovechado respecto al calor entregado por la mezcla de biocombustible con el petróleo diesel2.

DESARROLLO DEL TRABAJO

Principales ventajas del biodiesel El ciclo biológico en la producción y el uso del Biodiesel reduce aproximadamente en 80% las emisiones de anhídrido carbónico, y casi 100% las emisiones de dióxido de azufre. La combustión de Biodiesel disminuye en 90% la cantidad de hidrocarburos totales no quemado, y entre (75-90) % en los hidrocarburos aromáticos. El empleo del Biodiesel proporciona un leve incremento o decremento en óxidos de nitrógeno dependiendo del tipo motor. Distintos estudios en EE.UU., han demostrado que el biodiesel reduce en 90% los riesgos de contraer cáncer. - Aunque el biodiesel emite casi la misma cantidad de dióxido de carbono que los combustibles fósiles, el CO2 emanado por este, es vuelto a fijar por la masa vegetal a través del proceso de - El Biodiesel es seguro manejar y transportar porque es biodegradable como el azúcar, 10 veces menos tóxico que la sal de la mesa, y tiene un punto de inflamación de aproximadamente 110º C comparado al diesel de petróleo cuyo punto de inflamación es de 65º C.

Transferencia de calor

Es la energía en transito debido a una diferencia de temperaturas.

Transferencia de calor por Conducción, un gradiente de temperatura dentro de una sustancia homogénea ocasiona una tasa de transferencia de energía dentro del medio que puede ser calculada por:

n

Tkq cond

∂

∂⋅−= ….. (1)

Donde:

: Flujo de calor por conducción (W/m2)

: Gradiente de temperatura en la dirección n

k : conductividad térmica (W/m .K)

A : área de la sección transversal

Transferencia de calor por Convección, si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. La transferencia de calor por conducción se puede determinar mediante la siguiente expresión:

)( ∞−= TThq scconvención

… (2)

Dónde q : flujo de calor por convección (W/m2) : Coeficiente de calor por convección o coeficiente pelicular (W/m2. K) A : Área perpendicular al flujo de calor. Ts : Temperatura de la superficie : Temperatura del fluido

Transferencia de calor por Radiación, se debe ala propagación de ondas electromagnéticas, la cual se puede presentar en el vacío completo así como en un medio cualquiera. La ley fundamental de Boltzmann establece que:

4Tq rad ⋅⋅= σε … (3)

radq : Flujo de calor por convección

є : emisividad relativa

σ : constante de Boltzmann

T : temperatura absoluta de la superficie

Capa limite térmica

Temperatura media de la capa límite o temperatura de

película fT

)2

( flamasf

TTT

+= … (4)

Donde:

Tf : temperatura de película

TS : temperatura de la superficie

: Temperatura de la flama

ch

∞T

flamaT

n

T

∂

∂

q


Número de Nusselt Representa la relación que existe entre el calor transferido por convección a través del fluido y el que se transferiría si sólo existiese conducción. Se puede representar con la siguiente expresión

k

hDN NU

= … (5)

Donde: NNU : numero de Nusselt h : Coeficiente pelicular D : longitud característica k : Coeficiente de conductividad térmica - Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz

es la convección - Un número de Nusselt de Nu = 1, para una capa de fluido, representa transferencia de calor a través de ésta por Conducción pura - El número de Nusselt se emplea tanto en convección forzada como natural Número de Prandtl Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa límite de velocidad y la capa límite térmica: El número de Prandtl (Pr) va desde menos de 0.01 para los metales líquidos hasta más de 100.000 para los aceites pesados. El Pr es del orden de 10 para el agua. Los valores del número de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo que indica que tanto la cantidad de movimiento como de calor se difunden por el fluido a una velocidad similar. El número de Prandtl se emplea tanto en convección forzada como natural.

(6) µ: viscosidad dinámica Cp: Capacidad térmica del material a presión constante k : Coeficiente de conductividad térmica Número de Reynolds Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento.

υ

ν

µ

νρ DDN ==Re

…. (7)

Donde: V = velocidad de flujo ρ = densidad µ = viscosidad dinámica ν = viscosidad cinemática

D = diâmetro equivalente o magnitud longitudinal Costo de combustible comparativo (Ke)

oaprovechad

Sdiseloaprovechade Q

Qk

./2. ∗=

…. (8)

oaprovechad

oseneoaprovechad

eQ

SQk

./.ker. ∗= …. (9)

oaprovechad

mezclasoaprovechade Q

SQk

./.. ∗= .… (10)

ANALISIS DE RESULTADOS VARIACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE LA FLAMA TRABAJANDO CON LOS PULVERIZADORES 1 Y 2 Para todos los casos se instalan los pulverizadores 1 y 2 en los quemadores de la cocina de uso doméstico, cuyos diámetros nominales del agujero de salida son: Diámetro pulverizador 1: 0.21 mm Diámetro pulverizador 2: 0.32 mm Se varía la mezcla desde el 10% hasta el 50% de

biodiesel de soya, girasol y algodón

Variación de la longitud de flama empleando las mezclas de diesel 2 con los biodiesel de soya, girasol y algodón Los resultados permiten obtener la tabla resumen siguiente:

Tabla 1. Longitud máxima de la flama trabajando con Pulverizador 1 y 2, para las presiones de pulverización de las mezclas de 16,24 y 32 PSI.

Presión de pulverización 1,103 bar (16 PSI)

Pulverizador Biodiesel Pulv. 1 Pulv. 2

% Soya en la mezcla 30 30

L (cm.) 4,9 4,95

% Girasol en la mezcla 30 30

L (cm.) 3,90 4,11

%Algodón en la mezcla 50 50

L (cm.) 4,60 5,10


Desde el punto de vista constructivo, la longitud mínima de la flama con respecto a la parrilla es de 3,90 cm. Debido a esto la longitud que se deberá obtener en los ensayos experimentales deberá ser ≥ a esta longitud, para que el calor desprendido por las mezcla puede llegar a entrar en contacto con la base de la tetera que contienen 1 litro de agua a hervir.

Figura 1. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para la presión de 1,103 bar (16PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.

Figura 2. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para 1,655 bar (24 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

L (c

m)

% mezcla

longitud Vs % de mezcla a 1,103 Bar (16 PSI)

Pulv 1 Algodón

Pulv 1 Soya

Pulv 1 Girasol

Pulv 2 Algodón

Pulv 2 Soya

Pulv 2 Girasol

Longitud Vs % de Mezcla a 1,655 Bar (24 PSI)

2

3

4

5

6

7

8

D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

L (cm

)

Pulv 1 Algodón

Pulv 1 Soya

Pulv 1 Girasol

Pulv 2 Algodón

Pulv 2 Soya

Pulv 2 Girasol

Presión de pulverización 1,655 bar (24 PSI)



L (cm.) 5,8 5,20


L (cm.) 4,50 7,70


L (cm.) 5,00 5,80

Presión de pulverización 2.206 bar (32 PSI)



L (cm.) 5,90 5,95


L (cm.) 5,10 7,50


L (cm.) 6,20 6,20


Figura 3. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206 bar (32 PSI) empleando los pulverizadores 1 y 2. Análisis de La longitud de la flama

Excede la longitud desde el punto de vista constructivo en todos los casos, para las presiones de pulverización de 1.103 bar (16 PSI), 1.655 bar (24 PSI) y 2.206 bar (32 PSI). superiores al valor máximo tolerado que es la diagonal de la flama respecto a la base de la tetera, que es de 3.23 cm.

• La presión de pulverización de 2.206 bar (32 PSI) para los pulverizadores 3 y 4 que permiten alcanzar

longitudes del frente de flama superiores al valor El pulverizador 1 es el que forma la menor longitud de la flama, lo que permite un mayor aprovechamiento de calor

• Es proporcional a la presión de Pulverización.

• La presión de pulverización de 2.206 bar (32 PSI)

para pulverizadores 1 y 2 que permiten alcanzar longitudes del frente de flama

máximo permitido que es la diagonal de la flama de 5.65 cm.

Variación del tiempo para hervir un litro de agua empleando las mezclas de diesel 2 con los biodiesel de soya, girasol y algodón El tiempo que demora en hervir 1 litro de agua, permitirá determinar cuál de las mezclas es más eficaz durante el proceso de quemado de las mezclas cuyo objetivo es entregar el calor durante la combustión hacia el agua logrando hacerla hervir. Los resultados obtenidos en la experimentación nos permiten obtener el siguiente cuadro:

Tabla 2. Tiempo mínimo para hervir un litro de agua trabajando con Pulverizador 1 y 2

Valores que permiten construir los gráficos siguientes:

Longitud Vs % de Mezcla a 2,206 Bar (32 PSI)

2

3

4

5

6

7

8

9

D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

L (cm

)

Pulv 1 Algodón

Pulv 1 Soya

Pulv 1 Girasol

Pulv 2 Algodón

Pulv 2 Soya

Pulv 2 Girasol

1.103 bar (16 PSI)

1.655 bar (24 PSI)

2.206 bar (32 PSI)

PulverizadorBiodiesel

pulv 1

pulv. 2

pulv. 1

pulv. 2

pulv. 1

pulv. 2

Soya 30% 10% 50% 30% 10% 20% t (min.) 6:35 5:30 5:20 4:52 4:55 4:08 Girasol 30% 30% 30% 30% 10% 30% t (min.) 6:12 6:35 5:20 6:00 4:10 4:55 Algodón 50% 20% 30% 20% 20% 20% t (min.) 6:35 5:51 6:20 5:08 5:25 4:31


Figura 4. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para la presión de 1,103 bar (16PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.

Figura 5. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para 1,655 bar (24 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.


tiempo Vs % mezcla a 1,103 bar (16 PSI)

3:00

4:12

5:24

6:36

7:48

9:00

10:12

11:24

D2+0% D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

t (m

in)

Pulv 1 Algodón

Pulv 1 Soya

Pulv 1 Girasol

Pulv 2 Algodón

Pulv 2 Soya

Pulv 2 Girasol


3:00

4:12

5:24

6:36

7:48

9:00

D2+0% D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

t (m

in)

Pulv 1 Algodón

Pulv 1 Soya

Pulv 1 Girasol

Pulv 2 Algodón

Pulv 2 Soya

Pulv 2 Girasol

Tiempo Vs % mezcla a 2,206 bar (32 PSI)

3:00

3:28

3:57

4:26

4:55

5:24

5:52

6:21

D2+0% D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

t (m

in)

Pulv 1 Algodón

Pulv 1 Soya

Pulv 1 Girasol

Pulv 2 Algodón

Pulv 2 Soya

Pulv 2 Girasol


VARIACIÓN DE DE LA LONGITUD DE LA FLAMA TRABAJANDO CON PULVERIZADOR 3 Y 4 Para todos los casos se emplearán la cocina de uso doméstico, en dónde se instalan los pulverizadores 3 y 4 cuyos diámetros nominales del agujero de salida son: Diámetro pulverizador 3: 0.35 mm Diámetro pulverizador 4: 0.4 mm Se varía la mezcla desde el 10% hasta el 50% de biodiesel de soya, girasol y algodón Variación de la longitud de la flama para hervir un litro de agua empleando las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón Los ensayos experimentales permiten obtener los consecuencias resumen siguientes:

Tabla 3. Longitud máxima de la flama trabajando con Pulverizador 3 y 4

X*No se realizó los ensayos experimentales Entonces se tienen los gráficos siguientes:

Figura 7. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para la presión de 1,103 bar (16PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4.

Figura 8. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para 1,655 bar (24 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.

Longitud Vs % de mezcla a 1,103 bar (16 PSI)

0

2

4

6

8

10

12

14

D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

L (cm

)

Pulv 3 Algodón

Pulv 3 Soya

Pulv 3 Girasol

Pulv 4 Algodón

Pulv 4 Soya

Pulv 4 Girasol

Longitud Vs % mezcla a 1,655 bar ( 24 PSI)

0

2

4

6

8

10

12

14

D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

L (cm

)

Pulv 3 Algodón

Pulv 3 Soya

Pulv 3 Girasol

Pulv 4 Algodón

Pulv 4 Soya

Pulv 4 Girasol

16 PSI 24 PSI 32 PSI

Pulverizador Biodiesel

pulv 3

pulv. 4

pulv. 3

pulv. 4

pulv. 3

pulv. 4

Soya x 10% x 30% x 50%

L (cm.) x 7,90 x 9,10 x 9,00

Girasol 20% 20% 20% 20% 30% 10%

L (cm.) 7,50 6,50 8,00 7,30 9,50 7,70

Algodón 10% 20% 10% 20% 10% 20%

L (cm.) 6,50 12,00 6,40 13,20 6,50 13,60


Figura 9. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206 bar (32 PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4. Variación del tiempo para hervir un litro de agua empleando las mezclas de diesel 2 con los biodiesel de soya, girasol y algodón Los resultados obtenidos en la experimentación nos permiten obtener el siguiente cuadro: Tabla 4. Tiempo mínimo para hervir un litro de agua trabajando con Pulverizador 3 y 4

Figura 10. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para la presión de 1,103 bar (16PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4.

Longitud Vs % de Mezcla a 2,206 bar (32 PSI)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

L (cm

)

Pulv 3 Algodón

Pulv 3 Soya

Pulv 3 Girasol

Pulv 4 Algodón

Pulv 4 Soya

Pulv 4 Girasol

Tiempo Vs % Mezcla a 1,103 bar (16 PSI)

0:00

1:12

2:24

3:36

4:48

6:00

7:12

8:24

D2+0% D2+10% D2+20% D2+30% D21+40% D2+50%

% mezcla

t (m

in)

Pulv 3 Algodón

Pulv 3 Soya

Pulv 3 Girasol

Pulv 4 Algodón

Pulv 4 Soya

Pulv 4 Girasol

16 PSI 24 PSI 32 PSI

Pulverizador Biodiesel

pulv 3

pulv. 4

pulv. 3

pulv. 4

pulv. 3

pulv. 4

Soya x 50% x 50% x 50%

t (min.) 2:17 2:00 1:20

Girasol 30% 50% 50% 50% 50% 50%

t (min.) 2:19 2:06 1:53 1:51 1:32 1:38

Algodón 10% 50% 10% 50% 10% 30%

t (min.) 3:36 2:10 3:46 1:50 2:38 1:41



Figura 12. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206 bar (32 PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4. ANÁLISIS DE LA DISTRIBUCION DE LA ENERGIA TERMICA DURANTE EL PROCESO DE COMBUSTION DE LAS MEZCLAS DE DIESEL 2 Y BIODIESEL. Considerando el proceso de combustión es completa (con exceso de aire), en dónde el calor entregado a la base de la tetera que contiene 1 litro de agua, se realiza bajo dos formas de transporte de calor: transferencia de calor por convección (cuando el flujo de los gases de la combustión se desplazan hacia la base de la tetera) y transferencia de calor por radiación, cuando los gases de la combustión del frente de la flama se desplaza entre el pulverizador y la base de la tetera irradiando calor hacia la superficie de la tetera.

1. CALOR POR CONVECCION Este calor se puede calcular de la manera siguiente:

)( ifcconvención TTAhQ −=

Dónde

:convenciónQ Calor utilizado por convección

:ch Coeficiente de calor por convección o

coeficiente pelicular.

:A Proyección del área libre sobre la base de la tetera perpendicular al flujo de calor. Tf: Temperatura media de la flama.

:iT Temperatura ambiente.

Tiempo Vs % Mezcla a 1,655 bar (24 PSI)

0:00

1:12

2:24

3:36

4:48

6:00

7:12

D2+0% D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

t (m

in)

Pulv 3 Algodón

Pulv 3 Soya

Pulv 3 Girasol

Pulv 4 Algodón

Pulv 4 Soya

Pulv 4 Girasol


0:00

0:28

0:57

1:26

1:55

2:24

2:52

3:21

3:50

4:19

4:48

D2+0% D2+10% D2+20% D2+30% D2+40% D2+50%

% mezcla

t (m

in)

Pulv 3 Algodón

Pulv 3 Soya

Pulv 3 Girasol

Pulv 4 Algodón

Pulv 4 Soya

Pulv 4 Girasol


2. CALOR POR RADIACIÓN Se puede calcular empleando la fórmula siguiente:

T(eAQ f

radiación 4

4

−= σ

Dónde:

:radiaciónQ Calor utilizado por radiación

Proyección del área libre Constante Universal Emisividad relativa Temperatura media de la flama Temperatura ambiente 3. CALOR APROVECHADO DURANTE EL PROCESO DE COMBUSTION Para evaluar la cantidad de calor provechado por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la relación siguiente:

Figura 13. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 1,655 Bar (24 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.

:A:σ

:e

:fT

:iT

convQ1convQoaprovechadQ +=


Se puede calcular empleando la fórmula siguiente:

)T i

4

4

−

radiación

Temperatura media de la

CALOR APROVECHADO DURANTE EL

Para evaluar la cantidad de calor provechado por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y

deberá considerar la relación siguiente:

En dónde: Q aprovechado: calor aprovechado durante la combustiónQ convección 1: calor aprovechado por convección a través del área libre Q convección 2: calor aprovechado por convección a través del área de contacto con la teteraQ radiación 1: calor aprovechado por radiación 4. CALOR PERDIDO

Para evaluar la cantidad de calor perdido durante la combustión por las mezclas de Diesel 2 con biodiede soya, girasol y algodón, se deberá considerar la relación siguiente En dónde: Q perdido: calor perdido durante la combustiónQ radiación 3 : calor perdido por radiación al aire Q radiación 2: calor perdido por radiación 5. EFICIENCIA DE LA COMBUSTION La eficiencia en la Combustión de la mezcla de Diesel 2 con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón, se calcula; considerando la relación siguiente:


1radQ2conv +

2radiaciónperdido QQ +=

caloroaprovechadCalor

oaprovechadCalor

+=η

Página 16

: calor aprovechado durante la combustión : calor aprovechado por convección a

: calor aprovechado por convección a través del área de contacto con la tetera

: calor aprovechado por radiación

Para evaluar la cantidad de calor perdido durante la combustión por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la

calor perdido durante la combustión : calor perdido por radiación al aire : calor perdido por radiación

EFICIENCIA DE LA COMBUSTION

La eficiencia en la Combustión de la mezcla de Diesel 2 con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón, se calcula; considerando la relación siguiente:

Figura 13. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 1,655 Bar

3radiaciónQ+

100perdido

×



Figura 15. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para (32 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.

B20

0

20

40

60

80

100E

FIC

IEN

CIA

B20 79.69613576

B30

B50

SOYA PULV 3

SOYA PULV 4


la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206 Bar (32 PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4.

Figura 15. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para (32 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.

1.655 Bar (24 PSI)

B20B50

B50B50

PULVERIZADOR

79.69613576 70.9972403

64.82974435 70.09332238 78.15363149

SOYA PULV GIRASOL PULV3

GIRASOL PULV4

ALGODÓN PULV 3

ALGODÓN PULV 4

Página 17

la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206

Figura 15. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206 Bar

B50B20

B30

B50

78.15363149

ALGODÓN


Figura 16. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206 Bar (32 PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4

CONCLUSIONES 1. La combustión de las mezclas de diesel 2 con los

biodiesel de soya, girasol y algodón logran alcanzar longitudes de la flama mayores que la longitud de la flama del diesel 2.

2. La longitud de la flama más óptima y el porcentaje de biodiesel en la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, empleando los pulverizadores 1,2,3 y 4 son:

Pulverizador 1 2 3 4

Longitud 6.20 7.5 9.5 13.6

% de biodiesel la

mezcla

Algodón B30

Girasol B50

Girasol B30

Algodón B20

3. El tiempo de la combustión más óptimo y el

porcentaje de biodiesel en la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, empleando los pulverizadores 1,2,3 y 4 son:


Tiempo 6:35 6:35 3:46 2:10

% de biodiesel la

mezcla

Soya B30

Girasol B30

Algodón B10

Algodón B50

4. La eficiencia de la combustión más elevadas de las

mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, empleando los pulverizadores 1, 2, 3 y 4 son:

BIBLIOGRAFÍA

1. FUNDAMENTOS DE TERMODINAMICA TECNICA, Michael J. Moran Howard N. Shapiro editorial LIMUSA, México 1992

2. FUNDAMENTOS DE TRASNFERENCIA DE CALOR, Frank P. Incropera, David P. De witt editorial Prentice Hall, USA 1998

3. PROBLEMAS DE TRASNFERENCIA DE CALOR Y MASA, J.R. Backuhurust, J.H.Harker – J.E. Porter

4. MECANICA DE FLUIDOS , Irving H. Shames

5. FLUJO DE FLUIDOS E INTERCAMBIO DE CALOR , O. Leven Espiel

6. TERMODINÁMICA APLICADA; Postigo, J; Cruz, J; editorial UNI, Lima1985.

7. MANUAL DEL INGENIERO MECÁNICO, AUTOR: Marks, editorial Limusa, Mexico 1992

32 PSI

B20 B30 B30B50

B50

0

20

40

60

80

100

PULVERIZADOR

EF

ICIE

NC

IA B20

B30

B50

B20 77.44462089

B30 72.90871617 71.85892629

B50 63.12996028 78.45428085

SOYA PULV3 SOYA PULV4 GIRASOL PULV3GIRASOL PULV

4ALGODÓN

PULV3ALGODÓN

PULV4


Eficiencia 70.92 67.27 71.86 79.69

% de biodiesel la

mezcla

Soya B30

Algodón B50

Algodón B30

Soya B20


ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS DE PETROLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, ALGODON Y GIRASOL EN COCINAS NO CONVENCIONALES ANALISIS OF THE PROCESS OF COMBUSTION OF THE MIXTURES OF PETROLEO DIESEL 2 WITH BIODIESEL OF SOY, ALGODON AND SUNFLOWER IN NOT CONVENTIONAL KITCHENS

Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas & Andrés Valderrama ________________________________________________________________________________________

RESUMEN

En el presente estudio se muestran las ecuaciones del proceso de combustión de las mezclas de petróleo diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, el análisis del proceso de combustión se realizará considerando los parámetros de diámetro del pulverizador, relación C/H/O de cada participante en la mezcla, color de la llama, forma de la llama, formación de dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos libres en forma de vapor (CH). Se trabajaron con mezclas en volumen de diesel 2 con 10%, 20%, 30% y 50% de biodiesel de soya, girasol y algodón. Los resultados preliminares del análisis cualitativo y cuantitativo del proceso de combustión de las mezclas, tomando en cuenta la relación estequiométrica (alfa=1), para mezclas enriquecidas (alfa<1) y para mezclas empobrecidas (alfa>1); este cálculo se ejecutara para cada mezcla de biodiesel con petróleo diesel 2, lo que permite establecer que es posible reemplazar parcialmente al petróleo diesel 2 por biodiesel, alcanzando condiciones de desprendimiento y aprovechamiento de calor, y se demuestra que los niveles de producción de CO2 , N2 y vapor de agua son menores que el producido por el diesel 2; se calculara la temperatura de la flama adiabática para el diesel 2 y para las mezclas y finalmente se construye el ábaco de los colores de la llama durante el proceso de combustión, para cada mezcla.

ABSTRACT

In this study it is shown the equations of combustion process of mixtures of petroleum diesel 2 and biodiesel of soybean, sunflower and cotton, the analysis of combustion process is made considering the parameters of the diameter of the sprayer, the relation C/H/O of each component en the mixture, de color of the flame, the shape of the flame, carbon dioxide (CO2) formation, free hydrocarbons like steam (CH). It was made mixtures of 10%, 20%, 30% y 50% of biodiesel of soybean, sunflower and cotton in volume of mixture. The preliminary results of quality and quantity analysis of the combustion process of the mixtures, taking in account the stoichiometric relation (alfa=1), for enriched mixtures (alfa<1) and for impoverished mixtures (alfa>1); this evaluation will be made for each mixture of biodiesel and petroleum diesel 2, which allow to establish that it is possible to replace the petroleum diesel 2 bye biodiesel partially, in this way it is reached detachment conditions and advantages of heat, and it is demonstrate that the production levels of CO2, N2 and water steam are minor than those produced by petroleum diesel 2. It will be calculated the temperature of the adiabatic flame for petroleum diesel 2 and the mixtures.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, el mundo está viviendo los efectos del impacto ambiental, producido en mayor medida por la quema de combustibles denominados fósiles o tradicionales. Con el objetivo de mejorar la calidad del medio ambiente, se busca el empleo de nuevas fuentes de energía, cuyo proceso de combustión permitan reducir los gases contaminantes, como CO, NOx, CH, SOx y CO2, que son causantes del calentamiento global, efecto invernadero, lluvia ácida, y otros. En el presente trabajo se busca establecer que la emisión de los gases contaminantes de la combustión

de la mezcla de biodiesel y petróleo diesel 2 son menores en comparación de los gases contaminantes emitidos en la combustión del petróleo diesel 2 puro. La combustión es un proceso que se realiza para utilizar la energía química liberada tanto por la reacción del H2 hacia el H2O, como por la reacción del C hacia CO2. El H2 por su gran afinidad con el O2 reacciona totalmente hacia H2O; en cambio, el C reacciona hacia CO2 y CO. Cuando un kmol de C reacciona totalmente hacia CO2, libera 3.5 veces mas energía que cuando el kmol de C reacciona totalmente hacia CO. Esto justifica la tendencia a reducir al mínimo la formación de CO para lograr la combustión completa. En este contexto, el análisis refiere a las reacciones de combustión de la mezcla


biodiesel y petróleo diesel 2.

PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO

El estudio se realiza en las siguientes etapas: Primera etapa, determinación de la composición C/H/0 de los biodiesel de soya, girasol y algodón Segunda etapa, cálculo de las reacciones de combustión de la mezcla del petróleo diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón. Tercera etapa, cálculo de los parámetros de la combustión: poder calorífico, relación H/C, número de Wobbe, porcentaje de CO2, eficiencia del proceso de combustión


OBJETIVOS GENERALES

Análisis del proceso de combustión de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Análisis de la relación C/H/O, H/C, número de Woobbe, color de la llama, forma de la llama, formación de dióxido de carbono (CO2) para cada mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya girasol y algodón

DESARROLLO DE TRABAJO

Poder calorífico de un combustible: de calor producida por la combustión completa de un kilogramo de dicha sustancia. Tal unidad se la mide en KJ / kg . Índice de Wobbe: Cociente entre el poder calorífico y la raíz cuadrada de la densidad relativa del gas, bajo las mismas condiciones de temperatura y presión. El índice de Wobbe es una medida de la cantidad de energía disponible en un sistema de combustión a través de un orificio inyector. La cantidad de energía disponible está en función lineal del índice de Wobbe.

Relación H/C: es la relación de densidad energética de un combustible; se establece que un combustible

deberá tener un valor mayor igual a 0.12.


PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO

El estudio se realiza en las siguientes etapas:

, determinación de la composición C/H/0 de los biodiesel de soya, girasol y algodón

, cálculo de las reacciones de combustión de la mezcla del petróleo diesel 2 con

, cálculo de los parámetros de la combustión: poder calorífico, relación H/C, número

iencia del proceso


OBJETIVOS GENERALES

Análisis del proceso de combustión de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón.

Análisis de la relación C/H/O, H/C, número de Woobbe, color de la llama, forma de la llama, formación de dióxido de carbono (CO2) para cada mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya girasol y

DESARROLLO DE TRABAJO

es la cantidad de calor producida por la combustión completa de un kilogramo de dicha sustancia. Tal unidad se la mide

Cociente entre el poder calorífico y la raíz cuadrada de la densidad relativa del gas, bajo

ndiciones de temperatura y presión. El índice de Wobbe es una medida de la cantidad de energía disponible en un sistema de combustión a través de un orificio inyector. La cantidad de energía disponible está en función lineal del índice de

H/C: es la relación de densidad energética de un combustible; se establece que un combustible

deberá tener un valor mayor igual a 0.12.

TIPOS DE COMBUSTIÓN 1. Combustión estequiométrica o teóricaEs 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 oxigeno en los humos, debido a que este se ha empleado íntegramente en la reacción.

Para la combustión de un hidrocarburo de la forma C x H y, la ecuación de la reacción es de la forma:

2 .Combustión real con exceso de aireEs 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 presenciaoxigeno 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. Mezcla rica. Es la que contiene una cantidad de aire menor que la estequiometria (aire en defecto)..Mezcla pobre. Es la que contiene una cantidad de aire mayor que la estequiometria (aire en exceso

Los coeficientes i, e, f, y g deben ser para la combustión real a partir de la información que obtiene, por alguno de los métodoanálisis de los promedios. METODOLOGÍA

Se muestra un ejemplo con exceso de aire de 25% (125% de aire teórico) presente en la combustión de la mezcla de 30% de biodiesel de soya con diesel 2

Composición gravimétrica del diesel 2 y de biodiesel de soya, girasol y algodón

Diesel 2: C/H/O/S = 0,87/0,126/0,003/0,001

Biodiesel de soya: C/H/O = 0,77/0,12/0,11

Biodiesel de girasol: C/H/O = 0,628/0,202/0,17

Biodiesel de algodón: C/H/O = 621/0,204/0,174

Tabla Nº1 Combustión de la mezcla DieBiodiesel de Soya al 30%

C BIODISEL DE SOYA 0.77DIESEL 2 0.87

Página 20

TIPOS DE COMBUSTIÓN

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 oxigeno en los humos, debido a que este se ha empleado

Para la combustión de un hidrocarburo de la forma , la ecuación de la reacción es de la forma:

Combustión real con exceso de aire Es la reacción que se produce con una cantidad de aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza

combustión tiende a no producir sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión es típica la presencia de oxigeno 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.

. Es la que contiene una cantidad de aire ia (aire en defecto)..

. Es la que contiene una cantidad de aire mayor que la estequiometria (aire en exceso).

s coeficientes i, e, f, y g deben ser para la combustión real a partir de la información que obtiene, por alguno de los métodos existentes para el

Se muestra un ejemplo con exceso de aire de 25% (125% de aire teórico) presente en la combustión de la mezcla de 30% de biodiesel de soya con diesel 2

Composición gravimétrica del diesel 2 y de los biodiesel de soya, girasol y algodón

Diesel 2: C/H/O/S = 0,87/0,126/0,003/0,001

Biodiesel de soya: C/H/O = 0,77/0,12/0,11

Biodiesel de girasol: C/H/O = 0,628/0,202/0,17

Biodiesel de algodón: C/H/O = 621/0,204/0,174

Combustión de la mezcla Diesel 2 y

H O 0.77 0.12 0.11 0.87 0.126 0.004


Composición molar de los reactantes

Para el Diesel 2

Para el biodiesel de soya

Considerando un proceso de mezcla optima y un proceso de combustión completa:

1. Ecuación de la Combustión Completa con exceso de aire

70% Diesel 2 + 30% Biod. Soya + aire

Productos de la combustión

222222

22

gOfNOeHdCO)N76.3O(B25.1

H417.6C417.6(3.0)O0125.0H3.6C25.7(7.0

+++→++

++++

Ordenando la reacción

22222 eHdCO)N76.3O(B25.1O119.0H21.6C7 +→++++

Balanceando la ecuación

d ( CO 2) = 7 mol

e (H2O) = 6.21 mol

2 g (O2) = 19.9863 – 2.5 B

f (N2) = 46.9677 mol

Ecuación Estequiometria

2222 )76.3(119.021.67 dCONOBOHC →++++

d´ (CO 2) = 7

e´ (H2O) = 6.21

B (aire) = 9.9931

Entonces g (O2) = 2.5 mol

Ecuación Estequiométrica Balanceada

Ecuación con exceso de aire Balanceada

3443.032

11

62

12

417.612

77

2

2

==

==

==

O

H

C

0125.032

4.0

.62

6.12

25.712

87

2

2

==

==

==

O

H

C


Composición molar de los reactantes

Considerando un proceso de mezcla optima y un

mbustión Completa con

70% Diesel 2 + 30% Biod. Soya + aire

22 )O344.0H417 +

222 gOfNOeH ++

222 fNOeHdCO ++

Ecuación con exceso de aire Balanceada

Masa de aire teórica

100

)28*76.332()( /

+=

BtL ca

…...(1)

Masa de aire real

100

28*76.332(5.1)( /

+=

BrL ca

10028*76.332.(9931.9*25.1

r)c/a

L(+

=

Análisis gravimétrico de los gases de combustión

Peso de CO2 = 7 mol* (12+32) gr/mol = 308 g r

Peso de N2 = 46.9677 mol * (28) gr/mol =1315.09 gr

Peso de H2O = 6.21 mol * (2+16) gr/mol = 111.78 grPeso de O2 = 2.4983 mol*(32) gr/mol = 79.9450 gr

Total =1814.8203 gr

Porcentaje de CO2:

% CO 2 = 308/1814.8203 = 0.1697

Peso de C = 7* (12) = 84 gr

Peso de H2 = 6.21 * (2+16) = 12.42 gr

Peso de O2 = 0.119* (32) = 3.58 gr

Peso de aire = 14.98*(32+3.76*28)= 2027.78 gr

Total = 2157.7843 gr

Relación H / C:

H / C = 12.42 / 84 = 0.147

ANALISIS DE RESULTADOS

1- Se construyen los gráficos con la variación de los parámetros proceso de combustión de un combustible líquido como son las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, que se muestran continuación:

3443

417

0125

3.

13100

)28*76.332(9931.9)( / =

+=tL ca

Página 21

…...(1)

) …(2)

148.17)28

=

Análisis gravimétrico de los gases de combustión

Peso de CO2 = 7 mol* (12+32) gr/mol = 308 g r

46.9677 mol * (28) gr/mol =1315.09 gr

Peso de H2O = 6.21 mol * (2+16) gr/mol = 111.78 gr Peso de O2 = 2.4983 mol*(32) gr/mol = 79.9450 gr

Total =1814.8203 gr

0.1697

Peso de H2 = 6.21 * (2+16) = 12.42 gr

Peso de O2 = 0.119* (32) = 3.58 gr

Peso de aire = 14.98*(32+3.76*28)= 2027.78 gr

Total = 2157.7843 gr

= 12.42 / 84 = 0.147

ANALISIS DE RESULTADOS

Se construyen los gráficos con la variación de los parámetros proceso de combustión de un combustible líquido como son las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, que se muestran

719.13


Gráfico Nº1 Variación del poder calorífico de las mezcla Diesel 2 y Biodiesel de soya, girasol, algodón.

Gráfico.N2. Variación de la relación de H/C (densidad energética de un combustible) para las mezclas de Diesel 2 y Biodiesel de soya, girasol, y algodón considerando que:

mezcla

mezclaHuWoobeN

ρ=º …(3)

El número de Wobbe es la cantidad de energía disponible en la combustión a través del inyector (pulverizador). Entonces la mezcla que muestre un mayor Nº de Wobbe tendrá una mayor energía disponible en la combustión de la mezcla. Entiéndase que

)(%)2(%2 biodieselD biodieselDmezcla ρρρ += … (4)

100

)28*76.332()( 7

+=

BtL ca

….. (5)

GráficoNº3 Variación del Nº de Wobbe (energía disponible en la combustión) para Diesel las mezclas de Diesel 2 y Biodiesel de soya, algodón, girasol.

Gráfico Nº 4 Variación de la concentración del dióxido de carbono (CO2) en las mezclas de Diesel 2 y Biodiesel de soya, girasol, algodón. 1. Combustión de la mezcla Diesel 2 y Biodiesel

de girasol, algodón y soya

Tabla Nº2 Porcentaje de CO2 producto de la combustión del Diesel 2 y biodiesel trabajando con el pulverizador 1 y 2

PULVERIZADOR 1 Y 2 % AIRE TEORICO

%CO2 %CO2 %CO2

B30 SOYA

B20 GIRASOL

B30 ALGODÓN

1.25 16.9714 16.2859 15.7739 1.35 15.7786 15.1401 14.6642 1.45 14.7425 14.145 13.7004 1.55 13.8341 13.2726 12.85555 1.65 13.0312 12.5016 12.1087

D EN S ID A D EN ER GÉTIC A D E UN C OM B US TIB LE H / C

0.13

0.15

0.17

0.19

0.21

0.23

B10 B20 B30 B40 B50

% M EZ C LA

H

/ C

SOYA

GIRA SOL

ALGODÓN

ENERGIA DISPO NIBLE EN LA CO MBUSTION (Nº WO BBE)

1435.00

1455.50

1476.00

1496.50

1517.00

1537.50

1558.00

1578.50

B10 B20 B30 B40 B50

% M E ZC LASOYA

GIRASOL

ALGODÓN

B10 B20 B30 B40 B50

SOYA 17,2953 17,1337 16,9714 16,8063 16,6445

GIRASOL 16,9895 16,5218 16,053 15,5832 15,1124

ALGODÓN 16,9761 16,495 16,0128 15,5294 15,0449

13,5

14

14,5

15

15,5

16

16,5

17

17,5

% C

O2

% MEZCLA

EXCESO DE AIRE 50%

SOYA

GIRASOL

ALGODÓN


GráficoNº5. Porcentaje de CO2 producido en la combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para los que se ha obtenido mayor aprovechamiento del calor desprendido, trabajando con el pulverizador del 1 y 2

Tabla Nº3 Porcentaje de CO2 producto de la combustión del Diesel 2 y biodiesel trabajando con el pulverizador 3 y 4

PULVERIZADOR 3 Y 4 % AIRE TEORICO

%CO2 %CO2 %CO2

B20 SOYA

B30 GIRASOL

B50 ALGODÓN

1.25 17.1734 15.8062 14.78641.35 15.9665 14.6942 13.74611.45 14.918 13.7284 12.84261.55 13.999 12.8817 12.05061.65 13.187 12.1334 11.3506

GraficoNº6 Porcentaje de CO2 producido en la combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para los que se ha obtenido mayor aprovechamiento del calor desprendido, trabajando con el pulverizador del 3 y 4


. Porcentaje de CO2 producido en la combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para los que se ha obtenido mayor aprovechamiento del calor desprendido, trabajando

Porcentaje de CO2 producto de la combustión del Diesel 2 y biodiesel trabajando con el

%CO2

B50 ALGODÓN 14.7864 13.7461 12.8426 12.0506 11.3506

Porcentaje de CO2 producido en la combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para los que se ha obtenido mayor aprovechamiento del calor desprendido, trabajando

3. CALOR APROVECHADO Y CALOR PERDIDO Se calcula a partir de las fórmulas siguientes: 3.1. Calor aprovechado durante el proceso de combustión Para evaluar la cantidad de calor aprovechado por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la relación

1 convconvoaprovechad QQQ += En dónde: Q aprovechado: calor aprovechado durante la combustiónQ convección 1: calor aprovechado por convección a través de la proyección del frente de flama sobre la base de la tetera Q convección 2: calor aprovechado por convección a través del área de anillo sobre la base de la tetera.Q radiación 1: energía irradiada de la flama hacia la base de la tetera 3.2 Calor Perdido Para evaluar la cantidad de calor perdido durante la combustión por las mezclas de Diesde soya, girasol y algodón, se deberá considerar la relación siguiente

2 radiaciónradiaciónperdido QQQ +=

En dónde: Q perdido: calor perdido durante la combustiónQ radiación 3: calor perdido por radiación de la superficie lateral del frente de flama al aire Q radiación 2: calor perdido por radiación del anillo de flama sobre la base de la tetera al aire.

GráficoNº7 Calor perdido y calor aprovechado 3.3 Eficiencia de la combustión

La eficiencia en la Combustión de la mezcla de Diesel 2 con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón,

CALOR APROVECHADO Y CALOR PERDIDO

0

1.5

3

4.5

6

7.5

% MEZCLA

FL

UJO

DE

CA

LO

R (

KW

)

CALOR PERDIDO 1.178 2.237 1.0012 0.9941 1.5296 0.956

CALOR APROVECHADO 2.1342 3.9358 1.9094 1.975 2.675 1.7945

SOYA B20 GIRASOL B20 ALGODÓN B20 SOYA B30 GIRASOL B30 ALGODÓN B30

Página 23

CALOR APROVECHADO Y CALOR

Se calcula a partir de las fórmulas siguientes:

3.1. Calor aprovechado durante el proceso de

Para evaluar la cantidad de calor aprovechado por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la relación siguiente:

12 radconv Q+ .. (6)

: calor aprovechado durante la combustión : calor aprovechado por convección a

través de la proyección del frente de flama sobre la

ovechado por convección a través del área de anillo sobre la base de la tetera.

: energía irradiada de la flama hacia la base

Para evaluar la cantidad de calor perdido durante la combustión por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la

3radiación .. (7)

calor perdido durante la combustión calor perdido por radiación de la superficie

: calor perdido por radiación del anillo de

flama sobre la base de la tetera al aire.

Calor perdido y calor aprovechado

combustión

La eficiencia en la Combustión de la mezcla de Diesel 2 con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón,

CALOR APROVECHADO Y CALOR PERDIDO

CALORPERDIDO

CALORAPROVECHADO

0.8182 2.1813 1.1955

1.4343 3.0318 2.3417

ALGODÓN B30 SOYA B50 GIRASOL B50 ALGODÓN B50


se determina empleando la fórmula siguiente:

+=

perdidocaloroaprovechadCalor

oaprovechadCalorη

Gráfico Nº8 .Eficiencia de la combustión eficiencia vs mezcla

Gráfico Nº 9 Porcentaje de masa teórica de aire en la combustión de Diesel 2, biodiesel de soya, girasol y algodón

Gráfico Nº 10 Porcentaje de masa teórica de aire en la combustión de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol, algodón resptrabajados en Pulverizadores 1 y 2

52

54

56

58

60

62

64

66

68

B20 B30

Efi

cie

ncia

(%

)

% MEZCLA

EFICIENCIA DE LA COMBUSTIÓN


se determina empleando la fórmula siguiente:

100×perdido

... (8)

.Eficiencia de la combustión eficiencia

Porcentaje de masa teórica de aire en la combustión de Diesel 2, biodiesel de soya, girasol y

Porcentaje de masa teórica de aire en de las mezclas de diesel 2 con

biodiesel de soya, girasol, algodón respectivamente,

Gráfico Nº 11 Porcentaje de masa teórica de aire en la combustión de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol, algodón respectivamente, trabajados en Pulverizadores 3 y 4

CONCLUSIONES

1. Se demuestra que las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón tienen similar comportamiento de un combustible diesel convencional proveniente de un hidrocarburo.

2. La cantidad de energía disponible en la combustión a través del inyector (pudeterminado con el número Wobbe, disminuye con el incremento del porcentaje de biodiesel en la mezcla

3. La densidad energética de un combustible, determinada a través de la Variación de la relación de H/C, para las mezclas de Diesel 2 y

B50

EFICIENCIA DE LA COMBUSTIÓN

SOYA

GIRASOL

ALGODÓN

14.20

14.07

13.40

13.50

13.60

13.70

13.80

13.90

14.00

14.10

14.20

14.30

Diesel 2 B20

Girasol

%L(a/r)t

Página 24

Porcentaje de masa teórica de aire en la combustión de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol, algodón respectivamente, trabajados en Pulverizadores 3 y 4

CONCLUSIONES

demuestra que las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón tienen similar comportamiento de un combustible diesel convencional proveniente de un

La cantidad de energía disponible en la combustión a través del inyector (pulverizador), determinado con el número Wobbe, disminuye con el incremento del porcentaje de biodiesel en

La densidad energética de un combustible, determinada a través de la Variación de la relación de H/C, para las mezclas de Diesel 2 y

13.99

13.72

B30

algodón

B30 soya


biodiesel de soya, girasol, y algodón se incrementa conforme se incrementa el porcentaje de biodiesel n la mezcla

4. La eficiencia máxima se alcanza con el 30% de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya y algodón.

5. La eficiencia máxima se alcanza con el 50% de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de girasol.

6. La concentración del dióxido de carbono en los gases de la combustión disminuye drásticamente en comparación al diese 2 solo, logrando disminuir el impacto ambiental.

BIBLIOGRAFIA 1. Postigo, J; Cruz, J; “Termodinámica Aplicada”;

editorial UNI, Lima1985.

2. Morán, M; Shapiro, H; “Fundamentos de Termodinámica”; editorial LIMUSA, México 1992.

3. Incropera, F.; “Fundamentos de Transferencia

deCalor”; editorial Prentice Hall, USA 1998

4. Marks, “Manual del Ingeniero Mecánico”,

editorial Limusa, Mexico 1992 AGRADECIMENTO, los autores comprometen su agradecimiento al Programa de Iniciación Científica (PIC) que dirige el Vice Rectorado Académico de la UNMSM.


BRIQUETAS DE RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS COMO FUENTE DE ENERGÍA CALORÍFICA EN COCINAS NO CONVENCIONALES BRIQUETTES OF ORGANIC SOLID RESIDUES AS SOURCE OF CALORIFIC ENERGY IN NOT CONVENTIONAL KITCHENS

Andrés Valderrama, Herve Curo, César Quispe, Victor Llantoy & José Gallo _____________________________________________________________________________________________

RESUMEN

Los residuos sólidos orgánicos (RSO), se emplean como materia prima principal en la elaboración de briquetas que son quemadas en una cocina no convencional para obtener energía calorífica, siendo una alternativa de reemplazo a los combustibles líquidos tradicionales (kerosene o gas licuado de petróleo). La elaboración de las briquetas, se realizaron a partir de los residuos domiciliarios obtenidos de un sector del distrito de San Martín de Porres, dónde la producción per cápita es de 0.634 Kg./hab.-día; los RSO representan el 62.5% de estos residuos. Los RSO son secados al medio ambiente y mezclados con aglutinantes como: aserrín, cal, arcilla; para la mezcla se emplea agua y estiércol de cuy.

Se elaboraron 3 tipos de briquetas cilíndricas con un volumen de 446cm3, teniendo como materia prima a los RSO con 70% en masa, luego son perforadas axialmente con 5 agujeros de 7.9mm. para facilitar su secado y combustión; la relación H/C es de 0.16 superior al petróleo diesel (0.14), la humedad relativa es de (89-91)%, la densidad de las briquetas tipo 1 es mayor en 10% a la densidad de la briqueta tipo 2 y esta a su vez es mayor en 6% que la briqueta tipo 3, debido a la presencia en su composición de 10%, 5% y 0% de aserrín respectivamente, el poder calorífico inferior de las briquetas tipo 1 es de 13,826 kJ/Kg, del tipo 2 de 13,029 kJ/Kg y del tipo 3 es de 10,725 kJ/Kg, esta variación se debe a que la cal y la arcilla logran disminuir el poder calorífico de las briquetas y lo hacen gradualmente de acuerdo al porcentaje en peso en su composición; el punto de inflación de las briquetas fluctúan entre (86-90)°C.

Las briquetas tipo 1, tipo 2 y tipo 3, originan (8, 13 y 20)% de cenizas, debido a que poseen 0% arcilla o cal, 5% de cal y 10% de arcilla respectivamente. Durante la combustión de las briquetas las temperaturas medias superficiales alcanzaron valores de (250-400)ºC y se determinó el tiempo para hervir 500 cm3 de agua, obteniéndose en promedio (30 a 45) minutos.

Palabras Claves: Residuos Sólidos Orgánicos, briquetas, poder calorífico, humedad relativa, densidad, relación H/C, punto de inflamación, aglutinante, energía calorífica.

ABSTRACT

The solid organic residues (RSO), they are used as principal raw material in the production of briquettes that are burned in a not conventional kitchen to obtain calorific energy, being an alternative of replacement to the liquid traditional fuels (kerosene or liquified gas of oil). The production of the briquettes, they were realized from the domiciliary residues obtained of a sector of the district of Porres's St Martin, where the production per cápita belongs to 0.634 Day Kg./hab.-; the RSO represents 62.5 % of these residues. The RSO is dried to the environment and mixed with cementing agents since(as,like): sawdust, lime, clay; for the mixture(mixing) water and manure is used of cuy.

There were elaborated 3 types of cylindrical briquettes with a volume of 446cm3, having as raw material to the RSO with 70 % in mass, then they areperforated axialmente with 5 holes of 7.9mm. To facilitate his(its) dried one and combustion; the relation H/C belongs to 0.16 top to the oil diesel (0.14), the relative dampness is of (89-91) %, the density is of the briquettes type 1 is bigger in 10 % than the density of the briquette type 2 and this in turn it(he,she) is major in 6 % that the briquette type 3, due to the presence in his(its) composition of 10 %, 5 % and 0 % of sawdust respectively, the lowest heating power of the briquettes type 1 belongs to 13,826 kJ/Kg, of the type 2 of 13,029 kJ/Kg and of the type 3 it(he,she) is of 10,725 kJ/Kg, this variation owes to that the lime and the clay manage diminishing the heating power of the briquettes and do it gradually in agreement to the percentage in weight in his(its) composition; the point of inflation of the briquettes they fluctuate between(among) (86-90) °C. The briquettes


type 1, type 2 and type 3, originate (8, 13 and 20) % of ashes, due to the fact that 0 % possesses clay or lime, 5 % of lime and 10 % of clay respectively. During the combustion of the briquettes the average superficial temperatures reached values of (250-400) ºC and it(he,she) decided the time to boil 500 cm3 of water, being obtained in average (30 to 45) minutes.

Key words: Solid Organic Residues, briquettes, heating power, relative dampness, density, relation H/C, point of inflammation, cementing agent, calorific energy.

________________________________________________________________________________________

INTRODUCIÓN

La gran demanda de energía que se presenta principalmente en países en vía de desarrollo como el nuestro y a la escasez de los combustibles líquidos y gaseosos convencionales (Diesel 2, kerosene y GLP), obligan a buscar nuevas fuentes energéticas que posean viabilidad técnica y económica, con el menor impacto ambiental posible. El estudio comprende la elaboración de briquetas a partir del acopio de los residuos sólidos domiciliarios provenientes del distrito de San Martín de Porres; es conocido, que los residuos no orgánicos (vidrio, plástico, papel, cartón, metales, madera, trapos, telas) son reciclados para obtener un valor económico de ellos y no fueron considerados para este estudio.

Resultados preliminares permiten demostrar que se puede reemplazar el combustible líquido y gaseoso ejecutando el proceso de quemado de las briquetas con 70% de RSO en masa, para obtener energía calorífica en una proporción de 33% con respecto a un combustible líquido (kerosene, petróleo Diesel 2) y 30% en masa respecto al gas licuado de petróleo (GLP).

La investigación determina como factores esenciales en la elaboración de las briquetas: composición, humedad, densidad y granulometría. Estas fueron elaboradas con distintos porcentajes de los siguientes componentes: 1. Los RSO secos y no cocidos (cáscaras de papa,

arvejas, habas, hojas de choclo, hojas de espinacas, corontas de maíz, entre otros). El secado de los RSO se realizó al natural (medio ambiente), lo que puede demorar entre dos y tres meses en invierno y tres o cuatro semanas en verano. Luego estos residuos fueron triturados y molidos (ver fotografía N°1).

2. Aserrín de madera cedro (pudo haber sido de otra madera), es un aglutinante combustible.

3. Estiércol de cuy, el cuál fue secado y molido. 4. Arcilla común (aglutinante no combustible). 5. Cal, su función es evitar desmoronamientos y la

formación de grietas en la briqueta. 6. Agua .

Fotografía N°1. RSO de San Martín de Porres secos y molidos respectivamente Nota. Debido a que el proceso de secado de estos RSO se realizó al aire libre, se debe resaltar que no se consideraron los residuos domiciliarios orgánicos cocidos, por ejm: residuos de comida descompuesta, huesos de animales, frutas, otros; porque atraen vectores.

METODOLOGÍA 2.1. Elaboración de las briquetas de RSO. Se hace la mezcla tomando en cuenta el tamaño (dimensiones) y el tipo de briqueta a elaborar, para la investigación se hicieron tres tipos con porcentajes distintos de los componentes que se muestran en las tablas 1,2 y 3. Tabla N°1. Composición de las briquetas para el tamaño de 2.5” de diámetro y 2.5” de altura

Briqueta TIPO 1

Briqueta TIPO 2

Briqueta TIPO 3

Componentes

Composición

%

Composición

%

Composición

%

RSO 111gr 70 111gr 70 111gr 70 Estiércol de cuy

32gr 20 32gr 20 32gr 20

Aserrín 16gr 10 8gr 5 - - Cal - - 8gr 5 - - Arcilla - - - - 16gr 10

Subtotal 159gr 100

159gr 100 159gr 100

Agua 200ml 200ml 200ml


RESULTADOS

BRIQUETA HÚMEDA (peso promedio de las muestras)

213.2gr 212.6gr 214.0gr

Sobras de mezcla 145.8gr 146.4gr 145.0gr

Mezcla Total 359gr 359gr 359gr

Tabla N°2. Composición de las briquetas para el tamaño de 3.0” de diámetro y 3.0” de altura

Briqueta TIPO 1

Briqueta TIPO 2

Briqueta TIPO 3

Componentes

Composición

%

Composición

%

Composición

%


38gr 20 38gr 20 38gr 20


Subtotal 189gr 100

189gr 100

190gr 100

Agua 300ml 300ml 300ml RESULTADOS

BRIQUETA HÚMEDA (peso promedio de las muestras)

342.8gr 350.4gr 354.7gr

Sobras de mezcla

146.2gr 138.6gr 134.3gr

Mezcla Total

489gr 489gr 490gr

Tabla N°3. Composición de las briquetas para el tamaño de 3.5” de diámetro y 3.5” de altura

Briqueta TIPO 1

Briqueta TIPO 2

Briqueta TIPO 3

Componentes

Composición

% Composición

% Composición

%


73gr 20 73gr 20 73gr 20


Subtotal 363gr 100

363gr 100 363gr 100

Agua 500ml 500ml 500ml RESULTADOS BRIQUETA HÚMEDA (Peso Promedio De Las Muestras)

563.2gr 554.8gr 531.3gr

Sobras De Mezcla

299.8gr 308.2gr 331.7gr

Mezcla Total 863gr 863gr 863gr

En las tablas 1, 2 y 3 se observa, los pesos para las sobras de mezcla (lo que no ingresa al molde); éstas

se utilizan nuevamente en la elaboración de otras briquetas del mismo tipo, debido a que el porcentaje de cada componente se mantiene. La manera de realizar la mezcla es sencilla, se necesita tener los componentes en los porcentajes indicados, homogenizarlos y luego agregar agua gradualmente hasta obtener una masa pastosa y homogénea (fotografía N°2).

Fotografía N°2. Elaboración de la briqueta Tipo 2, nótese sus componentes: RSO, cal y estiércol de cuy. 2.2. Compactación de la mezcla. En ésta fase del proyecto se diseñó y fabricó moldes de madera con alturas de 2.5”, 3.0” y 3.5” y de diámetros de 2.5”; 3.0” y 3.5“ (ver fotografía Nº 3), para garantizar la solidez de la masa compactada durante su extracción del molde, para ser pesado y transportado hacia el secado.

Fotografía N° 3. Moldes de madera con las cavidades para la elaboración de las briquetas Se usaron los aglomerantes y se empleo un bajo nivel de presión, el cual oscila entre (0.8 y 1.7)kPa, que es la fuerza ejercida por una persona promedio. De no haber usado aglutinantes se hubiese requerido de presiones altas (>5000 kPa), las cuales son


alcanzadas únicamente por maquinaria sofisticada y costosa.

Fotografía N° 4. Extracción de la briqueta húmeda compactada 2.3. Secado de las Briquetas. Las briquetas fueron secadas por convección libre (a la intemperie), durante ocho días de intenso sol, propio del mes de febrero. Lo ideal hubiese sido realizar el secado por convección forzado (secador o deshumedecedor), para evitar que durante la combustión la humedad sea el principal problema.

Fotografía N°5. Briquetas húmedas y secas; en el 2do. nivel del pabellón EAP-IMF, San Marcos. 2.4. Cálculo de la humedad de las briquetas La humedad eliminada durante el proceso de secado por convección libre, se calcula de la siguiente manera:

100% ×−

=Húmedo

SecoHúmedo

Peso

PesoPesoH

Tabla Nº 4. Pesos de briquetas húmedas

Briquetas TIPO 1 (RSO, estiércol de cuy y aserrín) Dimensiones (diámetro y altura en pulgadas)

2.5 3 3.5

Peso Promedio (gramos)

213.2 342.8 563.2

Briquetas TIPO 2 (RSO, estiércol de cuy, cal y aserrín) Dimensiones (diámetro y altura en pulgadas)

2.5 3 3.5


212.6 350.4 554.8

Briquetas TIPO 3 (RSO, estiércol de cuy y arcilla) Dimensiones (diámetro y altura en pulgadas)

2.5 3 3.5


214.0 354.7 531.3

Tabla Nº 5. Pesos de briquetas secas

Briquetas TIPO 1 (RSO 70%, estiércol de cuy 20% y aserrín 10% del peso) Dimensiones (diámetro y altura en pulgadas)

2.5 3 3.5


80.66 122.33 218.00

Briquetas TIPO 2 (RSO 70%, estiércol de cuy 20%, cal 5% y aserrín 5% del peso) Dimensiones (diámetro y altura en pulgadas)

2.5 3 3.5


85.00 137.66 217.00

Briquetas TIPO 3 (RSO 70%, estiércol de cuy 20% y arcilla 10% del peso) Dimensiones (diámetro y altura en pulgadas)

2.5 3 3.5


90.00 154.33 243.33

Las diferencias del porcentaje de humedad eliminada en cada tipo de briqueta corresponden a la diferencia en su composición de aglutinante no combustible (cal y arcilla). Esto quiere decir, que el tipo 1 requiere de menor cantidad de agua durante la elaboración a diferencia de los otros tipos que contienen aglutinantes que reaccionan de una manera particular con el agua, es el caso de la cal que eleva la temperatura del agua rápidamente al entrar en contacto.


Gráfico N°1. Diferencia de humedad de las briquetas durante el secado por convección libre 2.5. Densidad de las briquetas secas, se calcula con la simple relación de cociente entre la mas a de la briqueta y el volumen de esta. Las diferencias de la densidad son también resultado de la composición de cada tipo de briqueta, similar al caso de la humedad. Por ello se encuentra una relación inversamente proporcional entre estas variables (comparar gráfico N°1 y gráfico N°2). Es decir, mientras la briqueta de determinado tipo elimine mayor humedad menor será su densidad

Gráfico N° 2. Comparación de la densidad de cada tipo de briqueta 2.6. PERFORACIÓN DE LAS BRIQUETAS Las briquetas fueron perforadas luego del secado ya que cuando éstas se encontraban húmedas eran incapaces de resistir siquiera una púa o broca con diámetro inferior a un octavo de pulgada. En este proceso se utilizó un taladro de banco (vertical) con brocas de 3/16, 1/4, 5/16pulg de diámetro para cada tamaño de briqueta (2.5, 3 y 3.5pulg respectivamente).

Fotografía N° 6. Proceso de perforación de las briquetas secas. Los diámetros de las brocas fueron elegidos de tal forma que las briquetas soporten la perforación (se buscó el menor diámetro para este propósito) y que durante la quema aprovechen el aire que fluya por los orificios para evitar la falta de ingreso de aire (se buscó el mayor diámetro).

Tabla N°6. Peso promedio de las briquetas secas con agujeros (Peso real de las briquetas)

Dimensiones (diámetro y altura en pulg)

TIPO 1 (gr)

TIPO 2 (gr)

TIPO 3 (gr)

2.5 81.40 83.20 84.66 3.0 122.00 131.80 137.00 3.5 207.16 211.00 213.33

3. COMBUSTIÓN DE LAS BRIQUETAS Para que a un determinado material se le considere combustible en su composición debe contener cantidades de carbono e hidrógeno, similar a un hidrocarburo. El principal insumo de las briquetas como combustible lo constituyen los RSO, éstos poseen una relación hidrógeno-carbono H/C de 0.16, ligeramente mayor que el petróleo diesel 2 que es de 0.14; este parámetro es fundamental para garantizar la eficiencia de quemado de las briquetas como combustible. En el estudio experimental del proceso de combustión se emplearon los equipos e instrumentos siguientes: 01 termómetro, 01 pirómetro, 01 cronómetro, 01 tetera, 01 cocina no convencional portátil, 01 mesa, 01 regla graduada, 01 encendedor, 01 vaso pírex. El pirómetro, mide temperaturas superficiales de un sólido sin entrar en contacto con éste. Para obtener dichas temperaturas debemos digitar en él previamente, el factor de emisividad del material, el cuál es un número adimensional entre 0 y 1 que representa la razón de radiación de una superficie

Humedad de la briqueta eliminada durante el

secado

62.59

60.54

56.21

52

54

56

58

60

62

64

Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3

Briquetas

Hu

me

da

d E

lim

ina

da

(%)

0.50

0.53

0.58

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

0.60


Briquetas

De

ns

ida

d (

gr/

cm

3)


dada y la de un área igual de una superficie radiante ideal a la misma temperatura1.

Fotografía N° 7. Medición de la temperatura de la combustión de la briqueta con el pirómetro La emisividad para cada material se encuentra tabulada en manuales, de esta forma se tiene la emisividad para el aserrín (madera), arcilla y cal; pero no se logró hallar el factor de emisividad para el estiércol de cuy y los RSO. Lo que se hizo fue aproximar estos valores a otros ya conocidos, realizando una singular prueba, que consiste en incinerar un bloque de RSO, uno de estiércol de cuy y otro de aserrín al mismo tiempo. Como se posee la emisividad del aserrín o madera (0.9), se obtiene la temperatura de este bloque, luego con esta emisividad se mide las temperaturas de los otros bloques, obteniéndose una temperatura similar en el bloque de RSO y se alcanzó una mayor temperatura en el de estiércol de cuy, además este logró emitir calor radiante con mayor intensidad en comparación a los otros bloques. Así se estimó que el estiércol de cuy posee un factor de emisividad de 0.95 y los RSO de 0.90; para cada caso se compara con el valor del factor de emisividad del aserrín, tomando como valor de los límites del factor de emisividad para la madera. Tabla N° 5. Factor de emisividad de cada componente de las briquetas

COMPONENTE FACTOR DE EMISIVIDAD2

RSO RSO 0.90

Estiércol de cuy 0.95

Aserrín 0.903

Arcilla 0.856

Cal 0.914

Emisividad de cada tipo de briqueta, para ello se

1 Tomado de “Física Universitaria” Sears-Zemansky-Young-Freedman (Décimo Primera Edición) Vol I, pág. 68. 2 La emisividad generalmente se encuentra tabulada con dos dígitos decimales, el pirómetro también solicita la misma cantidad. 3 Dato proporcionado por www.pce_iberica.es. 4 Tomado de “Biblioteca del Ingeniero Químico” Robert Perry (Segunda Edición en español) Vol. III, pág. 10-52.

hace uso de la relación porcentual de cada componente y de su respectivo factor de emisividad, se tiene: Tipo 1:RSO 70%, estiércol de cuy 20% y aserrín 10%

90.01.09.02.095.07.09.01 =×+×+×=Tipoe Tipo 2: RSO 70%, estiércol de cuy 20%, aserrín 5% y cal 5%.

91.005.091.005.09.02.095.07.09.02 =×+×+×+×=Tipoe Tipo 3: RSO 70%, estiércol de cuy 20% y arcilla 10%

90.01.085.02.095.07.09.03 =×+×+×=Tipoe Las pruebas del proceso de combustión se realizaron en un ambiente donde existía flujo de aire controlado (velocidad < 4 m/s), lo contrario perturbaría el encendido de la briqueta e impediría el aprovechamiento eficiente del flujo de calor por convección libre hacia la tetera con agua. El proceso de combustión de las briquetas más pequeñas (de diámetro 2.5” y de altura 2.5” y las de diámetro 3.0” y de altura 3.0“), debido a que el calor emanado por éstas era muy pequeño y por que fueron agrietándose; se desecharon para las pruebas posteriores y sólo se tomo en cuenta las briquetas más grandes; es decir, las briquetas de 3.5” de diámetro y altura. Ensayos de combustión de las briquetas, consiste en combustionar dos briquetas de un mismo tipo para hervir 500ml de agua en una tetera usando sólo las briquetas de 3.5” de diámetro y 3.5” de altura. Las dos briquetas se ubican a una distancia de 4.4cm de la base de la tetera. Se utilizó una cocina no convencional que se ubicó a una distancia de 86cm del suelo (sobre la mesa). Esta cocina es comercial y especial para briquetas de carbón mineral o vegetal (fotografía 8). el agua hierve entre (30-45 minutos); las briquetas siguen quemándose durante 1h 40min aproximadamente


Fotografía N° 8. Cocina no convencional y combustión de las briquetas . 4. ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN DE LAS BRIQUETAS A continuación se presentan los gráficos construidos con los resultados obtenidos en los ensayos experimentales. 4.1. Generación de cenizas; en el gráfico N°4 se muestra que la ceniza de la briqueta tipo 3 es mayor que la ceniza del tipo 2 y tipo 1, esto se puede explicar por las razones siguientes: a) La briqueta Tipo 3 posee mayor proporción de

arcilla. Éste es un material cuya degradación (fractura microscópica) se produce a elevadas temperaturas (>900°C) y en prolongados tiempos. Es decir la arcilla no forma parte del proceso de combustión.

b) En el Tipo 2 la cal cumple una función similar a la arcilla.

c) En todos los tipos de briquetas el estiércol de cuy participa en la composición de las briquetas con el 20%, se apreció que se quema rápidamente para convertirse en carbón; particularmente en el tipo 1 y tipo 2, el aserrín se quema a bajas temperaturas (<350ºC) lo que origina que se incremente la ceniza ligeramente.

Gráfico N° 4. Variación de la generación de cenizas en las briquetas tipo 1, tipo 2 y tipo 3. El porcentaje de cenizas en todos los tipos de briquetas no debería ser superior al 20% de su peso

para evitar que parte de ella se convierta en un material volátil que sea transportado por el aire hacia el medio ambiente. 4.2. Variación de temperatura en función al tiempo de la combustión de las briquetas, se aprecia dos zonas de la a saber: ZONA 1. Variación de temperatura del proceso de combustión de las briquetas desde el minuto 3 aproximadamente hasta el minuto 20. Se muestra que la temperatura de la briqueta Tipo 1 es menor que le temperatura de combustión de briqueta Tipo 2 y esta a su vez es menor que la temperatura de la briqueta Tipo 3. Este fenómeno se produce debido a la presencia del aserrín, que en el Tipo 1 representa el 10% y esto produce la facilidad del punto de inflamación bajo, asimismo dicho punto se va incrementando en el Tipo 2 que posee 5% de aserrín y más aun en el Tipo 3 que posee 0% de aserrín. ZONA 2. Variación de temperatura del proceso de combustión de las briquetas desde el minuto 20 hasta el minuto 35. Se muestra que la tendencia en el comportamiento de la variación de la temperatura se invierte con respecto a la zona 1; este fenómeno se debe a las razones siguientes:

• Durante los ensayos experimentales se aprecia que se quema aproximadamente más del 60% de la cantidad de las briquetas.

• Debido a que la temperatura de combustión de la cal (óxido de calcio) se produce a temperaturas superiores a 1500ºC, en esta fase de temperatura la cal no se quema tan solo se calienta.

• De igual modo la arcilla se calienta y se quema por sectores logrando fragilizarse parcialmente (se desprende parcialmente), esto se debe a que la temperatura de la combustión de la arcilla es superior a 900ºC

Porcentaje de masa de briqueta obtenido como

ceniza

8.12

13.27

20.16

0

5

10

15

20

25


Briqueta

Po

rce

nta

je d

e

Bri

qu

eta

(%)


Gráfico N° 5. Temperatura de la combustión de las briquetas tipo1, tipo 2 y tipo 3, en función al tiempo Entonces debido a estos fenómenos térmicos simultáneos la temperatura se mantiene estable (posee una variación mínima en una rango de tiempo de 25 minutos) hasta que se logra hervir el agua. 4.3. Poder calorífico de las briquetas, para el cálculo se consideran el poder calorífico de cada componente de las briquetas y su respectiva densidad

Componente Poder Calorífico (KJ/Kg)

Densidad (ρρρρ) (gr/cm3)

RSO 15177 0.635

Estiércol de cuy

41006 0.309

Aserrín 13400 0.299

Cal No determinado

0.64

Arcilla No determinado

1.46

El poder calorífico es la cantidad de calor producido por un material (briqueta) durante su combustión y se calcula de la siguiente forma ver ecuación (1): El poder calorífico de la briqueta Tipo 2 que contiene cal en su composición en 5%, tiene menor poder calorífico, debido a que la cal se combustiona o se quema a temperaturas por encima de los 1500 grados y al combustionarse los RSO y el estiércol de cuy a temperaturas de (250 hasta 350)º centígrados

5 Datos hallados experimentalmente. 6 Se aproximó dicho valor

aproximadamente, la cal recién se está calentando. De igual modo la presencia de la arcilla origina la disminución del poder calorífico de la briqueta 3 (gráfico 6).

Gráfico 6. Poder calorífico de las briquetas

Fluctuaciones de la temperatura de cada tipo de briqueta con respecto al tiempo

107.5118.5

155

272

312302

135.6

218

256.2

179

249

220 227

293.5

89.2

284.8

268.5

86.3

142.2

257.2

290272

86

247

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35 40tiempo ( min )

Tem

pera

tura

(°C

)

TIPO 1 TIPO 2 TIPO 3

Poder Calorífico de cada tipo de Briqueta

13826

13029

10725

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000


Briquetas

Po

der

Calo

rífi

co

H (

KJ/K

g)

ZONA 1 I

ZONA 2

( )1....%...%%

%H...%H%HH

CompNCompN2Comp2Comp1Comp1Comp

CompNCompNCompN2Comp2Comp2Comp1Comp1Comp1Comp

×ρ++×ρ+×ρ

×ρ×++×ρ×+×ρ×=


De este gráfico se puede deducir que la briqueta tipo 1 es la que posee mayor poder calorífico que luego es comparada con otros combustibles y representa aproximadamente el 30% del poder calorífico del GLP y el 33% del poder calorífico del petróleo diesel 2.

Gráfico N° 7. Poder calorífico de la briqueta tipo 1, comprado con otros combustibles La briqueta de RSO tipo 1, tiene fácil encendido, su combustión es lenta y además se produce con material totalmente desechable (70% de RSO), lo que incrementa el interés de producir este tipo de combustible.

CONCLUSIONES 1. El tamaño óptimo de briqueta fue la de 3.5” de

diámetro y de altura. 2. El nivel de compactación de (0,80 hasta 1,70)

kPa, empleado para la elaboración de la briquetas tipo 1 y tipo 2, permitió mantener la forma compacta durante el secado, perforación y durante la combustión. El contenido de arcilla en la briqueta Tipo 3, perjudico su solidez.

3. La briquetas Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3 tienen (8, 13 y 20)% de cenizas respectivamente, debido a que poseen 0% arcilla, 5% de cal y 10% de arcilla respectivamente, lo que determinan que estas cenizas pueden ser utilizadas como fertilizante para terrenos agrícolas.

4. La densidad de las briquetas Tipo 1 es mayor en 10% a la densidad de la briqueta Tipo 2 y esta a su vez es mayor en 6% que la briqueta Tipo 3. Debido a la presencia en su composición de 10%, 5% y 0% de aserrín respectivamente.

5. El poder calorífico inferior de las briquetas Tipo 1 es de 13,826 KJ/Kg, del Tipo 2 de 13,029 KJ/Kg y del Tipo 3 es de 10,725 KJ/Kg. Esta variación se debe a la presencia en su composición de 10%, 5% y 0% de aserrín respectivamente y a la presencia del 5% de cal en la briqueta Tipo 2 y al 10% de arcilla en la briqueta Tipo 3, que no desprenden calor sino hasta después de los 500ºC. .

OBSERVACIONES 1. Las briquetas producen en su interior llama

amarilla; durante 10 minutos. 2. Las briquetas Tipo 2 producen o emanan humo

de color blanco (combustión fría) con intensidad

elevada y abundante y las de Tipo 1 producen humo de color azul no muy pronunciado (combustión teórica o estequiométrica); su acción sobre el olfato humano es mucho más irritante que el humo de la briqueta Tipo 2 y Tipo 3. Asimismo la briqueta Tipo 3 presentó al igual que el Tipo 2 humo color blanco de intensidad baja y en poca cantidad.

3. La briquetas Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3, demostraron fácil encendido y lo hacen rápidamente sin necesidad de aditivos

BIBLIOGRAFÍA

1. Sears & Zemansky “Física Universitaria”

Editoral Pearson, Décimo Primera Edición Vol. I, México 2004.

2. Perry, P; “Biblioteca del Ingeniero Químico” Editorial McGraw-Hill. Segunda Edición en español Vol. III, México 1986.

3. Marks “Manual del Ingeniero Mecánico” Editorial McGraw-Hill. Segunda Edición en español, México 1984.

4. Raymond A. & Otros. “Física para Ciencias e Ingeniería” Thomson Editores. Sexta Edición Vol. II, México 2005.

5. Incropera, F. “Fundamentos de Transferencia de Calor y Masa” Editorial Prentice Hall. Cuarta Edición, México 1999.

6. www.pce_iberica.es. AGRADECIMIENTO Los autores comprometen su agradecimiento al Programa de Iniciación Científica (PIC), dirigido por el Vice. Rectorado Académico de la Universidad Nacional Mayos de San Marcos de Lima-Perú

Comparación entre la briqueta Tipo 1 y los combustibles

convencionales

46100 43950 43400 3990033700

19250

42500

13826

0

10000

20000

30000

40000

50000

GLP Gasolina Querosene Diesel 2 GasNatural

Carbón demadera

Metanol Briqueta deRSO Tipo 1

Combustibles

Po

der

Calo

rífi

co

(K

J/K

g)


DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO AERODINÁMICO DE AEROGENERADOR A SOTAVENTO DE 80 W CON PALAS NO LINEALIZADAS

DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN AERODYNAMIC PROTOTYPE OF WIND TURBINE TO LEEWARD OF 80W WITH SPADES NOT LINEALIZADAS

José Aguilar, Ayala Marino, Saúl Vallejos, Rubén Marcos & Fernando Castillo ___________________________________________________________________________________

RESUMEN

A medida que aumenta la sobreexplotación de los diferentes recursos energéticos convencionales del planeta, y teniendo esto como consecuencia el próximo agotamiento de dichas fuentes, se hace cada vez más importante la búsqueda de fuentes alternativas de energía, como la energía eólica, principalmente en forma de aerogeneradores. Se buscó diseñar un prototipo de aerogenerador a sotavento de pequeña escala, con el objetivo de utilizarlo para investigación. Posteriormente al diseño, se procedió a la construcción del mismo, teniendo en cuenta parámetros tales como la resistencia de los materiales, fuerza, presión, torsión, entre otros; así como la mecánica de las palas y del viento. Además para garantizar la factibilidad económica, se usaron materiales cuyo costo no es muy elevado. ABSTRACT As it increases the overexploitation of the different energetic conventional resources of the planet, and having this as consequence the near depletion of the above mentioned sources, there becomes increasingly important the search of alternative sources of energy, as the wind power, principally in the shape of windmill. One sought to design a prototype of windmill to lee of small scale, with the aim to use it for investigation. Later to the design, one proceeded to the construction of the same one, bearing in mind such parameters as the resistance of the materials, force, pressure, twist, between others; as well as the mechanics of the blades and the wind. In addition to guarantee the economic feasibility, there were used materials which cost is not very high. ____________________________________________________________________________________

INTRODUCCIÓN

Un tipo de energía renovable como la energía eólica podría ser útil en lugares donde no es accesible la energía eléctrica de la red convencional, llámese centro poblados rurales generalmente alejados de las zonas urbanas. Sin embargo, al intentar utilizar este tipo de equipos en las zonas rurales, llegamos a otro inconveniente: que estos equipos (aerogeneradores) tienen precios muy elevados para nuestro medio. Por si fuera poco, es necesario un mantenimiento periódico del equipo y eventuales reparaciones, para esto, se requerirá de personal especializado, es decir, otro costo adicional elevado. Debido a estas causas, los aerogeneradores están poco difundidos en nuestro país.

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO

La gran mayoría de los aerogeneradores tienen un diseño a barlovento, mientras que en los aerogeneradores a sotavento el viento pasa por la góndola antes que por las palas, lo que causa un efecto de abrigo. Esto crea más cargas de fatiga en la turbina que con el diseño a barlovento. Sin embargo, los aerogeneradores a sotavento tienen como ventajas que la góndola se comporta flexiblemente, y que pueden auto dirigirse en dirección al viento, es decir, no necesitan un mecanismo de orientación. El método de diseño y posterior construcción del prototipo de aerogenerador a sotavento que ponemos en práctica tiene como base los puntos anteriormente citados, corregir las desventajas propias del modelo y hacer más notorias sus ventajas.


DELINEACIÓN DE OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL El objetivo de este estudio es diseñar y construir un prototipo experimental de un aerogenerador a sotavento de baja potencia que pueda competir con los estándares del mercado y a un bajo costo, con proyección a ser usado en el entorno rural de mayor necesidad en lo que refiere a energía eléctrica. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Desarrollar un método de diseño innovador que

compita con los estándares nacionales. 2. Aplicar la tecnología a la solución de problemas

de nuestro entorno social. 3. Un equipo experimental que brinde una máxima

versatilidad con mínimo mantenimiento. 4. Cuantificar las pérdidas en mecanismos y

componentes, desarrollando métodos para disminuirlas.

5. Encontrar un balance optimo para los materiales, estructura y diseñó de sistemas de generación eólico.

MARCO TEÓRICO

La metodología usada para el diseño de un aerogenerador a sotavento se puede dividir en 6 etapas: Diseño del Generador, Diseño de Palas, Diseño de la estructura principal, Diseño de la Tornamesa, Diseño de la Carcaza y Diseño de la Torre.

1. Diseño del Generador.

El generador, es de imanes permanentes, con un estator de 6 bobinas y un rotor compuesto de 2 platos con 8 magnetos cada uno (8 pares de polos). 1.1 Configuración del generador.

a) Estator.

El estator está conformado por un arreglo de 6 bobinas de cobre (AWG 14). El bobinado se ha configurado de tal forma que la corriente obtenida sea del tipo trifásica, ya que esta disposición presenta menos perdidas en una disposición de onda completa que un circuito monofásico. La conexión del bobinado se hizo mediante la configuración “estrella”, lo que facilita la generación de voltaje a bajas revoluciones, y por esta razón el generador va acoplado directamente al eje principal.

Figura N° 1: Esquema del bobinado con conexión “estrella”.

Las bobinas están ubicadas dentro de un plato circular de resina sólida de 36.5 cm de diámetro y 2.9 cm de espesor, con un agujero concéntrico de 13 cm, que permite el paso del eje del generador y sus tornillos de sujeción.

Figura N° 2: Vista del estator ya terminado.

Esta configuración, determina que la tensión en cada línea esté representada por la siguiente ecuación:

2

38=U BSN ………. (1)

Donde por cada rama, la tensión será el doble.

Figura N° 3: Tensión en cada línea.

b) Rotor. El rotor está compuesto de dos platos metálicos circulares de 30.8 cm de diámetro y de 6 cm de espesor, en los cuales se han fijado, mediante una capa de resina (1.26 cm), los 8 magnetos de ferrita CB 1862 de 2” x 2“ x 1”. Los magnetos son de grado 8 (3,850 GAUSS). Los platos magnéticos son los encargados de crear la


variación del campo magnético al girar, lo que inducirá una corriente en las bobinas del estator.

Figura N° 4: Vista de los platos magnéticos del rotor.

c) Eje del rotor.

Está compuesto de una barra sólida de 20 cm de longitud, soldada a un plato circular de 12.8 cm de diámetro, el cual tiene la función de sujetar los platos del rotor, a los cuales va fijado mediante 4 espárragos de acero. Su giro se da gracias al uso de 2 chumaceras que están sujetas a la estructura principal.

Figura N° 5: Eje de giro del rotor.

1.2 Cálculo de la superficie de inducción. Se considerará que la superficie de inducción es igual a el área de la cara del magneto perpendicular al campo. Esta suposición no es de todo correcta, debido a que las líneas de campo, en la periferia del área, no irán rectilíneamente de un magneto a otro, si no con cierta curvatura. Supondremos que esta consideración no generará mucha variación en la tensión inducida. La superficie de inducción será igual a:

S = a² = 0.0508² = 0.00258 m²

1.3 Cálculo del campo magnético uniforme B. Los parámetros de los que depende del campo magnético B creado entre los imanes, son principalmente la distancia entre imanes (35 mm en nuestro caso), la dimensión de un polo del imán (50.8 x 50.8 mm), la inducción remanente Br(t) característica del tipo de imán (0.385T) . Como se sabe el voltaje inducido se verá disminuido debido a la influencia de la resina que contiene al

bobinado y por el espacio de aire entre los magnetos y el estator. Mediante las pruebas experimentales, se encontrará que el campo resultante tendrá una merma de 18.5% (BNETO = 0.31378T).

1.4 Cálculo teórico de la tensión eficaz inducida

en una bobina. Primeramente calculamos la tensión o fuerza electromotriz inducida en la bobina con la siguiente expresión:

( ( ( ))2 2

p pe B S N sen t

ωω= × × × − …. ( 2)

Donde: e Fuerza electromotriz inducida (V). B(t) Inducción o campo magnético en función del

tiempo (t). S Superficie de una espira de la bobina

atravesada por el campo magnético (m2). N Número de espiras que constituyen una

bobina (número de vueltas). P Número de polos del rotor. ω Ángulo girado por el aerogenerador, además

se sabe que ω = ωt (rad). V Velocidad angular de giro del generador

(rad/s). t Tiempo transcurrido para girar un ángulo

(s). Debido a la disposición geométrica, la tensión inducida será función de la posición de cada bobina respecto a la de lo magnetos.

Figura N° 6: Posición de las bobinas del estator con

relación a los magnetos de rotor. Según la disposición mostrada en la figura y la fórmula de la ecuación 1, tendremos que las tensiones inducidas en cada bobina están dadas por:

)4()( 4,1 tBCostB ω= ……… . (3)

−=

3

2 4)( 5,2

πω tBCostB ………. (4)

+=

3

2 4)( 6,3

πω tBCostB ….……. (5)


Luego las tensiones inducidas en las 6 bobinas estarán dadas por:

)4( 44,1 tSenNSBe ωω= ………….. (6)

−=

3

2 4 45,2

πωω tSenNSBe ……….. (7)

+=

3

2 4 46,3

πωω tSenNSBe ……….. (8)

Finalmente, si expresamos la velocidad angular en función de las RPM, obtendremos que la tensión en una bobina está dada por:

215

2 n B S NU

π= ……….. (9)

Sustituyendo valores anteriormente hallados, tendremos que la tensión eficaz en cada bobina esta dada por:

U = 0.02398 n ……….. (10) 1.5 Cálculo de la tensión de salida rectificada del

generador. La corriente alterna trifásica de salida del generador se convierte en corriente continua utilizando dos rectificadores monofásicos de puente (Figura N° 1).

Por lo tanto, se puede afirmar que la tensión continua de salida del rectificador trifásico (VCC), sigue la siguiente expresión:

π

UVCC

23= ………. (11)

Luego, de reemplazando la ecuación 1, obtenemos:

π

ωBSNVCC

324= ………. (12)

Finalmente, si expresamos la velocidad angular en función de las RPM, obtendremos que la tensión en una bobina está dada por:

nBSNVCC 5

34= ………. (13)

Sustituyendo las constantes de la anterior mente halladas:

VCC = 0.11217 n………. (14)

Figura N° 7: Esquema de Disposición las partes del generador.

2. Diseño de Palas.

Para el diseño de las palas utilizaremos la llamada “Teoría Evidente”, que consiste en la fusión de 3 teorías:

- Teoría de la cantidad de movimiento axial. - Teoría de la cantidad de movimiento angular. - Teoría del elemento de pala.

Estas teorías tienen su fundamento en las Hipótesis de Rankine – Froude: a) Supone el aire como un fluido ideal sin

viscosidad, en todo el campo fluido, excepto en las proximidades muy cercanas al plano del rotor.

b) El movimiento del aire es subsónico y a muy bajos números de Mach.

c) El movimiento del fluido es estacionario o permanente.

d) No tiene en cuenta la rotación del rotor ni la de su estela.

e) Idealiza el rotor como integrado por infinitos álabes infinitamente delgados.

f) Las magnitudes empleadas son magnitudes equivalentes de su perfil de distribución en dicha sección.

Figura N° 8: Tubo de flujo y su distribución de presiones (F: Fuerza sobre el rotor)

El denominado Límite de Betz (1927) expresa lo siguiente:


"La máxima potencia que se puede obtener, en teoría, de una corriente de aire con una aeroturbina ideal nunca puede superar al 59,26% de la potencia del viento incidente."

Figura N°9: Esquema de distribución de velocidades

respecto a las palas. Luego de tener en cuenta todas estas consideraciones, se obtiene las siguientes ecuaciones:

V

rr

Ω=λ ………. (15)

[ ] )1(4

1)21(24)1(

122

=−

+−−−−

+rr

aaaaa

λλ

)'1('

)1(²

aa

aar

+

−=λ ………. (17)

)1('

)'1(²

aa

aaCot

−

+=φ ………. (18)

2.1 Algoritmo de Cálculo. De la ecuación (2), conocemos Ω velocidad angular(radio) y V (velocidad del viento); con

hallamos el valor de “ rλ ”; conocido este valor

calculamos [a] (coeficiente de velocidad inducida axial) en la ecuación (3), resolviéndola para cada radio “r” de la pala. Luego con la ecuación (4) hallamos el valor de [a’] (factor de velocidad inducida angular) y con los valores de [a] y [a’] calcularemos el valor de (ángulo formado por la velocidad resultante respecto del plano de rotación)


"La máxima potencia que se puede obtener, en teoría, de una corriente de aire con una aeroturbina ideal

superar al 59,26% de la potencia del

Esquema de distribución de velocidades

Luego de tener en cuenta todas estas consideraciones,

(15)

0=….. ( 16)

(17)

(18)

velocidad angular r (radio) y V (velocidad del viento); con estos valores

”; conocido este valor

calculamos [a] (coeficiente de velocidad inducida axial) en la ecuación (3), resolviéndola para cada radio “r” de la pala. Luego con la ecuación (4)

(factor de velocidad inducida angular) y con los valores de [a] y [a’]

(ángulo formado por la velocidad resultante respecto del plano de rotación)

utilizando la ecuación (5). Los cálculos los realizaremos para un incremento conde r. 2.2 Selección del perfil para las palas. En lo que respecta a la elección del perfil para nuestro rotor, debemos optar por aquellos de mayor eficiencia aerodinámica (Cl/Cd). Para ello buscaremos los que cumplan las siguientes condiciones: - El aumento del Cl hasta su valor máximo al

crecer en ángulo de ataque debe ser paulatino y no romper abruptamente.

- Se debe alcanzar una situación de compromiso entre el máxima área transversal necesaria para un óptimo rendimiento aerodinámico y la mínima que soporte los esfuerzos a los que está sometida la pala.

- Simplicidad de fabricación de la pala, íntimamente ligada al costo de la misma.

Teniendo en cuenta todo lo antedicho, resulta el más recomendado para este caso el perfil aerodinámico NACA 4412, para el cual su ángulo de ataque óptimo es de 4°, a este ángulo tenemos un valor de Cl = 0.9 y Cd = 0.065, con una eficiencia aerodinámica de Cl / Cd = 13.85.

Figura N° 10: Perfil NACA 4412.

Figura N° 11: Curva de performance del perfil

NACA 4412

2.3 Cálculo de esfuerzos y momentos. a) Cálculo del Esfuerzo Axial o Empuje (F Los cálculos responden a la integración numérica por intervalos (r) de los elementos de las ecuaciones obtenidas por la teoría del elemento de pala a lo largo

Página 39

utilizando la ecuación (5). Los cálculos los realizaremos para un incremento constante de radio

Selección del perfil para las palas.

En lo que respecta a la elección del perfil para nuestro rotor, debemos optar por aquellos de mayor eficiencia aerodinámica (Cl/Cd). Para ello buscaremos los que cumplan las siguientes

El aumento del Cl hasta su valor máximo al crecer en ángulo de ataque debe ser paulatino y

Se debe alcanzar una situación de compromiso entre el máxima área transversal necesaria para un óptimo rendimiento aerodinámico y la

ima que soporte los esfuerzos a los que está

Simplicidad de fabricación de la pala, íntimamente ligada al costo de la misma.

Teniendo en cuenta todo lo antedicho, resulta el más recomendado para este caso el perfil aerodinámico

, para el cual su ángulo de ataque óptimo es de 4°, a este ángulo tenemos un valor de Cl = 0.9 y Cd = 0.065, con una eficiencia aerodinámica de Cl /

Perfil NACA 4412.

Curva de performance del perfil

Cálculo de esfuerzos y momentos.

a) Cálculo del Esfuerzo Axial o Empuje (FA).

Los cálculos responden a la integración numérica por r) de los elementos de las ecuaciones

obtenidas por la teoría del elemento de pala a lo largo


del radio (R).

rcSenCCosCBVF dLrA ∆+=∆ )²(2

1φφρ ……. (19)

Donde CL y Cd son los coeficientes de sustentación y arrastre del perfil, respectivamente; , la densidad y B, número de palas. b) Cálculo del Torque (T0). Similarmente al cálculo anterior, el torque está dado por:

²)2)((²4

10 rrrCosCSenCcBVT dLr ∆+∆−=∆ φφρ .(20)

c) Cálculo del Esfuerzo Tangencial (FT).

Integramos la ecuación resultante de la teoría de los elementos de pala:

rcCosCSenCBVF dLrT ∆−=∆ )²(4

1φφρ …. (21)

d) Cálculo del Momento Aerodinámico (Mz).

El momento aerodinámico está referido a la

posición del centro aerodinámico del perfil.

rcCVM mrZ ∆=∆ ²²2

1ρ …. (22)

Todos estos valores calculados nos servirán a la hora de seleccionar los componentes que conformarán nuestro aerogenerador. e) Potencia Captada (P).

La potencia captada por cada anillo de espesor r de cada sección de pala, esta dado por:

²)2)((²4

1rrrCosCSenCcBVP dLr ∆+∆−Ω=∆ φφρ (23)

3. Diseño de la estructura principal y

tornamesa.

La estructura principal brindará sujeción al generador, el eje, a las palas, sistemas de rodamientos y carcaza. Está compuesta por una armadura hecha de tubo cuadrado de 1” y por ángulos “L” de la misma dimensión. La figura mostrada a continuación muestra los detalles.

Figura N° 12: Partes de la estructura principal y disposición de esfuerzos.

Leyenda

[1] Plato magnético del rotor. [2] Estator. [3] Chumaceras del eje del generador. [4] Espárragos de sujeción del estator. [5] Marco de soporte del generador. [6] Eje del rotor. [7] Acople de ejes (generador – eje principal). [8] Eje principal. [9] Armadura principal del aerogenerador.

[10] Chumacera del eje principal. [11] Cubo de las palas aerodinámicas.

La tornamesa, que será la encargada de facilitar el giro horizontal, esta compuesta de un rodamiento cónico SKF 353166 B/HA3 axial (que soportará la carga vertical) y dos rodamientos radiales de bolas de 40 mm de diámetro interno.

Figura N° 13: Vista en sección del sistema de giro

horizontal.


4. Diseño de la carcaza.

Debido a que la disposición del aerogenerador es a sotavento la carcaza ha sido diseñada teniendo en cuenta la influencia del viento. Se utilizó una carcaza aerodinámica como alternativa para atenuar los efectos de abrigo del viento y así lograr un régimen de velocidad estable que impacte sobre las palas. Su forma es de revolución, generada por la rotación (180°) de un perfil simétrico NACA 0024 alrededor de su cuerda. Las dimensiones de la carcaza son: ancho 47 cm y 196 cm de largo.

Figura N° 14: Coordenadas del perfil NACA 0024.

4.1 Orientación a la dirección del viento. El sistema de orientación usado es el de tipo pasivo. Esta forma de orientación es usada en los aerogeneradores que operan a sotavento (downwind), es decir, que el viento pasa primero por la torre antes de llegar a las palas. A causa de la localización del plano rotación de las palas a una distancia del centro de giro vertical, se generará un momento, que tiende a mantener al plano del rotor, siempre perpendicular a la dirección del viento. También contribuye a este momento la forma aerodinámica de la carcaza y el deflector del viento. El deflector de viento se implementó, debido a que este sistema de orientación tiende a generar perdidas en la eficiencia, debido a la creación de turbulencia (cuando el viento cruza la torre y va hacia las palas). Este fue diseñado en base a un perfil NACA 0024.

5. Diseño de la Torre.

La torre está conformada por un tubo de acero galvanizado de 7 m de largo, 3.5 pulgadas de diámetro y 5 mm de espesor. Dicho tubo es sostenido en posición vertical por 8 cables de acero de ½”.

Un sistema pivotante permite erigir la torre desde la posición horizontal. Dicho sistema está compuesto por un tubo solidario de 3.5 m de largo y 2 ¼” de diámetro, que está soldado y una estructura que sujeta el eje de pivote, el cual se encuentra empotrado en un cubo de concreto de 1 m³.

Figura N°15: Esquema del aerogenerador izado.

5.1 Elevación de la torre.

Según los estudios realizados para determinar el régimen de viento del punto donde se piensa instalar el aerogenerador (campus universitario de la U.N.M.S.M.), tenemos que: a una altura de 7 m el perfil de velocidad nos garantiza velocidades máximas de hasta de 6 m/s, por lo tanto, la elevación asumida de la torre es más que correcta.

5.2 Cálculo de esfuerzos. Para evitar en vuelco de la torre del aerogenerador, se deberá diseñar el sistema teniendo en cuenta la las cargas horizontales y verticales máximas. De dicho cálculo obtendremos las tensiones y resistencia mínimos que deberán tener los cables de anclaje. a) Fuerza Horizontal. El esfuerzo horizontal xF corresponde

principalmente al esfuerzo producido por el viento. Para calcularlo utilizamos la siguiente relación:

GÓNDOLAvPALASvTORREvx FFFF ++= … (24)

- Esfuerzo del viento sobre la torre:

8,3051kg81,473N2

2

=== TDTORREv LV

DCF ρ

Para obtener el resultado, primeramente se calculó el coeficiente de arrastre en función del número de Reynolds, para ello tenemos los siguientes datos: - Velocidad máxima del viento: V = 15 m/s. - Viscosidad cinemática: sm /1013,1 26−×=ν

- Densidad del aire: 3/225,1 mkgAIRE =ρ .

- Coeficiente de rugosidad para acero comercial mm045,0=ε

- Longitud de la torre: mLT 7= .


- Diámetro de la torre: D = 0,0889m. Reemplazando obtenemos: /Re == νVD

La relación 3105,0/ −⋅=Dε . Con los datos anteriormente hallados nos dirigimos a la Figura N° 16, de donde observamos que:

95,0=DC .

Figura N°16: Correlaciones de arrastre para un cilindro. - Esfuerzo del viento sobre las palas: Se halla usando la ecuación Esfuerzo Axial o Empuje (ecuación 19), obteniéndose:

13,8523892,135 == NvF PALAS

- Esfuerzo del viento sobre la góndola: Debido a que no existe una ecuación analítica con la cual podamos hallar el coeficiente de arrastre de la carcaza (superficie generada por la rotación del perfil NACA 0024 sobre su cuerda), se hizo una aproximación, considerando que esta poseerá un coeficiente similar al del cuerpo formado por una semiesfera-cono, como se muestra en la figura.

Figura N°17: Coeficiente de arrastre para un cuerpo formado por una semiesfera-cono.

Luego:

0,3347N2

2

===V

ACF wGÓNDOLAvρ

Donde: 22

0,3470m2

==d

A π

d: Espesor del perfil (0,47 m). Por tanto el esfuerzo horizontal total es:


Diámetro de la torre: D = 0,0889m.

61018,1 ⋅= .

Con los datos anteriormente hallados nos dirigimos a la Figura N° 16, de donde observamos que:

Correlaciones de arrastre para un cilindro.

usando la ecuación Esfuerzo Axial o Empuje

kg 13,8523

Esfuerzo del viento sobre la góndola:

Debido a que no existe una ecuación analítica con la cual podamos hallar el coeficiente de arrastre de la

icie generada por la rotación del perfil NACA 0024 sobre su cuerda), se hizo una aproximación, considerando que esta poseerá un coeficiente similar al del cuerpo formado por una

cono, como se muestra en la figura.

e arrastre para un cuerpo formado por

0,0341kg=

Por tanto el esfuerzo horizontal total es:

0,034113,85238,3051 ++=xF

Para obtener la tensión máxima de los cables que sujetan el aerogenerador debemos asumir que el viento tiene la misma dirección que el plano que forman un par de estos cables con la torre.

Figura N°18: Fuerzas horizontales sobre la torre. Como el sistema está en equilibrio estático, la suma de fuerzas y la suma de momentos respecto a la base de la torre deben ser nulas.

0=∑ xF ….

13,85238,305121 +=+ xx TT

…. (26)

∑ = 0M ….

(8,3051))(5,3(28,519,2 +=+ xTxT

…. (28)

Resolviendo el sistema:

kg 0,8408 21 ∧= xx TT

Luego, usando la relaciones trigonométricas obtenidas del gráfico, las tensiones

kg 1,0919 21 ∧= TT b) Esfuerzo Vertical.

yy TTF 1AEROGTORRE PP +++=

- Peso de la Torre: Siendo aρ la densidad del acero = 7850kg/m

(0,0445 m) y r (0,0395 m) los radios exteriores e interior respectivamente y mLT 7=

esfuerzo vertical sobre la torre está dado por:

Página 42

kg 22,19150,0341 =

Para obtener la tensión máxima de los cables que sujetan el aerogenerador debemos asumir que el viento tiene la misma dirección que el plano que forman un par de estos cables con la

Fuerzas horizontales sobre la torre.

ema está en equilibrio estático, la suma de fuerzas y la suma de momentos respecto a la base de la torre deben ser nulas.

(25)

0,034113,8523+

(27)

)0,03417)(13,8523( +

kg 21,3507=

Luego, usando la relaciones trigonométricas obtenidas del gráfico, las tensiones 1T y 2T :

kg324.14=

yT2 …. ( 29)

la densidad del acero = 7850kg/m3, R

(0,0445 m) y r (0,0395 m) los radios exteriores e m , tendremos que el

está dado por:


72,4185kg)( 22 =−=⋅= TaaTORRE LrRVolP πρρ

- Peso del aerogenerador: Estará compuesto por 5 componentes, que se muestran en la tabla a continuación:

Peso de la carcaza 27.04 kg Peso de las palas 10.06 kg Peso del generador 25.19 kg Peso de la estructura 16.91 kg Peso de la tornamesa 8.02 kg

Total 87.22 kg - Tensión de los cables:

Luego de haber hallado T1 y T2 hallamos las tensiones verticales T1y y T2y:

kg3812.53Tkg6967.0T y2y1 =∧=

Por tanto:

kg 716.251

3812.356967.022.872,4185

=

+++=

y

y

F

F

6. Circuito de control y acumulación de energía.

El circuito de acumulación de energía está constituido por una batería de 12V automotriz, la cual es cargada por la corriente alterna del generador, luego de ser convertida a continua por dos rectificadores puente monofásicos.

La topología usada es la “Online”, esta se caracteriza fundamentalmente por que la corriente alterna que sale del generador es llevada a continua e y suministra energía a la red y a batería para cargarla. La protección de la batería y la red se realiza mediante un regulador de carga.

Figura N°19: Sistema de control y acumulación de

energía.

RESULTADOS

Los parámetros de análisis usados para el de diseño de las palas aerodinámicas del aerogenerador, se muestran en la siguiente tabla:

Parámetros Magnitud Unidad Potencia de diseño 100 W Coeficiente de potencia (Cp) 0.3905 # Velocidad de diseño 5.5 m/s Eficiencia del generador 80% % Densidad del aire 1.225 kg/m³ Diámetro del rotor 2 m Perfil aerodinámico 4412 NACA Relación Cd/Cl mínima 0.0722 # Ángulo de ataque óptimo 4° # Cl óptimo del perfil 0.9 # Cd óptimo del perfil 0.065 # Posición relativa del C.A. 25%C # Velocidad específica 5 # Número de palas 3 # Velocidad angular del rotor 27.5 Rad/s RPM de giro del rotor 262.61 r.p.m. N° de secciones analizadas 100 # Intervalo entre secciones 0.01 m

El resultado obtenido, se fundamenta en el análisis de 100 secciones a lo largo de la longitud de la pala, todas ellas con un intervalo de 0.01 m. La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos con el procedimiento de integración por secciones, plasmado en las ecuaciones 15 al 23.

Parámetros Magnitud Unidad Esfuerzo axial 18.27 N Esfuerzo tangencial 2.52 N Momento normal al rotor 0.26 N-m Torque generado por el rotor 2.62 N-m Potencia del viento 221.45 W

Se determinó que el torque máximo de arranque asciende a 0.23 N-m; y durante las pruebas experimentales se hallaron los parámetros mostrados en la tabla a continuación.

VVIENTO (m/s)

Voltage AC (V)

RPM Potencia

(W)

3.5 5.96 167 16.71 4.0 7.87 191 24.95 4.5 9.79 215 35.52 5.0 11.71 239 48.72 5.5 13.63 263 64.85 6.0 15.54 286 84.20 6.5 17.46 310 107.05 7.0 19.38 334 133.70

La siguiente figura nos muestra una relación lineal entre la velocidad del viento y las RPM del eje de giro del rotor.


Figura N°20: Velocidad del viento vs RPM del

rotor. Los resultados obtenidos para la potencia de salida del aerogenerador versus las RPM de giro del rotor se muestran en la siguiente figura.

Figura N°21: Velocidad del viento vs RPM del

rotor.

CONCLUSIONES

1. Los resultados mostrados están basados en cálculos teóricos y pruebas experimentales de campo.

2. La potencia eléctrica neta obtenida del viento

estará en función de la eficiencia aerodinámica de las palas y del detalle de su construcción.

3. La comparación entre los resultados teóricos y

los obtenidos en el campo, muestran una baja eficiencia en lo que refiere al aprovechamiento de la energía del viento, debido fundamentalmente a la baja eficiencia del generador.

4. La baja eficiencia se debe en gran parte a la

disminución del campo generado por los magnetos al momento de atravesar la capa de resina del estator. En el futuro deberá hacerse un diseño que contemple un mínimo espesor de la

capa de resina, sin comprometer la integridad estructural del estator.

5. Otra causal de la baja eficiencia, pero en menor escala, vendría a ser las pérdidas mecánicas que se dan, a causa de las fuerzas de fricción en los rodamientos. Por ello su selección y mantenimiento son muy importantes.

6. El diseño basado en el enfoque teórico –

experimental arroja las siguientes características:

- Diámetro del rotor: 2 m. - Palas aerodinámicas: 3 palas. - Perfil aerodinámico NACA 4412 - Potencia nominal, 133.7 W. - Velocidad nominal de viento: 7 m/s. - Velocidad nominal del rotor: 334 rpm. - Generador de acople directo al rotor. - Generador trifásico de imanes permanentes,

Ferrita (grado 8). - Ocho pares de polos en conexión en estrella.

RECOMENDACIONES 7. La instalación del aerogenerador, deberá hacerse

en lugares donde el recurso eólico sea abundante, recomendándose velocidades promedio de 6 m/s.

8. Al ser un prototipo, el costo del aerogenerador

ya instalado es considerable, superando incluso a algunos modelos más eficientes y pequeños.

9. Se requieren más estudios para verificar la

influencia de la carcaza aerodinámica sobre la eficiencia del sistema.

BIBLIOGRAFÍA

1. Abbot – Ira H. Dover, “Theory of Wing

Sections”, P. 693. Publications INC. 1959, New York.

2. Fred E. Weick, “Aircraft Propeller Design”; P.

293. Mc GRAW – HILL, 1980, New York. 3. R. Bastianon, "Energía del viento y diseño de

Turbinas Eólicas", 1992, Ed. Tiempo de Cultura, Buenos Aires, Argentina.

4. Windpower Workshop; P 150. The Centre for

Alternative Technology Machynlleth, UK 1997. 5. Bradley I.L., “The Alternator Secrets”; P 16.

Lindsay Publications Inc. 1986.


SOBRE EL PROBLEMA DE ESTIMAR LA FUERZA DE PULSACION EN LA FRECUENCIA DE PASO DE LOS ALABES DE UN VENTILADOR CENTRIFUGO

TO A PROBLEM ON ESTIMATE OF PULSATION FORCE ON FREQUENCY OF FOLLOWING OF ROTOR BLADINGS IN A CENTRIFUGAL FAN

M. A. Ormeño Valeriano, E. N. Vlasov

________________________________________________________________________________________

RESUMEN En el presente trabajo de investigación veremos las formas de reducir la fuerza de pulsación que se origina por interacción de los alabes de trabajo y la lengüeta del caracol del ventilador. Para ello se propone una relación para la estimación previa de la fuerza de pulsación.

ABSTRACT

In this work is considered the ways of lowering of pulsation force of a rotor blading and tongue of a centrifugal fan. The dependence for tentative estimation of pulsation force is offered. ______________________________________________________________________________________ A continuación daremos a conocer algunos de los métodos de cómo influir en el flujo de fluido en la región de la lengüeta y su significado físico:

1. El generador de torbellinos (obstáculos) se usa como guía de energía que se recoge del flujo externo hacia la capa limite y es utilizado principalmente para gobernar el flujo que ya se ha desprendido en la zona del difusor, más no para evitar el desprendimiento.

2. Los grandes torbellinos son reducidos de tamaño con la ayuda de mallas, en la formula el radio del torbellino esta con exponente cuatro y a pesar que la frecuencia se incrementa se logra una disminución del ruido. Por otro lado la intensidad del torbellino es menor al tener la presencia de la malla. La malla es una medida de prevenir el desprendimiento, la cual actúa como un medio de efecto estabilizador del flujo. Esto significa que en primer lugar actuamos sobre el flujo estabilizándolo siendo secundarios los efectos resultantes.

2244 frvBW ⋅⋅⋅⋅= ε

W- potencia acústica; B- coeficiente de proporcionalidad; v- velocidad del flujo en la malla; r- radio promedio del torbellino que se desprende del perfil; ε- Intensidad del torbellino; f- frecuencia característica del

torbellino. 3. La succión de aire de la capa limite en toda

la longitud de la lengüeta n permite quitar partículas de baja velocidad, antes que suceda el desprendimiento.

4. La utilización de lengüetas de materiales porosos que poseen características de aislante y absorbentes contra la vibración

Se conoce de [1] que. La presión acústica en la frecuencia de paso de los alabes es:

)(2

sin2

sin76,396

1 21

1

Sr

F

TP ∆⋅⋅⋅

⋅

Σ⋅= λ

ϖτϖτ

τ

Donde la fuerza F está compuesta de dos fuerzas IFFF +=Σ , donde la fuerza IF considera la

influencia del canal en forma de difusor entre la zona AA y BB (fig. 1), esta fuerza se presenta considerando el desfase del flujo a través del ecuación de cantidad de movimiento y depende de la efectividad del flujo del fluido en el difusor, y deberá considerar los cambios estructurales que son tema de investigación de los ensayos. La ecuación para evaluar la fuerza de pulsación en la frecuencia de paso de los alabes deberá considerar el caudal del fluido. De [2] tenemos

)(cos)( 222222 uaactBctA ccmcmcmPPf −=⋅⋅−⋅=− α


f- Área de la sección del caracol en el lugar de encuentro de los flujos.

fig.1 Ducto del ventilador centrifugo

BIBLIOGRAFIA

1. Compendio Técnica Científico 2. Problemas ecológicos en la industria del Gas/ Sociedad anónima “GASPROM”.- Moscú., 1997

2. Ivanov O. P., Manchenko B. O. Aerodinamica y Ventiladores., Mashinostroenie. 1986



Documents

REVISTA CIENTIFICA CEDIT - UNMSMunmsm.edu.pe/cedit/linked/revista cientifica cedit - 2007.pdfE.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos UNMSM Ciudad Universitaria Av. Venezuela Cdra. 34