desarrollo de una nueva cocina mejorada para leña

desarrollo de una nueva cocina mejorada para leña

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
“DESARROLLO DE UNA NUEVA COCINA MEJORADA
PARA LEÑA BASADA EN EL PRINCIPIO DE
GASIFICACIÓN DE FLUJO CRUZADO NATURAL”
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO
POR:
CAMILA GARAY CASTRO
CARLOS EDGARDO GUEVARA CERNA
JORGE ALEXANDER SORTO MACHADO
OCTUBRE 2008
ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.
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RECTOR
JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J.
SECRETARIO GENERAL
RENÉ ALBERTO ZELAYA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
MARIO WILFREDO CHÁVEZ
DIRECTOR DEL TRABAJO
HERBERT E. SCHNEIDER
LECTOR
ISMAEL ANTONIO SANCHEZ
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RESUMEN EJECUTIVO
En los últimos años del siglo XX, la humanidad ha tomado una mayor conciencia del
rápido agotamiento de los combustibles fósiles en el planeta, de los peligros de la
contaminación ambiental (cambios climáticos) y de la necesidad de mejorar todos los
procesos de conversión energética (ahorro energético) así como de la potenciación del uso
de las energías renovables como un recurso energético a largo plazo.
Surge así el concepto de desarrollo sostenible, y en particular a lo que energía se refiere,
este se define como aquel desarrollo capaz de satisfacer las necesidades de la presente
generación sin limitar las posibilidades de toda generación futura para satisfacer las suyas.
En ese contexto, el desarrollo de formas mejoradas de aprovechamiento energético ha
tomado un gran auge a nivel mundial, convirtiéndose en motivo de investigación en muchas
regiones de los distintos continentes. En la región Latinoamericana, particularmente, se ha
podido presenciar un notable crecimiento en aquellos proyectos que buscan ofrecer una
alternativa viable en lo que se refiere al uso de biocombustibles para diversas aplicaciones.
Tanto en países desarrollados como en aquellos con menos trascendencia en su desarrollo
tecnológico, se observa el fenómeno de una “revolución” en el campo de las estufas
eficientes de biocombustibles, que ha llevado a desarrollar varias generaciones de estas
tecnologías. En la región, se cuenta con numerosos modelos de diseño robusto y de bajo
costo los cuales operan con biomasa y brindan ahorros sustantivos de dicho combustible y
reducciones muy significativas de contaminación de interiores. Estos modelos han logrado
adaptarse tanto al medio rural como al urbano, convirtiendo así a la biomasa en una fuente
de soluciones energéticas eficientes que permitan nuevas concepciones económicas de su
aprovechamiento.
La biomasa sólida, antes destinada principalmente para aplicaciones térmicas más o menos
convencionales, ha sido incluida también en
un grupo de tecnologías más recientes
vinculadas a la aparición de nuevas técnicas de transformación que han alcanzado un mayor
i
nivel de madurez en los últimos tiempos. Entre estas nuevas tecnologías disponibles puede
citarse como fórmula más destacable la de la gasificación de la biomasa, la cual constituye
las bases del modelo que en el presente trabajo de graduación es desarrollado.
En el primer capítulo del trabajo son abordadas generalidades de la investigación como son
la definición del problema, objetivos, alcances, antecedentes y limitaciones. Estos objetivos
enmarcan la razón de ser y hacer del proyecto, y propician una orientación a resultados
alcanzables y los conocimientos que a estos acompañan. También son enfatizados en este
capítulo aspectos relevantes de la realidad nacional referidos a la utilización de la leña, la
cual constituye la fuente de combustible del prototipo que aquí fue construido.
En el segundo capítulo, son expuestas todas las etapas de desarrollo por las cuales ha
atravesado el proceso de gasificación. Proceso que se define en forma extensiva pues
representa el principio de funcionamiento del prototipo de gasificador que para el caso ha
sido desarrollado. También son descritas las aplicaciones más comunes de esta tecnología,
las técnicas de operación de los sistemas de gasificación, el proceso de gasificación desde
un punto de vista más científico, y finalmente, los tipos de gasificadores y las ventajas y
desventajas que ellos presentan.
El tercer capítulo detalla el diseño de los elementos del gasificador, e incluye de manera
introductoria una breve descripción del modelo de estufa desarrollada por el Instituto
Tecnológico de Asia; estufa que vino a establecer los cimientos de diseño para el prototipo
que aquí se somete a pruebas. Se justifican los criterios de diseño de cada componente de la
estufa o gasificador construido, así como referencias al porqué de muchos aspectos de
diseño tomados en cuenta para conseguir un buen funcionamiento en el prototipo.
El cuarto capítulo contiene la totalidad de los procesos seguidos en la manufactura del
prototipo. Son descritas desde las etapas de inicio de construcción de los componentes, los
métodos de manufactura usados en el transcurso de las mismas, los materiales que fueron
empleados; para finalmente llegar a una etapa de modificación en la cual se justifica el
porqué de estos cambios.
ii
El quinto capítulo presenta lo que concierne a la etapa de pruebas realizadas en el prototipo
de gasificador de flujo cruzado natural desarrollado. Inicialmente se reportan las pruebas de
funcionamiento, las cuales tenían como objetivo principal la verificación del correcto
comportamiento y operación de cada uno de los componentes.
Todo esto bajo las
condiciones controladas que debían seguirse en las pruebas de eficiencia que
posteriormente serían efectuadas, sin dejar de un lado las variantes en los tamaños de
combustible y tamaño de olla que serían incluidas en algunas de esas pruebas.
El reporte de las pruebas de eficiencia, que constituye la otra gran parte de este capítulo,
inicia con la descripción del tipo de prueba de eficiencia seleccionada, las preparaciones
que ésta exige, el protocolo a seguir en ella, parámetros medibles y equipo utilizado en las
pruebas realizadas, criterios de evaluación considerados y como último apartado las
descripciones una a una de estas pruebas de eficiencia; descripciones que comentan las
eficiencias térmicas obtenidas, todas las observaciones mayores de los ensayos así como un
análisis y hallazgos en cada uno de ellos. El comportamiento general mostrado por el
gasificador también es tratado en estos reportes.
Este quinto capítulo tiene como finalidad establecer si el gasificador propuesto posee
ventajas reales para un proceso de cocción de alimentos a una escala industrial, o incluso
tener un indicio si es viable para otro tipo de aplicaciones para las que pudiera adecuarse en
un futuro.
Las conclusiones presentadas en el capítulo seis están fuertemente respaldadas por los
resultados obtenidos en las pruebas anteriores e intentan reflejar el éxito conseguido en el
cumplimiento de los objetivos planteados al inicio de la investigación. A grandes rasgos, se
busca condensar aspectos concluyentes de la operación del gasificador; todo esto con miras
a seguir realizando implementaciones, como algunas de las mencionadas en el capítulo
siete que precisamente corresponde al apartado de recomendaciones de este trabajo de
graduación.
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v
INDICE
RESUMEN EJECUTIVO…………………………………………………………...……… i
ÍNDICE DE FIGURAS...…………………………………………………………………...ix
ÍNDICE DE TABLAS……………..……………………………………………………….xi
ÍNDICE DE GRÁFICOS……………………………………………………….……. …..xiii
ÍNDICE DE ECUACIONES………………………………………………………………xv
PRÓLOGO……………………………………………………………………………….xvii
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES ......................................................................................1
1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................1
1.2 OBJETIVOS .................................................................................................................1
1.2.1 OBJETIVO GENERAL.........................................................................................1
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................2
1.3 ALCANCES .................................................................................................................2
1.4 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN .....................................................................3
1.5 LIMITACIONES ..........................................................................................................5
CAPÍTULO 2: PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN GASIFICADOR .............7
2.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................7
2.2 APLICACIONES COMUNES .....................................................................................9
2.3 ALGUNAS DEFINICIONES.....................................................................................10
2.4 EL PROCESO DE GASIFICACION .........................................................................12
2.4.1 TERMOQUÍMICA DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN...............................12
2.5 TIPOS DE GASIFICADORES ..................................................................................15
2.5.1 EL GASIFICADOR DE CAMA FIJA ................................................................16
2.5.2 EL GASIFICADOR DE CAMA FLUIDIZADA. ...............................................20
2.5.3 EL GASIFICADOR DE “FLUJO ARRASTRADO”..........................................20
2.6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS SEGÚN EL TIPO DE GASIFICACION..............21
CAPÍTULO 3: DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DEL GASIFICADOR...........................23
3.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................23
3.2 CARACTERISTICAS DEL MODELO ORIGINAL................................................24
3.2.1 CÁMARA DE COMBUSTIBLE ........................................................................24
3.2.2
CÁMARA DE REACCIÓN .............................................................................25
v
3.2.3 ENTRADA DE AIRE PRIMARIO................................................................... 26
3.2.4 CÁMARA DE COMBUSTIÓN......................................................................... 26
3.2.5 SOPORTE DE OLLA ........................................................................................ 26
3.3 DISEÑO DE MODELO CONSTRUIDO .................................................................. 27
3.3.1 DISEÑO DE LA CÁMARA DE REACCIÓN ................................................... 27
3.3.2 DISEÑO DE LA CÁMARA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE ..... 29
3.3.3 DISEÑO DE LA BOQUILLA DE ADMISIÓN DEL AIRE PRIMARIO ......... 30
3.4 DISEÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN .................................................... 31
3.5 DISEÑO DEL SOPORTE DEL CALENTADOR..................................................... 32
CAPITULO 4: METODOLOGIA DE CONSTRUCCION DE LOS ELEMENTOS DEL
GASIFICADOR DE FLUJO CRUZADO ........................................................................... 35
4.1 PROCESO DE MANUFACTURA DEL PROTOTIPO.......................................... 35
4.1.1 BOSQUEJOS PRELIMINARES CÁMARA DE COMBUSTIBLE, TOLVA
ADMISIÓN AIRE PRIMARIO Y CÁMARA DE COMBUSTIÓN........................... 35
4.1.2 CONSTRUCCIÓN CÁMARA DE REACCIÓN ............................................. 36
4.1.3 RECUBRIMIENTO DE LA CÁMARA DE REACCIÓN ................................ 38
4.1.4 CONSTRUCCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIBLE....................................... 39
4.1.6 CONSTRUCCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN ......................................... 43
4.1.7 CONSTRUCCIÓN DE COMPUERTA DE ACCESO A LA ZONA DE
DEPÓSITO DE CENIZAS Y BANDEJA DE REMOCIÓN DE CENIZAS .............. 45
4.1.8 CONSTRUCCIÓN CONJUNTO SOPORTE DE OLLA.................................. 46
4.2 IMPLEMENTACIONES HECHAS AL MODELO ORIGINAL ............................. 48
4.2.1 CAMBIO EN EL DISEÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ............... 48
4.2.2 COLOCACIÓN DE VARILLAS EN LOS EXTREMOS DE LA CÁMARA DE
REACCIÓN ................................................................................................................. 50
4.2.3 USO DE SOLDADURA MIG ........................................................................... 51
4.2.4 AISLAMIENTO CÁMARA DE REACCIÓN Y CÁMARA DE
COMBUSTIÓN ........................................................................................................... 51
CAPÍTULO 5: PRUEBAS REALIZADAS EN MODELO CONSTRUIDO...................... 53
5.1 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 53
5.2.3 PRUEBA DEL COMPORTAMIENTO DE DISPOSITIVO DE ENTRADA DE
vi
AIRE PRIMARIO Y ÁLABES FIJOS EN CÁMARA DE COMBUSTIÓN. .............58
5.3 PRUEBAS DE EFICIENCIA.....................................................................................64
5.3.4
EQUIPO UTILIZADO .................................................................................71
5.3.5 CRITERIOS A EVALUAR.................................................................................72
5.4 DESCRIPCIÓN DE PRUEBAS.....................................................................................75
5.4.2 CATEGORIA: PRUEBAS CORRESPONDIENTES A BÚSQUEDA DE
MEJOR TAMAÑO. UTILIZACIÓN DE 5, 10, 15 CENTÍMETROS. (E15, E10, E5)
......................................................................................................................................77
5.4.3 CATEGORIA: PRUEBAS HACIENDO USO DEL MEJOR TAMAÑO DE
LEÑA SELECCIONADO (EMT) ................................................................................80
5.4.6 CATEGORIA: PRUEBA DE EFICIENCIA CON RECARGA (ER)................85
5.4.7 CATEGORIA: PRUEBAS DE VERIFICACIÓN DE ADECUADO
FUNCIONAMIENTO CON APARATO DE MEDICIÓN HYDRA (VHY) ..............87
5.4.8 CATEGORIA: PRUEBA DE EFICIENCIA CON MEDICIONES DE
TEMPERATURA (EHY) .............................................................................................88
5.4.9 CATEGORIA: PRUEBA REALIZADA CON VIRUTA (Código: Viruta) ......91
5.4.10 CATEGORIA: PRUEBA QUE INVOLUCRA LA COCCIÓN DE
ALIMENTOS (Código: Cocción) ................................................................................92
5.4.11 RESUMEN DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS .........................................94
5.4.12 RESUMEN DE EFICIENCIAS EN PRUEBAS ...............................................95
CONCLUSIONES ................................................................................................................97
RECOMENDACIONES.......................................................................................................99
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................103
ANEXOS
ANEXOS A. HOJA DE TOMA DE DATOS
ANEXOS B. TABLA DE RENDIMIENTOS DE GASIFICADOR IGS-2 (INSTITUTO
TECNOLÓGICO DE ASIA)
ANEXOS C. PRESUPUESTOS GENERALES DE FABRICACIÓN
ANEXOS D. IMÁGENES DE PRUEBAS REALIZADAS
ANEXOS E. PLANOS CONSTRUCTIVOS
vii
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1
Etapas de la gasificación ...............................................................................14
Figura 2.2
Cuadro comparativo entre los distintos tipos de gasificadores ....................15
Figura 2.3
Diferentes zonas de reacción para un gasificador de tipo updraft.................17
Figura 2.4
Diferentes zonas de reacción para un gasificador de tipo downdraft ...........18
Figura 2.5
Diferentes zonas de reacción para un gasificador de tipo crossdraft ............19
Figura 3.1
Configuración del gasificador IGS-2 ............................................................24
Figura 3.2
Configuración de los ladrillos refractarios de la cámara de reacción ...........27
Figura 3.3
Placas cámara de reacción.............................................................................28
Figura 3.4
Armadura de cámara de reacción ..................................................................28
Figura 3.5
Cámara de alimentación de combustible.......................................................29
Figura 3.6
Detalle del sello de agua ...............................................................................30
Figura 3.7
Esquema de funcionamiento del sello de agua .............................................30
Figura 3.8
Tolva de admisión de aire primario ..............................................................31
Figura 3.9
Cámara de combustión..................................................................................32
Figura 3.10
Conjunto de soporte de olla...........................................................................33
Figura 3.11
Plato difusor de calor ....................................................................................33
Figura 3.12
Esquema de funcionamiento del conjunto plato difusor y funda de olla ......33
Figura 4.1
Bosquejo de la cámara de combustión ..........................................................35
Figura 4.2
Bosquejo de de tolva de admisión de aire primario ......................................35
Figura 4.3
Bosquejo cámara de combustible..................................................................36
Figura 4.4
Ladrillos de tipo refractario...........................................................................37
Figura 4.5
Disposición de los ladrillos para fijación de estructura metálica ..................37
Figura 4.6
Esparcimiento de capa de cemento refractario..............................................37
Figura 4.7
Armazón metálico de cámara de reacción.....................................................38
Figura 4.8
Área de remoción de cenizas.........................................................................38
Figura 4.9
Acople metálico para cámara de reacción.....................................................39
Figura 4.10
Patas soldadas a la cámara de reacción .........................................................39
Figura 4.11
Diseño preliminar de cámara de combustión para ensamblarse directamente
a cámara de reacción .....................................................................................39
ix
Figura 4.12
Base de cámara de combustible.................................................................... 40
Figura 4.13
Cámara de combustible................................................................................. 40
Figura 4.14
Parrilla removible ......................................................................................... 40
Figura 4.15
Tapadera de cámara de combustible............................................................. 41
Figura 4.16
Humo debido a un mal sellado en la parte superior de la cámara de
combustible................................................................................................... 41
Figura 4.17
Sello de agua................................................................................................. 41
Figura 4.18
Tolva de admisión de aire primario .............................................................. 42
Figura 4.19
Válvula de mariposa ..................................................................................... 42
Figura 4.20
Sistema de regulación de aire primario......................................................... 42
Figura 4.21
Empaquetadura de asbesto y capa de silicone .............................................. 43
Figura 4.22
Cámara de combustión preliminar................................................................ 44
Figura 4.23
Entradas de aire secundario .......................................................................... 44
Figura 4.24
Bandeja de remoción de cenizas................................................................... 45
Figura 4.25
Mango disipador de calor ............................................................................. 45
Figura 4.26
Soporte de olla .............................................................................................. 46
Figura 4.27
Plato difusor de calor .................................................................................... 47
Figura 4.28
Funda de olla................................................................................................. 47
Figura 4.29
Cilindro interno con álabes ........................................................................... 48
Figura 4.30
Base cuadrada de cámara de combustión ..................................................... 48
Figura 4.31
Mala combustión debido a una mezcla pobre en oxígeno............................ 48
Figura 4.32
Nueva cámara de combustión....................................................................... 49
Figura 4.33
Aumento de altura en el cilindro de la cámara de combustión..................... 49
Figura 4.34
Varilla de retención para cámara de reacción............................................... 50
Figura 4.35
Tolva de admisión de aire primario después de aplicar soldadura MIG ...... 51
Figura 4.36
Forro de fibra de vidrio para cámaras de reacción y combustión................. 52
Figura 4.37
Forro parcial de fibra de vidrio en cámara de combustión ........................... 52
x
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 5.1
Equipo requerido...........................................................................................71
Tabla 5.2
Codificación de las pruebas de eficiencia realizada......................................74
Tabla 5.3
Datos obtenidos en pruebas de código VE....................................................76
Tabla 5.4
Datos obtenidos en pruebas de código E15, E10, E5....................................78
Tabla 5.5
Datos obtenidos en pruebas de código EMT.................................................80
Tabla 5.6
Datos obtenidos en pruebas de código E4G..................................................82
Tabla 5.7
Datos obtenidos en pruebas de código EM ...................................................84
Tabla 5.8
Datos obtenidos en pruebas de código ER ....................................................85
Tabla 5.9
Datos obtenidos en pruebas de código EHY.................................................89
xi
xii
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 5.1
Gráfico de temperatura de las zonas del gasificador vrs.
tiempo para las pruebas de eficiencia EHY ..................................................90
Gráfico 5.2
Gráfico de temperatura del agua vrs. Tiempo para las pruebas de
eficiencia de EHY .........................................................................................90
Gráfico 5.3
Resumen de las eficiencias obtenidas en pruebas .........................................94
xiii
xiv
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 2.1..........................................................................................................................11
Ecuación 2.2..........................................................................................................................11
Ecuación 2.3..........................................................................................................................13
Ecuación 2.4..........................................................................................................................13
Ecuación 2.5..........................................................................................................................13
Ecuación 2.6..........................................................................................................................13
Ecuación 2.7..........................................................................................................................13
Ecuación 2.8..........................................................................................................................13
Ecuación 2.9..........................................................................................................................13
Ecuación 2.10........................................................................................................................14
Ecuación 5.1..........................................................................................................................68
Ecuación 5.2..........................................................................................................................70
xv
xvi
PRÓLOGO
En la actualidad, una cocina de leña eficiente es aquella que por sus características de
diseño y materiales de construcción, consume menor cantidad de leña que los fogones
tradicionales, debido a que la leña se quema mucho mejor, lo cual ofrece una menor
contaminación al ambiente, mayor seguridad a sus usuarios y un mayor aprovechamiento
del calor generado por la misma (combustión eficiente).
El presente trabajo de graduación corresponde al desarrollo de una de estas cocinas
mejoradas de leña, la cual está basada en el principio de gasificación de flujo natural
cruzado. Bajo una correspondiente investigación en torno a su funcionamiento, diseño y
manufactura se logró construir un prototipo de cocina que se denominó “quemador
gasificador de leña”, el cual es capaz de desarrollar una muy buena eficiencia global,
además de alcanzar óptimos desempeños tanto en su funcionamiento general como en otras
posibles aplicaciones, siendo una de ellas la cocción de alimentos abordada de igual forma
en este reporte.
Para el desarrollo conceptual de este trabajo se toma de base la documentación contenida en
escritos pertenecientes al Instituto Tecnológico de Asia, de donde se extrajeron importantes
aspectos de diseño así como resultados experimentales del gasificador propuesto por ellos.
En este reporte son descritos los principios de funcionamiento de un quemador gasificador
de leña y sus posibles variantes. Se detallan asimismo los procesos de diseño, manufactura
y construcción de nuestra cocina. Se definen con claridad los procesos de prueba,
operación y rendimiento y posteriormente son mencionadas de manera muy puntuales tanto
las conclusiones obtenidas al final del proceso como una serie de recomendaciones que dan
pie a futuras mejoras o nuevos desarrollos en el prototipo elaborado.
Finalmente se hace mención que los resultados obtenidos en las pruebas de eficiencia son
muy favorables, lo que permite catalogar al quemador gasificador de leña como una
interesante propuesta para diferentes aplicaciones tanto artesanales como industriales.
xvii
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES
1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Debido a que en muchas comunidades rurales la leña es utilizada como principal fuente de
combustible, ella se convierte en uno de los mayores recursos energéticos autóctonos. La
ventaja de la leña como recurso energético es que ella es un recurso renovable, sin embargo
en algunos lugares las necesidades de la misma pueden llegar a superar la disponibilidad
induciendo alguna condición de escasez, por lo que debe cuidarse que las prácticas de
consumo, las cuales dependen grandemente del acceso a los tipos de cocinas o estufas de
las cuales se disponga, logren ser lo más eficiente posibles.
El propósito de la siguiente investigación obedece a la necesidad de búsqueda de nuevas
formas que permitan una mejor y más racional utilización de la leña, sin que las
necesidades básicas de cocción de nuestra población rural y pequeñas industrias dejen de
ser cubiertas. Con estas nuevas formas, que implican el diseño y desarrollo de una nueva
estufa mejorada, se busca también de alguna manera reducir la inversión de tiempo y
trabajo de las personas así como minimizar el impacto en la salud de aquellos que
participan en estos quehaceres y se ven seriamente afectados por la liberación de humos
que ha sido comúnmente observada.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
El desarrollo un prototipo de quemador comercial que utilice el principio de gasificación de
flujo natural cruzado, el cual debe poseer una “relativa” alta eficiencia en la quema de leña
y distribución del calor. Este quemador deberá representar una mejora comparativa respecto
de los métodos de quema tradicional y/o artesanal, así mismo deberá ser capaz de competir
en las distintas aplicaciones con las tecnologías a base de gas propano. Se pretende así,
desarrollar un quemador que pueda convertirse en una opción viable que logre satisfacer en
1
forma plena las demandas de suministro de calor y pueda garantizar resultados aceptables
en referencia a cocción u otras aplicaciones térmicas.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Construcción de un modelo base de quemador industrial de leña mejorado a partir de un
diseño ya existente, que logre operar adecuadamente y que pueda ser utilizado como cocina
industrial principalmente en pequeños restaurantes de nuestro país.
- Determinación de las características de funcionamiento de modelo propuesto (eficiencia,
calidad de los combustibles utilizados, tiempo de funcionamiento óptimo, etc.) y posterior
desarrollo de mejoras a prototipo construido, mediante el establecimiento de la influencia
(que en la operación del mismo) tienen las variables tales como: tipo de leña, humedad de
la leña, densidad de la leña, geometría, tipo de materiales a emplear, flujos de aire de
combustión y otros.
- Comparación del rendimiento del prototipo versus el rendimiento de una cocina
tradicional semicerrada y el de una cocina mejorada de exitosa difusión en la región
centroamericana, a fin de evaluar la mejora relativa en la eficiencia de uso de la leña.
- Evaluación global del prototipo en términos de su adecuación técnica y económica para la
realidad salvadoreña.
1.3 ALCANCES
- Propuesta de diseño final de un gasificador operando bajo las características de flujo
cruzado descritas, que satisfaga necesidades y requerimientos planteados.
- Los resultados de las pruebas constituirán la base para mejoras realizadas en el marco de
este proyecto y para futuros proyectos de adecuación, modificación y mejoras.
- Se presentarán conclusiones y recomendaciones que puedan sentar cimientos para futuros
rediseños o diseños semejantes al quemador que aquí se presenta.
2
1.4 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
La utilización de la leña afecta mucho a la economía de este tipo de cocinas empleadas por
familias y microempresas en nuestro país, así como a la convivencia, la comodidad e
incluso estilos de preparación de comidas de estos grupos. Ahora bien, para acercarnos a
los problemas de leña en nuestra región es importante que se busquen técnicas de
conservación de leña, y a su vez deben estudiarse los sistemas locales empleados para
cocinar así como la complejidad del uso de recursos domésticos.
A nivel mundial, se sabe que los mayores consumidores de leña son África y Asia. Entre
los países de América Latina, los principales consumidores son Guatemala, Honduras,
Nicaragua, y El Salvador (World Meteorological Organization, Commission for
Climatology 2001). Este último tuvo un consumo de productos forestales de 4,9 millones
de metros cúbicos anuales (CEL, “Fuentes no convencionales de Energía” basado en un
estudio del Ing. Martínez Montalvo, Julio 1987). De ese total, aproximadamente el 93,5%
se destinó al abastecimiento de madera para energía, tanto leña como carbón vegetal. En el
pasado, la biomasa forestal en El Salvador representó aproximadamente un 53,5% de la
energía primaria alimentada al sistema nacional, situando a la leña como el principal
producto forestal del país. Los estudios que establecen las anteriores cifras, también citaban
al 77,3% de la población como consumidora de leña en forma de combustible doméstico y
en el sector rural registraron un consumo del 71% de toda la leña producida (CEL, “Fuentes
no convencionales de Energía”, basado en un estudio del Ing. Martínez Montalvo, Julio
1987). Aunque es posible que la leña haya disminuido su participación en el suministro
energético nacional, ésta aún representa un importante recurso autóctono.
Los hechos anteriores han llevado a buscar nuevas formas que permitan una mejor y más
racional utilización de la leña, sin que las necesidades básicas de la población rural dejen de
ser cubiertas. Estas nuevas formas deben también buscar de alguna manera reducir la
inversión de tiempo y trabajo de mujeres y minimizar el impacto en la salud familiar por la
liberación de humos. Estos humos y sus contaminantes tienen efectos asociados con la
incidencia de enfermedades tales como infecciones respiratorias en los niños, infecciones
de los pulmones (asma y bronquitis crónico), cáncer de pulmón, problemas en el parto de
3
los niños e inclusive con la elevación de las tasas de niños nacidos muertos y niños que
nacen con bajo peso. Además de la inhalación del humo que puede causar problemas
respiratorios, la presencia de un fuego abierto puede representar un alto peligro para
aquellos niños que juegan alrededor, exponiéndose así a quemaduras serias.
En los últimos años, la implementación de un plan de estufas mejoradas y su
consecuente uso ha venido a convertirse en una forma de combatir la problemática en torno
a mejorar la salud de las personas que cocinan con leña, disminuir el impacto ambiental de
la combustión de la madera y aliviar una parte del trabajo diario que se asocia con la
recolección de la leña. El uso de estufas mejoradas permite a los agricultores de las
comunidades rurales, obtener un mejor rendimiento en cuanto al uso de la leña, además de
permitirles una mejor operación de sus cocinas, ya que éstas no permiten el encierro de
humo, lo cual hace que disminuyan las enfermedades pulmonares en niños y adultos antes
mencionadas.
Las estufas mejoradas en sus inicios consistieron de bloques de barro, con ductos y
agujeros donde se colocaban los utensilios para cocinar. Utilizadas adecuadamente
pudieron llegar a tener un ahorro entre 25 y 50% de la leña que consume un fogón
tradicional. Existen múltiples modelos de ellas según su diseño o los materiales con los que
se construyen (inclusive sin el uso de lodo o barro que inicialmente tuvieron) pues cuando
las condiciones lo permiten se utilizan ladrillos, cemento y placas de hierro. En algunos
lugares se les conoce como fogones mejorados, pero los expertos en el tema han convenido
que todos los tipos de fogones mejorados quedan englobados bajo el concepto de estufas
ahorradoras de leña.
La estufa ahorradora de leña que aquí se propone se define más bien como un quemador
con amplias posibilidades de aplicación. Su diseño despierta interés principalmente por las
posibilidades de aplicación a la industria artesanal y microempresas. Se busca lograr con
ella un ahorro sustancial de leña, por lo que podría contribuir significativamente en abatir
los costos de la cocción de alimentos. Asimismo, con la posibilidad de eliminación de
humo que ofrece tanto para hogares como para pequeños negocios, se pretende obtener una
sustancial mejora en la calidad del aire; contribuyendo con ello a mejorar la salud de las
4
familias campesinas que se sirven de estos quemadores. Su flexibilidad en cuanto al uso,
presenta un atractivo adicional que posibilita el uso de esta técnica de combustión en
distintas aplicaciones térmicas como pueden ser: las de un horno de panadería, secadores de
granos, deshidratadores de hortalizas y verduras, elaboración de tortillas, cocimiento de
tamales y yuca, alfarería, etc.
1.5 LIMITACIONES
- Poca disponibilidad de tiempo y recursos disponibles para la realización de una
evaluación técnica extensiva, realizada por usuarios que pudiesen determinar las
condiciones reales de operación y evaluar así su desempeño frente a sus necesidades, en
cuanto a tiempo de cocción, cantidad de leña utilizada, gases emitidos, etc.
- La inversión económica necesaria para el desarrollo de un modelo final, basado en
ensayos anteriores de prueba y error.
- La dependencia en algunos casos, por ser un proyecto de tipo constructivo, de mano de
obra calificada, equipo especializado, materiales específicos e infraestructura adecuada.
- Carencia de información detallada en ciertos aspectos referidos al diseño, al método de
construcción y al tipo de materiales utilizados, lo cual obliga al empelo de criterios y
métodos propios para lograr establecer las características de diseño más adecuadas. El
desempeño teórico del modelo original podría no estar en concordancia con el que se
obtenga para las pruebas que aquí se pretenden efectuar.
5
CAPÍTULO 2: PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN GASIFICADOR
2.1 INTRODUCCIÓN
La producción de biogás a partir de materiales a base de carbono es una tecnología antigua,
y a pesar de que las ventajas del proceso de gasificación fueron descubiertas a principios de
los años de 1800, la utilización de esta tecnología se ha planteado como una alternativa
viable hasta en los últimos 50 años.
El proceso era bastante ordinario y el combustible utilizado más a menudo era el carbón. El
gas obtenido era utilizado para calefacción y alumbrado.
El primer gasificador comercial de tiro vertical para gasificación continua de combustible
fue instalado en 1839. Los gasificadores de este tipo fueron posteriormente desarrollados
para utilizar diferentes combustibles y su uso en aplicaciones industriales específicas de
potencia y calor duro hasta 1920, cuando su aplicación fue gradualmente desplazada por
motores y hornos a base de aceite combustible.
En general, el desarrollo de la gasificación ha pasado por cinco etapas:
Entre los años 1850 a 1940. La gasificación se utilizó por primera vez en la producción de
gas para el alumbrado público y la calefacción. Hasta el desarrollo de líneas de suministro y
transmisión de gas natural en los años 1940 y 1950, prácticamente todo el gas se producía a
partir de la gasificación del carbón.
Entre los años 1940 a 1975. La segunda etapa de gasificación se inició durante la Segunda
Guerra Mundial, cuando los ingenieros alemanes utilizaron la gasificación para producir
combustibles sintéticos ante un suministro poco confiable de petróleo entre 1920 y 1940.
Gasificadores compactos de tiro vertical fueron desarrollados principalmente para
aplicaciones automotrices, pero poco tiempo después de finalizar la guerra, fueron
sustituidos debido a la disponibilidad de una amplia gama de combustibles líquidos baratos.
7
Entre los años 1975 a 1990. La siguiente etapa en la evolución de los procesos de
gasificación se inició después del embargo de Petróleo Árabe de 1973. En reacción a ese
acontecimiento y a la consiguiente "crisis energética", la gasificación fue percibida como
una alternativa relativamente barata para aplicaciones industriales en pequeña escala y de
gran utilidad para la generación de potencia en aquellos países en desarrollo que sufrían con
los altos precios del petróleo en el mercado mundial, pero tenían recursos suficientes y
sostenibles de biomasa.
Varias naciones comienzan a ofrecer apoyo financiero a varios proyectos enfocados en el
desarrollo de prototipos de gasificadores, incluido la primera planta eléctrica de
Gasificación Integrada de Flujo Combinado del mundo (IGCC por sus siglas en ingles).
Otro acontecimiento durante este período fue la conversión de la planta manufacturera
“Eastman Chemical” en Estados Unidos, que paso de utilizar petróleo para sus procesos
productivos, a usar biogás producido a partir del carbón, sentando un precedente en la
viabilidad de su uso a escala industrial.
Entre los años 1990 a 2000. La cuarta etapa en el desarrollo de la gasificación comenzó a
principios del decenio de 1990 cuando los organismos gubernamentales en los Estados
Unidos y Europa prestaron apoyo técnico y financiero a varios proyectos de gasificación
integrada de mediana escala (≈ 250 MWe) para "demostrar" la viabilidad del proceso de
gasificación integrada en ciclo combinado.
Año 2000 al presente. La actual etapa en la evolución de la gasificación inició cuando los
desarrolladores comerciales comenzaron la construcción de gasificadores integrados de
ciclo combinado de energía sin los subsidios del gobierno. Estas nuevas instalaciones de
gasificación integrada de ciclo combinado generalmente se ubican adyacentes a las
refinerías donde coque de petróleo y otros hidrocarburos residuales se pueden conseguir
fácilmente.
8
2.2 APLICACIONES COMUNES
Los combustibles fósiles son recursos finitos y distribuidos de forma desigual, lo que da
lugar a cierta dependencia hacia los países que lo poseen. Con la disminución mundial de
las reservas de petróleo y gas natural, el único camino hacia un futuro en el que los precios
de la energía sean asequibles y relativamente estables, es la conservación de la energía, la
mejora en la eficiencia energética y la producción de energía eléctrica, productos químicos,
fertilizantes, y combustibles limpios, a partir de los abundantes recursos como el carbón o
la biomasa, y por tanto, a relativamente bajo costo
A pesar de que el biogás tiene un poder calorífico menor al del gas natural, igualmente
puede utilizarse en plantas eléctricas con ciclo combinado de alta eficiencia para generar
energía eléctrica o para hacer otros productos actualmente elaborados a partir de gas
natural, entre ellos fertilizantes de amoniaco, productos químicos derivados de metanol y
combustibles sintéticos limpios. El gas producido es quemado en la turbina de gas, con la
posibilidad de producir metano e hidrogeno para celdas de combustible. El ciclo combinado
de gasificación es el método más eficiente para la obtención de CO2 comparado con las
tecnologías convencionales disponibles.
La capacidad de la tecnología de la gasificación para desplazar el uso del gas natural y el
petróleo es motivo suficiente para alentar el desarrollo rápido y generalizado de esta
tecnología. Sin embargo, hay al menos otras tres razones por las cuales la gasificación
debería ser la tecnología de elección:
1. El biogás procedente de la gasificación es limpiado a fondo antes de que sea utilizado en
un IGCC, por ello, es posible eliminar gran parte de las emisiones de contaminantes
atmosféricos peligrosos (como el mercurio volátil del carbón) con proyectos de energía
basados en esta tecnología.
2. A diferencia de los sistemas de generación a base de gas natural u otros sistemas a base
de carbón, las centrales eléctricas basadas en la gasificación, pueden ser configuradas para
permitir la captura de dióxido de carbono, cuando se requiera, para satisfacer compromisos
legales o las obligaciones de los tratados internacionales en cuanto a emisiones nocivas.
9
3. La gasificación, es una tecnología energética (además de la fisión nuclear) capaz de
producir las cantidades masivas de hidrógeno que serían necesarias para convertir la
totalidad o una parte importante de la flota de transporte del mundo, de combustibles fósiles
como la gasolina y el gasóleo, a combustibles limpios como el hidrógeno.
2.3 ALGUNAS DEFINICIONES
¿Que es gasificación?
Un combustible sólido esta compuesto generalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno y en
algunos casos, existen pequeñas cantidades de nitrógeno y azufre.
Gasificación es un término que describe el proceso químico mediante el cual materiales
carbónicos (hidrocarburos) como el carbón, el coque de petróleo o la biomasa, son
convertidos en un gas por medio de su oxidación parcial con aire, oxígeno o vapor.
Sistemas modernos de gasificación, generalmente operan con la siguiente técnica:
1. La materia prima (hidrocarburo) es introducida al reactor químico (gasificador), el
cual se encuentra a alta presión y alta temperatura, conteniendo vapor y una limitada
cantidad de oxígeno.
2. Bajo estas condiciones de reducción, los enlaces químicos del hidrocarburo son
rotos debido a la alta presión y temperatura, dando lugar a la formación de biogás o
gas de síntesis. Este gas, es principalmente, una mezcla de hidrogeno y monóxido
de carbono.
3. Luego, el gas generado, es filtrado para remover partículas dañinas como el azufre y
algunas trazas metálicas como el mercurio.
10
¿Cual es la diferencia entre gasificación y combustión?
Combustión (o quema) es una reacción exotérmica (liberación de calor) entre un
combustible
y
un
oxidante
y
de
manera
general,
puede
expresarse
como:
Combustible + Oxígeno → Calor + Agua + Dióxido de Carbono (Ec.2.1)
En una combustión completa, los productos que se obtienen a partir del carbono y el
hidrógeno presente en el aire, son dióxido de carbono y agua, respectivamente. El oxígeno
presente en el combustible, se incorpora a los productos de la combustión lo cual disminuye
la cantidad de aire de combustión necesario.
La gasificación es una reacción exotérmica entre un combustible de carbón y un oxidante,
en un reactor donde el suministro de oxígeno es limitado (generalmente del 20 al 70 por
ciento de oxígeno necesario para la combustión completa). La reacción puede expresarse:
Combustible + Oxígeno (limitado) → Hidrógeno + Monóxido de Carbono (+ un poco de
agua y dióxido de carbono)
(Ec.2.2)
¿Qué es un gasificador?
El gasificador es el “corazón” del proceso de gasificación. El gasificador es el medio físico
mediante el cual se proporcionan las condiciones adecuadas para llevar a cabo la
gasificación del combustible y en la actualidad son cuidadosamente elaborados para
procesarlo de varias maneras de acuerdo al tipo de combustible, la finalidad del biogás, el
tamaño del proceso y la fuente de oxígeno. El oxígeno puede ser introducido como un gas
puro o puede venir como una mezcla de aire o vapor.
11
2.4 EL PROCESO DE GASIFICACION
El proceso de gasificación produce un biogás a partir de materiales orgánicos como
biomasa, calentándolos bajo condiciones cuidadosamente controladas como la temperatura,
presión y las condiciones atmosféricas. La clave para la gasificación es usar menos oxígeno
del necesario para una combustión completa. El combustible resultante de la gasificación es
llamado biogás, o gas combustible el cual (como un gas natural) puede quemarse en
turbinas de gas de alta eficiencia. La gasificación es un proceso limpio con poca o ninguna
emisión de ceniza. Es muy económico y su desempeño no depende del tamaño del
gasificador.
2.4.1 TERMOQUÍMICA DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN
En el proceso de gasificación de biomasa tienen lugar varias reacciones cuyo orden e
importancia depende de las condiciones de operación, del combustible y de los elementos
del agente gasificante utilizado, pero que pueden agruparse en tres etapas principales:
Pirólisis o descomposición térmica. Es la etapa en la que, mediante calor y en ausencia de
oxígeno suficiente, el combustible se descompone en una mezcla de sólido, líquido y gas.
Al sólido originado en esta etapa se le conoce como “char” y a los líquidos, debido a la
presencia de alquitranes y vapores condensables, se les llama “tar”. Puede incluirse aquí el
proceso de secado y precalentamiento que tiene lugar al entrar la biomasa al gasificador,
aunque este proceso no implica ninguna reacción química.
Oxidación o combustión. Tiene lugar cuando el agente gasificante es un oxidante como
oxígeno o aire e implica el conjunto de reacciones de oxidación, tanto homogéneas como
heterogéneas, fundamentalmente exotérmicas, mediante las que se genera el calor necesario
para que el proceso se mantenga.
Reducción o gasificación. La constituyen las reacciones sólido-gas o en fase gas, mediante
las que el sólido remanente se convierte en gas. Se trata de reacciones fundamentalmente
12
endotérmicas, algunas de las cuales tienen lugar en muy poca extensión, o solo tienen lugar
en determinadas condiciones, como ocurre con algunas reacciones de hidrogenación y/o
reformado.
Las etapas de oxidación y reducción pueden considerarse conjuntamente en una sola etapa
de gasificación en la que tienen lugar todo tipo de reacciones posibles entre el char y la
mezcla gaseosa presente.
La combustión que ocurre en la zona de oxidación, es descrita por las siguientes formulas:
C + 02 = C02 + 401.9 kJ/mol
(Ec.2.3)
H + ½02 = H20 + 241.1 kJ/mol
(Ec.2.4)
Así, al quemar 1 mol de carbono y convertirlo en dióxido de carbono se liberan 401.9 kJ
aproximadamente.
La cadena de reacciones más importantes, que toman lugar en la zona de reducción del
gasificador entre diferentes reactantes sólidos y gaseosos son:
C + C02 + 164.9 kJ/mol = 2C0
(Ec.2.5)
C + H20 + 122.6 kJ/mol = CO + H2
(Ec.2.6)
C02 + H2 + 42.3 kJ/mol = CO + H20
(Ec.2.7)
C + 2H2 = CH4
(Ec.2.8)
CO + 3H2 = CH4 + H20 + 205.9 kJ/mol
(Ec.2.9)
Las reacciones principales de la etapa de reducción (Ecuaciones 2.5 y 2.6), son
endotérmicas. Es decir necesitan absorber energía por lo que la temperatura de reacción
disminuirá durante la reducción.
La ecuación 2.7 describe el equilibrio agua-gas. Para cada temperatura, en teoría la
proporción entre el producto de la concentración de monóxido de carbono-vapor de agua y
el producto de la concentración de dióxido de carbono-hidrogeno es fijado por el valor
constante de equilibrio del agua-gas (Kw) el cual se obtiene de la siguiente manera:
13
Kw = ([CO] * [H20]) / ([C02] * [H2])
(Ec.2.10)
En la práctica, la composición de equilibrio del gas solamente será alcanzada en los casos
en que la tasa de reacción y el tiempo para la reacción sean suficientes. La tasa de reacción
disminuye con la temperatura. Debajo de los 700 °C la reacción agua-gas se vuelve muy
lenta sin un catalizador. Entonces la composición del gas permanece constante, y el metano
solamente será generado a temperaturas muy elevadas, mayores de 1200°. El concepto del
equilibrio agua-gas brinda la oportunidad de calcular teóricamente la composición del
gasificador, que ha alcanzado el equilibrio a una temperatura dada.
Figura 2.1. Etapas de la gasificación
[www.btgworld.com/tecnologies/gasification.html]
14
2.5 TIPOS DE GASIFICADORES
Comúnmente podemos agrupar los gasificadores, según el manejo del combustible, en 3
grupos fundamentales:
De cama fija: en donde el combustible permanece estático dentro del gasificador, y el frente
de pirolisis va consumiendo la totalidad de la carga ingresada. Estos gasificadores se
subdividen, según el sentido del flujo del agente gasificante en: gasificador de cama fija en
contra corriente, gasificador de cama fija en corriente paralela y gasificador de tiro cruzado.
De cama fluidizada: en donde el combustible viaja dentro del gasificador junto con el
agente de oxidación, el cual reacciona con las partículas de biomasa mientras se encuentran
en suspensión.
De flujo arrastrado: en donde el combustible es pulverizado para lograr una densa nube de
combustible, forzando al agente gasificante a fluir a través de él reaccionando al pasar.
Figura 2.2. Cuadro comparativo entre los distintos tipos de gasificadores
[www.btgworld.com/tecnologies/gasification.html]
15
Debido a que los gasificadores de tipo “cama fluidizada” y “flujo arrastrado” son más
complejos y requieren de mayores recursos técnicos para su implementación, este trabajo
profundizará únicamente en los de cama fija, mencionando los otros tipos solamente de
manera general. A continuación una breve explicación del funcionamiento de cada uno de
ellos:
2.5.1 EL GASIFICADOR DE CAMA FIJA
1. El gasificador de contra corriente de cama fija (“updraft”)
Consiste en una cama fija de combustible rico en carbono (biomasa o carbón) a través del
cual el “agente gasificante” (como el vapor o aire) fluye en una configuración contraria al
flujo del combustible. La ceniza es removida como polvo o como escoria, por la parte
inferior del gasificador. En la zona superior se produce el secado que es un proceso
endotérmico con consumo de unas 600 Kcal/Kg de agua evaporada. La segunda zona en
sentido descendente define la eliminación de agua de constitución, etapa de naturaleza
exotérmica que elevaría por si sola la temperatura del sólido a 450 °C. Mas abajo se
considera que se entra en la zona de gasificación que consiste en dos franjas en las que en la
parte superior de la zona de gasificación a 600 °C, se produce la reducción de gases como
CO2, H2O para formar CO y H2, consumiendo energía térmica y enfriando los gases
ascendentes.
En la zona inferior se produce el contacto de los gases de alimentación (aire, oxígeno puro,
vapor de agua o mezcla de gases) con la fase final de la descomposición del combustible
que suele ser carbono casi puro mas las cenizas (óxidos alcalinos) y sílice; En dicha zona se
produce el calentamiento de los gases y las reacciones de oxidación de los residuos de
combustible con el oxígeno de la alimentación en reacciones exotérmicas de formación de
CO y CO2. En la zona de gasificación la temperatura ronda los 600 °C, las velocidades de
reacción son suficientemente elevadas como para suponer que los tiempos de permanencia
del gas en la zona, son suficientes para alcanzar condiciones próximas al equilibrio.
16
En la zona de pirólisis las cosas ocurren de modo diferente, la temperatura es inferior a 600
°C y las reacciones no son lo bastante rápidas como para aceptar que en toda situación se
alcancen condiciones próximas al equilibrio. Así, en el gas pueden existir moléculas
orgánicas producidas por fractura de otras mayores que reaccionarían con otros
componentes del gas a temperaturas superiores o simplemente se fragmentarían
nuevamente pero que en éstas condiciones lo hacen con tal lentitud que, en los tiempos de
permanencia en la zona, no sufren alguna transformación notable y salen a la zona de
secado e incluso al exterior de tal modo que al enfriarse todavía más, condensan formando
los alquitranes, que al finalmente se convierten en hollines al enfriarse.
En general, los gasificadores que producen escoria necesitan una mayor cantidad de vapor y
oxígeno en relación al carbono para alcanzar temperaturas más altas que la de fusión de la
ceniza. La naturaleza de este tipo de gasificadores implica que el combustible debe tener
solidez mecánica para lograr formar una cama permeable. El rendimiento de este tipo de
gasificador es relativamente bajo. La eficiencia térmica es alta debido a que el gas
producido sale a temperaturas relativamente bajas. Lo anterior también implica que la
producción de breas y de metano es significativa a temperaturas normales de operación, por
lo que el gas producido debe ser cuidadosamente limpiado antes de su uso o su reciclaje en
un reactor, pero no para aplicaciones directas de cocción o calentamiento.
Figura 2.3. Diferentes zonas de reacción para un gasificador de tipo updraft
17
2. El gasificador de corriente paralela de cama fija (“downdraft”)
Su principio de funcionamiento es similar al de contra corriente, pero el agente de
gasificación fluye en la misma dirección al combustible. La combustión debe ser iniciada
en la parte superior de la cama fija, quemando una pequeña porción del combustible, o a
través de una fuente externa. El gas producido sale por la parte inferior del gasificador a
alta temperatura, y la mayoría de este calor es transferida a la corriente de aire que entra
desde la parte superior del gasificador, resultando en una eficiencia energética similar al
tipo “updraft”.
La gran diferencia conceptual entre un gasificador en corriente directa y el de
contracorriente está en que en corriente directa los gases liberados en las etapas de pirólisis
y zona reductora de la etapa de gasificación, han de pasar necesariamente por la zona de
alta temperatura de la zona de oxidación en la etapa final de la gasificación lo que impone
una serie de condiciones como que los alquitranes tienden a desaparecer al pasar por el
frente de gasificación y la mayoría de ella es quemada por lo que sus niveles son mucho
menores que los del tipo “updraft”. En el producto final, el agua liberada sale del sistema
sin oportunidad de reaccionar (zona de secado) alcanza los mas altos niveles de conversión.
La consecuencia global es que los gases tienden a salir del sistema a menor temperatura,
(menor calor sensible) pero con una composición tal que su poder calorífico es superior; La
suma del poder calorífico mas el calor sensible es la misma para el mismo sistema, con
iguales perdidas y con la misma relación de equivalencia.
Figura 2.4. Diferentes zonas de reacción para un gasificador tipo downdraft
18
3. El gasificador de tiro cruzado de cama fija (“crossdraft”)
El principio de funcionamiento de este tipo de gasificador es similar al “downdraft”, con la
diferencia fundamental que los flujos de combustible y agente oxidante, entran al reactor en
dirección perpendicular entre si, juntándose en la zona de combustión, reaccionando y
debido al tiro producido por la diferencia de presiones entre la entrada y salida del reactor,
sale por el lado opuesto al que entra el agente oxidante.
La idea general detrás de este diseño es que los aceites alquitranados y los vapores que se
despiden en la zona de destilación son muy inestables a altas temperaturas. Para llegar a la
salida de gas deben pasar necesariamente a través de la zona de combustión parcial en
donde una gran cantidad de productos gaseosos no condensados, serán fracturados antes de
abandonar el gasificador. A pesar de que el principio general detrás de esto parece
relativamente fácil, en la práctica se requiere un poco de ensayo y de gran habilidad para
llegar a un productor de gas capaz de generar un gas libre de alquitrán en condiciones de
equilibrio.
Figura 2.5. Diferentes zonas de gasificación para un gasificador tipo crossdraft
19
2.5.2 EL GASIFICADOR DE CAMA FLUIDIZADA.
El combustible es fluidizado en el aire o vapor. La ceniza es removida como polvo o como
aglomerados pesados que caen por gravedad. Las temperaturas son relativamente bajas en
estos gasificadores, por lo que el combustible debe ser altamente reactivo, y son
particularmente conveniente el carbón de bajo grado. Las temperaturas alcanzadas por este
tipo de gasificador son ligeramente más altas y el rendimiento del combustible es mayor
que los gasificadores de cama fija, pero no tan bueno como el gasificador de “flujo
arrastrado”. Los gasificadores de cama fluidizada son más usados para combustibles que
generan ceniza altamente corrosiva que puede dañar las paredes de los gasificadores de
cama fija. Los gases generados a partir de biomasa, generalmente contienen altos niveles de
ceniza corrosiva
2.5.3 EL GASIFICADOR DE “FLUJO ARRASTRADO”
Funciona a partir de la pulverización de combustible sólido, combustible liquido atomizado
o una mezcla de combustible con oxigeno (generalmente aire) en corriente paralela con el
aire de combustión. Las reacciones de gasificación se dan en una densa nube de pequeñas
partículas de combustible. La mayoría de carbones son convenientes para este tipo de
gasificadores debido a las altas temperaturas de operación y porque sus partículas son
fácilmente separables. Las altas presiones y temperaturas alcanzadas, facilitan el alcance de
muy altos desempeños, aunque la eficiencia térmica es ligeramente baja debido a que el gas
producido debe ser enfriado antes de ser filtrado con las tecnologías existentes actualmente.
Las altas temperaturas, garantizan la ausencia de breas y metano, a pesar de que las
necesidades de aire primario son mayores que para otro tipo de gasificadores. Todos los
gasificadores de flujo arrastrado remueven la mayor parte de la ceniza en forma de escoria
debido a que la temperatura de funcionamiento es más alta que la temperatura de fusión de
ceniza. Una pequeña porción de la ceniza producida se convierte en polvo volátil o una
mezcla oscura de ceniza.
20
Algunos combustibles, particularmente ciertos tipos de biomasa, pueden formar escoria que
es corrosiva para las paredes cerámicas internas que sirven para proteger las paredes
externas del gasificador. Algunos gasificadores no poseen recubrimiento interno de
cerámica pero poseen una capa de agua o vapor frío cubierto por una capa de escoria
parcialmente solidificada. Estos tipos de gasificadores no corren riesgo con las escorias
corrosivas. Algunos combustibles tienen la temperatura de fusión de su ceniza muy alta, en
este caso materia caliza es mezclada generalmente con el combustible antes de la
gasificación. La adición de un poco de caliza por lo general bastará para la bajar la
temperatura de fusión. Las partículas de combustible deben ser mucho más pequeñas que
para otros tipos de gasificadores. Esto quiere decir que el combustible debe ser pulverizado,
por lo que se requiere algo más energía que para otros tipos de gasificadores.
2.6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS SEGÚN EL TIPO DE GASIFICACION
Contra corriente (updraft)
Ventajas
•
Simplicidad en su construcción y uso.
•
Baja temperatura del biogás producido.
•
Alta eficiencia en la gasificación.
•
Puede utilizarse combustible con alta humedad.
Desventajas
•
Gran cantidad de brea, alquitrán y productos de pirolisis son producidos.
Corriente paralela (downdraft, crossdraft)
Ventajas
•
Amplio rango de potencias desde 80 kW hasta 500 kW.
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Desventajas
•
Alta cantidad de cenizas en los gases de combustión.
•
Al combustible debe ser previamente preparado.
•
Alta temperatura de los gases producidos.
•
Baja eficiencia térmica en la gasificación.
•
Debe utilizarse biomasa muy seca.
Cama fluidizada
Ventajas
•
Rendimientos mayores a los gasificadores de tipo “cama fija”.
•
Puede trabajar con combustibles altamente corrosivos.
Desventajas
•
Debe utilizarse un combustible altamente reactivo.
•
La ceniza generada, generalmente es altamente corrosiva.
Flujo arrastrado
Ventajas
•
Alcance de altos desempeños.
•
Las altas temperaturas garantizan la ausencia de breas y alquitranes.
•
Eliminación de las cenizas en forma de escoria.
•
Utilización a gran escala.
Desventajas
•
Mayor consumo de aire primario.
•
La pulverización o atomización del combustible.
•
Mayores necesidades energéticas.
22
CAPÍTULO 3: DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DEL GASIFICADOR
3.1 INTRODUCCIÓN
La conceptualización básica de la estufa o cocina que da origen a todo este proceso
investigativo, las consecuentes etapas de desarrollo y una final propuesta y aplicación de
mejoras, fue extraída de un documento presentado por el Instituto Tecnológico de Asia
(Programa de energía, escuela del medio ambiente, recursos y desarrollo) en un escrito
donde se presentan aspectos de diseño general y resultados experimentales a partir de un
prototipo construido por personas participantes de la entidad antes mencionada.
El documento presenta en forma bastante concisa, una descripción de la operación de un
gasificador de leña de flujo cruzado natural que fue denominado IGS-2. En el siguiente
apartado se presenta información extraída de este documento la cual corresponde a un
esquema general de la disposición de las partes que integran dicho gasificador así como
algunos parámetros asociados al mismo los cuales tienen una significativa relevancia en su
funcionamiento. El documento original también incluye fotografías de un prototipo
finalizado, sus respectivas mejoras y sus correspondientes resultados experimentales
extraídos de pruebas específicas que fueron llevadas a cabo en el mismo. Esto último no
esta contenido en el presente capítulo pero fue muy útil como información para tener un
punto de partida en el desarrollo del modelo de gasificador que constituye el proyecto aquí
expuesto.
A manera introductoria de la descripción del diseño de gasificador que compete a este
estudio, es mostrado aquí el esquema inicial del cual partió una lluvia de ideas e inicios de
diseño (ver figura 3.1). Este esquema está contenido en el documento al que antes se ha
hecho referencia. El diseño final que también es presentado más adelante difiere en algunos
aspectos del diseño original extraído del documento base del Instituto Tecnológico de Asia.
Las modificaciones obedecen a que el modelo por construirse debía estar ubicado en el
contexto de país así como la utilización para la cual ha querido destinarse.
23
Figura 3.1. Configuración de estufa gasificadora mejorada IGS-2
[S.C. Bhattacharya, San Shwe Hla, M. Augustus Leon and Kapila Weeratunga]
3.2 CARACTERISTICAS DEL MODELO ORIGINAL
La estufa desarrollada en el Instituto tecnológico de Asia se denomina IGS-2 y fue
construida a partir de lámina de hierro negro de un grosor de 1.5 mm y de 2 mm
respectivamente. Sus partes principales consisten de: una cámara o tolva de alimentación
del combustible, una cámara de reacción, un dispositivo de entrada regulable de aire
primario, una cámara de combustión y un soporte de olla. La estufa que el documento
presenta se ensambla en forma bastante práctica gracias a los adaptes mediante pernos y
tuercas de las partes nombradas con anterioridad.
3.2.1 CÁMARA DE COMBUSTIBLE
Localizada sobre la cámara de reacción, consiste en una sección cuadrada construida a
partir de lámina acerada con dimensiones de 17 x 17 cm y 70 cm de altura. La cámara o
tolva permite una fácil alimentación del combustible y mantiene temperaturas ideales de
precalentamiento sobre el mismo.
24
Posee una tapadera la cual dispone de un sello de agua situado en los rieles donde asienta la
misma y que evita posibles fugas de gas a través del extremo superior de la cámara cuando
la estufa se encuentra en operación.
3.2.2
CÁMARA DE REACCIÓN
La cámara de reacción o reactor representa el corazón de la estufa en cuestión pues es ahí
donde el gas producido es finalmente obtenido y posteriormente llevado hacia la cámara de
combustión. Posee un exterior o cubierta de lámina de hierro negro de 1.5 mm de espesor
de dimensiones de 36(lado) x 36(lado) x 44(altura) cm. Sus paredes internas fueron
construidas mediante la adhesión de ladrillos (especiales para aplicaciones a llama directa)
por medio de cemento refractario y cubierto con una capa de 1 cm. de espesor en su interior
del mismo, estos poseen dimensiones de 17 x 17 x 22 cm. El combustible cae y llega a ella
por gravedad procedente de la cámara de alimentación de combustible y es detenida en su
caída por una parrilla instalada en su base, la cual fue construida a partir de barras de acero
de 5mm de diámetro colocadas a un espaciamiento 2 cm entre ellas. Las cenizas obtenidas
del reactor pasan a través de la parrilla y son acumuladas en un colector de cenizas (cajuela
metálica) cuyas dimensiones son 22 x 28 x 5 cm. Una pequeña puerta (22 x 22 cm) se ubica
al frente en la parte más baja de la cámara de reacción, la cual posibilita el acceso para
recolección, remoción y limpieza de cenizas acumuladas.
A un costado de la cámara de reacción se encuentra la entrada de aire primario a través de
la cual, como su nombre lo indica, ingresa una cantidad de aire, la cual puede ser regulada,
esta permite que exista un proceso de pirolisis y posteriormente la generación de gas
dentro de ella. El biogás resultante en la cámara de reacción viaja y es dirigido hacia una
cámara de combustión cilíndrica en el extremo opuesto.
25
3.2.3 ENTRADA DE AIRE PRIMARIO
Con una forma característica de L “invertida”, y construida a partir de lámina de hierro
negro de 1.5 mm de espesor, esta entrada de aire se ensambla justamente en un extremo del
reactor por medio de pernos y tuercas.
Una válvula mariposa regula la cantidad de aire primario que ingresa a la cámara de
reacción. El área de la sección transversal justo a la entrada del dispositivo y a la salida del
mismo, son de 8 x 8 cm y 18 x 12 cm respectivamente. Varillas de 5 mm de diámetro y 5
cm de separación entre ellas, son localizadas en la entrada del aire primario a la cámara de
reacción y en la salida de gas de dicha cámara en dirección hacia la cámara de combustión,
esto con el propósito de mantener el combustible (en este caso leña) atrapado en la cámara
de reacción.
3.2.4 CÁMARA DE COMBUSTIÓN
Dentro de ella es quemado el gas producto resultante de la cámara de reacción, al entrar
éste posteriormente en contacto con el aire secundario y las respectivas llamas provenientes
de la cámara de reacción. El aire secundario ingresa a la cámara de combustión a través de
una serie de orificios ubicados en la pared cilíndrica que va por encima de una sección
cuadrada hecha con lámina de 1.5 mm de espesor. La cámara de combustión se conecta
justo en el extremo opuesto a la entrada de aire por medio de pernos y tuercas.
3.2.5 SOPORTE DE OLLA
Este dispositivo permite la colocación de la olla a utilizar por encima de la boquilla del
quemador de manera estable, manteniendo lo más uniformemente posible la distribución
del calor generado por la cámara de reacción y brindando seguridad en la manipulación de
la misma.
26
3.3 DISEÑO DE MODELO CONSTRUIDO
3.3.1 DISEÑO DE LA CÁMARA DE REACCIÓN
La cámara de reacción fue diseñada tomando en cuenta los siguientes criterios:
1. La cámara será el soporte estructural de todos los componentes, por lo que es
necesario que sea rígido y resistente, incluso cuando se alcancen las temperaturas de
operación, y no deberá ceder debido a las cargas cíclicas de expansión térmica en
sus elementos.
2. Debido a que las reacciones químicas en el interior del reactor ocurren con déficit
de oxigeno, la estanqueidad en la cámara es muy importante para evitar
infiltraciones de aire y garantizar la correcta realización de los procesos de
gasificación, con las condiciones controladas.
3. Las temperaturas alcanzadas al interior del reactor son altas, por lo que es necesario
aislarla térmicamente, para evitar excesivas perdidas de energía, y por la seguridad
del usuario. Para ello se utilizó ladrillo refractario para construir una bóveda aislante
alrededor de las reacciones más importantes.
4. El reactor manejara una cantidad considerable de biomasa, por lo que la parrilla
donde descansará, deberá ser suficientemente fuerte y además tener la capacidad de
manejar adecuadamente el combustible. También el manejo de la ceniza es
importante por lo que tiene una bandeja recolectora extraíble en la parte inferior,
para una fácil limpieza.
Figura 3.2. Configuración de los ladrillos
refractarios
27
Figura 3.3. Placas externas de la
cámara de reacción
Figura 3.4. Armadura de cámara de reacción
28
3.3.2 DISEÑO DE LA CÁMARA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE
La cámara de alimentación de combustible, fue diseñado pensando en un fácil manejo de la
biomasa, pero principalmente con el propósito de manipular un volumen suficiente de leña
para tener la capacidad de funcionar durante periodos relativamente largos con una sola
carga de combustible.
En caso de que se necesite su uso por periodos de tiempo mas largos a los que puede durar
una carga de combustible, se pensó en realizar un proceso de recarga mediante el fácil
retiro de la tapadera superior, al terminar la carga anterior, recargar y continuar con el
funcionamiento normal del gasificador (ver figura 3.5).
También es importante mencionar que un factor importante a la hora de diseñar la cámara,
fue el minimizar la posibilidad de la infiltración de aire por cualquier punto de la recamara,
por lo que se decidió utilizar soldadura en todos los puntos de unión, y hermetizar la
tapadera superior mediante un “sello de agua” el cual funciona como un sifón (ver figura
3.6), impidiendo el paso de gases desde y hacia el interior de la cámara.
Figura 3.5. Cámara de alimentación de combustible
29
Figura 3.6. Detalle del sello de agua
Figura 3.7. Esquema de funcionamiento
sello de agua del
3.3.3 DISEÑO DE LA BOQUILLA DE ADMISIÓN DEL AIRE PRIMARIO
La boquilla de admisión para el aire primario, se diseño pensando principalmente en
favorecer el flujo del aire hacia el interior de la cámara de reacción aprovechando el tiro
generado debido a la diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior, evitar una
caída excesiva en la presión de succión, así como también para controlar fácilmente el
caudal de aire mediante una sencilla válvula mariposa ubicada justamente en la entrada de
la boquilla.
En la boquilla se da un cambio de sección transversal debido a que la entrada de aire en la
cámara de reacción tiene las dimensiones de 18 x 12 cm., pero como no es necesario
manejar un gran caudal de aire, la válvula de admisión tiene una sección pequeña de 8 x 8
cm (ver figura 3.8). Este cambio de sección también favorece la estabilización del flujo
antes de entrar a la cámara de reacción.
30
Figura 3.8. Tolva de admisión de aire primario
3.4 DISEÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
La cámara de combustión fue pensada, al igual que la boquilla de entrada del aire primario,
para favorecer el flujo de gas evitando cambios dramáticos en las secciones transversales y
evitar así caídas de presión excesivas.
Otro aspecto importante en el diseño es la resistencia tanto a la alta temperatura que
experimenta esta parte del gasificador, como a la corrosión debido al gas quemándose
dentro de ella. Para ello se utilizó lamina de acero de un calibre ligeramente mayor que en
el resto.
Los agujeros ubicados en la cámara de combustión, son la entrada del aire secundario
necesario para la combustión completa del gas de síntesis, y fueron pensados de tal manera
que, por su tamaño y número, proporcionen el suficiente caudal de aire para tal fin.
En esta parte, las temperaturas alcanzadas son altas, por lo que para evitar perdidas de
energía, se aisló utilizando forro aislante de fibra de vidrio (ver figura 3.9).
31
Figura 3.9. Cámara de Combustión
3.5 DISEÑO DEL SOPORTE DEL CALENTADOR
Para lograr una buena eficiencia, el calentamiento de la olla debe ser hecho en un medio
controlado, es decir que el fuego que sale por la cámara de combustión no se desvíe, sino
que se aproveche en el calentamiento de la olla. Para ello se cubre el perímetro de la olla
con una funda metálica, dejando un espacio suficiente entre ellos, tal que, el gas pueda salir
sin ningún problema (ver figura 3.12).
De igual manera se hizo en la parte inferior de la olla, dejando un espacio suficiente entre la
salida de gas en la cámara de combustión y el fondo de la olla que se esta calentando,
precisamente para permitir al gas la libertad de salir y evitar perdidas en el tiro generado
(ver figura 3.11).
Debido a que el gasificador fue pensado para la pequeña industria, el soporte se hizo
teniendo en mente aplicaciones de cocción exigente, por lo que se construyó un soporte
resistente, rígido y seguro, capaz de soportar el peso total del producto en cocimiento, así
como también su uso durante largos periodos de tiempo. Se hizo apoyar directamente al
32
suelo, para sostener firmemente el peso y evitar inestabilidad en la olla de cocción (ver
figura 3.10).
Figura 3.11. Plato difusor de calor
Figura 3.10. Conjunto de Soporte de olla
Figura 3.12. Esquema de funcionamiento del
conjunto plato difusor y funda de olla
33
CAPITULO 4: METODOLOGIA DE CONSTRUCCION DE LOS ELEMENTOS
DEL GASIFICADOR DE FLUJO CRUZADO
4.1 PROCESO DE MANUFACTURA DEL PROTOTIPO
4.1.1 BOSQUEJOS PRELIMINARES CÁMARA DE COMBUSTIBLE,
TOLVA ADMISIÓN AIRE PRIMARIO Y CÁMARA DE COMBUSTIÓN
Para las distintas partes del quemador se elaboraron bosquejos a escala de las piezas en
cartón, trabajándose en conjunto con el software de diseño AutoCad. Estos procedimientos
además de entregar una mejor y mayor noción de las dimensiones físicas del prototipo,
permiten identificar de forma clara que dimensiones de cada una de las partes integrantes
de la cocina se conocen con exactitud y cuales se desconocen y deben por tanto ser
sometidas a interpretación, evaluación y a una final determinación según consideraciones
de diseño empleadas para el caso particular.
.
Figura 4.1. Bosquejo de la cámara de
Figura 4.2. Bosquejo de tolva de
Combustión
admisión aire primario
35
Figura 4.3. Bosquejo cámara de combustible
Las piezas de cartón ya recortadas y ensambladas a escala permiten también una mejor
predicción de posibles optimizaciones en los diferentes procesos pues dan motivo a
discusión de métodos, herramientas, equipo y procedimientos que deben seguirse para cada
etapa de construcción en cada una de las partes involucradas. También pueden surgir
estimados de material que entreguen una idea general de cantidades y a la vez el mejor
aprovechamiento de las mismas.
4.1.2 CONSTRUCCIÓN CÁMARA DE REACCIÓN
Esta sección fue la primera en construirse y para esta fueron empleados ladrillos de tipo
refractario (ver figura 4.4), los cuales fueron colocados con traslapes en sus extremos. Se
utilizó posteriormente cemento refractario el cual consigue que se adhieran sólidamente y
son capaces de resistir altas temperaturas de operación. Adicionalmente los ladrillos son
apoyados en una estructura metálica en su parte superior e inferior (ver figura 4.5), dicha
estructura es construida con ángulos (3/16 x 2 in) y platinas de hierro negro que
posteriormente fueron sometidas a soldadura entregando soporte a la cámara misma.
Internamente se cuenta con un área cuadrada de 17 x 17 cm tal como se pretendía en su
diseño inicial.
36
Figura 4.4. Ladrillos de tipo refractario
Figura 4.5. Disposición de los ladrillos
para fijación de estructura metálica
El cemento refractario requiere una cantidad considerable de horas para su correcto secado.
Una capa de un espesor bastante delgado (de 1 cm aproximadamente) fue aplicada sobre la
parte interna y externa de la cámara de reacción de manera que pudiera aumentar su
resistencia a las altas temperaturas ahí expuestas (ver figura 4.6).
Figura 4.6. Esparcimiento de capa de cemento refractario
37
4.1.3 RECUBRIMIENTO DE LA CÁMARA DE REACCIÓN
Luego de esperar el tiempo necesario para un correcto pegado y secado de los ladrillos, se
procedió a forrar la cámara de reacción, para eso se utilizó lámina de hierro negro de 1/32
in en pliegos que fue posteriormente cortada para constituir las paredes que recubren la
cámara de reacción en sus 4 lados. Básicamente son 4 placas que deslizan en los ángulos
localizados en las esquinas de dicha cámara de reacción. Estos ángulos descienden 30 cm
por debajo de la cámara de ladrillos y generan así el espaciamiento necesario para la
colocación de un colector de remoción de cenizas (ver figura 4.7) que a su vez funciona
como compartimiento para iniciar la quema como se observa en la figura 4.8. Una quinta
placa es cortada para situarse en la base de este espaciamiento.
Figura 4.7. Armazón metálico de
Figura 4.8. Área de remoción de
cámara de reacción
cenizas
En las placas a ubicarse en los extremos de entrada de aire primario y salida de biogás son
cortados orificios rectangulares en donde serán ensambladas la tolva de entrada de aire
primario y una extensión que funge como acople a la cámara de combustión (ver figura
4.9). En la parte frontal de la cámara de reacción pero en su porción más baja se deja un
orificio para la colocación de la puerta de acceso al colector de cenizas. La placa ubicada
en la parte trasera cubre por completo tanto la cámara de reacción como el espaciamiento
inferior a ella. En el límite de este espaciamiento son soldadas patas que le dan una cierta
elevación y sostenibilidad a la conjugación de estructuras que componen el gasificador
como tal (ver figura 4.10).
38
Figura 4.9. Acople metálico
Figura 4.10. Patas soldadas a la
para la cámara de reacción
cámara de reacción
Figura 4.11. Diseño preliminar de cámara de combustión para
ensamblarse directamente a cámara de reacción
4.1.4 CONSTRUCCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIBLE
Seguidamente se corta un nuevo pliego de lámina de hierro negro para construir la cámara
de combustible. La cámara debe tener una altura de 70 cm, consecutivamente se sueldan en
sus esquinas las piezas longitudinales previamente cortadas y se adapta a una base que a la
vez que cubre la cámara de reacción contribuye a la sujeción de las 4 porciones de lámina
(previamente descritas) y que se encuentran ubicadas en cada uno de sus lados (ver figura
4.12). se colocaron ángulos de hierro de 3/16 x 2 in al final de la sección de ladrillos con el
39
propósito de colocar sobre ellos una parrilla ó cama de combustión en la cual descansa el
combustible depositado y se mantienen las brazas ardiendo (ver figura 4.14).
Figura 4.12. Base de cámara de
Figura 4.13. Cámara de combustible
combustible
Figura 4.14. Parrilla removible
La parte superior de la cámara de combustible tiene dobleces en los cuales se apoya la
tapadera de la misma. La tapadera fue elaborada a partir de lámina de hierro negro, posee
un recuadro el cual colabora con la hermeticidad (ver figura 4.15). Fueron necesarias etapas
de corte y doblado así como la soldadura de su agarradera con la que se concluyó su
fabricación. Se agregó por último un marco de asbesto para protección contra humo y así
ayudar a evitar fugas de gas o humo (ver figura 4.16). Para la fabricación del sello de agua
se utilizó lámina galvanizada de 1/16 in de espesor, se anexó por medio de soldadura a la
40
parte superior de la cámara de combustible y se sellaron las esquinas con silicone para altas
temperaturas con el propósito de evitar fuga de agua (ver figura 4.17).
Figura 4.15. Tapadera de cámara de combustible
Figura 4.16. Humo debido a un mal sellado
Figura 4.17. Sello de agua
en la parte superior de la cámara de combustible
Procesos de manufactura empleados hasta este punto:
•
Corte de lámina, ángulos y varilla
•
Soldadura en lámina, ángulos y varilla
•
Doblado de lámina
•
Taladrado de lámina
•
Pulidora de lámina
41
4.1.5 CONSTRUCCIÓN TOLVA DE ADMISIÓN DE AIRE PRIMARIO
Se construyó esta sección en forma de “L” invertida o codo, la cual va adaptada justo en el
extremo opuesto al de la estructura correspondiente a la cámara de combustión (ver figura
4.18). Este dispositivo de entrada de aire se ensambla a la cámara de reacción también
mediante un marco que permite sujetarla a través de pernos y tuercas las que le dan a su vez
la funcionalidad y practicidad para su montaje y desmontaje, se utilizó lámina de 1/16 in
para su elaboración. Finalmente se construyó una válvula de tipo mariposa (ver figura 4.19)
y un mecanismo que permitiera la regulación en el ingreso de aire (ver figura 4.20).
Figura 4.18. Tolva de admisión de aire primario
Figura 4.19. Válvula de Mariposa
Figura 4.20. Sistema de regulación de
aire primario
Para efectos de sujeción, tanto del lado de entrada de aire como del lado de salida de
biogás, a los pernos ahí ubicados se les coloca una porción de soldadura. Adicionalmente
debe mencionarse que se procedió a la instalación de empaque de asbesto y adición de una
capa de silicón para alta temperatura (ver figura 4.21) en la correspondiente sección
42
transversal donde se localiza el acople para poder así obtener un mejor sellado y de esta
forma poder evitar fugas o ingresos innecesarios de aire.
Figura 4.21. Empaquetadura de asbesto y capa de silicone
La construcción de la entrada de aire primario involucra procesos de:
• Corte de lámina
• Rolado de lámina
• Soldadura en lámina
4.1.6 CONSTRUCCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN
La estructura de combustión ocupa uno de los últimos pasos constructivos antes del
ensamblaje final. La recámara rectangular en la cual se apoya el cilindro que conforma la
cámara de combustión fue elaborada con lámina de un espesor mayor (1/32 in) que en las
otras secciones debido a las altas temperaturas que en ella se generan (ver figura 4.22). Para
ella se ejecutaron procesos de:
• Corte
• Doblado
• Soldadura.
43
Figura 4.22. Cámara de combustión preliminar
En lo que respecta a la parte superior de la cámara de combustión, lámina de hierro negro
de igual espesor es cortada, perforada y finalmente rolada para obtener la estructura
cilíndrica que permite una mejor mezcla de aire secundario, gas y altas temperaturas. Se
perforaron con anticipación al proceso de rolado un total de 44 agujeros de 1 cm de
diámetro aproximadamente (ver figura 4.23), los cuales permitirán la entrada del aire
secundario necesario para la combustión del biogás. La estructura rolada se sujeta a su base
mediante soldadura.
Para la construcción fueron empleados sobre la lámina de trabajo procesos de:
• Corte
• Rolado
• Soldadura
• Doblaje.
Figura 4.23. Entradas de aire secundario
44
La sujeción de esta cámara por medio del acople antes mencionado se realizará también con
el uso de soldadura (ver figura 4.9). Esta base rectangular donde será soldada la cámara de
combustión tiene un recubrimiento externo de fibra de vidrio que consigue un mejor
aislamiento para esta sección de suma importancia.
4.1.7 CONSTRUCCIÓN DE COMPUERTA DE ACCESO A LA ZONA DE
DEPÓSITO DE CENIZAS Y BANDEJA DE REMOCIÓN DE CENIZAS
La puerta de acceso al colector de cenizas y a la parrilla es la pieza finalmente adaptada a la
cámara de reacción. Esta es construida a partir de procesos también de corte, doblado y
soldadura, seguidamente se colocaron bisagras en uno de sus extremos para ser
correctamente acoplada y cuenta con un recuadro de lámina adicional, el cual le otorga una
mayor estanqueidad a la sección (ver figura 4.24). Presentan también un mango el cual fue
diseñado con el objetivo de disipar el calor y evitar inconvenientes en la apertura y cierre de
la compuerta al momento de ser operado el quemador (ver figura 4.25). Esta se cierra por
medio de un seguro tipo gancho el cual asegura sujeción al momento de las pruebas.
Por último se fabricó una cajuela cuyas medidas son (28 x 22 x 5 cm), la cual es colocada
con el único propósito de recolectar las cenizas que caen del combustible en la cámara de
reacción y fue elaborada con lámina de hierro negro de 1/16 in y fueron aplicados procesos
de corte y doblado respectivamente.
Figura 4.24. Bandeja de remoción
Figura 4.25. Mango disipador de calor
de cenizas
45
4.1.8 CONSTRUCCIÓN CONJUNTO SOPORTE DE OLLA
El conjunto está conformado por 3 partes principales, las cuales son:
a) Soporte de Olla
Este consiste en un marco cuadrado de 18 x 18 cm y con angulares de 3/4 x 1/8 in de cuyas
esquinas descienden las patas (con el mismo angular) a una altura de 83 cm (ver figura
4.26). Presenta refuerzos soldados entre sí para evitar que cedan ante el peso de la olla. El
marco se introduce por encima de la cámara de combustión con facilidad y llega justo a la
altura de la boquilla de dicha cámara.
Figura 4.26. Soporte de Olla
b) Plato difusor de calor
Este se construyó a partir de un comal de lámina de acero de 55 cm de diámetro, el cual fue
abierto en su centro un agujero de 17 cm de diámetro ajustando sobre este un marco
cuadrado elaborado con varilla cuadrada de hierro de1/2 in y este posee una dimensión de
18 x 18 cm (ver figura 4.27).
46
Figura 4.27. Plato difusor de Calor
c) Funda de Olla
El principal objetivo de la funda es distribuir y mantener el calor generado por la cámara de
combustión en las paredes de la olla de manera uniforme, este debe tener una altura tal que
al menos cubra ¾ partes de la altura de la olla para un mejor funcionamiento. Se utilizó
lámina galvanizada 1/16 in y se manejó procesos de corte, rolado y soldadura eléctrica para
su construcción (ver figura 4.28).
Figura 4.28. Funda de olla
47
4.2 IMPLEMENTACIONES HECHAS AL MODELO ORIGINAL
Después de realizar pruebas para verificar su funcionamiento y optimización en su
rendimiento (las cuales son detalladas más adelante en el trabajo), se procedió a realizar
algunos cambios con respecto a su diseño original. Entre los cuales podemos citar:
4.2.1 CAMBIO EN EL DISEÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
Figura 4.29. Cilindro interno con
Figura 4.30. Base cuadrada de cámara
álabes
de combustión
Figura 4.31. Mala combustión debido
a una mezcla pobre en oxígeno
48
Desventajas que justificaron su reemplazo:
1. El diseño original en la cámara de combustión presentaba un cilindro de menor
diámetro concéntrico al cilindro externo el cual poseía álabes en su parte superior
que en un principio ayudarían a una mejor mezcla y conducción de los gases, pero
el espacio entre los cilindros no permitía un flujo adecuado de aire secundario lo
que provocaba que el aire entrante fuera insuficiente (ver figura 4.29).
2. La base casi cuadrada de los cilindros no presentaba una rápida evacuación de los
gases generados por la cámara de reacción (ver figura 4.30).
3. La distancia recorrida entre la mezcla del aire secundario y los gases generados por
la leña hacia la parte superior del cilindro era muy reducida por lo cual no
presentaba una buena combustión en esa zona (ver figura 4.31).
Detectados estos inconvenientes se comenzó a diseñar una nueva cámara, considerando
además de los aspectos antes mencionados, la optimización de materiales y reducción en el
proceso de soldadura para evitar fugas posteriores. Como resultado final desarrollamos los
siguientes cambios en su diseño:
Figura 4.32. Nueva cámara de
Figura 4.33. Aumento de altura en el
combustión
cilindro de la cámara de combustión
49
Esta nueva cámara se construyó alargando el perfil de salida de biogás para evitar cambios
bruscos de área para evitar caídas de presión y reducción en la velocidad de salida (ver
figura 4.32), se eliminó el cilindro interno así como los álabes para permitir la suficiente
entrada de aire para completar la combustión del gas y finalmente se aumentó la altura del
quemador en 10 cm (cilindro ubicado en la parte superior de la sección rectangular) para
contribuir al tiro y dar tiempo suficiente para una mejor mezcla de los gases producidos con
el aire secundario (ver figura 4.33).
Como último punto cabe mencionar que se construyó un sistema de álabes removible el
cual cumplía con la función de generar turbulencia en la salida de los gases de la cámara de
combustión, este fue diseñado y construido con una función similar al sistema de álabes de
la cámara de combustión anterior, pero fue descartado por generar obstáculo al paso del
biogás.
4.2.2 COLOCACIÓN DE VARILLAS EN LOS EXTREMOS DE LA
CÁMARA DE REACCIÓN
Se colocaron varillas en las zonas laterales de la cámara de reacción que permiten una
mejor retención del combustible en el reactor (ver figura 4.34). Esto con el afán de evitar
desplazamientos de trozos de leña hacia la cámara de combustión o el área de entrada de
aire primario.
Figura 4.34. Varilla de retención para cámara de reacción
50
4.2.3 USO DE SOLDADURA MIG
Soldadura MIG es empleada en los puntos de unión para sellar posibles escapes de biogás o
posibles espacios que dan lugar a entradas no deseadas de aire (ver figura 4.35), se utilizó
además empaque de asbesto y silicón para alta temperatura en las partes de acople directo
(entrada aire primario y cámara de combustión). Estos últimos refuerzos constructivos
fueron acordados y realizados a razón de resultados de las primeras pruebas de
funcionamiento.
Figura 4.35. Tolva de admisión de aire primario después de aplicar soldadura MIG
4.2.4 AISLAMIENTO CÁMARA DE REACCIÓN Y CÁMARA DE
COMBUSTIÓN
En último lugar se colocó al modelo un forro aislante de fibra de vidrio de 1 in de espesor
en las zonas más críticas (ver figura 4.36), las cuales son: cámara de reacción y cámara de
combustión. Esto con el propósito de reducir pérdidas de calor por radiación y convección,
además se consideró su uso por razones de seguridad para evitar quemaduras en los
usuarios.
51
Figura 4.36. Forro de fibra de vidrio para cámaras de reacción y combustión
Figura 4.37. Forro Parcial de fibra de vidrio en cámara de combustión
52
CAPÍTULO 5: PRUEBAS REALIZADAS EN MODELO CONSTRUIDO
5.1 INTRODUCCIÓN
Tecnologías que involucran principios de funcionamiento como los que están presentes en
estufas o gasificadores operando con biomasa, son categorizadas en buena parte como de
tipo “sobresaliente” si logran cumplir con la entrega de altas eficiencias y bajas emisiones
al ambiente. Estas eficiencias y niveles de emisiones se obtienen a partir de pruebas
específicas que se llevan a cabo en el modelo de interés.
Un
tipo estandarizado de prueba de eficiencia que se ha denominado: “Prueba de
ebullición del agua”, y la cual es aplicable a gasificadores, constituye la base para el reporte
de pruebas correspondientes al prototipo de gasificador aquí tratado. La preparación,
realización y análisis de resultados de estas pruebas son descritos en forma extensiva en el
presente capítulo. Estas pruebas permiten una medición sistemática de algunas de las
ventajas y limitantes que pueda presentar el modelo en cuestión, lo que significa que son de
mucha utilidad para la evaluación global del gasificador así como para un análisis
comparativo con tecnologías similares.
En forma previa son realizadas pruebas de operación que garantizan el óptimo
funcionamiento del gasificador bajo las condiciones controladas en las cuales se trabajan el
resto de pruebas. La descripción de estas pruebas iniciales así como su implicación en
modificaciones al prototipo son plasmadas en los reportes generales que a continuación se
presentan.
5.2 PRUEBAS INICIALES DE OPERACIÓN
Las pruebas de operación iniciales tienen como finalidad primordial la verificación del
correcto funcionamiento de las diferentes partes que conforman el modelo construido. Con
ellas se buscaba a su vez obtener una familiarización con todos esos aspectos de
funcionamiento básicos, patrones posibles que ellos puedan seguir, y demás
particularidades de operación que se pudiesen presentar antes, durante y después de una
prueba. A través de esta serie de pruebas fueron consideradas también secciones del modelo
53
sujetas a posibles rediseños o modificaciones menores, así como procedimientos futuros a
seguir y el comportamiento general que se esperaba el gasificador presente en las
subsecuentes pruebas de eficiencia.
Las pruebas de operación llevadas a cabo permiten una eficaz identificación de los puntos
anteriormente resaltados y con ello se vuelve posible conocer, evaluar y finalmente
alcanzar la forma de manejo más adecuada en lo que a utilización del modelo respecta. Los
siguientes párrafos enmarcan lo más representativo de este grupo inicial de pruebas que
forman parte de la fase de pruebas totales practicadas al modelo de gasificador construido.
5.2.1 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO GENERAL
Objetivo:
Verificación inicial de funcionamiento adecuado de las diferentes partes y del proceso de
gasificación así como del proceso de combustión.
Condiciones de prueba:
El combustible empleado es leña (específicamente Rosa de Jamaica) en combinación con
una buena cantidad de trozos de madera de pino considerados de tipo deshecho. Un poco
más de un cuarto de la capacidad total de la cámara de combustible es llenado. Las
condiciones climáticas son normales y no hay presencia de viento.
No se tiene un control pleno de la entrada del aire debido a cierto número de ajustes aún en
curso en válvula de entrada de aire primario.
Observaciones:
ƒ
La leña se desplaza en su ingreso inicial hacia los lados de la cámara de reacción
54
debido a la ausencia de alguna especie de rejillas en los extremos que colindan con
la entrada de aire y el paso del biogás a la cámara de combustión.
ƒ
Gasificación se produce inicialmente y por corto tiempo en una forma apropiada.
Las visibles fugas en uniones y porciones de soldaduras causan que el aire ingrese
en zonas no debidas, localizando una llama desde la cámara de reacción y hacia
delante en una forma bastante descontrolada.
ƒ
Emanación de humos es bastante prolongada antes de conseguir la obtención de la
llama en la cámara de combustión y a lo largo de toda la prueba. Los humos que se
observan son muy densos.
ƒ
El escape de humos en la parte superior de la cámara de alimentación de
combustible debe ser controlado; su paso debe impedirse con alguna especie de
sello.
ƒ
Se observa que una mayor cantidad de aislamiento es necesario pues la cocina
alcanza temperaturas en su superficie que se consideran muy altas y peligrosas para
los usuarios de la misma. Con ello también se presenta una pérdida considerable de
calor que pudiese ser mayormente aprovechado.
ƒ
La puerta de acceso a las cenizas requiere también un agarradero. El diseño de este
agarradero debe considerar alguna forma de aislamiento que permita poder abrir la
puerta más cómodamente y con un buen grado de protección luego de una
operación a altas temperaturas.
55
5.2.2 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO CON ELIMINACIÓN DE FUGAS
MAYORES
Objetivo:
Verificación de funcionamiento adecuado de las diferentes partes y del proceso de
gasificación así como del proceso de combustión. Verificación de eliminación de fugas y la
incidencia de ello.
Condiciones de prueba:
El combustible es leña en trozos de madera del mismo tipo que en prueba inicial. La leña
presentada una alta cantidad de humedad debido a su prolongado almacenamiento en un
lugar abierto. Dicha leña es colocada hasta la mitad de la capacidad total de la cámara de
alimentación de combustible.
La entrada del aire presenta ciertos ajustes en el pin que permite la apertura y cierre de la
válvula de entrada de aire primario, consecuente con decisiones tomadas a partir de
observaciones de primera prueba.
Observaciones:
ƒ
Las rejillas colocadas en los extremos que colindan con la entrada de aire y el paso
del biogás a la cámara de combustión, contribuyen a la retención de la leña en su
lugar.
ƒ
Gasificación se produce por un corto tiempo en forma adecuada. Se observa que
cuando esto ocurre, la producción de humos es casi nula.
ƒ
Cantidad de humo es excesiva al inicio de prueba y durante una buena parte de la
duración total de ella. Los humos son nuevamente bastante densos.
56
ƒ
Se observa que los refuerzos de asbesto localizados en los puntos de unión tanto en
la entrada de aire como en la cámara de combustión funcionan de forma muy
eficiente para un sellado mecánico del área en cuestión. Sin embargo es necesario
reforzar otras áreas con fugas.
ƒ
El nuevo agarradero de la puerta de la cámara de reacción, permite accesar a la
bandeja que recolecta las cenizas en una forma más cómoda y con una mayor
seguridad luego de haberse efectuado una prueba.
ƒ
Se muestran pendientes algunas mejoras en sellado y soldadura de componentes
como por ejemplo a lo largo de la cámara de alimentación de combustible. Espacios
muy pequeños de entrada de aire deben bloquearse por completo.
ƒ
Se observa condensación de las breas en algunos bordes de la cocina.
Algunas deducciones importantes:
¾ Los Tiempos para estabilización del proceso deben tratar de ser medidos y
controlados.
¾ La humedad de la leña puede considerarse un factor altamente crítico por tratar.
¾ Deben establecerse formas óptimas para el encendido de la leña en la cámara de
gasificación al inicio de una quema.
¾ Zonas pendientes de mayor aislamiento debido a que se alcanzan temperaturas muy
altas en superficie de estructura. Esto debe ser tomado en consideración para
entregar seguridad y comodidad a la utilización de la cocina así como para futuras
verificaciones de eficiencias.
57
5.2.3 PRUEBA DEL COMPORTAMIENTO DE DISPOSITIVO DE ENTRADA
DE AIRE PRIMARIO Y ÁLABES FIJOS EN CÁMARA DE COMBUSTIÓN.
Objetivo:
Verificación de funcionamiento adecuado de las diferentes partes y del proceso de
gasificación así como del proceso de combustión. Verificación de eliminación de fugas
restantes. Verificación de comportamiento de válvula de entrada de aire primario y sus
efectos. Verificación de incidencia de aletas difusoras en cámara de combustión.
Establecimiento de tiempos y de duración de algunos comportamientos en prueba.
Condiciones de prueba:
El combustible utilizado esta vez es leña de café. Este combustible es colocado muy cerca
de la mitad de la capacidad total de la cámara de alimentación de combustible. La leña
utilizada es pesada, arrojando un valor de 3.40 kg.
Observaciones:
ƒ
Cantidad de humo al inicio disminuye considerablemente así como la densidad del
mismo. Se da producción de humos en fase de ignición de la leña. La observación
de estos humos se da inicialmente en la cámara de combustión.
ƒ
Se sigue una bitácora general para establecer una especie de secuencia temporal de
las diferentes etapas observables en la prueba y la duración que éstas tienen, con el
objetivo de establecer alguna posible tendencia en el comportamiento del modelo.
ƒ
Existencia de puntos o espaciamientos que dan lugar a fugas en determinadas zonas,
principalmente a lo largo de la cámara de alimentación de combustible.
ƒ
Puede apreciarse mejor la turbulencia generada en la sección de álabes internos
adheridos al cilindro concéntrico a la cámara de combustión. Sin embargo se
58
observa una separación entre cilindro y cilindro que no beneficia al flujo a través de
la cámara.
ƒ
Se observa condensación de las breas en algunos bordes de la cocina. La
condensación es de carácter bastante oscuro y espeso.
Algunas deducciones importantes:
¾ El método de regulación de aire debe estudiarse un poco más. Lo que podría llegar a
traducirse en una implementación o cambio en el tipo de válvula de entrada.
¾ El encendido de la leña a partir de un pequeño trozo de ella parece no ser el más
conveniente y eficaz. Debe establecerse un mejor método para el encendido inicial
de la leña pues esto parece estar teniendo efectos negativos que desencadenan otra
serie de problemas con las llamas obtenidas a lo largo de cada prueba.
¾ Debe removerse cilindro concéntrico a cámara de combustión, el cual contiene los
álabes fijos pues el espaciamiento entre un cilindro y otro es muy estrecho y no
beneficia el paso de gases en la zona.
¾ El tamaño del combustible debe reevaluarse y determinar si no se vuelve necesario
disponer de trozos más pequeños.
5.2.4 PRUEBAS DE COMPORTAMIENTO DEL DISPOSITIVO DE ENTRADA
DE AIRE PRIMARIO Y MODIFICACIÓN DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN
Objetivo:
Verificación de funcionamiento adecuado de las diferentes partes y del proceso de
gasificación así como del proceso de combustión. Verificación de eliminación de fugas.
59
Verificación de comportamiento de válvula de entrada de aire primario y sus efectos.
Verificación de mejoras obtenidas con modificación a diseño de cámara de combustión.
Condiciones de prueba:
Como combustibles son empleados tanto la leña de café como el laurel. Trozos de tamaño
aleatorio pero bastante reducido en relación a las primeras tres pruebas son utilizados en
miras a uniformizar el combustible y ver el efecto de ello. La cámara de alimentación de
combustible es llenada en su totalidad. La cantidad de leña que ingresa fue pesada y para
todos los casos se registró entre 7 y 8 kg. La válvula de entrada de aire se encuentra en
buenas condiciones de operación.
Observaciones:
ƒ
Siempre existe presencia de humos pero estos se observan en cantidades más
elevadas cuando se hace uso del laurel a disposición. La gasificación se produce por
tiempos relativamente más prolongados y en mayores proporciones cuando se
emplea leña de café.
ƒ
El hermetismo a lo largo de la cámara de alimentación de combustible así como en
toda la sección de la cámara de combustión es mayor a causa del sellado que se ha
implementado como consecuencia de observaciones de pruebas anteriores. Se
encuentra pendiente la parte superior de la cámara de alimentación de combustible,
pues a pesar de asentar la tapadera el humo escapa constantemente en dicha región.
ƒ
El nuevo diseño de la base de la cámara de combustión, a través de la cual transita
el gas, trabaja en forma óptima en todas de las pruebas.
ƒ
La llama es constante a lo largo de todas las pruebas y se verifica un mejor
comportamiento de ella cuando la válvula de entrada de aire primario se encuentra
totalmente abierta permitiendo así el tiro necesario para el proceso.
60
ƒ
La altura de la llama ha aumentado respecto de la observada en las primeras
pruebas. Ésta sin embargo es bastante difícil de controlar. Es sugerida la adaptación
de un nuevo sistema de álabes que mejoren el mezclado de los gases en el cilindro
de la cámara de combustión pero que no interfieran significativamente con el paso
de gases a través de ella. El sistema de álabes a considerarse sería para el caso de
tipo desmontable.
5.2.5 PRUEBA DE COMPORTAMIENTO DEl SISTEMA DE ÁLABES
DESMONTABLES Y DE LA HERMETICIDAD EN LA TAPADERA DE LA
CÁMARA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE.
Objetivo:
Verificación del comportamiento de sistema de álabes desmontables. Verificación del
método utilizado para impedir infiltraciones de aire en tapadera de cámara de alimentación
de combustible. Verificación de componentes del gasificador y el cumplimiento de sus
funciones, así como de todo parámetro de operación.
Condiciones de prueba:
Como combustible se emplea leña de café. Los trozos tienen un tamaño más uniforme que
se espera contribuya a mejores resultados como los obtenidos en las 3 pruebas anteriores
donde se prestó mayor atención al tamaño de combustible utilizado. La cámara de
alimentación de combustible se llena en su totalidad (con aproximadamente 7.5 kg de leña)
y es sellada en forma mecánica a través de pernos que se busca presionen la tapadera de la
misma lo suficiente para lograr evitar fugas.
Observaciones:
ƒ
La gasificación se interrumpe numerosas ocasiones a causa de la obstrucción que
61
presentan los álabes introducidos en cilindro de cámara de combustión. El tiro
necesario no es alcanzado y la llama se interrumpe un buen número de veces.
ƒ
El escape de humos en la parte superior de la cámara de combustible no se logra
impedir totalmente. Es requerido otro método de sellado para conseguir bloquear los
humos que por ahí escapan.
ƒ
Los álabes funcionan efectivamente al proporcionar un mayor grado de turbulencia
en la mezcla de gas con el aire secundario que ingresa en la cámara de combustión,
sin embargo disminuyen el tiro debido a que obstaculizan la libre salida del gas.
Algunas deducciones importantes:
¾ Es urgente la creación de un sello que impida las fugas mostradas en la parte
superior de la cámara de combustible, pues lo anterior ocurre durante toda la prueba
y debe ser evitado.
¾ Los álabes deben ser removidos para una prueba adicional que permita decidir si es
su presencia la que dificulta los procesos de combustión y gasificación o si existen
problemas adicionales originados por otra causa.
5.2.6 PRUEBA DE EFECTIVIDAD DE SELLO DE AGUA EN PARTE
SUPERIOR CÁMARA DE COMBUSTIBLE.
Objetivo:
Verificación del funcionamiento adecuado de las diferentes partes y de los procesos de
gasificación y combustión, así como de la totalidad de parámetros de operación.
Verificación de la efectividad de un sello de agua en parte superior de la cámara de
alimentación de combustible. Verificación final de fugas en cualquier zona del gasificador
62
y de cualquier otro ajuste menor que se requiere con el objetivo de establecer si es viable o
no iniciar pruebas de eficiencia.
Condiciones de prueba:
Como combustible es empleada leña de café nuevamente. Los trozos son de tamaño
bastante uniforme (alrededor de 7 cm). La leña tiene una menor humedad y la cámara de
alimentación de combustible se llena en su totalidad. Se ha colocado un de sello de agua
para eliminación de fugas en cámara de combustible y se ha eliminado cualquier sistema de
álabes posible en cilindro de cámara de combustión.
Observaciones:
ƒ
Sellado en tapadera de cámara de alimentación de combustible se logra
exitosamente.
ƒ
No se observan fugas en ninguna zona.
ƒ
Se verificó que la gasificación y combustión se dieran de manera adecuada y la
llama se muestra constante a lo largo de toda la prueba.
ƒ
La ignición de la leña se obtiene en pocos minutos. Los humos son observados en
cantidades considerables únicamente al inicio de la prueba como se esperaba. Se
sospecha que estos son humos en su mayoría provenientes de la humedad en la leña.
ƒ
Se considera que el modelo se encuentra en condiciones muy aceptables para dar
inicio a un programa de pruebas de eficiencia.
63
5.3 PRUEBAS DE EFICIENCIA
La etapa de pruebas que se sigue para una estufa o gasificador permite básicamente la
identificación de las fortalezas y debilidades de cada modelo sin perder énfasis en su
contexto social y económico. Si las pruebas se siguen en estufas producidas en serie, ellas
entregan una especie de control de calidad a su manufactura así como una base para futuras
modificaciones de diseño relevantes.
Ahora bien, las pruebas realizadas particularmente al modelo de gasificador aquí construido
tienen como finalidad el obtener eficiencias térmicas bajo parámetros que son posibles de
controlar en una prueba. A priori a la realización de ellas, se han establecido
procedimientos para la obtención de la información deseada así como un programa de
pruebas que pueda enriquecer un registro de eficiencias y que a su vez responda a
variaciones en aspectos cualitativos y cuantitativos. En el programa anterior se cumple un
protocolo de prueba específico en espera de una correcta obtención de datos que conlleve a
la efectiva interpretación de los mismos.
La prueba denominada “de ebullición del agua” fue escogida para el cálculo de la eficiencia
general del gasificador pues a través de ella se simulan las situaciones experimentadas en
cocciones ordinarias. A través de ella se facilita la comparación entre un tipo de estufa y
otra bajo condiciones controladas en las cuales son pocas las variables culturales
involucradas, y esto permite una aproximación a la realidad aún mayor. Esta prueba es
también una medida de la cantidad de combustible que se consume para determinado
proceso de cocción de alimentos y es el agua la que hace las veces de un alimento
específico. Existen diferentes protocolos para el desarrollo de estas pruebas de eficiencia; el
protocolo que se sigue a lo largo de este estudio es presentado más adelante en el capítulo.
5.3.1 PREPARACIÓN para las pruebas de eficiencia
Las pruebas serán realizadas con ramas de café seco, cortadas en 3 tamaños diferentes
correspondientes a 15, 10 y 5 cm. Para que los datos sean representativos, se realizan 5
pruebas iniciales para cada uno de los tamaños. La prueba que se realiza es una prueba de
64
eficiencia estandarizada y basada en la ebullición del agua y cuyo protocolo es descrito en
el siguiente apartado del presente capítulo.
Se analizaran los datos obtenidos para determinar el tamaño de leña que ofrece un mejor
comportamiento tomando en cuenta la relación entre calidad y cantidad de humos, duración
de quema y la eficiencia promedio obtenida. Habiendo determinado el tamaño más
adecuado, se procede a realizar 5 pruebas adicionales; esto con el objetivo de encontrar una
tendencia mas clara del comportamiento del gasificador para el caso particular.
Luego de determinar el tamaño de combustible que presente el mejor comportamiento
según los criterios antes definidos, se procederá a realizar el resto de pruebas previstas que
son: las de recarga de combustible, de variación en el tamaño de la olla y las pruebas con
instrumentos de medición, para poder así determinar el rango de temperaturas de operación
y la variabilidad de los distintos aspectos que se miden en cada una de las pruebas.
También se realizará una prueba con mezcla de tamaños de combustible (el ideal y uno de
los dos restantes) para comentar algunos efectos de éste fenómeno. Todas las pruebas se
realizaran con el aislamiento debidamente colocado en los puntos críticos del modelo.
Las pruebas antes mencionadas deben realizarse con espacios de tiempo suficiente para que
pueda darse un enfriamiento suficiente del gasificador para que las condiciones iniciales en
cada una de los ensayos sean similares.
5.3.2 PROTOCOLO PARA LA PRUEBA DE EBULLICIÓN DEL AGUA
ƒ REQUERIMIENTOS INICIALES
Debe tenerse un suministro adecuado del combustible (leña) y del agua que será depositada
en la olla que se utilizará en la prueba. La prueba de hervir agua completa se sugiere
realizar con un mínimo de 15 litros de agua fría por cada una de las ollas que se utilice. Las
cantidades programadas para la prueba tanto de agua como de leña deben obtenerse con
anticipación y si es posible haber colectado dicha leña de un mismo lugar. Adicionalmente,
65
esta leña que se utilizará debe estar bien seca (preferiblemente secada al aire libre) y tener
un tamaño lo más uniforme posible.
Se sugiere la realización de al menos una prueba de práctica para familiarizarse con el
procedimiento de las pruebas y con las características de la estufa o gasificador. En las
pruebas, uno de los registros corresponde al punto de ebullición del agua, o temperatura de
ebullición del agua, en la localidad donde se trabaja. Este registro debe tomarse con un
instrumento de alta precisión. Se recomienda una termocupla la cual una vez sumergida al
interior del agua ya no sea retirada y así se pueda disponer de registros continuos. También
es importante contar con algún recipiente graduado que permita la medición del volumen
de líquidos.
También debe haberse determinado previamente el método de encendido de la leña. Para
ello puede utilizarse un paño o tela que se encienda mediante algún líquido inflamable y
pueda generar una llama lo suficientemente grande y prolongada que logre encender la leña
más inmediata que se localiza justo sobre la parrilla.
Se recomienda procurar que haya espacio y tiempo suficiente para realizar las pruebas sin
ser molestado. Las pruebas deben efectuarse, idealmente, en un lugar completamente
protegido del viento. En promedio, la realización de una prueba completa de una sola estufa
o gasificador tarda cerca de dos horas y media, incluyendo el pesar y preparar el
combustible. Puede ahorrarse tiempo si las personas realizando las pruebas preparan con
anticipación suficiente cantidad de leña que haya sido previamente pesada.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBA
1. Deben registrase el mayor número posible de condiciones de la prueba. Si la prueba
involucra más de una estufa o gasificador deben incluirse imágenes claras de cada
uno y además deben incluirse dimensiones relevantes y la forma de colocación de la
olla que se tendrá en cada estufa. Las condiciones climáticas deben ser debidamente
comentadas (temperatura del aire, humedad relativa, condiciones de viento).
66
2. Debe pesarse la olla que será utilizada, encontrándose ésta vacía, y posteriormente
registrar este peso en la hoja de prueba diseñada para el registro de información de
pruebas. Debe pesarse la olla nuevamente, pero esta vez conteniendo la cantidad de
agua que se ha predeterminado para cada prueba.
3. La hoja de prueba debe contener el código de la prueba, el tipo de leña a usarse, el
tamaño de la leña, las condiciones climáticas antes referidas y las masas de la olla y
el conjunto de olla y agua contenida mencionadas en el paso anterior.
4. También debe incluirse en esta hoja de prueba la masa total de leña que se ingresará.
Debe disponerse de esta leña en cantidades suficientes y ésta debe ser pesada en una
balanza con la graduación apropiada a los volúmenes que serán usados en las
pruebas. La leña puede estar almacenada en sacos y al pesarse ser tarada para
efectos de obtener un dato de masa de leña confiable. La masa total de leña
empleada en cada prueba es registrada en la hoja de pruebas para cada uno de los
ensayos. Deben utilizarse preferiblemente leños de diámetro similar y que no
excedan los 3 centímetros de diámetro. Los leños deben ser similares en tamaño en
cada prueba realizada para disminuir variaciones debido a diferencias en el
combustible, a menos que se desee realizar un ensayo que implique combustibles
mezclados.
5. Debe proceder a medirse el agua colocada al interior de la olla. Esto se efectúa con
un termómetro, el cual se coloca en el centro de la olla y a un centímetro de la base
de ésta. Al registrar la temperatura del agua debe confirmarse que no varía en más
de 2 grados centígrados del valor de temperatura ambiente. Este valor de
temperatura del agua debe ser anotado en la hoja de prueba.
6. Si se tiene un acceso a una cámara, se recomienda fotografiar el prototipo y el
combustible a emplearse. Esto se vuelve imprescindible para el caso de que sea más
de un tipo de estufa o gasificador el que éste probándose.
67
7. Una vez todos los parámetros necesarios hayan sido medidos y registrados; que el
combustible se halla depositado en la cámara de alimentación del mismo y que se
encuentren en su posición todas aquellas partes como el conjunto de soporte de olla
y la olla misma, se procederá a encender la leña, iniciando por aquella localizada en
la cama de reacción, es decir la más cercana a la parrilla. Esta leña en la base debe
humedecerse previamente con algún agente inflamable (por ejemplo gas) para
propiciar así una ignición más rápida. Puede usarse un pedazo de tela para que este
de inicio al encendido de esta leña inmediata en la parrilla.
8. Deben registrarse a medida es desarrollada la prueba los siguientes datos:
-
Temperatura del agua en la olla
-
El peso de cualquier leña que se añada a la cámara del combustible
-
Cualquier acción tomada para el control de la llama
-
El comportamiento de la llama (humos, etc.)
-
Cualquier observación general relevante a la prueba
9. Debe registrarse la variación de la temperatura en el agua de la olla para intervalos
suficientes y tomar nota del tiempo en que el agua alcanza la temperatura de
ebullición. Continúe registrando cualquier aspecto importante ocurrido en la prueba.
10. Con la prueba finalizada registre el peso de la ceniza obtenida y el de la masa de
agua final (pesando siempre el conjunto olla y agua luego de efectuada la prueba)
para luego poder obtener la masa de agua ebullida, leña consumida y duración total
de la prueba. Esta masa de agua ebullida es registrada en la hoja de prueba pues es
utilizada en la siguiente fórmula que permite obtener el valor de eficiencia global de
la prueba:
(Ec. 5.1)
68
Donde:
n
=
eficiencia global
mw,i
=
masa de agua inicial en olla (kg)
Cpw
=
calor específico del agua (4.217 kJ/kg ºC)
mw,evap =
masa de agua evaporada (kg)
mf
=
masa de leña consumida (kg)
Te
=
temperatura de ebullición del agua (ºC)
Ti
=
temperatura inicial del agua en olla (ºC)
Hl
=
calor latente de vaporización a 100º C y 105 Pa
(2,257 kJ/kg)
Hf
=
valor calorífico del combustible (18,999 kJ/kg)
5.3.3 OTROS PARÁMETROS A CONSIDERAR EN UNA PRUEBA DE
EFICIENCIA
a) Condiciones climáticas
Entre las observaciones y los datos correspondientes a comportamiento climático algunos
de los más importantes son: temperatura del aire, condiciones de viento, humedad relativa,
altitud y el contenido de humedad en la leña.
La temperatura del aire afecta el ritmo de la pérdida de calor de la estufa o gasificador a la
olla. También contribuye a establecer la temperatura inicial del agua a utilizarse en la
prueba de ebullición del agua. Idealmente estos valores de temperatura del aire deben ser
tomados al inicio y final de la prueba para establecer un promedio de dicha temperatura.
Esto siempre y cuando se disponga del equipo requerido para su medición.
Las condiciones de viento afectan el tiro en el gasificador y pueden tener influencia
considerable en el comportamiento de la estufa. Idealmente las pruebas al gasificador deben
efectuarse solo bajo condiciones de viento muy calmadas. Con esto se pretende tener
movimientos de aire reducidos y pocas pérdidas de calor por convección durante la prueba.
69
La humedad relativa del aire es un buen indicador de la cantidad de humedad en la leña que
se ha secado al aire libre. En caso de tener la instrumentación para medirla se recomienda
tomar un registro de ella.
b) Presión atmosférica y temperatura de ebullición
La temperatura de ebullición normal del agua depende de la presión atmosférica la cual es
principalmente una función de la altitud sobre el nivel del mar. A una altitud (H), la
temperatura de ebullición normal del agua puede calcularse como:
Tb = (100 - H/300) [ºC]
(Ec. 5.2)
en donde H se expresa en metros. Por ejemplo, la temperatura de ebullición normal es 100º
C al nivel del mar y de 95 ºC a 1500 m de altitud.
En las pruebas de eficiencia que aquí se realizaron se registró una temperatura de ebullición
de 97.5 ºC; sin embargo debe tomarse en cuenta que la termocupla de medición que se
introdujo en el agua para cada una de las pruebas poseía un error de ± 2 ºC.
c) Combustible a usarse
Para las pruebas es común seleccionar leña de la localidad en donde se realizan. Esto
permite disponer de cantidades abundantes además de facilitar la accesibilidad del
combustible. Se prefiere que haya sido secada al aire libre y que sea cortada en trozos lo
más uniforme posible.
70
5.3.4
EQUIPO UTILIZADO
o Balanza con 1 gramo de precisión y
o Leña
secada al aire libre,
previamente pesada. Se necesita
suficiente combustible a disposición
si las pruebas que se realizan son de
recarga.
capacidad mínima de 20 kg
o Termómetro Digital,
con un buen o Pala/espátula pequeña para remover
grado de precisión y una sonda
carbón y residuos al interior del
apropiada para sumergir en
gasificador. Especie de atizador
líquidos.
para zarandear parrilla.
o Una olla previamente seleccionada
o Plato difusor con adecuaciones a la
(si no se ha escogido con
anterioridad utilizar una que se
adecue a las dimensiones del
quemador)
forma y dimensiones de la olla que
será utilizada.
o Funda pre-diseñada para transferir y
o Recipientes adecuados resistentes
mantener el calor en las paredes de
la olla.
o Agua limpia para cada PHA (puede
para transferir
carbón.
bolsas
para
almacenamiento.
el
su
posterior
o Guantes resistentes al calor y tenaza
en el agua y para otros aparatos de
medición que pudiesen emplearse.
o Equipo de registro y termocuplas
movilizar
o Bandeja para pesar el carbón y
ser re-usada si se agrega mas agua
para compensar por derrames y
evaporación)
o Accesorios para sostener la sonda
o
para manejo de parrilla y carbón.
o Cronómetro
para adquisición de datos de
temperatura en caso de requerir
medición de temperaturas de
operación.
Tabla 5.1 Equipo requerido para una prueba de ebullición de agua
71
5.3.5 CRITERIOS A EVALUAR
En el curso de ejecución de las pruebas de eficiencia se hace uso de criterios que permiten
un análisis objetivo del comportamiento dado en las diferentes pruebas, y con ello un
mejor entendimiento e interpretación de la influencia, interdependencia y líneas de
comportamiento generales de las variables involucradas en cada uno de los ensayos
realizados. Estos criterios son:
1- Funcionamiento general del modelo
Esto encierra todos los aspectos visibles, sensibles y perceptibles durante una quema.
La verificación de los procesos de gasificación y combustión que antes han sido
descritos y que representan las funciones más trascendentales del prototipo. La
verificación del funcionamiento óptimo de cada una de las partes del prototipo en cada
etapa de la prueba; de esta forma se puede entonces evaluar en caso de fallos o
inconvenientes si estamos frente a una limitante en el diseño o construcción del
gasificador o si el problema es de tipo externo y ajeno a éste.
2- La eficiencia global
De carácter central en estas pruebas y además un importante parámetro para el
establecimiento de la viabilidad del prototipo y una buena medida del aprovechamiento
del combustible en uso.
Se sabe que existen muchas formas diferentes de medir la eficiencia de una estufa y su
rendimiento en general. Un método ampliamente utilizado compara que ingresa a la
estufa con aquella que sale de la misma, para determinar así el porcentaje de calor que
es utilizado.
Un concepto más amplio de eficiencia toma en cuenta las pérdidas de energía por
evaporación. Una vez el alimento en cocción alcanza el punto de ebullición, la cantidad
72
adicional de calor que absorbe es relativamente pequeña. En la prueba basada en la
ebullición del agua, la olla requiere sólo el calor suficiente para mantener las temperaturas
de ebullición y lo demás es exceso. Este calor en exceso es usado para generar vapor que
escapa de la olla sin agregar más nada a los alimentos en cocción. Si entonces se logran
mantener estas temperaturas con la menor producción de vapor, puede decirse que, en ese
aspecto, es bastante eficiente la estufa o gasificador.
Otras de estas pérdidas de energía ocurren por radiación y convección (como las pérdidas
de calor de la estructura de la estufa al ambiente y aquellas en la superficie de la olla).
También pueden darse a través de una combustión incompleta de la leña o incluso a través
de una chimenea (si se cuenta con ella).
El concepto de eficiencia esta pues basado en muchas consideraciones termodinámicas. Es
un concepto de Ingeniería que en concordancia con la primera ley de la termodinámica,
permite definir la eficiencia de una estufa o gasificador para una aplicación específica como
la razón de energía de salida a energía de entrada. Esto da entonces una buena idea del
aprovechamiento del combustible que el gasificador logra alcanzar. La ecuación mediante
la cual se calculó la eficiencia global del gasificador que aquí es presentado fue mostrada
en el apartado 5.2.2.
Finalmente, debe tenerse en cuenta siempre que esta eficiencia de la que se habla no es una
cantidad física absoluta sino más bien una razón definida por si misma que depende mucho
de las condiciones bajo las cuales un proceso tiene lugar y como su entrada y salida son
medidas; resultando entonces en solo una pauta para establecer rendimientos. La eficiencia
se reproduce fácilmente en sistemas con operaciones estándar pero no en un proceso tan
variable como es la combustión de la biomasa en una estufa pues aquí esta eficiencia
termodinámica depende de un gran número de factores tales como el diseño de la estufa o
gasificador, la composición del combustible, condiciones metereológicas y otras variables
operacionales como son el ritmo de consumo de combustible. La eficiencia es pues una
herramienta de diseño muy grande pero no predice todos los comportamientos posibles de
la estufa o gasificador en cuestión.
73
3- Cantidad de combustible que se ingresa y duración de la prueba
La cantidad de combustible se registra en kg y por duración de la prueba se entiende al
tiempo de operación del gasificador durante el cual los procesos de gasificación y
combustión son estables, produciendo así una llama en forma continua y con una intensidad
más o menos constante, en la cámara de combustión del gasificador.
Otros valores que se registran como el tiempo de ignición de la leña, así como la cantidad
de cenizas recolectada posterior a la quema, nos sirven como formas comparativas de una
prueba a otra con la intención de establecer algunas tendencias en el comportamiento global
del gasificador. La cantidad de ceniza también contribuye para darnos una idea del
aprovechamiento de la masa de combustible durante la prueba.
5.3.6 CODIFICACIÓN DE PRUEBAS
Las pruebas son debidamente codificadas como a continuación se presenta:
Código
Descripción breve del tipo prueba
VE
Pruebas para verificación de funcionamiento
E15
Pruebas haciendo uso de combustible en trozos de 15 cm
E5
Pruebas haciendo uso de combustible en trozos de 5 cm
E10-1
EMT-1
Pruebas haciendo uso de combustible en trozos de 10 cm
Pruebas haciendo uso del mejor tamaño de leña seleccionado de los 3
grupos anteriores
E4G-1
Pruebas utilizando un tamaño de olla con capacidad para 4 galones
EM-1
Pruebas que involucran mezcla de combustible
ER-1
Pruebas realizadas con recarga de combustible
Pruebas de verificación de adecuado funcionamiento con aparato de
medición HYDRA
Pruebas con mediciones de temperatura por aparato de medición
HYDRA
VHY-1
EHY-1
74
Viruta
Prueba realizada con viruta
Cocción
Prueba que involucra la cocción de alimentos.
Tabla 5.2 Codificación de las pruebas de eficiencia realizada
La codificación anterior acompaña e identifica a la prueba tanto en el registro escrito que se
lleva así como en los apartados de descripción y análisis que aquí se presentan.
5.4 DESCRIPCIÓN DE PRUEBAS
Las pruebas para la obtención de eficiencias que se realizaron se presentan a continuación
con sus respectivas tablas, las cuales resumen los datos obtenidos en cada prueba. Son
presentados también los análisis e interpretación de los resultados, así como una mención
de aquellos aspectos que fueron relevantes y de mucho interés cualitativo a un mismo grupo
de pruebas.
5.4.1
CATEGORIA:
PRUEBAS
PARA
VERIFICACIÓN
DE
FUNCIONAMIENTO (VE)
ƒ
Objetivo específico:
Verificar un comportamiento aceptable a lo largo de una quema así como familiarizarse con
los datos que deben registrarse y con el proceso en sí, con el fin de lograr un cálculo
correcto de la eficiencia correspondiente a esa prueba.
ƒ
Descripción de la prueba:
Se ingresa combustible del tamaño de 15 cm hasta llenar la cámara de combustible.
75
ƒ
Código
VE
Datos obtenidos:
Masa de
Combustible
(g)
Duración de la
ignición
(minutos)
Duración de
la quema
(horas)
Agua
ebullida
(gal)
Eficiencia (%)
Ceniza
obtenida
(g)
No quemado
(%)
8063
12'23
2h02'
1.71*
18.77
143.36
1.78
Tabla 5.3 Datos obtenidos en pruebas de código VE
El agua que para este caso fue utilizada totaliza 15 galones, a diferencia de las demás
pruebas en las que son utilizados 10 galones.
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba:
Funcionamiento general:
El gasificador se comportó de manera bastante aceptable. La ignición tomo un tiempo
relativamente prolongado, alrededor de 13 minutos, debido a la no familiarización con el
método de encendido más eficaz. Se observó humo en cantidades medias y en ciertos
momentos se apreció un aumento considerable de ello.
- Masa promedio de combustible ingresada: 8.063 kg
- Tiempo para alcanzar ebullición: No alcanzó ebullición
- Duración de quema: Alrededor de 2 horas
- Eficiencia de prueba: 18.77%
- Agua ebullida: 1.71 galones
ƒ
Resultados del Análisis:
Para este punto no se tenían datos previos con los cuales comparar los datos adquiridos en
la prueba aunque si pudo verificarse un adecuado funcionamiento del prototipo. Sin
embargo la cantidad de agua utilizada se estima que tiene una inercia bastante grande para
ciertos requerimientos citados en los procedimientos y protocolo de pruebas puesto que
nunca es alcanzada la temperatura de ebullición y por ende se registra una pequeña masa de
agua la cual si logra evaporarse.
76
Adicionalmente la olla no fue tapada en el curso de la prueba ni colocado el faldón que la
recubre; factores que se vuelven contribuyentes a que la elevación de la temperatura del
agua sea tan lenta. En vista del interés que se tiene en alcanzar este punto de ebullición se
opta entonces por reducir la cantidad de agua que se empleará en cada una de las pruebas.
Los humos que se observaron a lo largo de la prueba podrían tener su origen en la humedad
presente en la leña, así como también debe tomarse en consideración el hecho que la
admisión en la entrada de aire se cerró a un 50% en el minuto 20 de la prueba.
La masa de ceniza obtenida al final de la prueba fue de 143.36 g, lo que arroja un
aprovechamiento del 98.22 del combustible.
5.4.2 CATEGORIA: PRUEBAS CORRESPONDIENTES A BÚSQUEDA DE
MEJOR TAMAÑO. UTILIZACIÓN DE 5, 10, 15 CENTÍMETROS. (E15, E10,
E5)
ƒ
Objetivo específico:
Determinar las ventajas y desventajas en cuanto al comportamiento general así como la
eficiencia obtenida con los diferentes tamaños de leña (5,10 y 15 cm), para poder así
seleccionar aquella que pudiese tener el mejor rendimiento en los casos de aplicación para
los cuales este prototipo fue diseñado.
ƒ
Descripción de la prueba:
Fueron ingresados combustibles de los tamaños de 15, 5 y 10 cm de manera independiente
para cada una de las pruebas incluidas en este grupo. Los trozos se colocan de la manera
más ordenada y uniforme posible para tener un mejor aprovechamiento del espacio
disponible en la cámara de combustible. La cámara de combustible fue llenada en cada
caso.
77
ƒ
Datos obtenidos:
Masa de
Combustible
(g)
Duración de la
ignición
(minutos)
Duración de la
quema
(horas)
Agua
ebullida
(gal)
Eficiencia
(%)
Ceniza
obtenida
(g)
No
quemado
(%)
E15-1
7668
3'47
1h31'
1.65
17.77
175
2.28
E15-2
7665
1'51
1h40'
2.02
19.96
148
1.93
E15-3
7252
5'47
1h16'
1.89
20.05
152
2.10
E15-4
7870
9'34
1h33'
1.67
17.18
117
1.49
E15-5
7470
3'52
1h39'
1.76
18.64
150
2.01
E5-1
10687
7'00
1h50'
1.49
11.89
463
4.33
E10-1
9126
6'55
1h34'
1.6
14.51
213
2.33
E10-2
8721
6'00
1h38'
1.59
15
150
1.72
E10-3
8523
6'38
1h40'
1.74
16.15
170
1.99
E10-4
7963
6'00
1h16'
1.25
14.53
162
2.03
E10-5
8712
7'00
1h29'
1.54
14.75
155
1.78
Código
Tabla 5.4 Datos obtenidos en pruebas de código E15, E10, E5
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba:
Funcionamiento general:
El gasificador se comportó de manera bastante aceptable en las pruebas de 15 y 10 cm. Para
la única prueba realizada con 5 cm el comportamiento fue muy irregular. El tiempo
promedio de ignición observado para este grupo de pruebas fue de 5 minutos 66 segundos.
Se observó humo en cantidades pequeñas para el caso de 15 cm. Estas cantidades de humo
fluctuaron a cantidades mayores, aunque siempre aceptables, para el caso de 10 cm.
Particularmente, el caso de 5 cm presentó una cantidad de humo muy elevada, por lo que no
se crearon condiciones mínimas para su uso por contaminar excesivamente el ambiente y
ser nocivo a la salud de los usuarios. Debido a lo anterior, no se continuaron pruebas con
dicho tamaño por ser consideras insatisfactorias.
- Masa promedio ingresada (15 cm): 7.585 kg
- Masa promedio ingresada (10 cm): 8.609 kg
- Masa promedio ingresada (5 cm): 10.687 kg
- Tiempo promedio para alcanzar ebullición (15 cm):
Prueba E15-1 (sin tapadera): 1 hora 18 minutos
78
Prueba E-15 (con tapadera): 44 minutos
- Tiempo promedio para alcanzar ebullición (10 cm): 45 minutos
- Tiempo promedio para alcanzar ebullición (5 cm): 54 minutos
- Duración de quema promedio (15 cm): 1 hora 32 minutos
- Duración de quema promedio (10 cm): 1 hora 31 minutos
- Duración de quema promedio (5 cm): 1 hora 50 minutos
- Eficiencia promedio de prueba (15 cm): 18.72%
-Eficiencia promedio de prueba (10 cm): 14.99%
-Eficiencia promedio de prueba (5 cm): 11.89%
- Agua promedio ebullida (15 cm): 1.8 galones
-Agua promedio ebullida (10 cm): 1.49 galones
-Agua promedio ebullida (5 cm): 1.54 galones
ƒ
Resultados del Análisis:
Con el respaldo de los datos obtenidos se puede determinar que el tamaño que presenta un
mejor desempeño es el de 15 cm. Esta afirmación se basa en el hecho que resultó muy
bueno en varios de los aspectos evaluados, superando en varios ocasiones a los demás
tamaños. Un claro ejemplo de ello son los valores de eficiencia obtenidos así como un
comportamiento estable en la llama y una escasa emisión de humos.
Las pruebas realizadas con el tamaño de 10 cm presentaron una conducta aceptable, sin
embargo su eficiencia no resultó tan alta como en el caso de 15 cm y la emisión de humos
fue recurrente en el tiempo que duró la quema.
La evaluación del tamaño de 5 cm mostró una llama débil y muy irregular con emisión de
humos durante toda la prueba. En un intento por estabilizar y fortalecer la llama, se atizo
varias veces la cama de gasificación, sin conseguir éxito. Así mismo debido al
comportamiento discontinuo no se evaporaron cantidades significativas de agua, por lo que
la eficiencia resulto visiblemente menor, en comparación con los otros tamaños evaluados.
79
Con respecto al aprovechamiento del combustible, el tamaño de 15 cm mostro una mejor
utilización de la leña, quemando el 98.12% de éste, mientras que el tamaño de 10 cm,
presenta un aprovechamiento del 98% de la masa inicial de combustible y la prueba
realizada con el tamaño de 5 cm determino el uso del 95.7% del total de masa ingresada.
5.4.3 CATEGORIA: PRUEBAS HACIENDO USO DEL MEJOR TAMAÑO DE
LEÑA SELECCIONADO (EMT)
ƒ
Objetivo específico:
Un registro de nuevos datos con valores diferenciados de las pruebas anteriores de 15 cm
en donde pueda notarse los efectos del aislamiento colocado en aquellas partes críticas del
gasificador. Así también, se busca ampliar el registro de eficiencias para el tamaño de 15
cm y definir algún comportamiento o tendencia que difiera con aquellas observadas en la
operación del prototipo cuando éste no se encontraba aislado.
ƒ
Descripción de la prueba:
La cámara de combustible se llena con trozos de 15 cm que son colocados de la manera
más ordenada posible y en un mismo sentido, buscando así que puedan acomodarse en una
serie de capas que logren tener un mejor descenso a medida la quema avanza.
ƒ
Datos obtenidos:
Masa de
Combustible
(g)
Duración de
la ignición
(minutos)
Duración de
la quema
(horas)
Agua
ebullida
(gal)
EMT-1
7218
4'53
1h31'
2.36
23
144
2.00
EMT-2
7573
6'46
1h51'
2.29
21.6
177
2.34
EMT-3
7016
2'20
1h22'
1.69
19.77
163
2.32
EMT-4
7461
5'12
1h40'
2.17
21.3
151
2.02
EMT-5
7195
5'39
1h53'
2.2
22.19
147
2.04
Código
Eficiencia (%)
Tabla 5.5 Datos obtenidos en pruebas de código EMT
80
Ceniza
obtenida
(g)
No
quemado(%)
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba
- Masa promedio de combustible ingresada: 7.293 kg
- Tiempo promedio para alcanzar ebullición: 44 minutos
- Duración promedio de quema: 1 hora 40 minutos
- Eficiencia promedio: 21.57%- Agua promedio ebullida: galones: 2.14 galones
Funcionamiento general:
El gasificador mostró condiciones de operación ampliamente aceptables. No fueron
observados mayores problemas de humos; el poco humo visible fue en su mayoría vapor
de agua. Los tiempos de ignición fueron relativamente cortos y sin mayores inconvenientes.
El tiempo de ignición promedio que se registró fue alrededor de 5 min y la duración
promedio de las quemas fue de 1 hora con 40 minutos.
ƒ
Resultados del Análisis:
La adición del aislamiento de fibra de vidrio tanto a las secciones de la cámara de reacción
como a la cámara de combustión ha significado mayor aprovechamiento de calor en dichas
regiones, lo que se ve traducido en aumentos de temperatura en el agua más veloces debido
a mayor energía transferida en el proceso. Por ende, las temperaturas de ebullición en cada
prueba se alcanzaron más rápidamente que en pruebas anteriores. La cantidad de agua
consumida para estas pruebas ha sido también considerablemente mayor, lo cual puede
verse reflejado en claros aumentos en lo que a eficiencia respecta.
Es en esta serie de pruebas donde se registra el mayor valor de eficiencia para la totalidad
de pruebas de este tipo llevadas a cabo en el gasificador. Esta alta eficiencia registró un
valor del 23% con un consumo de leña que no fue necesariamente el mayor del grupo. El
promedio de eficiencias es de 21.6%.
La llama tuvo uno de los comportamientos más estables visto en términos comparativos
con las demás pruebas realizadas. La emisión de humos casi nula permite catalogar a este
grupo como uno representativo de procesos de combustión y gasificación notablemente
81
aceptables. La leña fue aprovechada para todos los casos en un 98% o más, lo cual es una
clara indicación de un buen consumo del combustible usado. Por lo anterior, la cantidad de
cenizas obtenidas disminuyo en relación a pruebas hechas anteriormente con otros tamaños
de combustible y bajo condiciones de no-aislamiento.
5.4.4 CATEGORIA: PRUEBA DE EFICIENCIA PARA 4 GALONES DE AGUA
(E4G)
ƒ
Objetivo específico:
Encontrar la variación en el comportamiento general y en la eficiencia para una olla de
menor tamaño, conteniendo 4 galones de agua.
ƒ
Descripción de la prueba:
Se coloco en el soporte una olla de menor tamaño llena con 4 galones de agua, colocando
una funda adecuada a su tamaño y cargando el gasificador con trozos de leña de 15 cm.
ƒ
Datos obtenidos:
Masa de
Combustible
(g)
Duración de la
ignición
(minutos)
Duración de
la quema
(horas)
Agua
ebullida
(gal)
Eficiencia
(%)
Ceniza
obtenida
(g)
No quemado(%)
E4G-1
7254
4'00
1h32'
1.79
14.51
275
3.79
E4G-2
8112
5'00
2h17'
2.58
17.31
221
2.72
E4G-3
6685
3'00
1h42'
2.1
17.77
146
2.18
Código
Tabla 5.6 Datos obtenidos en pruebas de código E4G
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba:
Funcionamiento general:
El gasificador se comporto de manera normal, con pequeñas trazas de humo en periodos
cortos durante la quema. La ignición fue rápida, alrededor de 4 minutos.
- Masa promedio de combustible ingresada: 7.350 kg
- Tiempo promedio para alcanzar ebullición: 29 minutos
- Duración promedio de quema: Alrededor de 1 hora 50 minutos
82
- Eficiencia promedio de prueba: 16.53%
- Agua promedio ebullida: 2.75 galones
ƒ
Resultados del Análisis:
A pesar de lo esperado, la eficiencia se redujo sensiblemente, debido a que el área de
transferencia de calor entre la olla y la llama es menor.
En una de las pruebas (E4G-1) se obtuvieron datos muy diferentes a los del resto de la
serie, debido a que el combustible se configuro de manera diferente al ser cargado en la
cámara de combustible.
Hay que considerar que el total de agua evaporada, puede verse alterado debido a que la
violenta ebullición provoco derrames significativos de agua, así que pudo haber sido
evaporada menos agua que la registrada.
Se obtuvo al final de la prueba un promedio de 214 g de ceniza, lo que arroja un
aprovechamiento de la masa de combustible de 97.09%
5.4.5 CATEGORIA: PRUEBA DE EFICIENCIA CON MEZCLA 15 Y 5 cm (EM)
ƒ
Objetivo específico:
Determinar el cambio en el comportamiento general y en la eficiencia, para una carga de
combustible compuesta de trozos de 15 cm y trozos de 5 cm.
ƒ
Descripción de la prueba:
Se procedió a colocar una base de combustible del tamaño de 15 cm hasta una mitad de la
altura de la cámara de combustible, luego se relleno con trozos de 5 cm colocados de forma
aleatoria.
83
ƒ
Datos obtenidos:
Código
EM-1
Masa de
Combustible
(g)
Duración de la
ignición
(minutos)
Duración de
la quema
(horas)
Agua
ebullida
(gal)
Eficiencia (%)
Ceniza
obtenida
(g)
No
quemado
(%)
9216
1'00
1h55'
3.68
24.4
218
2.37
Tabla 5.6 Datos obtenidos en pruebas de código EM
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba:
Funcionamiento general:
El gasificador se comporto de manera normal, con pequeñas trazas de humo en periodos
cortos durante la quema. La ignición fue rápida, alrededor de 6 minutos.
Masa promedio de combustible ingresada: 9.216 kg
Tiempo promedio para alcanzar ebullición: 38 minutos luego de iniciada prueba
Duración promedio de la quema: Alrededor de 2 horas
Eficiencia promedio de prueba: 24.4%
Agua promedio ebullida: 3.68 galones
ƒ
Resultados del Análisis:
La masa cargada en el gasificador fue sensiblemente mayor y se debe principalmente a que
los trozos pequeños aprovechan mejor la geometría interior de la cámara al momento de
cargar el combustible, lo que permite un mayor ingreso de masa.
Siendo el gasificador cargado con mayor cantidad de combustible, la quema duró alrededor
de 2 horas, cuando para otras pruebas, el proceso dura alrededor de 1 hora con 40 minutos.
La eficiencia obtenida para esta prueba fue sensiblemente mayor debido a que se ebulló una
mayor cantidad de masa de agua debido a que la llama duro más tiempo.
84
Se obtuvieron buenos resultados en esta prueba debido a la uniformidad en el suministro de
leña, ya que cuando se consume la primera parte de la carga de combustible (15 cm), la
cama de gasificación comienza a tener una alimentación más uniforme, debido a la
eliminación de los espacios vacíos existentes entre los trozos pequeños dentro de la cámara.
El combustible de 5 cm ofreció un comportamiento muy bueno en esta ocasión, a pesar de
presentar un mal desempeño cuando la quema se comienza con este tamaño, por lo que
observamos que aun teniendo una baja solidez mecánica no presenta problemas al utilizarse
como combustible de recarga, es decir una vez la gasificación este en curso.
A pesar de haber ingresado una mayor cantidad de combustible, la masa de ceniza obtenida
al final de la prueba fue de 218 g, lo que arroja un aprovechamiento de masa del 97.6%.
5.4.6 CATEGORIA: PRUEBA DE EFICIENCIA CON RECARGA (ER)
ƒ
Objetivo específico:
Determinar el cambio en el comportamiento general y en la eficiencia, para una carga
inicial de combustible de 15 cm y una recarga de combustible de 10 o 5 cm.
ƒ
Descripción de la prueba:
Se cargó el gasificador con leña de 15 cm hasta el borde superior de la cámara de
combustible y se inicio la quema. Al finalizar la quema de leña inicial, inmediatamente se
procede a recargar completamente la cámara con combustible de 5 o 10 cm, sin dejar que
las brasas de la quema anterior se enfríen demasiado.
ƒ
Datos obtenidos:
Masa de
Combustible
(g)
Duración de
la ignición
(minutos)
Duración de la
quema
(horas)
Agua
ebullida
(gal)
Eficiencia
(%)
Ceniza
obtenida
(g)
No
quemado(%)
ER-1
16229
4'45
3h31'
7.36
24.12
303
1.87
ER-2
15379
5'00
3h34'
6.09
21.77
275
1.79
ER-3
15076
5'05
3h20'
6.5
23.5
273
1.81
Código
Tabla 5.7 Datos obtenidos en pruebas de código ER
85
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba:
- Masa promedio de combustible ingresada: 15.561 kg
- Tiempo para alcanzar ebullición: 38 minutos luego de iniciada prueba
- Duración promedio de quema:
Etapa inicial: Alrededor de 1 hora 26 minutos
Etapa de recarga: Alrededor de 1 hora 54 minutos
- Eficiencia promedio de prueba: 23.13 %
- Agua ebullida promedio: 6.65 galones
Funcionamiento general:
El gasificador se comportó de manera normal para la primera carga de la prueba, se
observaron pequeñas trazas de humo en periodos cortos durante la quema. La ignición fue
rápida, alrededor de 5 minutos.
Al terminar la carga inicial de leña y desaparecer la llama en la cámara de combustión, se
dejan pasar unos minutos para que la cama de gasificación se enfríe un poco ya que al abrir
la tapa de la cámara de combustible cuando la quema inicial ha finalizado, salen excesivos
humos en la parte superior y esto dificulta la introducción de la nueva carga.
Este corto tiempo de espera permite abrir la tapa de la cámara de combustible. Luego se
procede rápidamente con la recarga hasta el borde superior de dicha cámara sin mayores
problemas de humo a medida descienden los trozos de la recarga. La cámara de
alimentación de combustible es tapada nuevamente al concluir el llenado. El gasificador
vuelve a funcionar de manera óptima inmediatamente cuando la nueva carga comienza a
caer en el reactor.
ƒ
Resultados del Análisis:
El procedimiento de recarga resulta práctico y no presenta complicaciones en el
funcionamiento general del gasificador, ya que continua funcionando sin ningún problema
cuando la nueva carga es colocada.
86
La etapa de recarga presenta pequeños inconvenientes al inicio, ya que la cama de
gasificación se encuentra incandescente y libera gases y humos. Si la recarga no se realiza
rápidamente puede generarse una llama muy peligrosa en la parte superior de la cámara de
combustible debido a la combustión inmediata de la leña introducida.
Hay que esperar el momento justo para proceder a la recarga, ya que si se realiza
inmediatamente después de haberse extinguido la llama en la cámara de combustión, al
destapar la cámara de combustible salen humos densos los cuales impiden realizar
adecuadamente la recarga; por otro lado si se deja pasar mucho tiempo existe el peligro que
las brasas que quedan sean insuficientes para reanimar el proceso de gasificación.
Se observó que los resultados obtenidos fueron mejores al realizar la recarga con trozos de
5 cm, debido a la uniformidad que se logra con ese tamaño y también al hecho que la
gasificación ya se encuentra en marcha, por lo que no es entorpecido el proceso con una
nueva ignición.
El promedio de ceniza obtenido es de 283.33 gr, lo que arroja un aprovechamiento de la
masa de un 98.18%
5.4.7
CATEGORIA:
PRUEBAS
DE
VERIFICACIÓN
DE
ADECUADO
FUNCIONAMIENTO CON APARATO DE MEDICIÓN HYDRA (VHY)
ƒ
Objetivo específico:
Familiarizarse con el manejo del aparato para censar temperaturas y con ello verificar las
condiciones de funcionamiento que deben cumplirse para todas las pruebas en las que dicho
sistema opere. Verificación de la programación del aparato y asignación de canales de
lectura para las temperaturas a tomarse y almacenarse. Verificación de un correcto
funcionamiento de las termocuplas conectadas en los diferentes puntos de interés al interior
del gasificador.
Descripción de la prueba:
Las termocuplas, habiendo sido seleccionadas en forma adecuada para el rango de
operación esperado del prototipo, se introducen y fijan en puntos específicos situados al
87
interior de la cámara de reacción (2 termocuplas) como en la entrada del aire primario a
dicha cámara (una termocupla) y en la salida del gas a la cámara de combustión (una
termocupla). Una termocupla adicional será colocada al interior de la masa de agua que se
caliente para registrar el incremento de temperatura antes de que sea alcanzada la
ebullición. Seguidamente, se conectan al aparato de medición denominado HYDRA y se
programan para la lectura de 5 canales correspondientes a las 5 termocuplas conectadas. El
tiempo entre un registro y otro se programa para que sea en intervalos de 3 minutos. La leña
se introduce de igual manera que en pruebas anteriores y fue utilizada en tamaño de 15 cm.
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba:
Funcionamiento general:
Las lecturas iniciales muestran una tendencia por zona esperada, sin embargo a medida la
pruebas avanzan la termocupla localizada en la salida del biogás, y que se encuentra más
cercana a la zona de la cámara de combustión, sale de su rango de operación y por ello se
vuelve imposible una lectura real y precisa de la temperatura en la salida de gas. Se
concluye que la termocupla debe ser reemplazada por una que permita un mayor rango de
operación para sus lecturas. El resto de termocuplas deben ser revisadas para verificar su
estado y estimar así la posibilidad de sustituirlas por otras que soporten el trabajo a mayores
temperaturas.
La operación del gasificador en general no mostró ningún problema o dificultad. Se registró
una conducta muy similar a las pruebas anteriores pues se trabajó siempre con leña de 15
cm.
5.4.8 CATEGORIA: PRUEBA DE EFICIENCIA CON MEDICIONES DE
TEMPERATURA (EHY)
ƒ
Objetivo específico:
Verificar si las temperaturas alcanzadas dentro del reactor, son las esperadas para un
proceso de gasificación de este tipo, así como el monitorear y establecer registros de la
variación de las temperaturas en puntos específicos durante la quema.
88
ƒ
Descripción de la prueba:
Se procedió a colocar 4 puntos de medición con una serie de termocuplas. Dos de ellas a lo
largo de la cama de gasificación, una en el área de entrada de aire primario, y otra en la
salida hacia la cámara de combustión. El registro de dichas temperaturas se realizo
mediante el Equipo de Medición llamado Hydra, el cual tomaba lectura a intervalos
regulares de tiempo (3 minutos). La quema se realizo de manera típica, con combustible de
15 cm.
ƒ
Datos obtenidos:
Masa de
Combustible
(g)
Duración de
la ignición
(minutos)
Duración de la
quema
(horas)
Agua
ebullida
(gal)
Eficiencia (%)
Ceniza
obtenida
(gal)
No
quemado(%)
EHY-1
7116
10'00
1h29'
1.93
20.92
143
2.01
EHY-2
6571
8'00
1h40'
2.21
24.5
142
2.16
EHY-3
6915
11'00
1h25'
2.09
22.4
145
2.10
Código
Tabla 5.8 Datos obtenidos en pruebas de código EHY
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba:
Funcionamiento general:
El gasificador se comportó de manera normal, con pequeñas trazas de humo en períodos
cortos durante la quema. La ignición fue rápida, alrededor de 12 minutos.
Masa promedio de combustible ingresada: 6.867 kg
Tiempo para alcanzar ebullición: 37 minutos luego de iniciada prueba
Duración promedio de quema: Alrededor de 1 hora 31 minutos
Eficiencia promedio de prueba: 22.61%
Agua promedio ebullida: 2.08 galones
ƒ
Resultados del Análisis:
Las variaciones en las temperaturas registradas por el Hydra son las esperadas y responden
a un aumento progresivo de los valores iniciales de estas hasta su estabilización en valores
cercanos a los que se obtienen en los perfiles característicos de gasificadores de este tipo.
89
Gráficos del comportamiento de la temperatura en pruebas EHY
TEMPERATURA DE LAS ZONAS DEL GASIFICADOR VRS. TIEMPO
800
TEMPERATURA (º C)
700
600
500
400
300
200
100
0
0
3
6
9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57
TIEMPO (minutos)
ENTRADA DE AIRE PRIMARIO
CÁMARA DE REACCIÓN PUNTO 1
CÁMARA DE REACCIÓN PUNTO 2
SALIDA DE GAS
Gráfica 5.1 Gráfico de Temperatura de las zonas del gasificador vrs. Tiempo para las pruebas de
eficiencia EHY
TEMPERATURA (ºC)
TEMPERATURA DEL AGUA VRS. TIEMPO
120
100
80
60
40
20
0
0
6
12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90
TIEMPO (minutos)
Gráfica 5.2 Gráfico de Temperatura del agua vrs. Tiempo para las pruebas de eficiencia EHY
90
5.4.9 CATEGORIA: PRUEBA REALIZADA CON VIRUTA (Código: Viruta)
ƒ
Objetivo específico:
Efectuar una prueba con un combustible de poca solidez mecánica y rigidez estructural para
efectos de comprobación de ventajas o desventajas en su uso.
.
ƒ
Descripción de la prueba:
El gasificador se prepara de la misma manera que en pruebas antes descritas, con la única
diferencia que el combustible a cargarse es viruta.
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba:
Funcionamiento general:
El rendimiento del gasificador fue pobre al trabajar con viruta. La ignición del combustible
se torna sumamente dificultosa por la configuración que posee la viruta. El tiempo de
ignición se prolongó a varios minutos ya que la llama que se generaba y transmitía a la
cama de gasificación se apagó en un buen número de ocasiones y con ello la llama no
lograba aparecer en la cámara de combustión. Finalmente, la llama apareció en la cámara
de combustión en forma brusca pero tuvo una duración corta entre 6 y 7 minutos.
Al abrirse la parte superior de la cámara de combustible, para así poder notar el estado de la
viruta, se visualizó un consumo bien avanzado de la misma a pesar de haber tenido llama
continua por pocos minutos en la cámara de combustión. Con esto se deduce que su
consumo es bastante fugaz y con poca capacidad de producir una llama intensa y estable
como en casos anteriores.
Las cenizas colectadas presentan porciones de viruta no quemada completamente. La
cantidad de estas cenizas no mostró ventaja alguna, en lo que se refiere al aprovechamiento
del combustible, cuando fue comparada con los restos de ceniza de pruebas anteriores.
91
5.4.10
CATEGORIA: PRUEBA QUE INVOLUCRA LA COCCIÓN DE
ALIMENTOS (Código: Cocción)
ƒ
Objetivo específico:
Comprobar la aplicabilidad del gasificador a procesos de cocción de alimentos en
cantidades que se asemejen al tipo industrial, tal y como fue planteado al inicio del diseño
de este prototipo de gasificador.
.
ƒ
Descripción de la prueba:
El gasificador se prepara de la misma manera que en pruebas antes descritas y es llenado
con leña de 15 cm. Se selecciona frijoles como el alimento a usar en la presente prueba y se
estima un volumen adecuado tal que no exceda la capacidad de la olla utilizada, y fue fijada
en 31 libras. También se preparan recargas con trozos de 5 cm pues el proceso de cocción
escogido posiblemente demande más de una carga para poder conseguir el cocimiento total
del alimento. La cantidad de agua introducida fue de 13 galones de agua, la cual fue
suficiente para el buen cocimiento del frijol; ésta se hace llegar a temperatura de ebullición
y luego se introducen los frijoles en el agua hirviendo.
ƒ
Aspectos importantes registrados en prueba:
Funcionamiento general:
Los procesos tanto de gasificación como de combustión ocurrieron sin ningún problema. La
llama fue constante y de buena intensidad. No se presentaron filtraciones de humo en
ningún elemento del gasificador.
La temperatura de ebullición fue alcanzada en el tiempo esperado para la cantidad de agua
introducida. La introducción de los frijoles en el agua causó un descenso esperado de
temperatura.
La cocción del alimento se realizó en un tiempo 2 horas y 20 minutos. Tomando en
consideración la carga manejada, este tiempo de cocción superó las expectativas.
92
Al terminar la carga inicial de combustible, el frijol aún no estaba en su punto de total
cocimiento y por ello fueron necesarias una serie de recargas parciales de combustible que
consistieron en pequeñas cargas de 400 gramos cada una. Las recargas se hicieron con poca
masa debido a que el frijol se encontraba muy cerca de estar completamente cocido.
La carga inicial de combustible de 15 cm fue de 6.982 kg. Las 10 recargas de combustible
de 5 cm que se efectuaron suman un total de 4.054 kg. Haciendo un total de 11.036 kg de
leña quemada.
93
5.4.11 RESUMEN DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS
Masa de
Combustible
(g)
Duración de
la ignición
(minutos)
Duración de la
quema
(horas)
Agua ebullida
(galones)
VE
8063
12'23
2h02'
E15-1
7668
3'47
E15-2
7665
1'51
E15-3
7252
E15-4
E15-5
Eficiencia
(%)
Ceniza
obtenida
(g)
Sin
quemar
(%)
1.71*
18.77
143.36
1.78
1h31'
1.65
17.77
175
2.28
1h40'
2.02
19.96
148
1.93
5'47
1h16'
1.89
20.05
152
2.10
7870
9'34
1h33'
1.67
17.18
117
1.49
7470
3'52
1h39'
1.76
18.64
150
2.01
E5-1
10687
7'00
1h50'
1.49
11.89
463
4.33
E10-1
9126
6'55
1h34'
1.6
14.51
213
2.33
E10-2
8721
6'00
1h38'
1.59
15
150
1.72
E10-3
8523
6'38
1h40'
1.74
16.15
170
1.99
E10-4
7963
6'00
1h16'
1.25
14.53
162
2.03
E10-5
8712
7'00
1h29'
1.54
14.75
155
1.78
EMT-1
7218
4'53
1h31'
2.36
23
144
2.00
EMT-2
7573
6'46
1h51'
2.29
21.6
177
2.34
EMT-3
7016
2'20
1h22'
1.69
19.77
163
2.32
EMT-4
7461
5'12
1h40'
2.17
21.3
151
2.02
EMT-5
7195
5'39
1h53'
2.2
22.19
147
2.04
E4G-1
7254
4'00
1h32'
1.79
14.51
275
3.79
E4G-2
8112
5'00
2h17'
2.58
17.31
221
2.72
E4G-3
6685
3'00
1h42'
2.1
17.77
146
2.18
EM-1
9216
1'00
1h55'
3.68
24.4
218
2.37
ER-1
16229
4'45
3h31'
7.36
24.12
303
1.87
ER-2
15379
5'00
3h34'
6.09
21.77
275
1.79
ER-3
Código
15076
5'05
3h20'
6.5
23.5
273
1.81
VHY-1
*
*
*
no medición
*
*
*
VHY-2
*
*
*
no medición
*
*
*
EHY-1
7116
10'00
1h29'
1.93
20.92
143
2.01
EHY-2
6571
8'00
1h40'
2.21
24.5
142
2.16
EHY-3
6915
11'00
1h25'
2.09
22.4
145
2.10
Viruta
6621
>15'00
intermitente
Cocción
11036
12´00
2h20´
Tabla 5.9 Resumen de los datos correspondientes a pruebas
94
5.4.12 RESUMEN DE EFICIENCIAS EN PRUEBAS
CÓDIGOS DE PRUEBAS
Gráfico 5.3 Resumen de las eficiencias obtenidas en prueba
95
E4G-3
E4G-2
E4G-1
EHY-3
EHY-2
EHY-1
ER-3
ER-2
ER-1
EM-1
EMT-5
EMT-4
EMT-3
EMT-2
EMT-1
E10-5
E10-4
E10-3
E10-2
E5-1
E10-1
E15-5
E15-4
E15-3
E15-2
E15-1
30
25
20
15
10
5
0
VE
EFICIENCIAS
EFICIENCIAS DE PRUEBAS
CONCLUSIONES
• La eficiencia del proceso realizado con el gasificador no depende únicamente de la
eficiencia inherente del gasificador sino también de la aplicación en la cual se
emplea, por ejemplo: en un proceso de cocción la eficiencia depende del área que se
encuentra en contacto con la llama de gasificación, a mayor área mayor eficiencia.
• La estanqueidad en el reactor es importante para lograr la gasificación de la
biomasa, debido a que las características de operación de este, exigen que el proceso
se dé en un ambiente con escaso oxígeno.
• Es necesario utilizar combustible con cierta rigidez estructural, que no obstaculice el
paso del aire primario requerido para la gasificación. Combustibles con muy poca
solidez se aglomeran en la cama de gasificación causando una obstrucción en el
flujo hacia la cámara de combustión.
• La construcción de este modelo de gasificador es un proceso fácilmente
reproducible siempre y cuando sean respetadas las condiciones mínimas para su
funcionamiento tales como: la selección de materiales adecuados que resistan las
temperaturas alcanzadas, la estanqueidad en el reactor y la uniformidad en las áreas
transversales de entrada de aire y salida de gas de manera que se eviten cambios de
presión.
•
Los materiales utilizados en la construcción de este prototipo son de fácil acceso y
capaces de soportar las temperaturas de operación.
• Debido a la forma en que es alimentado el combustible en los gasificadores de tiro
cruzado (cross-draft), es posible realizar fácilmente recargas continuas al finalizar la
carga inicial, permitiendo un funcionamiento indefinido en aplicaciones que así lo
requieren. Lo anterior lo coloca con una cierta ventaja funcional respecto otros tipos
de gasificadores de cama fija.
• La medición de temperaturas en diferentes puntos de la cámara de reacción refleja
los valores esperados para este tipo de combustión incompleta por lo que se
concluye que el proceso de gasificación ha sido alcanzado en la cámara de reacción.
97
• Los registros de temperatura obtenidos indican que mayor temperatura ocurre en el
núcleo de gasificación, el cual se sitúa en el punto de unión del combustible con el
aire primario.
• Un adecuado proceso de gasificación en un ambiente controlado garantiza la
eliminación de la mayor parte de los gases nocivos generados por la quema
incorrecta del combustible.
• Escoger un tipo de leña apropiado en el momento de la ignición se vuelve
primordial para un funcionamiento óptimo del gasificador. Cuando se utilizó
combustible con muy poca solidez mecánica o rigidez estructural, no fue posible
llevar a cabo la estabilización del proceso, mientras que al utilizar el mismo
combustible con una cama de combustión ya desarrollada, por ejemplo en recargas
de 5 cm, no presenta mayores problemas en su funcionamiento posterior.
98
RECOMENDACIONES
• Es necesaria la creación de un método que permita la detención del proceso de
gasificación en cualquier momento sin necesitar el consumo total del combustible o
causar daños al gasificador.
• Debe buscarse un mecanismo capaz de controlar la intensidad de la llama según una
aplicación específica lo requiera.
• La colocación de un aislamiento adecuado es esencial debido a que con él pudo
observarse un aumento sensible en las eficiencias evitando así la pérdida de una
cantidad significativa de calor a través de radiación y convección.
• En aplicaciones donde el funcionamiento debe ser por períodos prolongados de
tiempo es recomendable la ampliación de la cámara de combustible para permitir el
ingreso de una mayor cantidad de combustible y evitar múltiples recargas.
• Se sugiere la implementación de un mecanismo que permita la fácil y efectiva
regulación del aire primario que permita adaptarse a diferentes necesidades de
operación, tales como cambio de combustible, velocidad de la quema, posible
regulación en la intensidad y tamaño de llama, etc.
• Se propone el desarrollo de un sistema que permita atizar las cenizas atrapadas en la
cama de combustión las cuales obstruyen la libre circulación de gases producidos.
• Realizar una correcta limpieza al interior de los diferentes componentes del
gasificador en la medida que lo posibiliten sus accesos, para evitar así que residuos
de ceniza o trozos de combustible obstruyan el paso de aire o gases. Revisar
periódicamente la condición general de la lámina y el aislamiento colocado, así
como el estado de los sellos y empaquetaduras en puntos de unión.
• Es de suma importancia disponer de un combustible adecuado que presente las
características de tamaño adecuado, baja humedad, solidez estructural, poder
99
calorífico adecuado, y una densidad suficiente para mantener el proceso de
gasificación de manera constante.
• Es indispensable contar con una estructura de acople a la salida de la cámara de
combustión que permite el óptimo aprovechamiento del calor generado para las
posibles aplicaciones del modelo.
100
GLOSARIO
• AGENTE GASIFICANTE:
Es uno de los elementos que reacciona con la biomasa para que la gasificación se lleve a
cabo. Este puede ser oxigeno puro, aire o vapor de agua.
• BIOGÁS:
Es el biogás producido por la gasificación de la biomasa. Puede quemarse directamente o
utilizarse en turbinas de gas para producir electricidad.
• BIOMASA:
Materia orgánica originada en un proceso biológico, es decir que procede directa o
indirectamente de la energía solar fijada en la tierra mediante el proceso de fotosíntesis, y
que es utilizable como fuente de energía.
• CAMA DE COMBUSTIÓN:
Es el combustible que se encuentra en proceso de pirólisis a medida que el que se consume,
y en el caso del gasificador de tiro cruzado, se encuentra en la parte baja de la cámara de
combustible.
• CHAR:
Residuo sólido originado en el proceso de descomposición de la biomasa debido a la
pirolisis.
• COMBUSTIÓN:
Es una reacción exotérmica (liberación de calor) entre un combustible y un oxidante, el
cual consiste en las reacciones termoquímicas necesarias para la reducción del combustible.
• EFICIENCIA TÉRMICA GLOBAL:
Es el grado de aprovechamiento de la energía disponible de la biomasa en relación a la
energía extraída del combustible y quemada posteriormente para producir calor.
101
• ESTUFA AHORRADORA DE LEÑA:
Es cualquier medio que proporcione las condiciones para que la biomasa se aproveche de la
mejor manera posible, ya sea a través de la gasificación, u otro tipo de tecnología
disponible.
• GASIFICACIÓN:
Gasificación es un término que describe el proceso químico mediante el cual materiales
carbónicos (hidrocarburos) como el carbón, el coque de petróleo o la biomasa, son
convertidos en un gas por medio de su oxidación parcial con aire, oxígeno o vapor.
• GASIFICADOR:
El gasificador es el medio físico mediante el cual se proporcionan las condiciones
adecuadas para llevar a cabo la gasificación del combustible y en la actualidad son
cuidadosamente elaborados para procesarlo de varias maneras de acuerdo al tipo de
combustible.
• PIRÓLISIS:
Es la etapa en la que, mediante calor y en ausencia de oxígeno suficiente, el combustible se
descompone en una mezcla de sólido, líquido y biogás.
• TAR:
Es el líquido producido mediante el proceso de pirolisis, contiene alquitranes y vapores
condensables.
• TERMOCUPLA:
Es un medidor de temperatura, el cual funciona mediante un alambre bi-metálico, mediante
la medición de impulsos eléctricos producidos por la dilatación térmica del material, que
son transformadas en lecturas de temperatura.
102
BIBLIOGRAFÍA
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http://socrates.berkeley.edu/~kammen/cookstoves.html., Abril 2008
104
ANEXOS
A
B
ANEXO A:
HOJA DE TOMA DE DATOS
C
A
D
ANEXO A: HOJA GUIA UTILIZADA PARA
OBTENCION
BASADA EN LAS DIFERENTES PRUEBAS
DE OPERACIÓN Y FUNCIONAMIENTO
REALIZADAS EN EL QUEMADOR.
E
A-1
DE
INFORMACION
F
ANEXO B: TABLA DE RENDIMIENTOS
DE GASIFICADOR IGS-2 (INSTITUTO
TECNOLÓGICO DE ASIA)
BG
H
ANEXO B: TABLA DE RENDIMIENTOS DEL QUEMADOR GASIFICADOR DE LEÑA PARA
CONFIGURACIONES DE 1 Y 2 OLLAS
RESPECTIVAMENTE.
INFORMACION CORRESPONDE A LOS
RESULTADOS
INVESTIGACION DESARROLLADA POR
EL INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ASIA.
I
B-1
OBTENIDOS
LA
EN
LA
J
ANEXO C: PRESUPUESTOS
GENERALES DE FABRICACIÓN
CK
L
ANEXO C: LISTADO DE MATERIALES PARA FABRICACIÓN DE QUEMADOR GASIFICADOR
DE TIRO CRUZADO
M
C-1
N
LISTADO DE MANO DE OBRA PARA FABRICACIÓN DE QUEMADOR GASIFICADOR DE
TIRO CRUZADO
O
C-2
P
ANEXO D: IMÁGENES DE PRUEBAS
REALIZADAS
Q
D
R
Prueba con olla con capacidad para 15 galones
S
D-1
AT
U
D-2
A
V
Prueba con olla con capacidad para 4 galones
D
W- 3
X
A
ANEXOS E: PLANOS
CONSTRUCTIVOS
Y
E