Revista CEDIT 2007 - Universidad Nacional Mayor de San Marcos

REVISTA CIENTIFICA CEDIT
CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACIÓN EN TERMOFLUIDOS CEDIT
Número 2
2007
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
(Universidad del Perú , Decana de América)
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 2
Edición Nº1
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
EAP INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS
CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION EN TERMOFLUIDOS - CEDIT
REVISTA CIENTIFICA CEDIT
Dr. Luis Izquierdo Vásquez
Rector
Dr. Víctor Peña Rodríguez
Vicerrector Académico
Dra. Aurora Marrou Roldán
Vicerrectora de Investigación
Dr. Ángel Bustamante Domínguez
Decano de la Facultad de Ciencias Físicas
MSc. Ing. Sissi Santos Hurtado
Director (a) de E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos
COMITE EDITOR 2007
Centro de Publicación CEDIT
ASESORES
Ing. Andrés Valderrama Romero Ph. D.
Ing. José Aguilar Bardales
Ing. Miguel Ángel Ormeño Valeriano Ph. D.
La Revista de Investigación del Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT de la E.A.P
Ingeniería Mecánica de Fluidos publica trabajos realizados por los docentes, estudiantes y egresados
investigadores de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Para solicitar información, dirigirse a:
E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos UNMSM
Ciudad Universitaria Av. Venezuela Cdra. 34 s/n Lima 1 Perú
Apartado postal 14-0149 Lima 14- Perú
Teléfono (51-1) 6197000 anexo 3819 / 3810 /3806
Email: cedit@unmsm.edu.pe
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AÑO 2006
___________________________________________________________________________________
REVISTA CIENTIFICA CEDIT
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2007
NUMERO 2
INDICE
PRESENTACIÓN ................................................................................................................................................. Pág. 5
ENERGIA TERMICA DE LAS MEZCLAS DE PETROLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA,
ALGODON Y GIRASOL EN QUEMADORES NO CONVENCIONALES ...................................................... Pág. 6
TERMICAL ENERGY FROM MIXTURES OF DIESEL 2 PETROLEUM WITH BIODIESEL OF SOYBEAN,
COTTON AND SUNFLOWER USED IN NO CONVENCIONAL BURNERS ............................................... Pág. 6
Yhon Deudor, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama ................................... Pág. 6
ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS DE PETROLEO DIESEL 2 CON
BIODIESEL DE SOYA, ALGODON Y GIRASOL EN COCINAS NO CONVENCIONALES ...................... Pág. 19
ANALISIS OF THE PROCESS OF COMBUSTION OF THE MIXTURES OF PETROLEO DIESEL 2 WITH
BIODIESEL OF SOY, ALGODON AND SUNFLOWER IN NOT CONVENTIONAL KITCHENS ............. Pág. 19
Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama ............................... Pág. 19
BRIQUETAS DE RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS COMO FUENTE DE ENERGÍA CALORÍFICA EN
COCINAS NO CONVENCIONALES ............................................................................................................... Pág. 26
BRIQUETTES OF ORGANIC SOLID RESIDUES AS SOURCE OF CALORIFIC ENERGY IN NOT
CONVENTIONAL KITCHENS ........................................................................................................................ Pág. 26
Andrés Valderrama; Herve Curo; César Quispe; Victor Llantoy & José Gallo .............................................. Pág. 26
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO AERODINÁMICO DE AEROGENERADOR A
SOTAVENTO ..................................................................................................................................................... Pág.35
DE 80 W CON PALAS NO LINEALIZADAS ................................................................................................. Pág. 35
DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN AERODYNAMIC PROTOTYPE OF WIND TURBINE TO
LEEWARD OF 80W WITH SPADES NOT LINEALIZADAS ........................................................................ Pág. 35
José Aguilar; Ayala Marino; Saúl Vallejos, Rubén Marcos; & Fernando Castillo, ......................................... Pág. 35
SOBRE EL PROBLEMA DE ESTIMAR LA FUERZA DE PULSACION EN LA FRECUENCIA DE PASO DE
LOS ALABES DE UN VENTILADOR CENTRIFUGO ................................................................................... Pág. 45
TO A PROBLEM ON ESTIMATE OF PULSATION FORCE ON FREQUENCY OF FOLLOWING OF ROTOR
BLADINGS IN A CENTRIFUGAL FAN .......................................................................................................... Pág. 45
M. A. Ormeño Valeriano, E. N. Vlasov .............................................................................................................. Pág. 45
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PRESENTACIÓN
Nos complace en Presentar a la comunidad universitaria el presente número de informe científico de
Investigación de la E.A.P. Ingeniería Mecánica de Fluidos de la Facultad de Ciencias Físicas, parte de
difusión del esforzado trabajo de investigación trabajos realizados por los docentes , estudiantes y
egresados investigadores de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos.
Hacemos Público nuestro agradecimiento a todos los autores por su desplegado desempeño para publicar
sus trabajos, Además Debemos agradecer a las personas que han colaborado en la evaluación y revisión de
los artículos tanto en el aspecto técnico como estilo, a fin de garantizar la calidad académica y científica.
Asimismo, agradecemos al Dr. Ángel Bustamante Domínguez por el apoyo incondicional mostrado
durante estos años.
Lima-Perú
2007
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ENERGIA TERMICA DE LAS MEZCLAS DE PETROLEO DIESEL 2
CON BIODIESEL DE SOYA, ALGODON Y GIRASOL EN
QUEMADORES NO CONVENCIONALES
TERMICAL ENERGY FROM MIXTURES OF DIESEL 2 PETROLEUM WITH BIODIESEL OF
SOYBEAN, COTTON AND SUNFLOWER USED IN NO CONVENCIONAL BURNERS
Yhon Deudor, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas & Andrés Valderrama
RESUMEN
En el presente estudio se describe los ensayos realizados con biodiesel elaborado a partir de los aceites vegetales de
soya, girasol y algodón. Se empleó cuatro tipos de pulverizadores instalados en dos quemadores situados en cocinas
domésticas no convencionales; los ensayos se realizaron en el Laboratorio de Termofluidos de la Escuela de
Ingeniería Mecánica de Fluidos de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos; se trabajaron con mezclas en
volumen de diesel 2 con 10%, 20%, 30% y 50% de biodiesel de soya, girasol y algodón.
Los resultados preliminares de los ensayos experimentales permiten establecer que es posible reemplazar
parcialmente al petróleo diesel 2 alcanzando condiciones de desprendimiento de calor y de combustión controlada.
Se analizará la longitud de la llama, calor aprovechado (ganado) y calor perdido en la transferencia de calor que
permite hacer hervir un litro de agua sobre la parrilla de la cocina doméstica, se encontrará la presión óptima para
cada pulverizador y para cada mezcla.
ABSTRACT
In this study it is described the tests made with biodiesel made from vegetable oils of soybean, sunflower and cotton.
It was used four types of sprayers installed in two burners in no conventional domestic kitchens. It was made
mixtures of 10%, 20%, 30% and 50% of biodiesel of soybean, sunflower and cotton in volume.
The preliminary results of the experimental test allow establishing that it is possible to replace the petroleum diesel 2
bye biodiesel partially, reaching conditions of heat It will be analyzed the flame large, the emitted heat and heat
loosed in the heat transfer that allow boiling a liter of water on the domestic kitchen´s grill, it will be found the best
pressure for each sprayer and for each mixture.
____________________________________________________________________________________
INTRODUCCION
Actualmente la sustitución de los combustibles
denominados fósiles o tradicionales derivados del
petróleo, por otros de origen vegetal, ha tomado gran
importancia, pues provienen de una fuente renovable
y representan un medio eficaz de lucha contra el
deterioro medioambiental (atendiendo las justificadas
normas medio ambientales que cada vez exigen
menores contenidos de elementos nocivos en los
gases de la combustión cuando se queman los
derivados del petróleo) y un factor de desarrollo de la
agricultura e industrias derivadas.
En este contexto, se presenta el estudio de la
obtención de energía térmica de las mezclas de
petróleo Diesel 2 con biodiesel de Soya, girasol y
algodón en quemadores no convencionales, que nos
permite establecer, a través del análisis del proceso
de combustión de la mezcla, la posibilidad de
sustitución del petróleo diesel 2 o kerosene en
quemadores no convencionales.
La combustión es una reacción termodinámica rápida
entre el aire y el combustible, cuyos productos de la
combustión son: CO2, CO, CH, NOx y vapor de H2O,
más el consiguiente desprendimiento de calor
(reacción exotérmica), en este caso particular la
reacción emite luz visible denominada flama. El
análisis de las características físicas de la llama
(color, intensidad, longitud) que presenta en el
proceso de combustión, así como la presión optima
de pulverización; son algunos de los factores
determinantes que nos permite establecer el
porcentaje optimo de biodiesel de soya, girasol y
algodón en la mezcla.
Este análisis del proceso de combustión de la mezcla
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del biodiesel de soya, aceite y de girasol y aceite de
algodón con el petróleo diesel 2 permite hallar el
calor entregado (calor total) por la mezcla de
biodiesel y petróleo diesel 2, el calor perdido y el
calor aprovechado (calor útil) para hacer hervir un
litro de agua en un quemador no convencional, para
cada régimen de operación del quemador
PLANTEO DEL ESTUDIO
El trabajo de investigación se ejecutará en las etapas
siguientes:
1. Elaboración del biocombustible y mezcla con
diesel 2
Proceso de obtención del biodiesel
- A partir de aceite de soya
- A partir de aceite girasol
- A partir de aceite algodón
Este combustible alternativo al petróleo tradicional
es producido a partir de los aceites vegetales
convirtiendo a los triglicéridos en éster
ésteres de metilo o
etilo, a través de un proceso denominado
transesterificación. En este proceso se produce la
reacción de las tres cadenas de ácidos grasos (cadenas
ésteres) de cada molécula de triglicérido, con un
alcohol, produciéndose la separación de estas
esta cadenas
de la molécula de glicerina. Esta separación necesita
temperatura y un potente catalizador básico, como un
hidróxido, para que la reacción sea completa.
Finalmente, las cadenas de ésteres se convertirán en
biodiesel, reteniendo moléculas de oxígeno en su
constitución, lo que le otorgará propiedades físico
químicas de un combustible, necesarias para
participar en el proceso de la combustión. Además
estas cadenas no contienen azufre, el cual es
considerado
un
potente
contaminante
medioambiental.. Por otro lado, la glicerina, luego de
su purificación puede tener múltiples usos, en la
industria farmacéutica y cosmética, donde cuenta con
una gran demanda.
A continuación se presenta las reacciones de síntesis
para la obtención del biodiesel
Fig .1. Reacciones químicas para la obtención del
biodiesel
Mezclas de biodiesel de soya, girasol y algodón con
el petróleo diesel 2
Las mezclas de biodiesel y diesel 2 que se realizaron
fueron las siguientes:
Denominación
B10
B20
B30
B40
B50
% biodiesel % diesel 2
10
90
20
80
30
70
40
60
50
50
2. Ensayos de quemado de los biocombustibles en
una cocina de kerosene
- Se instala un manómetro en el tanque de la cocina
no convencional para medir las presiones
de
pulverización.
- Se somete a la cocina a presiones de 1,103 hasta
2,206 (16 hasta 32PSI).
- Se toma tres mediciones durante los ensayos: el
tiempo que demora en hervir un litro de agua a las
presiones especificadas, la longitud y la temperatura
de la flama en tres zonas del dardo de la flama:
núcleo, centro y corona.
3. Análisis del proceso de quemado de los
biocombustibles
- Análisis de las características de la flama
- Determinación de la presión óptima de
pulverización de las mezclas
- Análisis y determinación de los calores por
convección forzada y radiación durante el proceso de
entrega de calor desde el pulverizador hacia la base
hacia el recipiente que recibe el calor.
- Cálculo del calor desprendido (calor total), calor
aprovechado (calor
calor útil) y calor perdido
DELINEACIÓN DE OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
Demostrar que el empleo de biocombustibles permite
obtener energía calorífica, que reemplace a los
combustibles tradicionales, tales como: kerosene,
petróleo Diesel 2 en quemadores no convencionales
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OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Aplicación del biodiesel en las cocinas
domesticas e industriales, pudiendo emplearse en
quemadores no convencionales, reemplazando
así de esta manera los combustibles tradicionales
(diesel 2, kerosene, GLP)
2. Determinar la energía calorífica óptima para
cuando se combustionan las mezclas en volumen
de diesel 2 con 10%, 20%, 30%, 40% y 50% de
biodiesel de soya, girasol y algodón
3. Determinar el porcentaje del calor aprovechado
respecto al calor entregado por la mezcla de
biocombustible con el petróleo diesel2.
k : conductividad térmica (W/m .K)
1.
DESARROLLO DEL TRABAJO
Principales ventajas del biodiesel
El ciclo biológico en la producción y el uso del
Biodiesel reduce aproximadamente en 80% las
emisiones de anhídrido carbónico, y casi 100% las
emisiones de dióxido de azufre. La combustión de
Biodiesel disminuye en 90% la cantidad de
hidrocarburos totales no quemado, y entre (75-90) %
en los hidrocarburos aromáticos.
El empleo del Biodiesel proporciona un leve
incremento o decremento en óxidos de nitrógeno
dependiendo del tipo motor. Distintos estudios en
EE.UU., han demostrado que el biodiesel reduce en
90% los riesgos de contraer cáncer.
- Aunque el biodiesel emite casi la misma cantidad de
dióxido de carbono que los combustibles fósiles, el
CO2 emanado por este, es vuelto a fijar por la masa
vegetal a través del proceso de
- El Biodiesel es seguro manejar y transportar porque
es biodegradable como el azúcar, 10 veces menos
tóxico que la sal de la mesa, y tiene un punto de
inflamación de aproximadamente 110º C comparado
al diesel de petróleo cuyo punto de inflamación es de
65º C.
Transferencia de calor
A : área de la sección transversal
Transferencia de calor por Convección, si existe una
diferencia de temperatura en el interior de un líquido
o un gas, se producirá un movimiento del fluido.
Este movimiento transfiere calor de una parte del
fluido a otra por un proceso llamado convección. El
movimiento del fluido puede ser natural o forzado.
La transferencia de calor por conducción se puede
determinar mediante la siguiente expresión:
q convención = hc (T s − T∞ )
… (2)
Dónde
q : flujo de calor por convección (W/m2)
hc : Coeficiente de calor por convección o
coeficiente pelicular (W/m2. K)
A : Área perpendicular al flujo de calor.
Ts : Temperatura de la superficie
: Temperatura del fluido
T∞
Transferencia de calor por Radiación, se debe ala
propagación de ondas electromagnéticas, la cual se
puede presentar en el vacío completo así como en un
medio cualquiera. La ley fundamental de Boltzmann
establece que:
q rad = ε ⋅ σ ⋅ T
4
… (3)
q rad : Flujo de calor por convección
є : emisividad relativa
σ : constante de Boltzmann
T : temperatura absoluta de la superficie
Es la energía en transito debido a una diferencia de
temperaturas.
Transferencia de calor por Conducción, un gradiente
de temperatura dentro de una sustancia homogénea
ocasiona una tasa de transferencia de energía dentro
del medio que puede ser calculada por:
q cond = − k ⋅
∂T
∂n
∂T
∂n
Temperatura media de la capa límite o temperatura de
película T f
Tf = (
….. (1)
Donde:
q
Capa limite térmica
: Flujo de calor por conducción (W/m2)
: Gradiente de temperatura en la dirección n
Ts + T flama
2
)…
(4)
Donde:
Tf
: temperatura de película
TS
: temperatura de la superficie
T flama: Temperatura de la flama
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Número de Nusselt
Representa la relación que existe entre el calor
transferido por convección a través del fluido y el que
se transferiría si sólo existiese conducción. Se puede
representar con la siguiente expresión
hD … (5)
=
N
NU
k
D = diâmetro equivalente o magnitud longitudinal
Costo de combustible comparativo (Ke)
ke =
Donde:
NNU
h
D
k
: numero de Nusselt
: Coeficiente pelicular
: longitud característica
: Coeficiente de conductividad térmica
ke =
ke =
Q aprovechad
o . disel 2 ∗ S / .
Q aprovechad
Q aprovechad o . ker osene . ∗ S / .
Q aprovechad o
Q aprovechad
o . mezclas .
…. (8)
o
∗ S /.
…. (9)
.… (10)
- Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz
es la convección
- Un número de Nusselt de Nu = 1, para una capa de
fluido, representa transferencia de calor a través de
ésta por Conducción pura
- El número de Nusselt se emplea tanto en
convección forzada como natural
ANALISIS DE RESULTADOS
Número de Prandtl
Representa la relación que existe entre la difusividad
molecular de la cantidad de movimiento y la
difusividad molecular del calor o entre el espesor de
la capa límite de velocidad y la capa límite térmica:
Para todos los casos se instalan los pulverizadores 1 y
2 en los quemadores de la cocina de uso doméstico,
cuyos diámetros nominales del agujero de salida son:
El número de Prandtl (Pr) va desde menos de 0.01
para los metales líquidos hasta más de 100.000 para
los aceites pesados. El Pr es del orden de 10 para el
agua. Los valores del número de Prandtl para los
gases son de alrededor de 1, lo que indica que tanto la
cantidad de movimiento como de calor se difunden
por el fluido a una velocidad similar.
El número de Prandtl se emplea tanto en convección
forzada como natural.
Q aprovechad
o
VARIACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE LA
FLAMA
TRABAJANDO
CON
LOS
PULVERIZADORES 1 Y 2
Diámetro pulverizador 1: 0.21 mm
Diámetro pulverizador 2: 0.32 mm
Se varía la mezcla desde el 10% hasta el 50% de
biodiesel de soya, girasol y algodón
Variación de la longitud de flama empleando las
mezclas de diesel 2 con los biodiesel de soya,
girasol y algodón
Los resultados permiten obtener la tabla resumen
siguiente:
(6)
Presión de pulverización
µ: viscosidad dinámica
Cp: Capacidad térmica del material a presión
constante
k : Coeficiente de conductividad térmica
Pulverizador
Número de Reynolds
Representa la relación que existe entre las fuerzas de
inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un
elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo
del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento.
D νρ
D ν …. (7)
=
N Re =
µ
1,103 bar (16 PSI)
Biodiesel Pulv. 1
Pulv. 2
% Soya en la mezcla
30
30
L (cm.)
4,9
4,95
% Girasol en la mezcla
30
30
L (cm.)
3,90
4,11
%Algodón en la mezcla
50
50
L (cm.)
4,60
5,10
υ
Donde:
V = velocidad de flujo
ρ = densidad
µ = viscosidad dinámica
ν = viscosidad cinemática
Tabla 1. Longitud máxima de la flama trabajando
con Pulverizador 1 y 2, para las presiones de
pulverización de las mezclas de 16,24 y 32 PSI.
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Página 9
Presión de pulverización
Pulverizador
Presión de pulverización
1,655 bar (24 PSI)
Biodiesel Pulv. 1
Pulverizador
Pulv. 2
% Soya en la mezcla
10
30
2.206 bar (32 PSI)
Biodiesel Pulv. 1
Pulv. 2
% Soya en la mezcla
10
30
L (cm.)
5,8
5,20
L (cm.)
5,90
5,95
% Girasol en la mezcla
30
10
% Girasol en la mezcla
50
50
L (cm.)
4,50
7,70
L (cm.)
5,10
7,50
%Algodón en la mezcla
30
50
%Algodón en la mezcla
30
50
L (cm.)
5,00
5,80
L (cm.)
6,20
6,20
Desde el punto de vista constructivo, la longitud mínima de la flama con respecto a la parrilla es de 3,90 cm. Debido
a esto la longitud que se deberá obtener en los ensayos experimentales deberá ser ≥ a esta longitud, para que el calor
desprendido por las mezcla puede llegar a entrar en contacto con la base de la tetera que contienen 1 litro de agua a
hervir.
longitud Vs % de mezcla a 1,103 Bar (16 PSI)
5,5
5
Pulv 1 Algodón
4,5
L (cm)
Pulv 1 Soya
4
Pulv 1 Girasol
Pulv 2 Algodón
3,5
Pulv 2 Soya
3
Pulv 2 Girasol
2,5
2
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 1. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para
la presión de 1,103 bar (16PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.
Longitud Vs % de Mezcla a 1,655 Bar (24 PSI)
8
7
Pulv 1 Algodón
L (cm)
6
Pulv 1 Soya
Pulv 1 Girasol
5
Pulv 2 Algodón
Pulv 2 Soya
4
Pulv 2 Girasol
3
2
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 2. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para
1,655 bar (24 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.
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Página 10
Longitud Vs % de Mezcla a 2,206 Bar (32 PSI)
9
8
Pulv 1 Algodón
L (cm)
7
Pulv 1 Soya
6
Pulv 1 Girasol
Pulv 2 Algodón
5
Pulv 2 Soya
4
Pulv 2 Girasol
3
2
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 3. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para
2,206 bar (32 PSI) empleando los pulverizadores 1 y 2.
Análisis de La longitud de la flama
Excede la longitud desde el punto de vista
constructivo en todos los casos, para las presiones de
pulverización de 1.103 bar (16 PSI), 1.655 bar (24
PSI) y 2.206 bar (32 PSI). superiores al valor
máximo tolerado que es la diagonal de la flama
respecto a la base de la tetera, que es de 3.23 cm.
• La presión de pulverización de 2.206 bar (32 PSI)
para los pulverizadores 3 y 4 que permiten alcanzar
máximo permitido que es la diagonal de la flama de
5.65 cm.
Variación del tiempo para hervir un litro de agua
empleando las mezclas de diesel 2 con los biodiesel
de soya, girasol y algodón
El tiempo que demora en hervir 1 litro de agua,
permitirá determinar cuál de las mezclas es más
eficaz durante el proceso de quemado de las mezclas
cuyo objetivo es entregar el calor durante la
combustión hacia el agua logrando hacerla hervir.
Los resultados obtenidos en la experimentación nos
permiten obtener el siguiente cuadro:
longitudes del frente de flama superiores al valor El
pulverizador 1 es el que forma la menor longitud de
la flama, lo que permite un mayor aprovechamiento
de calor
• Es proporcional a la presión de Pulverización.
• La presión de pulverización de 2.206 bar (32 PSI)
para pulverizadores 1 y 2 que
permiten alcanzar longitudes del frente de flama
Tabla 2. Tiempo mínimo para hervir un litro de agua
trabajando con Pulverizador 1 y
2
Valores que permiten construir los gráficos
siguientes:
1.103 bar 1.655
bar 2.206
bar
(16 PSI)
(24 PSI)
(32 PSI)
pulv
Pulverizador
1
Biodiesel
Soya
30%
t (min.)
6:35
Girasol
30%
t (min.)
6:12
Algodón
50%
t (min.)
6:35
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
pulv. pulv. pulv. pulv. pulv.
2
1
2
1
2
10%
5:30
30%
6:35
20%
5:51
50%
5:20
30%
5:20
30%
6:20
30%
4:52
30%
6:00
20%
5:08
10%
4:55
10%
4:10
20%
5:25
20%
4:08
30%
4:55
20%
4:31
Página 11
tiempo Vs % mezcla a 1,103 bar (16 PSI)
11:24
t (min)
10:12
9:00
Pulv 1 Algodón
7:48
Pulv 1 Girasol
6:36
Pulv 2 Algodón
Pulv 1 Soya
Pulv 2 Soya
5:24
Pulv 2 Girasol
4:12
3:00
D2+0%
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 4. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de
soya, girasol y algodón para la presión de 1,103 bar (16PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.
tiempo Vs % mezcla a 1,655 bar (24 PSI)
9:00
7:48
t (min)
Pulv 1 Algodón
Pulv 1 Soya
6:36
Pulv 1 Girasol
Pulv 2 Algodón
5:24
Pulv 2 Soya
Pulv 2 Girasol
4:12
3:00
D2+0%
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 5. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya,
girasol y algodón para 1,655 bar (24 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.
Tiempo Vs % mezcla a 2,206 bar (32 PSI)
6:21
5:52
Pulv 1 Algodón
t (min)
5:24
Pulv 1 Soya
4:55
Pulv 1 Girasol
4:26
Pulv 2 Algodón
3:57
Pulv 2 Girasol
Pulv 2 Soya
3:28
3:00
D2+0%
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 6. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya,
girasol y algodón para 2,206 bar (32 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.
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Página 12
VARIACIÓN DE DE LA LONGITUD DE LA
FLAMA TRABAJANDO CON
PULVERIZADOR 3 Y 4
Tabla 3. Longitud máxima de la flama trabajando
con Pulverizador 3 y 4
Para todos los casos se emplearán la cocina de uso
doméstico, en dónde se instalan los pulverizadores 3
y 4 cuyos diámetros nominales del agujero de salida
son:
Diámetro pulverizador 3: 0.35 mm
Diámetro pulverizador 4: 0.4 mm
Se varía la mezcla desde el 10% hasta el 50% de
biodiesel de soya, girasol y algodón
Variación de la longitud de la flama para hervir
un litro de agua empleando las mezclas de diesel 2
con biodiesel de soya, girasol y algodón
Los ensayos experimentales permiten obtener
consecuencias resumen siguientes:
los
16 PSI
24 PSI
32 PSI
Pulverizador pulv pulv. pulv. pulv. pulv. pulv.
3
4
3
4
3
4
Biodiesel
Soya
x
10%
x
30%
x
9,10
x
50%
L (cm.)
x
7,90
Girasol
20% 20%
20% 20%
30% 10%
x
9,00
L (cm.)
7,50 6,50
8,00 7,30
9,50 7,70
Algodón
10% 20%
10% 20%
10% 20%
L (cm.)
6,50 12,00 6,40 13,20 6,50 13,60
X*No se realizó los ensayos experimentales
Entonces se tienen los gráficos siguientes:
Longitud Vs % de mezcla a 1,103 bar (16 PSI)
14
12
Pulv 3 Algodón
L (cm)
10
Pulv 3 Soya
8
Pulv 3 Girasol
Pulv 4 Algodón
6
Pulv 4 Soya
4
Pulv 4 Girasol
2
0
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 7. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para
la presión de 1,103 bar (16PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4.
Longitud Vs % mezcla a 1,655 bar ( 24 PSI)
14
12
Pulv 3 Algodón
10
L (cm)
Pulv 3 Soya
8
Pulv 3 Girasol
6
Pulv 4 Algodón
Pulv 4 Soya
4
Pulv 4 Girasol
2
0
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 8. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para
1,655 bar (24 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.
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Página 13
Longitud Vs % de Mezcla a 2,206 bar (32 PSI)
16
L (cm)
14
12
Pulv 3 Algodón
10
Pulv 3 Soya
Pulv 3 Girasol
8
Pulv 4 Algodón
6
Pulv 4 Soya
4
Pulv 4 Girasol
2
0
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 9. Variación de la longitud de la flama de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón para
2,206 bar (32 PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4.
Variación del tiempo para hervir un litro de agua empleando las mezclas de diesel 2 con los biodiesel de soya,
girasol y algodón
16 PSI
24 PSI
32 PSI
Los resultados obtenidos en la experimentación nos
permiten obtener el siguiente cuadro:
Pulverizador pulv pulv. pulv. pulv. pulv. pulv.
3
4
3
4
3
4
Biodiesel
Soya
x
t (min.)
Tabla 4.
Tiempo mínimo para hervir un litro de agua
trabajando con Pulverizador 3 y 4
50% x
50% x
50%
2:17
2:00
1:20
Girasol
30% 50% 50% 50% 50% 50%
t (min.)
2:19 2:06 1:53 1:51 1:32 1:38
Algodón
10% 50% 10% 50% 10% 30%
t (min.)
3:36 2:10 3:46 1:50 2:38 1:41
Tiempo Vs % Mezcla a 1,103 bar (16 PSI)
8:24
7:12
Pulv 3 Algodón
6:00
t (min)
Pulv 3 Soya
4:48
Pulv 3 Girasol
3:36
Pulv 4 Algodón
Pulv 4 Soya
2:24
Pulv 4 Girasol
1:12
0:00
D2+0%
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D21+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 10. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la de la mezcla de diesel 2 con biodiesel de
soya, girasol y algodón para la presión de 1,103 bar (16PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4.
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Página 14
Tiempo Vs % Mezcla a 1,655 bar (24 PSI)
7:12
6:00
Pulv 3 Algodón
t (min)
4:48
Pulv 3 Soya
Pulv 3 Girasol
3:36
Pulv 4 Algodón
Pulv 4 Soya
2:24
Pulv 4 Girasol
1:12
0:00
D2+0%
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 11. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya,
girasol y algodón para 1,655 bar (24 PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4.
tiempo Vs % mezcla a 2,206 bar (32 PSI)
4:48
4:19
3:50
Pulv 3 Algodón
t (min)
3:21
Pulv 3 Soya
2:52
Pulv 3 Girasol
2:24
Pulv 4 Algodón
1:55
Pulv 4 Soya
1:26
Pulv 4 Girasol
0:57
0:28
0:00
D2+0%
D2+10%
D2+20%
D2+30%
D2+40%
D2+50%
% mezcla
Figura 12. Variación de la temperatura para hervir un litro de agua con la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya,
girasol y algodón para 2,206 bar (32 PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4.
ANÁLISIS DE LA DISTRIBUCION DE LA
ENERGIA TERMICA DURANTE EL
PROCESO DE COMBUSTION DE LAS
MEZCLAS DE DIESEL 2 Y BIODIESEL.
Considerando el proceso de combustión es completa
(con exceso de aire), en dónde el calor entregado a la
base de la tetera que contiene 1 litro de agua, se
realiza bajo dos
formas de transporte de calor: transferencia de calor
por convección (cuando el flujo de los gases de la
combustión se desplazan hacia la base de la tetera) y
transferencia de calor por radiación, cuando los
gases de la combustión del frente de la flama se
desplaza entre el pulverizador y la base de la tetera
irradiando calor hacia la superficie de la tetera.
1. CALOR POR CONVECCION
Este calor se puede calcular de la manera siguiente:
Q convención
= h c A (T f − T i )
Dónde
Q convención
: Calor utilizado por convección
h c : Coeficiente de calor por convección o
coeficiente pelicular.
A : Proyección del área libre sobre la base de la
tetera perpendicular al flujo de calor.
Tf: Temperatura media de la flama.
T i : Temperatura ambiente.
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Página 15
2. CALOR POR RADIACIÓN
Se puede calcular empleando la fórmula siguiente:
Q radiación
= A σ e(
Tf
4
4
−
T
4
4
i
)
En dónde:
Q aprovechado: calor aprovechado durante la combustión
Q convección 1: calor aprovechado por convección a
través del área libre
Q convección 2: calor aprovechado por convección a
través del área de contacto con la tetera
Q radiación 1: calor aprovechado por radiación
4. CALOR PERDIDO
Dónde:
Qradiación : Calor utilizado por radiación
A : Proyección del área libre
σ : Constante Universal
e :
T
Ti
f
Emisividad relativa
: Temperatura media de la
flama
: Temperatura ambiente
3. CALOR APROVECHADO DURANTE EL
PROCESO DE COMBUSTION
Para evaluar la cantidad de calor provechado por las
mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y
algodón, se deberá considerar la relación siguiente:
Q aprovechado = Q conv1 + Q conv2 + Q rad1
Para evaluar la cantidad de calor perdido durante la
combustión por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel
biodie
de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la
relación siguiente
Q perdido = Qradiación 2 + Qradiación 3
En dónde:
calor perdido durante la combustión
Q perdido:
Q radiación 3 : calor perdido por radiación al aire
Q radiación 2: calor perdido por radiación
5. EFICIENCIA DE LA COMBUSTION
La eficiencia en la Combustión de la mezcla de
Diesel 2 con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón,
se calcula; considerando la relación siguiente:
η=
Calor aprovechado
×100
Calor aprovechado + calor perdido
Figura 13. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 1,655 Bar
(24 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.
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Página 16
1.655 Bar (24 PSI)
EFICIENCIA
100
B20
80
B50
B20
B50
B50
B20
B30
60
B50
40
20
0
B20
SOYA PULV
3
SOYA PULV
4
GIRASOL
PULV3
79.69613576
GIRASOL
PULV4
ALGODÓN
PULV 3
ALGODÓN
PULV 4
70.9972403
B30
B50
64.82974435
70.09332238 78.15363149
PULVERIZADOR
Figura 14. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206
Bar (32 PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4.
Figura 15. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206 Bar
(32 PSI); empleando los pulverizadores 1 y 2.
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Página 17
32 PSI
EFICIENCIA
100
B20
80
B50
B30
B50
B30
B20
60
B30
40
B50
20
0
SOYA PULV3
SOYA PULV4
GIRASOL PULV3
GIRASOL PULV
4
ALGODÓN
PULV3
72.90871617
71.85892629
ALGODÓN
PULV4
77.44462089
B20
B30
63.12996028
B50
78.45428085
PULVERIZADOR
Figura 16. Eficiencia de la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón para 2,206 Bar
(32 PSI); empleando los pulverizadores 3 y 4
CONCLUSIONES
1. La combustión de las mezclas de diesel 2 con los
biodiesel de soya, girasol y algodón logran
alcanzar longitudes de la flama mayores que la
longitud de la flama del diesel 2.
2. La longitud de la flama más óptima y el porcentaje
de biodiesel en la mezcla de diesel 2 con biodiesel
de soya, girasol y algodón, empleando los
pulverizadores 1,2,3 y 4 son:
Pulverizador
1
2
3
4
Longitud
6.20
7.5
9.5
13.6
% de
biodiesel la
mezcla
Pulverizador
1
2
3
4
Eficiencia
70.92
67.27
71.86
79.69
% de
biodiesel la
mezcla
Soya
B30
Algodón
B50
Algodón
B30
Soya
B20
BIBLIOGRAFÍA
1.
Algodón
B30
Girasol
B50
Girasol
B30
Algodón
B20
2.
3. El tiempo de la combustión más óptimo y el
porcentaje de biodiesel en la mezcla de diesel 2
con biodiesel de soya, girasol y algodón,
empleando los pulverizadores 1,2,3 y 4 son:
3.
Pulverizador
1
2
3
4
4.
Tiempo
6:35
6:35
3:46
2:10
5.
% de
biodiesel la
mezcla
Soya
B30
Girasol
B30
Algodón
B10
Algodón
B50
6.
4. La eficiencia de la combustión más elevadas de las
mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y
algodón, empleando los pulverizadores 1, 2, 3 y 4
son:
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
7.
FUNDAMENTOS DE
TERMODINAMICA TECNICA, Michael J.
Moran Howard N. Shapiro editorial
LIMUSA, México 1992
FUNDAMENTOS DE TRASNFERENCIA
DE CALOR, Frank P. Incropera, David P.
De witt editorial Prentice Hall, USA 1998
PROBLEMAS DE TRASNFERENCIA DE
CALOR Y MASA, J.R. Backuhurust,
J.H.Harker – J.E. Porter
MECANICA DE FLUIDOS , Irving H.
Shames
FLUJO DE FLUIDOS E INTERCAMBIO
DE CALOR , O. Leven Espiel
TERMODINÁMICA APLICADA; Postigo,
J; Cruz, J; editorial UNI, Lima1985.
MANUAL
DEL
INGENIERO
MECÁNICO, AUTOR: Marks, editorial
Limusa, Mexico 1992
Página 18
ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS
DE PETROLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, ALGODON
Y GIRASOL EN COCINAS NO CONVENCIONALES
ANALISIS OF THE PROCESS OF COMBUSTION OF THE MIXTURES OF PETROLEO DIESEL 2
WITH BIODIESEL OF SOY, ALGODON AND SUNFLOWER IN NOT CONVENTIONAL KITCHENS
Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas & Andrés Valderrama
________________________________________________________________________________________
RESUMEN
En el presente estudio se muestran las ecuaciones del proceso de combustión de las mezclas de petróleo diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón, el análisis del proceso de combustión se realizará considerando los parámetros
de diámetro del pulverizador, relación C/H/O de cada participante en la mezcla, color de la llama, forma de la
llama, formación de dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos libres en forma de vapor (CH). Se trabajaron con
mezclas en volumen de diesel 2 con 10%, 20%, 30% y 50% de biodiesel de soya, girasol y algodón. Los resultados
preliminares del análisis cualitativo y cuantitativo del proceso de combustión de las mezclas, tomando en cuenta la
relación estequiométrica (alfa=1), para mezclas enriquecidas (alfa<1) y para mezclas empobrecidas (alfa>1); este
cálculo se ejecutara para cada mezcla de biodiesel con petróleo diesel 2, lo que permite establecer que es posible
reemplazar parcialmente al petróleo diesel 2 por biodiesel, alcanzando condiciones de desprendimiento y
aprovechamiento de calor, y se demuestra que los niveles de producción de CO2 , N2 y vapor de agua son menores
que el producido por el diesel 2; se calculara la temperatura de la flama adiabática para el diesel 2 y para las
mezclas y finalmente se construye el ábaco de los colores de la llama durante el proceso de combustión, para cada
mezcla.
ABSTRACT
In this study it is shown the equations of combustion process of mixtures of petroleum diesel 2 and biodiesel of
soybean, sunflower and cotton, the analysis of combustion process is made considering the parameters of the
diameter of the sprayer, the relation C/H/O of each component en the mixture, de color of the flame, the shape of the
flame, carbon dioxide (CO2) formation, free hydrocarbons like steam (CH).
It was made mixtures of 10%, 20%, 30% y 50% of biodiesel of soybean, sunflower and cotton in volume of mixture.
The preliminary results of quality and quantity analysis of the combustion process of the mixtures, taking in account
the stoichiometric relation (alfa=1), for enriched mixtures (alfa<1) and for impoverished mixtures (alfa>1); this
evaluation will be made for each mixture of biodiesel and petroleum diesel 2, which allow to establish that it is
possible to replace the petroleum diesel 2 bye biodiesel partially, in this way it is reached detachment conditions and
advantages of heat, and it is demonstrate that the production levels of CO2, N2 and water steam are minor than those
produced by petroleum diesel 2. It will be calculated the temperature of the adiabatic flame for petroleum diesel 2
and the mixtures.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, el mundo está viviendo los efectos
del impacto ambiental, producido en mayor medida
por la quema de combustibles denominados fósiles o
tradicionales. Con el objetivo de mejorar la calidad
del medio ambiente, se busca el empleo de nuevas
fuentes de energía, cuyo proceso de combustión
permitan reducir los gases contaminantes, como CO,
NOx, CH, SOx y
CO2, que son causantes del calentamiento global,
efecto invernadero, lluvia ácida, y otros.
En el presente trabajo se busca establecer que la
emisión de los gases contaminantes de la combustión
de la mezcla de biodiesel y petróleo diesel 2 son
menores en comparación de los gases contaminantes
emitidos en la combustión del petróleo diesel 2 puro.
La combustión es un proceso que se realiza para
utilizar la energía química liberada tanto por la
reacción del H2 hacia el H2O, como por la reacción
del C hacia CO2. El H2 por su gran afinidad con el O2
reacciona totalmente hacia H2O; en cambio, el C
reacciona hacia CO2 y CO. Cuando un kmol de C
reacciona totalmente hacia CO2, libera 3.5 veces mas
energía que cuando el kmol de C reacciona
totalmente hacia CO. Esto justifica la tendencia a
reducir al mínimo la formación de CO para lograr la
combustión completa. En este contexto, el análisis
refiere a las reacciones de combustión de la mezcla
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Página 19
TIPOS DE COMBUSTIÓN
biodiesel y petróleo diesel 2.
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
El estudio se realiza en las siguientes etapas:
Primera etapa,, determinación de la composición
C/H/0 de los biodiesel de soya, girasol y algodón
Segunda etapa,, cálculo de las reacciones de
combustión de la mezcla del petróleo diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón.
Tercera etapa,, cálculo de los parámetros de la
combustión: poder calorífico, relación H/C, número
de Wobbe, porcentaje de CO2, eficiencia
iencia del proceso
de combustión
DELINEACIÓN DE OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
Análisis del proceso de combustión de las mezclas de
diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Análisis de la relación C/H/O, H/C, número de
Woobbe, color de la llama, forma de la llama,
formación de dióxido de carbono (CO2) para cada
mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya girasol y
algodón
DESARROLLO DE TRABAJO
Poder calorífico de un combustible: es la cantidad
de calor producida por la combustión completa de un
kilogramo de dicha sustancia. Tal unidad se la mide
en KJ / kg .
Índice de Wobbe: Cociente entre el poder calorífico
y la raíz cuadrada de la densidad relativa del gas, bajo
las mismas condiciones
ndiciones de temperatura y presión. El
índice de Wobbe es una medida de la cantidad de
energía disponible en un sistema de combustión a
través de un orificio inyector. La cantidad de energía
disponible está en función lineal del índice de
Wobbe.
Relación H/C: es la relación de densidad energética
de un combustible; se establece que un combustible
deberá tener un valor mayor igual a 0.12.
1. Combustión estequiométrica o teórica
Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad
mínima de aire para que no existan sustancias
combustibles en los gases de reacción. En este tipo de
combustión no hay presencia de oxigeno en los
humos, debido a que este se ha empleado
íntegramente en la reacción.
Para la combustión de un hidrocarburo de la forma
C x H y, la ecuación de la reacción es de la forma:
2 .Combustión
Combustión real con exceso de aire
Es la reacción que se produce con una cantidad de
aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza
un exceso de aire, la combustión tiende a no producir
sustancias combustibles en los gases de reacción. En
este tipo de combustión es típica la presencia de
oxigeno en los gases de combustión.
La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso
de aire es hacer reaccionar completamente el
combustible disponible en el proceso.
Mezcla rica.. Es la que contiene una cantidad de aire
menor que la estequiometria
ia (aire en defecto)..
Mezcla pobre.. Es la que contiene una cantidad de
aire mayor que la estequiometria (aire en exceso
exceso).
Loss coeficientes i, e, f, y g deben ser para la
combustión real a partir de la información que
obtiene, por alguno de los método
métodos existentes para el
análisis de los promedios.
METODOLOGÍA
Se muestra un ejemplo con exceso de aire de 25%
(125% de aire teórico) presente en la combustión de la
mezcla de 30% de biodiesel de soya con diesel 2
Composición gravimétrica del diesel 2 y de los
biodiesel de soya, girasol y algodón
Diesel 2: C/H/O/S = 0,87/0,126/0,003/0,001
Biodiesel de soya: C/H/O = 0,77/0,12/0,11
Biodiesel de girasol: C/H/O = 0,628/0,202/0,17
Biodiesel de algodón: C/H/O = 621/0,204/0,174
Tabla Nº1 Combustión de la mezcla Die
Diesel 2 y
Biodiesel de Soya al 30%
C
H
O
BIODISEL DE SOYA 0.77 0.12 0.11
DIESEL 2
0.87 0.126 0.004
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Página 20
Composición molar de los reactantes
Para el Diesel 2
77
= 6 . 417
12
12
=6
H2 =
2
11
O2 =
= 0 . 3443
32
C =
Masa de aire teórica
( L a / c )t =
B ( 32 + 3 . 76 * 28 ) …...(1)
100
9.9931(32 + 3.76 * 28)
= 13.719
100
Masa de aire real
( La / c )t =
Para el biodiesel de soya
87
= 7.25
12
12.6
H2 =
= 6.3
2
0.4
O2 =
= 0.0125
32
C=
Considerando un proceso de mezcla optima y un
proceso de combustión completa:
( La / c )r =
(L
a /c
)r =
1 .5 B ( 32 + 3 . 76 * 28 ) …(2)
100
1.25 * 9.9931.(32 + 3.76 * 28)
= 17.148
100
Análisis gravimétrico de los gases de combustión
Peso de CO2 = 7 mol* (12+32) gr/mol = 308 g r
Peso de N2 = 46.9677 mol * (28) gr/mol =1315.09 gr
1. Ecuación de la Combustión
mbustión Completa con
exceso de aire
Peso de H2O = 6.21 mol * (2+16) gr/mol = 111.78 gr
Peso de O2 = 2.4983 mol*(32) gr/mol = 79.9450 gr
Total
70% Diesel 2 + 30% Biod. Soya + aire
Productos de la combustión
0.7(7.25C + 6.3H2 + 0.0125O2) + 0.3(6.417C + 6.417H2 + 0.344O2)
+1.25B(O2 + 3.76N2) →dCO2 + eH2O + fN2 + gO2
Ordenando la reacción
7C+6.21H2 +0.119O2 +1.25B(O2 +3.76N2) →dCO2 +eH2O+fN2 +gO2
Balanceando la ecuación
Porcentaje de CO2:
% CO 2 = 308/1814.8203 = 0.1697
Peso de C = 7* (12) = 84 gr
Peso de H2 = 6.21 * (2+16) = 12.42 gr
Peso de O2 = 0.119* (32) = 3.58 gr
Peso de aire = 14.98*(32+3.76*28)= 2027.78 gr
Total = 2157.7843 gr
d ( CO 2) = 7 mol
e (H2O) = 6.21 mol
=1814.8203 gr
Relación H / C:
H / C = 12.42 / 84 = 0.147
2 g (O2) = 19.9863 – 2.5 B
f (N2) = 46.9677 mol
ANALISIS DE RESULTADOS
Ecuación Estequiometria
7C + 6.21H2 + 0.119O2 + B(O2 + 3.76N2) →dCO2 + eH2O + fN2
d´ (CO 2) = 7
e´ (H2O) = 6.21
B (aire) = 9.9931
1- Se construyen los gráficos con la variación de los
parámetros proceso de combustión de un combustible
líquido como son las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón, que se muestran
continuación:
Entonces g (O2) = 2.5 mol
Ecuación Estequiométrica Balanceada
Ecuación con exceso de aire Balanceada
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Página 21
ENERGIA DISPO NIBLE EN LA
C O MBUSTIO N (Nº WO BBE)
1578.50
1558.00
1537.50
1517.00
1496.50
1476.00
1455.50
1435.00
B10
B20
SOYA
B30
B40
B50
% M E Z C LA
GIRASOL
ALGODÓN
Gráfico Nº1 Variación del poder calorífico de las
mezcla Diesel 2 y Biodiesel de soya, girasol,
algodón.
GráficoNº3 Variación del Nº de Wobbe (energía
disponible en la combustión) para Diesel las mezclas
de Diesel 2 y Biodiesel de soya, algodón, girasol.
EXCESO DE AIRE 50%
D E N S ID A D E N E R G ÉT IC A D E UN
C O M B US T IB LE H / C
17,5
17
0.23
% CO2
16,5
0.21
SOYA
16
15,5
GIRASOL
15
ALGODÓN
14,5
14
H /C
13,5
0.19
0.17
B20
B30
B40
B50
17,1337
16,9714
16,8063
16,6445
GIRASOL
16,9895
16,5218
16,053
15,5832
15,1124
ALGODÓN
16,9761
16,495
16,0128
15,5294
15,0449
% MEZCLA
0.15
0.13
B10
B20
SOY A
B30
B40
B50
Gráfico Nº 4 Variación de la concentración del
dióxido de carbono (CO2) en las mezclas de Diesel 2
y Biodiesel de soya, girasol, algodón.
% M E Z C LA
GI RA SOL
1.
A LGODÓN
Gráfico.N2. Variación de la relación de H/C
(densidad energética de un combustible) para las
mezclas de Diesel 2 y Biodiesel de soya, girasol, y
algodón considerando que:
Hu mezcla …(3)
N º Woobe =
ρ mezcla
El número de Wobbe es la cantidad de energía
disponible en la combustión a través del inyector
(pulverizador). Entonces la mezcla que muestre un
mayor Nº de Wobbe tendrá una mayor energía
disponible en la combustión de la mezcla.
Entiéndase que
ρ mezcla = ρ D 2 (% D 2 ) + ρ biodiesel (% biodiesel ) … (4)
( La 7 c ) t =
B10
17,2953
SOYA
Combustión de la mezcla Diesel 2 y Biodiesel
de girasol, algodón y soya
Tabla Nº2 Porcentaje de CO2 producto de la
combustión del Diesel 2 y biodiesel trabajando con
el pulverizador 1 y 2
PULVERIZADOR 1 Y 2
% AIRE
TEORIC %CO2
%CO2
O
B30
B20
SOYA
GIRASOL
1.25
16.9714
16.2859
1.35
15.7786
15.1401
1.45
14.7425
14.145
1.55
13.8341
13.2726
1.65
13.0312
12.5016
%CO2
B30
ALGODÓN
15.7739
14.6642
13.7004
12.85555
12.1087
B (32 + 3 . 76 * 28 ) ….. (5)
100
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 22
3. CALOR APROVECHADO Y CALOR
PERDIDO
Se calcula a partir de las fórmulas siguientes:
3.1. Calor aprovechado durante el proceso de
combustión
Para evaluar la cantidad de calor aprovechado por las
mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y
algodón, se deberá considerar la relación siguiente:
Qaprovechad
o = Qconv1 + Qconv2 + Qrad1 .. (6)
GráficoNº5.. Porcentaje de CO2 producido en la
combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de soya,
girasol y algodón para los que se ha obtenido mayor
aprovechamiento del calor desprendido, trabajando
con el pulverizador del 1 y 2
Tabla Nº3 Porcentaje de CO2 producto de la
combustión del Diesel 2 y biodiesel trabajando con el
pulverizador 3 y 4
PULVERIZADOR 3 Y 4
%
AIRE
TEORI
CO
1.25
1.35
1.45
1.55
1.65
%CO2
%CO2
%CO2
B20
SOYA
17.1734
15.9665
14.918
13.999
13.187
B30
GIRASOL
15.8062
14.6942
13.7284
12.8817
12.1334
B50
ALGODÓN
14.7864
13.7461
12.8426
12.0506
11.3506
En dónde:
Q aprovechado: calor aprovechado durante la combustión
Q convección 1: calor aprovechado por convección a
través de la proyección del frente de flama sobre la
base de la tetera
Q convección 2: calor aprovechado
ovechado por convección a
través del área de anillo sobre la base de la tetera.
Q radiación 1: energía irradiada de la flama hacia la base
de la tetera
3.2 Calor Perdido
Para evaluar la cantidad de calor perdido durante la
combustión por las mezclas de Dies
Diesel 2 con biodiesel
de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la
relación siguiente
Q perdido = Qradiación 2 + Qradiación 3 .. (7)
En dónde:
Q perdido:
calor perdido durante la combustión
Q radiación 3: calor perdido por radiación de la superficie
lateral del frente de flama al aire
Q radiación 2: calor perdido por radiación del anillo de
flama sobre la base de la tetera al aire.
CALOR APROVECHADO Y CALOR PERDIDO
F L U J O D E C A L O R (K W )
7.5
6
CALOR
PERDIDO
4.5
CALOR
APROVECHADO
3
1.5
0
SOYA B20 GIRASOL B20 ALGODÓN B20 SOYA B30 GIRASOL B30 ALGODÓN B30 SOYA B50 GIRASOL B50 ALGODÓN B50
CALOR PERDIDO
1.178
2.237
1.0012
0.9941
1.5296
0.956
0.8182
2.1813
1.1955
CALOR APROVECHADO
2.1342
3.9358
1.9094
1.975
2.675
1.7945
1.4343
3.0318
2.3417
% MEZCLA
GráficoNº7 Calor perdido y calor aprovechado
GraficoNº6 Porcentaje de CO2 producido en la
combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de soya,
girasol y algodón para los que se ha obtenido mayor
aprovechamiento del calor desprendido, trabajando
con el pulverizador del 3 y 4
3.3 Eficiencia de la combustión
La eficiencia en la Combustión de la mezcla de
Diesel 2 con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón,
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 23
se determina empleando la fórmula siguiente:
η=
Calor
%L(a/r)t
Calor aprovechad o
× 100 ... (8)
aprovechad o + calor perdido
14.30
14.07
14.10
EFICIENCIA DE LA COMBUSTIÓN
Eficiencia (%)
14.20
14.20
13.99
14.00
68
13.90
66
13.80
64
13.70
13.72
13.60
62
SOYA
13.50
GIRASOL
60
ALGODÓN
13.40
58
Diesel 2
56
B20
B30 B30 soya
Girasol algodón
54
52
B20
B30
B50
% MEZCLA
Gráfico Nº8 .Eficiencia de la combustión eficiencia
vs mezcla
Gráfico Nº 11 Porcentaje de masa teórica de aire en
la combustión de las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol, algodón respectivamente,
trabajados en Pulverizadores 3 y 4
Gráfico Nº 9 Porcentaje de masa teórica de aire en la
combustión de Diesel 2, biodiesel de soya, girasol y
algodón
CONCLUSIONES
1.
Gráfico Nº 10 Porcentaje de masa teórica de aire en
la combustión de las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol, algodón respectivamente,
resp
trabajados en Pulverizadores 1 y 2
2.
3.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Se demuestra que las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón tienen
similar comportamiento de un combustible
diesel convencional proveniente de un
hidrocarburo.
La cantidad de energía disponible en la
combustión a través del inyector (pu
(pulverizador),
determinado con el número Wobbe, disminuye
con el incremento del porcentaje de biodiesel en
la mezcla
La densidad energética de un combustible,
determinada a través de la Variación de la
relación de H/C, para las mezclas de Diesel 2 y
Página 24
4.
5.
6.
biodiesel de soya, girasol, y algodón se
incrementa conforme se incrementa el
porcentaje de biodiesel n la mezcla
La eficiencia máxima se alcanza con el 30% de
las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya y
algodón.
La eficiencia máxima se alcanza con el 50% de
las mezclas de diesel 2 con biodiesel de girasol.
La concentración del dióxido de carbono en los
gases de la combustión disminuye drásticamente
en comparación al diese 2 solo, logrando
disminuir el impacto ambiental.
BIBLIOGRAFIA
1.
Postigo, J; Cruz, J; “Termodinámica Aplicada”;
editorial UNI, Lima1985.
2.
Morán, M; Shapiro, H; “Fundamentos de
Termodinámica”; editorial LIMUSA, México
1992.
3.
Incropera, F.; “Fundamentos de Transferencia
deCalor”; editorial Prentice Hall, USA 1998
4.
Marks, “Manual del Ingeniero Mecánico”,
editorial Limusa, Mexico 1992
AGRADECIMENTO, los autores comprometen su
agradecimiento al Programa de Iniciación Científica
(PIC) que dirige el Vice Rectorado Académico de la
UNMSM.
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Página 25
BRIQUETAS DE RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS COMO
FUENTE DE ENERGÍA CALORÍFICA EN COCINAS NO
CONVENCIONALES
BRIQUETTES OF ORGANIC SOLID RESIDUES AS SOURCE OF CALORIFIC ENERGY IN NOT
CONVENTIONAL KITCHENS
Andrés Valderrama, Herve Curo, César Quispe, Victor Llantoy & José Gallo
_____________________________________________________________________________________________
RESUMEN
Los residuos sólidos orgánicos (RSO), se emplean como materia prima principal en la elaboración de briquetas que
son quemadas en una cocina no convencional para obtener energía calorífica, siendo una alternativa de reemplazo a
los combustibles líquidos tradicionales (kerosene o gas licuado de petróleo). La elaboración de las briquetas, se
realizaron a partir de los residuos domiciliarios obtenidos de un sector del distrito de San Martín de Porres, dónde la
producción per cápita es de 0.634 Kg./hab.-día; los RSO representan el 62.5% de estos residuos. Los RSO son
secados al medio ambiente y mezclados con aglutinantes como: aserrín, cal, arcilla; para la mezcla se emplea agua y
estiércol de cuy.
Se elaboraron 3 tipos de briquetas cilíndricas con un volumen de 446cm3, teniendo como materia prima a los RSO
con 70% en masa, luego son perforadas axialmente con 5 agujeros de 7.9mm. para facilitar su secado y combustión;
la relación H/C es de 0.16 superior al petróleo diesel (0.14), la humedad relativa es de (89-91)%, la densidad de las
briquetas tipo 1 es mayor en 10% a la densidad de la briqueta tipo 2 y esta a su vez es mayor en 6% que la briqueta
tipo 3, debido a la presencia en su composición de 10%, 5% y 0% de aserrín respectivamente, el poder calorífico
inferior de las briquetas tipo 1 es de 13,826 kJ/Kg, del tipo 2 de 13,029 kJ/Kg y del tipo 3 es de 10,725 kJ/Kg, esta
variación se debe a que la cal y la arcilla logran disminuir el poder calorífico de las briquetas y lo hacen gradualmente
de acuerdo al porcentaje en peso en su composición; el punto de inflación de las briquetas fluctúan entre (86-90)°C.
Las briquetas tipo 1, tipo 2 y tipo 3, originan (8, 13 y 20)% de cenizas, debido a que poseen 0% arcilla o cal, 5% de
cal y 10% de arcilla respectivamente. Durante la combustión de las briquetas las temperaturas medias superficiales
alcanzaron valores de (250-400)ºC y se determinó el tiempo para hervir 500 cm3 de agua, obteniéndose en promedio
(30 a 45) minutos.
Palabras Claves: Residuos Sólidos Orgánicos, briquetas, poder calorífico, humedad relativa, densidad, relación
H/C, punto de inflamación, aglutinante, energía calorífica.
ABSTRACT
The solid organic residues (RSO), they are used as principal raw material in the production of briquettes that are
burned in a not conventional kitchen to obtain calorific energy, being an alternative of replacement to the liquid
traditional fuels (kerosene or liquified gas of oil). The production of the briquettes, they were realized from the
domiciliary residues obtained of a sector of the district of Porres's St Martin, where the production per cápita belongs
to 0.634 Day Kg./hab.-; the RSO represents 62.5 % of these residues. The RSO is dried to the environment and
mixed with cementing agents since(as,like): sawdust, lime, clay; for the mixture(mixing) water and manure is used of
cuy.
There were elaborated 3 types of cylindrical briquettes with a volume of 446cm3, having as raw material to the RSO
with 70 % in mass, then they areperforated axialmente with 5 holes of 7.9mm. To facilitate his(its) dried one and
combustion; the relation H/C belongs to 0.16 top to the oil diesel (0.14), the relative dampness is of (89-91) %, the
density is of the briquettes type 1 is bigger in 10 % than the density of the briquette type 2 and this in turn it(he,she)
is major in 6 % that the briquette type 3, due to the presence in his(its) composition of 10 %, 5 % and 0 % of sawdust
respectively, the lowest heating power of the briquettes type 1 belongs to 13,826 kJ/Kg, of the type 2 of 13,029
kJ/Kg and of the type 3 it(he,she) is of 10,725 kJ/Kg, this variation owes to that the lime and the clay manage
diminishing the heating power of the briquettes and do it gradually in agreement to the percentage in weight in
his(its) composition; the point of inflation of the briquettes they fluctuate between(among) (86-90) °C. The briquettes
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Página 26
type 1, type 2 and type 3, originate (8, 13 and 20) % of ashes, due to the fact that 0 % possesses clay or lime, 5 % of
lime and 10 % of clay respectively. During the combustion of the briquettes the average superficial temperatures
reached values of (250-400) ºC and it(he,she) decided the time to boil 500 cm3 of water, being obtained in average
(30 to 45) minutes.
Key words: Solid Organic Residues, briquettes, heating power, relative dampness, density, relation H/C, point of
inflammation, cementing agent, calorific energy.
________________________________________________________________________________________
INTRODUCIÓN
La gran demanda de energía que se presenta
principalmente en países en vía de desarrollo como
el nuestro y a la escasez de los combustibles líquidos
y gaseosos convencionales (Diesel 2, kerosene y
GLP), obligan a buscar nuevas fuentes energéticas
que posean viabilidad técnica y económica, con el
menor impacto ambiental posible. El estudio
comprende la elaboración de briquetas a partir del
acopio de los residuos sólidos domiciliarios
provenientes del distrito de San Martín de Porres; es
conocido, que los residuos no orgánicos (vidrio,
plástico, papel, cartón, metales, madera, trapos, telas)
son reciclados para obtener un valor económico de
ellos y no fueron considerados para este estudio.
Resultados preliminares permiten demostrar que se
puede reemplazar el combustible líquido y gaseoso
ejecutando el proceso de quemado de las briquetas
con 70% de RSO en masa, para obtener energía
calorífica en una proporción de 33% con respecto a
un combustible líquido (kerosene, petróleo Diesel 2)
y 30% en masa respecto al gas licuado de petróleo
(GLP).
La investigación determina como factores esenciales
en la elaboración de las briquetas: composición,
humedad, densidad y granulometría. Estas fueron
elaboradas con distintos porcentajes de los siguientes
componentes:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
.
Los RSO secos y no cocidos (cáscaras de papa,
arvejas, habas, hojas de choclo, hojas de
espinacas, corontas de maíz, entre otros). El
secado de los RSO se realizó al natural (medio
ambiente), lo que puede demorar entre dos y tres
meses en invierno y tres o cuatro semanas en
verano. Luego estos residuos fueron triturados y
molidos (ver fotografía N°1).
Aserrín de madera cedro (pudo haber sido de
otra madera), es un aglutinante combustible.
Estiércol de cuy, el cuál fue secado y molido.
Arcilla común (aglutinante no combustible).
Cal, su función es evitar desmoronamientos y la
formación de grietas en la briqueta.
Agua
Fotografía N°1. RSO de San Martín de Porres secos y
molidos respectivamente
Nota. Debido a que el proceso de secado de estos
RSO se realizó al aire libre, se debe resaltar que no se
consideraron los residuos domiciliarios orgánicos
cocidos, por ejm: residuos de comida descompuesta,
huesos de animales, frutas, otros; porque atraen
vectores.
METODOLOGÍA
2.1. Elaboración de las briquetas de RSO. Se hace
la mezcla tomando en cuenta el tamaño
(dimensiones) y el tipo de briqueta a elaborar, para la
investigación se hicieron tres tipos con porcentajes
distintos de los componentes que se muestran en las
tablas 1,2 y 3.
Tabla N°1. Composición de las briquetas para el
tamaño de 2.5” de diámetro y 2.5” de altura
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Briqueta
TIPO 1
Compon
entes
RSO
Estiércol
de cuy
Aserrín
Cal
Arcilla
Compo
sición
Briqueta
TIPO 2
%
Compo
sición
Briqueta
TIPO 3
%
Comp
osició
n
%
111gr
70
111gr
70
111gr
70
32gr
20
32gr
20
32gr
20
16gr
-
10
10
0
8gr
8gr
-
5
5
-
16gr
159gr
100
10
10
0
Subtotal
159gr
Agua
200ml
200ml
159gr
200ml
Página 27
RESULTADOS
BRIQUETA
HÚMEDA
(peso
promedio de las
muestras)
213.2gr
212.6gr
214.0gr
Sobras de mezcla
145.8gr
146.4gr
145.0gr
Mezcla Total
359gr
359gr
359gr
se utilizan nuevamente en la elaboración de otras
briquetas del mismo tipo, debido a que el porcentaje
de cada componente se mantiene. La manera de
realizar la mezcla es sencilla, se necesita tener los
componentes en los porcentajes indicados,
homogenizarlos y luego agregar agua gradualmente
hasta obtener una masa pastosa y homogénea
(fotografía N°2).
Tabla N°2. Composición de las briquetas para el
tamaño de 3.0” de diámetro y 3.0” de altura
Briqueta
TIPO 1
Compon
entes
Briqueta
TIPO 2
Compo
sición
%
Briqueta
TIPO 3
Compo
sición
%
Compo
sición
%
RSO
Estiércol
de cuy
Aserrín
Cal
Arcilla
133gr
70
133gr
70
133gr
70
38gr
20
38gr
20
38gr
20
19gr
-
10gr
8gr
-
189gr
5
5
10
0
19gr
Subtotal
10
10
0
10
10
0
Agua
300ml
RESULTADOS
BRIQUETA
HÚMEDA
(peso
342.8gr
promedio de
las muestras)
Sobras
de
146.2gr
mezcla
Mezcla
Total
189gr
300ml
489gr
190gr
300ml
350.4gr
354.7gr
138.6gr
134.3gr
489gr
490gr
Tabla N°3. Composición de las briquetas para el
tamaño de 3.5” de diámetro y 3.5” de altura
Briqueta
TIPO 1
Briqueta
TIPO 2
Briqueta
TIPO 3
Compon
entes
Compo
sición
%
Compo
sición
%
RSO
Estiércol
de cuy
Aserrín
Cal
Arcilla
254gr
70
254gr
70
Subtotal
363gr
Comp
osición
254gr
%
70
73gr
20
73gr
20
73gr
20
36gr
-
10
10
0
18gr
18gr
-
5
5
-
36gr
10
363gr
100
363gr
100
Agua
500ml
500ml
RESULTADOS
BRIQUETA
HÚMEDA (Peso
563.2gr
554.8gr
Promedio
De
Las Muestras)
Sobras
De
299.8gr
308.2gr
Mezcla
Mezcla Total
863gr
863gr
Fotografía N°2. Elaboración de la briqueta Tipo 2,
nótese sus componentes: RSO, cal y estiércol de cuy.
2.2. Compactación de la mezcla. En ésta fase del
proyecto se diseñó y fabricó moldes de madera con
alturas de 2.5”, 3.0” y 3.5” y de diámetros de 2.5”;
3.0” y 3.5“ (ver fotografía Nº 3), para garantizar la
solidez de la masa compactada durante su extracción
del molde, para ser pesado y transportado hacia el
secado.
500ml
531.3gr
331.7gr
863gr
En las tablas 1, 2 y 3 se observa, los pesos para las
sobras de mezcla (lo que no ingresa al molde); éstas
Fotografía N° 3. Moldes de madera con las cavidades
para la elaboración de las briquetas
Se usaron los aglomerantes y se empleo un bajo
nivel de presión, el cual oscila entre (0.8 y 1.7)kPa,
que es la fuerza ejercida por una persona promedio.
De no haber usado aglutinantes se hubiese requerido
de presiones altas (>5000 kPa), las cuales son
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Página 28
alcanzadas únicamente por maquinaria sofisticada y
costosa.
Tabla Nº 4. Pesos de briquetas húmedas
Briquetas TIPO 1 (RSO, estiércol de cuy y
aserrín)
Dimensiones (diámetro 2.5
3
3.5
y altura en pulgadas)
Peso
Promedio 213.2 342.8 563.2
(gramos)
Briquetas TIPO 2 (RSO, estiércol de cuy, cal y
aserrín)
Dimensiones (diámetro 2.5
3
3.5
y altura en pulgadas)
Peso
Promedio 212.6 350.4 554.8
(gramos)
Briquetas TIPO 3 (RSO, estiércol de cuy y
arcilla)
Dimensiones (diámetro 2.5
3
3.5
y altura en pulgadas)
Peso
Promedio 214.0 354.7 531.3
(gramos)
Tabla Nº 5. Pesos de briquetas secas
Briquetas TIPO 1 (RSO 70%, estiércol
20% y aserrín 10% del peso)
Dimensiones
(diámetro y altura 2.5
3
en pulgadas)
Peso
Promedio
80.66 122.33
(gramos)
Briquetas TIPO 2 (RSO 70%, estiércol
20%, cal 5% y aserrín 5% del peso)
Dimensiones
(diámetro y altura 2.5
3
en pulgadas)
Peso
Promedio
85.00 137.66
(gramos)
Briquetas TIPO 3 (RSO 70%, estiércol
20% y arcilla 10% del peso)
2.5
3
Dimensiones
(diámetro y altura
en pulgadas)
Peso
Promedio 90.00 154.33
(gramos)
Fotografía N° 4. Extracción de la briqueta húmeda
compactada
2.3. Secado de las Briquetas. Las briquetas fueron
secadas por convección libre (a la intemperie),
durante ocho días de intenso sol, propio del mes de
febrero. Lo ideal hubiese sido realizar el secado por
convección forzado (secador o deshumedecedor),
para evitar que durante la combustión la humedad sea
el principal problema.
Fotografía N°5. Briquetas húmedas y secas; en el
2do. nivel del pabellón EAP-IMF, San Marcos.
2.4. Cálculo de la humedad de las briquetas
La humedad eliminada durante el proceso de secado
por convección libre, se calcula de la siguiente
manera:
%H =
de cuy
3.5
218.00
de cuy
3.5
217.00
de cuy
3.5
243.33
Las diferencias del porcentaje de humedad eliminada
en cada tipo de briqueta corresponden a la diferencia
en su composición de aglutinante no combustible (cal
y arcilla). Esto quiere decir, que el tipo 1 requiere de
menor cantidad de agua durante la elaboración a
diferencia de los otros tipos que contienen
aglutinantes que reaccionan de una manera particular
con el agua, es el caso de la cal que eleva la
temperatura del agua rápidamente al entrar en
contacto.
PesoHúmedo − PesoSeco
× 100
PesoHúmedo
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Página 29
H u m e d a d E lim i n a d a (% )
Humedad de la briqueta eliminada durante el
secado
64
62.59
62
60.54
60
58
56.21
56
54
52
Tipo 1
Tipo 2
Tipo 3
Briquetas
Gráfico N°1. Diferencia de humedad de las briquetas
durante el secado por convección libre
2.5. Densidad de las briquetas secas, se calcula con
la simple relación de cociente entre la mas a de la
briqueta y el volumen de esta. Las diferencias de la
densidad son también resultado de la composición de
cada tipo de briqueta, similar al caso de la humedad.
Por ello se encuentra una relación inversamente
proporcional entre estas variables (comparar gráfico
N°1 y gráfico N°2). Es decir, mientras la briqueta de
determinado tipo elimine mayor humedad menor será
su densidad
0.60
0.58
Den sid ad (g r/cm 3)
0.58
0.56
0.53
0.54
0.52
0.50
0.50
Los diámetros de las brocas fueron elegidos de tal
forma que las briquetas soporten la perforación (se
buscó el menor diámetro para este propósito) y que
durante la quema aprovechen el aire que fluya por los
orificios para evitar la falta de ingreso de aire (se
buscó el mayor diámetro).
Tabla N°6. Peso promedio de las briquetas secas con
agujeros (Peso real de las briquetas)
Dimensiones
(diámetro
y
altura en pulg)
TIPO 1
(gr)
TIPO 2
(gr)
TIPO 3
(gr)
2.5
3.0
3.5
81.40
122.00
207.16
83.20
131.80
211.00
84.66
137.00
213.33
3. COMBUSTIÓN DE LAS BRIQUETAS
0.48
0.46
Tipo 1
Fotografía N° 6. Proceso de perforación de las
briquetas secas.
Tipo 2
Tipo 3
Briquetas
Gráfico N° 2. Comparación de la densidad de cada
tipo de briqueta
2.6. PERFORACIÓN DE LAS BRIQUETAS
Las briquetas fueron perforadas luego del secado ya
que cuando éstas se encontraban húmedas eran
incapaces de resistir siquiera una púa o broca con
diámetro inferior a un octavo de pulgada. En este
proceso se utilizó un taladro de banco (vertical) con
brocas de 3/16, 1/4, 5/16pulg de diámetro para cada
tamaño de briqueta (2.5, 3 y 3.5pulg
respectivamente).
Para que a un determinado material se le considere
combustible en su composición debe contener
cantidades de carbono e hidrógeno, similar a un
hidrocarburo. El principal insumo de las briquetas
como combustible lo constituyen los RSO, éstos
poseen una relación hidrógeno-carbono H/C de 0.16,
ligeramente mayor que el petróleo diesel 2 que es de
0.14; este parámetro es fundamental para garantizar
la eficiencia de quemado de las briquetas como
combustible.
En el estudio experimental del proceso de
combustión se emplearon los equipos e instrumentos
siguientes: 01 termómetro, 01 pirómetro, 01
cronómetro, 01 tetera, 01 cocina no convencional
portátil, 01 mesa, 01 regla graduada, 01 encendedor,
01 vaso pírex.
El pirómetro, mide temperaturas superficiales de un
sólido sin entrar en contacto con éste. Para obtener
dichas temperaturas debemos digitar en él
previamente, el factor de emisividad del material, el
cuál es un número adimensional entre 0 y 1 que
representa la razón de radiación de una superficie
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 30
dada y la de un área igual de una superficie radiante
ideal a la misma temperatura1.
hace uso de la relación porcentual de cada
componente y de su respectivo factor de emisividad,
se tiene:
Tipo 1:RSO 70%, estiércol de cuy 20% y aserrín 10%
eTipo1 = 0.9 × 0.7 + 0.95 × 0.2 + 0.9 × 0.1 = 0.90
Tipo 2: RSO 70%, estiércol de cuy 20%, aserrín 5% y
cal 5%.
eTipo2 = 0.9×0.7 + 0.95×0.2 + 0.9×0.05+ 0.91×0.05= 0.91
Tipo 3: RSO 70%, estiércol de cuy 20% y arcilla
10%
eTipo 3 = 0.9 × 0.7 + 0.95 × 0.2 + 0.85 × 0.1 = 0.90
Fotografía N° 7. Medición de la temperatura de la
combustión de la briqueta con el pirómetro
La emisividad para cada material se encuentra
tabulada en manuales, de esta forma se tiene la
emisividad para el aserrín (madera), arcilla y cal;
pero no se logró hallar el factor de emisividad para el
estiércol de cuy y los RSO. Lo que se hizo fue
aproximar estos valores a otros ya conocidos,
realizando una singular prueba, que consiste en
incinerar un bloque de RSO, uno de estiércol de cuy
y otro de aserrín al mismo tiempo. Como se posee la
emisividad del aserrín o madera (0.9), se obtiene la
temperatura de este bloque, luego con esta emisividad
se mide las temperaturas de los otros bloques,
obteniéndose una temperatura similar en el bloque de
RSO y se alcanzó una mayor temperatura en el de
estiércol de cuy, además este logró emitir calor
radiante con mayor intensidad en comparación a los
otros bloques. Así se estimó que el estiércol de cuy
posee un factor de emisividad de 0.95 y los RSO de
0.90; para cada caso se compara con el valor del
factor de emisividad del aserrín, tomando como valor
de los límites del factor de emisividad para la madera.
Tabla N° 5. Factor de emisividad de cada
componente de las briquetas
RSO
Estiércol de cuy
FACTOR DE
EMISIVIDAD2
0.90
0.95
Aserrín
Arcilla
0.903
0.856
Cal
0.914
COMPONENTE
RSO
Las pruebas del proceso de combustión se realizaron
en un ambiente donde existía flujo de aire controlado
(velocidad < 4 m/s), lo contrario perturbaría el
encendido de la briqueta e impediría el
aprovechamiento eficiente del flujo de calor por
convección libre hacia la tetera con agua.
El proceso de combustión de las briquetas más
pequeñas (de diámetro 2.5” y de altura 2.5” y las de
diámetro 3.0” y de altura 3.0“), debido a que el calor
emanado por éstas era muy pequeño y por que fueron
agrietándose; se desecharon para las pruebas
posteriores y sólo se tomo en cuenta las briquetas
más grandes; es decir, las briquetas de 3.5” de
diámetro y altura.
Ensayos de combustión de las briquetas, consiste
en combustionar dos briquetas de un mismo tipo para
hervir 500ml de agua en una tetera usando sólo las
briquetas de 3.5” de diámetro y 3.5” de altura. Las
dos briquetas se ubican a una distancia de 4.4cm de la
base de la tetera. Se utilizó una cocina no
convencional que se ubicó a una distancia de 86cm
del suelo (sobre la mesa). Esta cocina es comercial y
especial para briquetas de carbón mineral o vegetal
(fotografía 8). el agua hierve entre (30-45 minutos);
las briquetas siguen quemándose durante 1h 40min
aproximadamente
Emisividad de cada tipo de briqueta, para ello se
1
Tomado de “Física Universitaria” Sears-ZemanskyYoung-Freedman (Décimo Primera Edición) Vol I, pág. 68.
2
La emisividad generalmente se encuentra tabulada con
dos dígitos decimales, el pirómetro también solicita la
misma cantidad.
3
Dato proporcionado por www.pce_iberica.es.
4
Tomado de “Biblioteca del Ingeniero Químico” Robert
Perry (Segunda Edición en español) Vol. III, pág. 10-52.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 31
para evitar que parte de ella se convierta en un
material volátil que sea transportado por el aire hacia
el medio ambiente.
Fotografía N° 8. Cocina no convencional y
combustión de las briquetas
.
4. ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN DE LAS
BRIQUETAS
A continuación se presentan los gráficos construidos
con los resultados obtenidos en los ensayos
experimentales.
4.1. Generación de cenizas; en el gráfico N°4 se
muestra que la ceniza de la briqueta tipo 3 es mayor
que la ceniza del tipo 2 y tipo 1, esto se puede
explicar por las razones siguientes:
a) La briqueta Tipo 3 posee mayor proporción de
arcilla. Éste es un material cuya degradación
(fractura microscópica) se produce a elevadas
temperaturas (>900°C) y en prolongados
tiempos. Es decir la arcilla no forma parte del
proceso de combustión.
b) En el Tipo 2 la cal cumple una función similar a
la arcilla.
c) En todos los tipos de briquetas el estiércol de cuy
participa en la composición de las briquetas con
el 20%, se apreció que se quema rápidamente
para convertirse en carbón; particularmente en el
tipo 1 y tipo 2, el aserrín se quema a bajas
temperaturas (<350ºC) lo que origina que se
incremente la ceniza ligeramente.
4.2. Variación de temperatura en función al
tiempo de la combustión de las briquetas, se
aprecia dos zonas de la a saber:
ZONA 1. Variación de temperatura del proceso de
combustión de las briquetas desde el minuto 3
aproximadamente hasta el minuto 20. Se muestra que
la temperatura de la briqueta Tipo 1 es menor que le
temperatura de combustión de briqueta Tipo 2 y esta
a su vez es menor que la temperatura de la briqueta
Tipo 3. Este fenómeno se produce debido a la
presencia del aserrín, que en el Tipo 1 representa el
10% y esto produce la facilidad del punto de
inflamación bajo, asimismo dicho punto se va
incrementando en el Tipo 2 que posee 5% de aserrín
y más aun en el Tipo 3 que posee 0% de aserrín.
ZONA 2. Variación de temperatura del proceso de
combustión de las briquetas desde el minuto 20 hasta
el minuto 35. Se muestra que la tendencia en el
comportamiento de la variación de la temperatura se
invierte con respecto a la zona 1; este fenómeno se
debe a las razones siguientes:
• Durante los ensayos experimentales se
aprecia que se quema aproximadamente
más del 60% de la cantidad de las briquetas.
• Debido a que la temperatura de combustión
de la cal (óxido de calcio) se produce a
temperaturas superiores a 1500ºC, en esta
fase de temperatura la cal no se quema tan
solo se calienta.
• De igual modo la arcilla se calienta y se
quema por sectores logrando fragilizarse
parcialmente (se desprende parcialmente),
esto se debe a que la temperatura de la
combustión de la arcilla es superior a 900ºC
Porcentaje de masa de briqueta obtenido como
ceniza
P o rc e n ta j e d e
B r iq u e ta (% )
25
20.16
20
13.27
15
10
8.12
5
0
Tipo 1
Tipo 2
Tipo 3
Briqueta
Gráfico N° 4. Variación de la generación de cenizas
en las briquetas tipo 1, tipo 2 y tipo 3.
El porcentaje de cenizas en todos los tipos de
briquetas no debería ser superior al 20% de su peso
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Página 32
Fluctuaciones de la temperatura de cada tipo de briqueta con respecto al tiempo
350
ZONA 1 I
Temperatura (°C )
300
247
249
250
284.8
272
218
200
312
272
302
268.5
256.2
293.5
290
227
220
257.2
179
150
135.6
89.2
100
86.3
142.2
155
118.5
107.5
86
50
ZONA 2
0
0
5
10
15
20
tie m po ( m in )
TIPO 1
25
TIPO 2
30
35
40
TIPO 3
Gráfico N° 5. Temperatura de la combustión de las briquetas tipo1, tipo 2 y tipo 3, en función al tiempo
Entonces debido a estos fenómenos térmicos simultáneos la temperatura se mantiene estable (posee una variación
mínima en una rango de tiempo de 25 minutos) hasta que se logra hervir el agua.
Componente
RSO
Estiércol
cuy
Aserrín
Cal
Arcilla
de
Poder
Calorífico
(KJ/Kg)
15177
Densidad
(ρ
ρ)
(gr/cm3)
0.635
41006
0.309
13400
No
determinado
No
determinado
aproximadamente, la cal recién se está calentando.
De igual modo la presencia de la arcilla origina la
disminución del poder calorífico de la briqueta 3
(gráfico 6).
Poder Calorífico de cada tipo de Briqueta
16000
Poder Calorífico H (KJ/Kg)
4.3. Poder calorífico de las briquetas, para el
cálculo se consideran el poder calorífico de cada
componente de las briquetas y su respectiva densidad
0.299
0.64
1.46
El poder calorífico es la cantidad de calor producido
por un material (briqueta) durante su combustión y se
calcula de la siguiente forma ver ecuación (1):
El poder calorífico de la briqueta Tipo 2 que contiene
cal en su composición en 5%, tiene menor poder
calorífico, debido a que la cal se combustiona o se
quema a temperaturas por encima de los 1500 grados
y al combustionarse los RSO y el estiércol de cuy a
temperaturas de (250 hasta 350)º centígrados
H=
5
6
14000
13826
13029
12000
10725
10000
8000
6000
4000
2000
0
Tipo 1
Tipo 2
Tipo 3
Briquetas
Gráfico 6. Poder calorífico de las briquetas
HComp1 × ρComp1 × %Comp1 + HComp2 × ρComp2 × %Comp2 + ... + HCompN × ρCompN × %CompN
ρComp1 × %Comp1 + ρComp2 × %Comp2 + ... + ρCompN × %CompN
....(1)
Datos hallados experimentalmente.
Se aproximó dicho valor
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Página 33
De este gráfico se puede deducir que la briqueta tipo 1 es la que posee mayor poder calorífico que luego es
comparada con otros combustibles y representa aproximadamente el 30% del poder calorífico del GLP y el 33% del
poder calorífico del petróleo diesel 2.
Poder Calorífico (KJ/Kg)
Comparación entre la briqueta Tipo 1 y los combustibles
convencionales
50000
46100
43950
43400
42500
39900
40000
33700
30000
19250
20000
13826
10000
0
GLP
Gasolina
Querosene
Diesel 2
Gas
Natural
Carbón de
madera
Metanol
Briqueta de
RSO Tipo 1
Com bustibles
Gráfico N° 7. Poder calorífico de la briqueta tipo 1, comprado con otros combustibles
La briqueta de RSO tipo 1, tiene fácil encendido, su combustión es lenta y además se produce con material
totalmente desechable (70% de RSO), lo que incrementa el interés de producir este tipo de combustible.
CONCLUSIONES
1.
2.
3.
4.
5.
El tamaño óptimo de briqueta fue la de 3.5” de
diámetro y de altura.
El nivel de compactación de (0,80 hasta 1,70)
kPa, empleado para la elaboración de la
briquetas tipo 1 y tipo 2, permitió mantener la
forma compacta durante el secado, perforación y
durante la combustión. El contenido de arcilla en
la briqueta Tipo 3, perjudico su solidez.
La briquetas Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3 tienen (8,
13 y 20)% de cenizas respectivamente, debido a
que poseen 0% arcilla, 5% de cal y 10% de
arcilla respectivamente, lo que determinan que
estas cenizas pueden ser utilizadas como
fertilizante para terrenos agrícolas.
La densidad de las briquetas Tipo 1 es mayor en
10% a la densidad de la briqueta Tipo 2 y esta a
su vez es mayor en 6% que la briqueta Tipo 3.
Debido a la presencia en su composición de
10%, 5% y 0% de aserrín respectivamente.
El poder calorífico inferior de las briquetas Tipo
1 es de 13,826 KJ/Kg, del Tipo 2 de 13,029
KJ/Kg y del Tipo 3 es de 10,725 KJ/Kg. Esta
variación se debe a la presencia en su
composición de 10%, 5% y 0% de aserrín
respectivamente y a la presencia del 5% de cal en
la briqueta Tipo 2 y al 10% de arcilla en la
briqueta Tipo 3, que no desprenden calor sino
hasta después de los 500ºC.
.
OBSERVACIONES
1.
2.
Las briquetas producen en su interior llama
amarilla; durante 10 minutos.
Las briquetas Tipo 2 producen o emanan humo
de color blanco (combustión fría) con intensidad
3.
elevada y abundante y las de Tipo 1 producen
humo de color azul no muy pronunciado
(combustión teórica o estequiométrica); su
acción sobre el olfato humano es mucho más
irritante que el humo de la briqueta Tipo 2 y
Tipo 3. Asimismo la briqueta Tipo 3 presentó al
igual que el Tipo 2 humo color blanco de
intensidad baja y en poca cantidad.
La briquetas Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3,
demostraron fácil encendido y lo hacen
rápidamente sin necesidad de aditivos
BIBLIOGRAFÍA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Sears & Zemansky “Física Universitaria”
Editoral Pearson, Décimo Primera Edición Vol.
I, México 2004.
Perry, P; “Biblioteca del Ingeniero Químico”
Editorial McGraw-Hill. Segunda Edición en
español Vol. III, México 1986.
Marks “Manual del Ingeniero Mecánico”
Editorial McGraw-Hill. Segunda Edición en
español, México 1984.
Raymond A. & Otros. “Física para Ciencias e
Ingeniería” Thomson Editores. Sexta Edición
Vol. II, México 2005.
Incropera, F. “Fundamentos de Transferencia de
Calor y Masa” Editorial Prentice Hall. Cuarta
Edición, México 1999.
www.pce_iberica.es.
AGRADECIMIENTO
Los autores comprometen su agradecimiento al
Programa de Iniciación Científica (PIC), dirigido por
el Vice. Rectorado Académico de la Universidad
Nacional Mayos de San Marcos de Lima-Perú
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Página 34
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO
AERODINÁMICO DE AEROGENERADOR A SOTAVENTO DE
80 W CON PALAS NO LINEALIZADAS
DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN AERODYNAMIC PROTOTYPE OF WIND
TURBINE TO LEEWARD OF 80W WITH SPADES NOT LINEALIZADAS
José Aguilar, Ayala Marino, Saúl Vallejos, Rubén Marcos & Fernando Castillo
___________________________________________________________________________________
RESUMEN
A medida que aumenta la sobreexplotación de los diferentes recursos energéticos convencionales del planeta, y
teniendo esto como consecuencia el próximo agotamiento de dichas fuentes, se hace cada vez más importante la
búsqueda de fuentes alternativas de energía, como la energía eólica, principalmente en forma de aerogeneradores.
Se buscó diseñar un prototipo de aerogenerador a sotavento de pequeña escala, con el objetivo de utilizarlo para
investigación. Posteriormente al diseño, se procedió a la construcción del mismo, teniendo en cuenta parámetros
tales como la resistencia de los materiales, fuerza, presión, torsión, entre otros; así como la mecánica de las palas y
del viento. Además para garantizar la factibilidad económica, se usaron materiales cuyo costo no es muy elevado.
ABSTRACT
As it increases the overexploitation of the different energetic conventional resources of the planet, and having this as
consequence the near depletion of the above mentioned sources, there becomes increasingly important the search of
alternative sources of energy, as the wind power, principally in the shape of windmill.
One sought to design a prototype of windmill to lee of small scale, with the aim to use it for investigation. Later to
the design, one proceeded to the construction of the same one, bearing in mind such parameters as the resistance of
the materials, force, pressure, twist, between others; as well as the mechanics of the blades and the wind. In addition
to guarantee the economic feasibility, there were used materials which cost is not very high.
____________________________________________________________________________________
INTRODUCCIÓN
Un tipo de energía renovable como la energía eólica
podría ser útil en lugares donde no es accesible la
energía eléctrica de la red convencional, llámese
centro poblados rurales generalmente alejados de las
zonas urbanas.
Sin embargo, al intentar utilizar este tipo de equipos
en las zonas rurales, llegamos a otro inconveniente:
que estos equipos (aerogeneradores) tienen precios
muy elevados para nuestro medio. Por si fuera poco,
es necesario un mantenimiento periódico del equipo y
eventuales reparaciones, para esto, se requerirá de
personal especializado, es decir, otro costo adicional
elevado.
Debido a estas causas, los aerogeneradores están
poco difundidos en nuestro país.
PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO
La gran mayoría de los aerogeneradores tienen un
diseño a barlovento, mientras que en los
aerogeneradores a sotavento el viento pasa por la
góndola antes que por las palas, lo que causa un
efecto de abrigo. Esto crea más cargas de fatiga en la
turbina que con el diseño a barlovento. Sin embargo,
los aerogeneradores a sotavento tienen como ventajas
que la góndola se comporta flexiblemente, y que
pueden auto dirigirse en dirección al viento, es decir,
no necesitan un mecanismo de orientación.
El método de diseño y posterior construcción del
prototipo de aerogenerador a sotavento que ponemos
en práctica tiene como base los puntos anteriormente
citados, corregir las desventajas propias del modelo y
hacer más notorias sus ventajas.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 35
DELINEACIÓN DE OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
El objetivo de este estudio es diseñar y construir un
prototipo experimental de un aerogenerador a
sotavento de baja potencia que pueda competir con
los estándares del mercado y a un bajo costo, con
proyección a ser usado en el entorno rural de mayor
necesidad en lo que refiere a energía eléctrica.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1.
2.
3.
4.
5.
Desarrollar un método de diseño innovador que
compita con los estándares nacionales.
Aplicar la tecnología a la solución de problemas
de nuestro entorno social.
Un equipo experimental que brinde una máxima
versatilidad con mínimo mantenimiento.
Cuantificar las pérdidas en mecanismos y
componentes, desarrollando métodos para
disminuirlas.
Encontrar un balance optimo para los materiales,
estructura y diseñó de sistemas de generación
eólico.
MARCO TEÓRICO
La metodología usada para el diseño de un
aerogenerador a sotavento se puede dividir en 6
etapas: Diseño del Generador, Diseño de Palas,
Diseño de la estructura principal, Diseño de la
Tornamesa, Diseño de la Carcaza y Diseño de la
Torre.
1.
Figura N° 1: Esquema del bobinado con conexión
“estrella”.
Las bobinas están ubicadas dentro de un plato
circular de resina sólida de 36.5 cm de diámetro y 2.9
cm de espesor, con un agujero concéntrico de 13 cm,
que permite el paso del eje del generador y sus
tornillos de sujeción.
Figura N° 2: Vista del estator ya terminado.
Esta configuración, determina que la tensión en cada
línea esté representada por la siguiente ecuación:
U
= 8
3
2
BSN
……….
(1)
Donde por cada rama, la tensión será el doble.
Diseño del Generador.
El generador, es de imanes permanentes, con un
estator de 6 bobinas y un rotor compuesto de 2 platos
con 8 magnetos cada uno (8 pares de polos).
1.1 Configuración del generador.
a) Estator.
El estator está conformado por un arreglo de 6
bobinas de cobre (AWG 14). El bobinado se ha
configurado de tal forma que la corriente obtenida sea
del tipo trifásica, ya que esta disposición presenta
menos perdidas en una disposición de onda completa
que un circuito monofásico.
La conexión del bobinado se hizo mediante la
configuración “estrella”, lo que facilita la generación
de voltaje a bajas revoluciones, y por esta razón el
generador va acoplado directamente al eje principal.
Figura N° 3: Tensión en cada línea.
b) Rotor.
El rotor está compuesto de dos platos metálicos
circulares de 30.8 cm de diámetro y de 6 cm de
espesor, en los cuales se han fijado, mediante una
capa de resina (1.26 cm), los 8 magnetos de ferrita
CB 1862 de 2” x 2“ x 1”. Los magnetos son de grado
8 (3,850 GAUSS).
Los platos magnéticos son los encargados de crear la
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 36
variación del campo magnético al girar, lo que
inducirá una corriente en las bobinas del estator.
bobinado y por el espacio de aire entre los magnetos
y el estator. Mediante las pruebas experimentales, se
encontrará que el campo resultante tendrá una
merma de 18.5% (BNETO = 0.31378T).
1.4 Cálculo teórico de la tensión eficaz inducida
en una bobina.
Primeramente calculamos la tensión o fuerza
electromotriz inducida en la bobina con la siguiente
expresión:
Figura N° 4: Vista de los platos magnéticos del
rotor.
c)
Eje del rotor.
Está compuesto de una barra sólida de 20 cm de
longitud, soldada a un plato circular de 12.8 cm de
diámetro, el cual tiene la función de sujetar los platos
del rotor, a los cuales va fijado mediante 4
espárragos de acero.
Su giro se da gracias al uso de 2 chumaceras que
están sujetas a la estructura principal.
Figura N° 5: Eje de giro del rotor.
e = B×S × N ×
Donde:
pω
p
( − sen( (ω t )) …. ( 2)
2
2
e
Fuerza electromotriz inducida (V).
B(t) Inducción o campo magnético en función del
tiempo (t).
S
Superficie de una espira de la bobina
atravesada por el campo magnético (m2).
N
Número de espiras que constituyen una
bobina (número de vueltas).
P
Número de polos del rotor.
Ángulo girado por el aerogenerador, además
ω
se sabe que ω = ωt (rad).
V
Velocidad angular de giro del generador
(rad/s).
t
Tiempo transcurrido para girar un ángulo 
(s).
Debido a la disposición geométrica, la tensión
inducida será función de la posición de cada bobina
respecto a la de lo magnetos.
1.2 Cálculo de la superficie de inducción.
Se considerará que la superficie de inducción es igual
a el área de la cara del magneto perpendicular al
campo. Esta suposición no es de todo correcta,
debido a que las líneas de campo, en la periferia del
área, no irán rectilíneamente de un magneto a otro, si
no con cierta curvatura.
Supondremos que esta consideración no generará
mucha variación en la tensión inducida. La superficie
de inducción será igual a:
S = a² = 0.0508² = 0.00258 m²
Figura N° 6: Posición de las bobinas del estator con
relación a los magnetos de rotor.
1.3 Cálculo del campo magnético uniforme B.
Según la disposición mostrada en la figura y la
fórmula de la ecuación 1, tendremos que las tensiones
inducidas en cada bobina están dadas por:
Los parámetros de los que depende del campo
magnético B creado entre los imanes, son
principalmente la distancia entre imanes (35 mm en
nuestro caso), la dimensión de un polo del imán (50.8
x 50.8 mm), la inducción remanente Br(t)
característica del tipo de imán (0.385T) .
Como se sabe el voltaje inducido se verá disminuido
debido a la influencia de la resina que contiene al
……… . (3)
B (t ) 1, 4 = BCos ( 4ωt )



= BCos 4ω t +

B (t ) 2, 5 = BCos 4ω t −
B ( t ) 3, 6
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

3 
2π 

3 
2π
………. (4)
….……. (5)
Página 37
Luego las tensiones inducidas en las 6 bobinas
estarán dadas por:
………….. (6)
e1, 4 = 4 ω B S N Sen( 4ωt )


2π


2π
e 2 , 5 = 4 ω B S N Sen 4ω t −
e 3, 6 = 4 ω B S N Sen 4ω t +
3



……….. (7)

 ……….. (8)
3 
Finalmente, si expresamos la velocidad angular en
función de las RPM, obtendremos que la tensión en
una bobina está dada por:
2π n B S N
……….. (9)
U =
15 2
Sustituyendo valores anteriormente hallados,
tendremos que la tensión eficaz en cada bobina esta
dada por:
U = 0.02398 n
……….. (10)
1.5 Cálculo de la tensión de salida rectificada del
generador.
La corriente alterna trifásica de salida del generador
se convierte en corriente continua utilizando dos
rectificadores monofásicos de puente (Figura N° 1).
Por lo tanto, se puede afirmar que la tensión continua
de salida del rectificador trifásico (VCC), sigue la
siguiente expresión:
3 2U
………. (11)
π
Luego, de reemplazando la ecuación 1, obtenemos:
VCC =
24 3 ωBSN
………. (12)
π
Finalmente, si expresamos la velocidad angular en
función de las RPM, obtendremos que la tensión en
una bobina está dada por:
VCC =
Figura N° 7: Esquema de Disposición las partes del
generador.
2.
Diseño de Palas.
Para el diseño de las palas utilizaremos la llamada
“Teoría Evidente”, que consiste en la fusión de 3
teorías:
-
Teoría de la cantidad de movimiento axial.
Teoría de la cantidad de movimiento angular.
Teoría del elemento de pala.
Estas teorías tienen su fundamento en las Hipótesis
de Rankine – Froude:
a)
Supone el aire como un fluido ideal sin
viscosidad, en todo el campo fluido, excepto en
las proximidades muy cercanas al plano del
rotor.
b) El movimiento del aire es subsónico y a muy
bajos números de Mach.
c) El movimiento del fluido es estacionario o
permanente.
d) No tiene en cuenta la rotación del rotor ni la de
su estela.
e) Idealiza el rotor como integrado por infinitos
álabes infinitamente delgados.
f) Las magnitudes empleadas son magnitudes
equivalentes de su perfil de distribución en dicha
sección.
4 3
 ……. (13)
nBSN …
5
Sustituyendo las constantes de la anterior mente
halladas:
VCC =
VCC = 0.11217 n…
 ……. (14)
Figura N° 8: Tubo de flujo y su distribución de
presiones (F: Fuerza sobre el rotor)
El denominado Límite de Betz (1927) expresa lo
siguiente:
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Página 38
"La máxima potencia que se puede obtener, en teoría,
de una corriente de aire con una aeroturbina ideal
nunca puede superar al 59,26% de la potencia del
viento incidente."
utilizando la ecuación (5). Los cálculos los
realizaremos para un incremento constante
con
de radio
de r.
2.2 Selección del perfil para las palas.
En lo que respecta a la elección del perfil para
nuestro rotor, debemos optar por aquellos de mayor
eficiencia aerodinámica (Cl/Cd). Para ello
buscaremos los que cumplan las siguientes
condiciones:
-
-
El aumento del Cl hasta su valor máximo al
crecer en ángulo de ataque debe ser paulatino y
no romper abruptamente.
Se debe alcanzar una situación de compromiso
entre el máxima área transversal necesaria para
un óptimo rendimiento aerodinámico y la
mínima
ima que soporte los esfuerzos a los que está
sometida la pala.
Simplicidad de fabricación de la pala,
íntimamente ligada al costo de la misma.
Teniendo en cuenta todo lo antedicho, resulta el más
recomendado para este caso el perfil aerodinámico
NACA 4412,, para el cual su ángulo de ataque óptimo
es de 4°, a este ángulo tenemos un valor de Cl = 0.9 y
Cd = 0.065, con una eficiencia aerodinámica de Cl /
Cd = 13.85.
Figura N°9: Esquema de distribución de velocidades
respecto a las palas.
Luego de tener en cuenta todas estas consideraciones,
se obtiene las siguientes ecuaciones:
Ωr
………. (15)
λr =
V
1+
(1 − a)[4a − 2(1 − 2a)]
λr
2
− 1+
4a (1 − a )
λr
2
=0
Figura N° 10: Perfil NACA 4412.
….. ( 16)
a(1 − a) …
 ……. (17)
a' (1 + a' )
a (1 + a ' ) …
 ……. (18)
Cot ²φ =
a ' (1 − a )
λr ² =
2.1 Algoritmo de Cálculo.
De la ecuación (2), conocemos Ωvelocidad
v elocidad angular
angular r
(radio) y V (velocidad del viento); con estos valores
hallamos el valor de “ λ r ”; conocido este valor
calculamos [a] (coeficiente de velocidad inducida
axial) en la ecuación (3), resolviéndola para cada
radio “r” de la pala. Luego con la ecuación (4)
hallamos el valor de [a’] (factor de velocidad
inducida angular) y con los valores de [a] y [a’]
calcularemos el valor de  (ángulo formado por la
velocidad resultante respecto del plano de rotación)
Figura N° 11: Curva de performance del perfil
NACA 4412
2.3 Cálculo de esfuerzos y momentos.
a) Cálculo del Esfuerzo Axial o Empuje (FA).
Los cálculos responden a la integración numérica por
intervalos (r)
r) de los elementos de las ecuaciones
obtenidas por la teoría del elemento de pala a lo largo
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Página 39
del radio (R).
1
∆FA = ρBV r ²(C L Cos φ + C d Senφ )c∆r ……. (19)
2
Donde CL y Cd son los coeficientes de sustentación y
arrastre del perfil, respectivamente; , la densidad y
B, número de palas.
b) Cálculo del Torque (T0).
Similarmente al cálculo anterior, el torque está dado
por:
∆T 0 =
1
ρ BV r ² c (C L Sen φ − C d Cos φ )( 2 r∆r + ∆r ²) .(20)
4
c) Cálculo del Esfuerzo Tangencial (FT).
Figura N° 12: Partes de la estructura principal y
disposición de esfuerzos.
Integramos la ecuación resultante de la teoría
de los elementos de pala:
1
∆FT = ρBVr ²(C L Senφ − C d Cosφ )c∆r …. (21)
4
d) Cálculo del Momento Aerodinámico (Mz).
El momento aerodinámico está referido a la
posición del centro aerodinámico del perfil.
∆M Z =
1
ρ V r ² C m c ² ∆r
2
…. (22)
Todos estos valores calculados nos servirán a la hora
de seleccionar los componentes que conformarán
nuestro aerogenerador.
e) Potencia Captada (P).
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
Leyenda
Plato magnético del rotor.
Estator.
Chumaceras del eje del generador.
Espárragos de sujeción del estator.
Marco de soporte del generador.
Eje del rotor.
Acople de ejes (generador – eje principal).
Eje principal.
Armadura principal del aerogenerador.
Chumacera del eje principal.
Cubo de las palas aerodinámicas.
La tornamesa, que será la encargada de facilitar el
giro horizontal, esta compuesta de un rodamiento
cónico SKF 353166 B/HA3 axial (que soportará la
carga vertical) y dos rodamientos radiales de bolas de
40 mm de diámetro interno.
La potencia captada por cada anillo de espesor
r de cada sección de pala, esta dado por:
∆P =
3.
1
ρBVr ²Ωc(C L Senφ − C d Cosφ )(2r∆r + ∆r ²) (23)
4
Diseño de
tornamesa.
la
estructura
principal
y
La estructura principal brindará sujeción al
generador, el eje, a las palas, sistemas de rodamientos
y carcaza. Está compuesta por una armadura hecha de
tubo cuadrado de 1” y por ángulos “L” de la misma
dimensión. La figura mostrada a continuación
muestra los detalles.
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Figura N° 13: Vista en sección del sistema de giro
horizontal.
Página 40
4.
Diseño de la carcaza.
Debido a que la disposición del aerogenerador es a
sotavento la carcaza ha sido diseñada teniendo en
cuenta la influencia del viento.
Se utilizó una carcaza aerodinámica como alternativa
para atenuar los efectos de abrigo del viento y así
lograr un régimen de velocidad estable que impacte
sobre las palas. Su forma es de revolución, generada
por la rotación (180°) de un perfil simétrico NACA
0024 alrededor de su cuerda. Las dimensiones de la
carcaza son: ancho 47 cm y 196 cm de largo.
Figura N°15: Esquema del aerogenerador izado.
Figura N° 14: Coordenadas del perfil NACA 0024.
4.1 Orientación a la dirección del viento.
El sistema de orientación usado es el de tipo pasivo.
Esta forma de orientación es usada en los
aerogeneradores que operan a sotavento (downwind),
es decir, que el viento pasa primero por la torre antes
de llegar a las palas.
A causa de la localización del plano rotación de las
palas a una distancia del centro de giro vertical, se
generará un momento, que tiende a mantener al plano
del rotor, siempre perpendicular a la dirección del
viento. También contribuye a este momento la forma
aerodinámica de la carcaza y el deflector del viento.
El deflector de viento se implementó, debido a que
este sistema de orientación tiende a generar perdidas
en la eficiencia, debido a la creación de turbulencia
(cuando el viento cruza la torre y va hacia las palas).
Este fue diseñado en base a un perfil NACA 0024.
5.
Diseño de la Torre.
La torre está conformada por un tubo de acero
galvanizado de 7 m de largo, 3.5 pulgadas de
diámetro y 5 mm de espesor. Dicho tubo es sostenido
en posición vertical por 8 cables de acero de ½”.
Un sistema pivotante permite erigir la torre desde la
posición horizontal. Dicho sistema está compuesto
por un tubo solidario de 3.5 m de largo y 2 ¼” de
diámetro, que está soldado y una estructura que sujeta
el eje de pivote, el cual se encuentra empotrado en un
cubo de concreto de 1 m³.
5.1 Elevación de la torre.
Según los estudios realizados para determinar el
régimen de viento del punto donde se piensa instalar
el aerogenerador (campus universitario de la
U.N.M.S.M.), tenemos que: a una altura de 7 m el
perfil de velocidad nos garantiza velocidades
máximas de hasta de 6 m/s, por lo tanto, la elevación
asumida de la torre es más que correcta.
5.2 Cálculo de esfuerzos.
Para evitar en vuelco de la torre del aerogenerador, se
deberá diseñar el sistema teniendo en cuenta la las
cargas horizontales y verticales máximas. De dicho
cálculo obtendremos las tensiones y resistencia
mínimos que deberán tener los cables de anclaje.
a) Fuerza Horizontal.
El
esfuerzo
horizontal
Fx
corresponde
principalmente al esfuerzo producido por el viento.
Para calcularlo utilizamos la siguiente relación:
Fx = Fv TORRE + Fv PALAS + Fv GÓNDOLA… (24)
- Esfuerzo del viento sobre la torre:
2
Fv TORRE = C D ρD
V
LT = 81,473N = 8,3051kg
2
Para obtener el resultado, primeramente se calculó el
coeficiente de arrastre en función del número de
Reynolds, para ello tenemos los siguientes datos:
-
Velocidad máxima del viento: V = 15 m/s.
Viscosidad cinemática: ν = 1,13 ×10−6 m 2 / s
-
-
Densidad del aire: ρ AIRE = 1,225 kg / m 3 .
Coeficiente de rugosidad para acero comercial
ε = 0,045mm
Longitud de la torre: LT = 7m .
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Página 41
-
Diámetro de la torre: D = 0,0889m.
Reemplazando obtenemos: Re = VD /ν = 1,18 ⋅10 6 .
La relación ε / D = 0,5 ⋅10 −3 .
Con los datos anteriormente hallados nos dirigimos a
la Figura N° 16, de donde observamos que:
C D = 0,95 .
Fx = 8,3051 + 13,8523 + 0,0341 = 22,1915 kg
Para obtener la tensión máxima de los cables
que sujetan el aerogenerador debemos asumir
que el viento tiene la misma dirección que el
plano que forman un par de estos cables con la
torre.
Figura N°18: Fuerzas horizontales sobre la torre.
Figura N°16: Correlaciones de arrastre para un cilindro.
- Esfuerzo del viento sobre las palas:
Se halla usando la ecuación Esfuerzo Axial o Empuje
(ecuación 19), obteniéndose:
Como el sistema
ema está en equilibrio estático, la
suma de fuerzas y la suma de momentos
respecto a la base de la torre deben ser nulas.
∑F
x
T1x + T2 x = 8,3051 + 13,8523
13,8523+ 0,0341
Fv PALAS = 135,892 N = 13,8523 kg
- Esfuerzo del viento sobre la góndola:
Debido a que no existe una ecuación analítica con la
cual podamos hallar el coeficiente de arrastre de la
carcaza (superficie
icie generada por la rotación del perfil
NACA 0024 sobre su cuerda), se hizo una
aproximación, considerando que esta poseerá un
coeficiente similar al del cuerpo formado por una
semiesfera-cono,
cono, como se muestra en la figura.
…. (25)
=0
…. (26)
∑M = 0
…. (27)
2,9T1x + 5,8T2 x = (3,5)(8,3051) + ( 7)(13,8523 + 0,0341)
…. (28)
Resolviendo el sistema:
T1 x = 0,8408 kg
∧
T2 x = 21,3507 kg
Luego, usando la relaciones trigonométricas
obtenidas del gráfico, las tensiones T1 y T2 :
T1 = 1,0919 kg
Figura N°17: Coeficiente dee arrastre para un cuerpo formado por
una semiesfera-cono.
Luego:
2
Fv GÓNDOLA = C w ρA
V
= 0,3347N = 0,0341kg
2
d2
Donde:
A=π
= 0,3470m 2
2
d: Espesor del perfil (0,47 m).
Por tanto el esfuerzo horizontal total es:
∧ T2 = 41.324kg
b) Esfuerzo Vertical.
Fy = PTORRE + PAEROG + T1 y + T2 y
…. ( 29)
- Peso de la Torre:
Siendo ρ a la densidad del acero = 7850kg/m3, R
(0,0445 m) y r (0,0395 m) los radios exteriores e
interior respectivamente y LT = 7m , tendremos que el
esfuerzo vertical sobre la torre está dado por:
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Página 42
PTORRE = ρ a ⋅ Vol = ρ aπ ( R 2 − r 2 ) LT = 72,4185kg
- Peso del aerogenerador:
Estará compuesto por 5 componentes, que se
muestran en la tabla a continuación:
Peso de la carcaza
Peso de las palas
Peso del generador
Peso de la estructura
Peso de la tornamesa
Total
-
27.04 kg
10.06 kg
25.19 kg
16.91 kg
8.02 kg
87.22 kg
Tensión de los cables:
Luego de haber hallado T1 y T2 hallamos las
tensiones verticales T1y y T2y:
T1y = 0.6967 kg
∧
T2 y = 3 5.3812 kg
Por tanto:
F y = 2,4185 + 87.22 + 0.6967 + 35.3812
F y = 125.716 kg
6.
Circuito de control y acumulación de energía.
El circuito de acumulación de energía está
constituido por una batería de 12V automotriz, la cual
es cargada por la corriente alterna del generador,
luego de ser convertida a continua por dos
rectificadores puente monofásicos.
La topología usada es la “Online”, esta se caracteriza
fundamentalmente por que la corriente alterna que
sale del generador es llevada a continua e y
suministra energía a la red y a batería para cargarla.
La protección de la batería y la red se realiza
mediante un regulador de carga.
Figura N°19: Sistema de control y acumulación de
energía.
RESULTADOS
Los parámetros de análisis usados para el de diseño
de las palas aerodinámicas del aerogenerador, se
muestran en la siguiente tabla:
Parámetros
Magnitud Unidad
Potencia de diseño
100
W
Coeficiente de potencia (Cp)
0.3905
#
Velocidad de diseño
5.5
m/s
Eficiencia del generador
80%
%
Densidad del aire
1.225
kg/m³
Diámetro del rotor
2
m
Perfil aerodinámico
4412
NACA
Relación Cd/Cl mínima
0.0722
#
Ángulo de ataque óptimo
4°
#
Cl óptimo del perfil
0.9
#
Cd óptimo del perfil
0.065
#
Posición relativa del C.A.
25%C
#
Velocidad específica
5
#
Número de palas
3
#
Velocidad angular del rotor
27.5
Rad/s
RPM de giro del rotor
262.61
r.p.m.
N° de secciones analizadas
100
#
Intervalo entre secciones
0.01
m
El resultado obtenido, se fundamenta en el análisis de
100 secciones a lo largo de la longitud de la pala,
todas ellas con un intervalo de 0.01 m.
La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos
con el procedimiento de integración por secciones,
plasmado en las ecuaciones 15 al 23.
Parámetros
Magnitud Unidad
Esfuerzo axial
18.27
N
Esfuerzo tangencial
2.52
N
Momento normal al rotor
0.26
N-m
Torque generado por el rotor
2.62
N-m
Potencia del viento
221.45
W
Se determinó que el torque máximo de arranque
asciende a 0.23 N-m; y durante las pruebas
experimentales se hallaron los parámetros mostrados
en la tabla a continuación.
Potencia
VVIENTO Voltage AC
RPM
(W)
(m/s)
(V)
3.5
5.96
167
16.71
4.0
7.87
191
24.95
4.5
9.79
215
35.52
5.0
11.71
239
48.72
5.5
13.63
263
64.85
6.0
15.54
286
84.20
6.5
17.46
310
107.05
7.0
19.38
334
133.70
La siguiente figura nos muestra una relación lineal
entre la velocidad del viento y las RPM del eje de
giro del rotor.
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Página 43
5.
Figura N°20: Velocidad del viento vs RPM del
rotor.
Los resultados obtenidos para la potencia de salida
del aerogenerador versus las RPM de giro del rotor se
muestran en la siguiente figura.
capa de resina, sin comprometer la integridad
estructural del estator.
Otra causal de la baja eficiencia, pero en menor
escala, vendría a ser las pérdidas mecánicas que
se dan, a causa de las fuerzas de fricción en los
rodamientos. Por ello su selección y
mantenimiento son muy importantes.
6.
El diseño basado en el enfoque teórico –
experimental
arroja
las
siguientes
características:
-
Diámetro del rotor: 2 m.
Palas aerodinámicas: 3 palas.
Perfil aerodinámico NACA 4412
Potencia nominal, 133.7 W.
Velocidad nominal de viento: 7 m/s.
Velocidad nominal del rotor: 334 rpm.
Generador de acople directo al rotor.
Generador trifásico de imanes permanentes,
Ferrita (grado 8).
Ocho pares de polos en conexión en estrella.
-
RECOMENDACIONES
7.
La instalación del aerogenerador, deberá hacerse
en lugares donde el recurso eólico sea
abundante,
recomendándose
velocidades
promedio de 6 m/s.
8.
Al ser un prototipo, el costo del aerogenerador
ya instalado es considerable, superando incluso
a algunos modelos más eficientes y pequeños.
9.
Se requieren más estudios para verificar la
influencia de la carcaza aerodinámica sobre la
eficiencia del sistema.
Figura N°21: Velocidad del viento vs RPM del
rotor.
CONCLUSIONES
1.
Los resultados mostrados están basados en
cálculos teóricos y pruebas experimentales de
campo.
2.
La potencia eléctrica neta obtenida del viento
estará en función de la eficiencia aerodinámica
de las palas y del detalle de su construcción.
3.
La comparación entre los resultados teóricos y
los obtenidos en el campo, muestran una baja
eficiencia en lo que refiere al aprovechamiento
de
la
energía
del
viento,
debido
fundamentalmente a la baja eficiencia del
generador.
4.
La baja eficiencia se debe en gran parte a la
disminución del campo generado por los
magnetos al momento de atravesar la capa de
resina del estator. En el futuro deberá hacerse un
diseño que contemple un mínimo espesor de la
BIBLIOGRAFÍA
1.
Abbot – Ira H. Dover, “Theory of Wing
Sections”, P. 693. Publications INC. 1959, New
York.
2.
Fred E. Weick, “Aircraft Propeller Design”; P.
293. Mc GRAW – HILL, 1980, New York.
3.
R. Bastianon, "Energía del viento y diseño de
Turbinas Eólicas", 1992, Ed. Tiempo de Cultura,
Buenos Aires, Argentina.
4.
Windpower Workshop; P 150. The Centre for
Alternative Technology Machynlleth, UK 1997.
5. Bradley I.L., “The Alternator Secrets”; P 16.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Lindsay Publications Inc. 1986.
Página 44
SOBRE EL PROBLEMA DE ESTIMAR LA FUERZA DE
PULSACION EN LA FRECUENCIA DE PASO DE LOS ALABES DE
UN VENTILADOR CENTRIFUGO
TO A PROBLEM ON ESTIMATE OF PULSATION FORCE ON FREQUENCY OF FOLLOWING OF
ROTOR BLADINGS IN A CENTRIFUGAL FAN
M. A. Ormeño Valeriano, E. N. Vlasov
________________________________________________________________________________________
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación veremos las formas de reducir la fuerza de pulsación que se origina por
interacción de los alabes de trabajo y la lengüeta del caracol del ventilador. Para ello se propone una relación para la
estimación previa de la fuerza de pulsación.
ABSTRACT
In this work is considered the ways of lowering of pulsation force of a rotor blading and tongue of a centrifugal fan.
The dependence for tentative estimation of pulsation force is offered.
______________________________________________________________________________________
A continuación daremos a conocer algunos de los
métodos de cómo influir en el flujo de fluido en la
región de la lengüeta y su significado físico:
El generador de torbellinos (obstáculos) se
usa como guía de energía que se recoge del
flujo externo hacia la capa limite y es
utilizado principalmente para gobernar el
flujo que ya se ha desprendido en la zona del
difusor,
más
no
para
evitar
el
desprendimiento.
2. Los grandes torbellinos son reducidos de
tamaño con la ayuda de mallas, en la
formula el radio del torbellino esta con
exponente cuatro y a pesar que la frecuencia
se incrementa se logra una disminución del
ruido. Por otro lado la intensidad del
torbellino es menor al tener la presencia de
la malla.
La malla es una medida de prevenir el
desprendimiento, la cual actúa como un
medio de efecto estabilizador del flujo. Esto
significa que en primer lugar actuamos sobre
el flujo estabilizándolo siendo secundarios
los efectos resultantes.
torbellino.
La succión de aire de la capa limite en toda
la longitud de la lengüeta n permite quitar
partículas de baja velocidad, antes que
suceda el desprendimiento.
4. La utilización de lengüetas de materiales
porosos que poseen características de
aislante y absorbentes contra la vibración
3.
1.
W = B ⋅ v4 ⋅ r 4 ⋅ε 2 ⋅ f 2
W- potencia acústica; B- coeficiente de
proporcionalidad; v- velocidad del flujo en
la malla; r- radio promedio del torbellino
que se desprende del perfil; ε- Intensidad del
torbellino; f- frecuencia característica del
Se conoce de [1] que. La presión acústica en la
frecuencia de paso de los alabes es:
P=
1
ϖτ
ϖτ
ΣF
⋅ sin 1 ⋅ sin 2 ⋅ λ (∆S )
2
2
396,76 T r ⋅ τ 1
⋅
Donde la fuerza F está compuesta de dos fuerzas
ΣF = F + F I , donde la fuerza F I considera la
influencia del canal en forma de difusor entre la zona
AA y BB (fig. 1), esta fuerza se presenta
considerando el desfase del flujo a través del
ecuación de cantidad de movimiento y depende de la
efectividad del flujo del fluido en el difusor, y deberá
considerar los cambios estructurales que son tema de
investigación de los ensayos. La ecuación para
evaluar la fuerza de pulsación en la frecuencia de
paso de los alabes deberá considerar el caudal del
fluido. De [2] tenemos
f (PctA − PctB) = m2 ⋅ ca − m2 ⋅ c2 ⋅ cosα2 = m2 (ca −c2u )
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 45
f- Área de la sección del caracol en el lugar de
encuentro de los flujos.
BIBLIOGRAFIA
1.
Compendio Técnica Científico 2.
Problemas ecológicos en la industria del
Gas/ Sociedad anónima “GASPROM”.Moscú., 1997
2.
Ivanov O. P., Manchenko B. O.
Aerodinamica
y
Ventiladores.,
Mashinostroenie. 1986
fig.1 Ducto del ventilador centrifugo
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Página 46
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
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