Archive for the ‘Calor’ Category
Cuando se realiza la evaluación de las carácterísticas operativas de un generador de vapor que quema combustible heterogéneo, como basuras o desechos sólidos urbanos, no es posible obtener una muestra representativa del combustible, ya que la composición de las basuras puede varias mucho. Para el diseño de calderas que las queman, los datos se concentran en el análisis elemental del combustible promedio y en la variación de los componentes, humedad y ceniza; los cálculos de diseño son los mismos que los de calderas que queman combustibles homogéneos.
Cuando se quema un combustible heterogéneo, para evaluar sus características medias y determinar el rendimiento de la caldera, la práctica industrial más generalizada consiste en considerar la caldera como un calorímetro. Para calcular el rendimiento de la unidad, el método emplea los mismos principios que los utilizados cuando se analiza el combustible; la diferencia radica en que el régimen del flujo y el contenido en humedad de los mismos se miden directamente, basándose en el análisis del combustible y en la medida del O2 presente en los humos.
Otras medidas adicionales que se requieren respecto a métodos convencionales, son:
- Flujo de humos y humedad presente en los mismos.
- O2 y CO2 en los humos.
- Régimen de flujo de residuos en los principales puntos de extracción.
Para hacer el ensaye se calculan el exceso de aire, el peso de los humos secos y el agua evporada procedente del combustible, se determinan:
- El peso de los humos húmedos y su contenido de humedad.
- El peso de los humos secos que se calcula como diferencia entre las dos cifras anteriores.
La composición de los humos se determina midiendo el O2 y CO2. EL nitrógeno N2a = 100 – (O2 + CO2). El N2(humos) = N2a, con un peso molecular de 28.16 lb/mol. El N2(combust) se desprecia, porque los quemadores de basura siempre operan con un exceso de aire elevado.
La humedad global presente en los humos puede proceder de vapor o de líquidos:
- Los procedente de vapores se debe:
- A la humedad del aire.
- Al vapor de atomización.
- Al vapor de sopladores.
- Los procedente de líquidos se debe a:
- La presente en el combustible.
- La que se forma por la combustión del H2 del combustible.
- La que se genera por el agua de apagado de los residuos o cenizas.
- La relativa a los rociadores existentes en el foso de combustible.
La humedad del aire y la procedente de otras fuentes de vapor se tiene que medir, ya que las pérdidas de rendimiento por calor sensible se deben separar de las pérdidas por agua evaporada, que es la humedad total presente en los humos, menos la debida a fuentes de vapores.
El gasto de aire seco se calcula por medio del N2(humos). El aire exceso se determina con el O2. El aire teórico = aire_total – aire_exceso. El % aire exceso se calcula con los flujos gravimétricos de aire_exceso y aire_teórico.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
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Un generador de vapor requiere de una fuente de calor a un determinado nivel de temperatura; un combustible fósil se quema en el hogar de la caldera y producir calor, aunque también se puede emplear energía residual procedente de otros procesos.
La combustión es la combinación rápida de O2 con los elementos inflamables del combustible. En la mayoría de los combustibles fósiles hay tres elementos combustibles significativos: C, H2 y S; el S es el de menor importancia como fuente de calor, pero puede tener una influencia importante en problemas de corrosión y contaminación.
El objetivo de una buena combustión es liberar toda la energía del combustible, a la vez que se minimizan las pérdidas derivadas de las imperfecciones de la combustión y del aire.
La combinación de los elementos inflamables del combustible con el oxígeno, requiere de:
- Temperatura lo suficientemente alta para la ignición de los elementos inflamables.
- Turbulencia que facilite el íntimo contacto combustible – oxígeno.
- Tiempo suficiente para completar el proceso.
Estos parámetros se designan frecuentemente como las tres T de la combustión: Temperatura, Tiempo, Turbulencia.
La tabla a continuación relaciona los elementos químicos, simples y compuestos, que se encuentran en los combustibles normalmente utilizados en los diversos tipos de generación de vapor comercial de calor.
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La incineración utiliza la descomposición térmica mediante el proceso de oxidación a alta temperatura (800 – 1100°C) y como consecuencia destruye la fracción orgánica del residuo y se reduce el volumen. Este método debe cumplir criterios de funcionamiento y operación; es decir, una alta eficiencia de combustión, destrucción y remosión de gases tóxicos, un límite permisible en la emisión de partículas, un monitoreo semicontinuo en el proceso, una temperatura mínima específica así como niveles aceptables de tiempo de residencia de los gases generados en el combustor. Diversas tecnologías de incineración se han desarrollado para diferentes tipos y formas físicas de residuos destacándose diseños de inyección líquida, hornos rotatorios, hornos fijos y lechos fluidizados. Los combustores de lecho fluidizado representan una de las tecnologías más prometedoras para la incineración de residuos orgánicos, plásticos, lodos contaminados y biomasa.
La combustión debe ser controlada para reducir las emisiones a la atmósfera, por lo que se ha estudiado la correlación entre la temperatura, el tiempo de residencia y el grado de emisión. En la operación de una planta piloto de lechos fluidizados, los investigadores Saxena & Jotshi (1994) registraron emisiones de SOx entre 20 y 35 ppm, de NOx entre 100 y 139 ppm, así como porcentajes de oxígeno en la corriente de gas de 13.4 y 16.1 %. Swithenbank (1997) encontraron que un incinerador de residuos clínicos, la concentración de oxígeno fue de 16.9 % en la corriente de salida del gas. Por otro lado, Hasfelriis (1987) y Wang (1993) han registrado que ciertas condiciones de operación minimizan la formación de CO y reducen la emisión de dioxinas y furanos. Wiley (1987) sugirió un nivel de oxígeno de 1 a 2 % en volumen como mínimo, involucrando un incremento de 5 a 10% de exceso de aire al sistema, para alcanzar la oxidación óptima del combustible y evitar la formación de monóxido de carbono (CO).
La generación excesiva de RSM acorta cada vez más la vida útil de los rellenos sanitarios y sitios de disposición final; por ello, es necesario evaluar e implementar alternativas de tratamiento que no sólo disminuyan el volumen y área sino que puedan ofrecer beneficios económicos y energéticos como lo ofrecen los lechos fluidizados, los cuales son altamente factibles.
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Entre los factores ambientales de importancia vital para el funcionamiento de los digestores figuran: la temperatura, la concentoración de sólidos, la concentración de ácidos volátiles, la formación de espuma, la concentración de nutrientes esenciales, las substancias tóxicas y el pH.
Las metanobacterias sólo podrán desarrollarse cuando está tan avanzada la fermentación de los substratos primarios como almidón, celulosa o péptidos por acción de las bacterias anaerobias facultativas (por ejemplo Escherichia, Enterobacter, Klebsiella o Bacillus spp.), que se haya consumido todo el oxígeno disuelto, de manera que el potencial redoz se sitúe en un valor suficientemente bajo, menor que -200 mV. Además, el pH no debe disminuir demasiado debido a los ácidos como el acético o el butírico producidos por los Clostridium, para no inhibir el crecimiento de los metanógenos sensibles.
Comúnmente la concentración de ácidos grasos volátiles no supera los 2 – 3 g/L, expresados como ácido acético. Si se sobrepasa este nivel, la formación de metano puede disminuir mientras que continúa la producción ácida y, la digestión cesará en dos o tres días debido a que los metanógenos no pueden utilizar los ácidos a la misma velocidad con que se producen. El pH óptimo para la digestión está entre 7.0 y 7.2, aunque el rango satisfactorio va de 6.6 a 7.6. La digestión comienza a inhibirse a pH 6.5.
Una vez que se ha estabilizado un digestor el lodo está bien amortiguado, es decir, la concentración de protones no varía aún cuando se añaden cantidades relativamente grandes de ácido o álcali. Si esta capacidad de amortiguación se destruye y el pH disminuye, el digestor se «agria» o sea emite olores ácidos desagradables y cesa la metanogénesis. El CO2 es soluble en agua y reacciona con los iones hidróxilo para formar bicarbonato. La concentración de HCO3 es afectada por la temperatura, el pH y la presencia de otros materiales en la fase líquida y las condiciones que favorecen su producción a su vez aumentan el porcentaje de metano en la fase gaseosa.
La gama de temperatura para la digestión anaeróbica varía entre 10 y 60°C. Sin embargo las dos zonas óptimas son la mesófila (30 – 40 °C) y la termófila (45 – 60°C). Casi todos los digestores funcionan dentro de los límites de temperaturas mesofílicas y la diegstión óptima se obtiene a unos 35°C. La velocidad de digestión a temperaturas superiores a 45°C es mayor que a temperaturas más bajas. Sin embargo, dentro de esta gama de temperaturas, las bacterias son sumamente sensibles a los cambios ambientales y el mantenimiento de estas temperaturas elevadas resulta costoso y a veces diíficil.
Por ejemplo, en un digestor donde los residuos permanecen 12 días, la producción de gas por unidad de sólidos volátiles totales añadidos diariamente es 20% mayor a 45°C que a 35°C. La digestión no sufre por un aumento de temperatura de unos cuantos grados. Pero una disminución repentina de sólo unos pocos grados puede detener la producción de metano sin afectar a las bacterias productoras de ácidos y esto conduce a una acumulación excesiva de ácidos provocando la falla del digestor.
En los climas cálidos, donde no existen temperaturas de congelación, los digestores pueden funcionar sin añadir calor pero hay que aumentar en cambio el tiempo de retención de los residuos en el digestor. La regulación de la temperatura puede lograrse haciendo circular agua caliente a través del contenido del tanque. La regulación de la temperatura en los digestores grandes por medio de termointercambiadores exige un equipo bueno y seguro y un mantenimiento continuo.
Las causas principales de una excesiva producción de ácidos volátiles son la elevada velocidad de carga, una baja temperatura y la formación de espuma. Ésta constituye una zona que favorece a los acetógenos. La sedimentación de los materiales fibrosos y la espuma se puede evitar mezclando el contenido del digestor, lo que también contribuye al proceso ya que establece condiciones uniformes.
La presencia de substancias tóxicas puede impedir el desarrollo bacteriano. Los antibióticos empleados en las explotaciones pecuarias llegan a los excrementos pero, como ocurre también con los antihelmínticos, no suelen afectar mayormente la digestión debido a la dilución con materiales no tóxicos. Las concentraciones de nitrógeno amoniacal deben ser inferiores a 1.5 g/L. Si bien es un amortiguador, su aumento puede llegar a impedir el proceso. También resultan tóxicas las sales de zinc, níquel y cobre, aunque este último puede ser necesario en ínfimas cantidades. Las sales de los elementos alcalinos y alcalino-térreos pueden ser estimulantes o inhibitorias según la concentración. Para una digestión óptima, todos los elementos esenciales en el metabolismo microbiano tienen que estar presenes en forma fácil de asimilar por las bacterias.
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Hola, en la presente figura vemos que el principal elemento es el gasificador que recibe diferentes elementos a gasificar, como biomasa, residuos, etc. Hay residuos sólidos del gasificador y también el mismo gas que por un proceso de limpieza, primero de eliminación de particulas y de retiro de azufre, para luego quedar como un gas listo a disponer como combustible. Sin embargo, en el proceso, se puede obtener productos como el hidrógeno que se destina a la producción de electricidad en células de combustible y también como combustible siendo quemado en las cámaras de las turbinas de gas para la generación de electricidad. Los gases de combustión de las turbinas de gas pasa por un recuperador de calor o generador de vapor con destino a una turbina de vapor conectado mecánicamente a un generador para la producción de electricidad.
Sin embargo el gasificador también necesita de aire, oxígeno y vapor. Estos son suministrados desde diferentes elementos de la configuración mostrada en la figura. La finalidad es aprovechar todos los recursos energéticos para incrementar la eficiencia del sistema.
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En la entrada anterior se había considerado el siguiente sistema de microturbina de gas conformado por una microturbina, un generador y un sistema de control:
Pues en la presente entrada me voy a central en la microturbina. Estas se construyen de pequeña y mediana potencia con la finalidad de aprovechar combustibles de no tan alto poder calorífico y que sirven como fuentes de potencia localizadas cerca o al interior del espacio geográfico perteneciente al usuario o cliente del sistema eléctrico.
La figura es un modelo de bloques de funciones de transferencia para la turbina sin un droop. Es similar a las más comúnmente usadas modelos de turbinas de gas dinámicas (acá tengo que investigar algo más). El modelo usado es limitado para una dinámica baja. Por tal propósito es razonable asumir que el sistema opera bajo condiciones normales, y por lo tanto lo que son dinámica rápidas tales como arranques, paradas de emergecia, fallas internas o pérdidas de potencia pueden ser despreciadas.
El modelo es basado asumiendo que el control de temperatura y control de aceleración no tienen impacto sobre las condiciones normales de funcionamiento y así pueden ser omitidos del modelo. La microturbina de gas no usa un governador, el cuano no es incluido en el modelo. El recuperador es también no incluido en el modelo, pero hay que recalcar, que el recuperador predominantemente incrementa la eficiencia del sistema.
Por mi parte, he colocado entradas de prueba como funciones cuadráticas, esto para probar el modelo, corregir errores, pero es posible que con datos de entradas de alguna base de datos se tendría resultados a comparar.
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No siempre se tiene las condiciones iniciales de irradiancia ni la temperatura de trabajo ideal. Suelen haber durante el dia momentos en que se nubla, o simplemente la atmósfera no es tan transparente. también lo es la temperatura, que cambia según la estaciones del año, viento, ubicación del panel, etc.
En esta simulación se presenta resultados de la potencia que se obtiene en un panel solar por unidad de área, según la irradiancia solar presente durante la observación y la temperatura también.
Hecho en Matlab en el editor EDIT, en el cual se han colocado las ecuaciones y condiciones de trabajo, un hold on para superponer las gráficas y un legend para la descripción de cada curva
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Mediante las reacciones de gasificación de biomasa se obtiene un gas producto de composición variable, dependiendo de factores como la presión, temperatura, tipo de biomasa, agente gasificante empleado (vapor, aire, O2, H2, etc), tiempo de residencia en el gasificador, tipo de reactor y otros factores. Entre las reacciones que tienen lugar en la gasificación destacan:
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La gasificación es un proceso por el cual la biomasa es transformada en un gas combustible por descomposición térmica y reacciones químicas a alta temperatura en presencia de un agente gasificante. Se diferencia por tanto de la combustión, en que el gas obtenido en éste último no es combustible.
En términos generales la gasificación es una interacción entre un combustible y un agente gasificante compuesto en distinta proporción por oxígeno, aire, vapor de agua e incluso dióxido de carbono y nitrógeno.
Teóricamente el proceso de gasificación es un método empleado para obtener un combustible gaseoso, monóxido de carbono mayoritariamente y en menor medida hidrógeno, a partir de otro combustible, como puede ser cualquier tipo de biomasa con contenido carbónico, aunque una vez puesto en marcha el proceso se obtiene otra serie de componentes que acompañan a dicho monóxido de carbono en más o menos proporción, como dióxido de carbono, residuos tóxicos y otros componentes resultantes de las reacciones que se producen paralelas a la gasificación. Entre ellas se destacan pirólisis, oxidación e incluso hidrogenación.
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Muchas gracias a todos los visitantes del presente blog… este mes de febrero marcaron nuevo record de visitas, el más alto hasta el momento. Grato compartir con Uds. los temas del blog, favor difundirlo y también gracias a todos aquellos que me escriben pidiendo orientación, información, revisión de sus trabajos, asesoría. Tienen ahi el email y la dirección postal en caso necesario.
Gracias también a todos aquellos que escriben pidiendo orientación, que revise sus trabajos, asesoría, etc… favor difundan el blog y os espero sirva a estudiantes y profesionales.
Gracias nuevamente por las visitas y queda seguir el compromiso de implementar con más el blog… Best regards
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Un sistema de almacenamiento subterráneo de calor consiste, en general, en un número de intercambiadores de pozo (BHE) interconectados, cuya profundidad, H, es superior a 25 metros, que interactúan entre sí y en los cuales la potencia, Q, de inyección / extracción de energía térmica es variable. Se presenta a continuación el esquema de un sistema típico.
El almacenamiento de energia directamente en forma de calor latente o sensible, más específicamente, el almacenamiento subterráneo de energía térmica (UTES – under Ground Thermal Energy Storage) ha tenido en los últimos años un empuje particular. Una de las ventajas del almacenamiento de calor, es que puede ser aplicado en momentos en que la producción y la demanda del mismo se encuentran fuera de fase, con una escala de tiempo que puede variar desde la diaria a la estacional y de ello dependerá el tipo de almacenaje que se aplique (de corto plazo y de largo plazo).
Para el caso de almacenamiento de largo plazo, una de las técnicas utilizadas es el almacenamiento en subsuelo no saturado o rocoso empleando intercambiadores de calor en pozos o perforaciones verticales (BHE – Borehole Hear Exchanger). Mediante estos intercambiadores, energía térmica es inyectada o extraída del subsuelo y entregada a los consumidores ya sea en forma directa o a través de bombas de calor.
Es sabido que la temperatura del subsuelo aumenta con la profundidad debido al gradiente geotérmico. Además, este gradiente geotérmico no varía con el tiempo y, a profundidades superiores a los 10 – 15 metros, los cambios estacionales en la temperatura de superficie no tienen influencia sobre la temperatura del subsuelo.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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En la presente entrada he considerado presentar los diagramas (figuras) de diferentes tipos de intercambiadores de calor. Estos equipos son utilizados en algunas aplicaciones de energías renovables y es bueno saber como funcionan… espero que los diagramas sean lo bastante claros y entendibles para quienes desean profundizar en el tema.
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Datos Generales
Good day. My full name is Jorge Luis MIREZ TARRILLO.
I am Peruvian and live in Lima, capital of Perú in South America.I am Mechanical Electrical Engineering, MSc Physics and Dr. Physics (title doctoral thesis: Control, Optimization, and Management of Microgrid Current Direct)
Too, actually job as Principal Professor in Faculty of Oil, Gas and Petrochemical Engineering of Universidad Nacional de Ingeniería (National University of Engineering) in Lima – PERU (Courses: Modern Physics, Differential Equations and Research's Methodology)
My subjects of my interest are control, signal processing, optimization, simulation, biomedical research, smart grid, microgrid, water.
I have experience in Matlab/Simulink programming, biomedical equipment, electrical systems, renewable energies, microgrids, saturated steam systems 100 psi and organizing academic events.
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