Archive for the ‘Combustible fósil’ Category
El regulador de un motor de combustión interna en un grupo electrógeno es un dispositivo mecánico diseñado para mantener una velocidad constante del motor con relación a los requisitos de carga. La frecuencia del motor está relacionada a la frecuencia de salida del alternador.
Hay varios conceptos de potencia generada en el motor: potencia principal, potencia continua, potencia de emergencia. En todo caso los sistema de control y automatización deben estar adecuadamente afinados y el sistema en condiciones de capacidad suficiente para responder a las necesidades de generación. Un buen criterio de selección es importante para tener el grupo electrógeno adecuado no sólo para condiciones de operación normal sino también para condiciones de emergencia.
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Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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Este proyecto ha sido desarrollado en los Estados Unidos de América. En las figuras pueden apreciar la configuración y las potencias involucradas. Esta es una instalación penintenciaria (cárcel). Implementaron técnicas de control de voltaje y frecuencia. Así como también el tema de predicción de la energía consumida, almacenada, etc. La sincronización y la interconexión con la red externa también. Han desarrollado un protocolo que mencionan es una poderosa herramienta para simplificar la integración de los recursos de generación distibuidos, es decir, ya tienen avanzando algo que luego podría ser comercialmente impuesto.
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This type of implementation have software and hardware development and in advanced prototype. They are prepared to novel electric market in specific applications. It is good, but is need improve continually and research many topics in microgrid and smartgrid.
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Se define como el proceso exotérmico de oxidación completa de la materia de alta temperatura para convertirla en gas (principalmente vapor de agua y dióxido de carbono) y cenizas, además de calor. El comburente utilizado es generalmente aire. Es el proceso térmica más extendido para el procesado de residuos sólidos urbanos, y existen numerosas tecnologías para la incineración de residuos. Éstas pueden ser divididas genéricamente en dos grandes grupos:
- Hogares de parrilla: horizontal o inclinada, fijas y móviles.
- Hogares de lecho fluidizado: circulante, burbujeante o rotativo.
El funcionamiento de una planta incineradora con tecnología de parrilla de rodillos móviles se muestra en la ilustración. El diagrama muestra una incineradora de parrilla, en la que los residuos sólidos urbanos son introducidos en el horno a través de una tolva de alimentación mediante un pulpo. En el hogar se lleva a cabo el proceso de secado y combustión de los residuos, así mismo, el flujo de los mismos se logra mediante la utilización de un sistema de rodillos móviles inclinados, que además permiten remover y mezclar los RSU a fin de asegurar una combustión completa y homogénea.
Las cenizas resultantes de este proceso son recogidas y tratadas. El comburente empleado en la combustión es generalmente aire, el cual es introducido en el horno a través de los rodillos. Los gases resultantes de la combustión son posteriormente dirigidos a la caldera de recuperación con el fin de generar energía por medio de un ciclo de Rankine. Por último, antes de su emisión a la atmósfera deben ser sometidos a un proceso de limpieza mediante absorbedores y filtros con el fin de cumplir las restricciones en materia medioambiental.
Los hornos con tecnología de lecho fluidizado, en lugar de un sistema de parrilla, poseen un sustrato de arena refractaria que se mantiene en constante agitación gracias a un sistema de inyección de aire. Estos hornos están equipados con quemadores auxiliares que elevan la temperatura del lecho, mientras que los residuos son depositados en la parte superior del mismo, o bien inyectados desde la parte inferior. La fluidificación tiene lugar cuando la caída de presión del aire que atraviesa el lecho iguala el peso por unidad de sección transversal del mismo. La velocidad del aire a la que esto sucede se denomina velocidad de fluidificación mínima. Incrementar la velocidad por encima de este punto permite que el lecho se expansione permitiendo el burbujeo del mismo. A aproximadamente el doble de la velocidad de fluidificación mínima el lecho se comporta de forma similar a un líquido en ebullición, siendo este punto la región de funcionamiento habitual de los incineradores convencionales de lecho fluido burbujeante. Los hornos de lecho fluido circulante operan a velocidades de inyección de aire muy superiores (en torno a 20 veces la velocidad mínima de fluidificación) lo que genera una mayor turbulencia y arrastre de materiales del lecho posteriormente recuperados en un multiciclón.
De forma similar a las plantas con tecnología de parrilla, los gases son posteriormente enviados a una caldera para la generación de vapor. Los sistemas de limpieza de gases son esencialmente similares en ambas tecnologías. A continuación se muestran de forma esquemática ambos tipos de hornos.
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La gasificación es un proceso consistente en la conversión de materia sólida o líquida en gas mediante una oxidación parcial con aplicación de calor, como se muestra esquemáticamente en la figura. La oxidación parcial se obtiene restringiendo el suministro del agente oxidante, generalmente aire. En el caso de que la materia a tratar sean residuos sólidos urbanos, compuestos en su mayoría por materia orgánica, el gas resultante del proceso de gasificación estará formado por una mezcla de monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, metano, agua, nitrógeno y pequeñas cantidades de hidrocarburos. Este gas generalmente tiene un reducido poder calorífico, del orden de 4 a 10 MJ/Nm3. Posteriormente, el gas puede ser empleado para generar energía en calderas, motores y turbinas.
Aunque el agente oxidante empleado en este proceso generalmente es aire, también puede emplearse oxígeno, en cuyo caso el gas resultante, conocido como gas de síntesis, tendrá un poder calorífico mayor (10 – 15 MJ/Nm3). En cualquier caso, el gas obtenido de la gasificación de RSU necesitará de un postratamiento para su adecuación como combustible.
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La incineración es un proceso térmico de tratamiento de RSU recogido dentro del marco de gestión integral de residuos sólidos, por ejemplo, en Madria – España lo es bajo la Directiva Comunitaria 75/442/CE. Esta tecnología aporta una serie de ventajas:
- Reducción en peso y volumen (95 %) de los residuos.
- Protección del medio ambiente (fiabilidad de las instalaciones de depuración de gases y alta calidad de combustión).
- Alta disponibilidad y fiabilidad.
- Valorización energética de los residuos.
- Disminución de la necesidad de vertederos.
- Valorización de escorias y cenizas.
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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.
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Ley de conservación de la masa.- Establece que la materia no se crea ni se destruye, por lo que puede hacer un balance de masa, entre la suma de los componentes entrantes y salientes para un proceso determinado, Si x kg de combustible se combinan con y kg de aire, siempre resultan (x+y) kg de productos formados.
Ley de Conservación de la energía.- Estipula que la energía no se crea ni se destruye, de forma que la suma de las energías entrantes (potencial, cinética, térmica, química y eléctrica) en un proceso dado, debe ser igual a la suma de las salientes. En el proceso de combustión la energía química pasa fundamentalmente a energía térmica; cuando se quema 1 lb de carbón que libera 13500 Btu, la cantidad de masa que se convierte en energía es sólo de 3.5 x 10(-10) lb.
Desde el punto de vista de la física nuclear, las leyes de conservación de masa y energía no son muy exactas, pero son bastantes aceptables para los cálculos de combustión que se realizan en Ingeniería.
Ley de los gases ideales.- Según esta ley, el volumen de un gas ideal es directamente proporcional a su temperatura absoluta e inversamente proporcional a su presión. Para 1 mol de cualquier gas ideal la constante de proporcionalidad es la misma, y la ley se expresa en la forma:
vM = RT / p , siendo: vM el volumen/mol, p la presión absoluta, T la temperatura absoluta, R la constante universal de los gases.
Ley de pesos combinados.- Todas las sustancias se combinan según unas proporciones en peso, simples y bien definidas, exactamente proporcionales a las relaciones de los pesos moleculares de los respectivos componentes.
Ley de Avogrado.- Volúmenes iguales de diferentes gases sometidos a idénticas presión y temperatura, tienen el mismo número de moléculas. El cociente entre el peso de 1 mol de una sustancia y su peso molecular es constante; 1 mol de cualquier sustancia químicamente pura tiene el mismo número de moléculas. Por la ley de gases perfectos, como la molécula de cualquier gas ideal ocupa siempre el mismo volumen a una presión y temperatura dadas, se deduce que volúmenes iguales de diferentes gases (en iguales condiciones de presión y temperatura) contienen el mismo número de moléculas.
Ley de Dalton.- La presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de cada uno de los gases individuales, si cada uno de ellos ocupase el volumen que ocupa la mezcla. Cada gas presente en una mezcla ocupa, por sí solo, el volumen global de la misma y ejerce una presión independiente de la de los demás.
Ley de Amagat.- El volumen ocupado por una mezcla de gases es igual a la suma de los volúmenes ocupados por cada uno de los componentes de la mezcla, a presión y temperatura idénticas a las de la mezcla.
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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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El evento se realizará hoy viernes 20 de abril del 2012 en el Complejo Cultural AKUNTA en la Ciudad de Chota – PERU (http://www.chota.org ) y es organizado por la Asociación Ecoturística y Cultural MONTAÑA http://acermontania.org/
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Se ha tratado y sigue tratando sobre este tema a nivel mundial. Es obvio que la extracción del subsuelo de carbono acumulado por millones de años para ser usado en la superficie de la Tierra es un hecho. Esto libera trabajo, calor y residuos al medio ambiente. Por los principios de la termodinámica y la transferencia de calor, obvio que esto modifica las condiciones del medio ambiente tanto en composición, balance energético, composición, etc.
Como se observa en la gráfica los últimos años se ha incrementado la emisiones de CO2. Que hay políticas mundiales para atenuar esto, claro. Pero estas también van en contra de los intereses de los que usan y queman combustibles fósiles: empresas, vehículos, fábricas, etc. Hay mucho dinero en juego y poco a poco, con gran esfuerzo se está logrando concientizar a los grandes emisores de CO2. A nivel de población, el uso de vehículos es una condición ahora casi necesaria para movilizarse en un gran ciudad. Pienso que en países desarrollados, el usuario lleva el cuidado necesario de su coche, pero en países no desarrollados, el usuario lleva con mucho descuido el cuidado y mantenimiento del vehículo… con tal que funcione! (dicen)
El incremento de la temperatura global ha llevado a la modificación de la flora y fauna, lugares helados ahora son sabanas, los glaciares van desapareciendo, la tundra se está descongelando lo que es perjudicial dado que tiene CO2 acumulado congelado como lo es la tundra pero con el incremento de la temperatura este CO2 escapará, los climas extremos lugares con olas de calor y otros con olas de frio, lluvias intensas y sequias no vistas antes… en fin, es un hecho y es necesario actuar pronto.
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Este es otro escenario pintado entre el 2000 y el 2100. Al igual que la entrada anterior las tecnologías que no emiten CO2 están presentes. Las renovables se prevee que cada vez se vayan implementado a nivel mundial y sean una importante fuente de energía hacia el 2100 (esto si el clima no colapsa, porque si esto sucede, rápidamente los gobiernos a nivel mundial tendrán que implementar políticas medioambientales de emergencia).
Hay un punto en contra con el uso del carbón… creo que se repite lo mencionado en alguna entrada anterior, que dado que las reservas de carbón a nivel mundial son mucho más que las del petróleo, el carbón se seguirá quemando para la generación de energía. Pienso que la tecnología de limpieza y captura de CO2 en los gases de escape serán cada vez más eficientes, entonces esto ayudará a reducir el impacto en el medio ambiente de las plantas de potencia que usan el carbón como materia prima.
En lo que respecta al petroleo y gas, se prevee una reducción de su uso. Según la gráfica se prevee que aún haya petróleo hasta el 21oo, tengo mis dudas al respecto pero tal vez sea verdad, dado que hay países con reservas de petróleo pero que no lo están usando por diferentes factores, uno de ellos es decisión de gobiernos de tener como una reserva estratégica dado que el petróleo tiene una tendencia a incrementar su valor.
También hay que tener en consideración que se están desarrollando tecnologías de captura de CO2 presente en la atmósfera, aunque ya hay prototipos al respecto, se prevee que a corto o mediano plazo se tengan productos terminados en el mercado que tengan una regular o alta eficiencia, de esta manera poco a poco se iría limpiando la atmósfera del CO2 presente… suerte y éxitos a quienes forman parte de los equipos de investigación de captura y almacenamiento de CO2.
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Se observa que en el 2003 se tiene principalmente generación por combustibles fósiles encabezados por el petroleo, carbón, gas; luego viene los reactores nuclearses y la biomasa, finalmente las centrales hidroeléctricas y la genreación geotérmica. El uso de combustibles fósiles es lo que desde hace décadas ha venido contribuyendo al calentamiento global, sin embargo, en los últimos años adelantos en tecnologías de limpieza de los gases de escape se han implementado principalmente en países que han dictado políticas medioambientales sobre el tema, lo han implementado y hacen la adecuada verificación. Sin embargo, también hay otros países que por cuestiones económicas (dado que estas tecnologías tienen un costo) no se han implementado.
Para el año 2050 se espera una fuerte presencia de uso de fuentes de energía en base a tecnologías libres de carbón y que esto va a servir para estabilizar la cantidad de CO2 presente en la atmósfera. Sin embargo, aún el uso de combustibles fósiles seguirá presente, aunque en menor valor que las fuentes en base a energía nuclear.
Hacia este escenario se proyecta muchas de las políticias y acuerdos internacionales sobre el cambio climático, la independencia energética, la eficiencia energética, el abastacimiento cada vez más creciendo de la demanda de energía a nivel mundial.
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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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En la presente entrada se ha considerado las características de operación de una microturbina de gas. Este modelo se compone principalmente de una turbina, un generador y un sistema de control. En la figura de arriba en la parte superior se muestra el diagrama de bloques simplificado.
De todo este modelo esquemático se tiene un sistema de control sobre la potencial real que ha sido implementado por un convencional controlador proporcional – integral como se muestra en la parte inferior de la figura de arriba.
En el sistema de control, Pdem es la demanda de potencia, Pred es la potencia de referencia en unidades de porcentaje, Pin es la variable controlada de potencia a ser aplicada a la entrada de la microturbine de gas, Kp es la ganancia proporcional y Ki es la ganancia integral de l controlador proporcional – integral.
Os muestro esta simulación de ejemplo hecho en Matlab/Simulink con datos de entrada tomados a priori… claro que si se hubiera datos reales simplemente se cambia las entradas.
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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
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
E-mail: jmirez@uni.edu.pe
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He colocado algo en anteriores entradas y en la presente presento algunos diagramas más… todos sabemos que el petróleo tiene los dias (años) contados, toda esa energía contenida por millones de años en forma de petróleo ha sido liberada a la atmósfera, generando calor y trabajo + residuos. Vamos con las figuras.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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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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