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VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y VINCULACIÓN CON LA COLECTIVIDAD UNIDAD DE GESTIÓN DE POSGRADOS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA MAESTRÍA.

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1 VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y VINCULACIÓN CON LA COLECTIVIDAD UNIDAD DE GESTIÓN DE POSGRADOS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES, I PROMOCIÓN CARACTERIZACIÓN DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN DE LA CASCARILLA DE ARROZ UTILIZANDO UN SISTEMA TÉRMICO CON CAPACIDAD DE Kcal/h. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE MAGÍTER EN ENERGIAS RENOVABLES AUTOR: Ing. LUIS EDUARDO TIPANLUISA SARCHI DIRECTOR: Dr. AFREDO BARRIGA R., PhD. OPONENTE: ING. JOSÉ PEREZ, MSc. Febrero 2012

2 CONTENIDO RESUMEN INTRODUCCIÓN 1.Antecedentes 2.Definición del problema 3.Objetivo general 4.Fundamentos teóricos 5.Parte experimental 6.Resultados obtenidos 7.Análisis de los resultados 8.Conclusiones REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ESPE

3 La cascarilla es un residuo que se obtiene después del pilado del arroz, constituida por alrededor de un 22% de tamo, para el caso del Ecuador en el año 2010 tuvo una producción de TM, se obtuvieron aproximadamente TM, cantidad de desecho que en la mayoría de casos, no se le da ninguna utilidad. Si se utiliza en combustión, es muy contaminante, debido a que no se tiene definido un procedimiento especifico, por lo que en la presente investigación se realiza la caracterización de sus productos de combustión, utilizando un sistema térmico de Kcal/h. ESPE RESUMEN

4 La biomasa es uno de los recursos más importantes que dispone el Ecuador, al hacer referencia a un residuo vegetal generado en el proceso productivo del arroz, este subproducto, no es debidamente utilizado debido a las dificultades técnicas y tecnológicas para su aprovechamiento. Se conoce que en pequeña escala se produce aislamientos térmicos, como abono, y para procesos de combustión el ladrilleras y secadoras de grano, en el ámbito de la construcción se pueden producir paneles, fibras para elaboración de paneles dado su carácter de ignífuga y de baja conductividad térmica. ESPE INTRODUCCIÓN

5 En el Ecuador el área de cultivo de arroz se aproxima a las hectáreas, como por su valor alimenticio y por aporte de divisas que genera (60 millones de dólares al año). Se lo siembra mayormente en las provincias del Guayas y Los Ríos, en menor proporción en las provincias Manabí, El Oro, Cañar, Loja. El consumo por persona por año es de 43 Kg de arroz blanco [1]. Dentro de la Comunidad Andina, el Ecuador es el país con mayor superficie sembrada de este cultivo[2]. ESPE 1. ANTECEDENTES

6 No existen parámetros apropiados para el aprovechamiento energético de la cascarilla de arroz, es decir, temperaturas de proceso, flujos de aire y alimentación del combustible. Sin embargo en el país en algunas piladoras se quema este residuo en procesos de secado de: morochillo, maíz, café, arroz, en los cuales no se obtienen resultados satisfactorios por el tiempo de duración del secado y contaminación ambiental. Ante esta situación, en el presente proyecto se determinan las condiciones optimas para lograr una mejora sustancial en la combustión eficiente de la cascarilla de arroz. ESPE 2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

7 Caracterización de los productos de combustión de la cascarilla de arroz utilizando un sistema térmico con capacidad de Kcal/h. ESPE 3. OBJETIVO GENERAL

8 Ecuación estequiométrica de combustión de Biomasa Contenido de Humedad (1) ESPE 4. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Materia Orgánica Aire Dióxido Agua Óxidos de azufre Combustible Oxígeno de carbonoy nitrógeno Comburente (2) (3) Base húmeda Base seca

9 Conociendo la composición porcentual de los elementos químicos más importantes de la biomasa: carbono, oxigeno, hidrogeno y azufre (métodos de análisis químico), aplicando la siguiente formula, establecida por Dulong. PODER CALÓRICO SUPERIOR E INFERIOR (4) (5) ESPE

10 FLUJOS DE CALOR EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN RECTANGULAR Figura 1. Producción energética en cámara de combustión. Para el cálculo del calor perdido por las paredes de la cámara, se determina con la siguiente expresión. ESPE (6)

11 ESPE CALOR ALMACENADO Y DE GASES DE COMBUSTIÓN El calor almacenado en las paredes de la cámara, se calcula con la siguiente expresión. (7) El calor trasferido por los gases de combustión, se calcula con la siguiente expresión. (8)

12 ESPE CALOR PERDIDO POR COMBUSTION INCOMPLETA Y EN CENIZAS Calor perdido en la ceniza. (9) Para determinar la combustión imperfecta mecánica. (10) Calor perdido por combustión química incompleta. (11)

13 ESPE CAMBIOS DE AIRE Calor perdido por cambios de aire. (12)

14 ESPE CALOR ÚTIL DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR Figura 2. Intercambiador de calor de tres pasos de aire de proceso por el sector de tubos y un paso de aire caliente por la carcasa. (13)

15 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA TÉRMICO Dimensiones de la cámara: Largo: 780 mm. Ancho: 580 mm. Profundidad: 680 mm. Volumen de cámara: 0,307 m 3. Refractario: Tipo: U33 Largo: 230 mm. Ancho: 65 mm. Profundidad: 115 mm. ESPE 5. PARTE EXPERIMENTAL Aislamiento térmico: Lana de vidrio, espesor 50 mm. Conductividad térmica: 0,033 W/m ºC. Envolvente del horno: Acero al carbono de espesor: 1mm. Conductividad térmica: 36 W/m ºC. Acero al carbono de espesor: 3mm. Conductividad térmica: 36 W/m ºC.

16 SISTEMA TÉRMICO UTILIZADO Figura 3. Sistema térmico de combustión de biomasa. Figura 4. Motorreductor y variador de frecuencia. Para el accionamiento del sistema térmico se utiliza un motor eléctrico de 1 HP, acoplado a dos cajas reductoras y un variador de frecuencia para la alimentación del combustible. ESPE

17 Temperatura (°C) Compuesto (%) H2H2 COCO 2 CH VOLÁTILES DE LA CASCARILLA DE ARROZ ESPE BCC Fuente: Valverde A., Análisis comparativo de las características fisicoquímicas de la cascarilla de arroz, Universidad Tecnológica de Pereira, Diciembre de La cantidad de estos compuestos depende de la composición y de las condiciones de operación. Se ha observado que con el aumento de la temperatura, el contenido de CO 2 decrece incrementando los valores de H 2, CO y CH 4, presentes en los compuestos volátiles.

18 SIMULACIÓN DEL IC ESPE Figura 6. Aire de proceso. Figura 7. Gases de proceso.

19 Figura 5. Pruebas de combustión de cascarilla de arroz. PRUEBAS DE COMBUSTIÓN ESPE

20 6. RESULTADOS OBTENIDOS Orden Hora (hr) Tiempo (t) Velocidad del aire externo (Vw) Temperatur a ambiente (Ta) Humedad relativa (HR) minm/s°C% 18:10100,6019,573 28:20201,0520,371 38:30300,6519,767 48:40400,6822,742 58:50501,2026,038 69:00600,7126,436 79:10700,8227,535 89:20800,9022,046 99:30900,9621, :001001,0925, :401400,9827, :501500,9127, :402001,0029, :502100,9029, :002200,9229, :502700,8531, :002800,9132, :303101,0327, :003400,9827, :303700,9427, :004100,9627, :304400,9424, :004700,9824, :305101,1024, :005400,9724, :305700,8824, :406100,9621, :506200,9821,554 PROMEDIO0,9225,4843,25 VALOR MÁXIMO1,2032,6073,00 VALOR MÍNIMO0,6019,5025,00 Tabla 1: Condiciones del ambiente en la ESPE-Sangolquí.

21 Orden Tiempo (t) Peso de cascarilla (M) Tiempo de alimentació n (ta) Masa de combustible (mc) Numero de revolucione s (N) Frecuencia del variador de velocidad (f) minKg minKg/hrpmHz 153,4771,2341, ,4891,2241, ,4951,2541, ,4801,2341, ,4781,2441, ,4871,2441,84360 PROMEDIO1,2441,81 752,3182,4627, ,3262,4227, ,3302,4927, ,3202,4627, ,3182,4927, ,3262,4827,91240 PROMEDIO2,4727, ,1595,3013, ,1635,4213, ,1655,2113, ,1605,3313, ,1595,3413, ,1635,4213,96121 PROMEDIO5,3413, ,58011,006,960, ,59410,507,130, ,58210,256,980, ,57911,006,950, ,58210,256,980, ,58010,506,960,511 PROMEDIO10,586,99 ESPE Tabla 2: Alimentación de combustible. Figura 8. Prueba de alimentación de combustible.

22 ESPE Tabla 3: Temperaturas del Intercambiador de calor. Orden Hora (hr) Tiempo (t) Temperatur a de gases exterior tubos (Thi) Temperatu ra de salida de gases (Tho) Temperatu ra de ingreso de aire (Tci) Temperatu ra de salida de aire (Tco) min°C 18: ,019,5141,0 28: ,420,3141,7 38: ,819,7142,2 48: ,222,7137,8 58: ,826,0139,6 69: ,026,4138,4 79: ,127,5139,5 89: ,322,0137,6 99: ,421,9139,8 1010: ,525,5137,9 1110: ,627,5138,5 1210: ,527,7138,7 1311: ,329,8138,2 1411: ,129,7138,3 1512: ,029,7139,4 1612: ,931,6138,5 1713: ,632,6139,6 1813: ,127,2137,7 1914: ,327,2138,8 2014: ,727,2138,9 2115: ,127,2139,0 2215: ,024,3139,6 2316: ,424,3141,0 2416: ,424,3142,8 2517: ,224,3143,2 2617: ,324,3143,3 2717: ,421,5143,4 2817: ,021,5145,0 PROMEDIO229,6456,0125,48139,98 VALOR MÁXIMO24359,432,6145 VALOR MÍNIMO ,5137,6 Figura 9. Temperaturas en el IC.

23 ESPE Tabla 4: Velocidades de aire y gases en el IC. Orden Hora (hr) Tiempo (t) Velocidad de entrada de gases (Vhi) Velocidad de salida de gases (Vho) Velocidad de ingreso de aire (Vci) Velocidad de salida de aire (Vco) minm/s 18:10108,585,557,764,74 28:20207,615,508,044,75 38:30307,485,518,144,78 48:40408,095,688,274,80 58:50507,635,538,254,79 69:00608,755,528,294,85 79:10707,975,598,494,79 89:20807,925,578,114,74 99:30908,105,588,724, :001008,195,567,334, :401408,475,628,084, :501508,215,657,874, :402007,875,648,104, :502108,615,618,274, :002208,045,608,294, :502708,226,648,404, :002807,905,738,274, :303107,875,788,304, :003407,955,718,144, :303707,925,708,204, :004108,115,798,284, :304407,705,688,254, :004708,015,728,064, :305107,815,778,034, :005408,085,788,204, :305707,935,798,444, :406107,815,828,524, :506208,265,818,614,85 PROMEDIO8,045,698,204,79 VALOR MÁXIMO8,756,648,724,85 VALOR MÍNIMO7,485,507,334,74 Figura 10. Velocidades en el IC.

24 ESPE Orden Hora (hr) Tiempo (t) Temperatura de combustión (Tc) Temperatur a interna de pared (Tpi) Temperatur a de pared exterior (Tpo) Temperatura de ingreso de aire (Ta) Temperatura de gases exterior tubos (Thi) min°C 18: ,619, : ,720, : ,219, : ,622, : ,826, : ,526, : ,827, : ,222, : ,921, : ,725, : ,327, : ,627, : ,729, : ,429, : ,629, : ,131, : ,332, : ,927, : ,727, : ,527, : ,827, : ,624, : ,224, : ,624, : ,124, : ,224, : ,821, : ,321,5242 PROMEDIO680,46363,6850,7425,48229,64 VALOR MÁXIMO ,832,6243 VALOR MÍNIMO ,919,5212 Tabla 5: Temperaturas en la cámara de combustión. Figura 11. Temperaturas en la cámara de combustión.

25 ESPE Tabla 6: Velocidades de aire y gases en la cámara de combustión. Orden Hora (hr) Tiempo (t) Velocidad de ingreso del aire (Vai) Velocidad de salida del aire (Vao) minm/s 18:101011,588,58 28:202011,617,61 38:303011,487,48 48:404012,028,09 58:505011,637,63 69:006011,758,75 79:107011,927,97 89:208012,107,92 99:309012,198, : ,478, : ,218, : ,878, : ,617, : ,048, : ,228, : ,908, : ,877, : ,957, : ,927, : ,117, : ,708, : ,017, : ,028, : ,817, : ,088, : ,937, : ,817, : ,878,26 PROMEDIO11,958,04 VALOR MÁXIMO12,618,75 VALOR MÍNIMO11,487,48 Figura 11. Velocidades en la cámara de combustión.

26 ESPE 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Condiciones ambientales: ParámetroDenominaciónValor promedioUnidad Velocidad del vientoVw0,92m/s Temperatura ambienteTa25,48°C Humedad relativaHR43,25% Figura 12. Curva de la temperatura ambiente.Figura 13. Curva de la humedad relativa.

27 ESPE Procedimiento de ajuste de curva por el método de mínimos cuadrados Sistema de ecuaciones no lineales.

28 ESPE Forma matricial de las ecuaciones

29 ESPE La solución por el método de Cramer: Figura 14. Variación de la temperatura ambiente en función del tiempo.

30 ParámetroDenominaciónCantidadUnidad Revoluciones por minutoRPM1 rev/min Frecuenciaf21 Hz Consumo de combustible14 Kg/h ESPE Alimentación del combustible: Figura 15. Alimentación de combustible en la cámara de combustión.

31 ESPE Intercambiador de calor: ParámetroDenominaciónValor PromedioUnidad Temperatura de entrada del aireTci25,48°C Temperatura de salida del aireTco139,98 °C Temperatura entrada de gasesThi229,64 °C Temperatura de salida de gasesTho56,01 °C Velocidad de entrada del aireVci8,2 m/s Velocidad de salida del aireVco4,79 m/s Velocidad de ingreso de gasesVhi8,04 m/s Velocidad de salida de gasesVho5,69 m/s Figura 16. Variación de la temperatura de entrada de gases en función del tiempo. Figura 17. Variación de la temperatura de entrada del aire en función del tiempo.

32 Figura 19. Velocidades del aire en el intercambiador de calor. Figura 18. Velocidades de flujo en el intercambiador de calor. ESPE Intercambiador de calor…..

33 ESPE Cámara de combustión: ParámetroDenominaciónValor PromedioUnidad Temperatura de entrada de combustiónTc680,46 °C Temperatura de pared interiorTpi363,68 °C Temperatura de pared exteriorTpo50,74 °C Temperatura de ingreso de aireTa25,48 °C Temperatura de salida de gasesThi229,64 °C Temperatura de cenizaTceniza256°C Velocidad de ingreso de aireVai11,95 m/s Velocidad de salida de gasesVao8,04 m/s Figura 20. Temperaturas de proceso en cámara de combustión. Figura 21. Temperaturas de aire en cámara de combustión.

34 ESPE Cámara de combustión….. Figura 22. Curvas de velocidad del aire en la cámara de combustión.

35 ESPE CONCLUSIONES -En la presente investigación se determinó, el potencial energético disponible en los sectores de Quevedo y Ventanas es de 90,72x10 6 MJ, equivalente a Barriles Equivalentes de Petróleo (BEP). -Luego de realizar diversos ensayos sobre el funcionamiento del sistema de alimentación de combustible, se determinó que la velocidad de rotación del tornillo sin fin, más adecuada es de 1 RPM, tomando en cuenta que el desplazamiento horizontal de la cascarilla es de 0.87 m., y lo realiza en un tiempo de 5.34 minutos, por lo que su velocidad es de 0,16 m/s. -La cámara de combustión, utilizada para quemar cascarilla de arroz tiene una capacidad promedio de 14 Kg/h, con una capacidad de producción energética de 34,01 Kw térmicos. El combustible sólido, con un contenido de humedad inferior a 15%, es alimentado por el tornillo sin fin, a una velocidad de rotación de 1 RPM.

36 ESPE CONCLUSIONES….. -En el análisis energético de la cámara de combustión se obtiene los siguientes datos: temperatura del lecho 680 °C, pared interior 363 °C, pared exterior 50 °C, temperatura en el exterior de los tubos del intercambiador 229 °C. en cuanto a las velocidades del aire de entrada 12 m/s y salida de gases 8 m/s. -El intercambiador de calor de tres pasos de tubos en carcasa de tipo vertical tiene una temperatura de entrada al haz 25 °C y de salida de 140 °C, con velocidades de aire a la entrada de 8 m/s y salida de 5 m/s. en cuanto a los gases de combustión la temperatura en el exterior de los tubos del intercambiador de 229 °C y la de salida de 56 °C, con velocidades de ingreso de gases 8 m/s y salida de 6 m/s.

37 ESPE RECOMENDACIONES -Para el desarrollo de la investigación de este recurso en el campo, es necesario trasladar al sitio equipos e instrumentos de medición, tales como medidor del contenido de humedad, balanza digital, los cuales deben estar debidamente calibrados con respecto a un patrón de referencia, que permita mejorar la precisión en el levantamiento de la información. -En lo que tienen que ver con la operación del equipo experimental de combustión de cascarilla, en primer lugar se tiene que realizar la nivelación del sistema térmico, el centrado de los mecanismos de alimentación del combustible, para reducir descentramientos que afecta al funcionamiento normal del motorreductor.

38 ESPE RECOMENDACIONES….. -En la cámara de combustión se recomienda incorporar un sistema para ingreso de aire alimentado por la parte superior, de esta manera se permita una mejor combustión de los productos volátiles y hollín. -En la parilla incorporar un sistema de recolección y homogenización del lecho, cascarilla más ceniza, de manera el espesor de la ceniza sea lo suficiente para proteger la parilla y el espesor de la capa de cascarilla permita una buena combustión.

39 1. Edifarm, Vademécum Agrícola 2004 Ecuador (Octava Edición, Ecuador, 2004), pp Servicio de Información y Censo Agropecuario del Ministerio de Agricultura y Ganadería del Ecuador (SICA), 2003,http://www.sica.gov.ec. 3. Pitts D., Sissom E., Transferencia de Calor, 1ª Edición, Editorial Mc Graw Hill, Bogotá, Baskakov A., Termotecnia, Editorial Mir, Moscú, 1985, 5. Frank P. Incropera, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4 Edition, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1996, Vol. 4, pp Murray R. Spiegel, Estadística, p Ortega R., Energías Renovables., Editorial, Paraninfo, Madrid, Potter M., Somerton C., Termodinámica para Ingenieros, Editorial Mc Graw Hill, España, Cengel, Y., Transferencia de Calor y masa, 3ª Edición, Editorial Mc Graw Hill, México, Madrid A., Energías Renovables, 1ª Edición, Editorial, MUNDI-PRENSA, España, ESPE REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

40 ESPE REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS… MAGAP. Ministerio de agricultura, ganadería, acuacultura y pesca, Panorama de la cadena del arroz, INIAP. Instituto nacional de investigaciones agropecuarias, Manual agrícola de los principales productos del Ecuador, SIERRA, Jaider, Alternativas del aprovechamiento de la cascarilla de arroz en Colombia, Universidad de Sucre, Corvalan R., Horn M., Roman R., Saravia L., Ingeniería del Secado Solar, Editorial CITED-D, Vlassov D., Combustiveis, Combustao e Camaras de Combustao, Editorial UFPR, Brasil, García Roberto, Combustiveis e Combustao Industrial, Editorial Interciencia, Brasil, Waldir F., Utilizacao Egergetica De Residuos Vegetais, Editorial Ibama, Brasilia, Sardón J., Energías Renovables, Editorial Paraninfo, España Gill G., Energías del Siglo XXI, Editorial Mandí-Prensa, España, Hinrichs R., Kleinbach., Energy., Editorial Thomson, Australia, 2006.

41 ESPE PREGUNTAS

42 GRACIAS POR SU ATENCIÓN LUIS EDUARDO TIPANLUISA S. Teléfono:


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