Análisis de Desempeño de los Parámetros Temperatura- Energía-Flujo de un Reactor de HHO

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Análisis de Desempeño de los Parámetros

Temperatura-Energía-Flujo de un Reactor de HHO

Iván A. Vértiz1,2, Sergio Viveros1, Juan P. Campos1

(1) Univ. Politécnica del Valle de México, Colonia Villa Esmeralda, Tultitlan. (2)Escuela Superior de Ing. Mecánica y Eléctrica, Unidad Azcapotzalco, I.P.N. (México)

(ia_vertizm@yahoo.com.mx)

RESUMEN

En la actualidad es tema de necesidad ecológica y social, eliminar la quema de combustibles fósiles, mediante la introducción de energías alternas y renovables como la eólica y la solar. Dichas tecnologías aún no cuentan con un gran impacto en diversas sociedades, debido a su baja difusión y altos costos de operación, originados principalmente por el limitado desarrollo en cuanto investigación y manufactura (A. Vegas Serrano, 2003), sin embargo, el desarrollo tecnológico de técnicas y prototipos conocidos y hasta cierto punto descartados, pueden brindar una vía introductoria para el uso de nuevas tecnologías que permitan la reducción en la quema de combustibles fósiles; tal es el caso de la electrólisis, proceso mediante el cual se obtiene Hidrógeno (H2) que puede ser utilizado como combustible de alto poder calorífico y baja o nula

emisión de contaminantes (J. A. Botas, et al, 2009). El presente trabajo muestra el diseño y construcción de un reactor que está basado en el mencionado procedimiento electroquímico, con el fin de obtener información sobre los parámetros flujo, temperatura y energía, así como de las variables que se presentan en el desarrollo del proceso. Finalmente el modelo obtenido para llevar a cabo el proceso de disociación, es evaluado mediante software de elemento finito, obteniendo un factor de seguridad en el rango de 6.18 a 15 para una presión máxima de 50 bares.

INTRODUCCIÓN

Aunque el hidrógeno posea todas las características para convertirse en un vector energético determinante, tiene que superar dos obstáculos básicos que podrían frenar su utilización, estos son el volumen y la presión de almacenaje, los métodos tradicionales de almacenamiento, son gas a presión y tanques criogénicos, los cuales presentan condiciones extremas en su aplicación para este fin. Si bien el hidrogeno es el más ligero de los átomos existentes, es también el más voluminoso en su estado gaseoso a temperatura y presión normales. Además, su capacidad de liberación de energía hace que sea un gas especialmente inflamable. Por lo tanto, antes de utilizarlo, habrá que resolver la compleja problemática de su almacenamiento y su distribución en las condiciones requeridas de volumen y seguridad, así como del costo de sus operaciones.

En base a estos aspectos, y a las tecnologías que desarrollen mayor eficiencia en las celdas de combustible que son la razón por la cual la producción de energía del método puede verse muy afectada, se definen los dos vínculos tecnológicos que establecen la base fundamental para

afluencia de la tecnología energética del hidrógeno para el uso masivo

(NASA Hydrogen in the

universe, 2006)

.

La vía más promisoria y decisiva para el progreso de las celdas de combustible en los sectores del transporte y de las aplicaciones portátiles, pudiera ser la del almacenamiento sólido debido a la

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optimización de la capacidad de almacenaje en función del volumen y a las bajas presiones de almacenamiento que presenta esta opción.

Se llevan años experimentando diferentes métodos de almacenar el Hidrógeno como: lodos de hidrógeno, nanotubos de carbono, nanofibras de grafito, fulerenos, zeolitas, microesferas de vidrio, hidruros metálicos, etcétera (A. G. Sharpe, 1993). Las variables obtenidas en cada experimento enfocan diferentes aspectos que brindad ventajas y desventajas importantes, sin embargo si se basa en el uso de H2 obtenido por la disociación del átomo de agua mediante el

método de Hidrólisis propuesto en el presente trabajo, es de extrema necesidad determinar los parámetros fundamentales de operación para definir las variables de inicio del almacenamiento (presión, volumen, temperatura) como base de experimentación de causas y efectos en los diversos métodos (INFRA, Hoja de datos de seguridad,2011).

DISEÑO EXPERIMENTAL

Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas y en este caso conexiones para suministro de intensidad de corriente que permita la disociación del átomo de agua en HHO, gobernado por un algoritmo de control (M. A. Domínguez Reza, et al. 2010). Los reactores químicos tienen como funciones principales:

Asegurar el tipo de contacto o modo de hacer fluir los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.

Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y los catalizadores para conseguir la extensión deseada de la reacción.

Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

MODELO

Para poder obtener parámetros de desempeño y resultados se necesita el diseño de un reactor donde se lleve a cabo el proceso electroquímico. Inicialmente es fundamental conocer los elementos que debe llevar el reactor, básicamente que necesidades debe cubrir y en base a ello diseñar. El elemento debe ser de forma cilíndrica para contener un electrolizador en forma de bobina; en su interior y a su vez debe contener una circulación de agua para desempeñar el proceso, lo que significa que debe permanecer bien sellado y soportar una presión en el rango de los 50 bares para evitar fugas líquidas o de H2; es importante contar con una entrada para

proveerlo de agua y una salida para el hidrógeno. Finalmente contará con puertos para la conexión de la corriente eléctrica al electrolizador. El diseño conceptual del reactor ensamblado se muestra en la figura 1.

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Fig. 1. Diseño conceptual del reactor electroquímico

Para el cilindro base y las tapas se utilizó polímero acrílico de alta resistencia, ya que no presentará reacciones con el Hidrógeno desprendido durante el proceso, se selecciono tubular hidráulico de acrílico para el cuerpo, el maquinado de las tapas se llevo a cabo mediante torneado y fresado. Para sellar las tapas se selecciono empaque de goma que fue cortado a mano con navaja para darle la forma exacta del cilindro, el empaque superior cuenta con 8 barrenos para fijarse al cuerpo del cilindro con tornillos Allen de ¼” (para la manipulación de los elementos interiores), mientras que el inferior se sello con un pegamento especial.

Para poder garantizar que el reactor soportara la presión en su interior, se realizo un análisis de esfuerzo por software al cilindro de acrílico (Ver Fig. 2), las pruebas fueron a una presión de 50 bar, obteniendo factores de seguridad por encima del rango donde puede ocurrir una fractura o el colapso del cilindro.

CONDICIONES DE CARGA

La condición es examinada como presión para una magnitud de 50 bares (725.188719 Psi), en el entendido que en un fluido en un sistema cerrado, la fuerza debida a la presión, tiene la dirección normal a la superficie de contacto.

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Fig. 3. Condición de frontera

En la figura 3 se observa la condición de frontera del dispositivo, que se define en función del punto de apoyo de fijación del contenedor.

ESFUERZO DE VON MISES

Fig. 4. Representación de teoría de falla

La figura 4 representa el Esfuerzo admisible para la teoría de falla, el cual sirve para definir el factor de seguridad en función del esfuerzo de cedencia del material, en la figura 5 se observan los resultados obtenidos para el factor de seguridad en distintos puntos del elemento, donde podemos observar que el punto que marca un menor factor es la tapa inferior, que representa un 6.18 de factor de seguridad, mientras que el resto del elemento tiene el máximo factor de 15.

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FACTOR DE SEGURIDAD

Fig. 5. Factor de seguridad del contenedor

RESULTADOS Y ANÁLISIS

En la figura 6 se muestra un previo del sistema implementado para hacer las pruebas. Se realizaron 4 experimentos base para obtener datos e información acerca del proceso, cada uno fue con distintas cantidades de catalizador, para corroborar qué efecto tiene realmente la extracción del H2 y en el consumo de energía. A continuación se muestran los experimentos

realizados.

Fig. 6. Reactor y componentes para el proceso electroquímico.

Experimento con un proceso no catalizado con un tiempo de funcionamiento del reactor de 40 min. Incremento en temperatura del reactor de aproximadamente 10°C con temperatura inicial ambiente en 25ºC, consumo de energía inicial de 3.7 A hasta los 4.7A. Se necesito aproximadamente 1 minuto para producir 50 cc de H2.

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Experimento con una concentración de 0.05 mol de NaHCO3 con un tiempo de funcionamiento

del reactor de 40 min. Se presento un incremento en el consumo de corriente que fue desde los 11 A hasta 15.5 A. Máxima temperatura alcanzada de 45 °C. La producción de H2 se

incremento iniciando con 50 cc en 19.5 s, la producción fue disminuyendo a lo largo del experimento.

Experimento con una concentración de 0.15 mol de NaHCO3 con un tiempo de funcionamiento

del reactor de 40 min. Claramente el catalizador provoca una mejora en el desempeño del reactor, se agregaron 15 A más al consumo de corriente, teniendo una corriente pico de 28 A. La temperatura se incremento aún más llegando a 66 °C. La producción de H2 es mucho

mejor, ya que se lograron obtener los 50 cc en tan solo 9 s.

Experimento con una concentración de 0.25 mol de NaHCO3 con un tiempo de funcionamiento

del reactor de 40 min. Se pudo obtener la producción de 50 cc de H2 en tan solo 7.8 s. La

corriente presento un pico máximo de 31 A, la temperatura no presento grandes cambios llegando como máximo a 64 °C.

En la figura 7 se puede observar la respuesta en los cambio de temperatura de los experimentos. En la figura 8 se observan los resultados en el consumo de corriente eléctrica. En la figura 9 se muestra la producción de H2, para estos se midieron siempre 50 cc y se tomo el tiempo que

tardaba en producir tal cantidad del gas.

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Fig. 8. Consumo de corriente

Hasta el momento no se cuenta con un presupuesto de almacenamiento, distribución y producción a una escala industrial, ya que solo fue construido como un prototipo experimental para la obtención de los parámetros de desempeño y conocer el funcionamiento de todo el sistema, para conocer precios en una escala más grande es necesario averiguar en que tipo de empresas se usaría, el volumen de Hídrógeno requerido, capacidades de almacenaje, cantidad de producción por hora, entre otros.

Fig. 9. Producción de H2

CONCLUSIONES

En general se coordinan tres factores que se consideran trascendentales, ya que favorecen y agilizan el desprendimiento de H2 en la reacción electroquímica: Intensidad de corriente, Catálisis

y Temperatura. Una intensa fragmentación del volumen de agua mediante el incremento del flujo de corriente y la temperatura, propician la rápida difusión de las moléculas de H2 al exterior del

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El valor del volumen de desorción está relacionado con el diferencial de temperatura, observándose una relación termodinámica que influye en la estabilidad del líquido o los parámetros de equilibrio en la desorción del H2, por ejemplo si el liquido tiene mayor temperatura,

el grado de estabilidad se refleja muy negativo, es decir, la desorción del gas aumenta; a su vez un valor positivo en la estabilidad tiene una relación importante con las temperaturas más bajas del experimento y por lo tanto la baja producción de H2. En la Tabla 1 se pueden observar

concretamente los valores obtenidos y su relación antes mencionada; a mayor temperatura mejor producción de H2.

Tabla 1. Relación de los distintos parámetros obtenidos.

Código Parámetros

HHO-0-40 HHO-05-40 HHO-15-40

HHO-25-40 Temperatura mínima 24. 7 °C 23 °C 22 °C 23 °C Temperatura máxima 33.6 °C 46 °C 66 °C 65 °C Corriente mínima 3.7 A 11 A 19.5 A 24.8 A Corriente máxima 4.8 A 16 A 29.5 A 31.6 A Tiempo de producción H2 49 s. 17 s. 7.7 s. 7.1 s.

La función determinada, es el concepto de trabajo de un reactor químico para la extracción de HHO, empleando agua común y así, determinar las condiciones de presión y temperatura óptimas para obtener 50 cc del gas en el menor tiempo, para lo que se establecieron las funciones de servicio, la relación que existe entre estas y el producto final en base a los límites del sistema.

El modelo no genero ningún error en el funcionamiento y la modelación obtenida mediante el software permitió asegurar el desempeño del prototipo previamente de acuerdo a los resultados obtenidos principalmente en el factor de seguridad mediante el esfuerzo de Von Mises.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo se ha desarrollado con el soporte de la Universidad Politécnica del Valle de México y La Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional.

REFERENCIAS

A. G. Sharpe, 1993. Capitulo 9 – Hidrógeno, Química inorgánica, pp. 241-242.

A. Vegas Serrano, 2003. El Hidrógeno y las pilas de combustible, Revista del colegio oficial de físicos, pp. 42.

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W. Kreuter and H. Hofmann, Electrolysis: The important energy transformer in a world of sustainable energy, International Association for Hydrogen Energy, 1998, pp. 1,2,4.

NASA Hydrogen in the universe. 2006, NASA Glenn Research Center Glenn Safety

Manual. CH. 6 - Hydrogen. Document GRC-MQSA.001.

M. A. Domínguez Reza, C. Cortés Escobedo, O. Solorza Feria, R. G. González Huerta, 2010. Banco de prueba de un sistema solar-hidrógeno-pilas de combustible, XXV Congreso de la Sociedad Mexicana de Electroquímica, , pp. 1, 2,3.

J. A. Botas, J. A. Calles, J. Dufour, G. San Miguel, 2009. Producción y almacenamiento de Hidrógeno, La economía del hidrógeno – Una visión global sobre la revolución energética del siglo XXI, pp. 2.

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