UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BIODIGESTOR PARA
EL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR TÉRMICO PARA EL
TALLER DE LA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ DE
LA UTE.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
ÑACATO CUMBAJÍN RONALD BLADIMIR
DIRECTOR: ING. VILLALOBOS EDDY
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172266364-6
APELLIDO Y NOMBRES: ÑACATO CUMBAJIN RONALD BLADIMIR
DIRECCIÓN: SANGOLQUI, BARRIO CASHAPAMBA
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 22091-235
TELÉFONO MOVIL: 0958929036
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
BIODIGESTOR PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR TÉRMICO PARA EL TALLER DE LA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ DE LA UTE.
AUTOR O AUTORES: ÑACATO CUMBAJIN RONALD BLADIMIR
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
JULIO 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
ING. VILLALOBOS EDDY
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
ESUMEN: Mínimo 250 palabras En este proyecto se construyó un biodigestor funcional y didáctico de 500 litros de capacidad, que dependiendo de ciertos parámetros generó biogás (metano), un biocombustible capaz de encender un motor de combustión interna de 4 tiempos. De acuerdo a la investigación, se decidió diseñar y construir un biodigestor en acero inoxidable 304 mate, por sus buenas propiedades mecánicas, físicas y químicas del material, siguiendo las normativas del código ASME Sección VIII, División 1, para el diseño y construcción de recipientes a presión, se realizó los respectivos cálculos de espesores mínimos del material que fueron de 2.5 mm, para el casco cilíndrico y la cabeza elipsoidal y los esfuerzos de tensión y de compresión por peso propio del tanque que no sobrepasaron el esfuerzo máximo admisible que es de 18.8 Ksi, además de una simulación en el programa SOLID WORKS 2013 y sus respectivos planos de diseño en AUTOCAD.
Pronto se procedió a la construcción y ensamblado del tanque, empezando por el corte de la plancha de acero inoxidable con ayuda de una cortadora por plasma guiándose en las medidas de diseño. A continuación se realizó el proceso de barolado, embombado y rebordeado de las tapas y del cuerpo cilíndrico del tanque, para después realizar el proceso de soldadura TIG. Una vez soldado el tanque se ejecutó la prueba hidrostática que llegó a una presión de 60 psi donde se determinó que no había fugas ni derrames, posteriormente se realizó el protocolo de funcionamiento del biodigestor y se puso en marcha con estiércol de ganado porcino y agua con una relación de 1:3 es decir por los 94 kg de estiércol se colocó 281 litros de agua. Transcurrido el tiempo de retención que fue de 31 días el biogás alcanzo una presión de 45 psi a una temperatura constante de 35°C, obteniendo una masa de 0.28 kg que se convirtió en 14000 KJ de energía o trabajo al realizar la prueba de funcionamiento en un motor de combustión interna de 4 tiempos de 1.6 litros con sistema a carburación, donde se comprobó que el biogás generado sirvió de biocombustible siendo aprovechado como fuente de energía por aproximadamente 4 minutos a 650 rpm en ralentí.
PALABRAS CLAVES: BIODIGESTOR/BIOGAS/MOTOR TERMICO.
ABSTRACT: In this project there was constructed a
DEDICATORIA
Dedico este trabajo, con mucho cariño:
AGRADECIMIENTOS
Agradezco de manera especial:
A Dios por darme día a día la fortaleza y vitalidad para reflejar el esfuerzo que realizan mis padres.
A mis padres, hermanos y esposa por brindarme todo su cariño y apoyo incondicional, y hacer que cada día tenga logro en este proyecto.
A la universidad por haberme dado los mejores maestros a lo largo de mi formación profesional.
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
1. INTRODUCCIÓN ... 3
2. MARCO TEÓRICO ... 4
2.1. BIODIGESTOR ... 4
2.1.1. PARTES DEL BIODIGESTOR ... 4
2.1.2. TIPOS DE BIODIGESTORES ... 5
2.1.2.1. Batch o Discontinuo ... 5
2.1.2.2. Semicontinuo... 6
2.1.2.2.1. Diseño Hindú ... 6
2.1.2.2.2. Diseño chino ... 7
2.1.2.3. Continuos ... 8
2.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TANQUES SOMETIDOS A PRESIÓN ... 9
2.2.1. CÓDIGO APLICABLE AL DISEÑO DE TANQUES A PRESIÓN .. 9
2.2.2. CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1 ... 9
2.2.2.1. Cargas que actúan en el tanque a presión ... 10
2.2.2.2. Esfuerzos que actúan en el tanque a presión ... 10
2.2.2.3. Valores del esfuerzo máximo permitido ... 11
2.2.2.4. Factor de seguridad ... 11
2.2.2.5. Eficiencia de las soldaduras (E) ... 12
ii
2.2.2.7. Presión de diseño (P) ... 13
2.2.3. RECIPIENTES CILINDRICO A PRESIÓN ... 13
2.2.3.1. Clasificación de recipientes a presión ... 14
2.2.3.2. Componentes principales de los recipientes a presión ... 15
2.2.3.3. Cuerpo o casco cilíndrico del tanque a presión ... 15
2.2.3.4. Cabezales o tapas para tanques a presión ... 15
2.2.3.4.1. Cabezal elipsoidal para el tanque a presión ... 16
2.2.3.5. Peso propio del tanque a presión ... 17
2.2.3.6. Esfuerzo por compresión por peso del recipiente ... 18
2.2.3.7. Prueba hidrostática ... 18
2.3. SOLDADURA EN RECIPIENTES A PRESIÓN ... 19
2.3.1. SOLDADURA TIG (TUNGSTEN INERT GAS) ... 19
2.3.2. TIPO DE JUNTAS DE SOLDADURA ... 20
2.3.3. CATEGORÍA DE JUNTAS ... 20
2.3.4. ASPECTOS ECONÓMICOS ... 21
2.4. MATERIALES DE RECIPIENTES A PRESIÓN ... 22
2.4.1. CLASES DE MATERIALES UTILIZADOS PARA LA FABRICACIÓN DE TANQUES A PRESIÓN ... 22
2.4.2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LOS RECIPIENTES SOMETIDOS A PRESIÓN ... 23
2.4.3. SOLDABILIDAD DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LOS RECIPIENTES A PRESIÓN ... 24
2.5. TEMPERATURA DEL FLUIDO EN EL INTERIOR DEL TANQUE A PRESIÓN ... 24
2.5.1. AISLAMIENTO TÉRMICO PARA TANQUES ... 25
2.5.2. LANA DE VIDRIO ... 25
2.5.3. ESPESOR ÓPTIMO DE AISLAMIENTO TÉRMICO ... 26
2.5.4. MASA DEL GAS (METANO) ... 27
2.5.5. ENERGIA PRODUCIDA POR LA CANTIDAD DE MASA ... 27
2.6. GENERALIDADES DEL BIOGÁS ... 28
2.6.1. BIOMASA ... 28
iii
2.6.3. COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS... 29
2.6.4. CARACTERÍSTICAS GENERALESDEL BIOGÁS ... 29
2.6.5. METANO ... 30
2.7. PROCESODEBIODIGESTIÓN ... 31
2.7.1. DIGESTIÓN ANAERÓBICA ... 31
2.7.2. ETAPAS DE LA FERMENTACIÓN METANOGÉNICA ... 32
2.7.3. FACTORES DETERMINANTES EN EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS ... 33
2.7.3.1. Tipo de materia prima ... 33
2.7.3.2. Temperatura del sustrato ... 34
2.7.3.3. Relación carbono-nitrógeno ... 34
2.7.3.4. Valor de pH ... 35
2.7.3.5. Concentración de AGV ... 35
2.7.3.6. Carga volumétrica ... 36
2.7.3.7. Tiempo de retención (TR) ... 36
2.8. EQUIPOS DONDE EL BIOGÁS PUEDE SER UTILIZADO ... 37
2.9. PRINCIPIOS DE LA COMBUSTIÓN DEL BIOGÁS... 38
2.10. MOTOR TÉRMICO ... 39
2.10.1. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 39
2.10.2. MOTOR DE CUATRO TIEMPOS ... 40
2.10.3. MOTOR DE 4 TIEMPOS CICLO OTTO ... 41
2.10.4. CICLO REAL MOTOR OTTO DE 4 TIEMPOS ... 41
2.10.4.1. Primer tiempo o fase de admisión (1-2) ... 42
2.10.4.2. Segundo tiempo o fase de compresión (2-3) ... 42
2.10.4.3. Tercer tiempo o fase de combustión y expansión (3-4-5) ... 43
2.10.4.4. Cuarto tiempo o fase de escape (5-2-1) ... 44
2.11. CARACTERÍSTICASPRINCIPALESDELOSMOTORESA BIOGÁS ... 44
2.11.1. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL MOTOR ... 45
iv
3. METODOLOGÍA ... 48
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 51
4.1. SELECCIÓNDELTIPODEBIODIGESTORA SERDISEÑADO ... 51
4.1.1. SELECCIÓN DEL BIODIGESTOR ... 51
4.1.2. PRESELECCIÓN ... 51
4.2. MATRIZDEDECISIÓN ... 51
4.2.1. DEFINICIÓN DE LOS FACTORES CONSIDERADOS EN LA MATRIZ DE DECISIÓN PARA LA SELECCIÓN DEL TIPO DE BIODIGESTOR ... 52
4.2.1.1. Tipo de materia prima ... 52
4.2.1.2. Tiempo de retención ... 52
4.2.1.3. Requerimientos de área ... 52
4.2.1.4. Costos ... 52
4.2.1.5. Construcción ... 53
4.2.1.6. Operación y mantenimiento ... 53
4.2.1.7. Rendimiento ... 53
4.2.2. PONDERACIÓN DE LOS FACTORES A EVALUAR PARA LA REALIZACIÓN DE LA MATRIZ DE DECISION PARA LA SELECCIÓN DEL DISEÑO DE BIODIGESTOR ... 53
4.3. SELECCIÓNDELAMEJORALTERNATIVASPARAELDISEÑOY LA CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR TIPO BATCH ... 57
4.3.1. MATRIZ DE DECISIÓN PARA EL DISEÑO Y LA CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR TIPO BATCH ... 57
4.3.1.1. Definición de los factores considerados en la matriz de decisión, para el diseño y construcción del biodigestor tipo Batch ... 58
4.3.1.1.1. Propiedades del material ... 58
4.3.1.1.2. Costos ... 58
v
4.3.1.1.4. Disponibilidad de materiales en el mercado ... 58
4.3.1.1.5. Disponibilidad de herramientas y equipos ... 58
4.3.1.1.6. Facilidad de operación y mantenimiento ... 59
4.3.1.2. Ponderación de los factores a evaluar para la operación de la matriz de decisión para el diseño y construcción del biodigestor tipo Batch ... 59
4.4. DISEÑOYCONSTRUCCIÓNDELBIODIGESTOR ... 63
4.4.1. DISEÑO DEL TANQUE A PRESIÓN ... 63
4.4.2. CÁLCULO POR PRESIÓN INTERNA ... 63
4.4.2.1. Presión de diseño ... 64
4.4.2.2. Presión hidrostática ... 64
4.4.3. CÁLCULO DE ESPESORES PARA EL TANQUE A PRESIÓN . 65 4.4.3.1. Espesor cuerpo cilíndrico ... 65
4.4.3.2. Espesor cabeza elipsoidal ... 66
4.4.4. CÁLCULO DE ESFUERZOS DE TENSIÓN EN EL TANQUE ... 66
4.4.5. CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD DEL TANQUE A PRESIÓN ... 67
4.4.6. CÁLCULO DE PESO PROPIO DEL TANQUE A PRESIÓN Y ESFUERZO DE COMPRESIÓN POR PESO PROPIO ... 68
4.4.8. SELECCIÓN Y CÁLCULO DEL ESPESOR DEL AISLANTE. .... 69
4.5. SIMULACIÓN DEL BIODIGESTOR ... 72
4.5.1. ESFUERZOS ... 73
4.5.2. DESPLAZAMIENTOS ... 73
4.5.3. FACTOR DE SEGURIDAD ... 74
4.6. PROCEDIMIENTOPARALAFABRICACIÓN DELBIODIGESTOR .. 75
4.6.1. GESTION DE COMPRAS ... 75
4.6.2. PROCESO DE FABRICACIÓN ... 76
4.6.2.1. Proceso de barolado del cuerpo cilíndrico ... 77
4.6.2.2. Proceso de embombado y rebordeado de la cabeza elipsoidal ... 77
4.6.3. PROCESO DE SOLDADURA ... 79
vi
4.6.4. PROCESO DE ENSAMBLAJE ... 82
4.6.5. PROTOCOLO DE FUNCIONAMIENTO PARA EL BIODIGESTOR ... 84
4.6.6. PUESTA EN MARCHA DEL BIODIGESTOR ... 84
4.6.6.1. Carga del biodigestor ... 85
4.6.7. CÁLCULO DE LA MASA DEL GAS ... 86
4.6.8. CONTROL DE PARÁMETROS PARA LA GENERACIÓN DE BIOGÁS ... 87
4.6.8.1. Hoja de control de parámetros para la producción de biogás ... 88
4.7. PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO ... 89
4.7.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 90
4.8. MANUAL DE OPERACIÓN DEL BIODIGESTOR TIPO BATCH ... 92
4.8.1. COMPONENTES DEL BIODIGESTOR ... 92
4.8.2. DIMENSIONES DEL BIODIGESTOR ... 93
4.8.3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FUNCIONAMIENTO ... 93
4.8.4. MANTENIMIENTO DEL BIODIGESTOR ... 94
4.8.5. PRECAUCIONES Y SEGURIDADES ... 95
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 96
5.1. CONCLUSIONES ... 96
5.2. RECOMENDACIONES ... 97
BIBLIOGRAFÍA ... 98
vii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1.Componentes principales del biogás. ... 29
Tabla 2. Características generales del biogás. ... 30
Tabla 3. Etapas en la producción de biogás. ... 32
Tabla 4. Producción de estiércol por especie. ... 33
Tabla 5. Tipo de bacterias en función de la temperatura. ... 34
Tabla 6. Promedio de los valores de la relación de C/N de diferentes residuos. ... 35
Tabla 7. Efectos del pH en la biodigestión. ... 35
Tabla 8. Tiempo de retención relacionado con la materia prima. ... 36
Tabla 9. Tiempo de retención relacionado con la temperatura. ... 37
Tabla 10. Aplicaciones del biogás. ... 37
Tabla 11. Estudio comparativo como carburantes gasolina, gasóleo, LPG y CNG. ... 46
Tabla 12. Ponderación de factores para la selección del diseño del biodigestor. ... 53
Tabla 13. Matriz de decisión para la selección del biodigestor tipo "HINDÚ". ... 54
Tabla 14. Matriz de decisión para la selección del diseño de biodigestor tipo "CHINO". ... 55
Tabla 15. Matriz de decisión para la selección del diseño del biodigestor tipo "BATCH". ... 56
Tabla 16. Ponderación de factores para el diseño y construcción del biodigestor tipo BATCH. ... 59
Tabla 17. Matriz de decisión alternativa "A" para el diseño y construcción del biodigestor tipo BATCH. ... 60
viii
Tabla 19. Matriz de decisión alternativa "C" para el diseño y construcción del biodigestor tipo BATCH. ... 62
Tabla 20. Valores para el cálculo del espesor del cuerpo del cilindro. ... 65
Tabla 21. Resultados aplicando método iterativo ... 72
Tabla 22. Características y condiciones de diseño del tanque a presión. ... 75
Tabla 23. Materiales utilizados en la fabricación del biodigestor. ... 76
Tabla 24. Hoja de registro con los valores de inspección de la
prueba hidrostática del tanque a presión. ... 82
Tabla 25. Hoja de control de parámetros para el biodigestor. ... 88
Tabla 26. Características técnicas del motor utilizado en la prueba
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Biodigestor discontinuo. ... 6
Figura 2. Biodigestor de diseño hindú. ... 7
Figura 3. Biodigestor diseño chino. ... 8
Figura 4. Esfuerzos en el tanque por presión interna. ... 10
Figura 5. Clasificación de recipientes sometidos a presión. ... 14
Figura 6. Tipos de cabezales para recipientes a presión interna. ... 16
Figura 7. Cabeza elipsoidal. ... 16
Figura 8. Proceso de soldadura TIG. ... 19
Figura 9. Localización de diferentes categorías de juntas. ... 20
Figura 10. Alternativas de utilización de un metro cúbico de biogás. ... 38
Figura 11. Principio de combustión del biogás ... 39
Figura 12. Motor de combustión interna. ... 40
Figura 13. Ciclo Otto. ... 41
Figura 14. Ciclo real motor Otto de 4 tiempos. ... 42
Figura 15. Equipamiento para transformación a GNC en vehículos a carburador. ... 46
Figura 16. Determinación de la superficie de control. ... 70
Figura 17. Circuito de resistencias térmicas... 70
Figura 18. Simulación del análisis de tensiones en el tanque a presión. .... 73
Figura 19. Simulación del desplazamiento máximo del tanque a presión. .. 74
Figura 20. Simulación del desplazamiento máximo del tanque a presión. .. 74
Figura 21. Proceso de barolado del cuerpo cilíndrico del tanque. ... 77
Figura 22. Proceso de embombado de la cabeza elipsoidal del tanque. .... 78
Figura 23. Proceso de rebordeado de la cabeza elipsoidal del tanque. ... 78
Figura 24. Cordón de soldadura de junta a tope en el cuerpo cilíndrico del tanque. ... 79
Figura 25. Proceso de soldadura de la junta a tope, entre la tapa elipsoidal y el cuerpo cilíndrico. ... 80
x
Figura 27. Cubrimiento del tanque con el aislante térmico. ... 83
Figura 28. Recubrimiento del tanque, instalación eléctrica de los termostatos y manómetro de presión. ... 83
Figura 29. Equivalencia del peso y el volumen del estiércol y el agua. ... 85
Figura 30. Carga del biodigestor y puesta en marcha. ... 86
Figura 31. Conexión de entrada de biogás a la toma de carburador. ... 91
Figura 32. Conexión que se realizó para la prueba de funcionamiento del motor. ... 91
Figura 33. Partes del biodigestor tipo Batch. ... 92
xi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA Anexo 1
Propiedades de los materiales acero inoxidable ... 101
Anexo 2 Tipo de juntas ... 102
Anexo 3 Peso de cabezas y cascos ... 103
Anexo 4
Propiedades de conductividad térmica del acero inoxidable, lana de
vidrio, agua y aire ... 104
Anexo 5
Propiedades del metano ... 108
Anexo 6
Planos del diseño del biodigestor ... 109
Anexo 7
Mediciones de los parámetros para el registro de la hoja de control ... 113
Anexo 8
1
RESUMEN
2
ABSTRACT
3
1. INTRODUCCIÓN
Actualmente en el país la elaboración de biogás no es del todo explotada, debido al poco conocimiento y la falta de políticas estatales en capacitación para este tipo de tecnología, resulta económica ya que la materia prima utilizada tiene un bajo costo y existe gran disponibilidad. Lamentablemente en Ecuador no existe una investigación seria en este ámbito que permita desarrollar proyectos, los cuales puedan ser aprovechados para la generación de biocombustibles que ayuden a disminuir el impacto que producen los gases de efecto invernadero causados por la descomposición de los desechos orgánicos.
El uso de biogás generado por el biodigestor, sirve como biocombustible para múltiples aplicaciones en motores de combustión interna de 4 tiempos, siendo este menos costoso, además de contribuir con el medio ambiente y obtener un bioabono de alta calidad. Además este proyecto servirá como objeto de estudio y prácticas de taller, para los estudiantes de la carrera de ingeniería automotriz.
Por lo cual se propuso el tema, que tiene como objetivo principal diseñar e implementar un biodigestor que utilizando estiércol de ganado porcino y agua en proporciones adecuadas sea capaz de generar biogás que sirva de biocombustible para el funcionamiento de un motor de combustión interna de 4 tiempos. Para cumplir con el objetivo general del proyecto se desarrollaron los siguientes objetivos específicos.
Realizar un estudio teórico sobre el biogás y el funcionamiento de motores de combustión interna utilizando el mismo.
Proponer y seleccionar la alternativa más idónea para el diseño del biodigestor.
Diseñar y seleccionar los elementos para la construcción del biodigestor. Implementar el biodigestor en el motor de combustión interna y ejecutar la prueba de funcionamiento.
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1. BIODIGESTOR
Un biodigestor es un contenedor cerrado, hermético e impermeable, dentro del cual se deposita el material orgánico a fermentar en determinada dilución de agua para que a través de la fermentación anaerobia se produzca gas metano y fertilizantes orgánicos disminuyendo el potencial contaminante del material orgánico. La Organización latinoamericana de energía (OLADE), fundamenta que estudios realizados en diferentes tipos de biodigestores, la gran mayoría no superan los 50 psi de presión generado por la acumulación de biogás en el gasómetro.
2.1.1. PARTES DEL BIODIGESTOR
a) Tanque de mezcla, es una caja de concreto, plástico o metal donde se mezcla las excretas o materiales orgánicos juntamente con agua, que luego se introduce en la cámara de digestión a través del ducto de ingreso.
b) Biodigestor es un tanque donde se produce la fermentación anaeróbica. Usualmente se construye en concreto o de ladrillo, fibra de vidrio, acero inoxidable, material plástico.
c) El gasómetro, es la sección donde se almacena el gas; el gasómetro y el digestor pueden constituir un solo cuerpo o estar separados. El gasómetro se constituye como el volumen gaseoso donde se acumula el gas producido.
5 e) Puede tener termómetro y manómetro de presión para llevar un control
del biogás y el sustrato del biodigestor.
f) Tubería de salida de biogás y válvula de salida una vez que se haya obtenido el biogás sirve para dar el abastecimiento a su utilización (Calero, D., Nacimba R., 2011).
2.1.2. TIPOS DE BIODIGESTORES
Los biodigestores fueron diseñados y construidos por la necesidad de las personas al sentir frío y hambre es decir el entorno de la naturaleza ayudo al diseño de los diferentes biodigestores, gracias a las diferentes experiencias sobre el control y manejo de una planta de metano se pudo encontrar nuevas aplicaciones que ayuda al medio ambiente y las personas a tener cierto equilibrio ambiental, en la actualidad se puede encontrar biodigestores prefabricados de materiales reciclables como es el PVC para ser instalados en muy poco tiempo y a bajo costo, si se tiene los suficientes conocimientos para la construcción y los peligros que podría causar, se puede fabricar uno mismo. Los biodigestores se pueden clasificar en:
Batch o discontinuo
Semicontinuos
Continuos
2.1.2.1. Batch o Discontinuo
6 tanques plásticos o metálicos. Este tipo de biodigestor es utilizado en proyectos de estudio por su tamaño y facilidad de transportar de un lugar a otro.
Figura 1. Biodigestor discontinuo.
(ONI, 2008)
2.1.2.2. Semicontinuo
Este sistema es aplicable cuando la materia prima presenta problemas de manejo en un sistema continuo o cuando la materia a procesar está disponible en forma intermitente. Este tipo de digestores son los más usados en el medio rural, cuando se trata de sistemas pequeños para uso doméstico. Los diseños más populares son: el hindú y el chino (Mandujano, M., Felix, A. y Martínez, A., 2009).
2.1.2.2.1. Diseño Hindú
7 si se mantienen las condiciones de operación. El gasómetro está integrado al sistema, en la parte superior del pozo flota una campana donde se almacena el gas. El biodigestor normalmente se construye de ladrillos. La campana puede construirse de lámina de hierro, de fibra de vidrio o de otro material, con la condición de que no permita fuga del gas (Mandujano, M., Felix, A. y Martínez, A., 2009). En la figura 2, se muestra un ejemplo de biodigestor hindú.
Figura 2. Biodigestor de diseño hindú.
(Mandujano, M., Felix, A. y Martínez, A., 2009)
2.1.2.2.2. Diseño chino
8
Figura 3. Biodigestor diseño chino.
(Silva, 2008)
Este tipo de digestor es poco eficiente y confiable para generar biogás pero es muy bueno en la producción de bioabono ya que los tiempos de retención son largos, es muy utilizado en zonas rurales donde el estiércol de animales domésticos y desechos caseros son recolectados para luego ser utilizados en la fertilización de las tierras de cultivo (Silva, 2008).
2.1.2.3. Continuos
9
2.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TANQUES SOMETIDOS
A PRESIÓN
2.2.1. CÓDIGO APLICABLE AL DISEÑO DE TANQUES A PRESIÓN
Existen varias normas que especifican el diseño y fabricación de tanques sometidos a presión, pero la que más se utiliza es la norma ASME sección VIII, División 1. Países como Estados Unidos, México y Ecuador utilizan esta normativa para el diseño y construcción de este tipo de tanques.
El código ASME es presentado por The American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos) quienes tienen designados varios comités para el estudio, análisis, corrección y actualización de cada sección del código ASME (ASME, 2010).
2.2.2. CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1
El código ASME es utilizado en varios países a nivel mundial quienes han optado como ley o jurisdicción la fabricación de tanques a presión. El código ASME fue creado con el fin de garantizar la fiabilidad de los componentes y elementos estructurales de un recipiente a presión. Se detalla un análisis completo del diseño de todos los componentes, elementos a presión, partes no presurizadas y la estructura soporte. El ASME sección VIII División 1, establece los requerimientos mínimos para el diseño, fabricación e inspección de calderas y recipientes a presión, las empresas constructoras obtienen certificación autorizada de la ASME (Megyesy, 2001).
10
2.2.2.1. Cargas que actúan en el tanque a presión
Las cargas que actúan en un recipiente a presión están divididas en varios tipos como presión interna o externa, peso propio del recipiente y su contenido reacciones estáticas del tanque, tuberías, revestimiento, piezas internas y apoyos. Efectos provocados por condiciones térmicas, diferencias de temperatura y consecuente dilatación térmica. Debido a las diversas cargas que actúan en un tanque a presión, el resultado es que existan esfuerzos que deben ser soportados por el recipiente. Las partes que conforman el tanque están diseñadas para que soporten todas las presiones interior y exterior eliminando cualquier amenaza de fractura y afecte el normal funcionamiento del tanque a presión. Los esfuerzos generales que actúan en un recipientes a presión son los circunferenciales y longitudinales a tensión, los esfuerzos longitudinales a compresión (Megyesy, 2001).
2.2.2.2. Esfuerzos que actúan en el tanque a presión
En la figura 4, se puede apreciar los esfuerzos sometidos en el tanque por la presión interna.
Figura 4. Esfuerzos en el tanque por presión interna.
11 La presión uniforme, interna o externa, induce en la costura longitudinal un esfuerzo unitario igual al doble del que obra en la costura circunferencial, por la geometría misma del cilindro. Cuando otras fuerzas (de viento, sísmicas, etc.), no son factores importantes, un recipiente sujeto a presión externa debe diseñarse para resistir solo la deformación circunferencial.
Los esfuerzos debidos a la presión interna se determinan mediante las siguientes ecuaciones.
𝑆1 =
𝑃𝐷4𝑡 [1]
𝑆2 =
𝑃𝐷2𝑡 [2]
Donde:
S1: Esfuerzo circunferencial S2: Esfuerzo longitudinal P: Presión de diseño
D: Diámetro medio del tanque t: Espesor del casco cilíndrico
2.2.2.3. Valores del esfuerzo máximo permitido
Es el valor máximo al que podemos someter un material, que forma parte de un recipiente a presión, en condiciones normales de operación. Los valores del esfuerzo de tensión máximo permitido para diferentes materiales se presentan en el Anexo 1.
2.2.2.4. Factor de seguridad
12 están expuestos a incertidumbres de distinto tipo que hacen que deban tomar previsiones que garanticen con una alta probabilidad que no se producirán fallas. Estas previsiones se denominan factores de seguridad (Salazar, 2007).
Las incertidumbres que se presentan se deben a los siguientes factores:
Incertidumbre en las cargas a considerar.
Incertidumbre en las propiedades mecánicas de los materiales.
Incertidumbre en las dimensiones de los elementos estructurales.
Incertidumbre en la precisión de los cálculos.
El factor de seguridad es calculado con la siguiente ecuación.
𝐹𝑆 =
𝑆𝑢𝑆𝑎 [3]
Donde:
FS: factor de seguridad
Su: esfuerzo ultimo (esfuerzo de tensión) Sa: esfuerzo admisible
Los valores de esfuerzo último y esfuerzo admisible se los puede apreciar en las tablas del Anexo 1.
2.2.2.5. Eficiencia de las soldaduras (E)
Se puede definir la eficiencia de las soldaduras, como el grado de confiabilidad que se puede tener de ellas. Sus valores están dados en la tabla del Anexo 2, en la cual se muestran los tipos de unión más comúnmente usados en la fabricación de recipientes a presión.
2.2.2.6. Presión de operación (Po)
13
2.2.2.7. Presión de diseño (P)
La presión de diseño es aquella presión que se utiliza para diseñar el recipiente, esta presión de diseño es utilizada para garantizar la seguridad del equipo. Tanto el recipiente como los componentes son diseñados con una presión mayor a la de operación.
Este requisito se satisface utilizando una presión de diseño de 30 Psi, más que la presión de operación, también debe tomarse en cuenta la presión de fluido y de cualquier otra sustancia contenida en el recipiente sometido a presión (Megyesy, 2001).
Para calcular la presión de diseño se utiliza la siguiente ecuación.
𝑃 = 𝑃𝑜𝑝 + 𝑃ℎ + 30 𝑃𝑆𝐼 [4] Donde:
P: presión de diseño Pop: presión de operación
Ph: presión hidrostática del fluido
2.2.3. RECIPIENTES CILINDRICO A PRESIÓN
Según el código ASME Sección VIII, División 1, los recipientes a presión se definen como envases cerrados para la contención de fluidos bajo presión interna y/o externa. Esta presión es obtenida de una fuente externa o por la aplicación de calor de fuente directa y/o indirecta. Independientemente de sus dimensiones y forma hay varios tipos de recipientes: esféricos, cilíndricos y diferentes tamaños como torres fraccionadoras utilizadas para la separación de un fluido líquido del gas natural.
14 distintas a la del medio ambiente. Los recipientes cilíndricos pueden ser de pared gruesa o pared delgada.
Se considera cilindro de pared delgada si la relación del radio medio del recipiente a su espesor de pared es de 10 o mayor, el esfuerzo es casi uniforme y se puede suponer que todo el material de la pared resiste por igual las fuerzas aplicadas, como se indica en la siguiente ecuación (Mott, 2009).
𝑅𝑚
𝑡 ≥ 10 [5] Donde:
Rm: radio medio del recipiente t: espesor del recipiente
2.2.3.1. Clasificación de recipientes a presión
En la figura 5, se aprecia la clasificación de recipientes a presión por su utilización y su forma.
Figura 5. Clasificación de recipientes sometidos a presión.
15
2.2.3.2. Componentes principales de los recipientes a presión
Un recipiente a presión tiene varios componentes principales que son vitales en el funcionamiento y operación normal de los recipientes cilíndricos horizontales, cilíndricos verticales y esféricos.
Recipientes cilíndricos horizontales.- Los componentes de un recipiente cilíndrico horizontal son: su cuerpo cilíndrico, cabezales, boquillas, refuerzos de las boquillas si fuese el caso, boquillas de inspección, anillos atiesadores, soportes o silletas y orejas de izaje
Recipientes cilíndricos verticales.- Mientras que en un recipiente cilíndrico vertical tiene componentes como: cuerpo cilíndrico, cabezales, boquillas, refuerzos, boquillas de inspección, anillos atiesadores y el faldón.
Recipientes esféricos En un recipiente esférico se puede encontrar componentes como: tapa superior e inferior, anillo superior y central, boquillas para conexión de accesorios, su estructura soporte (León, 2001).
2.2.3.3. Cuerpo o casco cilíndrico del tanque a presión
EL espesor del cuerpo cilindro está en función del radio interno y se calcula con ayuda de la siguiente ecuación.
𝑡 =
𝑆𝐸−0.6𝑃𝑃𝑅 [6]Donde:
t: espesor casco cilíndrico P: presión de diseño R: radio interior
S: esfuerzo del material E: eficiencia de la junta
2.2.3.4. Cabezales o tapas para tanques a presión
16 casquete más utilizado para construcción de tanques en nuestro país es el elipsoidal y en casos especiales usan casquetes hemisféricos, que tienen un costo mayor ya que este tipo de casquete no se elabora en Ecuador. En la figura 6, se aprecia los tipos de cabezales para recipientes a presión interna, hemisféricos, elípticos, torisféricos, cónicos y toricónicos.
Figura 6. Tipos de cabezales para recipientes a presión interna.
(León, 2001)
2.2.3.4.1. Cabezal elipsoidal para el tanque a presión
Los cabezales elipsoidales son los más utilizados en la industria por su bajo costo y las altas presiones que soporta. En la figura 7, se puede apreciar el diagrama esquemático de un cabezal elipsoidal y sus especificaciones para el dimensionamiento.
Figura 7. Cabeza elipsoidal.
17 Para el cálculo del espesor mínimo de la tapa elipsoidal se utiliza la siguiente ecuación.
𝑡𝑐 =
2𝑆𝐸−0.2𝑃𝑃𝑅[7]
Donde:
tc: espesor cabeza elipsoidal P: presión de diseño
R: radio interior
S: esfuerzo del material E: eficiencia de la junta
2.2.3.5. Peso propio del tanque a presión
El peso del tanque ocasiona solo esfuerzos a compresión debido a que no existen cargas excéntricas y las fuerzas actúan en el mismo eje del recipiente. Para calcular el peso total del tanque lleno del fluido se debe sumar el peso de construcción y el peso del fluido cuando está completamente lleno del fluido de almacenamiento. Para el cálculo del peso del fluido se utiliza la siguiente ecuación.
𝑊𝑤 = 𝑉 × 𝛾 [8] Donde:
Ww: peso de agua
𝛾: peso específico del agua V: volumen tanque
18 𝑊𝑡 = (𝑆𝑤 + 𝐻𝑤) × 1.06 + 𝑊𝑤 [9]
Donde:
Wt: peso del recipiente lleno de agua Sw: peso del cuerpo
Hw: peso de la tapa Ww: peso del agua
2.2.3.6. Esfuerzo por compresión por peso del recipiente
El esfuerzo por compresión es producido por el peso del mismo y se calcula con la siguiente ecuación.
𝑆 =
𝐶×𝑡 𝑊[10]
Donde:
S: Esfuerzo a compresión por peso del recipiente. W: Peso del recipiente lleno de agua
C: Perímetro del cuerpo t: Espesor del cuerpo
2.2.3.7. Prueba hidrostática
19 alguna baja de presión con la finalidad de comprobar que no exista ningún tipo de fuga.
2.3. SOLDADURA EN RECIPIENTES A PRESIÓN
La soldadura llego para reemplazar los métodos de fabricación antiguos de recipientes a presión que se hacía por medio de remaches, hoy en día es el método más utilizado y más confiable en la industria (Megyesy, 2001).
2.3.1. SOLDADURA TIG (TUNGSTEN INERT GAS)
Es un proceso de soldadura por arco eléctrico en el cual se obtiene la unión de los metales por calentamiento de los mismos, fruto de un arco que se establece entre un electrodo no consumible de tungsteno y la pieza. La zona de protección del electrodo y la soldadura se obtiene mediante un gas inerte, generalmente argón o una mezcla de gases inertes (Argón y Helio). El metal de aporte se coloca en el arco eléctrico logrando la fusión del mismo, y la mezcla de este con el metal base tal como se muestra en la figura 8.
Figura 8. Proceso de soldadura TIG.
20 La soldadura TIG es utilizada típicamente para aceros inoxidables, o aleados y aleaciones no ferrosas. El procedimiento puede ser manual o mecanizada, y se considera uno de los procesos de soldadura por arco que permite un mejor control de las condiciones de operación. Permite la ejecución de soldaduras de alta calidad y excelente terminación, sobre todo en juntas de pequeño espesor (típicamente en espesores de 0,2 a 3 mm, generalmente menos que 10 mm). Secciones de mayor espesor pueden ser soldadas, pero en este caso las consideraciones económicas tienden a favorecer los procesos con electrodo consumible (Eyheralde, 2012).
2.3.2. TIPO DE JUNTAS DE SOLDADURA
El tipo de juntas están especificados en el código ASME sección VIII, División 1. En el Anexo 2, se aprecia los 6 tipos de juntas y eficiencias en recipientes calderas y recipientes a presión que aplica el código.
2.3.3. CATEGORÍA DE JUNTAS
Las categorías de juntas del código definen la localización en el recipiente a presión y no definen el tipo de junta. En la figura 9, se observa la localización de las diferentes categorías de juntas en un recipiente a presión.
Figura 9. Localización de diferentes categorías de juntas.
21 Las categorías de juntas que están establecidas en el código ASME, Sección VIII, División 1 se utilizan para especificar requerimientos especiales al tipo de junta y grado de inspección.
Categorías:
A: Juntas soldadas longitudinales principalmente en el cuerpo, transiciones en diámetro o en conexiones. Juntas de una esfera, cabezal formado por varias partes, cabezal plano. Planchas que conforman un lado de un recipiente plano; Juntas de soldadura en forma circular que conectan un casco hemisférico al cuerpo principal.
B: Juntas circunferenciales en el cuerpo del recipiente, cámaras comunicantes, o conexiones, Transiciones en diámetro incluyendo juntas entre la transición y el cilindro.; Juntas que conectan cabezales no hemisféricos al cuerpo, a conexiones a diámetros o a cámaras comunicantes.
C: Soldadura en juntas que conectan bridas, placas tubulares, cabezales planos al cuerpo cilíndrico, Juntas que conectan un lado plano a otro lado plano en recipientes planos.
D: Soldadura en juntas que conectan conexiones o cámaras comunicantes al cuerpo cilíndrico, a cabezales a esferas, transiciones de diámetro a recipientes de lados planos, conexión mediante soldadura a cámaras comunicantes (ASME, 2010).
2.3.4. ASPECTOS ECONÓMICOS
22 aumenta en proporciones directas, y el metal depositado aumenta en proporción al cuadrado. La soldadura de baja calidad hace necesaria la utilización de placa de mayor espesor para el recipiente. El que sea más económico utilizar soldadura de mayor resistencia y placa más delgada o lo opuesto dependerá del tamaño del recipiente, del equipo de soldadura, etc. Esto debe ser decido en cada caso particular (Iza, 2015).
2.4. MATERIALES DE RECIPIENTES A PRESIÓN
Es la etapa de diseño de recipientes a presión donde define la clase de materiales de construcción, la propiedades, selección de materiales, los materiales generales en recipientes, planchas, forjas, fundiciones, clase de tubos, materiales de soldadura, materiales producidos de acuerdo a una especificación no permitida como se establece en el código ASME, Sección VIII División 1, los requerimientos específicos para aceros al carbono y aceros de alta aleación.
2.4.1. CLASES DE MATERIALES UTILIZADOS PARA LA FABRICACIÓN DE TANQUES A PRESIÓN
El código ASME indica la forma, los materiales más utilizados, lo cual va implícitas en su especificación. Debido a la existencia de diferentes materiales disponibles en el mercado no resulta sencilla la tarea de seleccionar el material ya que deben considerarse varios aspectos como costos, disponibilidad de material requerimientos de procesos y operaciones, facilidad de formato, etc. Se necesita un análisis más amplio para la selección del material en un recipiente sometido a presión como:
Aceros al carbono.- Es el más disponible y económico de los aceros, recomendables para la mayoría de los recipientes donde no existen altas presiones ni temperaturas.
23 general están fabricados para cumplir condiciones de uso específico. Son un poco más costosos que los aceros al carbón. Por otra parte no se considera que sean resistentes a la corrosión, pero tienen mejor comportamiento en resistencia mecánica para rangos más altos de temperaturas respecto a los aceros al carbón.
Aceros de alta aleación.- Comúnmente llamados aceros inoxidables. Su costo en general es mayor que para los dos anteriores. El contenido de elementos de aleación mayor, lo que ocasiona que tengan alta resistencia a la corrosión (ASME, 2010).
2.4.2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LOS RECIPIENTES SOMETIDOS A PRESIÓN
Las propiedades de los materiales para recipientes a presión deben satisfacer las condiciones de servicios tanto mecánicas, físicas, y químicas, a continuación se hace referencia a cada una de estas propiedades.
Propiedades mecánicas.- Al considerar las propiedades mecánicas del material es deseable que tenga una buena resistencia a la tensión, alto nivel de cedencia, porcentaje de alargamiento alto y mínima reducción de área. Con estas propiedades principales se establecen los esfuerzos de diseño para el material en cuestión.
Propiedades físicas.- En este tipo de propiedades se buscará que el material deseado tenga coeficiente de dilatación térmica.
Propiedades químicas.-La principal propiedad química que se debe considerar en el material a utilizar en la fabricación de recipientes a presión es su resistencia a la corrosión. Este factor es suma importancia ya que un material mal seleccionado causará muchos problemas, las consecuencias que derivan de ello son:
a) Reposición del equipo corroído. Un material que no sea resistente al ataque corrosivo puede corroerse en poco tiempo de servicio.
24 dejando margen para la corrosión, esto trae como consecuencia que los equipos ocupen más espacio.
c) Mantenimiento Preventivo. Para proteger los equipos del medio corrosivo es necesario usar pinturas protectoras.
d) Paros debido a la corrosión de equipos. Un recipiente a presión que ha sido atacado por la corrosión necesariamente debe ser retirado de operación, lo cual implica las pérdidas en la producción.
e) Contaminación o pérdida del producto. Cuando en los componentes de los recipientes a presión se han llegado a producir perforaciones en las paredes metálicas, los productos de la corrosión contaminan el producto, el cual en algunos casos es corrosivo (Iza, 2015).
2.4.3. SOLDABILIDAD DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LOS RECIPIENTES A PRESIÓN
Los materiales usados para fabricar recipientes a presión deben tener buenas propiedades de soldabilidad, dado que la mayoría de los componentes son de construcción soldada. Para el caso en que se tengan que soldar materiales diferentes estos deben ser compatibles en lo que a soldabilidad se refiere. Un material, cuanto más elementos contenga, mayores precauciones deberán tomarse durante los procedimientos de soldadura, de tal manera que se conserven las características que proporcionan los elementos de aleación (ASME, 2010).
2.5. TEMPERATURA DEL FLUIDO EN EL INTERIOR DEL
TANQUE A PRESIÓN
25 circuitos eléctricos de los tanques de agua caliente que utilizan una niquelina para calentar el agua hasta una cierta temperatura siendo está controlada por un termostato que conecta y desconecta el circuito permitiendo siempre tener agua caliente a una temperatura estable para su uso diario.
2.5.1. AISLAMIENTO TÉRMICO PARA TANQUES
Un aislante térmico es un material usado en la construcción y en la industria, caracterizado por su alta resistencia térmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a igualarse en temperatura, impidiendo que el calor traspase los separadores del sistema que interesa (como una vivienda o una nevera) con el ambiente que lo rodea.Por esta razón se utilizan como aislamiento térmico materiales porosos o fibrosos como las lanas minerales (lana de roca o de vidrio), espuma de poliuretano, corcho etc. (Cengel, 2011).
2.5.2. LANA DE VIDRIO
La lana de vidrio es un material aislante térmico y acústico utilizado en la construcción y en la industria. Se fabrica fundiendo arena a altas temperaturas, y luego mediante un proceso de fibrado se obtiene un producto de óptimas propiedades para aislamiento térmico acústico.
La lana de vidrio es 100% reciclable, no contamina y es un producto inerte tanto para la naturaleza, como para el ser humano. Es un producto atóxico, no cancerígeno y no es perjudicial para la salud.
Una de sus ventajas más relevantes, a diferencia de otros productos aislantes como los derivados del petróleo, fibras vegetales o acrílicas, es que es incombustible, no es inflamable, no genera humo ni gases nocivos y resisten altas temperaturas, limitando la propagación de llamas y retrasando el esparcimiento del fuego. .
26 mínimo espesor, se logra una mayor y eficiente resistencia térmica. Además es hidrorepelente, por lo que no es afectado por el contacto con el agua y la humedad. Su manipulación es muy simple, no es irritante ni contaminante, y su instalación es fácil, rápida y limpia, no deja pérdidas ni desperdicios durante su instalación.
2.5.3. ESPESOR ÓPTIMO DE AISLAMIENTO TÉRMICO
Para calcular el espesor óptimo de aislamiento térmico en cada tipo de estructura o equipo, es necesario tener en cuenta los aspectos económicos y energéticos. Por un lado, la colocación de aislamiento produce un ahorro energético, y por otro lado genera gasto por el precio de compra y el coste de fabricación.
Para el cálculo del espesor del aislante se empieza por realizar un balance de energía en una superficie de control del tanque a presión y se realiza con la siguiente ecuación (Cengel, 2011).
. .
𝐸𝑒𝑛 = 𝐸𝑠𝑎𝑙 [11]
𝐸̇
𝑒𝑛=
1 𝑇∞1−𝑇3 2𝜋𝑟1𝐿ℎ1+𝑙𝑛(𝑟2 𝑟1⁄ )
2𝜋𝐿𝐾𝐴 +𝑙𝑛(𝑟3 𝑟2 ⁄ ) 2𝜋𝐿𝐾𝐵
̇
[12]
𝐸𝑠𝑎𝑙 = ̇ ℎ22𝜋𝑟3𝐿(𝑇3 − 𝑇∞2) [13]
Donde:
𝑇∞1: Temperatura del agua dentro del tanque (K). T3: Temperatura superficial del aislante (K).
𝑇∞2: Temperatura del aire exterior (K). L: Longitud del tanque.
r1: Radio de interior del tanque.
r2: Radio exterior del tanque.
27 h1: Coeficiente de convección del agua.
h2: Coeficiente de convección del aire.
KA: Coeficiente de conducción del acero inoxidable.
KB: Coeficiente de conducción del aislante (lana de vidrio).
Los valores de coeficientes de conducción y convección de los materiales se muestran en las tablas del Anexo 4.
2.5.4. MASA DEL GAS (METANO)
Para saber la cantidad de gas en kg, se utiliza la ecuación del gas ideal.
𝑝𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 [14] 𝑛 = 𝑚
𝑀 Donde:
p: presión absoluta
V: Volumen del gas contenido en un recipiente n: kilomoles de un gas contenido
m: masa del gas
M: masa molecular o atómica del gas R: constante universal de gases T: Temperatura
2.5.5.
ENERGIA PRODUCIDA POR LA CANTIDAD DE MASA
La cantidad de energía producida por la cantidad de masa se calcula con ayuda de la siguiente ecuación.
𝑄 = 𝑃𝑐 × 𝑚
[15] Donde:28 Pc: poder calórico del metano
m: masa del metano
2.6. GENERALIDADES DEL BIOGÁS
El metano alcanzó una especial importancia durante la segunda guerra mundial debido a la escasez de combustibles. Con el fin de la guerra y la fácil disponibilidad de combustibles fósiles, la mayoría de las instalaciones fueron cesando en su funcionamiento. Sin embargo, en India, a comienzos de la década de los 60 se impulsó notablemente la tecnología de producción de biogás a partir de estiércol bovino con el doble propósito del aprovechamiento energético y la obtención de un biofertilizante. En China a inicios de la década de los 70, se ha fomentado la construcción de biodigestores. En la actualidad, el biogás se utiliza en todo el mundo como una fuente de combustible tanto a nivel industrial como doméstico. Su explotación ha contribuido a impulsar el desarrollo económico sostenido y ha proporcionado una fuente energética renovable alternativa al carbón y el petróleo (FAO, 2011).
2.6.1. BIOMASA
El término biomasa se refiere a toda la materia orgánica que puede ser convertida en energía como: los desechos de animales (estiércol); desechos agrícolas (residuos de maíz, café, cacao); desechos industriales (aserrín, cortezas); y desechos urbanos (aguas residuales); entre otros (IDAE, 2007).
2.6.2. BIOGÁS
29 del proceso. Cuando el biogás tiene un contenido de metano superior al 45% es inflamable, El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos y otros factores, en ausencia de oxígeno. Cuando el gas se procesa para obtener biogás natural concentrado y comprimido (BNCC), puede ser utilizado para
inyectarse en la red de gas natural o usarse para el funcionamiento de
vehículos a motor (Varnero, 2011).
2.6.3. COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS
El biogás se compone de aproximadamente 60% de metano (CH4) y 40% de dióxido de carbono (CO2), contiene mínimas cantidades de otros gases, entre ellos ácido sulfhídrico (H2S), nitrógeno y vapor de agua (Hernández, E., Samayoa, S., Álvarez, E. y Talavera, C., 2012), como se muestra en la tabla 1.
Tabla 1.Componentes principales del biogás.
Elemento Porcentaje (%)
Metano (CH4) 50-70
Dióxido de carbono (CO2) 30-50
Nitrógeno (N2) 0.5-3
Ácido sulfhídrico (H2S) 0.1-1
Vapor de agua Trazas
(Hernández, E., Samayoa, S., Álvarez, E. y Talavera, C., 2012)
2.6.4. CARACTERÍSTICAS GENERALESDEL BIOGÁS
30
Tabla 2. Características generales del biogás.
Composición
55-70% metano 30-45% dióxido de carbono
Trazas de otros gases
Contenido energético 6.0-6.5 kW h m-3 Equivalente de combustible 0.60-0.65 L petróleo/m3 biogás
Límite de explosión 6-12% de biogás en el aire Temperatura de ignición 650-750 °C
Presión crítica 74-88 atm
Temperatura crítica -82.5°C
Densidad normal 1.2 kg m-3
Olor Huevo podrido
Masa molar 16.043 kg kmol-1
(Varnero, 2011)
2.6.5. METANO
31 natural, desaparecen las condiciones por las que permanecía unido de manera que el metano puede aprovecharse como fuente de energía. Los orígenes principales de metano son:
Descomposición de los residuos orgánicos.
Fuentes naturales (pantanos), 23%.
Extracción de combustibles fósiles 20%, el metano tradicionalmente se quemaba y emitía directamente, hoy día se intenta almacenar en lo posible para reaprovecharlo formando el llamado gas natural.
Los procesos en la digestión y defecación de animales 17%, (Especialmente del ganado y el cerdo).
Las bacterias en plantaciones de arroz 12%.
Digestión anaeróbica de la biomasa.
Las características principales del metano se muestran en la tabla del Anexo 5.
2.7. PROCESO DE BIODIGESTIÓN
2.7.1. DIGESTIÓN ANAERÓBICA
32
2.7.2. ETAPAS DE LA FERMENTACIÓN METANOGÉNICA
La digestión anaeróbica es un proceso muy complejo tanto por el número de reacciones bioquímicas que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas. De hecho, muchas de estas reacciones ocurren de forma simultánea. Los estudios bioquímicos y microbiológicos realizados hasta ahora, dividen el proceso de descomposición anaeróbica de la materia orgánica en cuatro fases o etapas que son:(Chungandro, K. y Manitio, G., 2010).
1. Etapa de Hidrólisis 2. Etapa fermentativa 3. Etapa acetogénica 4. Etapa metanogénica
Las etapas para la producción de biogás y la transformación de la materia prima en cada etapa del proceso se pueden apreciar en la tabla 3.
Tabla 3. Etapas en la producción de biogás.
Fase Descripción
Hidrólisis Conversión de polímeros-monómeros
Fermentativa Conversión de ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono.
Acetogénica Degradación de los ácidos orgánicos hidrogeno y dióxido de carbono.
Metanogénica Conversión de los ácidos orgánicos en metano y dióxido de carbono.
33
2.7.3. FACTORES DETERMINANTES EN EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
Existen varios factores que pueden favorecer o retardar e incluso eliminar el proceso de producción de biogás a continuación se menciona los principales factores que se deben tomar en cuenta para un correcto proceso metanogénico.
2.7.3.1. Tipo de materia prima
Dentro de las materias primas fermentables se encuentran: estiércol de animales, aguas residuales, desecho de frutas, verduras, lácteos, carnes, restos de cosechas y basura. Las sales minerales (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros menores); también deben estar presentes con un determinado equilibrio en el proceso microbiológico ya que no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno (Hilbert, 2003).
Normalmente los estiércoles presentan este tipo de elementos en proporciones adecuadas. A modo ilustrativo se muestra a continuación la tabla 4, que trata acerca de las cantidades de estiércol producido por diversos tipos de animales y el rendimiento en gas de los mismos.
Tabla 4. Producción de estiércol por especie.
ESPECIE PESO VIVO Kg. Estiércol/ día % CH4
Cerdos 50 4,5 – 6 65-70
Vacunos 400 25 -40 65
Equinos 450 12 – 16 65
Ovinos 45 2,5 63
Aves 1,5 0,06 60
Caprinos 45 1,5 -
34
2.7.3.2. Temperatura del sustrato
La digestión es más rápida y más completa a temperaturas elevadas, el intervalo de 30 - 40°C es adecuado para la velocidad de digestión y la estabilidad del biodigestor. La temperatura elegida no debe oscilar en un intervalo mayor de cinco grados. Para que se inicie el proceso se necesita una temperatura mínima de 4º a 10º C y no se debe sobrepasar una máxima de alrededor de 60a 75ºC, como se puede observar en la tabla 5.
La temperatura está íntimamente relacionada con los tiempos que debe permanecer la biomasa dentro del digestor para completar su degradación, esto se conoce como tiempo de retención (Salazar, M. y Villares, J., 2012).
Tabla 5. Tipo de bacterias en función de la temperatura.
BACTERIAS
RANGO DE
TEMPERATURAS SENSIBILIDAD
TIEMPO DE RETENCIÓN
Psicrofílicas 4ºC - 15ºC ± 2 ºC/hora Más de 100 días
Mesofílicas 15ºC - 40ºC ± 1 ºC/hora 30 – 60 días
Termofílicas 40ºC - 75ºC ± 0.5 ºC/hora 10 – 16 días
(Salazar, M. y Villares, J., 2012)
2.7.3.3. Relación carbono-nitrógeno
35
Tabla 6. Promedio de los valores de la relación de C/N de diferentes residuos.
Residuos animales %C %N C/N
Bovinos 30 1.30 25:1
Porcinos 25 1.50 16:1
Equinos 40 0.80 50:1
Gallinas 35 1.50 23:1
Excretas humanas 2.5 0.85 3:1
Caprinas 40 1.00 40:1
Ovinos 35 1.00 35:1
Pavos 35 0.70 50:1
(Varnero, 2011)
2.7.3.4. Valor de pH
El valor del pH normal en un Biodigestor fluctúa de 7 a 7.2. Las bacterias son sensibles a las variaciones del PH por ello lo satisfactorio seria que se encuentre de 6.2 a 7.6. Los valores del PH se pueden medir con papel universal de pH, indicando las condiciones que presenta la mezcla dentro del biodigestor pudiendo determinar de este modo si la producción de biogás se genera de forma efectiva como se puede observar en la tabla 7.
Tabla 7. Efectos del pH en la biodigestión.
pH EFECTO
7-7.6 Óptimo
≤ 6.2 Retarda la acidificación ≥ 7.6 Retarda la amonización
(Pesenca, 2010)
2.7.3.5. Concentración de AGV
36 alimentados con material fresco, lo cual se ha vuelto un punto controversial de estudio (Farfán, 2014).
2.7.3.6. Carga volumétrica
La carga volumétrica es el volumen de sustrato orgánico cargado en el biodigestor, depende exclusivamente de la capacidad nominal del biodigestor, del total de la capacidad el 75% debe ser llenado con el sustrato, quedando un 25% para la acumulación del biogás, para saber la cantidad exacta del sustrato (estiércol/agua), se realiza el cálculo utilizando la siguiente ecuación.
𝐶𝑓 = 0.75 × 𝑉𝐷 [16] Donde:
Cf: cieno de fermentación V: volumen del tanque D: diámetro del tanque
2.7.3.7. Tiempo de retención (TR)
El tiempo de retención es el tiempo que el sustrato se mantiene dentro del biodigestor produciendo la mayor cantidad de biogás posible hasta cumplir con su biodegradación. Proyectos y estudios de investigación afirman que el tiempo de retención del sustrato está íntimamente relacionado con la temperatura en la que se encuentra el sustrato y el tipo de materia orgánica que se utiliza como se aprecia en la tabla 8 y tabla 9.
Tabla 8. Tiempo de retención relacionado con la materia prima.
MATERIA PRIMA TR
Estiércol vacuno liquido 20-30 días
Estiércol porcino liquido 15-25 días
Estiércol aviar liquido 20-40 días
37
Tabla 9. Tiempo de retención relacionado con la temperatura.
Temperatura (ºC) Producción de gas (𝒎𝟑/día) Tiempo de retención (Meses)
15 0,15 12
20 0,30 6
25 0,60 3
30 1,00 2
35 2,00 o mayor 1
(Varnero, 2011)
2.8. EQUIPOS DONDE EL BIOGÁS PUEDE SER UTILIZADO
Existen diversas aplicaciones donde puede ser utilizado el biogás como fuente de energía o combustible alternativo, en la tabla 10, se han listado los principales artefactos que pueden utilizar biogás, su consumo medio y su eficiencia.
Tabla 10. Aplicaciones del biogás.
Aparato Consumo Rendimiento
Quemador de cocina 100-300 l/h 50-60
Lámpara de gas 120-170 l/h 30-50
Frigorífico(100L) 30-75 l/h 20-30
Motor a gas 0.5 m3/kWh o Hph 25-30
Quemador de 10kW 2 m3/h 80-90
Infrarrojo de 200W 10 l/h 95-99
Cogenerador 0.5 m3/kWh Hasta 90
(Hilbert, 2003)
38 que oscila entre 100 y 130 lo cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de combustión interna (FAO, 2011).
Los motores a biogás tienen amplio espectro de aplicación siendo los más usuales: el bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeñadoras en el área rural, el otro uso muy generalizado es su empleo para activar generadores de electricidad (Hilbert, 2003).
En la figura 10, se muestran distintas alternativas de utilización de un metro cúbico de biogás, con sus respectivos consumos.
Figura 10. Alternativas de utilización de un metro cúbico de biogás.
(IDAE, 2007)
2.9. PRINCIPIOS DE LA COMBUSTIÓN DEL BIOGÁS
39 representada por las siguientes ecuaciones químicas que se muestran en la figura 11.
Figura 11. Principio de combustión del biogás
(FAO, 2011)
2.10. MOTOR TÉRMICO
El motor térmico convierte en trabajo útil una parte de la energía total entregada por una región de alta temperatura y el resto de energía desecha a una región de baja temperatura. El motor térmico entrega la energía mediante un proceso de combustión, debido a esto se lo puede clasificar en motor de combustión interna y motor de combustión externa. Otra forma de clasificar al motor térmico es por la forma como el fluido de trabajo actúa sobre la carga exterior teniendo como resultado el motor cilindro-pistón conocido también como motor alternativo, y el motor de rueda de álabes conocido como motor rotativo o turbomáquina (Zurita, 2007).
2.10.1.
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
40
Figura 12. Motor de combustión interna.
(Netherlands, 2006)
En este caso la presión de los gases de la combustión y el calor generado en el interior, provocan el movimiento de un mecanismo que se aprovechara como fuente de energía (Martínez, 1999).
2.10.2. MOTOR DE CUATRO TIEMPOS
En ingeniería se ha dado una mayor aplicación a los motores de cuatro tiempos. Las carreras(o tiempos) de esos motores son los siguientes:
1. Carrera de admisión. 2. Carrera de compresión.
3. Carrera de explosión (de potencia o trabajo). 4. Carrera de escape.
En cada motor de 4 tiempos una carrera causa que el cigüeñal gire180°, pues todo el ciclo se realiza en 720°, dos giros del cigüeñal. De esas 4 carreras solo una sirve para el trabajo.
41
2.10.3. MOTOR DE 4 TIEMPOS CICLO OTTO
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos es decir, que el ciclo completo del pistón tiene cuatro fases; admisión, compresión, expansión y escape como se aprecia en la figura 13.
Figura 13. Ciclo Otto.
(Trujillo, 2012)
La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración. En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de compresión, la proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 7:1 a 10:1 en la mayoría de los motores Otto modernos (BOSCH, 2005).
2.10.4. CICLO REAL MOTOR OTTO DE 4 TIEMPOS
42
Figura 14. Ciclo real motor Otto de 4 tiempos.
(González, 2011)
2.10.4.1. Primer tiempo o fase de admisión (1-2)
En realidad, esta fase no se produce a presión constante debido a la restricción que ofrece al paso del fluido la válvula de admisión. Como la sección de paso de válvula es menor que la del cilindro, a medida que el pistón desciende se provoca una depresión que hace que al final de la fase de admisión la presión interior del cilindro sea menor que la atmosférica (González, 2011).
2.10.4.2. Segundo tiempo o fase de compresión (2-3)
43 las paredes del cilindro pueden depreciarse. Como al final del tiempo de admisión se alcanza una presión inferior a la atmosférica, la compresión parte de una presión menor a la teórica y por tanto la presión máxima al final de esta fase también será menor que la teórica (González, 2011).
2.10.4.3. Tercer tiempo o fase de combustión y expansión (3-4-5)
La fase de combustión no se produce a volumen constante por tres motivos fundamentales:
Es progresiva: la combustión no se inicia instantáneamente y tampoco lo hace justo cuando el pistón está en el PMS, por lo que se producen las denominadas pérdidas de tiempo, que disminuyen notablemente el rendimiento. Además la velocidad del frente de llama una vez iniciada la combustión es más o menos igual a la velocidad de desplazamiento del pistón, dificultando el completar la combustión rápidamente. El frente de llama es una frontera imaginaria que separa los gases quemados de los gases sin quemar en la nube de mezcla que ha entrado en combustión y se desplaza desde el entorno cercano a la bujía hacia la cabeza del pistón. Es incompleta: la mezcla no es totalmente homogénea y como las paredes del cilindro están a una temperatura más baja, tiende a condensarse combustible que no va a ser quemado. Además dada la rapidez del proceso de combustión, el alcanzar el equilibrio químico resulta prácticamente imposible.