j. Manual científico_KAPOK_FINAL

5/11/2018 j. Manual cient fico_KAPOK_FINAL - slidepdf.com

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Kapok 2011

Manual Científico

Por:

Frank Alexander Ruiz Holguín. IEO

Juan Fernando Pérez Bayer. IM, Ph.D

John Ramiro Agudelo Santamaría. IM, Ph.D

Grupo de Manejo Eficiente de la Energía

Facultad de Ingeniería

Universidad de Antioquia

Abril de 2011



i

Agradecimientos

A las instituciones participantes en el proyecto de investigación:

Generación de energía eléctrica mediante gasificación de madera proveniente de

plantaciones forestales. Programa piloto de dendroenergía sostenible.



ii

RECONOCIMIENTOS

El trabajo de este proyecto solo fue posible realizarlo con el compromiso y colaboración de lassiguientes personas:

Juan Carlos Buriticá Grajales, Ingeniero Electrónico de la Universidad de Antioquia, quien

participo en el diseño y montaje del hardware y la calibración de la instrumentación usada en

la aplicación.

Oscar Jonathan Largo Monsalve y Claudia Marcela Orrego Zapata, Ingenieros Mecánicos de

la Universidad de Antioquia, quienes estuvieron a cargo del montaje experimental delgasificador y colaboradores en el diseño del software.

Yuhan Lenis Rodas, Ingeniero Mecánico de la Universidad de Antioquia, quien colaboró conel montaje experimental del gasificador, realización de pruebas y en la edición del manualtécnico y de usuario.

Y a todos los que colaboraron en el exitoso cumplimiento de los objetivos propuestos en

este proyecto.



Manual científico Page iii

CONTENIDO

1. INFORMACIÓN GENERAL ......................................................................................................................... 1

1.1 Descripción general del sistema.............................................................................................. 1

1.2 ¿Por qué el nombre Kapok? .................................................................................................... 2

1.3 Cláusula de uso ......................................................................................................................... 3

2. INSTALACIÓN......................................................................................................................................... 4

2.1 Requisitos mínimos y recomendados de instalación ............................................................. 5

2.2 Configuración regional ............................................................................................................. 5

2.3 Instalación de Kapok 2011 ....................................................................................................... 6

2.3.1 Condiciones de instalación ...................................................................................................... 6

2.3.2 Menú automático ..................................................................................................................... 6

2.3.3 Asistente de instalación ........................................................................................................... 6

2.3.4 Rutas de instalación ................................................................................................................. 7

2.3.5 Contrato de licencia ................................................................................................................. 8

2.3.6 Inicio de la instalación .............................................................................................................. 8

2.3.7 Reinicio del sistema.................................................................................................................. 9

3. USO DE KAPOK.................................................................................................................................... 10



Manual científico Page iv

3.1 Funcionamiento del programa .............................................................................................. 10

3.2 Primera vez con el software .................................................................................................. 12

4. CARACTERÍSTICAS DEL HARDWARE Y SOFTWARE ...................................................................................... 15

4.1 Hardware y software.............................................................................................................. 16

4.1.1 Sensores .................................................................................................................................. 16

4.1.2 Tarjeta DAQ y electrónica periférica ..................................................................................... 17

4.1.3 Software .................................................................................................................................. 17

4.2 Ecuaciones características de los sensores .......................................................................... 18

4.2.1 Sensor de flujo de oxígeno MAF2 ......................................................................................... 18

4.2.2 Sensor de flujo de aire MAF1 ................................................................................................ 19

4.2.3 Sensor de flujo de aire de hilo caliente ................................................................................ 19

4.2.4 Sensores de temperatura termopares tipo K ....................................................................... 20

4.3 El código .................................................................................................................................. 20

5. PLANTEAMIENTO MATEMÁTICO ............................................................................................................. 28

5.1 Lista de símbolos .................................................................................................................... 30

5.2 Velocidad del frente de llama ............................................................................................... 32

5.3 Dosado relativo de gasificación ............................................................................................. 33

5.4 Fórmula de sustitución .......................................................................................................... 33



Manual científico Page v

5.5 Velocidad superficial del aire ................................................................................................ 35

5.6 Flujo de biomasa .................................................................................................................... 35

5.7 Temperatura máxima del proceso ........................................................................................ 36

5.8 Tasa de calentamiento ........................................................................................................... 36

5.9 Concentración de alquitranes ............................................................................................... 36

5.10 Poder calorífico del gas pobre ............................................................................................... 37

5.11 Rendimiento de primera ley .................................................................................................. 38

5.12 Propiedades de la biomasa relativas a su gasificación ....................................................... 38

5.13 Propiedades químicas ............................................................................................................ 39

5.13.1 Análisis elemental .............................................................................................................. 39

5.13.2 Análisis próximo ................................................................................................................. 40

5.13.3 Análisis termogravimétrico ............................................................................................... 40

5.14 Bases para expresar la composición de la biomasa ............................................................. 41

5.15 Poder calorífico....................................................................................................................... 42

5.16 Propiedades físicas ................................................................................................................. 44

5.16.1 Densidad ............................................................................................................................. 44

5.16.2 Humedad ............................................................................................................................ 45

5.16.3 Tamaño de las partículas ................................................................................................... 46



Manual científico Page vi

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................................... 48



1. Información general

Manual científico 1

CAPÍTULO

1 1.INFORMACIÓN GENERAL

CONTENIDO

1.1 Descripción general del sistema .............................................................................................. 1

1.2 ¿Por qué el nombre Kapok? .................................................................................................... 2

1.3 Cláusula de uso ......................................................................................................................... 3

1.1 Descripción general del sistema

Por parte del Grupo de Manejo Eficiente de la Energía (Gimel) se desarrolló una instalación

experimental que, además de prestar el servicio de caracterización de combustibles sólidos,

permite desarrollar estudios de procesos de gasificación y combustión respondiendo al

creciente interés que esta área ha despertado. Es así como se dio origen en el Laboratorio de

Máquinas Térmicas de la Facultad de Ingeniería al montaje mostrado en la figura 1.1.

Kapok será el encargado de procesar los datos adquiridos durante el proceso de gasificación

y reportar los resultados de interés mencionados anteriormente. Para ello recibirá las señales

de los tres sensores de caudal dispuestos en las líneas de flujo tanto de los agentes gasificantes

como de la muestra para el análisis cromatográfico y las señales de los termopares dispuestos a

lo largo del gasificador. De esta manera, con Kapok se podrá registrar las propiedades





termoquímicas de los combustibles sólidos, capturar temperaturas y flujos, y calcular los

resultados de cada experimentación en dicho montaje experimental. En este manual se explica

la forma de proceder para la instalación y uso de este software.

Figura 1.1. Sistema de gasificación en lecho fijo equicorriente de combustibles sólidos a escala de laboratorio

1.2 ¿Por qué el nombre Kapok?

Con el ánimo de asociar el software desarrollado con el sentido ecológico que mueve las

razones del grupo Gimel por estudiar la biomasa, se ha bautizado este software con el nombre

Kapok, con el que también se suele llamar a la Ceiba Pentandra, una de las especies de mayor

reconocimiento en las zonas tropicales de los dos hemisferios, más por su valor cultural que por

la utilidad misma de su madera, véase la figura 1.2.

El árbol de Kapok posee desde la época precolombina un significado místico y un valor

histórico para las diferentes culturas de los países de Centro y Sur América y de algunas zonas

del África y Asia. Al árbol se le han atribuido poderes sobrenaturales como la capacidad de





alejar el mal, curar enfermedades o proteger la vida misma frente al embate de los fenómenos

naturales. Por este motivo la especie es conocida en todo el mundo como el árbol de la vida.

Figura 1.2. Ceiba Pentandra, especie conocida como Kapok

1.3 Cláusula de uso

Este programa es proporcionado por los autores "tal cual es" y cualesquiera garantías

expresas o implicadas, incluyendo pero no limitando, las garantías implícitas de

comercialización y capacidad para un propósito particular están negadas. En ningún caso podrá

el autor ser responsable por ningún daño directo, indirecto, incidental, especial, ejemplar, o

resultante (incluyendo, pero no limitando a, procuración de bienes sustitutos o servicios;

pérdida de funcionalidad, datos, o beneficios; o interrupción de negocios) no obstante la causa,

y en ninguna teoría de responsabilidad, ya sea por contrato, responsabilidad limitada, o dañoderivado de un acto o falta de dicho acto (incluyendo negligencia o cualquier otro) resultante

de cualquier modo de uso de este programa, incluso si se advirtió de la posibilidad de dicho

daño.



2. Instalación

Manual Científico 4

CAPÍTULO

2 2.INSTALACIÓN

CONTENIDO

2.1 Requisitos mínimos y recomendados de instalación ............................................................. 5

2.2 Configuración regional ............................................................................................................. 5

2.3 Instalación de Kapok 2011 ....................................................................................................... 6

2.3.1 Condiciones de instalación ...................................................................................................... 6

2.3.2 Menú automático ..................................................................................................................... 6

2.3.3 Asistente de instalación ........................................................................................................... 6

2.3.4 Rutas de instalación ................................................................................................................. 7

2.3.5 Contrato de licencia ................................................................................................................. 8

2.3.6 Inicio de la instalación .............................................................................................................. 8

2.3.7 Reinicio del sistema .................................................................................................................. 9



2. Instalación


2.1 Requisitos mínimos y recomendados de instalación: En la siguiente tabla se listan las

condiciones mínimas y recomendadas de hardware y software para la instalación y correcto

funcionamiento de Kapok.

Requisito Mínimo Recomendado

Procesador Intel Pentium IIIIntel Pentium IV o mayorAMD Sempron o mayor

Memoria RAM 512 MB 2 GB o mayor

Espacio en disco 250 MB 4 GB o mayor

Sistema operativo XP XP o superior

Resolución de pantalla 800 x 600 1280 x 1024Tarjeta de red PCI 10/100 Mbps PCI Wi Fi o USB Wi Fi

Entorno de ejecución* National Instruments LabVIEW 8.5

Tarjeta de adquisición de datos NI USB 6210

Lector de documentos portables Adobe reader 6.0 Adobe reader 10

Procesador de hojas de cálculo Microsoft Office 2003 Microsoft Office 2007 o mayor

* En caso de no contar con una licencia de uso de LabView 8.5, el CD de instalación cuenta con la aplicaciónNational Instruments LabVIEW Runtime Engine 8.5 con el cual funciona el programa a cabalidad.

2.2 Configuración regional

Debido a la configuración preestablecida en el algoritmo de cálculo del software se

recomienda el uso de la siguiente configuración regional.

Requisito Recomendado

Símbolo decimal Un punto (.)

Formato de hora “hh:mm:ss tt”

Separador de hora Dos puntos (:)



2. Instalación


2.3 Instalación de Kapok 2011

Siga las siguientes instrucciones para instalar el programa Kapok 2011.

2.3.1 Condiciones de instalación

Asegúrese de tener derechos administrativos o de ser usuario con privilegios de instalación

de programas en el equipo en que será instalado el software. Recuerde que para obtener

mejores resultados se recomienda cerrar las demás aplicaciones, incluido el antivirus.

2.3.2 Menú automático

Inserte el CD de instalación y espere a que de forma automática aparezca el menú mostrado

en la figura 3. Seleccione instalar Kapok 2011. Si el menú automático no aparece, ingrese en la

unidad de CD y ejecute el archivo instal.exe.

Figura 2.1. Menú automático de instalación

2.3.3 Asistente de instalación

Una vez ejecutado el instalador del programa, aparecerá el asistente de instalación

mostrado a continuación. Seleccione siguiente cuando el programa haya terminado de preparar

los archivos de instalación.



2. Instalación


2.3.4 Rutas de instalación

En la siguiente ventana podrá seleccionar las rutas de instalación tanto de Kapok 2011 como

de la aplicación LabVIEW Runtime Environment 8.5. Este complemento da pleno soporte,

funcionalidad y compatibilidad a los ejecutables desarrollados en LabVIEW, dado que contiene

las librerías necesarias para el correcto funcionamiento de Kapok. Se recomienda además

utilizar las rutas preestablecidas por el programa.



2. Instalación


2.3.5 Contrato de licencia

Luego de seleccionar los directorios de instalación, lea con atención el contrato de licencia

ofrecido por el programa. Posteriormente proceda a aceptar o rechazar, según sea el caso, el

acuerdo de licencia para continuar con la instalación.

2.3.6 Inicio de la instalación

Una vez aceptado el contrato de licencia, proceda a iniciar la instalación oprimiendo el botón

“next” . El proceso de instalación se mostrará mediante barras de progreso.



2. Instalación


2.3.7 Reinicio del sistema

Al terminar la instalación, el ayudante ofrecerá la opción de reiniciar el sistema (Restart )

para completar la instalación. Si tiene pensado instalar hardware elija apagar (Shut Down). Si

prefiere realizar otras configuraciones antes de reiniciar, elija reiniciar después (Restart Later ).



3. Uso de Kapok


CAPÍTULO

3 3.USO DE KAPOK

CONTENIDO

3.1 Funcionamiento del programa .............................................................................................. 10

3.2 Primera vez con el software .................................................................................................. 12

3.1 Funcionamiento del programa

El diagrama de flujo mostrado en la figura 3.1 ilustra de forma simple el funcionamiento de

Kapok. Inicialmente el usuario ingresa las generalidades y las propiedades termoquímicas del

combustible sólido. Luego el algoritmo valida los valores ingresados, advierte si se requiere

corregir algún campo y ofrece la posibilidad de corrección automática para los campos de

análisis último y análisis próximo.

Una vez culminada la etapa de ingreso de propiedades, el usuario deberá ingresar al espacio

pruebas. En caso de no haber guardado los datos aparecerá una advertencia y posteriormenteuna ventana que permitirá seleccionar la ruta de guardado de los archivos de la

experimentación. Cuando el programa haya registrado la ruta en la que se guardarán las

pruebas, habilitará el ícono de captura de datos.



3. Uso de Kapok


Al finalizar la experimentación los resultados del proceso se muestran en la pestaña

resultados.

Figura 3.1. Diagrama de flujo del software



3. Uso de Kapok


3.2 Primera vez con el software

Inicie la aplicación ejecutando el ícono del programa que encontrará en el escritorio o siga la

ruta Inicio/Todos los programas/Gimel software/Kapok 2011. Mientras el software inicia verá la

pantalla de bienvenida.

La figura 3.2 muestra el espacio con que se iniciará cada experimento. Aquí se pregunta por

las siguientes propiedades: especie, análisis elemental, análisis inmediato o próximo,

propiedades atmosféricas y propiedades del ensayo.

Figura 3.2. Pestaña de propiedades – software Kapok®

La segunda pestaña se encuentra distribuida con el registro del campo de temperaturas y

caudales como lo muestra la figura 3.3. En este espacio deberá permanecer el usuario durante

la experimentación.



3. Uso de Kapok


Figura 3.3. Pestaña de pruebas – software Kapok®

La tercera y última pestaña arroja automáticamente los resultados del proceso de

gasificación, véase la figura 3.4. En este punto el usuario puede imprimir o guardar el reporte

obtenido.

Figura 3.4. Pestaña de resultados – software Kapok®



3. Uso de Kapok


Para facilitar el uso intuitivo de la aplicación se diseñó un panel superior que cuenta con los

comandos esenciales para usar el programa como se muestra a continuación.

Sección general Sección de pruebas

Guardar el estudio en cursoPoner en marcha y detener laadquisición de datos

Chequear los datos de la ventana depropiedades

Crear una nueva réplica

Imprimir el reporte general de losresultados de la prueba

Suprimir la réplica actual

Sección de configuración

Iniciar la transmisión Wifi de datos

Configurar parámetros del software

Acerca de los realizadores delsoftware

Kapok fue desarrollado bajo el entorno Labview aspecto que le permite mayor versatilidad y

eficiencia en el procesamiento de datos.



5. Planteamiento matemático


CAPÍTULO

44.CARACTERÍSTICAS DEL

HARDWARE Y SOFTWARE

CONTENIDO

4.1 Hardware y software .............................................................................................................. 16

4.1.1 Sensores .................................................................................................................................. 16

4.1.2 Tarjeta DAQ y electrónica periférica ..................................................................................... 17

4.1.3 Software .................................................................................................................................. 17

4.2 Ecuaciones características de los sensores .......................................................................... 18

4.2.1 Sensor de flujo de oxígeno MAF2 ......................................................................................... 18

4.2.2 Sensor de flujo de aire MAF1 ................................................................................................ 19

4.2.3 Sensor de flujo de aire de hilo caliente ................................................................................ 19

4.2.4 Sensores de temperatura termopares tipo K ....................................................................... 20

4.3 El código .................................................................................................................................. 20





En ésta sección se detalla el código usado en algunas de las estructuras más relevantes

programadas en kapok, se ilustra también las ecuaciones y curvas características de los

sensores usados en la aplicación y se muestran algunos datos técnicos y diagramas de conexión.

4.1 Hardware y software

4.1.1 Sensores

Se usaron dos sensores de flujo para medir los caudales de aire y oxigeno como los que se

muestran a continuación:

MAF:Conexión:

A: 12V

B: Tierra

C: Señal de flujo

D: Sensor de Temperatura [5V]

E: Retorno señal sensor

Figura 4.1. Bornera de conexión de los sensores de flujo de aire y oxigeno

Se usaron nueve termopares tipo K configurados con transductores de temperatura Novus

en el siguiente rango:

0 °C 4 mA

1370 °C 20 mA

Figura 4.2. Termopar tipo K y transductor de temperatura NOVUS





4.1.2 Tarjeta DAQ y electrónica periférica

Se usó la tarjeta NI-USB6210 para adquirir los datos de la instalación experimental

Señal Entrada Análoga NIT1 AI0

T2 AI8

T3 AI1

T4 AI9

T5 AI2

T6 AI10

T7 AI3

T8 AI11

T9 AI4

MAF2 AI12 Oxigeno

MAF1 AI13 Aire

Figura 4.3. Tarjeta de Adquisición de datos NI-USB6210

Se usaron además Amplificadores Operacionales, resistores, y capacitores de distintos valorespara acondicionar las señales adquiridas, toda esta electrónica contenida dentro del móduloetiquetado con el número 13 en la figura 1.1.

4.1.3 Software

El software usado para desarrollar la aplicación fue LabView 8.5

Figura 4.4. Software de programación





4.2 Ecuaciones características de los sensores

4.2.1 Sensor de flujo de oxígeno MAF2

A continuación se presenta la curva característica del sensor de flujo de oxigeno y la curva de

tendencia lineal que mejor se ajusta a los datos experimentales con su respectiva ecuación:

Curva de calibración:

Figura 4.5. Curva de calibración del sensor de caudal de Oxigeno MAF2

Esta señal pasa por un amplificador que le da una ganancia antes de llegar a la tarjeta de

adquisición de datos, por lo que es necesario adicionar esta ganancia a la curva de calibración.

Ganancia Amplificador MAF_O2: 6.06 V/V

Título del gráfico

y = 207,32x - 137,41R

2= 0,9887

0

20

40

60

80

100

0,0 0,5 1,0 1,5

Voltaje [V]

F l u j o [ s l p m ]

Curva MAF O2

Lineal (Curva MAF O2)





4.2.2 Sensor de flujo de aire MAF1

A continuación se presenta la curva característica del sensor de flujo de aire y la curva de

tendencia lineal que mejor se ajusta a los datos experimentales con su respectiva ecuación:

Curva de calibración:

Figura 4.6. Curva de calibración del sensor de caudal de Aire MAF1

Esta señal pasa por un amplificador que le da una ganancia antes de llegar a la tarjeta de

adquisición de datos, por lo que es necesario adicionar esta ganancia a la curva de calibración.

4.2.3 Sensor de flujo de aire de hilo caliente

Ganancia Amplificador MAF1_AIRE: 6.16 V/V

A continuación se presenta la curva característica del sensor de aire de hilo caliente:

Título del gráfico

y = 237,94x - 151,32

R2

= 0,9933

0

20

40

60

80

100

120

0,0 0,5 1,0 1,5

Voltaje [V]

F l u j o [ s l p m ]

Curva MAF Aire

Lineal (Curva MAF

Aire)





4.2.4 Sensores de temperatura termopares tipo K

A continuación se presenta la curva característica de los sensores de temperatura y la curva

de tendencia lineal que mejor se ajusta a los datos experimentales con su respectiva ecuación:

Figura 4.7. Curva de calibración de los sensores de temperatura termopares tipo K

4.3 El código

La figura 4.8 ilustra el modo de captura y adquisición de las señales de información. Como se

puede apreciar, el bus de datos de la tarjeta DAQ es demultiplexado para acceder a cada uno

de los canales independientemente, una vez separados, se procede a caracterizar

matemáticamente las señales partiendo de las ecuaciones mostradas anteriormente.

Finalmente las variables leídas son mostradas en los indicadores dispuestos para tal fin en lainterfaz de usuario.

Curva de salida para temperatura

y = -171,25x + 1573,8

0

200

400600

800

1000

1200

1400

1600

0 2 4 6 8 10

Voltaje (NI)

T e m p

Curva Temperatura

Lineal (Curva

Temperatura)





Figura 4.8. Código diseñado para la captura y adquisición de datos

A continuación se muestran algunas de los subVI’s usados en el programa y su respectivo

código:

Figura 4.9. Interfaz para guardar los datos de las curvas obtenidas en las pruebas





Las siguientes tres figuras muestran el código para guardar los datos de las curvas generadas

en una prueba. El proceso consta de una secuencia de tres “ frames”, el primer frame establece

la ruta de guardado del archivo, el segundo genera las cabeceras con las que se etiquetan las

diferentes columnas de datos y el tercero guarda los datos en la ruta especificada.





Figura 4.10. Códigos para guardar los datos de las curvas obtenidas en las pruebas

La siguiente figura muestra la interfaz generada para guardar los datos de entrada en la

pestaña de propiedades:

Figura 4.11. Interfaz para guardar los datos de las propiedades de una especie





Las siguientes tres figuras muestran el código para guardar los datos de las propiedades

digitadas para una especie en particular. El proceso para guardar las curvas es similar Al del

guardado de las curvas.





Figura 4.12. Códigos para guardar los datos de las propiedades obtenidas en las pruebas

La figura 4.13, muestra el aplicativo para realizar validaciones y correcciones de los datos de

entrada del usuario en la pestaña de PROPIEDADES. El usuario puede decidir si las correcciones

se realizan automática o manualmente. Al igual que esta ventana existe otra para validar los

datos de los análisis inmediatos. Pulsando este botón sobre la interfaz de usuario, se

verificarán los datos de entrada.





Figura 4.13. SubVI que permite realizar validaciones de los datos propiedades

En la figura 4.14, se ilustra el aplicativo que permite establecer comunicación remota con un PC

que se encuentra conectado a una red de trabajo inalámbrica usando tecnología WIFI. Pulsando

este botón sobre la interfaz de usuario, se habilitará el modo de transmisión remota. Sólo

se debe especificar el número del puerto y la dirección IP del PC con el que se establecerá

comunicación.

Figura 4.14. Código diseñado SubVI que envía los datos de las pruebas a otro PC de forma remota, usando

transmisión inalámbrica por WIFI

La figura 4.15, ilustra la aplicación que le permite a un usuario remoto supervisar el estado

de una prueba en ejecución.





Figura 4.15. SubVI que recibe los datos enviados en tiempo real por un PC conectado al proceso, en forma remota





CAPÍTULO

55.PLANTEAMIENTO

MATEMÁTICO

CONTENIDO

5.1 Lista de símbolos .................................................................................................................... 30

5.2 Velocidad del frente de llama ............................................................................................... 32

5.3 Dosado relativo de gasificación ............................................................................................. 33

5.4 Fórmula de sustitución .......................................................................................................... 33

5.5 Velocidad superficial del aire ................................................................................................ 35

5.6 Flujo de biomasa .................................................................................................................... 35

5.7 Temperatura máxima del proceso ........................................................................................ 36

5.8 Tasa de calentamiento ........................................................................................................... 36

5.9 Concentración de alquitranes ............................................................................................... 36

5.10 Poder calorífico del gas pobre ............................................................................................... 37

5.11 Rendimiento de primera ley .................................................................................................. 38





5.12 Propiedades de la biomasa relativas a su gasificación ....................................................... 38

5.13 Propiedades químicas ............................................................................................................ 39

5.13.1 Análisis elemental .............................................................................................................. 39

5.13.2 Análisis próximo ................................................................................................................. 40

5.13.3 Análisis termogravimétrico ............................................................................................... 40

5.14 Bases para expresar la composición de la biomasa ............................................................. 41

5.15 Poder calorífico ....................................................................................................................... 42

5.16 Propiedades físicas ................................................................................................................. 44

5.16.1 Densidad ............................................................................................................................. 44

5.16.2 Humedad ............................................................................................................................ 45

5.16.3 Tamaño de las partículas ................................................................................................... 46

En este capítulo se describe el planteamiento matemático del programa KAPOK. A

continuación se describen los cálculos que el software realiza de las principales propiedades

relacionadas con la gasificación.





5.1 Lista de símbolos

NOMENCLATURA

Área transversal por donde fluye el agente gasificante

Contenido energético del gas pobre

Contenido energético de la biomasa

- Dosado estequiométrico

- Dosado relativo de gasificación

- Dosado real

Entalpía de formación del compuesto j

L Longitud del lecho

Masa molar del componente j

Masa final del filtro de alquitranes

Masa inicial del filtro de alquitranes

Flujo másico de biomasa

Flujo másico de agente gasificante

Flujo másico de biomasa seca





Flujo másico de biomasa seca

Flujo específico de la biomasa

Poder calorífico inferior másico de la biomasa

Poder calorífico inferior másico del gas pobre

Poder calorífico inferior volumétrico del gas pobre

Poder calorífico inferior volumétrico del componente j

Poder calorífico superior másico del componente j

Temperatura máxima del proceso

Tasa de calentamiento

Velocidad superficial del aire

- Fracción molar del componente j

Caudal del agente gasificante

Velocidad del frente de llama

LETRAS GRIEGAS

Densidad de la biomasa





Densidad aparente

Densidad específica

Densidad real

- Porosidad de la partícula

- Porosidad del lecho

% Eficiencia del proceso

5.2 Velocidad del frente de llama

Este parámetro representa la velocidad con la que se mueve, a lo largo del gasificador, el

conjunto de las zonas de reacción que componen el proceso de gasificación. La estimación de

este parámetro se hace a partir del campo de temperaturas obtenido en cada experimento,

mediante la siguiente ecuación [1].

(1)

Donde





, es el tiempo que transcurre desde que el primer termopar alcanza los 400°C

hasta que lo hace el noveno termopar

L, es la longitud del lecho (0,24 m)

5.3 Dosado relativo de gasificación

Es la relación entre el dosado real y el dosado estequiométrico de la biomasa. Conociendo la

densidad especifica de la biomasa y el volumen del lecho se puede determinar la cantidad de

biomasa en el lecho y del campo de temperaturas se extrae el tiempo que tarda todo el lecho

en gasificarse [1]; la razón entre éstas dos variables es el flujo másico de biomasa. La razón

entre el flujo másico de biomasa y el flujo másico de aire representa el dosado real del proceso.El dosado estequiométrico de la biomasa se determina a partir de la fórmula de sustitución de

la biomasa, como se muestra en la ecuación 6.

(2)

(3)

(4)

(5)

5.4 Fórmula de sustitución

A partir del análisis elemental de la biomasa se puede obtener su fórmula de sustitución de

la forma , asumiendo que n es la unidad y mediante la siguiente expresión.

(6)

Donde





Si la composición elemental se obtiene a partir del análisis inmediato, la fórmula de

sustitución quedará entonces de la forma , asumiendo también que n es la unidad. Si

se quiere enriquecer con oxígeno el proceso de gasificación, debe ser reemplazado el nitrógeno

del aire por oxígeno.

Ahora bien, si se quiere mantener la misma reacción, pero con aire enriquecido, se debe

realizar el siguiente cambio en la molécula de aire atmosférico.

(7)

Bajo la siguiente condición:

(8)

De esta manera, se puede ver que al adicionar oxígeno se requiere cada vez menos aire

atmosférico y por tanto disminuye la cantidad de nitrógeno que entra a la reacción. El

porcentaje de enriquecimiento viene dado por el valor de , de ese modo un valor de ,

conlleva a que , por lo que el proceso se da igual a que si fuera con aire atmosférico.

Se tiene finalmente que:

(9)

Donde

(10)





5.5 Velocidad superficial del aire

Éste parámetro es considerado de gran importancia para la evaluación del desempeño de un

gasificador, además de permitir la comparación entre el desempeño de plantas que utilizan

gasificadores de diferentes tamaños [2]. De la velocidad superficial del aire dependen variables

como la tasa de producción de gas pobre, el contenido energético del gas, la tasa de consumo

de biomasa, entre otros.

Se define como la razón entre el caudal de aire suministrado y el área transversal por donde

fluye dicho aire.

(11)

Donde

5.6

Flujo de biomasa

Es el consumo de biomasa por unidad de área durante el proceso de gasificación. Es de gran

utilidad éste parámetro para facilitar la comparación entre distintos tamaños de gasificadores.

(12)





5.7 Temperatura máxima del proceso

Una vez se tienen cargadas las temperaturas que hicieron parte del proceso de gasificación

el algoritmo se encarga de buscar la temperatura más alta que se alcanza en el experimento.

Este valor está influenciado por el dosado relativo de gasificación, pues al ir disminuyendo a

medida que se aumenta el caudal de aire se acerca al dosado estequiométrico, elevando con

ello las temperaturas alcanzadas en el proceso [3].

5.8 Tasa de calentamiento

Se refiere al valor promedio de la pendiente de la subida lineal que se da en cada uno de los

termopares que registran el campo de temperaturas, desde que estos alcanzan unatemperatura de 100 °C, hasta que se alcanza una temperatura de 100 °C inferior a su respectiva

temperatura máxima.

(13)

Donde

, es el tiempo que transcurre desde que cada termopar alcanza los 100 °C

hasta que alcanza una temperatura de 100 °C inferior a su temperatura máxima.

5.9 Concentración de alquitranes

La concentración de alquitranes se determinada a partir de la masa de alquitranes que se

condensan en el filtro de acetato de celulosa de la línea de muestreo y del flujo total de gases

que circula por la línea, el cual se calcula mediante el caudal promedio y el tiempo de la prueba.

La masa inicial será la masa del filtro después de ser eliminado el máximo de humedad que

pueda contener. Después de cada experimento, el filtro ya impregnado de alquitranes debe ser





secado de nuevo midiendo posteriormente su masa, que será la masa final. Es así como con

diferencia de masas del filtro y con el volumen total del gas que circuló por la línea se halla la

concentración de alquitranes en el gas pobre en g/m3, como se muestra a continuación.

(14)

5.10 Poder calorífico del gas pobre

El poder calorífico se define como la cantidad de energía liberada por un combustible

cuando éste se quema estequiométricamente y los productos de combustión salen a igual

condición (presión y temperatura) a la que entran los reactivos [4]. Se calcula mediante las

ecuaciones mostradas a continuación, según la norma ASTM D3588-98(2003) a partir de la

composición del gas resultante, asumiendo que el gas pobre sale a condiciones estándar de

presión y temperatura (273.25K, 1bar).

(15)

(16)

son tomados del Informe preparado para la IEA Bioenergy - gasificación térmica de

biomasa tabla 1.

Tabla 1. Poder calorífico en MJ/Nm3

Fuente: tomada de [5]

Componente H2 CO CH4

HHV 12.769 12.622 39.781

LHV 10.788 12.622 35.814





5.11 Rendimiento de primera ley

Está definido como la razón entre el contenido energético del gas pobre producido (Egp) y el

contenido energético de la biomasa utilizada en el proceso (Ebms). Se calcula según se muestra a

continuación, asumiendo que el gas pobre sale a una temperatura de 25 °C y despreciando la

energía correspondiente a la entalpía sensible del gas pobre.

(17)

Las energías del gas pobre y de la biomasa se calculan como sigue.

(18)

(19)

Los valores a, c y d son factores adimensionales calculados a partir de la composición del gas

resultante de acuerdo a la metodología propuesta por Tinaut et al. [6], de la siguiente forma:

(20)

(21)

(22)

5.12 Propiedades de la biomasa relativas a su gasificación

La biomasa contiene un gran número de compuestos orgánicos, humedad y pequeñas

cantidades de impurezas inorgánicas conocidas como cenizas. Los compuestos orgánicos se

componen principalmente de cuatro elementos: carbón, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.





La biomasa podría tener también pequeñas trazas de cloro y azufre. Esta última raramente

se encuentra en la biomasa, excepto cuando procede de fuentes secundarias.

El diseño térmico de un sistema de gasificación de biomasa precisa conocer tanto la

composición como el contenido energético. Las siguientes son los principales análisis

requeridos para el posterior cálculo del software.

5.13 Propiedades químicas

5.13.1 Análisis elemental

También conocido como análisis último, expresa la composición del combustible en términos

de sus elementos básicos, a excepción de la humedad, y sus componentes inorgánicos. Unanálisis elemental típico debe cumplir la siguiente relación:

(23)

A partir del análisis inmediato de la biomasa, se puede hacer un cálculo aproximado de su

composición elemental, utilizando las siguientes expresiones desarrolladas por Parikh et al [7]

(24)

(25)

(26)

Donde MV, y CF, representan el material volátil y carbono fijo, carbono elemental de

hidrógeno, y el contenido de oxígeno de material de la biomasa, respectivamente, expresada

en masa porcentajes en base seca.





5.13.2 Análisis próximo

También se conoce como análisis inmediato. Da la composición aproximada de la biomasa

en términos de componentes tales como: humedad, material volátil (VM), cenizas, y carbono

fijo (FC). Es un proceso relativamente sencillo y barato. Para los combustibles lignocelulósicos

se puede utilizar la norma E-870-06. Algunos apartes de la norma ASTM se aplican para

determinar los componentes de la biomasa de forma individual:

• Material volátil: E-872 para los combustibles lignocelulósicos

• Cenizas: D-1102

• Humedad: E-871

• Carbono fijo: se determina por la diferencia

La humedad y cenizas determinadas en el análisis próximo se refieren a la misma humedad y

cenizas determinadas en el análisis último. Sin embargo, el carbono fijo en el análisis próximo

es diferente al carbono en el análisis último. En el análisis próximo no se incluye el carbono del

material volátil y se le conoce a menudo como el carbón vegetal (char ) obtenido tras la

devolatilización.

5.13.3 Análisis termogravimétrico

Debido al tiempo y gastos involucrados en el análisis próximo, Klass [8] propuso una

alternativa mediante termogravimetría (TG) o termogravimetría diferencial (DTG). En esta

técnica, una pequeña muestra del combustible se calienta en una atmósfera especifica a la

temperatura deseada en una microbalanza electrónica. Esto proporciona un registro continuo

de los cambios en el peso de la muestra de combustible.

El DTG da la tasa de cambio en el peso de la muestra de combustible de forma continua. Por

lo tanto, de los gráficos del peso medido versus el tiempo, se determina la humedad del

combustible, el materia volátil y el contenido de cenizas.





Este método, aunque no es un estándar de la industria, puede proporcionar rápidamente

información sobre la conversión termoquímica de un combustible.

El análisis termogravimétrico proporciona información adicional sobre los mecanismos de

reacción, parámetros cinéticos, estabilidad térmica y calor de la reacción. Una base de datos

detallada de análisis térmico se da en [9].

5.14 Bases para expresar la composición de la biomasa

La composición de un combustible se suele expresar en diferentes bases en función de la

situación. Las siguientes cuatro bases de análisis son las más usadas: como se recibe, aire total

seco y libre de ceniza. Una comparación de estas bases se muestra en la figura 1.

Figura 2. Bases para expresar la composición del combustible

Fuente: adaptada de [10]

Al usar la base “como se recibe”, los resultados de los análisis finales y próximos se pueden

escribir de la siguiente manera:

Final: (27)

Aproximado: (28)





donde VM y FC representan los porcentajes en peso de material volátil y de carbono fijo,

respectivamente, medida por análisis próximo. Los C, H, O, N y S representan los porcentajes en

peso de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre, respectivamente, según lo medido

por el análisis último. El contenido de cenizas y la humedad del combustible es el mismo en

ambos análisis.

5.15 Poder calorífico

Es la energía total liberada durante la combustión estequiométrica de la biomasa. Este valor

se determina mediante la norma ASTM D5865-04, o se puede hacer un cálculo aproximado trasrealizar el análisis elemental o inmediato de la biomasa, mediante las siguientes expresiones

desarrolladas por Parikh et.al.

El poder calorífico es proporcional al contenido de carbono e hidrógeno contenido presente

en la muestra. Por lo tanto, el PCS es asumido en función del carbono fijo (CF,% en peso) y el

material volátil (MV,% en peso). Además, el efecto diluyente de materia mineral / ceniza se

considera en el desarrollo de la siguiente correlación que tiene un error absoluto promedio de

3,74% y un sesgo de error del 0,12% con respecto al valor medido del PCS [11]:

(29)

La siguiente es la correlación es el resultado resultó ser el mejor de esta manera con un error

absoluto promedio de 1,45 % y un sesgo de error del 0% con respecto al valor medido del PCS

[12]

(30)

Donde





C, H, O, N, S y A representan carbón, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, azufre y contenido de

cenizas del material respectivamente, expresados en porcentajes másicos en base seca.

Todos los tipos de biomasa tienen un contenido de carbono considerablemente menor que

los carbones. Así la clasificación basada en la relación atómica ayuda a comprender el valor

calorífico de un combustible. Por ejemplo, el poder calorífico superior (PCS) y la proporción

oxígeno/carbono (O/C) presentan una correlación estrecha. Cuando el poder calorífico entre

dos biomasas difiere de 38 a 15 MJ/kg, la proporción O/C del material con menor PCS es

proporcionalmente mayor (0,1) que la de la biomasa con menor PCS (0,0037). De forma similar,

cuando la relación hidrógeno/carbono (H/C) aumenta, el poder calorífico del combustible se

reduce.

La relación atómica se basa en el hidrógeno, el oxígeno, y el contenido de carbono en el

combustible. La figura 2 muestra las relaciones atómicas (H/C) contra (O/C) en base libre de

cenizas para todos los combustibles, comenzando con la antracita rica en carbono y llegando

hasta la biomasa leñosa deficiente en carbono. Esta gráfica, conocida como diagrama de Van

Krevelen, muestra que la biomasa tiene proporciones mucho más altas de H/C y O/C que los

combustibles fósiles. Para una amplia gama de biomasas, la relación H/C puede ser expresada

como una función lineal de la relación (O/C) [13].

(31)

La biomasa fresca, como por ejemplo las hojas, tiene valores muy bajos de poder calorífico

debido a las altas relaciones H/C y O/C que presenta. Por otra parte, la proporción atómica

disminuye a medida que la edad cronológica aumenta, lo que significa que cuanto más viejo es

el combustible, mayor es su contenido energético. La antracita, por ejemplo, un combustible

fósil formado por muchos miles de años, tiene muy alto poder calorífico. Su menor relación H/C

le permite ofrecer mayor calor, pero las emisiones de CO2 procedentes de su combustión son

muy altas.





Figura 5.1. Clasificación de combustibles por su relación atómica H/C y O/C

Fuente: adaptada de [10]

Entre todos los hidrocarburos combustibles, la biomasa ostenta el más alto contenido de

oxígeno. Por desgracia, el oxígeno, no hace contribución útil al poder calorífico y hace que sea

difícil transformar la biomasa en combustibles líquidos. El alto contenido de oxígeno e

hidrógeno en la biomasa hace que se generen altas cantidades de volátiles y líquidos,

respectivamente. Altas cantidades de oxígeno consumen una parte del hidrógeno de la

biomasa, produciendo menos agua, y por lo tanto el alto contenido de H/C no se traduce en

alto rendimiento del gas.

5.16 Propiedades físicas

5.16.1 Densidad

Este parámetro es importante para considerar el contenido energético de la biomasa en

base volumétrica, para su transporte y manipulación, al igual para el dimensionado de los

reactores. Hay tres maneras de reportar la densidad, las cuales difieren en la forma de ser

calculadas: densidad aparente (ρa), densidad específica ( ρe) y densidad real (ρr). La densidad





aparente incluye el volumen del sólido y de sus poros; la densidad específica incluye el volumen

del sólido, de los poros y del espacio entre partículas; y la densidad real, que sólo incluye el

volumen del sólido [14]

(32)

(33)

(34)

(35)

5.16.2 Humedad

El contenido de humedad de la biomasa es la relación de la masa de agua contenida por

kilogramo de materia seca. Para la mayoría de los procesos de conversión energética es

imprescindible que la biomasa tenga un contenido de humedad inferior al 30%. Muchas

veces, los residuos salen del proceso productivo con un contenido de humedad muy superior,

que obliga a implementar operaciones de acondicionamiento, antes de ingresar al proceso de

conversión de energía [15].

La ρa de la biomasa depende de la humedad, lo que hace indeseable que su valor sea muy

elevado, ya que esto se podría reflejar en los costos de transporte.

Durante el proceso de gasificación, este parámetro es un indicador de la cantidad de agua

suministrada para las reacciones. Poca cantidad de agua puede provocar un deficiente

aprovechamiento del calor liberado con la producción de H2, pero un exceso de agua es

perjudicial ya que se necesita cierta cantidad de energía para calentar y secar la biomasa antes





de ser gasificada, lo que supondría un gasto de energía en la evaporación del exceso de

humedad, reduciendo así el rendimiento del proceso [16].

5.16.3 Tamaño de las partículas

Mientras más pequeñas sean las partículas, mayor superficie de biomasa es susceptible deentrar en reacción con el agente gasificante. Sin embargo, partículas muy finas puedenfomentar la creación de caminos preferentes para los gases, donde estarían conviviendo zonasde reacción con zonas donde la actividad es escasa, perjudicando el desarrollo del proceso [16]





Agradecimientos

El grupo de investigadores que participaron en la ejecución del proyecto: “Evaluación delpotencial energético de las principales especies forestales plantadas en Colombia” expresan susincero agradecimiento al centro de investigación e innovación en energía –CIEN-, por laconfianza depositada, así como por su colaboración continua durante la ejecución de esteproyecto que llegó a feliz término dentro de los tiempo proyectados.

Especialmente queremos extender nuestro agradecimiento a las siguientes personas por suvaliosa colaboración:

Juan Carlos Buriticá Grajales, Ingeniero Electrónico de la Universidad de Antioquia, quienparticipo en el diseño y montaje del hardware y la calibración de la instrumentación usada enla aplicación.

Oscar Jonathan Largo Monsalve y Claudia Marcela Orrego Zapata, Ingenieros Mecánicos de laUniversidad de Antioquia, quienes estuvieron a cargo del montaje experimental del gasificadory colaboradores en el diseño del software.

Yuhan Lenis Rodas, Ingeniero Mecánico de la Universidad de Antioquia, quien colaboró con elmontaje experimental del gasificador, realización de pruebas y en la edición del manual técnicoy de usuario.

Y a todos los que colaboraron en el exitoso cumplimiento de los objetivos propuestos en este

proyecto.





REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] J. Pérez B, Pruebas de repetibilidad en el gasificador invertido, Valladolid, España: 2005.

[2] T.B. Reed, R. Walt, S. Ellis, A. Das, and S. Deutch, “Superficial velocity - the key to downdraftgasification,” Oakland, USA: 4th Biomass Conference of the Americas, 1999.

[3] F.V. Tinaut, A. Melgar, J.F. Pérez, and A. Diez, “Analysis of parameters influencing biomassgasification by means of a small scale fixed bed gasifier,” Paris, France: 14th European BiomassConference & Exhibition. Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, .

[4] A. Amell., Estimación de las propiedades de Combustión de Combustibles Gaseosos., Universidadde Antioquia, 2002.

[5] L. Waldheim and T. Nilsson, “Heating Value of gases from biomass gasification,” English, 2001.

[6] A. Horrillo, with F.V. Tinaut and A. Melgar, R. Talucci, Diagnosis of gasification process in abiomass producer by means of the gas composition analysis, 2005.

[7] J. Parikh, S. Channiwala, and G. Ghosal, “A correlation for calculating elemental composition fromproximate analysis of biomass materials,” Fuel , vol. 86, Aug. 2007, pp. 1710-1719.

[8] D.L. Klass, “Biomass for Renewable Energy, Fuels, and Chemicals,” Academic Press, 1998, pp.274-276.

[9] S. Gaur and T.B. Reed, “An atlas of thermal data for biomass and other fuel.,” National

Renewable Energy Laboratory.NREL no NREL/TP-433-7965, 1995.

[10] P. Basu, Biomass gasification and pyrolysis practical design and theory / , Burlington, MA :Academic Press,, 2010.

[11] J. Parikh, S. Channiwala, and G. Ghosal, “A correlation for calculating HHV from proximateanalysis of solid fuels,” Fuel , vol. 84, Mar. 2005, pp. 487-494.

[12] S.A. Channiguala and P.P. Parikh, “A unified correlation for estimating HHV of solids, liquid andgaseous fuels,” Fuel 81, vol. 81, 2002, pp. 1051-1063.

[13] J.M. Jones, M. Nawaz, L.I. Darvell, A.B. Ross, M. Pourkashanian, and A. Williams, “Towards

biomass classification for energy applications,” 2006.

[14] T.B. Reed, “Encyclopedia of Biomass Thermal Conversion,” Biomass Energy Foundation,, 2002.

[15] Biomass Users Network, “Manuales sobre energía renovable: Biomasa,” Fortalecimiento de la

capacidad en energía renovable para América central , 2002, p. 56.





[16] A. Melgar, “Gasificación de Biomasa Lignocelulósica,” chapter 5, Universidad de Castilla-LaMancha, 2004, p. 85–106.

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