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masa_util_en_CSCP

Primero doy gracias a todos quienes son participes presentes o la distancia del trabajo que realizo y que la presente lo comparto, es para engrandecerles a todos los actores que en mi vida han sido partícipes. Nuevamente presento otra parte del modelo del CSCP mostrado en la entrada anterior (J594), en ello ya muestro dos cosas: la cantidad de masa que sale caliente (a alta temperatura) del CSCP para uso en sistema de generación de vapor o para calefacción y las pérdidas por convección entre el vidrio del absorbedor y el medio ambiente.

La masa útil se muestra en la izquierda superior la cantidad de kg/s que salen calientes del CSCP, dado que se fija la temperatura de entrada y de salida, es la masa la cantidad a calcular y simular. Como se ve a medida que el sol irradia durante el dia se llega a un pico hacia el mediodia. No hay valores negativos y se ha configurado de tal manera que sólo sean condiciones iguales o mayores a cero a mostrar, que es un acercamiento a lo real.

En tanto a las pérdidas por tener el absorbedor que contiene al fluido a calentar y caliente, éste interactúa con el medio ambiente, las pérdidas de calor son por convección natural, la convección forzada es posible con algunas modificaciones. La irradiación solar directa es reflejada por los espejos y caen sobre el absorbedor el cual contiene una configuración especial para evitar las pérdidas por convección y radiación y permitir la mayor cantidad de transferencia hacia el fluido operante (por lo común una sal fundida). Sin embargo, las pérdidas se producen y se tienen que calcular.

Simulado en Matlab/Simulink, un excelente herramienta para la gente que trabaja en ciencias e ingeniería. Las condiciones locales de una aplicación en especial lo puedo realizar, además de asesorar también las tesis o proyectos de investigación en modelamiento y simulación… esto es muy interesante.


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La entropía es una variable termodinámica que refleja el grado de desorden de un proceso, aunque hay diferentes formas de interpretarlo según los diferentes autores que se puedan citar o recordar en sus textos. Debido a que la sustancia parte de un estado inicial y es sometida a un proceso, se tiene que durante ese proceso ésta sufre modificaciones en su constitución y/o propiedades físicas y/o químicas, lo que deviene a una “degeneración” del estado inicial a otro final de la sustancia, este cambio viene a ser representada por la entropía.

En las celdas de combustible se trabaja tanto con oxígeno, hidrógeno y agua. El agua que al inicio sirve para producir el hidrógeno y oxígeno, y luego de que éstos constituyentes atraviesan las celda de combustible o circuito eléctrico, se reunen nuevamente formando agua, por lo tanto, es necesaria la cuantificación de la entropía de tales sustancias, cosa que se muestra en la figura del presente post para diferentes valores de temperatura debido a que las celdas de combustible generan calor producto de sus mismos procesos.


El motor Stirling en una forma alternativa de generar trabajo y potencia a partir de una fuente de calor. En la figura de arriba se muestra el mecanismo de un motor Stirling de configuración beta, se puede ver, que hay diferentes elementos y también lo que son las proporciones entre las piezas, recorridos, radios de giro, altura de pistón, etc… todo esto se puede analizar mediante ecuaciones y sirven para describir un proceso de funcionamiento que se muestra a continuación:

El sistema se muestra que trabaja con un recuperador y un émbolo que recorre la cámara alternando los fluidos caliente y frío durante el funcionamiento de la máquina. Esto se requiere quizás de teoría para ir explicando los procesos, pero cosas importantes como son volumen, temperatura, presión, el desplazamiento de los vástagos,  entre otros parámetros son los principales para poder explicar como va funcionando, doy a continuación algunos resultados de simulaciones hechas en Matlab/Simulink

Posición Vertical de Vástagos Pistón y Desplazador

Volumen instantaneo en celdas zona fría y caliente

Derivada de Volúmenes respecto al ángulo de giro


Una de las formas más efectivas de quemar la biomasa es mediante un proceso de combustión de dos etapas y con dos ingresos de aire: primario y secundario.

La primera etapa sirve para la gasificación y primera combustión de lo desprendido por la biomasa, esto se logra con el ingreso de aire con cierto exceso para hacer una combustión eficiente, consideren que la biomasa ingresa con cierto porcentaje de humedad y que en algunos procesos de combustión toleran hasta 60% en peso de humedad… por lo tanto, la primera combustión sucede y produce calor, cenizas y los gases de combustión.

Sin embargo, debido a la naturaleza heterogeneo de la biomasa y a sus diferentes componentes químicos presentes en la biomasa, por lo general, se forman productos contaminantes en los gases de combustión tales como los oxidos de nitrógeno, etc… para evitar esto, lo que se hace es que los gases ingresen a una segunda combustión con aire secundario que permiten alcanzar temperaturas elevadas de tal manera que los componentes nocivos son rotos y descompuestos a elementos de menor peligrosidad y simplicidad.

La figura muestra el esquema general de los procesos involucrados con sus temperaturas, aire, productos y los flujos del proceso. La mejora constante de estos procesos es labor de las universidades, grupos y centros de investigación, porque no lo sólo es cuestión de reproducir algo que ya se conoce desde hacer tiempo (la humanidad desde la invención del fuego ha utilizado la combustión de la biomasa y aún ahora en el mundo muchos miles de millones de personas la utilizan) sino de optimizarla creando nuevas tecnologías y/o materiales para ello, en ese ánimo se espera que haya progresos en ello, y se invita a compartirlos.


Se define como el proceso exotérmico de oxidación completa de la materia de alta temperatura para convertirla en gas (principalmente vapor de agua y dióxido de carbono) y cenizas, además de calor. El comburente utilizado es generalmente aire. Es el proceso térmica más extendido para el procesado de residuos sólidos urbanos, y existen numerosas tecnologías para la incineración de residuos. Éstas pueden ser divididas genéricamente en dos grandes grupos:

  • Hogares de parrilla: horizontal o inclinada, fijas y móviles.
  • Hogares de lecho fluidizado: circulante, burbujeante o rotativo.

 

El funcionamiento de una planta incineradora con tecnología de parrilla de rodillos móviles se muestra en la ilustración. El diagrama muestra una incineradora de parrilla, en la que los residuos sólidos urbanos son introducidos en el horno a través de una tolva de alimentación mediante un pulpo. En el hogar se lleva a cabo el proceso de secado y combustión de los residuos, así mismo, el flujo de los mismos se logra mediante la utilización de un sistema de rodillos móviles inclinados, que además permiten remover y mezclar los RSU a fin de asegurar una combustión completa y homogénea.

Las cenizas resultantes de este proceso son recogidas y tratadas. El comburente empleado en la combustión es generalmente aire, el cual es introducido en el horno a través de los rodillos. Los gases resultantes de la combustión son posteriormente dirigidos a la caldera de recuperación con el fin de generar energía por medio de un ciclo de Rankine. Por último, antes de su emisión a la atmósfera deben ser sometidos a un proceso de limpieza mediante absorbedores y filtros con el fin de cumplir las restricciones en materia medioambiental.

Los hornos con tecnología de lecho fluidizado, en lugar de un sistema de parrilla, poseen un sustrato de arena refractaria que se mantiene en constante agitación gracias a un sistema de inyección de aire. Estos hornos están equipados con quemadores auxiliares que elevan la temperatura del lecho, mientras que los residuos son depositados en la parte superior del mismo, o bien inyectados desde la parte inferior. La fluidificación tiene lugar cuando la caída de presión del aire que atraviesa el lecho iguala el peso por unidad de sección transversal del mismo. La velocidad del aire a la que esto sucede se denomina velocidad de fluidificación mínima. Incrementar la velocidad por encima de este punto permite que el lecho se expansione permitiendo el burbujeo del mismo. A aproximadamente el doble de la velocidad de fluidificación mínima el lecho se comporta de forma similar a un líquido en ebullición, siendo este punto la región de funcionamiento habitual de los incineradores convencionales de lecho fluido burbujeante. Los hornos de lecho fluido circulante operan a velocidades de inyección de aire muy superiores (en torno a 20 veces la velocidad mínima de fluidificación) lo que genera una mayor turbulencia y arrastre de materiales del lecho posteriormente recuperados en un multiciclón.

De forma similar a las plantas con tecnología de parrilla, los gases son posteriormente enviados a una caldera para la generación de vapor. Los sistemas de limpieza de gases son esencialmente similares en ambas tecnologías. A continuación se muestran de forma esquemática ambos tipos de hornos.


El proyecto consiste en el estudio y dimensionamiento de una planta incinedora de residuos sólidos urbanos, con tecnología de parrilla y recuperación energética. La motivación de este estudio radica en el previsible aumento del empleo de la incineración para el tratamiento de residuos en los próximos años; se preveé un aumento del empleo de la valorización energética en detrimento del vertido.

La planta proyectada está dimensionada para dar servicio a una población de 300 000 habitantes, con una capacidad de incineración anual de 180 288 toneladas. Por razones de versatilidad, se  ha dotado a la planta con dos líneas de incineración, cada una de ellas con capacidad para procesar 12 t/h.

La tecnología escogida para el horno es la de parrilla de rodillos, por su capacidad para incinerar el residuo en bruto según llega a la planta, sin necesidad de tratamiento previo. El PCI de diseño, según el análisis de diferentes muestras de residuos, es de 1798 kcal/kg, por lo que la carga térmica de diseño de hornos se ha establecido en 25 MW, admitiéndose un rango de operación entre el 110% y el 60% del punto de diseño. La configuración adoptada para el hogar, así como para los sistemas de inyección de aire primario y secundario, permite la obtención de una combustión de alta calidad materializada en un bajo porcentaje de inquemados, y en la garantía de un tiempo de residencia de los gases de combustión de al menos dos segundos a temperaturas superiores a 850 °C para la destrucción de las dioxinas y furanos. Así mismo, el horno contará con un sistema de inyección de amoniaco para la desnitrificación de los gases.

Adjunto al horno de incineración se dispondrá un sistema de recogida y valorización de escorias.

El sistema de recuperación energética consistirá en una caldera de circulación natural y tiro horizontal para la generación de vapor, que formará una unidad con el hogar de parrilla para optimizar el aprovechamiento del calor. Las condiciones del vapor están limitadas a 420 °C y 40 bar, para prolongar la durabilidad de las superficies calefactoras y reducir el riesgo de corrosión inherente a la naturaleza agresiva de los gases de combustión. La producción de vapor estimada es de aproximadamente 53 t/h. La potencia generada prevista en el grupo turboalternador es de 12.5 MW, entregándose a la red 10.6 MW después de descontar la parte destinada a autoconsumo.

La planta contará con un sistema de tratamiento de gases, de forma que cumpla con las restricciones sobre emisiones recogidas por la normativa española y europea. Este sistema consistirá en un proceso de depuración semiseco, con inyección de lechada de cal y carbón activo, para la eliminación de los gases ácidos, metales pesados, y compuestos orgánicos (dioxinas y furanos), además de un filtro de mangas para la retención de partículas volantes. Se dispondrá de un sistema de medición y monitorización continuo de los diferentes parámetros de emisión para la verificación del proceso de depuración.

Con el fin de controlar la operación de la planta, ésta contará con un sistema de control automatizado, que regulará los diferentes parámetros de operación en función de los posibles cambios en la naturaleza o cantidad, del flujo de residuos de alimentación.

El presupuesto total, incluyendo el diseño, construcción y puesta en funcionamiento de la planta asciende a setenta y ocho millones ciento ochenta y seis mil euros (78.186.000 euros).  Considerando una vida útil de 25 años, se prevé un Pay-back de 11 años con un TIR del 8.12%, siendo el rendimiento contable de 1.52, por lo demás, el proyecto propuesto es interesante desde la perspectiva económica.

Reportado en:

Alejandro Fernández Martínez. “Planta de Incineración de Residuos Sólidos Urbanos con Tecnología de Parrilla y Recuperación Energética”. Proyecto Fin de Carrera. Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Universidad Pontificia Comillas. Madrid, España. 2007.


Un generador de vapor requiere de una fuente de calor a un determinado nivel de temperatura; un combustible fósil se quema en el hogar de la caldera y producir calor, aunque también se puede emplear energía residual procedente de otros procesos.

La combustión es la combinación rápida de O2 con los elementos inflamables del combustible. En la mayoría de los combustibles fósiles hay tres elementos combustibles significativos: C, H2 y S; el S es el de menor importancia como fuente de calor, pero puede tener una influencia importante en problemas de corrosión y contaminación.

El objetivo de una buena combustión es liberar toda la energía del combustible, a la vez que se minimizan las pérdidas derivadas de las imperfecciones de la combustión y del aire.

La combinación de los elementos inflamables del combustible con el oxígeno, requiere de:

  • Temperatura lo suficientemente alta para la ignición de los elementos inflamables.
  • Turbulencia que facilite el íntimo contacto combustible – oxígeno.
  • Tiempo suficiente para completar el proceso.

Estos parámetros se designan frecuentemente como las tres T de la combustión: Temperatura, Tiempo, Turbulencia.

La tabla a continuación relaciona los elementos químicos, simples y compuestos, que se encuentran en los combustibles normalmente utilizados en los diversos tipos de generación de vapor comercial de calor.


Los cultivos energéticos, como cualquier otro, deben sacar partido de la naturaleza pero en ningún caso obviar sus leyes. Por tanto, sería recomendable tener en cuenta lo siguiente:

  •  Que se adapten a las condiciones edafo-climáticas del lugar donde se implanten: las plantas dan las productividades mayores en aquellos lugares que reúnen condiciones que les sean más favorables.
  • Que tengan altos niveles de productividad en biomasa con bajos costes de producción: las explotaciones que requieren mucha atención cultural son complicadas y caras de explotar.
  • Que sean rentables, económicamente hablando, para el agricultor.
  • Que no tengan, en lo posible, un gran aprovechamiento alimentario en paralelo, con el objetivo de garantizar el suministro, sin una subida de precios que perjudique a la larga tanto a la explotación agrícola en sí como a las industrias alimentaria y energética.
  • Que tengan un fácil manejo y que requieran técnicas y maquinarias lo más conocidas y comunes entre los agricultores.
  • Que presente balance energético positivo. Es decir que se extraiga de ellos más energía de la que se invierte en el cultivo y su puesta en planta de energía.
  • Que la biomasa producida se adecue a los fines para los que va a serutilizada: como materia prima para pelets, para producción térmica, para generación o cogeneración de calor y electricidad.
  • Que no contribuyan a degradar el medio ambiente (por ejemplo, empobrecer el suelo) y permitan la fácil recuperación de la tierra, para implantar posteriormente otros cultivos en algunos casos. Cuando sea posible, que la rotación sea factible y beneficiosa en todas las etapas.

He colocado algo en anteriores entradas y en la presente presento algunos diagramas más… todos sabemos que el petróleo tiene los dias (años) contados, toda esa energía contenida por millones de años en forma de petróleo ha sido liberada a la atmósfera, generando calor y trabajo + residuos. Vamos con las figuras.