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Uso de energía solar en la producción de Biodiésel.
Presentan:
• Dra. Alejandra Castro González
• Ing. Josué Pérez Zaragoza
Contenido
1. Objetivo.
2. Análisis de estudio.
3. Metodología.
4. Resultados.
5. Conclusión.
Objetivo
Diseñar un sistema de calentamiento de aceite vegetal con energía solar térmica
para una planta de biodiésel utilizando un intercambiador de calor con serpentín
helicoidal.
1
Análisis de estudio
2
Recolección del aceite
vegetal
Separación de sólidos del
aceiteEsterificación
Transesterificación
Decantación Producto Final
• Biodiésel
Energía actualmente utilizada en el calentamiento de ACD
2
Radiación solar en México
2
•La radiación promedio en México es de 5 kW/m2
•Es uno de los cinco países con mayorpotencial para explotar esta energíasustentable:
1. China2. Singapur3. México4. Australia5. India
Tipos de colectores solares.
2
Baja temperatura
100°c
Media temperatura
100°c-400°c
Alta temperatura
400°c
Metodología
3
Funcionamiento del colector «Heat pipe»
3
Propiedades de los fluidos
3
Propiedades
del agua
Propiedades
ACD
Cp= 4.186 kJ/kg·k Cp= 2.0 kJ/kg·k
ρ90°=965.74 kg/m3 ρ=930 kg/m3
νc20°= 1.007x106 m2/s
νc90°= 0.328x106 m2/s
νc60°C= 0.000252 m2/s
µd20°= 0.001002 kg/m·s µd60°C= 0.239 kg/m·s
µd90°= 0.000315 kg/m·s
T final = 40 °C T final = 60 °C
T inicial = 90°C T inicial = 20°CEcuación de balance de materia
Balance de materia
3
Acero Inoxidable 304
3
AISI-304Resistencia
Max.
Resistencia
a la fluenciaElongación
Módulo de
elasticidad
Acero
Inoxidable
585 MPa
(85ksi)
240 MPa
(35ksi)
40 % 200 GPa
(29,000ksi)
Parámetros para el diseño de la coraza del intercambiador de calor
3
Sistema Ingles Sistema
Internacional
Capacidad del
Intercambiador de calor
17.65 ft3 0.5 m3
P=Presión de diseño 44.95 lb/in2 310.02 kPa
S=Esfuerzo permitido
del material
35,000 lb/in2 240 MPa
C=margen de corrosión 1/8” in 3.175 mm
E=eficiencia de
soldadura
0.85 0.85
Factor para determinar el diámetro del recipiente
3
DONDE
P= Presión de diseño
C= Margen de corrosión
S= Valor del esfuerzo del material
E= Eficiencia de la soldadura
Gráfica para determinar eltamaño óptimo del recipiente
3
Espesor de la coraza
3
DONDE:
P= presión de diseño (kPa)
R= radio del recipiente (m)
S= valor del esfuerzo del material (kPa)
E= eficiencia de soldadura
Selección la tapa toriesférica
3
H=altura de la tapa
e=espesor de la tapa
D=diámetro interior de la coraza
R=D
r=0.1D
h=3.50e
Diseño del serpentín helicoidal
3
D= diámetro interior del recipiente D= 0.8 m
Dhe= diámetro del hélice del serpentín Dhe= 0.7 m
D.N. Dint
m
Velocidad
m/s
Flujo
másico
kg/s
Área
m2
Reynolds
Re
3/4" 0.021 0.148 0.049 3.46x10-4 9,517
3
D. N. D.
interior
m
Re Pr Nu
k
W/m·°C
hi
W/m2·°C
hc
W/m2·°C
3/4" 0.021 9,517 1.95 45.77 0.675 1,471 1,280
D.N. D.
interior
m
Re Pr Nu k
W/m·°C
ho
W/m2·°C
3/4" 0.021 1,000 2,845 223.32 0.168 92
Resultados
4
D.N. D.ext.
m
D.int
m
t
m
U
W/m2·°
C
∆Tm
l
°C
Q
Kw
A
m2
L
m
N H
m
3/4" 0.027 0.021 0.002
7
83 25 10,25
0
4.94 59.67 27 1.103
Resultados
4
Volumen Diámetro
m
Longitud
m
t
mm
0.5m3 –17.65ft3 0.80 m 1.20 m 4 mm
Resultados
4
Dimensiones
mm
H, altura de la tapa 166
h, distancia entre el chaflán y la conexión con
el recipiente
12
r=radio del chaflán 80
R=Di, 800
Di= Diámetro interior 800
De=Diámetro exterior 808
Resultados
4
4
Valores obtenidos para el diseño del intercambiador de calor
Presión de diseño 310.02
kPa
No. de vueltas del
serpentín helicoidal
27
Presión de operación 101.32
kPa
Altura del serpentín
helicoidal
1,103
mm
Margen de corrosión 1/8” in Altura de la coraza del
intercambiador de calor
1,203
mm
Capacidad del intercambiador de
calor
500
Litros
Altura de los soportes del
intercambiador
700 mm
Diámetro interior de la coraza 800
mm
Proyección de las
boquillas
150 mm
Diámetro exterior de la coraza 808
mm
Boquilla 1 Drenaje 3”
Altura de la tapa toriesférica 167
mm
Boquilla 2 Entrada del
aceite vegetal
3”
Radio de chaflán 80 mm Boquilla 3 entrada del
agua caliente
3/4”
Diámetro del hélice del serpentín
helicoidal
700
mm
Boquilla 4 salida del agua
caliente
3/4”
Diámetro de la tubería del
serpentín helicoidal
3/4”
Funcionamiento del sistema de calentamiento
4
Análisis económico
4
Período
Costo de la energía
eléctrica con una
resistencia eléctrica de
5,500W
Costo del uso de gas
L.P
1 mes $ 4,213 pesos $1,643 pesos
1 año $ 50,551 pesos $19,716 pesos
Análisis ambiental
4
TipoEmisiones
kgCO2
Emisiones
kgCO2 al
calentar
2,000 L de
ACD
Emisiones
kgCO2 en 1
año
Emisiones anuales
de CO2 por su
generación
Energía
eléctrica
1
kgCO2/kW
41.30
kgCO2
15,074
kgCO2
112.5
MtCO2/kW
Gas L.P.
3
kgCO2/kg gas
LP
12.03
kgCO2
4,390 kgCO2 43.8 MtCO2/Litro
Colector
solar 300 L - - -
793.7
kgCO2/colector
Conclusiones
5
• Se pudo concluir que con el uso de la energíasolar térmica para una planta de biodiésel sedisminuirían las emisiones de CO2 en elcalentamiento del aceite vegetal de desecho, alevitar el uso de la energía eléctrica y del gas L.P.
• Con este sistema de calentamiento laproducción de biodiésel se estaría generandocon energía sustentable.
• Al implementar este sistema de calentamientose generará un ahorro económico en una plantade biodiésel.