CONSTRUYE TU PROPIO GENERADOR DE BIODIESEL (Criterios de Ingeniería - 4ª Parte)

En esta ocasión discutiremos el tema referente a los sistemas de agitación. Contra todo lo que pueda suponerse a la ligera, estos sistemas tienen gran importancia en el proceso de “transesterificación”, dado que no sólo se tiene como finalidad el “uniformizar” la mezcla del metóxido y el aceite sino también hacerlo con la temperatura de los productos. Dos son las características más importantes, en mi concepto, para un óptimo diseño: La fuente primaria de movimiento (motor) y el agitador propiamente dicho.
Para lo primero ¿Es recomendable la agitación manual? , vuelvo aquí a discutir uno de los diseños de reactor propuesto por la Universidad Agraria para las comunidades de la selva. Si bien el mecanismo es interesante (aunque no original), hay objeciones serias y nada despreciables que pueden hacérsele.

Como se podrá observar, se está sugiriendo a la mano humana como fuente primaria de movimiento. No podemos olvidar que el proceso de agitación no es de algunos segundos o minutos sino de horas, pudiendo convertirse, de hecho, en una labor bastante penosa para el ejecutante, expuesto además a respirar vapores nocivos que podrían escapar. Además el proceso en sí, resultará bastante deficiente, dada la velocidad variable con la que se está trabajando.
Se utilizarán entonces motores de corriente continua (alimentados a batería) o alterna, cuya potencia requerida calcularemos con los criterios que se expondrán más abajo.
Veamos ahora a los agitadores propiamente dichos. Éstos se dividen en dos clases: los que generan corrientes paralelas al eje del agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Los primeros se llaman agitadores de flujo axial y los segundos agitadores de flujo radial.
Los tres tipos principales de agitadores son, de hélice, de paletas, y de turbina. Cada uno de estos tipos comprende muchas variaciones y subtipos que no consideraremos aquí. En algunos casos también son útiles agitadores especiales, pero con los tres tipos antes citados se resuelven, quizás, el 95% de los problemas de agitación de líquidos.

AGITADORES DE HELICES
Un agitador de hélice, es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad elevada y se emplea para líquidos pocos viscosos. Los agitadores de hélice más pequeños, giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm; los mayores giran de 400 a 800 rpm. Las corrientes de flujo, que parten del agitador, se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque. La columna de remolinos de líquido de elevada turbulencia, que parte del agitador, arrastra en su movimiento al líquido estancado, generando un efecto considerablemente mayor que el que se obtendría mediante una columna equivalente creada por una boquilla estacionaria. Las palas de la hélice cortan o friccionan vigorosamente el líquido. Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice son eficaces para tanques de gran tamaño. Para tanques extraordinariamente grandes, del orden de 1500m3 se han utilizado agitadores múltiples, con entradas laterales al tanque.
El diámetro de los agitadores de hélice, raramente es mayor de 45 cm, independientemente del tamaño del tanque. En tanques de gran altura, pueden disponerse dos o más hélices sobre el mismo eje, moviendo el líquido generalmente en la misma dirección. A veces dos agitadores operan en sentido opuesto creando una zona de elevada turbulencia en el espacio comprendido entre ellos.

AGITADORES DE PALETAS

Para problemas sencillos, un agitador eficaz está formado pr una paleta plana, que gira sobre un eje vertical. Son corrientes los agitadores formados por dos y 3 paletas. Las paletas giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas. Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y después siguen hacia arriba o hacia abajo. Las paletas también pueden adaptarse a la forma del fondo del tanque, de tal manera que en su movimiento rascan la superficie o pasan sobre ella con una holgura muy pequeña. Un agitador de este tipo se conoce como agitador de ancla. Estos agitadores son útiles cuando cuando se desea evitar el depósito de sólidos sobre una superficie de transmisión de calor, como ocurre en un tanque enchaquetado, pero no son buenos mezcladores. Generalmente trabajan conjuntamente con un agitador de paletas de otro tipo, que se mueve con velocidad elevada y que gira normalmente en sentido opuesto.
Los agitadores industriales de paletas giran a una velocidad comprendida entre 20 y 150 rpm. La longitud del rodete de un agitador de paletas es del orden de 50 al 80% del diámetro interior del tanque. La anchura de la paleta es de un sexto a un décimo de su longitud. A velocidades muy bajas, un agitador de paletas produce una agitación suave, en un tanque sin placas deflectoras o cortacorrientes, las cuales son necesarias para velocidades elevadas. De lo contrario el líquido se mueve como un remolino que gira alrededor del tanque, con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla.

AGITADORES DE TURBINA

La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El rodete puede ser abierto, semicerrado o cerrado. El diámetro del rodete es menor que en el caso de agitadores de paletas, siendo del orden del 30 al 50% del diámetro del tanque.
Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de líquido estancado. En las proximidades del rodete existe una zona de corrientes rápidas, de alta turbulencia e intensos esfuerzos cortantes. Las corrientes principales son radiales y tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vórtices y torbellinos, que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillo difusor, con el fin de que el rodete sea más eficaz.
El agitador de turbina semiabierto, conocido como agitador de disco con aletas, se emplea para dispersar o disolver un gas en un líquido. El gas entra por la parte inferior del eje del rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las rompen en muchas pequeñas, con lo cual se aumenta grandemente el área interfacial entre el gas y el líquido.

Trayectorias del flujo en la agitación

Cualquiera que sea el tipo de impulsor propulsor seleccionado éste debe crear condiciones turbulentas dentro de la corriente móvil del fluido.

La velocidad de un líquido en un tanque agitado tiene 3 componentes: a) uno radial que actúa en una dirección perpendicular al eje, b) una longitudinal que actúa paralela al eje y c) una rotacional que actúa en dirección tangencial al círculo de rotación del eje. Las dos primeras componentes generalmente contribuyen al mezclado pero la tercera puede no hacerlo. Cuando los impulsores-agitadores se montan verticalmente en el centro del tanque, casi siempre se desarrolla una trayectoria de flujo circular tipo remolino, que desarrolla un vórtice (Fig.3 a) y que atrapa aire, lo cual es indeseable generalmente.

Trayectorias de flujo en tanques cilíndricos: (a) formación de vórtice con agitador centrado sin deflector, (b) con agitador centrado con deflectores, (c) con agitador inclinado, (d) con agitador vertical descentrado.

Los vórtices causan un desbalance de fuerzas y limitan severamente el uso de las potencias suministradas. Una forma de romper éste vórtice es el de colocar al propulsor agitador en una posición angular (Fig. 3 c) o desplazada del centro (Fig. 3 d). Otra manera es el emplear deflectores (Fig.3 b), que se montan en forma vertical en las paredes de los tanques, casi siempre son 4 y tienen una anchura de alrededor de 1/8 del diámetro del tanque.



Potencia consumida en tanques agitados.

La potencia introducida a un sistema de mezclado de líquidos por medio de un agitador se determina por su velocidad de rotación, la configuración del mezclador y las propiedades físicas de la mezcla. Por medio de un análisis dimensional se pueden relacionar estos parámetros a la potencia requerida. Si las dimensiones lineales tales como la profundidad del líquido en el tanque, el diámetro del tanque, el número, dimensiones y posición de los deflectores se encuentran en una relación geométrica con el diámetro del impulsor, entonces el suministro de potencia al agitador puede expresarse a través de la siguiente ecuación:

donde a, b y c dependen del sistema y su geometría, esta ecuación representa la relación entre los numeros de potencia, de Reynolds y de Froude:
El NRE representa la relación de la fuerza aplicada a las fuerzas viscosas de resistencia. El NFR representa la relación de las fuerzas aplicadas a las fuerzas gravitacionales. Como la formación de un vértice se debe a fuerzas gravitacionales, si se suprime el vértice, el NFR puede ignorarse. El NFR puede despreciarse 1) en sistemas con deflectores y 2) cuando el NRE es menor de 300.
Las gráficas de Npo vs NRe , en coordenadas log. log. se denominan como curvas de potencia y se encuentran reportadas en la literatura para configuraciones específicas.


Criterios sobre el trabajo de Agitación.


El Criterio a seguir desde el punto de vista funcional, deriva del grado de agitación, que es la potencia suministrada a cada unidad de volumen del líquido. Grado de Agitación en función de la potencia/vol (CV / litro)

Además, debe considerarse la eficiencia agitadora en función del diseño, tamaño y rpm.

Los factores que condicionan las características de un agitador son:
1. Sistema agitador (rodete - recipiente).
2. Sistema agitado.
3. Efecto pretendido con el agitador.
4. Tiempo en el que se quiere obtener el efecto.
5. Potencia puesta en juego para accionar el agitador.

Todos estos factores están relacionados entre sí. La existencia de tantas variables hace comprender las dificultades que se presentan para la resolución de los problemas.
Se pueden encarar los problemas acudiendo a la teoría de la Semejanza, basada en el Análisis dimensional, que por comparación de cocientes adimensionales que agrupan varias variables, permiten reducir su número. Aún así, es preciso establecer límites para poder arribar a resultados concretos en la práctica.
El criterio de Semejanza compara el MODELO con el PROTOTIPO (cuyo funcionamiento pretendemos prever en la operación fabril).
Los requerimientos de potencia son:

Análisis de tanques con deflectores: Cd = f (NRe); para un sistema geométricamente similar.
Además sabemos que :

Ecuación (1):
F: fuerza aplicada a la superficie sólida por el movimiento del fluido
S: área del sólido proyectada en sentido perpendicular al movimiento del fluido
L´: dimensión característica
v: velocidad característica del fluido
p : densidad del fluido,
u: viscosidad del fluido

Ecuación (2):





Ecuación (3):




La velocidad periférica tangencial del agitador es proporcional a la velocidad lineal : v = (PI) NxD

Ecuación (4)
Donde N es la velocidad en revoluciones. Reemplazando la ec. 3 y ec. 4 en ec 1, se tiene:



ó también hacerlo con: o bien NPo= f (NRe)

a) Comparación respecto a la Potencia necesaria (agitación simple).
En este caso, la semejanza entre modelo y prototipo es una semejanza geométrica dinámica e identidad de naturaleza entre uno y otro.
En la siguiente ecuación general,






Para valorar esta ecuación, graficamos en coordenadas logarítmicas los valores de los números de potencia en función de los números de Reynolds modificados Nre, obtenidos experimentalmente en un mismo sistema agitador y agitado, en los cuales se han variado las condiciones para obtener Nre desde muy pequeños hasta muy grandes.

(1)

Para Régimen Laminar, hasta Nre≈50 aproximadamente

(2)

Nre mayor de 50, si no hay cortacorrientes

(3)

Nre mayor de 50, si hay cortacorrientes

Observamos una dependencia lineal hasta Nre = 50 con o sin cortacorrientes.
Luego, cuando la energía de agitación es más considerable, (abandonamos ya el régimen laminar) ocurre lo siguiente:
1. Si no hay cortacorriente, el líquido comienza a ser arrastrado por el agitador, girando con él, la agitación en menos eficaz, línea 2.
2. Si existe corta corriente, se perturba el desplazamiento en masa y la agitación es mas eficaz y el consumo de potencia a igual NRe es mayor que el anterior, por eso la línea 3 que representa el fenómeno, va por encima de la 2. No existe arrastre, el agitador actúa como una bomba y el trazado de la línea 3 resulta independiente de las dimensiones del depósito.

Si se cambia el agitador experimentado, se obtienen también tres líneas que serán paralelas a las anteriores siempre que entre el sistema agitador actual y el anterior haya semejanza geométrica y el líquido sea el mismo.
Si no se dieran estas condiciones, se obtendrían también tres líneas, igual que en el primer experimento, pero no serían de igual trazado que las primeras.
Supongamos que se trata de calcular un agitador para un determinado proceso industrial. Por las características del sistema agitado -un líquido muy ligero que hay que batir intensamente- elegimos un pequeño agitador de tipo turbo, adoptamos una forma determinada de recipiente, cargamos éste con el líquido hasta una cierta altura y sumergimos el agitador hasta una cierta profundidad. Al depósito le proveemos con cortacorrientes. Colocamos un Watímetro en la línea de alimentación eléctrica del motor del agitador y anotamos las lecturas de potencia. Con esto obtenemos, para el modelo, una ecuación en la que conocemos todo menos c3:

Despejando, podríamos conocer el valor de la constante para este tipo de agitador en las condiciones ensayadas. No es ésta la aplicación más conveniente, sino que al tratar de calcular un sistema prototipo geométricamente semejante, la ecuación de éste será:


Por tanto, podemos establecer que:


y con P1, N1, L1, datos del modelo, se resuelve esta ecuación dando a N2 y L2 los valores que imponen la semejanza geométrica y así calcular el valor correspondiente a la tercera incógnita (P2) despejándola de la expresión.

b) Comparación en cuanto a la transmisión de calor.
La fórmula general


que , detalladamente podemos escribir así:

Para calefacción por camisa:


Para calefacción por espirales:


Con:
Prescindiendo de los coeficientes, podemos considerarlas válidas para cualquier caso, siempre que a igualdad de absorción de potencia exista igual efecto en el sistema.
Para distintos líquidos se pueden determinar la velocidad de rotación necesaria en el agitador para que éstos se encuentren bien agitados, lo que se conseguirá al administrársele una potencia de:
Pc = 2,6 x E-4 CV/litro en el caso de depósito con camisa y,
Pe = 3,2 x E-4 CV/litro, en el caso de los depósitos con espirales.
Para este cálculo, tomamos como diámetro del depósito 0,30m, mínimo de cualquier instalación piloto y fijamos L en 0,20m, de acuerdo con el diámetro del depósito. Para el coeficiente c2 tomamos el valor más general 2,5 x E-4 de acuerdo con los datos de la bibliografía especializada.

Así, obtenemos un valor de N para cada caso, y con los datos que unas tablas generales nos den para las propiedades de cada líquido (viscosidad, calor específico, etc.) necesarias para valorar las ecuaciones (2) y (3), resolvemos éstas para obtener los valores de hc y he.
Para generalizar y simplificar la aplicación de estas fórmulas, se pueden repetir los cálculos anteriores, pero para diámetros distintos y mayores de 0,30 m.
Estas correcciones están representadas gráficamente en la figura 5. Análogamente, para la potencia se ha trazado la gráfica de la figura 6.
Figura5
Figura6
Valores de los coeficientes de corrección de potencia en función de la intensidad de agitación (agitación con transmisión de calor)


FORMAS DE EVITAR REMOLINOS:
· Colocando el agitador fuera del eje central del tanque. En tanques pequeños se debe colocar el rodete separado del centro del tanque, de tal manera que el eje del agitador no coincida con el eje central del tanque. En tanques mayores el agitador puede montarse en forma lateral, con el eje en un plano horizontal, pero no en la dirección del radio.
· Instalando placas deflectoras. Estas son placas verticales perpendiculares a la pared del tanque. En tanques pequeños son suficientes 4 placas deflectoras, para evitar remolinos y formación de vórtice. El ancho de las placas no debe ser mayor que un doceavo del diámetro del tanque. Cuando se usan agitadores de hélice, el ancho de la placa puede ser de un octavo del diámetro del tanque. Si el eje del agitador está desplazado del centro o inclinado, no se necesitan placas deflectoras.
Cuando no se presentan remolinos, el tipo de flujo específico depende del tipo de rodete:
· Los agitadores de hélice impulsan el líquido hacia el fondo del tanque, desde donde la corriente se extiende subiendo por las paredes y retornando hacia la hélice. Se emplean cuando se desean intensas corrientes verticales, por ejemplo para mantener en suspensión partículas sólidas pesadas. No se emplean cuando la viscosidad del líquido es superior a los 5.000 centipoises.
· Los agitadores de paletas producen un flujo radial intenso en el plano próximo a las palas (Esto podemos apreciarlo en la simulación de abajo), pero prácticamente no dan lugar a corrientes verticales. Estos agitadores no son eficaces para mantener sólidos en suspensión.

(Fuente: Optimización de un Reactor de Biodiesel - Empresa ANALISIS DSC)

· Los agitadores de turbina impulsan al líquido radialmente contra las paredes laterales del tanque, desde donde la corriente se divide, una parte fluye hacia arriba y otra parte hacia el fondo, retornando ambas al rodete. Por lo que producen dos corrientes de circulación separadas. Dan excelentes resultados en la mezcla de líquidos que tienen aproximadamente la misma densidad relativa.

(Fuente: Optimización de un Reactor de Biodiesel - Empresa ANALISIS DSC)

Otro aspecto importante es la “geometría aerodinámica” en sí, del tipo de agitador y que no es arbitraria sino que es resultado de estudiar las trayectorias de flujo durante el proceso de “transesterificación”. Pero la falta de medios económicos y recursos técnicos nos limitan mucho en este sentido y debemos conformarnos con una solución a medias cuando se trata de optimizar dicho proceso.

Bueno, el año se nos vá y estamos dedicando la mayor parte del mismo a los reactores de biodiesel, pero se trata de un tema de actualidad, sin lugar a dudas, y constituye una alternativa energética a futuro para un país como el nuestro, como bien se dijo, y precisamente el próximo (y último artículo dedicado a esta serie) veremos todas las potencialidades de las que, como nación, disponemos para la producción de biocombustibles y tal vez, para la autosuficiencia en energía. Hasta el mes que viene, y como siempre, muchas gracias a la empresa ANALISIS -DSC por permitirnos compartir imágenes de sus CFD's y al público por su atención.

CONSTRUYE TU PROPIO GENERADOR DE BIODIESEL (Criterios de Ingeniería - 3ª Parte)

En esta ocasión trataremos el tema de los sistemas de calentamiento para nuestro reactor y las múltiples alternativas que tenemos para este objeto. La primera propuesta, como recordaremos, utilizaba una fuente de calor externa (cocina o primus); esta alternativa es factible sólo a nivel demostrativo (muy pequeño volumen) mas no de producción. La alternativa racional, sea cual fuere el diseño de nuestro reactor, es una fuente de calor interna, esto es, el calor debe ir directamente de su fuente hacia el proceso de transesterificación.
Si nos ha entusiasmado por ejemplo la idea de un reactor artesanal a partir de un depósito vacio como este balde de lubricantes por ejemplo:

Podemos instalarle un calentador de inmersión y asegurarlo con masilla epóxica como se muestra en las figuras siguientes pero los riesgos de accidentes son altísimos. Una precaución básica por ejemplo es la de tener siempre sumergido el calentador en el aceite.

Si se opta por un diseño formal (tanques de acero inoxidable), hemos de instalar el calentador o la resistencia convenientemente, de modo que haya aislamiento térmico y eléctrico para evitar accidentes y reducir pérdidas. Aquí puede verse el modelo ideal de instalación para una resistencia, según su fabricante:

Y aquí puede verse la forma correcta como ha de instalarse un calentador de inmersión, también según especificaciones de catálogo.



¿COMO CALCULAR LA POTENCIA DEL CALENTADOR?

Para este objeto, consideraremos que todo el fluido del reactor es glicerina (subproducto mayoritario de la transesterificación) que calentaremos desde una temperatura ambiente (20°C = 293K) hasta 50°C (323K).
La energía específica por mol se calcula mediante la primera ley de la termodinámica:

Donde A = 132,145; B = 8,6007 (E-1); C = 1,9745(E-3) ; D = 1,8068 (E-6)

Integrando la expresión dentro de los límites de temperatura dados tenemos:

∆Ĥ = 7875,18 Joule/mol,

y dado que para la glicerina M = 92,095 g / mol , dividiendo lo primero entre esta última cantidad obtenemos:

∆H = 85,5115 J/gr.

La densidad de un líquido, a una temperatura T se calcula (en gr/ml) mediante la expresión:

Donde A = 0,34908; B = 0,24902 ; T = 323 K(50°C); Tc (temperatura crítica)= 723 K

Remplazando nuestros datos en la expresión indicada ρ = 1,242 gr/ml = 1242 gr/lt

Luego tendremos:

Energía requerida = (85,5115 J/g)(1242 g/l) = 106205,283 J/Lt.

Luego, para un barril de 50 Lts. se requieren: E = 5310264,15 J.

Se sabe que P(potencia en Watts) = Joule/segundo, entonces: segundos = Joule / watts

De este modo, si usamos un calentador de 1000 W para 50 litros emplearemos:

t = 5310264,15 J/ 1000 W = 5310,26415 segundos ≈ 1,48 hrs.

El consumo de energía eléctrica será de 1000W x 1,48 hrs = 1 Kw x 1,48 hr. = 1,4751 Kw-hr.

Si usamos un calentador de 4000 W, para esos mismos 50 litros:

t = 5310264,15 J/ 4000 W = 1327,6 segundos ≈ 0,3688 hrs ≈ 22 minutos.

El consumo de energía eléctrica 4Kw x 0,3688 hrs = 1,4752 Kw – hr

Como puede observarse, un calentador eléctrico de mayor potencia, no implica un consumo mayor de energía eléctrica, y para mejor, el tiempo de calentamiento se reduce.

Si se desea hacer cálculos de manera más práctica (incluyendo las pérdidas) podemos recorrer a las siguientes expresiones (en unidades inglesas)

1. Energia de calentamiento (BTU) = Peso de líquido a calentar (lbs) × el calor específico del líquido(Cp) × el cambio de temperatura (°F) dividido por 3412 (BtuH/kW). Previamente divida el resultado por el tiempo de calentamiento (hr).

2. Pérdidas de la superficie del tanque = área de la Superficie del tanque (pies cuadrados) × factor de pérdida (BtuH/sq ft/F) × el cambio de temperatura (°F) dividido por 3412 (BtuH/kW). Duplicar esta pérdida debido a la agitación.

3. Agregados nuevos al tanque = Peso de Líquidos o sustancias agregados cada hora (lb) × el calor específico de la sustancia agregada (Cp) × la diferencia de temperatura de la solución agregada para bajar la temperatura (F) dividido por 3412 (BtuH/kW).

4. Pérdidas en las paredes laterales = área externa del tanque (en pies cuadrados)× el factor de pérdida de pared lateral [BtuH/sq/ ft/F] × el cambio de temperatura (°F) dividido por 3412 [BtuH/kW]).

(Si se observa detalladamente nos estamos basando en las ecuaciones de Calor y la ley de Fourier)

El coeficiente de pérdidas se calcula dividiendo el coeficiente de conductividad del material del tanque (Acero inoxidable = 26 BTU/hr pie °F) por el espesor del tanque (en pies).

La suma de las potencias (ya en Kw) de calentamiento (1 + 2) y las de operación (3 + 4 ) se comparan, y se elegirá la mayor como potencia de diseño para el calentador.



AHORRO DE ENERGIA EN EL SISTEMA DE CALENTAMIENTO:

¿Es necesario tener encendido el calentador durante todo el tiempo de trabajo?, verdaderamente no lo es. Lo que se necesita es mantener una temperatura uniforme (50°C) y mantener dicha temperatura durante el proceso, y dado que disponemos de termómetros para estar controlando la temperatura en el reactor, lo ideal sería encender el calentador sólo para elevar la temperatura y cuando ésta empiece a descender hasta un nivel mínimo aceptable, manteniéndolo apagado el resto del tiempo. He aquí entonces una alternativa racional de ahorro de energía eléctrica, se trata de un circuito electrónico experimental que “enciende y apaga automáticamente” a nuestro calentador porque está dotado de un sensor de temperatura y puede funcionar con fuente (rectificador conectado al sistema eléctrico de todo el equipo) o batería de 12 V. Veamos el circuito (si el esquema no está muy visible, escríbeme para enviártelo):

Este circuito está basado en un amplificador operacional (tipo CA741) que puede ser reemplazado por un LF356 (Es el CI-1) para tener mayor estabilidad.
Como elemento sensor de temperatura utiliza un diodo tipo LM335. El potenciómetro P1 nos ayudará a calibrar la temperatura mínima de referencia y el LED D2 nos informará que el circuito está funcionando.
Esta es la lista completa de componentes:
 CI-1 LF 386 – Amplificador operacional con entradas FET
 CI-2 CD4093BP – Integrado CMOS
 Q1 y Q3 – BC548 – Transistor NPN de uso general.
 Q2 – BC558 – Transistor PNP de uso general.
 D1 – LM335 – Diodo sensor de temperatura.
 D2 – Diodo LED de 5mm color verde.
 D3 – Diodo 1N4148 Diodo de uso general.
 P1 – Potenciómetro de 5 K Ohm
 R1 – 10 K Ohm
 R2 – 29 K Ohm
 R3 – 12 K Ohm
 R4 – 10 K Ohm
 R5 – 10 K Ohm a 3,3 M Ohm (a experimentar)
 R6 – 1 K Ohm
 R7 – 4,7 M Ohm.
 R8 – 10 K Ohm
 R9 – 10 K Ohm
 R10 – 1 K Ohm
 R11 – 3K3 Ohm
 C1 – 470 nF - Cerámico x 50 V
 C2 – 330 nF - Cerámico x 50 V
 Relé de 12 V para circuitos impresos.

Con esto doy por concluido el presente artículo, gracias nuevamente por la atención brindada. Toda crítica bien intencionada o sugerencia es, como siempre, bienvenida.. Nos vemos el mes siguiente con los “mecanismos de agitación”.

COSTRUYE TU PROPIO GENERADOR DE BIODIESEL (Criterios de Ingeniería - 2ª parte)

Una vez definido el diseño de los tanques, se tiene otro factor no menos importante para llevar a cabo nuestro “generador de biodiesel”, se trata de la estructura de soporte para el proyecto y a la que muchas veces no se le toma muy en serio si se trabaja empíricamente.

Veamos el caso de este “Generador de fondo cónico”, construido a partir de un barril petrolero de 200 litros y que está soportado por 4 tubos estructurales ligados con travesaños.

Modelaremos las patas como “columnas” , haremos un poquito de cálculos basándonos en la teoría respectiva y llegaremos a una interesante conclusión:

Definimos el coeficiente de esbeltez de la siguiente forma:

Como trabajamos con acero estructural, tendremos aproximadamente:
E (Módulo de Young) = 200 GPa ; σy (Esfuerzo de fluencia) = 250 MPa
Reemplazamos este dato en la expresión de arriba tenemos Ce = 116,7

La Relación de Esbeltez se define = L/r, donde “L” es la longitud efectiva y “r” el radio de giro de la sección geométrica, definido a su vez por:
“I” es el momento de inercia de la sección transversal y “A” el área de la misma.

Ahora bien, la carga admisible en columnas de acero está regida por las especificaciones puntuales de la AISC (American Institute of Steel Constructions), las cuales indican:

a) ) Si L/r está entre Ce (116, 7 en nuestro caso) y 200

b) ) Si L/r es menor de Ce (116,7)

Donde F.S. es el factor de seguridad:

El tubo estructural utilizado es de 1” de diámetro y aproximadamente 1 mm de pared. Así tenemos: (Todos estos datos pueden obtenerse del Manual de la AISC)

Suponiendo que nuestras patitas tengan una altura de 1,5m, estaríamos en el caso “a” dado que L/r = 172,99 y la carga admisible sería de 2741,507 N ≈ 779 kg por pata.

Si las patitas tienen una altura más modesta, digamos 80 cm, estaríamos en el caso “b” dado que L/r = 92,262 <>

Nuestro factor de seguridad F.S. ≈ 1,9

Por ende nuestra carga admisible aumenta a 8373,54 N ≈ 853 Kg por pata.

El barril lleno puede pesar hasta 200 kg (50 Kg soporta cada una de las 4 patas aproximadamente) y ello nos hace pensar que hubieren sido suficientes 3 patas en vez de 4 asumidas empíricamente. Esta es la conclusión más importante.

Por todo lo expuesto, quedamos convencidos entonces de la importancia en optimizar también el diseño de las estructuras de soporte, ya no sólo con respecto al número de columnas, vigas o travesaños, sino también el de seleccionar la sección geométrica de dimensiones más convenientes para los perfiles que han de utilizarse.

El manual de construcciones de acero de la AISC es una herramienta valiosísima como referencia para cualquier estructura de soporte hecha de acero. Aquí dejo el link desde donde podrá descargarse.

http://my.opera.com/montane76/blog/manual-of-steel-construction-aisc-lrfd

Otro aspecto importante es el de la soldadura, si bien el manual AISC nos brinda ciertos alcances, viene al caso indicar que para espesores de plancha de acero de 6 mm ó menos, el espesor mínimo de los cordones es de 3mm, mientras que para espesores de entre 6 y 8 mm (Es muy raro requerir un espesor mayor de planchas y perfiles en proyectos pequeños), el espesor de soldadura mínimo es de 5 mm. Estos datos se ajustan a otra especificación importante, correspondiente a la AWS (American Welding Society).

Este artículo será uno de los pequeños pero su importancia es fundamental. El próximo estará referido a los sistemas de calentamiento.

CONSTRUYE TU PROPIO GENERADOR DE BIODIESEL (Criterios de Ingeniería – 1° parte)

La primera propuesta ha sido netamente experimental, ahora vayamos mejorando nuestro reactor de acuerdo con la cantidad requerida de combustible en nuestras necesidades diarias. Empezaremos pues, esta serie de tópicos destinados a incrementar rendimientos utilizando verdaderos criterios de ingeniería. El primero será relativo al diseño de los tanques de proceso y lavados. Una introducción se hace necesaria.
Los modelos de reactores que abajo pueden apreciarse fueron desarrollados en la Universidad Agraria, forman parte del proyecto discutido en este blog hace dos meses. He aquí la primera propuesta, que está destinada al ámbito urbano y serviría (como bien mencionamos) para reciclar aceites usados en los restaurantes.

El tanque superior (donde se procesa el metóxido) tiene una capacidad de 15 litros mientras que el tanque inferior (el reactor propiamente dicho) es de 60 litros y están realizados en acero inoxidable.
La segunda propuesta está dirigida al sector rural ,de manera más precisa (pero desatinada) a las comunidades aisladas de nuestra Amazonía, he aquí el reactor:
En este caso se ha adaptado un barril de acero de 50 litros para éste propósito, y , desde luego, sin modificaciones como puede observarse.

La primera propuesta posee la ventaja fundamental del “fondo cónico” en los recipientes. Dicha característica permite aprovechar la ventaja de la presión hidrostática, que, aunada a la reducción del área de salida, incrementa la “velocidad de descarga” y de este modo puede gobernarse adecuadamente la evacuación tanto de la glicerina como la del biodiesel resultantes del proceso.

¿Y cuál es el ángulo adecuado?, el fondo plano no nos garantiza un completo vaciado del depósito, y mucho más si consideramos que estamos trabajando con líquidos altamente viscosos. Esto mismo se dá al utilizar un ángulo de cono muy pequeño.
Utilizando las ecuaciones básicas de Bernoulli y la de continuidad de flujo se obtiene el siguiente resultado:
Tomemos por ejemplo el caso de que deseáramos adaptar un típico barril petrolero de 50 galones (≈13 litros) como reactor para producir nuestro biodiesel.
Sus dimensiones aproximadas son r1=11,375” ≈ 0,289 m ; H ≈ 90cm =0,9m.
Supongamos que simplemente le practicamos un orificio de ½ pulgada de diámetro, luego tenemos un radio r2 = ¼ “ ≈ 0,00635 m
Reemplazando entonces los datos geométricos de nuestro barril en la ecuación y variamos el ángulo entre 30° y 75°. Obtenemos entonces:
No obstante lo burdo que podría resultar este modelo matemático (no estamos tomando en cuenta la viscosidad), nos da una pequeña idea de la importancia de este asunto.
Puede leerse en algunos artículos relativos a la construcción de reactores que “a mayor profundidad del cono se obtendrán mejores resultados” y se recomienda un “ángulo de cono” de entre 45° y 52° según el volumen de la parte recta del cilindro. Evidentemente que podemos usar un ángulo mayor, pero reduciendo la altura “H” de la parte recta del tanque.

¿Cuál es el espesor adecuado del acero inoxidable para los tanques de proceso y de lavado?.

Los artículos y documentos que encontraremos “navegando por ahí” nos recomiendan un rango de entre 1,3 y 2mm correspondiendo este último numerito para un máximo de 200 litros.
Nosotros recomendaremos de manera especial la norma API (American Petroleum Institute) 650 para tanques de almacenamiento que establece:

H (altura) y D (diámetro) están en pies (simplemente dividimos por 0,3048 para convertir nuestros metros).
Ge (gravedad específica del fluido) podremos asumirlo igual a 1.26 (glicerina muy viscosa).
Este resultado es para tanques cuyo diámetro sea inferior a 50 pies (15 metros). Es muy raro que requiramos de diámetros mayores.
Así , reemplazando los datos de nuestro barril petrolero (H = 0,9m y D = 0,571m) requeriremos una plancha de acero inoxidable de t = 0,068” ≈ 1,7 mm si deseamos construirle un fondo cónico o bien para construir un nuevo tanque.

DIMENSIONES PARA EL REACTOR

La relación de volúmenes entre el tanque reactor y el de metóxido debe ser aproximadamente de 10/3 (según los cálculos experimentales en nuestro artículo anterior). Aquí los amantes de la geometría tienen una bonita oportunidad de aplicar diligentemente sus conocimientos.
El volumen deseado es decidido de antemano, bien podría diseñarse y construirse completamente el reactor, como también podría adaptarse un barril de acero (tal fue el caso del proyecto de la UNALM), pero es necesario agregar un fondo cónico por las razones ya expuestas.
Suponiendo que estamos en el primer caso. El volumen de la parte de nuestros tanques lo calculamos usando V1 = π (D al cuadrado)H y la parte cónica V2 = (1/12 )π (D al cuadrado) h (h = altura de la parte cónica). No tenemos más que jugar con valores para D y H (en metros).
El volumen final de nuestro recipiente se estimará entonces con V = V1 + V2, haciendo la conversión de unidades respectiva (metros cúbicos a litros o galones).
Para tener en cuenta: 1 metro cúbico = 1000 lts. = 264,18 galones USA
No tenemos más que jugar con valores para D y H, de acuerdo al volumen final deseado V. La altura “h”, como vimos, dependiente del ángulo α, ya que h = (D/2)tanα , pero, en la práctica dicho ángulo es difícil de obtener “exactamente como lo queremos”.
He aquí cómo se desarrolla la parte cilíndrica en la plancha de acero, Para nuestros fines es suficiente redondear el π = 3,14.. Su perímetro será: P1 = πD

Para la parte cónica es necesario haber decidido el ángulo α, con el cual calcularemos “h” pues lo que requerimos realmente es la “generatriz del cono” que designaremos como “hi” y será calculado con nuestro teorema de Pitágoras:

Ahora desarrollamos nuestro conito de la siguiente manera. Con radio “hi” trazamos un círculo sobre la plancha de acero. Este círculo tendrá un perímetro P2 = 2πhi.
La diferencia de perímetros P2 – P1 nos dará como resultado el arco “ab”, que a su vez nos servirá para calcular el angulo β, base del desarrollo del cono.

Para quien conoce de éstos menesteres es muy sencillo este procedimiento, pero para quien no tiene mucha práctica debe entrenarse primero con pedazos de cartón.
Las planchas cortadas y roladas deberán soldarse. Aquí vamos a dar el ejemplo de cómo procederemos en el caso de que decidamos introducir un fondo cónico en nuestro barril petrolero de 50 galones, ya conocemos las dimensiones básicas.

Si no tenemos un compás bastante grande, se puede improvisar uno con un clavo, un rotulador y cordel que no se deforme al tirar, o mejor, alambre fino. Enrollar uno de los extremos del alambre en el clavo, y el otro en el rotulador, cerca de la punta en ambos casos, con la longitud del alambre entre ellos igual al radio del círculo; es un poco difícil conseguir la distancia exacta. Sujetar el clavo a algo para mantener el alambre tirante y enrollar o desenrollar un poco del rotulador. Hacer una pequeña muesca en el centro de la chapa donde pueda encajar la punta del clavo. Dibujar el círculo con cuidado, manteniendo el rotulador y el clavo totalmente verticales.
Si no es factible o es muy costoso el rolado puede probarse doblar la chapa con forma curva empleando un rodillo. Un buen motivo para hacer el agujero de la válvula al principio es que así el rodillo puede atravesar el agujero y es más cómodo. Prueba con un segmento de tubo de acero de diámetro 2 cm y medio metro, o más, de largo.

Lo próximo será el análisis de elementos estructurales para todo nuestro equipo y que será materia del siguiente artículo. Por la atención brindada, muchísimas gracias y ¡hasta el mes que viene!.

CONSTRUYE TU PROPIO GENERADOR DE BIODIESEL (PRIMERA PROPUESTA)

Empezaremos esta serie dedicada a dar ideas precisas para proyectar y construir nuestro propio reactor o generador de biodiesel. Esta primera propuesta nos servirá para irnos entrenando en la producción de dicho biocombustible, para tener una idea cabal de “¿cómo es que se hace?” y “¿qué se debería hacer para optimizar el proceso?”. Puede ser también interesante como trabajo demostrativo experimental.Este mini-reactor es fácil de hacer con pocos materiales, casi todos de la cocina, y unas pocas herramientas. Es efectivo y seguro, hermético, sin salpicaduras ni fugas de gases calientes. Sirve para pruebas de 1 ó 2 litros y para procesos de una etapa o de dos. Tiene control de la agitación y de la temperatura, y además es portátil.

Materiales
*Un bidón transparente de tres litros de HDPE (polietileno de gran densidad), con dos tapas (una encajada a presión y otra enroscada encima). Como no son muy “comunes” esos bidones puedes adaptarle éste sistema a un bidón simple de dos litros.
*Olla para fideos. Tiene dos partes (una olla dentro de otra); la pieza interior está llena de agujeros como un colador. Esta puede sustituirse ventajosamente (si no encontramos ese tipo de olla) con dos ollas o recipientes metálicos (una más pequeña que la otra ,obviamente, y a la que se agujereará como colador en su base inferior).
*Llave para bujías;
*Varilla de acero(diámetro 6mm ó ¼ “) para el agitador.
*Hornillo de gas portátil o cocinilla eléctrica o un primus a kerosene.
*Dos botellas de medio litro de plástico PET.
*Tubo de plástico rígido de diámetro 4mm (1/8") y 6mm (1/4").
*Tubo de plástico flexible de diámetro 6mm (1/4").
*Trozo de madera para fijar agitador en la tapa.
*Termómetro para controlar temperaturas.
*Varios: resina epóxica o masilla, silicona.
Para la agitación:
*Taladradora eléctrica portátil (Si puedes darte el lujo o si puedes rebobinar el motor de una malograda). Lo más racional es utilizar un motor reductor de corriente continua, al que con un poquito de ingenio acoplarás el agitador.
*Abrazadera de plástico para la taladradora o el motor;
*Estructura de soporte para la taladradora o el motor;

El agitador es, como se indicó, una varilla de acero de 6 mm a la cual se le practicará una ranura en un extremo y una pieza plana de acero encajada en la ranura. El eje entra a medida pon un agujero en la mayor de las dos tapas del bidón.
En caso de utilizar un motor simple o reductor en lugar de la taladradora, he aquí una sugerencia de cómo debe acoplarse con el agitador
La tapa está atravesada por un casquillo de madera dura con un agujero de 6mm para que pase el eje del agitador. El agujero debe ser del tamaño justo para que pase el eje. Calienta una varilla del mismo diámetro que el eje y pásala con cuidado através del agujero; que no esté demasiado caliente, lo justo para tostar el interior del agujero sin llegar a carbonizarlo. Pon unas gotas de biodiesel para lubricar.

Recorta en la tapa un cuadrado del tamaño del casquillo de madera. Haz dos ranuras poco profundas en cada una de las cuatro caras de la pieza, justo encima y debajo de donde se va a ajustar la tapa. Encaja la madera en la tapa y sella la unión por las dos caras con masilla epóxica, rellenando también las ranuras. Cuando la resina endurezca cubre las juntas con silicona.

Calentamos el aceite en un recipiente aparte hasta una temperatura de 50°C (que se controlan con el termómetro) y lo vertemos dentro del bidón.Introduce el agitador en el reactor. Inserta la tapa con el taco de madera por el otro extremo del eje del agitador y enróscala con firmeza. Llena las dos botellas de medio litro con agua a la temperatura de proceso, o a una temperatura inferior. Pon el reactor dentro de la olla. Para que el bidón no se mueva ponle una una botella a cada lado. Añade agua caliente a la olla hasta que quede al mismo nivel que el aceite. Regula el fuego para ajustar la temperatura del agua a la del proceso y luego apágalo.Pon la taladradora en su soporte, sujétala al eje del agitador, y ponla en marcha.

El Metóxido:

El reactivo fundamental para la preparación de biodiesel es el Metóxido de Sodio que se prepara a base de alcohol etílico o metílico y soda cáustica o lejía en una proporción de 10/1 respectivamente. La lejía cumple la función de “catalizador” de la mezcla, ésto es, el “acelerador” del proceso químico.La mezcla de la lejía con el metanol produce una reacción exotérmica, que desprende calor. Es peligroso y difícil de mezclar, y la mezcla tiene que completarse totalmente antes de poder usarla; toda la lejía tiene que estar disuelta. Esta es una manera sencilla y segura de hacerlo. El problema es que hay que hacerlo con mucho tiempo de adelanto, pero es fácil calcular los tiempos. ¡TOMAR TODAS LAS PRECAUCIONES cuando se manipule metanol, lejía o metóxido de sodio! Utilizar un recipiente resistente y denso, hecho de HDPE, normalmente marcado en el fondo con la marca internacional "2" dentro de un triángulo. Debe tener una tapa que se ajuste a presión y otra tapa que se enrrosque encima. Poner dentro el metanol y añadir después la lejía. Si estás usando cantidades grandes es mejor que no eches toda la lejía de una vez, sino poco a poco, agitando el recipiente cada vez que añadas lejía (primero cierralo bien). Después de echarla toda vuelve a tapar y agita durante unos segundos. Hazlo unas cuantas veces más, cada pocas horas (al menos entre cuatro y seis veces en total). Se disolverá totalmente en 24 horas, o un poco más. Para fines de cálculo puede utilizarse esta proporción según la cantidad de biodiesel que vayamos a preparar: 78% aceite, 20% alcohol, 2% lejía.
Mezclamos el metóxido en bidones de HDPE que tienen un tapón encajado a presión con una tapa enrroscada encima. Taladra dos agujeros en una tapa y fija dos segmentos cortos de tubo de plástico, o de cobre, de diámetro 4mm (1/8"), unidos a la tapa con masilla epoxi. A uno, por la parte de dentro, ponle un pedazo de tubo de plástico rígido de diámetro 6mm (1/4"), que llegue casi al fondo de la botella. Al otro, en la parte de fuera, únele un segmento de tubo de plástico flexible de diámetro 6mm (1/4"). Fija un tercer segmento de tubo de cobre a la tapa pequeña del reactor.Para transvasar el metóxido al reactor (cuando el metóxido esté frío), sustituye el tapón y la tapa normal por la tapa modificada en el párrafo anterior, apretando bien.

Unimos el extremo libre del tubo flexible al tubo que atraviesa la tapa pequeña del reactor. Ahora, con cuidado, eleva el bidón del metóxido por encima del reactor y dale la vuelta. Entra aire por el tubo abierto que llega hasta el fondo (que ahora es la parte más alta); el metóxido fluye por el tubo flexible y atrtavés de la tapa del reactor hasta caer sobre el aceite.Cuando no quede metóxido en el bidón, dejalo de pie sobre la mesa, junto al reactor. El vapor de metanol que no se condense en el reactor se condensará en el bidón y podrás reutilizarlo.

Controlamos la temperatura con un termómetro y calentamos cuando sea necesario. Esto es bastante seguro, incluso usando gas y con la traladradora en marcha, porque no sale vapor de metanol durante el proceso. A tempratura ambiente sólo hay que corregir la temperatura de la mezcla un par de veces cada hora.




El recipiente de HDPE es translúcido en vez de transparente, pero se puede ver cómo se desarrolla la reacción, y los cambios de viscosidad y color del aceite.

El proceso de agitación debe realizarse por 2 horas en promedio (independientemente de las RPM con las que se esté trabajando). Cuando termine la reacción desconecta la taladradora o motor y tumba el reactor sobre un lado para el reposo, con la tapa pequeña abajo. Después, para drenar la glicerina, simplemente sostenlo inclinado sobre un cubo y afloja la tapa pequeña; aprietala cuando empiece a salir el biodiesel. Es necesario indicar que el proceso de “reposo” debe ser de 8 horas en promedio.

El biodiesel es, como se observa en la figura, el líquido de color ámbar situado entre la tapa pequeña y el asa; el resto es glicerina sucia. Aproximadamente se obtiene un 10% de producto final sobre un 100% de materia prima.
Finalmente el producto obtenido ha de ser “purificado” pues nada nos garantiza su calidad y limpieza.
El biodiesel se mezcla con agua (en proporción 50%-50%) tres veces, dejándose en cada una reposar por espacio de 30 mins. (el agua con impurezas se irá al fondo) para que se separen ámbos líquidos.
El agua que “por casualidad” quede en nuestro biodiesel se evaporará calentándolo a una temperatura de 60°C aproximadamente. Recomiendo probarlo haciéndolo arder humedeciendo con él un pedacito de algodón.

Todos los tiempos y proporciones así como las diversas recomendaciones indicadas para la obtención de biodiesel en este reactor, se corroborarán o afinarán con un poquito de práctica.

Ahora nuestro objetivo será optimizar el proceso a fin de obtener una mayor cantidad de biodiesel, para lo cual hemos de emplear recipientes más grandes (pueden seguirse utilizando reciclados pero el ideal es que sean de acero inoxidable, dimensionados adecuadamente), perfeccionar el mecanismo de agitación, la fuente de calor debe ser interna y no externa para mejorar la eficiencia térmica. Utilizaremos además bombas, tuberías y accesorios hidráulicos para comunicar entre sí a los recipientes y evitar la manipulación que puede ser riesgosa e innecesaria para el operario. Todo esto será materia de nuestros siguientes artículos.

(Fuentes de Referencia:http://journeytoforever.org/ ; http://www.biodieselcommunity.org/ )