EL ONDOL, LA INGENIOSA CALEFACCIÓN DOMÉSTICA COREANA .

Hace algunos años leí en cierta revista un artículo referido a este curioso y antiguo medio de calefacción doméstico, típico de Corea: El “Ondol” (que en español significa “piedra caliente”). Ciertamente dicho artículo despertó mi deseo de conocer mayores detalles respecto a su diseño. He aquí pues, un resumen de cuanto he podido averiguar:
Este ingenioso sistema consiste básicamente en el “re-uso” del calor proveniente de los fogones utilizados para cocinar. El humo o aire caliente recorre una serie de “conductos subterráneos” que elevan la temperatura del piso antes de dirigirse hacia la chimenea. Véase las figuras siguientes:

El Ondol tradicional está constituido por bloques de granito o ladrillo con un espesor promedio de 5 cm., soportados a su vez por pequeñas columnas de los mismos materiales, y que dan origen a los “ductos” por donde circulará el aire caliente a régimen turbulento gracias a las “trampas de flujo” (montículos y cavidades en el terreno), esto último garantizará el máximo aprovechamiento energético durante el “recorrido” del aire. La parte superior del piso se recubre con papel aceitado.

El calor se desplaza por radiación y conducción a través de las paredes del piso hacia los puntos de menor temperatura. Este se mantiene en un promedio de 31°C (pudiendo llegar hasta aproximadamente 40 en el mejor de los casos) mientras que el aire en los compartimientos de la casa puede oscilar entre 18 y 25°C. cuando el exterior está a temperaturas entre -3 y 5°C, típicas del invierno en esas regiones.

El Ondol moderno está constituido por ductos de cobre con apenas 1,5 cm de diámetro e instalados en serpentines, que ya no conducen aire sino vapor de agua a alta temperatura suministrado por calderas. De este modo se puede proveer de calor a más de un hogar.
Compárese las secciones transversales de los sistemas clásico y moderno.

La presencia de ventiladores (que introducen aire frio del exterior a los recintos) ayuda a regular la temperatura, según la comodidad del usuario.

La arquitectura de los hogares actuales (como edificios de departamentos) influye en el rendimiento del Ondol. La normatividad coreana para las edificaciones es muy puntual en este sentido al recomendar espesores y materiales de paredes, según la función que desempeñen.

Un aspecto que tienen en común el sistema antiguo y el moderno, es la fluctuación de la temperatura. En el caso del primero será mayor debido a que los tiempos muertos (donde no hay suministro de aire caliente) son más amplios. En cambio el sistema moderno reduce dichos tiempos, pues la caldera de vapor puede estar encendida más horas que un simple fogón, aunque el gasto de combustibles sea también mayor.

Si bien el Ondol moderno ha incorporado dispositivos (además del soporte técnico-científico que acompaña al diseño) con el fin de hacer más eficiente y duradero el efecto calefactor, el sistema antiguo sigue utilizándose y supera a otros “métodos clásicos” empleados, como es el caso de las chimeneas o fogatas que conocemos universalmente.

El Ondol tradicional, sin lugar a dudas, es una alternativa interesante para calefacción de hogares y preservación de ganado en zonas pobres de Latinoamérica, como es el caso de la región andina del Sur Peruano, víctima de climas muy fríos durante los últimos años.

Todo parece indicar que este blog superará las 10000 visitas antes de finalizar este año y ello me motiva no sólo a continuar escribiendo artículos, sino también a ir mejorando la presentación y los contenidos. Muchas gracias por acompañarme nuevamente. Dios mediante, estaremos con un nuevo tema el mes que viene. Cordiales saludos para todos.

REFERENCIAS:

ANALYZING THERMAL ENVIRONMENT EFFICIENCY OF RAISED-FLOOR ONDOL WITH VENTILATION Jea-Ho Sung†, Sang-Min Han, Yu-Min Kim and Jang-Yeul Sohn - Hanyang University, Seoul, Korea.

A STUDY ON THE THERMAL PERFORMANCE SIMULATION TO EVALUATE THE PREFABRICATED RADIANT FLOOR WITH HEATHING PANELS Myoung Soug Yeo - Departament of Architecture - Seoul National University - South Korea.

DISEÑO DE PLANTAS DE BIOGAS (CUARTA PARTE –ESPECIFICACIONES COMPLEMENTARIAS)

El biogas, como bien sabemos, no está constituido únicamente por metano. Los componentes “indeseables” del biogas son el vapor húmedo, el ácido sulfhídrico (causante de malos olores) y dióxido de carbono. Estos influyen negativamente en el rendimiento de la producción en las plantas y también (al menos los dos últimos) son nocivos para la salud humana y animal.
Hemos anotado en el artículo anterior cómo extraer el condensado (parte húmeda del biogas).
Para la reducción del ácido sulfhídrico hay 3 técnicas básicas: La primera ha sido utilizada exitosamente en Pakistán y consiste en colocar una “camisa exterior” de agua en la cámara colectora de gas. Esta alternativa se utiliza además para reducir las pérdidas, pero tiene la desventaja de ser relativamente costosa en pequeñas instalaciones. Otra alternativa es la de inyectar pequeñas dosis de aire en la cámara mencionada. Véase la reacción en la figura mostrada: (Éste es el proceso más utilizado en plantas grandes, del tipo industrial)

La tercera alternativa (más viable en plantas pequeñas) es la colocación de filtros de óxido u hidróxido de hierro. La reacción en este caso viene dada por :

FeO + H2S → FeS + H2O ; 2FeS + O2 → FeO + 2S↓

En el caso del hidróxido, la reacción es reversible y exotérmica y es posible regenerarlo exponiendo el sulfuro resultante al aire, pero con las debidas precauciones pues se producen liberaciones de energía superiores a los 600 J. Véanse un ejemplo de estos filtros (podría ser un tanque auxiliar); para el diseño se considera un tiempo de residencia de al menos 1 minuto del flujo de biogas.

Unidad de filtrado de biogas. Este dispositivo retiene el H2S y lo oxida.

Calidad del biogas

La composición del biogas (% CH4, % CO2, % N2, % O2, % H2S) es un parámetro útil cuando se hace balance de energía y masa, pero sobre todo para tener monitoreada la “salud” del proceso de fermentación. Es además útil para el diseño y selección de quemadores, inclusive para el óptimo funcionamiento de motores que sean alimentados por la planta. La medición se realiza por métodos muy conocidos para el análisis de gases: Cromatógrafos, Espectrómetros de masa, Tubos de difusión, etc.


Seguridad biológica

En la fermentación anaeróbica (sin aire) intervienen bacterias altamente peligrosas como son la Cryptosporidium y la conocidísima Salmonella, por ello es conveniente que la mano humana tenga la menor intervención posible tanto en el manejo del sustrato fresco como de los efluentes. El análisis y control biológico es además muy importante en todas las etapas.
El impacto ambiental (a la postre resulta idílico pensar que la producción y uso de biogas son 100% ecológicos) que involucra tanto la instalación de una planta de biogas, como el uso de las productos derivados de ella (emisiones de óxido de nitrógeno y gases de combustión, etc.) es un factor que debe también ser considerado. En EE-UU, Canadá, y muchos países europeos ya existe, desde hace buen tiempo, legislación correspondiente. Bueno sería que nuestro país siguiera el ejemplo.

Cogeneración Energética:

La cogeneración, en caso de utilizar el biogas para la producción de energía eléctrica es una alternativa interesante. Ya se indicó que ésta consiste en el aprovechamiento de calor desechado, tanto para mantener constante la temperatura del biodigestor como para ser utilizado en procesos de manufactura. Ver figura de abajo:

Maximizar la producción de biogas en una planta no necesariamente implica minimizar costos energéticos, pero en el caso de optar por la cogeneración es muy factible el ahorro, no sólo en función del tiempo sino también de la potencia que se produce.

Por último, y dada la cercanía de un proceso electoral municipal en nuestra ciudad, me llama la atención que ningún candidato haya puesto sobre el tapete la idea de construir plantas de biogas. Una ciudad como Lima pide a gritos proyectos de aprovechamiento de desperdicios en aquellos distritos donde hay mayores niveles de producción de los mismos. Son los gobiernos locales (con el apoyo de los gobiernos centrales) quienes deben tomar la iniciativa en este sentido según mi concepto.

Quiero agradecer nuevamente la cordial acogida a este espacio, a todas aquellas personas que me acompañan con sus comentarios aquí, en Facebook o compartiendo sus inquietudes via correo electrónico. El mes que viene empezaremos con un nuevo tema. Hasta entonces.

DISEÑO DE PLANTAS DE BIOGAS (TERCERA PARTE – REDES DE TUBERIA PARA BIOMASA Y GAS)

Otro aspecto importante a considerar en el diseño de una planta de biogas, es el referente al dimensionado y selección de materiales de los sistemas de tubería y accesorios tanto para manejo de biomasa como para la conducción de gas. Para el primer caso veamos un esquema de cómo se mueven, en una planta de biogas completa, los residuos orgánicos, desde su fuente primaria hasta el tanque de almacenamiento final.

Aquí hay un excelente ejemplo de cómo ejecutar una instalación completa para una planta de biogas (con cámara de agitación independiente del biodigestor) pero le hace falta implementar un sistema de salida para efluentes.
Esta es otra planta (modelo comercial) de la que sólo se muestra el biodigestor, pero nos ilustra claramente cómo es el movimiento de biomasa y gas al interior de la cámara, tanto de entrada como de salida.

Debe tenerse presente que el efluente del biodigestor es un poderoso abono agrícola, con alto contenido de nitrógeno, y que no tendría sentido descartar. Pero el tema de fondo en este momento es el “transporte” de residuos y los criterios para la selección y dimensionado de los elementos necesarios con dicho fin son:
• Viscosidad
• Tipo, tamaño y proporción de sólidos.
• Contenido de sólidos totales.
• Proporción de agua pura.
• Caudales requeridos.
Los tres primeros deben, necesariamente, ser investigados y determinados experimentalmente, según el tipo de residuos empleados. La viscosidad, por citar un ejemplo, pocas veces puede ser comparada con la del agua (como se indicó en el artículo anterior) pues las biomasas entran en el campo de los fluidos no newtonianos. Un modelo interesante (referencial) es la aproximación al de un fluido Bingham, donde la viscosidad es una función con doble regla de correspondencia:
A 37ºC por ejemplo uo = 0,016 Pa. s y to = 20 N/m2 ; un = 10000 Pa.s

Ya sabemos cómo determinar aproximadamente la proporción de agua pura necesaria para el proceso en la cámara digestora. Para el cálculo de los caudales, es necesario conocer uno de los factores consignados en el artículo de mayo: La carga del biodigestor “Ld” (kg. de sólidos totales por dia / volumen de la cámara en metros cúbicos) como base para estimar la “velocidad de flujo”.
Los tubos empleados para el transporte de sustrato, por lo general son recomendados en acero inoxidable (cédula 40). El diámetro debe seleccionarse considerando los caudales requeridos, así como también las pérdidas por unidad de longitud debidas a la fricción. Una referencia (aunque limitada) son las gráficas siguientes (el diámetro que se indica es el interno):

Tubos para estiércol de vacuno líquido con 10% de sólidos totales

Tubos para estiércol de porcino líquido con 7% de sólidos totales

Para calcular la potencia de bombeo se necesita conocer la altura manométrica a vencer y la sumatoria de las pérdidas por fricción menores (longitud de los tubos) y mayores (tees, codos angulares, etc. No se recomiendan codos a 90°). La altura de bomba se calcula así:

Hb (en metros).= Altura geométrica a vencer + pérdidas (mayores) por fricción en tubos + pérdidas (menores) por fricción en accesorios.

En caso de utilizar las gráficas mostradas arriba, conociendo la velocidad, caudal y diámetro del tubo, proyectamos la abcisa (caudal) hacia el punto en que coincidan la velocidad “v” y el diámetro “” deseados, y de allí hacia la ordenada correspondiente ∆P. Para el caso de las pérdidas mayores, se multiplica el correspondiente ∆P por la longitud de tubos empleada; mientras que para el caso de las pérdidas menores, se multiplicará el mismo ∆P por 5 metros y por el número de accesorios empleados.

En caso de utilizar otros tipos de residuos, si no se encuentran gráficas como la indicada arriba, dado que se conoce la viscosidad del producto, es posible utilizar el diagrama de Moody para determinar aproximadamente el coeficiente de fricción, calculando previamente el Número de Reynolds aproximado para el flujo. La altura de bomba se calculará entonces mediante la expresión siguiente:

“f” es el coeficiente de fricción, “L” es la longitud total de tubería, Le = 5 m , “n” es el número de accesorios, “D” y “A” el diámetro interno del tubo y su área, respectivamente;
g = gravedad local; “Q” es el caudal.
Finalmente, la potencia (en Watts) se calcula así:

Potencia de bombeo = ρ x g x Hb x Q

Siendo “ρ” la densidad.

Respecto al tipo de bomba sugerido para impulsar residuos, son 4 las más comunes: rotatorias (rotary pumps), de espiral excéntrico, de pistón rotatorio y centrífugas (chopper pumps). Las 3 primeras son también llamadas “bombas desplazamiento positivo”, y, dentro de las rotatorias, se recomiendan más de “lóbulos”. Para una elección preliminar, puede ayudar la tabla de abajo (en inglés) que nos ilustra la conveniencia respecto a las características de los residuos, la potencia de entrada, si debe ser succionante (sucking) o no, y el costo, todo en forma comparativa.

Tuberías y accesorios para el gas.

La tuberías para la conducción de biogas podemos encontrarlas en plástico del tipo PVC (incluso mangueras de caucho), de acero o bien de cobre. Las únicas ventajas de los primeros materiales son la facilidad de instalación y los costos, pero en cuanto a seguridad para prevenir fugas o incendios fortuitos, dejan mucho que desear.
Las tablas siguientes nos ayudarán a determinar el diámetro óptimo en función del caudal de gas requerido para consumo y de la longitud de tubería para el acero y el PVC.

Los tubos de cobre pueden dimensionarse utilizando criterios similares que para las instalaciones de gas natural. A saber, el diámetro interior (en cm.) de la tubería se determina utilizando la expresión siguiente:

“L” es la longitud del tramo a dimensionar (en metros), “Q” el consumo en metros cúbicos por hora.
∆P = (Pérdida de presión promedio en mbar) x Longitud de tramo a dimensionar / Longitud total de tubería.

La pérdida de presión promedio pude considerarse 1,2 mbar, aproximadamente.
El diámetro a la salida de la cámara digestora no deberá ser inferior a ¾” . Para todos los demás segmentos el diámetro nunca será inferior a ½”. Puede utilizarse tubos tipo L ó K.

La presión en plantas de biogas comunes debe estar alrededor de 7 kPa (0,07 mbar ó 1 Psig). En cambio, si se utiliza compresores (caso de agitación), puede alcanzar hasta 3,5 MPa (500 Psig). En el primer caso se tiene el inconveniente de que el gas resultante aparece en forma de vapor húmedo, motivo por el cual se hace necesario eliminar la parte líquida del gas. Inmediatamente a la salida de la cámara de almacenamiento de biogas se sugiere instalar dispositivos (trampas de vapor) como los que se indican:

Espero que esta nueva entrega sea de mucha utilidad, al igual que las anteriores, para quienes estén proyectando instalaciones de biogas o estén realizando trabajos de investigación afines. Agradezco muy de veras a quienes visitan este humilde rincón del ciberespacio, a quienes formulan sus comentarios o inquietudes (sea aquí, en Facebook o por correo electrónico). El próximo (y último) artículo relativo a plantas de biogas será estructurado en base a las sugerencias que se me han hecho o me hagan llegar en el transcurso de estas semanas y a los inevitables “vacíos” que han habido, dado que es un tema bastante amplio. Gracias nuevamente y hasta el mes que viene.

Referencias:
• Manual de Producción de biogas - Ing. Jorge Hilbert – Instituto de Ingeniería rural – Castelar.
• Biogas – Application and Product Development – Werner Kossmann – Information and Advisory Service on Appropiate Technology (ISAT) – Germany.
• Diseño de una Planta de Producción de Biogas – Dr. José Antonio Fabelo Falcón – Universidad Central Marta Abreu de las Villas.
• Biogas Utilization Handbook – The Environment, Health & Safety Division – Georgia Tech Research Institute – USA.
• Heath Transfer Processes in a Biogas Reactor – Liliana Sashkova, Nina Penkova, Rositza Karamfilowa – Departament of Silicate Technology – University of Chemical Technology and Metallurgy – Sofia Bulgaria. (zashkova@uctm.edu).
• A complete guide to Liquids Handlig – Revista “Chemical Engineering” – Mc. Graw Hill - USA
• The Copper Tube Handbook – Copper Development Association – USA.

DISEÑO DE PLANTAS DE BIOGAS (SEGUNDA PARTE – AGITACIÓN Y CALEFACCIÓN)

La plantas de biogas pueden estar o no sumergidas en el suelo (donde la temperatura, como se indicó es mayor a la del aire y no varía tan drásticamente, dependiendo de la región y de la profundidad). Pero en ámbos casos es posible “optimizar” el proceso de obtención de metano en sus respectivos biodigestores. Para ello es que se añaden dos ingredientes muy importantes: la AGITACIÓN y la CALEFACCIÓN.
El primero permitirá “uniformar” la densidad bacteriana en el sustrato favoreciendo positivamente su acción, evitará la formación tanto de costras al interior del biodigestor como de “espacios muertos” sin actividad biológica. El segundo contrarrestará el efecto de las variaciones bruscas de temperatura que inhiban la acción bacteriana, problema crónico en las plantas artesanales cuyos diseños circulan libremente en el ciberespacio.
En el caso de los biodigestores que están sobre la superficie del suelo, como los industriales, esta necesidad se hace más fuerte. La figuras siguientes nos muestran las 3 disposiciones básicas de dichos biodigestores, teniendo en cuenta los sistemas agitadores y calentadores, según su volumen:.

AGITACIÓN:
La agitación puede realizarse mediante "rodetes" o también por inyección de aire comprimido o recirculación del biogas (que producen burbujas en el sustrato), pero estas dos últimas alternativas tienen la desventaja, además del mayor costo, de elevar considerablemente la presión interna de la cámara digestora, obligándonos a un diseño más meticuloso de la misma.

Esto puede resultar práctico, pero es más peligroso

En el caso de los "rodetes", independientemente del tipo de biodigestor, no se considera importante la velocidad con la cual deben operar los agitadores, puede trabajarse con un elevado rpm (superior a 1000), no obstante debe tenerse presente que muy altas velocidades pueden influir negativamente en la actividad biológica al interior del biodigestor. El “Manual de Producción de biogas” del Ing. Jorge Hilbert, refiriéndose a este punto cita lo siguiente: “En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se deberán realizar las siguientes consideraciones: El proceso fermentativo involucra un equilibrio simbiótico entre varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de un grupo específico servirá de alimento para el siguiente implicará una merma en la actividad biológica y por ende una reducción en la producción de gas”.
Ya hemos discutido los criterios de diseño de agitadores el año pasado, por lo que sólo nos centraremos en especificaciones. En lo que sí hay consenso en la mayoría de documentos revisados por mí, es en el tipo de agitador recomendado: AGITADORES DE HÉLICE, de los cuales, los pequeños (menos de 1m de diámetro) giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm; mientras que los mayores (más de 1m de diámetro) giran de 400 a 800 rpm.
La figurita de abajo nos muestra la disposición básica que debe tener un sistema de agitación en tanques para líquidos viscosos. Las placas deflectoras (baffles) se hacen innecesarias si se trabaja a régimen turbulento (alto número de Reynolds), dado que pueden resultar contraproducentes. Obsérvese la relación de diámetros agitador / diámetro de tanque : d / D. Podemos asumir con bastante comodidad una relación d / D = 0,4 ó 0,5.
Una vez conocido el diámetro que debe tener nuestro agitador y las RPM, determinaremos la potencia motriz requerida por el agitador.

Calculando previamente el número de Reynolds por medio de la expresión siguiente (exclusiva para recipientes con agitador):

La viscosidad μ y la densidad ρ, deben ser determinados experimentalmente, pero con fines prácticos podemos utlizar una viscosidad promedio 1 cPaS y densidad 1000 kg por metro cúbico (datos del agua).
Con el número de Reynolds y el tipo de agitador en mente, entraremos a la curva siguiente, que nos brindará el número de potencia Np (También está disponible en FACEBOOK si no está muy visible aquí).

Y luego calculamos la potencia requerida o de servicio P(servicio)(en watts) a régimen turbulento:
Pero como la potencia de arranque de los motores suele ser mayor, especificaremos que:

P(arranque) = 2,5 x P (de servicio)

El tiempo de funcionamiento del agitador (en minutos) lo determinamos ayudándonos con el número de Reynolds y la siguiente curva (N es el rpm del agitador)

Sin embargo el tiempo debe considerarse con cada nuevo ingreso de sustrato al biodigestor.

CALEFACCIÓN:

En la temperatura es importante conocer no solamente las variaciones que se producen durante las épocas del año y el rango dentro del cual “operan” los diferentes tipos de bacterias presentes en el proceso, ver tabla:
El calor necesario para mantener la temperatura en un márgen aceptable se puede calcular mediante la siguiente expresión:

El calor específico Cp es función del tipo de biomasa, pero con fines prácticos puede asumirse un promedio (Cp ≈ 4 KJ/Kg°C). La eficiencia es también difícil de determinar si consideramos las pérdidas térmicas, pero puede especificarse un rango entre 0,2 y 0,5.
Desde este punto de vista, los requerimientos energéticos para calefacción no son altos. Por ello es conveniente la llamada “Cogeneración”, esto es, el aprovechamiento de una fracción de la energía térmica total producida por la planta, exclusivamente con la finalidad de mantener las “condiciones ambientales” en estado óptimo al interior del biodigestor. Bien pueden aprovecharse el gas quemado por un motor o turbina de funcionamiento contínuo. Véase el interesante ejemplo que brinda esta planta de biogas existente en el norte de nuestro país.

El mes que viene continuaremos exponiendo criterios útiles para el diseño para estas plantas de biogas. Las imágenes menos visibles están ahora disponibles en FACEBOOK. Gracias nuevamente por su atención. Espero sus preguntas y/o comentarios.

Referencias:
• Manual de Producción de biogas - Ing. Jorge Hilbert – Instituto de Ingeniería rural – Castelar.
• Process design of agricultural digesters – Arthur Wellinger – Nova Energie Gmbh – Ettenhausen.
• Diseño de una Planta de Producción de Biogas – Dr. José Antonio Fabelo Falcón – Universidad Central Marta Abreu de las Villas.
• Mixing and Agitation – R. S. Brodkey - Revista “Chemical Engineering”.
• Heath Transfer Processes in a Biogas Reactor – Liliana Sashkova, Nina Penkova, Rositza Karamfilowa – Departament of Silicate Technology – University of Chemical Technology and Metallurgy – Sofia Bulgaria. (zashkova@uctm.edu).
• Generación de Energía con Biogas de Residuos Agrícolas en Plantas Agroidustriales de La Libertad – Perú – Raúl Paredes Rosario – Universidad Privada del Norte (rparedes_rosario@yahoo.es).

DISEÑO DE PLANTAS DE BIOGAS (PRIMERA PARTE – DIMENSIONADO DE UN BIODIGESTOR BÁSICO)

Luego de haber tomado conciencia de la importancia y de las múltiples ventajas que tiene la producción de biogas para quienes potencialmente pueden hacerlo y tienen requerimientos energéticos insatisfechos, es que se procede al “análisis de la realidad”, que, en nuestro caso, sería la evaluación de los desechos generados por el interesado, sea una población, granja, chacra o industria.
Si bien toda materia orgánica es susceptible de convertirse en metano como consecuencia de la descomposición, el proyectista debe tener en cuenta primeramente el volumen gas que se obtendrá según el tipo de materia disponible, ver la tabla:

Es evidente que las dimensiones de nuestro biodigestor responderán no sólo al espacio libre que piensa utilizarse sino también al volumen deseado de gas, de acuerdo a las necesidades y el tipo de de desecho orgánico. En caso de combinar diferentes tipos de residuos, un promedio ponderado de sus valores correspondientes en la tabla de arriba nos ayudará a cuantificar una aproximación del volumen esperado de biogas por kilogramo de residuos producidos y sobre esta base tomar la decisión final de construir o no un biodigestor.
En el caso específico de utilizar estiércol humano o animal en la producción de biogas, tenemos una tabla especial:
Si la producción de biogas es inferior a la demanda (P menor que D), entonces no hay razón para instalar una planta. Hay sin embargo muchos otros factores que deben tenerse en cuenta, como un estudio costo-beneficio de la producción, evaluación de riesgos potenciales, etc. Es posible cuantificar aproximadamente el consumo dependiendo del tipo de dispositivo empleado y del tiempo. La tabla de abajo nos dará otra referencia:

Considerando todo esto pasamos a dimensionar nuestro biodigestor. Véase el esquema para tener un referente de lo que se hace: Un modelo básico (instalado bajo tierra para aminorar los cambios bruscos de temperatura) que puede servir de base para uno más sofisticado, con agitación y temperatura fija que se describirá más adelante. a. Volumen de la cámara colectora de gas = Vc
b. Volumen de la cámara de almacenamiento de gas = Vgs
c. Volumen de la cámara de fermentación = Vf
d. Volumen de la cámara hidráulica = Vh
e. Volumen de capa de lodos = Vs
Volumen total: V = Vc + Vgs + Vf + Vh + Vs El volumen total del biodigestor viene dado por la fórmula siguiente:

V = 1,25(TR)x Sd

Donde “TR” es la abreviatura de “Tiempo de Retención” (en dias), que es aquel tiempo de permanencia de los residuos dentro del biodigestor. Hay diferentes criterios para determinar este tiempo (aunque de manera más empírica). Es mejor utilizar el criterio de la relación “temperatura vs. Tiempo” cuya gráfica puede verse debajo.

Naturalmente que la temperatura asumida (si no es regulada artificialmente) debe ser la más desfavorable del año (sumando 1 ó 2°C a la temperatura del suelo). La temperatura óptima promedio es 30°C.

“Sd” es la cantidad (en volumen) de Sustrato, esto es, la mezcla de biomasa y agua. De esta forma:

Sd = Biomasa + Agua (en metros cúbicos por dia)

La cantidad de biomasa es simplemente el número de kilogramos o metros cúbicos por día de residuos producidos (en promedio). La cantidad total de sólidos orgánicos (no olvidemos que los residuos orgánicos constan de una fracción líquida y una sólida) contenidos deben bordear el 8% del total de sustrato para óptimos resultados en la fermentación. El cálculo se hará entonces, por regla de tres simple: Para 100 kg de sustrato (Sd) necesitamos 8 Kg de sólidos orgánicos, luego, para 1 kg de sólidos requerimos de (100/8) kg de sustrato.
La cantidad de sustrato (Sd) se obtendrá multiplicando la cantidad de biomasa por la cantidad porcentual de sólidos totales contenidos (TS) por la fracción (100 / 8).
Para determinar aproximadamente estos valores, las tablas abajo consignadas nos serán de muchísima utilidad:

La cantidad de agua se obtiene por diferencia (Agua = Sd – biomasa)
El producto (TR)x Sd es el volumen de trabajo del biodigestor :

(TR)x Sd = Vgs + Vf

Una vez que se ha calculado el volumen total, pasaremos a dimensionar nuestro biodigestor (independientemente de los materiales empleados en su manufactura). con las fórmulas consignadas abajo, obtendremos los diámetros y radios de curvatura :

La constante K, es la relación volumen de biogas producido al dia por el volumen del biodigestor. Como el volumen de almacenamiento Vgs suele estar entre el 40 y 60% de la producción diaria en volumen, tenemos K = (0,4 - 0,6). En Bangladesh se considera K = 0,4 pero es posible asumir K = 0,5 ó 0,6 haciendo un estimado “a priori” de consumo.

EJEMPLO DE CÁLCULO:
Tenemos un establo donde criamos 6 vaquitas lecheras (cows) con un peso promedio de 200 kg. c/u. Deseamos diseñar una planta de biogas sencilla (biodigestor y cámara hidráulica):
Solución:
Basándonos en las dos primeras tablas y el gráfico tenemos:
Tiempo de retención (HRT) : 40 dias (T = 30°C)
Deposición total en promedio: 10 x 6 = 60 kg/dia
Contenido total de sólidos (TS): 60 x 0,16 = 9,6 kg/dia
Total de sustrato en kg (Sd) = 100 x 9,6/8 = 120 kg/dia

La cantidad de agua que se agregará para lograr el 8% de sólidos totales = 120 – 60 = 60kg/dia x (1 metro cúbico/ 1000 kg) = 0,06 metros cúbicos/dia. (recuérdese que para el agua 1 metro cúbico = 1000 kg)

El volumen de nuestro biodigestor según la fórmula indicada más arriba será:

V = 1,25(120kg/dia)(1metro cúbico/1000kg)(40dias) = 6 metros cúbicos.

El volumen de trabajo será :

Vf + Vgs = (120kg/dia)(1 metro cúbico/1000kg)(40 dias) = 4,8 metros cúbicos.

Ahora reemplazando V en la fórmula respectiva tenemos:
D = 2,376 m ≈ 2,4 m
Luego calculamos las demás cotas:
f1 = 0,480 m.
R1 = 1,74 m.
V1 = 1,143 metros cúbicos
f2 = 0,3 m
R2 = 2,55 m
Vc = 0,3 metros cúbicos.
Gráficamente nuestro biodigestor tendrá las sgtes. dimensiones:

H se calcula igualando las fórmulas:

Poniendo H en función de D, tenemos: H = 0,96m ≈ 1 m.

Dimensionado de la cámara hidráulica:

Vc = 0,05 V = 0,3 metros cúbicos
Vgs = 0,5 (Vgs + Vf + Vs )K ……….(Asumiendo K = 0,4)
Vgs = 0,5 x 5,7 x 0,4 = 1,14 metros cúbicos.
Por otro lado se recomienda:
Vgs = 50% de la tasa de producción diaria de biogas
Vgs = 0,5 x TS x (nivel de gas producido por kg de sólidos totales (TS), ver tabla 3)
De este modo calculamos:
Vgs´ = 0,5 x 9,6 x 0,26 = 1,344 metros cúbicos.

Siendo Vgs´ mayor que Vgs, elegimos el primero.
Luego:
Vc + Vgs = 0,3 + 1,344 = 1,644 metros cúbicos.

De los gráficos se observa que:

Reemplazando datos y despejando, se tiene que H1 = 0,110 m.

Establecemos la presión atmosférica como : h = 800 mm de columna de agua (1mm = 10 Pa).
Del gráfico de la planta hemos indicado:
h = h3 + f1 + H1
Reemplazando datos y despejando obtenemos: h3 = 0,210 m

Y como Vgs = VH:

De donde DH = 2,85 m.

Finalmente tenemos la cámara hidráulica dimensionada:

Hay otros dos parámetros de operación del biodigestor, que son de importancia relevante para el óptimo funcionamiento y deben ser necesariamente medidas para ser comparadas con los valores calculados o recomendados en las tablas respectivas.

El primero de ellos es simplemente la constante “K” arriba mencionada y se denomina “PRODUCCIÓN ESPECÍFICA DE GAS” definida por Gp, donde:
Gp = G / Vd (metros cúbicos de gas al dia / metros cúbicos del biodigestor)

El segundo parámetro es la “CARGA DEL BIODIGESTOR”: Ld, que es la entrada de sólidos totales (TS) ó volátiles (VS):
Ld = Kgs. De TS ó VS / metros cúbicos del biodigestor.

Materiales para biodigestores:
El material más económico, y tal vez, el más utilizado en la mayoría de países para los biodigestores rurales es el polietileno tubular transparente (espesor entre 200 a 250 micras). En este caso, el dimensionado se reduce a calcular el volumen general “V” y sobre la base aproximada de un cilindro se determinan la longitud (L) y el diámetro (D).
En el caso de los depósitos de acero se utilizarán planchas de acero inoxidable a partir de 1mm de espesor, según las dimensiones finales obtenidas más arriba y teniendo en cuenta aspectos estructurales y de seguridad cuando se vayan a construir instalaciones de grandes dimensiones, como las utilizadas en la industria.
Conocido el volumen general y en caso de que trabajemos con materiales de mampostería (ladrillos, cemento, etc.) podemos basarnos en la tabla siguiente para tener un dimensionado más rápido, desde luego que debemos “acoplar” nuestro volumen al entero más próximo entre 4 y 10 metros cúbicos:
La necesidad me obliga una vez más a dividir el tema en capítulos, por ello este primer artículo responde a sólo dos aspectos que son elementales pero muy importantes en el diseño de los biodigestores: El dimensionado y los materiales recomendados. En los siguientes artículos seguiremos con las especificaciones las plantas de biogas.
Cuando transcurre el mes que más visitas ha tenido este pequeño rincón del ciberespacio, anuncio que desde algunas semanas ya contamos con un grupo de Facebook, donde se pueden hacer sugerencias, comentarios y discusiones en torno a los artículos. Sean todos bienvenidos y hasta el mes que viene.

Referencias:

1) Bangladesh Biogas Technology (Renewable Energy & Environmental in Formation Network - www.reein.org)

2) Manual para Producción de Biogas (Ing. Jorge A. Hilbert - Instituto de Ingeniería Rural - Castelar)

3) Tecnología del Biogas (Juan Pablo Silva Vinasco - Universidad del Valle - Facultad de Ingeniería Ambiental - Colombia).