Gas de madera para superar la escasez de gasolina (II)

Este artículo es la continuación del publicado en Aporrea.org el 25 de marzo de 2021. Se aborda un procedimiento sencillo que permite calcular las dimensiones principales de un gasógeno de tiro invertido Tipo Imbert, que genera gas de madera para usar como combustible de motores.

El objetivo de estos artículos es motivar el interés por tecnologías alternativa que nos permitan crear soluciones para superar el bloqueo económico que impide la producción o importación de combustibles derivados de hidrocarburos, y evitar así la paralización de los sectores de transporte publico de personas, del sector agropecuario y de alimentos.

La madera a utilizar proviene de podas agrícolas, poda de árboles urbanos, desechos de aserraderos, embalajes y paletas, y de la recuperación de árboles de los embalses, los cuales son arrastrados por ríos y cauces de agua durante la temporada de lluvias. Esto con la finalidad de evitar la tala de árboles.

Se estima sustituir en una primera etapa hasta treinta por ciento del consumo de gasolina.

Eliminar la dependencia del uso indiscriminado de gasolina es un objetivo que se puede lograr en el tiempo una vez que los constructores, operadores y mantenedores de gasógenos obtengan el dominio del conocimiento sobre estos equipos y de las medidas de seguridad y protección personal que requiere su uso.

La utilización de gasógenos involucra el desarrollo de nuevas fuentes de trabajo en la fabricación de equipos de tecnología alternativa para la recolección, almacenamiento, secado y preparación de la madera a utilizar como combustible. Así mismo, crea nuevas opciones en la capacitación de operadores calificados para la operación y mantenimiento de los gasógenos.

Tres son los aspectos clave para el diseño de un gasógeno:

  1. Tipo de gasógeno.

Tiro superior, tiro transversal, tiro invertido.

Uso: Estacionario, móvil.

  1. Madera seca a utilizar como combustible para generar el gas.

Nombre común del árbol de origen.

Nombre científico.

Densidad.

Poder calorífico.

Humedad de la madera seca en estado natural.

Procedencia.

Preparación que se requiere para su uso.

Almacenamiento.

Consumo kg/kw.

  1. Tipo de motor de combustión interna a utilizar y sus características:

Motor de dos tiempos.

Motor de cuatro tiempos.

Diámetro del pistón y número de cilindros.

Carrera del pistón.

Velocidad de operación.

Desplazamiento volumétrico.

Potencia utilizando gasolina.

El procedimiento de cálculo sirve para cualquier motor de combustión interna que se quiera utilizar.

Equipos que pueden utilizar el gas de madera como combustible.

  1. Motor de combustión interna, de cuatro o de dos tiempos, para accionar:

  1. Bomba centrifuga para riego.

  2. Bomba de desplazamiento positivo sumergible para pozo profundo de agua.

  3. Equipos para elaborar alimentos: extractor de aceite de semillas, desgranadora, molino de martillos, peletizadora de alimentos para animales, rallo y prensa para raíces y tubérculos, trilladora de granos.

  4. Equipos de taller agropecuario: compresor de aire, esmeril de banco, motosoldador, sierra de banco para madera, taladro de banco, torno, tronzadora de metal.

  1. Generador de electricidad.

  2. Destilador térmico para desalar agua salobre y producir agua potable.

  3. Generador de vapor de agua.

  4. Horno generador de calor para:

  1. Cocinar alimentos.

  2. Deshidratar alimentos.

  3. Secar frutos y granos.

  4. Secar madera.

  1. Quemador para budares usados en ingenios procesadores de raíces de yuca.

  2. Quemador de residuos agrícolas y animales.

Los equipos listados son equipos estáticos con flujo volumétrico de gas constante, o rotatorios que operan a velocidad constante, de uso común en el sector agropecuario pequeño y mediano.

 

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE DIMENSIONES PARA UN GENERADOR DE TIRO INVERTIDO TIPO IMBERT.

  1. Especificaciones del motor (ejemplo).

Motor de combustión interna de cuatro tiempos.

Número de cilindros: 4 cilindros.

Diámetro del pistón: 110 mm

Carrera del pistón: 136 mm

Velocidad de operación: 2300 rpm

Potencia operando con gasolina: 80 HP métrico.

Combustible a utilizar: Gas de madera con potencia estimada Pgas=4800kJm3

Factor de carga para motor de 4 tiempos: F=carga2rpm

Factor de carga para motor de 2 tiempos: F=cargarpm

Máximo volumen de gas a 2300 rpm: 50Litrossegundo (50Ls).

  1. Volumen de desplazamiento del motor Vd

Vd=Area del pistón×Carrera×Número de cilindros

Vd=(110)24×136×4=5.169.804,87mm3 =5,17 Litros

Vd=5,17 Litros

  1. Flujo de combustible requerido por el motor V.

V=Vd×rpm×carga2rpm0,5GenGascarga60minh

V=5169cm3×2300rpm×carga2rpm0,5GenGascarga60minh=178.330.500,00cm3h

V=178,3×106cm3h

V=49,53Ls ~ 50Litrossegundo .

  1. Carga máxima del reactor (hogar) Bhmáx para un gasógeno Tipo Imbert

Bhmáx =1,2 Nm3cm2h

Bhmáx Es la relación entre el flujo de combustible V requerido por el motor y el diámetro dh de la garganta del reactor (hogar) del gasógeno.

Area Ah de la garganta del reactor: Ah=dh24= VBhmáx =178,31,2=148,58cm2

Ah=148,58cm2

Diámetro de la garganta dh.

Ah= πdh2/4, y dh2=148,58×4=189,18cm2

dh=189,18cm2=13,754cm=137,54mm

dh=137,54mm

  1. Diámetro de la descarga de las toberas de aire de combustión.

Am Area de la suma de las descarga de las toberas según Figura 78, página 127 Ref. 1.

Ah=148,58cm2

100AmAh=5,2 Am Es la suma del área de la descarga de las toberas.

Am=148,58×5,2100=7,73cm2 Para cinco (5) toberas el área AT de cada una es igual a

AT=7,73cm25=1,55cm2

En el Apéndice 1, Tabla 2, Tamaño Estándar de Tuberías, para AT=1,55cm2×0,155in2cm2=0,24in2, se muestra en el recuadro una tubería de diámetro 12in2, calibre 40ST,40S con agujero de área=0,25in2 igual a 1,61cm2 que sirve como aproximación a AT=1,55cm2.

  1. Diámetro de las toberas dT=4AT= 4×1,61=1,432cm

dT= 14,32mm

  1. Distancia entre la rejilla ubicada debajo de la garganta del reactor y la garganta.

La distancia es aproximadamente igual al diámetro de la garganta dh=137,5mm

  1. Distancia entre el círculo de descarga de las toberas y la garganta del reactor.

De la Figura 80, página 128 Ref. 1.

Con dh=137,5mm el factor es aproximado a 0,9=hdh , h=0,9×137,5=123,75mm

h=123,75mm

  1. Diámetro dr1 del círculo de distribución de las toberas según Figura 79, página 127 Ref. 1.

Para dh=137,5mm, dr1dh=1,85: dr1=1,85×137,5 dr1=254,8mm

dr1=254,8mm

  1. Diámetro del cilindro que contiene los trozos de madera según Apéndice 2, Tabla 5-2, página 37 Ref. 3.

dr=300mm

  1. Potencia estimada del gasómetro según Apéndice 1, página 166 Ref. 2.

Vd=5,17 Litros

Entrada máxima de la mezcla aire/gas al múltiple de admisión a 2300rpm.

1/2×rpm×Vd60×1000 m3s=0,5×2300×5,1760000=0,099m3s

Relación estequiométrica aire/gas 1.01.0: 1.01.0×0,099=0,099m3s

La entrada real de gas es 0,099×f m3s

Se estima una eficiencia volumétrica del motor f=0,80 que depende de la velocidad (rpm), y del diseño del múltiple de admisión de la mezcla.

La entrada real del gas es 0,099×f=0,099×0,80=0,079m3s

Para un poder calorífico del gas igual a 4800 kJm3 (chaparro sabanero, Curatella americana) la potencia térmica del gas

Pg=0,079m3s4800kJm3, Pg=380,16kw

Para una relación de compresión 9,5:1 se estima una eficiencia del motor de 0,30.

Potencia mecánica máxima: PMmáx=380,16kw×0,30=114,048kw=155,062 HPmétrico

PMmáx=155,062 HPmétrico. Se estima que el rendimiento del motor se degrada 50% al operar con gas de madera.

PMmáx=155,062×0,5=77,531 HPmétrico

PMmáx=77,531 HPmétrico

Valor próximo a la potencia mecánica nominal del motor considerado 80 HPmétrico.

Los valores de potencia deben ser medidos y verificados en la puesta en operación del gasógeno.

Tabla 1. Dimensiones del gasógeno por cálculo

 

DESCRIPCION

1

Desplazamiento del motor

Vd=5,17L

2

Flujo de combustible

V ̇=49,53 L/s

3

Area de la garganta

Ah=148,58cm2

4

Diámetro de la garganta

dh=137,54mm

5

Area de descarga de las toberas

Am=7,73cm2

6

Area de cada tobera

AT=1,55cm2

7

Diámetro interior de cada tobera

dT= 14,32mm

8

Distancia entre el eje central de las toberas y la garganta

h=123,75mm

9

Diámetro del circulo de distribución de las toberas

dr1=254,8mm

10

Número de toberas

NT=5

11

Distancia entre la garganta y la rejilla

dh=137,5mm

12

Diámetro del contenedor de combustible

dr=300mm

13

Potencia del gas

Pg=380,16kw

14

Potencia mecánica máxima

PMmáx=155,062 HPmétrico.

15

Potencia mecánica máxima útil

PMmáx=77,531 HPmétrico

Las dimensiones obtenidas se refieren exclusivamente al gasógeno. Los bocetos del gasógeno y las dimensiones de los componentes tales como filtro ciclón, intercambiador de calor, filtro de impacto y tuberías se presentaran en próximo artículo.

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Figura 1. Adaptado de: Generator Gas. The Swedish Experience from 1939-1945. Solar Energy Research Institute, 3rd Edition. Biomass Energy Foundation 1810 Smith Rd. Golden CO 80401, February 1998. ISBN 1-890607-01-0.

En la Figura 1 se muestra el Sistema de generación de gas de madera para equipos estacionarios con sus componentes principales:

  1. Gasógeno de tiro inferior tipo Imbert.

  2. Filtro ciclón para la remoción de partículas de tamaño mayor a cinco micrones (P>5μm) contenidas en el gas.

  3. Intercambiador de calor. Para enfriar el gas desde aproximadamente trescientos cincuenta grados Celsius (350°C) a la salida del filtro ciclón, hasta la temperatura de operación del motor de combustión, aproximadamente cuarenta y cinco grados Celsius (45°C).

  4. Filtro de impacto. Para la remoción de partículas menores de cinco micrones (P<5μm) contenidas en el gas.

  5. Ventilador centrifugo hermético accionado por Bateria para el encendido del gasógeno. Para hornos y calderas se sustituye el ventilador por un soplador para suministrar el gas al hogar.

  6. Chimenea a la salida del ventilador para quemar el gas extraído durante el encendido.

  7. Filtro de aire del carburador del motor.

  8. Tuberías con dimensiones adecuadas a las variables de operación velocidad y flujo volumétrico del gas.

  9. Instrumentos de medida (no mostrados) que permiten monitorear y controlar el comportamiento de las variables de operación: Temperatura, presión, velocidad y flujo volumétrico del gas, tales como: termómetros, termocuplas manómetros y medidores de velocidad y flujo volumétrico del gas.

La construcción y operación de este tipo de gasógeno estacionario permite adquirir habilidades y destrezas para abordar a futuro los gasógenos móviles para potenciar autobuses, camiones y tractores agrícolas, los cuales presentan problemas más complejos como la modificación del sistema de admisión y los carburadores de los motores que utilizaran gas de madera. Así mismo, permite considerar en una etapa posterior utilizar el gas en equipos que funcionan a gasoil (Diésel).














 

APENDICE 1

TABLA 2

tabF_1.jpg (616×731)



 

REFERENCIAS

  1. Generator Gas. The Swedish Experience from 1939-1945. Solar Energy Research Institute, 3rd Edition. Biomass Energy Foundation 1810 Smith Rd. Golden CO 80401, February 1998. ISBN 1-890607-01-0.

  1. Wood gas as engine fuel. FAO Forestry Paper 72. Food and Agriculture Organization Of The United Nations, Rome, 1986. ISBN 92-5-102436-7.

  1. Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems. Solar Energy Research Institute. 1617 Cole Boulevard, Golden, Colorado 80401-3393. U.S. Departament of Energy.

 



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