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.