Revista de la Facultad de Ciencias Químicas #9 by Universidad de Cuenca

Número: 9

ISSN: 13901869

Septiembre 2014

Revista de la Facultad de Ciencias Químicas

Universidad de Cuenca

REVISTA DE LA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS ISSN: 13901869 REVISTA DE LA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS. Septiembre 2014 Número: 9 Publicación dedicada a estudios relacionados con las Ciencias de la Ingeniería Química, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Industrial, Bioquímica y Farmacia, Formación en Ingeniería y las relacionas con las Ciencias de las Vida y Producción. Rector Fabián Carrasco C Vicerrectora Silvana Larriva G Decana Silvana Donoso Moscoso Subdecana Ruth Cecilia Alvarez P Consejo Editorial de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Cuenca Silvana Donoso Decana de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Cuenca

Carola Jerves Docente de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Cuenca

María Fernanda Uguña Docente de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Cuenca

René Vinicio Sánchez Editor responsable. Docente de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Cuenca

Consejo Editorial Externo Dr. Jaime Soler Herrero Universidad de Zaragoza, España

Dr. Fausto Posso Universidad de los Andes, Venezuela

Dr. Carlos Bouza Universidad de la Habana, Cuba

PhD. Pablo Arévalo Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador

PhD, Grover Zurita Universidad Privada Boliviana, Bolivia

Diagramación Luis Alfredo Muñoz

Para someter artículos en la revista Revista de la Facultad de Ciencias Químicas se debe enviar los trabajos a revista.ccquimicas@ucuenca.edu.ec la revista se publica tres veces al año abril, septiembre y diciembre.

Tiraje: 300 ejemplares Contacto: Silvana Donoso Moscoso Decana de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Cuenca

Teléfono: 593 - 7 - 4051000, ext: 2401 silvana.donosom@ucuenca.edu.ec Las ideas, opiniones y conceptos expresados en los artículos competen a las autoras y autores. La Revista de la Facultad de Ciencias Químicas está ingresada en el directorio Latindex, sistema de Información sobre las revistas de investigación científica, técnico-profesionales y de divulgación científica y cultural que se editan en los países de América Latina, el Caribe, España y Portugal.

Se permite la reproducción parcial o total de los artículos siempre que se cite la fuente.

Editorial La revista número nueve de la Facultad de Ciencias Químicas es un aporte de docentes y profesionales locales y de otros países que con su trabajo han colaborado con la edición de la misma. Como en volúmenes anteriores se tratan temas muy importantes en las áreas de: Energía, Química, Ambiente y en el área Industrial, de interés en muchas latitudes, que contribuyen en gran proporción a la solución de problemas de la sociedad. Agradezco el esfuerzo de todas las personas que componen en la actualidad la Comisión de publicaciones de la Facultad, así como la colaboración de los Editores externos y de quienes de alguna manera han apoyado para llevar a feliz término este documento.

Silvana Donoso Moscoso DECANA DE LA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS UNIVERSIDAD DE CUENCA

iii

Índice Utilización de neumáticos de desecho como alternativa energética en la industria Brasileña ………..……………………………………………………….

Metodología para la selección de sales fundidas para la recuperación de energía en la industria ……………………………………………………………..

Sistemas de refrigeración doméstica - Estado del arte de las mejoras en la eficiencia energética ………………………………..…...………………………....

Evaluación por DSC de una aleación de magnesio AZ31B procesada por ECASD ………………………………………………..……………………………

Dry residual biomass as a potential alternative energy source ....……………….

Old Royal Women Hospital of Melbourne – Australia, Towards Net – Zero Energy Consumption ……………………………………………………………...

Diseño de una planta de tratamiento con filtración rápida para reemplazar a un sistema de filtración lenta ……………..……………………………………….

Utilización de neumáticos de desecho como alternativa energética en la industria Brasileña German R. Chumpitaz A1, Christian J. Rodriguez C2, Joao Andrade de Carvalho Junior3

Universidad Federal de Itajubá, UNIFEI – MG, Brasil, germanrau2@gmail.com Universidad Federal de Itajubá, UNIFEI – MG, Brasil, christian@unifei.edu.br 3 Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, FEG UNESP-SP joao@feg.unesp.br 1

Resumen. Este artículo presenta una breve revisión de neumáticos de desecho, para utilizarlo en diferentes formas como una fuente alternativa de energía en la industria brasileña. También se ha llevado a cabo, un estudio de políticas del país sobre el destino final de los neumáticos de desecho y sus cantidades. Este estudio se centra en dos procesos principales. El co-procesamiento de los neumáticos de desecho por la industria del cemento y el proceso de la pirólisis de los neumáticos, utilizando el proceso Petrosix. El potencial ofrecido por el aceite pirolítico de neumáticos de desecho está basado en las propiedades fisicoquímicas del producto, tales como su contenido calórico. Las propiedades del aceite de pirólisis son similares a los combustibles fósiles, es por eso que se hace interesante su uso en dispositivos de combustión o sistemas. Palabras Claves: neumático de desecho, co-procesamiento, pirólisis Abstract. This paper shows a brief review of waste tires, in order to use it in different ways as an alternative energy source in the Brazilian industry. It has also been performed, an extensive overview of the country´s policy regarding the final destination of waste tires and among the quantities. This study is focused on two main processes. The co-processing of the waste tyres by the cement industry and the process the pyrolysis of tires, using the Petrosix process. The potential offered by pyrolytic oil from waste tires is stressed out, based on the product physicochemical properties, such as its caloric content. The pyrolytic´s oil properties are also close to fossil fuels, that´s is why, it makes interesting to use in combustion devices or systems. Keywords: waste tire, co-processing, pyrolysis.

1. Introducción El consumo de energía se incrementa rápidamente cada año. Nuestra dependencia de los combustibles fósiles como fuente primaria de energía también se está incrementando. Con respecto al transporte, se espera que la demanda de energía se incremente a una tasa anual de 0,2 % para los años 2010 al 2035. Respecto al consumo total de energía eléctrica también se espera que se incremente a una tasa anual de 0,8 % de 3879 billones de kilowatt horas en 2010 a 4775 billones de kilowatt horas en 2035. Sin embargo, como se sabe, las reservas de combustibles fósiles están decreciendo (1). El uso de recursos renovables y los procesos de valorización de los desechos; actualmente, se encuentran en alza debido a varios factores, que incluyen además del calentamiento global, la gran dependencia de la sociedad respecto a los recursos fósiles tanto como materia prima como también como combustible. Por otro lado, el notable aumento del número de vehículos a nivel mundial y la falta de mecanismos técnicoseconómicos, hacen que los neumáticos de desperdicio sean considerados un problema serio de polución en términos de eliminación de residuos (2). Responsabilidad ampliada del productor (EPR, en Inglés) está referida a la adopción de una nueva perspectiva de la política ambiental, desde diferentes etapas: definición del problema, políticas o diseño de estatutos, implementación y monitoreo (3).

La EPR, fue desarrollada a principios de 1990 como respuesta al incremento de los desechos sólidos y las limitaciones de las políticas tradicionales. Como tal esta se deriva del principio “quien contamina paga” (PPP, por sus siglas en Inglés), y como tal el EPR, está basado en el principio que una compañía es responsable por las externalidades ambientales, esto trata de reducir los impactos ambientales y los costos privados asociados (3). EPR se centra en los productos, y hace responsables a los productores, no sólo de la etapa de producción, sino también del ciclo entero del producto. Está basado en el principio, que los productores se encuentran en la capacidad de rediseñar sus productos para evitar o reducir los impactos ambientales (3). EPR, es una estrategia para alcanzar un objetivo ambiental en decremento del impacto ambiental total de un producto, haciendo responsable al fabricante del ciclo de vida completo del producto y especialmente por la recuperación, reciclaje y disposición final del producto. Entonces la responsabilidad es trasladada del gobierno hacia el productor (4). Por esta razón en este trabajo serán analizadas las alternativas energéticas de los neumáticos usados, como parte del destino final que deben darle los fabricantes, y que contempla la Legislación Brasileña. 1.1 Legislación Brasileña La constitución Federal Brasileña de 1988, en su Artículo 225, considera las cuestiones ambientales como patrimonio nacional y de las futuras generaciones. Más allá de garantizar la protección y la recuperación de especies y ecosistemas, también controlar las sustancias que constituyen un riesgo para la calidad de vida y del medio ambiente (5). Estas obligaciones son de competencia conjunta del gobierno Federal, de los Estados y de los Municipios (6). La resolución N° 416, del 30 de Septiembre de 2009 del Consejo Nacional del Medio Ambiente de Brasil – CONAMA, regula el destino de los neumáticos usados, para lo cual establece que para cada neumático nuevo comercializado para el mercado de reposición, las empresas fabricantes o importadoras deberán dar un adecuado destino a un neumático inservible (7-8). En 2010, aproximadamente 39965 toneladas de neumáticos de desecho no fueron apropiadamente usados en Brasil. Esto representa además potenciales problemas de salud, asociados al no tratamiento de estos, como son dengue, leptospirosis, fiebre amarilla y malaria (9). Después de una previa revisión; no se encontraron trabajos que realicen un análisis sobre la normativa actual, la resolución N° 416, del 30 de Septiembre de 2009 del CONAMA, la cual rige la política referente al destino final de los neumáticos usados en Brasil.

1.2 Neumáticos de desecho La cantidad de neumáticos producidos en Brasil el 2013, tal y como se muestra en la Figura 1, fue de 70 millones según la ANIP (Asociación Nacional de la Industria de Neumáticos); lo que demuestra la importancia de dar un adecuado destino final a los mismos. Se sabe que los neumáticos desechados; poseen alto contenido volátil, mayor contenido de cenizas y un valor calórico mayor que el carbón y biomasa tradicional. Siendo por esto ideal para pirolisis y combustión, así como para gasificación (10).

Como se puede observar en la Tabla 1, el óleo pirolítico de neumático usado (OPNU), presenta un poder calorífico comparable a los combustibles fósiles, en este caso de comparación se muestran el kerosene, diésel y fuel-oil ligero, haciendo además interesante su uso en motores de combustión interna (2). 70000

60000

50000

40000

30000

20000

10000

0 2006

Carga

Camioneta

2007

2008

Pasajero

2009

Moto

2010

2011

Agrícola

Outro

2012

2013

Industrial

Figura 1. Producción de neumáticos según categoría, en millares de unidades (30).

Tabla 1. Propiedades físico-químicas del OPNU, comparado con los combustibles tradicionales.

fuel-oíl ligero b 20 40 75 79 Punto de ignición (°C) Residuos de carbono (%) 2,2 -<0,35 -Densidad (kg.l-1) 0,91 0,84 0,78 0,89 Viscosidad cSt (40°C) 6,3 1,2 3,3 21 Carbono (% wt.) 88 -87,1 85,5 Hidrógeno (% wt.) 9,4 13,6 12,8 12,4 Nitrógeno (% wt.) 0,45 -0,05 0,15 Azufre (% wt.) 1,5 0,1 0,9 1,4 Oxígeno (% wt.) 0,5 --Poder calorífico (MJ.kg-1) 42 46,6 46 44,8 Cenizas (% wt.) 0,002 -0,01 0,02 Humedad (vol %) 4,6 -0,05 0,1 a Williams, 2013 [11]; b Harker, J.H., Backhurst, 1981(12) Propiedades

OPNU a Kerosene b

Diésel b

Los neumáticos de desecho poseen una composición compleja, lo que los hace elementos de difícil reciclaje. A seguir en la Figura 2 se muestra la composición típica promedio de un neumático.

1.2 Destinaciones ambientalmente adecuadas de neumáticos usados

Las destinaciones ambientalmente adecuadas que se presentan en el informe de neumáticos 2013, elaborado por el IBAMA (Instituto Brasileño del Medio Ambiente y los Recursos Naturales Renovables) son las siguientes: - Co-procesamiento: utiliza los neumáticos inservibles en los hornos de Clinker como substituto parcial de combustibles y como fuente de elementos metálicos. - Laminación: con esto se realizan artefactos de caucho, como por ejemplo tubos para agua de lluvia, suelas, bandas de caucho, etc. - Granulado: proceso industrial de fabricación de caucho molido con diferentes granulometrías, con separación previa del acero (usualmente mediante electroimanes), este producto granulado puede ser usado luego en la industria de neumáticos, fabricación de tapetes, impermeabilizantes y artefactos de caucho en general. - Industrialización de esquisto: se realiza mediante el co-procesamiento de los neumáticos inservibles mezclado con esquisto bituminoso en una planta de procesamiento de PETROBRAS. - Pirólisis: este proceso de descomposición del caucho o de los neumáticos se realiza en atmósferas inertes a temperaturas de entre 300 a 900 °C, de los cuales se obtienen tres productos, gas, óleo líquido y char.

Figura 2. Composición química elementar de un neumático (30).

Para llevar a cabo los procesos mencionados líneas arriba, muchas veces es necesaria la transformación de los neumáticos desechados en pedazos más pequeños mediante la trituración de los mismos. De las destinaciones ambientalmente adecuadas aquellas que tienen relación con el aprovechamiento energético de los neumáticos, ya sea mediante su uso directo o ya sea en la generación de productos con valor energético, ya sea líquido o gaseoso, son la pirolisis y el co-procesamiento, siendo el proceso de industrialización de esquisto también un proceso de pirolisis 2. Materiales y Métodos Este trabajo se basa en la revisión de diversos documentos, los cuales reflejan la situación brasileña con respecto al aprovechamiento energético de los neumáticos que son desechados.

Para esto se inició con una revisión de la situación mundial, la importancia del factor energético en el panorama mundial y la importancia de nuevas formas de obtención de energía. Después juntamente con la cuestión ambiental se describió el papel que tienen los neumáticos desechados como fuente energética. A continuación se describen los procesos energéticos que hacen uso de neumáticos de desecho como fuente de energía. Para esto se tomó como base el Informe de Neumáticos 2013, elaborado por el IBAMA, el cuál presenta los datos relativos al año 2012.

2.1 Alternativas energéticas del uso de los neumáticos de desecho Actualmente, los neumáticos inservibles recolectados son destinados a un proceso de trituración y pueden ser reaprovechados de diversas formas, entre ellas, como combustible alterno en la industria del cemento o en las calderas en la fabricación de asfalto, suelas de zapato, sellos de goma, tuberías pluviales, pisos de pistas deportivas, pisos industriales y alfombras para automóviles, entre otros (13). En la Tabla 2. 2e muestran las tecnologías de destinación final de los neumáticos usados en Brasil y su porcentaje, para el periodo de enero a diciembre del 2012.

Tabla 2. Tecnologías de destinación final y cantidad total de neumáticos inservibles destinados (14). Tecnologías Co- procesamiento Granulado Laminado Industrialización de Esquisto Pirólisis Total

Destinación (ton) 219269,09 168499,14 61115,93 9810 336,03 459030,19

Porcentaje país 47,77% 36,71% 13,31% 2,14% 0,07% 100%

2.1.1 Utilización de neumáticos de desecho en la industria del cemento La opción más utilizada, no sólo en Brasil sino a nivel mundial es el uso de neumáticos de desecho como sustituto del coque de petróleo en las plantas de cemento. Teniendo como principal inconveniente, el tener que pagar para hacer uso de este desecho. La producción de cemento Portland comienza con la extracción del material crudo donde la piedra caliza es el principal componente. Después de esto la caliza es mezclada con otros elementos, tales como, arcilla, hierro, silicio y aluminio. Esta mezcla es enviada a los hornos donde es calentada a una temperatura entre 1200 y 1500°C obteniendo un material parcialmente fundido y la formación de gránulos de Clinker. Este material es enfriado y mezclado con pequeñas cantidades de otros ingredientes como yeso y escoria proveniente del alto horno, y luego molido para obtener el cemento Portland. Esta industria es considerada de consumo intenso de energía, ya que es necesaria para alcanzar las altas temperaturas necesarias durante el proceso. Tradicionalmente se usan combustibles como carbón, fuel-óleo y coque de petróleo (neumáticos de desecho) (15). El co-procesamiento en fábricas de cemento es una técnica que permite la quema de residuos en hornos de cemento mediante el uso de dos criterios básicos: reaprovechamiento de energía, usando el material como sustituto de un combustible o reaprovechado como sustituto de materia prima, de forma que el residuo a ser eliminado presente características similares a los componentes normalmente empleados en la producción de Clinker (16). En este caso, los neumáticos desechados presentan ambas características, ya que contribuyen con materia prima y como fuente energética. Si el

material utilizado en la producción de cemento no presenta la suficiente cantidad de hierro, se usan directamente los neumáticos para conseguir las caracteristicas deseadas del material (17). El destino final de los neumáticos en los hornos de cemento es una opción que permite el descarte de gran cantidad de neumáticos inservibles, tanto enteros como triturados. Un único horno con una capacidad de producción de 1000 toneladas/día puede consumir hasta cinco mil neumáticos diariamente, de forma segura y eficiente (18). En la Figura 3 se muestra la cantidad de neumáticos co-procesados en relación a otros materiales en el año 2012.

Neumáticos

17% 45%

38%

Residuos como susbstituto de materia prima Residuos coprocesados com poetencial energético

Figura 3. Porcentaje según tipo de residuo coprocesado (18).

La industria brasilera de cemento está compuesta por 14 grupos industriales, que reúnen 80 unidades de producción, repartidas por todo el país, de estas, 36 cuentan con licencias para co-procesamiento de residuos. En este escenario, la región Sudeste (São Paulo, Rio de Janeiro, Minas Gerais, Espíritu Santo) es la que cuenta con mayor número de plantas con licencia para el co-procesamiento (17 en total), las que representan el 33% de las fábricas con licencia para realizar esta actividad; la cual a su vez es regulada en los ámbitos federal y estatales, siendo los estados que poseen normativa propia, los estados de Minas Gerais, Paraná, Rio Grande do Sul y São Paulo (18). Un ejemplo es la planta ubicada en el Estado de Rio de Janeiro (LAFARGE Brasil S.A), y que tiene autorización para el uso de neumáticos de desecho como combustible alterno en sus hornos (18). 2.1.2 Uso de Pirolisis con neumáticos de desecho La pirolisis permite romper los enlaces de las moléculas más pesadas mediante la adición de calor en condiciones de ausencia de oxígeno (atmósfera inerte o vacío). La principal ventaja de la pirolisis es la capacidad para tratar residuos difícilmente reciclables, volviéndolos reutilizables, descomponiéndolos en elementos más simples. Este tratamiento se usa para convertir los desechos en combustibles de alto poder calorífico, químicos, monómeros y otros materiales valiosos (19). Desde 1998, la Petrobras de Brasil instaló una usina de reprocesamiento conjunto de esquisto (xisto) y neumáticos de desecho, para producir óleo y gas como combustibles, por medio del proceso PETROSIX, tecnología desarrollada por la propia empresa y reconocida mundialmente. La empresa se encuentra localizada en São Mateus do Sul, Paraná (20-21). El neumático es cortado en pedazos aproximadamente de 100 x 100 mm y mezclada con el esquisto, para luego ser alimentado por la parte superior de un reactor cilíndrico 6

vertical, donde la mezcla es calentada hasta aproximadamente 500°C. En condiciones de alta temperatura, el mineral libera la materia orgánica en forma de óleo y gas. A continuación, el esquisto y el caucho pasan a ser enfriados, resultando como consecuencia la condensación de los vapores del óleo en la forma de pequeñas gotas, que entonces constituyen el óleo pesado. Después de retirado el óleo pesado, los gases y el esquisto pasan por otro proceso de limpieza para la producción del óleo ligero (óleo leve). Lo restante es llevado para otra unidad, en donde son obtenidos los gases combustibles, además de la recuperación de azufre. El sobrante de la mezcla de neumáticos y esquisto es llevado a los pozos de la mina y recubierto por una capa de arcilla y tierra vegetal permitiendo la recuperación del medio ambiente. El alambre de acero es reciclado para la industria siderúrgica. Esta planta tiene una capacidad instalada para el procesamiento de 27 millones de unidades de neumáticos por año (20-23). Este proceso se muestra en la Figura 4. Desde que la tecnología fue implantada en 2001, en la Unidad de Negocio de Industrialización de Esquisto (SIX, por sus siglas en portugués), se reciclaron más de 11 millones de neumáticos (24). El proceso PETROBRAS/SIX (PETROSIX), asegura que esta forma de destinación final de los neumáticos es la más ventajosa, debido al menor costo, ya que PETROSIX cobra R$ 80 (US$ 28,2 a cambio 2002) por la destrucción de una tonelada de neumáticos, en cambio las cementeras cobran alrededor de US$ 100 (13). En referencia a este proceso, se llevó a cabo en la Universidad Federal de Paraná (PR, Brasil) un trabajo acerca de la separación de sólidos de óleo producido en la retorta (conjunto de esquisto bituminoso y caucho de neumáticos usados), con el fin de extraer los sólidos en suspensión mezclados con el agua presente en el óleo pesado mediante la dilución del óleo con gasolina (nafta leve) facilitando la filtración del óleo para separar las partículas sólidas (25). En Agosto del 2012 se inauguró el Laboratorio de Carreteras en la Universidad de São Paulo para realizar investigaciones en el área del asfalto de pavimento de carreteras y aeroportuarios. En este caso la mezcla de asfalto modificado conteniendo caucho proveniente de neumáticos de desecho y residuos de óleo de esquisto (26). Otra forma de utilización de la pirólisis en Brasil, es mediane el uso de la conversión a baja temperaturas (LTC, por sus siglas en inglés), mediante el cual se consigue obtener preponderantemente una fracción líquida (28). La empresa que realiza este proceso es la Senergen Energia Renovavel, ubicada en la ciudad São Paulo, mediante un reactor con capacidad de 12 m3 por día (29). 3. Conclusiones La legislación brasilera traslada la responsabilidad de una destinación segura del gobierno hacia el productor, haciéndolo responsable por el ciclo de vida completo del neumático. Los neumáticos de desecho son residuos de difícil reciclaje bajo métodos comunes del mismo, precisándose por esto, métodos más sofisticados, debido a la complejidad de su composición. La mayor parte de los neumáticos de desecho que se producen en Brasil y que tienen una destinación final adecuada son encaminados al co-procesamiento en la industria cementera. El proceso de reaprovechamiento de neumáticos de desecho por medio de pirolisis se realiza principalmente por medio de la PETROBRAS, mediante su proceso de

PETROSIX, gracias a la capacidad instalada que tiene la planta y a sus bajos costos. Existiendo poca o nula información de otras entidades que se dediquen al mismo rubro.

Figura 4. Proceso PETROSIX de reciclaje de neumáticos (27).

La información que se encuentran en los diversos medios consultados, señala que el organismo encargado de dar destino final a los neumáticos de desecho es la ANIP, mediante la Reciclanip, ente encargado de este proceso. Sin embargo, la información que presenta en su página web es muy limitada, siendo esto sólo posible a través de la web del IBAMA. Por lo tanto, después de haber realizado una revisión bibliográfica este autor considera que: - Muchas de las empresas que se dedican al reciclado de neumáticos como destino final, realizan el granulado y recorte en tiras de los neumáticos, desconociéndose el paradero posterior de los mismos. Por lo tanto no podemos aseverar que tipo de destinación posterior reciben. - La industria cementera brasilera cuenta con 36 unidades autorizadas para realizar coprocesamiento, es decir realizar la quema de materiales con el fin de obtener, tanto poder calorífico, como propiedades químicas de los insumos, siendo en esta parte del proceso donde se usan los neumáticos en desechados. - El óleo, obtenido mediante pirolisis de los neumáticos de desecho, por su poder calorífico elevado (un poco menor que el de los combustibles fósiles) representa una oportunidad

de uso en motores de combustión interna. Algunas investigaciones ya fueron realizadas en este sentido, aconsejando su mezcla con el diésel convencional y/o biodiesel. Por lo tanto, es interesante verificar otras alternativas de este óleo mediante la combustión del mismo en otros equipos térmicos (calderas, hornos, cámaras de combustión, etc) que la industria brasilera pueda utilizar, debido a que su estado líquido muestra grandes ventajas de almacenamiento, transporte e atomización. - En el caso anterior, es factible realizar estudios de las emisiones de la combustión de este óleo pirolítico puro o con mezclas de diésel o biodiesel, con la finalidad de verificar su potencial contaminante o su beneficio ambiental como créditos de carbono. - Es interesante realizar un estudio que aborde la cantidad de neumáticos desechados anualmente en Brasil y comparar con el número de neumáticos por cada vehículo que rueda en Brasil, a partir de bases de datos oficiales sobre la flota vehicular brasilera; con la finalidad de obtener el verdadero potencial energético que los neumáticos de desecho representarían para la generación de energía llevando en cuenta este como biocombustible alternativo. Agradecimientos Los autores de este trabajo agradecen el apoyo financiero de las siguientes instituciones de fomento a la investigación en Brasil: CNPq (Proc. N° 310069/2012-2), CAPES y FAPEMIG. Referencias 1. 2. 3. 4.

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Metodología para la selección de sales fundidas para la recuperación de energía en la industria Maria C. Fernández1, Carlos A. Bustamante2, Cesár Nieto3 1

Universidad Pontificia Bolivariana, mariac.fernandezpo@upb.edu.co Universidad Pontificia Bolivariana, carlos.bustamante@upb.edu.co 3 Universidad Pontificia Bolivariana, cesar.nieto@upb.edu.co

Resumen. Los procesos industriales involucran operaciones con una alta demanda de energía térmica y por lo tanto, se presentan pérdidas de energía desde superficies a alta temperatura y en corrientes de deshecho tales como gases de combustión y aire de exceso. Desde la década de los 70, la tecnología de sales fundidas se ha empleado para el almacenamiento térmico y el transporte de energía. En la producción alternativa de energía eléctrica a partir de fuentes no continuas, como la energía solar, el almacenamiento térmico con sales fundidas ha probado ser económica y técnicamente más adecuado que la utilización de baterías eléctricas. A partir de esta evidencia, en el presente trabajo se propone diseñar e implementar una metodología para seleccionar sales fundidas que puedan ser utilizadas como medio de captura y/o almacenamiento de calor tradicionalmente desperdiciado en un proceso industrial, además de esto realizar una comparación de la sal seleccionada con fluidos de transferencia de calor comúnmente utilizados en la industria. Palabras Claves: almacenamiento de energía, recuperación de energía, sales fundidas. Abstract. Industrial processes involved operations with high thermal energy demand and thus energy losses occur from hot surfaces and waste streams such as gases and excess air. Since the 70’s, the molten salt technology has been used for thermal storage and transport of energy. In the alternative electricity production from non-continuous sources, such as solar energy, thermal storage with molten salt has proven technically and economically more appropriate than the use of electric batteries. From this evidence, this paper aims to design and implement a methodology for selecting molten salts that can be used as a means to capture and / or storage of heat traditionally wasted in an industrial process, in addition to this a comparison of the selected salt with other common heat transfer fluids was made. Keywords: energy recovery, heat storage, molten salts.

1. Introducción Las sales fundidas han sido empleadas por muchas décadas en procesos industriales de transferencia de calor, almacenamiento térmico, tratamientos térmicos, entre otros. El potencial de uso de sales fundidas como agente de transferencia de calor fue demostrado también para reactores nucleares. Los primeros reportes sobre la utilización de depósitos térmicos como método de soporte a las plantas de la energía eléctrica aparecen a finales de los años 70, producto presumiblemente de la crisis del petróleo que golpeó el mundo en esa década. Uno de los reportes fue dado por una investigación por parte de la industria aeroespacial Grumman, en la cual los investigadores sugerían aprovechar el calor latente de sales fundidas para almacenar el calor de combustibles fósiles y disminuir el costo de la energía eléctrica (1). La inquietud surgió, según los autores, debido a la variabilidad en la demanda de potencia eléctrica de las compañías de servicios públicos, que durante el tiempo normal, equivalía a un 60 % del requerimiento en horas pico. Pero durante las horas de demanda máxima, se veían obligados a comprar energía de otras compañías, o poner en marcha sistemas más viejos y menos eficientes para cubrir los requerimientos de la red, lo que aumentaba los costos de operación. Debido a esto se empezó a considerar que el uso de intercambiadores de calor que emplearan sales fundidas, podrían usarse para

nivelar la curva de oferta/demanda. El estudio mencionado concluyó que esta aplicación era factible para la producción de potencia eléctrica (2). En sistemas existentes, las aplicaciones de mayor interés, son aquellas que consisten en el aprovechamiento de energía térmica mediante “procesos de captura”, almacenamiento por tiempo determinado y transferencia a un “proceso de recuperación”, con la meta de incrementar la eficiencia energética global del sistema (3). En este trabajo, se presenta el diseño e implementación de una metodología para la selección de sales fundidas como medio de transferencia y/o almacenamiento térmico para recuperar parte del calor perdido en un proceso industrial en un rango de temperaturas de 150 a 350 °C. 2. Selección de sales fundidas 2.1 Sales fundidas Las sales fundidas, tienen una gran variedad de usos dependiendo de su composición, convencionalmente, se emplea base cloruro para el tratamiento térmico de metales, base de fluoruro usada como solvente del óxido de aluminio para la producción de aluminio y finalmente fluoruros, cloruros y nitratos como fluidos de transferencia de calor. Las sales fundidas, tienen el potencial de ser almacenadas a temperaturas muy por encima de su temperatura de fusión sin descomponerse (4). El proceso mediante el cual se utiliza una sal fundida como "depósito térmico", consiste básicamente de un calentador de sal el cual, es un intercambiador de calor entre la corriente que desea almacenarse o recuperarse (cuando se trata de productos de combustión que ya no pueden ser aprovechados en el proceso principal), la sal es bombeada a un tanque donde se mantiene a alta temperatura y desde ahí se bombea al punto de aplicación, o se retorna al procesos principal para aprovechar el calor que se había almacenado, la sal enfriada se almacena en otro tanque de donde se bombea para ser calentada nuevamente. En este esquema, la sal debe mantenerse siempre en estado líquido, por tanto las temperaturas de operación y de las corrientes que quieran aprovecharse deberán estar siempre por encima del punto de fusión para evitar obstrucciones del sistema por la formación de los cristales de la sal en estado sólido. El esquema anterior fue implementado en el proyecto de demostración en California "Solar Two" y posteriormente usado en "Solar Tres", el cual combina la utilización de sales fundidas tanto como fluido de transferencia de calor como de almacenamiento térmico. "Solar Tres" se instaló, e inició en operaciones en 2008, en fuentes de Andalucía, cerca de Sevilla (España), con una producción de 15 MW (5). Se utiliza un tanque grande de sal de nitrato fundida lo que permite que la planta tenga una capacidad de almacenar 600 MWh (15 horas de almacenamiento), lo que permite que la planta opere 6500 h por año. El sistema de almacenamiento térmico, usa una mezcla de NaNO3 y KNO3 como medio de almacenamiento y se basa en la tecnología directa de dos tanques usada en Solar Two. Esto significa que la planta utiliza el mismo fluido como fluido de trabajo que permite la recolección, transporte y almacenamiento de energía térmica con altas eficiencias. De acuerdo con Somasuram (6), los sistemas que usan sales fundidas proveen la capacidad de usarse en un amplio intervalo de temperaturas, tradicionalmente se han usado en aplicaciones de altas temperaturas, por encima de los 350°C, se reporta que para temperaturas de operación por encima de los 300°C se usan mezclas de sal de nitrato sodio y nitrato de potasio (en proporciones en peso 60-40). Se han identificado sales alternativas que pueden operar a partir de 120°C (una mezcla 30, 18, 52 de LiNO3,

NaNO3, y KNO3), o a partir de 160°C (una mezcla 30, 24, 46 de Ca (NO3)2, NaNO3, y KNO3). 2.2 Metodología de selección Se preseleccionaron cinco sales fundidas con propiedades compatibles con las condiciones de operación del proceso industrial, dos disponibles comercialmente y tres encontradas en publicaciones científicas. Se construyó una matriz de selección y se eligieron criterios a evaluar tales como punto de fusión, viscosidad, estabilidad térmica, número de Prandlt, difusividad térmica y costo, de acuerdo con la importancia de la variable para el proceso de recuperación, se asigna un peso a cada criterio. La calificación de cada criterio se realizó de la valoración normalizada de cada una de las cinco opciones disponibles, de acuerdo con la ecuación (1) cuando se desea el valor mayor de la variable y la ecuación (2) en el caso contrario.

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =

𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒

Ecuación (1)

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =

𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒

Ecuación (2)

A continuación se indica la pertinencia y calificación de cada uno de los criterios de acuerdo con las condiciones del proceso. 2.2.1 Punto de fusión Un punto de fusión menor será mejor puesto que, dadas las condiciones del proceso industrial se debe evitar la formación de cristales en la sal y adicionalmente, se aumenta la capacidad de aprovechamiento al incrementarse la diferencia de temperatura en el intercambiador y así asegurar una alta transferencia de calor. 2.2.2 Estabilidad térmica Entre más alta la temperatura a la cual se reportan altas tasas de descomposición para la sal es mejor. Este criterio estará relacionado con la vida útil de la sal y los tiempos de renovación de la misma en el sistema de recuperación. 2.2.3 Viscosidad Un menor valor de viscosidad a 150°C tendrá una mayor calificación de 0 a 1. La energía necesaria para transportar el fluido (bombeo) es menor cuando la viscosidad es menor. 2.2.4 Número de Prandtl El número Nusselt es directamente proporcional al número de Prandtl, así que en la matriz recibirá una calificación mayor la sal que tenga un valor de Prandtl mayor, considerando que a mayor Nusselt es mayor la transferencia de calor por convección. 2.2.5 Difusividad térmica Si se tiene una difusividad térmica alta, el calor se propaga con rapidez. Por lo cual se tendrá mayor calificación una sal con un valor menor de esta propiedad, dado que representa un mejor rendimiento en cuanto a almacenamiento de energía. 2.2.6 Costos Un menor costo tendrá una mayor calificación en la matriz. 2.2.7 Disponibilidad comercial

La disponibilidad de la sal es un factor importante en la selección, se le dará mayor calificación a la sal que sea comercial. El fabricante garantizará un producto más estable y confiable con todas las especificaciones técnicas necesarias. 2.3 Fluidos de transferencia de calor 2.3.1 DowthermTM A Dowtherm A es una mezcla eutéctica de bifenil (C12H10) y oxido de difenil (C12H10O). Este fluido puede ser usado en sistemas que empleen tanto fase líquida desde 15°C a 400°C y fase de vapor desde 257°C a 400°C (7). 2.3.2 Syltherm 800 Es un fluido de silicona altamente estable, con un rango de temperaturas recomendado de -40°C hasta 400 °C, el rango más amplio de todos los fluidos de transferencia de calor disponible actualmente en el mercado (7). 3. Resultados y discusión Después de pre-seleccionar cinco sales fundidas mostradas en la tabla 1. Todas ellas con temperatura de fusión baja para cumplir las condiciones del proceso, se recopilaron los datos de punto de fusión, temperaturas mínimas de degradación química, viscosidad, número de Prandtl, difusividad térmica y costos, recopilados en la tabla 2. Tabla 1. Sales seleccionadas con su composición.

Referencia

Composición

1 HITEC

53% KNO3+ 7% NaNO3+ 40% NaNO2

2 Dynalene MS-2

20-80% LiNO3 + 20-80 % NaNO3 + 20-80 % KNO3

3 Muestra C (8)

63.7 % KNO3+ 27.3 % Ca(NO3)2+ 9% LiNO3

4 (Olivares 2013) (9)

30-37% LiNO3 + 18 % NaNO3 + 52-45 % KNO3

5 Siegel (10)(11)

45 % KNO3 + 15 % Ca(NO3)2 + 10 % NaNO3 + 25% LiNO3

Tabla 2. Valores de las propiedades de las sales seleccionadas. Punto de T. Estabilidad fusión a (°C] Química (°C]

Viscosidad (cP]

Difusividad térmica (m2/s]

Costos (USD]

142

538

58,93

0,16

4900

130

500

61,96

0,17

6800

500

255,81

0,11

6100

120

540

65,52

0,18

5600

500 68 220,26 0,16 5020 Todas las propiedades se obtienen a la temperatura del punto de fusión

Los criterios como disponibilidad comercial, punto de fusión, viscosidad y costos son de alta importancia para la selección de la sal, en el sentido que se desea tener una sal con una temperatura de punto de fusión baja, una viscosidad baja en el límite inferior de nuestro rango de temperaturas y costos relativamente bajos. Por esto en la matriz de 15

selección se asignaron porcentajes mayores a estos criterios. La temperatura de degradación es también un parámetro importante relacionado con la vida útil de la sal, sin embargo, en el presente caso se considera una temperatura menor a 350°C. Por lo tanto, la estabilidad química no representa un criterio de alta importancia y se le da un porcentaje menor. En la tabla 3 se muestra la calificación de los criterios y los porcentajes dados a cada uno de ellos dependiendo de su importancia dentro de este proceso con el rango de temperatura previamente definida. Como se puede ver en la tabla, la sal con mayor calificación es la sal comercial HITEC® con una calificación total de 0,47 seguida de la otra sal comercial Dynalene MS-2 y de la muestra C propuesta por Zhao (8). Siendo esta última no comercial (obteniendo 0 en la calificación de este criterio) obtuvo una alta calificación, esto gracias a que su temperatura de fusión es la más baja de todas, su costo no es alto y se reportan valores de difusividad térmica y número de Prandtl adecuados. Tabla 3. Calificación de las sales seleccionadas. a

EQb

Prd

DTe

DCg

Total

0,54

0,996

0,23

0,68

0,47

0,58

0,93

0,85

0,24

0,61

0,72

0,43

0,93

0,34

0,8

0,43

0,63

0,81

0,26

0,6

0,88

0,4

0,84

0,93

0,25

0,86

0,65

0,98

0,35

Peso % 20% 2% 25% 7% 6% 15% 25% Punto de fusión, b Estabilidad química, c Viscosidad, d Prandlt, e Difusividad térmica, f Costo, g Disponibilidad comercial a

Luego de obtener los resultados de selección de la sal, siendo la más adecuada la HITEC, comparamos sus propiedades con las de los fluidos Dowtherm A y Syltherm 800 a las temperaturas establecidas anteriormente en este trabajo; el resumen de las propiedades se muestra en la tabla 4. Tabla 4. Propiedades de las sales y fluidos de transferencia de calor.

HITEC

Dowtherm A

Syltherm 800

Temperatura

°C

150

350

150

350

150

350

Densidad

Kg/m3

1971,87

1808,48

947,80

742,30

828,40

611,93

KJ/KgK 1,56

1,56

1,95

2,52

1,83

2,17

W/mK

0,60

0,12

0,09

0,11

0,07

viscosidad

mPa/s

17,00

2,00

0,56

0,16

1,75

0,34

6,00

580,00

28,57

878,52

Presión de vapor Kpa

En la tabla 4 se puede ver que los valores de propiedades como la viscosidad difieren mucho entre los fluidos térmicos y la sal, siendo esta última la más viscosa y necesitando mayor capacidad de bombeo en el límite de temperatura inferior. En cuanto a la presión de vapor, el fabricante de la sal HITEC no reporta valores de esta propiedad, dado que esta se mantiene liquida hasta altas temperaturas. El Dowtherm A y el Syltherm 800 si presentan dos fases a ciertas temperaturas, por lo tanto al ser utilizadas, el sistema deberá ser presurizado para evitar pérdidas y reposiciones del producto.

Para realizar una comparación de los tres fluidos en cuanto a sus propiedades de transferencia de calor, se considera un flujo interno donde la velocidad del fluido es 5,48m/s y el diámetro de la tubería por la que viaja es 5.08 E-2 m. En la tabla 5 se encuentran los resultados. La sal seleccionada presenta el menor valor del número de Nusselt, sin embargo, continua siendo una opción viable de fluido de transferencia de calor para el rango de temperaturas establecido, dada su estabilidad térmica a altas temperaturas de trabajo y su costo de carga inicial. Adicionalmente, la alta densidad de la sal (aproximadamente dos veces la de los otros fluidos térmicos) repercute en un menor tamaño de los equipos de transporte y adecuado comportamiento para el almacenamiento de energía. Tabla 5. Comparación de numero adimensionales (Reynolds, Prandlt y Nusselt).

HITEC Temperatura

Dowtherm A

Syltherm 800

150

350

150

350

150

350

32.290,42

251.725,95

471.164,92

1.291.527,77

132.156,62

508.512,00

Prandlt

44,20

5,20

9,34

4,74

28,90

9,98

NuD

386,45

978,98

1.965,26

3.512,48

1.035,61

2.135,32

Reynolds

4. Conclusiones Se ha desarrollado una metodología para la selección de sales fundidas para aplicaciones de aprovechamiento de energía de deshecho en procesos industriales a partir de la definición de criterios, normalización de los valores asignados y ponderación del resultado de acuerdo a las necesidades específicas. La matriz de calificación y selección indica que la sal elegida debe ser la HITEC®, la cual obtuvo la mejor calificación dentro de la matriz y los criterios evaluados. Esto debido a la alta calificación obtenida en los criterios de alto peso. A pesar de tener un punto de fusión bajo, de todas las sales es la que menor viscosidad y costo reporta. Adicionalmente, es comercial, por lo que el fabricante asegura su estabilidad y la validación de las propiedades recopiladas. La Dynalene MS-2 es también una buena opción para un proceso industrial donde el punto de aprovechamiento se encuentre a una temperatura más baja que la considerada en el presente trabajo, dada una baja temperatura de fusión. Aunque los costos son más altos en este caso, la decisión dependerá de las necesidades y los pesos asignados a los criterios. La selección de una sal fundida para el almacenamiento de calor desperdiciado en un proceso industrial no se limita a esta matriz ni está limitado a los criterios y pesos presentados en este artículo. Dependiendo del proceso analizado, se pueden plantear diferentes criterios y asignar diferentes pesos dependiendo de la importancia que tenga una variable en el problema a tratar. Referencias 1.

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10.

11.

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Sistemas de refrigeración doméstica - Estado del arte de las mejoras en la eficiencia energética Edwin Corte1, Christian Flores2, Nelson Jara3, César Isaza4 1

Universidad Politécnica Salesiana, ecorte@est.ups.edu.ec Universidad Politécnica Salesiana, cfloressu@est.ups.edu.ec 3 Universidad Politécnica Salesiana, njara@ups.edu.ec 4 Universidad Pontificia Bolivariana de Medellín, cesar.isaza@upb.edu.co 2

Resumen. Este artículo presenta un estudio sobre el estado del arte de la técnica de investigación desarrollada en los últimos años en la refrigeración doméstica; para superar dificultades relacionados con el gran consumo de energía y sus problemas de impacto ambiental. Hay varios informes de investigación relacionados con mejorar la eficiencia energética de refrigeradores domésticos, con hidrocarburos refrigerantes naturales, que han mostrado mejoras sustanciales en varios aspectos. El refrigerante sugerido tiene un impacto ambiental, de alto rendimiento, confiable y de bajo costo. Palabras Claves: consumo de energía eléctrica, refrigerantes hidrocarburos, sistema de refrigeración, eficiencia energética. Abstract. This paper presents a study of the state of the art of research developed in recent years in domestic refrigeration to overcome difficulties related to high-energy consumption and its environmental impact issues. There are several research reports related to improve the energy efficiency of domestic refrigerators, with natural refrigerants hydrocarbons, which have shown substantial improvements in various aspects. The proposed refrigerant has an environmental impact, high performance, reliable and low cost. Keywords: electricity consumption, hydrocarbon refrigerants, cooling system, energy efficiency.

1. Introducción Un refrigerador de uso doméstico, es un artefacto que anualmente se produce a nivel mundial por más de 80 millones de unidades (1), de manera que, cientos de millones son utilizados de forma continua actualmente y por tanto el impacto mundial del consumo de energía eléctrica que estos sistemas requieren es significativo (2-8). Un refrigerador típico consume aproximadamente 1 kWh/día de energía eléctrica, siendo un consumo unitario relativamente bajo, sin embargo, los refrigeradores domésticos y comerciales son responsables del 11% de la energía total consumida anualmente en Brasil, lo que equivale a 2,86 TWh/año (9). Por otro, lado si se considera la eficiencia de un refrigerador, la cual es intrínsecamente baja, apenas llega al 15%, debido fundamentalmente a las pérdidas energéticas irreversibles ocasionadas por la mayor parte de los componentes del sistema (Figura 1) (9), como el condensador, el evaporador, tubo capilar y en especial el compresor que es el elemento que consume en gran parte la energía, alrededor del 80% (5). Por otro lado, el uso de refrigerantes como los CFC, HCFC, HFC contribuye al agotamiento de la capa de ozono y el aumento en el calentamiento global (10-16), razón por la cual su producción y uso han sido regulados según el Protocolo de Montreal (17). Optando por utilizar los HFC debido a que no destruyen el ozono, sin embargo se ha encontrado que estos poseen alto potencial de calentamiento global, el mismo que es controlado por el Protocolo de Kioto (18), siendo necesario buscar refrigerantes alternativos que además de ser amigables con el medio ambiente tengan excelentes propiedades termodinámicas, tales características han sido encontradas en los HC, siendo 19

razón de estudio en los últimos años. Los resultados de amplias investigaciones apuntan a los HC como posibles sustitutos para los sistemas de refrigeración, de tal forma que se mejoraría la eficiencia del sistema de refrigeración y permitiría reducir el consumo de energía y ahorrar recursos (20-22).

Figura 1. Esquema de un refrigerador con congelador superior (9)(2).

Estos estudios demostraron que dichas anomalías, alteraciones o afectaciones que existen en el refrigerador doméstico, son trabajos de interés mundial para buscar avances de eficiencia energética y alternativas para reducir el problema en todo el sistema. Al analizar y tratar en el ambiente social e investigativo estos problemas, varios estudios realizados indican tener resultados positivos. Afirmando de esta manera que tener una alta eficiencia en el refrigerador de uso doméstico es posible, al reducir el consumo de energía en el sistema, además del uso de refrigerantes naturales que poseen buenas propiedades termodinámicas, no tóxicos, y sobre todo eficientes en su desempeño, de manera que logren disminuir el tiempo de encendido del compresor, la carga del refrigerante y otras características que permiten ahorrar energía y dinero en el sistema de refrigeración (2-6). En este documento, se presenta los principales avances de eficiencia energética logrados en la refrigeración doméstica que se han desarrollado en los últimos años, enfocados en cuatro factores importantes como: impactos ambientales, costos, rendimientos y confiabilidad. 2.

Síntesis

2.1 Sistema de refrigeración Enfoques en estado estacionario y transitorio, utilizan para un mejor análisis en el sistema de refrigeración, el primero se utiliza para la coincidencia de los componentes, y el segundo para definir estrategias de control y para optimizar el rendimiento del sistema (1, 7-8). Björk, Palm y Nordenberg en el 2010 (1) analizaron la distribución de la temperatura dentro del refrigerador utilizando una cámara termográfica, encontrando fuentes causantes de pérdida significativa de energía. Observaron en imágenes captadas que “en los bordes del evaporador existen temperaturas más altas que la parte central, revelando la mala utilización de los bordes para la transferencia de calor, y recomiendan que los canales de refrigerante deben moverse más hacia los bordes”. Indicaron que el evaporador es el causante de pérdida de energía ya que al encender el compresor el evaporador tarda en activarse de manera que sugieren que “las líneas de refrigerante sean reordenados con un flujo descendente ya que de esta manera se mejoraría la eficiencia

energética. Hermes, Melo, Knabben y Gonçalves en el 2009 (3), en cambio indican reducir el área de la sección transversal del canal de refrigerante interno en la parte corriente arriba del evaporador, debido a que en este lugar es baja la velocidad del vapor”. No presenta pérdidas de calor al añadir más aletas, pero si llega a aumentar en un 2% al retirarle 10 aletas a la bobina del evaporador (3). Hoy en día se promueve utilizar refrigerantes más eficientes y amigables con el medio ambiente, es por eso que varios fabricantes suministran compresores compatibles con hidrocarburos, específicamente refrigerantes con mezclas de HC y R600a ya que tienen una mayor eficiencia del ciclo de Carnot, comparado con el R134a. Dado la peligrosidad de este tipo de refrigerantes por ser inflamables, realizaron estudios para superar estos inconvenientes y reducir de esta manera los riesgos para su aplicación. Wang, Eisele, Hwang y Radermacher en el 2010 (10) proponen el uso de sistemas de circuito secundario, intercambiadores de calor, instalación de sensores de refrigerantes inflamables y extractores de aire para minimizar los riesgos. En Europa se está generalizando el uso de este sistema de refrigeración de dos fases con refrigerante secundario debido a los beneficios ambientales y características de ahorro de energía, sin embargo no se implementa en todo el mundo por sus elevados costos, es considerada como inversión grande pero es una iniciativa importante. Este sistema presenta “un menor consumo de energía de la bomba, tamaños de tubos más pequeños, excelentes propiedades de transferencia de calor, y buenas compatibilidades en materiales” (10). Los refrigerantes en el trabajo intermitente del compresor, en el proceso de arranque “deben lograr distribuir todo el líquido en el evaporador para que exista una temperatura alta de evaporación, dando por lo tanto una alta eficiencia”, pero Björk, Palm y Nordenberg (7) predicen que “la energía de refrigeración acumulada en la línea de succión de intercambio de calor (SLHX) es un factor importante para disminuir las pérdidas de energía cíclicas”, por lo que sugieren necesario un rediseño del SLHX, aportando mejoras al compresor ya que recibiría menos refrigerante líquido en el arranque, tomando en cuenta también que tal cambio de diseño no produzca un aumento en la caída de presión (7). El compresor es uno de los parámetros claves dentro del sistema de refrigeración. Hermes y Melo en el 2009 (2) desarrollaron análisis para detectar posibles fallos que pueda tener el compresor en condiciones defectuosas, tales como: el bloqueo del evaporador, ensuciamiento del condensador, envejecimiento del aislamiento y desgaste del compresor; analizaron todos estos fallos al mismo tiempo. Observaron que el consumo de energía aumenta en 0,274 kWh/día (+17%). Dando por el envejecimiento de aislamiento del gabinete, un aumento del consumo de energía en un 9%. Su comportamiento es lineal, pero es importante la cilindrada de este componente ya que estudios realizados por Hermes, Melo, Knabben y Gonçalves (3) afirmaron que el consumo de energía se redujo en un 13% al reducir la cilindrada de 5,96 a 3,77 cm3. 2.2 Compresores Para reducir el consumo de energía en los compresores, se han realizado investigaciones teniendo en cuenta principalmente la optimización del funcionamiento del compresor, para ello se ha variado la velocidad del compresor en función de la demanda de refrigeración y se lo ha mantenido funcionando casi de modo continuo, logrando ahorros de energía significativos en comparación con los de control termostático clásico de ciclos ON/OFF (26). Para lograr dicho fin se ha utilizado inversores como TRIAC, PMW (Modulación de Ancho de Pulso), y algoritmos de control para la regulación difusa de la velocidad del compresor (27). También se puede conseguir la capacidad de modulación sin utilizar controladores electrónicos controlando el desplazamiento del pistón (28). 21

Además se ha desarrollado un compresor lineal prototipo, que utilizando una combinación entre la inductancia y la capacitancia logró una auto modulación del 7090%, con ello se lograría reducir el consumo de energía y costos ya que no existen controladores electrónicos (29). Otra alternativa es utilizar compresores lineales y mejorar su eficiencia, para ello Bradshaw en el 2011 presentó un modelo de simulación integral de un compresor lineal a escala miniatura (30), el mismo que fue validado posteriormente con los resultados obtenidos en un prototipo de compresor lineal que fue construido para el efecto (31). El mismo modelo sirvió en el 2012 para estudiar la sensibilidad del compresor lineal a los cambios de algunos parámetros geométricos, mostrando que el compresor lineal es altamente sensible a los cambios en la separación de fugas entre el pistón y el cilindro, así como la excentricidad del resorte; los cuales deben reducirse al mínimo para un rendimiento óptimo (29), también se ha investigado la capacidad del compresor lineal para recuperar la energía que generalmente se pierde en el proceso de re-expansión del gas, gracias a la presencia de resortes mecánicos, los mismos que permite usar el compresor lineal para el control de la capacidad eficiente a partir de más o menos 35 a 100%, con ello el compresor puede funcionar a una potencia de entrada más baja por lo menos en condiciones de carga parcial ahorrando energía (32), por su parte LGE quiénes son fabricantes de compresores para refrigeradores domésticos sacan al mercado un compresor lineal, que presenta una alta eficiencia cuando la capacidad de refrigeración es pequeña, el mismo que puede reducir el consumo de energía hasta en un 25%, reduciendo las emisiones de CO2 del compresor en aproximadamente 90 kg/año (28), además este compresor es eficiente debido a su mecanismo, que reduce las perdidas mecánicas relacionadas con los compresores de cigüeñal convencionales, además la eficiencia de su motor es más del 90% y la capacidad de refrigeración puede ser modulada con electrónica simple, siendo de esta forma 20~30% más eficiente que la mayoría de los compresores convencionales (33). Adicionalmente en el 2008 se investigó los niveles de ruido del compresor lineal y se determinó que estos son similares a las del compresor alternativo, y que son mejores en condiciones de funcionamiento transitorias debido al arranque y detenimiento suave en el funcionamiento (34). Por su parte Huiming Zou investigó el rendimiento de un prototipo de compresor lineal con muelles helicoidales, estableciendo que este compresor puede aprovechar el fluido de trabajo comprimido para reducir la rigidez de resorte mecánico y el peso del compresor. Sin embargo, los resortes no pueden ayudar a limitar el pistón por lo que golpea la culata y su eficiencia disminuye al reducir la presión de descarga (35). Por su parte Marcos G. (36) presentó una guía para optimizar el diseño de un sistema de refrigeración por compresión de vapor, utilizando compresores de capacidad variable, logrando conseguir hasta un 40% de ahorro de energía y una reducción del ruido de hasta 5 dB con este sistema (36), también se realizó una revisión literaria sobre los análisis exergéticos de sistemas de refrigeración por compresión de vapor, lo cual investigaciones realizadas, mostraron que la mayor pérdida de exergía se produce en el compresor, por lo tanto el uso de nano lubricantes y nano fluidos pueden reducir de forma indirecta dichas pérdidas (27). 2.3 Condensadores y Evaporadores Se realizaron estudios del intercambiador de calor en evaporadores de aletas y tubos en condiciones heladas, ya que presentan una acumulación de escarcha, y por ende disminuyen el coeficiente de transferencia de calor de manera significativa y aumenta la pérdida de carga rápida (20-24). Cui, Li, Liu y Zhao en el 2011 (37) analizaron el proceder de un intercambiador de calor de aletas y tubos, indicaron que se forma escarcha con 22

mayor rapidez en el período inicial, mientras que crece lentamente en el período totalmente desarrollado, dando lugar a la degradación de la transferencia de calor, caída de presión, mayor humedad relativa del aire, menor velocidad de flujo de aire y reduce la temperatura del refrigerante, ya que dará lugar a una gran cantidad de acumulación de escarcha. El evaporador tiene la capacidad de proporcionar la cantidad de refrigeración necesaria para la preservación de los bienes almacenados en el refrigerador a la temperatura deseada (42). Silva, Hermes y Melo en el 2011 (39) informaron que la escarcha acumulada en el serpentín del evaporador disminuye de forma significativa al rendimiento del intercambiador de calor, por el efecto combinado de la baja conductividad térmica de la capa de escarcha y la tasa de flujo de aire del ventilador suministrado (41), sugieren que bajo estas condiciones de escarcha, se debe diseñar como un sistema acoplado, a fin de conservar la capacidad de refrigeración para períodos más largos, aumentando el tiempo entre los procesos de descongelación sucesivos y por ende se mejorará el rendimiento térmico de todo el sistema (39). Özkan y Özil en el 2006 (40) afirmaron que la formación de escarcha en el serpentín del evaporador se da en forma de aguja no muy densa, ocasiona que la presión de aire disminuya en las aletas y en los extremos de las aletas aumenta el coeficiente de transferencia de calor. La velocidad del aire determinado en 5m/s, luego de 5h de período de prueba, la velocidad de evaporación es constante y la escarcha recogida en el evaporador muestra un aumento lineal con el tiempo. Knabben, Hermes y Melo en el 2011 (41) observaron que el aumento repentino del número de aletas entre las filas 4 a 5 induce una obstrucción del evaporador local, de esta manera siguieren que para que haya una eficiente descongelación cerca de la unidad, deben colocarse de forma simultánea dos calentadores, uno de 175W en las seis primeras filas y 60W en las últimas cuatro filas. Barbosa, Melo, Hermes y Waltrich en el 2009 (38) evaluaron el efecto del número de filas de tubos en el rendimiento de los evaporadores térmicos hidráulicos sin escarcha, establecen que las últimas filas de tubos ayudan con menos eficacia a la transferencia de calor, mientras que todavía ejerce alguna influencia en la caída de presión. Indicaron que los costos pueden disminuir mediante el uso de evaporadores más ligeros, ya que en algunos casos han mejorado las características de rendimiento (38). Azzouz, Leducq y Gobin en el 2009 (43) estudiaron el efecto de la adición de un material de cambio de fase (PCM), este se encuentra en la parte posterior del evaporador con el fin de mejorar su eficiencia y para proporcionar una capacidad de almacenamiento que permite varias horas de refrigeración sin fuente de alimentación (4,43). Probaron el sistema con agua y con una mezcla eutéctica con punto de congelación -3 °C (4). Indicaron que la respuesta de la nevera a la adición de PCM y su eficacia dependen en gran medida de la carga térmica, se comporta como un amortiguador de temperatura, disminuye el número de arranques y paradas del compresor y por consiguiente de las fluctuaciones de temperatura, mejorando de esta manera la conservación de los alimentos (43). La integración de almacenamiento de calor latente permite 5-9 h de operación continua y sin suministro eléctrico y un aumento del 10-30% del coeficiente de rendimiento, dependiendo de la carga térmica (4,43). En trabajos anteriores en el 2008 (4) los mismos autores demostraron que la capacidad de almacenamiento en frío del sistema es ligeramente más pequeño con una solución acuosa eutéctica que con el agua como PCM, pero presenta la solución acuosa eutéctica, la ventaja de mantener el aire a valores de temperatura adecuadas recomendadas para el refrigerador. A más de ello, los autores Yoon, Jung, Chung y Kim (44), estudiaron el ciclo de dos circuitos para congeladores de refrigerador doméstico debido a su potencial eficiencia energética y la humedad relativa del compartimiento de alimentos frescos. Midieron el rendimiento del

ciclo paralelo, variando la carga de refrigerante y el diámetro del tubo capilar, comparando con el ciclo de dos circuitos de derivación. Los resultados indicaron que en el ciclo paralelo, el diámetro del tubo capilar óptimo fue de 1,4 mm, siendo el 65% mayor que el ciclo de dos circuitos de derivación. La carga de refrigerante óptima del ciclo paralelo fue de 75g, que fue levemente menor que el valor óptimo de 80g en el ciclo de dos circuitos de derivación. De tal modo que, la recuperación de refrigerante por la operación de pump-down P/D redujo el consumo de energía en un 4,1% con respecto al caso de referencia sin ningún tipo de operación de recuperación de refrigerante (44). Esta comparación establece poca diferencia entre los dos ciclos, el ciclo paralelo genera mejores resultados, ya que conviene tener una carga de refrigerante menor para que el compresor no trabaje en periodos largos de tiempo sobre todo para obtener un menor consumo de energía. Una alternativa para diseñar un evaporador sin escarcha de tubo de aleta se da con los de flujo acelerado (AFE) (25,26), el cual hace que el coeficiente de transferencia de calor del lado de aire sea mejorado de forma local; su desventaja está en que la aceleración del flujo, aumenta la caída de presión del lado del aire, lo que exige más potencia de bombeo (45). Waltrich, Barbosa, Hermes y Melo en el 2011 (42) indicaron que a bajas tasas de transferencia de calor, las actuaciones de la línea de base y muestras de AFE son casi similares debido a que requiere una potencia de bombeo pequeña para una tasa de transferencia de calor especifico. De manera que en tales condiciones el concepto AFE puede ser más ventajoso que los evaporadores rectos debido a sus bajos costos de los materiales. Los mismos autores en otra investigación en el 2011 (45) usaron una optimización geométrica basada en el COP de la AFE, demostraron que en cuanto al COP el sistema experimentó sólo una variación modesta con respecto a los parámetros geométricos, “que van desde 0,95 hasta 1,03 al cambiar la longitud del evaporador, y 1,02 a 1,03 al variar la altura de la salida del evaporador”. A pesar de los resultados siguieren más investigación para determinar el efecto de la formación de condensación y escarcha en el rendimiento térmico-hidráulico de AFE (42). Björk y Palm en el 2008 (46) estudiaron el flujo de ebullición de transferencia de calor en un evaporador de un refrigerador doméstico con flujo horizontal, determinaron que el coeficiente de transferencia de calor baja al aumentar la calidad, por lo que pide no utilizar flujos de masa tan bajas como 21 kg/m2s. Un análisis importante es presentado por los autores Lee, Yoon, Kim y Bansal en el 2006 (11) sobre las características de transferencia de calor del R-290 (propano), R-600a (isobutano) y R-1270 (propileno), por ser refrigerantes favorables al medio ambiente y el R-22 como refrigerante para condensar y evaporar, encontraron mediante resultados experimentales que los coeficientes de transferencia de calor de condensación locales de refrigerantes de hidrocarburos fueron más altos que los de R-22. La transferencia de calor de condensación local de coeficientes de R-1270 era el más alto en el flujo de masa entre 50 y 200 kg/m2, mientras que el R-290 y R-600a a cabo un poco menos que el R-1270, pero mostrando tendencias similares. De modo que de los refrigerantes HC´s, el R-1270 mostró el promedio más alto de evaporación de coeficiente de transferencia de calor (11). Los autores Dosky, Heinze y Wolf en el 2008 (47) crearon un modelo para calcular el comportamiento de refrigerante tridimensional en un tubo de ciclo cerrado, estudiando la transferencia de calor tanto para el modelo de gas real y el modelo de ebullición laminar, con condensador, secadora, dispositivo de expansión y evaporador que ofrece todas las propiedades físicas de interés, como la presión, la velocidad, la temperatura, la entalpía y la entropía. Los resultados del modelo de gas real fueron los mejores. Siguieren seguir trabajando en mejorar el modelo de ebullición de la adaptación de las restricciones de flujo de masa y hacer que el modelo robusto para dominios de flujo sean más grandes,

con el uso de un software mejorado CFD para gestionar el diseño y dimensionamiento de los sistemas de refrigeración en el futuro ya que complementaria a los métodos establecidos (47). El condensador es el componente principal en el sistema de refrigeración ya que rechaza el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador hacia fuera del compartimiento del refrigerador (48). Porkhial, Khastoo y Razavi en el 2006 (49) presentan la actuación transitoria de un condensador, en el que señalaron que el COP aumenta rápidamente cuando se prende y apaga el refrigerador, además este coeficiente al disminuir progresivamente, la diferencia de temperatura entre el aire y el refrigerante empieza a disminuir en el condensador. Afirmaron que la reducción en el consumo de energía puede lograrse mediante el uso de un compresor controlable. Bassiouny en el 2008 (48) realizó el estudio del efecto del espacio que rodea el condensador en el calor rechazado, demostró que al tener un espacio suficiente alrededor del condensador, aumenta la fuerza motriz de transferencia de calor del condensador y si la temperatura del aire de la habitación aumenta, la cantidad de calor rechazado disminuirá. Aseguró que a medida que el espacio que rodea el condensador es bloqueado, el aire que fluye es más caliente, de manera que el condensador sin duda degradará su rendimiento, el espacio en el que se coloca un refrigerador es importante, ya que afecta a la fuerza de conducción para disipar el calor (48). Hermes en el 2013 (50) concluyó que un intercambiador de calor de alta eficacia no proporciona el mejor diseño termo hidráulico necesariamente para bobinas del condensador y del evaporador. 2.4 Dispositivo de expansión El tubo capilar reduce la presión que sale del compresor hacia el evaporador y regula el flujo. Un aspecto importante a tomar en cuenta, es la carga de refrigerante a tener durante la labor transitoria. Esta carga depende del volumen interno de su equipo, como: tuberías, compresor, intercambiadores de calor, receptores de líquido y varios accesorios, depende de las características del refrigerante, sus estados y la presión de trabajo a nivel físico del sistema (15). Varios autores estudiaron este fenómeno con el fin de reducir el consumo de energía “mediante la variación de la restricción de la expansión y la carga de refrigerante" (51). Esta reducción de la carga, no afecta aspectos energéticos y respeta limitaciones ambientales. Aporta a refrigerantes como HCFC y HFC o naturales como hidrocarburos y amoniaco para reducir sus emisiones a la atmosfera y por motivos de seguridad (15). Björk y Palm en el 2006 (52) demostraron mediante la variación de distintos parámetros, pérdidas e inconvenientes en el trabajo del sistema, hallaron que a una carga demasiada baja, el sobrecalentamiento del evaporador aumenta, con una carga excesivamente alta la línea de aspiración se convirtió en frío, conduciendo en los dos casos a un mayor consumo de energía (52). En trabajos anteriores los mismos autores en el 2006 (5) encontraron dos perdidas que se dan en el sistema, en condiciones transitorias, la primera en el traslado de refrigerante después de un arranque y parada del compresor, afectó en este caso al rendimiento general del sistema. La segunda pérdida se da cuando el compresor está activo, en el período de carga térmica de los intercambiadores de calor es más alta de lo que sería para un sistema controlado de forma continua, registrando en general pérdidas de eficiencia de 5-37% (5), consideradas perdidas demasiadamente altas durante el trabajo del sistema. Björk y Palm (52) determinaron la longitud del tubo capilar y cantidad de carga para un refrigerador doméstico, debido a que es limitado hallar un método más sofisticado para el posible ahorro de energía y para el procedimiento de optimización se necesitan correlaciones más rápidas y precisas. En el mismo año sugieren dichos autores (53) un tubo capilar estrangulado, con una temperatura de condensación flotante, puede operar 25

grandes variaciones de carga sin llegar a desestabilizarlo, al igual que un sistema de control de dispositivos de expansión termostática más sofisticado. Björk y Boeng y Melo en el 2012 (51) usaron una metodología que reduce al mínimo el consumo de energía, a través del método de métrica variable, predice el punto de trabajo óptimo correctamente, ya que correlaciona el diámetro del tubo y la carga de refrigerante. Propone un tubo de 0,7 mm (ID) capilar, una carga de refrigerante de 51,2 g y un consumo de energía de 50,7 kWh/mes. Poggia, Tejeda, Leducq, y Bontemps en el 2008 (15) sugieren dos opciones, la primera reducir la carga, el volumen interno de todos los componentes (intercambiadores, receptores, la línea de líquido), ya que permiten un beneficio considerable sin disminuir su rendimiento. La segunda opción es utilizando una válvula de expansión electrónica (EEV) (31,36). Choi y Kim (54) indicaron que el rendimiento del sistema de EEV es más alto en comparación con el sistema de tubo capilar, sostuvieron que se puede optimizar el rendimiento de la bomba de calor en condiciones fuera de diseño, manteniendo un recalentamiento constante mediante el control de la apertura de la EEV. Manifiestan no generalizar estos resultados, debido a las diferencias en la configuración del sistema, ya que utilizaron un único sistema de bomba de calor (54). Los autores Mao-Yu y Ching-Yen en el 2005 (14) reportaron una investigación experimental de la transferencia de calor y el comportamiento de caída de presión del R290, R-600 y R-290/R-600 en las tres líneas de serpentín de 2,46mm de diámetro. Midieron los coeficientes de transferencia de calor y las características de caída de presión para una gama de flujo de calor comparado con el refrigerante R134a. Los resultados muestran que el flujo de ebullición coeficientes de transferencia de calor para el “R-290, R-600, y R-290/R-600 son 1,66 a 1,96 veces, desde 1,28 hasta 1,38 veces y 1,57 a 1,88 veces mayor en comparación con las de R-134” respectivamente, en igualdad de calor y flujos de masa. Además, “la caída de presión por fricción del flujo de dos fases para el R-600, R-290/R-600 y R-290 son 1,41 a 0,60 veces, desde 1,32 hasta 1,50 veces y 1,22 a 1,40 veces menor en comparación con la de R- 134a” respectivamente. Los resultados experimentales compararon con varias correlaciones que predicen la transferencia de calor por evaporación, dando un buen acuerdo con los datos experimentales (14). En cambio los autores Seixlack y Barbazelli en el 2008 (6) realizaron un análisis numérico de flujo de refrigerante a lo largo de los tubos capilares no adiabáticos utilizando un modelo de dos fluidos. Este modelo se emplea para la región de flujo de dos fases, tomaron en cuenta la hidrodinámica y el no-equilibrio termodinámico entre las fases de líquido y vapor. Establecieron que el punto de inflamación del refrigerante es alcanzado dentro de una distancia cercana del tubo capilar de salida, y el modelado de la región de flujo de dos fases tiene poca influencia en el resultado global. A pesar de esto, el mejor acuerdo entre los resultados del modelo de dos fluidos y los datos experimentales, en comparación con el modelo homogéneo se atribuye a la inclusión de las relaciones de cierre adecuados, que permiten una representación más conveniente del flujo de dos fases. El autor O. Valladares en el 2006 (55) menciona que a pesar de la simplicidad, el flujo en el interior de un tubo capilar es complejo. En algunas aplicaciones prácticas, los tubos capilares se enrollan para ahorrar espacio y el efecto del enrollamiento afecta el flujo de fluido dentro de ellos, de manera que aseguraron que las dimensiones del tubo capilar juega un papel importante en la decisión de su contribución a las prestaciones del sistema de refrigeración. Por otra parte, debido a que el modelo numérico se basa en la aplicación de las leyes físicas, es posible extrapolar con mayor confianza a otros fluidos, mezclas y condiciones de funcionamiento, de modo que permita utilizar el modelo desarrollado como una herramienta importante para diseñar y optimizar este tipo de sistemas (55,56,57).

2.5 Distribución de flujo de aire Es importante determinar la temperatura y velocidad de aire idóneas, para que exista una buena conservación y buen control de calidad de los alimentos. Estudios realizados indican que un abuso acelerado de temperatura de al menos 5°C durante aproximadamente 10 min puede duplicar el crecimiento de ciertas bacterias (7). En refrigeradores sin ventilación, observan a menudo una fuerte heterogeneidad de temperatura, en las zonas calientes (riesgo sanitario) y zonas frías (riesgo bajo cero) debido a la baja circulación de aire (8). Para el estudio utilizan el refrigerador estático sin ventilación dada las ventajas que este representa por el mínimo consumo de energía, la razón principal se debe a que la transferencia de calor se da por convección natural (3234) Laguerre, Amara, Moureh y Flick en el 2007 (8) estudiaron los efectos de los obstáculos en los perfiles de velocidad, con el objetivo práctico de predecir las zonas calientes y frías, indicaron que estos influyen en la circulación de aire principal a lo largo de las paredes y la zona central, ya que fueron confirmados por los valores máximos de temperatura del aire que obtuvo: 8,2 °C para un refrigerador vacío y sin estantes y 9,1 °C para un refrigerador con estanterías y nevera cargados de productos (8). Laguerre, Amara, Mojtabi, Lartigue y Flick en el 2008 (6) utilizaron un sistema de velocimetría gráfica de partículas PIV para la medición de la velocidad del aire, aseguraron que el aire estancado en la parte superior de la cavidad tiene una velocidad de 0,04m/s y en la parte inferior de la pared fría es de 0,02m/s (37, 39). Cualquier configuración estudiada, observaron que existe altas temperaturas de aproximadamente de 5°C más alta que la temperatura media del aire, por lo que es importante evitar colocar productos sensibles en esta posición (37, 38). En la parte inferior, observaron que el flujo de aire es no estacionario, la temperatura es baja y hay más fluctuaciones, cuanto menor sea la temperatura de la pared fría, mayor es la velocidad del aire a lo largo de esta pared. La velocidad del aire es más homogénea cuando el modelo de refrigerador está lleno de obstáculos (6). La circulación de aire se induce cerca del evaporador y las paredes laterales. Sin embargo, en la región del núcleo, donde se almacena alimentos, hay velocidades bajas, que no aseguran marcada transferencia de calor por convección entre el aire y los productos (7). Los productos alimenticios no deben perturbar la capa límite cerca de la pared del evaporador (6). Laguerre y Flick en el 2004 (7) sugieren la continuación de los análisis presentados en su trabajo, indican que es interesante estudiar la transferencia de calor en el interior del refrigerador, tomando en cuenta los ciclos de encendido y apagado del compresor. Además, un modelo tridimensional más complejo podría ser desarrollado con el fin de predecir la distribución de la temperatura en el interior del compartimento de refrigeración (7). 2.6 Gabinete y Aislante En la construcción de los refrigeradores domésticos es importante el aislamiento térmico, para mantener por dentro un volumen interior técnicamente acondicionado (58). Los autores Yoon, Seo y Kim en el 2012 (59), presentan una estrategia para la optimización de espesor de aislamiento de un refrigerador-congelador doméstico, esta propuesta fue validada al utilizar el circuito de derivación y el ciclo de doble bucle, mediante el modelo de simulación, así como la relación cuantitativa entre la CP y el espesor del aislamiento. Demostraron que los consumos de energía para el circuito de derivación y el ciclo de doble bucle se redujeron en 5,7% y 6,1%, respectivamente, mediante la aplicación de la estrategia de optimización propuesta con la CP fijo y el volumen interno de cada compartimento (44, 59). Sugirieron que como las partes de R-

compartimiento era más alto que los demás, el espesor de aislamiento de la Rcompartimiento debe reducirse con la condición de volumen interno constante en relación con cada compartimento, pero se debe añadir en el F-compartimiento con el fin de compensar la CP comparativamente inferior del F-compartimiento. También estudiaron el impacto de la eficiencia del compresor y el volumen en el costo total del sistema y el rendimiento. Demostraron que existe una estrecha relación entre el costo óptimo y el consumo óptimo de energía: en el caso de que el coste de implantación mínimo es 5% inferior a la línea de base, el consumo óptimo de energía sería un 14% inferior a la contraparte de referencia si se realizó el costo fijo (59). Existen soluciones de materiales para el aislamiento térmico en un refrigerador de uso doméstico, uno de ellos se presentan con los aerogeles para la construcción de aplicaciones, así como también el progreso que han ido teniendo los paneles de aislamiento al vacío VIP en la tecnología de la construcción en un tiempo largo ya que han sido mejorados y hoy en día son una alternativa. En general, los VIP obtienen una conductividad térmica menor, y reduciendo fuertemente el espesor aplicado del material de aislamiento térmico, pero esta se incrementará a través del tiempo debido a la penetración de O2 y N2. Tanto el aire y el vapor de agua dentro del núcleo contribuyen a la conductividad térmica (41, 42). Los avances en la comprensión del transporte térmico en VIPs, la influencia del gas, la ingesta de humedad, el control de calidad estricto y la disponibilidad de sensores simples y rápidos, han fortalecido la confianza como una innovación técnica. Fricke, Heinemann y Ebert (61) predicen una conductividad térmica del VIP que se mantenga por debajo de 0.008Wm-1K-1 y su durabilidad se puede verificar incluso después de 50 años de uso. Varios materiales pueden ser utilizados como relleno para los VIPs: fibras, polvos o espumas. Materiales porosos nanoestructurados son preferibles, ya que son los menos sensibles cuando la presión aumenta (61). Los aerogeles tienen una conductividad gaseosa baja y una transmisión infrarroja radiante TIR baja (62). Los aerogeles de sílice son reflectores excepcionales de sonido audible, haciendo excelentes materiales de barrera, no son inflamables y no reactivos, utilizan como material protector de fuego (60). Es uno de los materiales de aislamiento térmico más prometedor de las últimas décadas. Puede llegar a tener una conductividad térmica de 2 a 2,5 veces menor que la lana mineral convencional. El alto potencial de los aerogeles se puede encontrar sobre todo en su translucidez y transparencia posible, ya que pueden proporcionar un gran ahorro energético (60). Nuevos materiales como aislamiento térmico, siguen estudiando, como los paneles llenos de gas verde (GFP) (63), se puede ver como otro material de aislamiento térmico. Sin embargo, su eficacia puede ser cuestionada (60). 2.7 Refrigerantes El agotamiento del ozono, y el aumento del calentamiento global son la causa principal para la investigación de refrigerantes alternativos, los mismos que se han centrado a refrigerantes hidrocarburos, HC, por sus excelentes propiedades termodinámicas que los vuelven más eficientes, además de poseer cero potencial de agotamiento del ozono (ODP) y bajo potencial de calentamiento global (GWP), de ahí que se han realizado amplias investigaciones para verificar y mejorar tales afirmaciones como se revisan a continuación. Mao, Yu y Wen (24) en el 2005 realizaron un análisis experimental para establecer las características de trasferencia de calor y caídas de presión de los refrigerantes HC, R290, R600 y la mezcla R290/R600, en el cual demostraron que los coeficientes de transferencia de calor de los HC es mayor que la del R-134a por su parte, la caída de presión en los HC 28

fue menor (19). En otro estudio se demostró que el coeficiente de transferencia de calor por ebullición de una mezcla de HC en dos tubos horizontales lisos (64), es más alto que el R-134a, en el que se confirmaron los patrones de flujo utilizando mapas. Por las razones antes expuestas llevó a estudiar a los HC como posible sustitutos, de esta manera M. Fatouh (65) evaluó al propano, butano y mezclas de HC. Llegando a concluir que el propano puro no puede reemplazar al R134a debido a sus altas presiones de funcionamiento y bajo COP, el butano comercial presentó mejores características pero se debía cambiar el diseño del compresor. La mezcla de hidrocarburos con fracciones de masa de propano de 0.6 se aproxima a las características de funcionamiento del R134a, en lo que respecta al COP del refrigerador utilizando una mezcla de HC ternario es mayor que la del R134a. Finalmente se determinó que la mezcla de propano/isobutano/n-butano con 60% de propano fue el refrigerante alternativo más adecuado (20). En este mismo sentido un estudio teórico de una mezcla de HC con diversos porcentajes en peso, determinó que la mezcla más aceptable como posibles reemplazos son HC290/HC600a con 40/60% en peso, para el CFC12 y HC290/HC1270 con 20%-80% en peso, para el CFC22, por su parte la mezcla R290/R600, 60:40 por fracción de masa, es una alternativa para el R134a, adicionalmente se puede mejorar la eficiencia de refrigeración y el COP al aumentar la temperatura de evaporación y mantener una temperatura de condensación constante (2, 47). Además Mehdi Rasti investigó al R436A, 46% de iso-butano y 54% propano y al R600a utilizando compresores tanto para HFC como para HC en el cual se determinó la carga optima de refrigerante, la misma que fue reducida y se observó que el consumo de energía disminuyo en un 14% y 7%, trabajando con un compresor de tipo HFC cargada con R436A y R600a, respectivamente, y se redujo aún más cuando se cambió a un compresor de tipo HC, siendo 14,6% y 18,7% para el R436A y R600a, respectivamente, además se redujo el impacto ambiental en un 21% en relaciona al refrigerante base (67). También Fatouh y Kafafy (20) experimentaron con GLP con 60% de R290 y 40% de butano comercial, como alternativa del R134a. Los resultados indicaron que el COP usando GLP fue mayor que la de R134a, además se redujo de consumo de energía y la relación de tiempo de encendido en alrededor de 10,8 y 14,3%, respectivamente (20). Por su parte Sattar MA, Saidur R, (68) presentaron un estudio experimental para evaluar el desempeño del isobutano puro y mezcla de HC, de ello, el isobutano mostró un mejor desempeño y su rendimiento se aproxima al de la HFC134a, además de reducir la carga de refrigerante no se modificó ningún elemento del sistema (66). Thangavel y Somasundaram investigaron el desempeño de una mezcla de HC, 50% R290 y 50% R600a, como refrigerante alternativo, variando el porcentaje refrigerante de 25, 50, 75 y 100% en el evaporador, de ello determinaron que el 75% de carga es el más óptimo debido a la reducción del 3.81% en la potencia de salida del compresor y reducción en la temperatura de descarga, además de mejorar el efecto de refrigeración del sistema (69). Otro refrigerante estudiado fue el R430A, los resultados mostraron que la capacidad de refrigeración es similar al del R134a, el COP fue mayor en un 2,6-7,5% y presentó un menor consumo de energía en el rango del 1-9%. La temperatura de descarga fue de 3-10°C más alta que la de R134a. Finalmente el Impacto del calentamiento global equivalente total de R430A resultó ser menor al R134a en aproximadamente un 7% debido a su mayor eficiencia energética (70). A.Baskaran, P.Koshy Mathews investigaron una gran variedad de refrigerantes amigables con el medio ambiente en un sistema de refrigeración por compresión de vapor y se los comparó con el R134a de ello se concluyó que el RE170, R152a y R600a tienen un coeficiente de rendimiento ligeramente mayor que el R134a para la temperatura de

condensación de 50⁰C y temperaturas de evaporación que oscilan entre -30⁰C y 10⁰C (19). Por su parte con el fin de mejorar la eficiencia de las mezclas de HC, se realizaron estudios variando el porcentaje de cada elemento en la mezcla y lo comparaban con el R12 y el R134a, los resultados experimentales revelaron que dichas mezclas mejoraban el comportamiento de refrigeración, disminuía el tiempo de descenso en la temperatura, consiguiendo mayor velocidad de enfriamiento y reduciendo el tiempo de encendido, logrando así ahorros de energía significativos, reducción de la masa de refrigerante, y el valor del COP de dichas mezclas en algunos casos mejoraba y en otros variaba en mínimas proporciones con relación al R-12 y R-134a (47-49). Finalmente la temperatura y presión de descarga de la mezcla de HC estaban bastante cercanas con los otros refrigerantes en estudio y en otros casos se logró una menor temperatura de descarga la misma que estaba entre 8,5 y 13,4°K menos que el R134a (66), de esta manera los HC pueden mejorar la eficiencia en la refrigeración y así lo demostró M. Rasti (21) en un estudios realizado a una mezclas de HC R436A con una relación de 56%R290/44%R600a, en la cual mejoró la eficiencia energética de un refrigerador doméstico ya que redujo la carga del refrigerante hasta un 48%, además de reducir el tiempo de encendido en un 13%, ahorrando así 5.3% en el consumo de energía por día, lo que permitió mejorar el índice de eficiencia energética del refrigerador de la etiqueta “E” a la “D” según la Norma Nacional Iraní No. 4853-2 (21). También Won, Jae y Yon (72) utilizaron R-600a y mezclas de HC para mejorar el rendimiento del refrigerador usando doble bucle, de esta manera controla de forma independiente la temperatura de evaporación tanto de congelación como de refrigeración. Resultados experimentales logrados indicaron que se puede ahorrar 14,2% y 18,6% usando ciclos de doble bucle optimizados con R-600a y mezclas de HC respectivamente, en comparación con la de un ciclo bypass de dos circuitos usando R-600a en el misma plataforma de refrigeración/congelación (72). Dado la posibilidad del uso masivo de HC como refrigerantes alternativos, J.U. Ahamed (73) realizó una revisión literaria del análisis de exergía a dichas mezclas, en la cual se determinó que estas, muestran un mejor rendimiento con respecto a otros refrigerantes (73). Además Claudio Crincoli (74) realizó una revisión bibliográfica, enfatizando algunas características químicas y termodinámicas de los HC que además de poseer excelentes características medio ambientales como se puede observar en la siguiente gráfica, tienen buena miscibilidad con aceites minerales y compatibilidad con los materiales comúnmente usados en equipos de refrigeración, las mismas que permiten mejorar la eficiencia energética y reducir el consumo de energía (74).Tabla 1. Otras están enfocadas a determinar su desempeño y simular sus características de funcionamiento, para ello Jaime Sieres desarrollo una formulación híbrida para el cálculo de las propiedades termodinámicas de los refrigerantes puros y sus mezclas, utilizando formulaciones explícitas para modelar y predecir otras propiedades termodinámicas través de la diferenciación. Se desarrollaron algunos ejemplos y la exactitud de las fórmulas fueron satisfactoria siendo útiles en aplicaciones en las que se necesite velocidad de cálculo y la estabilidad en lugar de exactitud. M.M. El-Awad (75) realizó un modelo termodinámico en un ordenador, que permite conocer el efecto de la refrigeración, el trabajo del compresor, y el coeficiente de rendimiento. El mismo que fue validado al comparar sus resultados con un análisis experimental realizado por Akash y Said (60] en el que evaluaron el rendimiento de GLP y lo compararon con el refrigerante R12 (30), los resultados obtenidos que se observan en la figura 3 del modelo estaban cercanos con las obtenidas en el experimento (75).

Tabla 1. Comparación del impacto ambiental de los refrigerantes tradicionales con los HC (74). Nro. De Tiempo de vida en PAO PCA Nombre Químico Refrigerante la atm (años) (ODP) (GWP) R11 Triclorofluorometano 50 1 3800 R12 Diclorodifluorometano 102 1 8100 R22 Clorodifluorometano 12.1 0.055 1500 1,1,1,1,2R134a 14.6 0 1300 tetrafluoretano R290 Propano <1 hora 0 0 R500 R-12/152a (73.8/26.2) 0.74 6010 R600 Butano <1 hora 0 0 R717 Amoníaco N/A 0 0 R744 Dióxido de carbono N/A 0 1

También A.S. Dalkilic (19) comparó y validó modelos de caída de presión por fricción del R600a y el R134a, concluyendo que el modelo de Cavallini y Chen (61) predicen los valores de caída de presión por fricción para el R134a de forma aceptable. Por otro lado, la correlación de Chen predice bien los datos para el R600a (77), por su parte V. Feroiu (76) realizó una investigación con las ecuaciones de estado cubico, utilizando; GEOSC (ecuación cúbica general del estado con 3 constantes), SRK (Soave-Redlich-Kwong), PR (Peng-Robinson), SW (Schmidt-Wenzel) y C-1, y se comparó con datos teóricos y experimentales previamente realizados, de ello la ecuación GEOS3C predice mejor la presión de vapor y el volumen de líquido saturado, por su parte las propiedades termodinámicas son bien reproducidas por todos los modelos, además para los sistemas de refrigeración binarios y ternarios, la ecuación GEOS3C predice mejores valores de la densidad del líquido. Para la fase gaseosa, todas las ecuaciones conducen a buenas predicciones de las densidades (76). Se han investigado otras alternativas de refrigerantes ambientalmente amigables, así una revisión literaria de refrigerantes alternativos determinó que el amoníaco, dióxido de azufre, hidrocarburos y dióxido de carbono son una buena opción debido a sus propiedades físicas y químicas así como también características de seguridad para su utilización además de poseer cero ODP y GWP mínimo (78). Otra investigación realizo análisis termodinámicos a los ciclos de refrigeración usando CO2 como refrigerante, operando en acondiciones subcríticas y supercríticas. Los resultados mostraron que el CO2 en acondiciones subcríticas y supercríticas es 30% y 40% menor que con el HF134a, además se determinó que el ciclo con CO2 puede trabajar de manera aceptable en condiciones cercanas al punto crítico y por debajo de este (79). De la misma manera prestigiosas universidades y empresas en China mostraron avances principales en investigación de refrigerantes naturales, ya que dicho país representa el mercado más influyente en el mundo, obtuvieron excelentes logros usando dióxido de carbono, agua, amoniaco, aire e HC (80). Otro estudio realizado por Bolaji, B.O. (81) analizó un proceso de selección de refrigerantes, centrándose en aquellos que se encuentran en los triángulos de la matriz de derivados del metano y del etano además se discutió los refrigerantes alternativos utilizados actualmente y varios grupos de refrigerantes basados en hidrocarburos halogenados y sus problemas ambientales (81). Según el resultado de algunas investigaciones, indican que los HC son la alternativa más prometedora para el reemplazo de los refrigerantes tradicionales contaminantes (23), es por ello que algunos autores se han enfocado en la viabilidad de esta alternativa, considerando algunas desventajas como la seguridad y el peligro de inflamabilidad en caso de fugas, para ello Jose M. Corberán llevó a cabo una revisión de las normas existentes en cuanto a refrigeración y aire acondicionado A/C, y mencionó algunas

enmiendas que se estaban realizando a dichas normas internacionales, las mismas que ya están disponibles y que proporciona medidas de seguridad y requisitos tanto para el diseño, reparación y servicio de equipos de refrigeración y A/C, con ello permitirá el desarrollar esta tecnología de forma masiva y segura (82). También otros estudios demostraron que en caso de fugas, la concentración del HC en el aire, hasta 0,15kg, en una habitación estándar no es peligrosa por lo tanto tampoco lo es su uso como refrigerante, además que se han incorporado medidas de seguridad especiales (52,54) es por ello algunas empresas especialmente en Europa y Asia ya usan hidrocarburos como refrigerantes (20). Tabla 2. Propiedades de inflamabilidad de gases hidrocarburos. Fuente: (83) Límite Inf. De Inf, (L.I.I) Refrigerante

Nro.

Temperatura de autoignición

%(vol.)

ρ(kg/m3)

(°C)

Propano

R-290

3.0

0.037

515

Butano

R-600

2.1

0.038

470

Isobutano

R-600a

1.8

0.043

460

Propileno

R-1270

2.5

0.043

455

Con la misma finalidad de evaluar el riesgo de inflamabilidad de los refrigerantes HC dentro de gabinetes de helado (Tabla 2). Se utilizó la evaluación cuantitativa del riesgo, QRA, que permite estimar la probabilidad de ignición del refrigerante en caso de fugas y la severidad de las consecuencias. Se realizaron ensayos de fugas de refrigerante y los efectos de ignición para validar los modelos de dispersión y de consecuencia. La Frecuencia de encendido estaba entre 1x10-8 y 2x10-13 por año. Se encontró que los riesgos son insignificantes en comparación con los antecedentes y otros valores de referencia, además el riesgo disminuye al mantener el ventilador en modo abanico que permite dispersar el refrigerante fugado evitando concentraciones en el ambiente, así también el riesgo disminuye al aumentar el tamaño de la habitación (84). 3.

Conclusiones

Las investigaciones aplicadas al sistema de refrigeración doméstico que se ha expuesto en este documento, están dirigidas fundamentalmente a establecer estrategias que llevan a lograr una mayor eficiencia energética en el sistema, no solo interviniendo en sus componentes sino también buscando nuevas alternativas de refrigerante, en gran medida por la introducción de políticas de eficiencia energética motivadas por la escasez de recursos y el cuidado del medio ambiente. Por las características termodinámicas y medioambientales los hidrocarburos se han convertido en los refrigerantes alternativos ideales y el único inconveniente que presenta para su uso es la peligrosidad en el manejo por cuanto son inflamables, sin embargo en varias investigaciones de sus parámetros de operación y técnicas de seguridad en base a normas internacionales, se establece que su implementación se la pueda realizar de forma masiva y segura a nivel local y mundial. Los HC y sus mezclas pueden reemplazar a los refrigerantes tradicionales contaminantes ya que además de poseer cero ODP y GWP bajo cercano al cero, tienen excelentes características termodinámicas, que permiten mejorar el comportamiento de refrigeración, disminuir el tiempo de descenso de la temperatura, reducir el tiempo de encendido y lograr ahorros de energía significativos, además tienen miscibilidad con aceites minerales y compatibilidad con los materiales comúnmente utilizados lo que 32

permite utilizarlos sin modificar el sistema de refrigeración es así que varias empresas especialmente en Europa y Asia ya usan hidrocarburos como refrigerantes en los sistemas de refrigeración. Por el hecho de que los HC son inflamables, algunos autores se han enfocado en la viabilidad de superar este hecho, considerando la seguridad y el peligro de inflamabilidad en caso de fugas, para ello demostraron que la concentración del HC en el aire (hasta 0,15kg) en una habitación estándar no es peligrosa, además que en la actualidad ya se han incorporado medidas de seguridad especiales. Las investigaciones realizadas en compresores están enfocando a mejorar el rendimiento del compresor y optimizar su trabajo para ello han utilizado compresores lineales que permiten variar la velocidad del compresor en función de la demanda de refrigeración ya sea con el uso de controladores electrónicos o mediante el control de desplazamiento del pistón (volumen muerto) analizando la posibilidad de recuperar la energía en el proceso de re-expansión del gas con ello se pueden lograr ahorros de energía significativos y se podría disminuir la contaminación ambiental. Los aerogeles son uno de los materiales de aislamiento térmico más satisfactorios y más prometedores en los últimos tiempos, ya que presentan características importantes, como el no ser inflamables y no reactivos, se utilizan como material protector del fuego, ya que puede llegar a tener una conductividad térmica de 2 a 2,5 veces menor que la lana mineral convencional, proporcionando un gran ahorro energético. Los análisis exergéticos de sistemas de refrigeración por compresión de vapor muestran que la mayor pérdida de exergía se produce en el compresor, por lo tanto el uso de nano lubricantes y nano fluidos pueden reducir de forma indirecta dichas pérdidas que representarían un ahorro energético. El concepto AFE – evaporador de flujo acelerado, puede ser más ventajoso que los evaporadores rectos debido a los bajos costos de los materiales y sobre todo porque requiere una potencia de bombeo pequeña para una tasa de transferencia de calor especificado. Es importante que continúen los estudios de la transferencia de calor en el interior del refrigerador, tomando en cuenta los ciclos de encendido y apagado del compresor, para ello se podría desarrollar un modelo tridimensional más complejo con el fin de predecir la distribución de la temperatura en el interior de los compartimientos del refrigerador. Mejorar la eficiencia en un sistema siempre será un desafío y una actividad constante que seguirá desarrollándose con el transcurso de los años, motivo por el cual este artículo presenta una base para futuras investigaciones y espera que estos conocimientos sean transmitidos, mostrando a su vez que los cambios se están dando y que aún queda un largo camino por recorrer en cuanto a los sistemas de refrigeración doméstica. Referencias 1.

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Evaluación por DSC de una aleación de magnesio AZ31B procesada por ECASD Daniel Pelaez1, Cesar Isaza2, Patricia Fernández-Morales3, Emigdio Mendoza4 1

Universidad Pontificia Bolivariana, daniel.pelaezcu@alfa.upb.edu.co 2 Universidad Nacional- Sede Medellín, caisaza@unal.edu.co 3 Universidad Pontificia Bolivariana, patricia.fernandez@upb.edu.co 4 Universidad Pontificia Bolivariana, emigdio.mendoza@upb.edu.co

Resumen. En el presente trabajo se estudió la evolución de una aleación de magnesio AZ31-B en estado recocido procesada por ECASD (Equal Channel Angular Sheet Drawing), usando Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y análisis microestructural por medio de microscopia óptica. Las muestras procesadas por ECASD fueron sometidas hasta ocho pases de cizalla a temperatura ambiente con un ángulo de cizalla de 150° y a dos velocidades de procesamiento, 5 y 20 mm/min. Para el procesamiento de las muestras se emplearon las rutas A, en la cual la orientación permanece invariante entre pase y pase, y la ruta C, en la cual la muestra es rotada 180° entre pase y pase. En las microestructuras se observa una disminución del tamaño de grano y un maclado conforme aumentan los pases de cizalla. Las curvas de DSC mostraron cambios en los flujos de calor endotérmicos en función del número de pases, la ruta y la velocidad de procesamiento. El pico más marcado se encuentra a 450°C aproximadamente, lo que indica una variación en la disolución de las fases precipitadas debido al proceso de cizalladura. Palabras Claves: cizalla, DSC, ECASD Abstract. The aim of this study was to characterize the AZ31-B magnesium alloy, which has been annealed and processed by the Equal Channel Angular Drawing Sheet (ECASD), using Differential Scanning Calorimetry (DSC). The microstructural analysis was performed by Optical Microscopy (OM). Samples processed by ECASD were subjected up to eight shear passes at room temperature (RT), with a shear angle of 150° and at two processing speeds, 5 and 20 mm/min, respectevely. There were used the processing routes A and C. In route A, the sample orientation remains the same after each pass; and route C, the sample is rotated 180° after each pass. In the microstructures were observed grain refinement and twinning under increasing shear passes. DSC curves exhibit endothermic heat flow changes as a function of the pass number, the route and the processing speed. At temperature 450°C, it was found the major peak which was related to the dissolution variation of precipitates due to the ECASD process. Keywords: DSC, ECASD, shear.

1. Introducción En la actualidad el uso de aleaciones ligeras es más frecuente debido al ahorro energético que representa su uso, debido a sus altas propiedades específicas, es por esto que en industrias como el transporte han encontrado un nicho de mercado. Es por esto que el desarrollo de nuevas tecnologías y técnicas para su procesamiento se hace frecuente, a fin de mejorar sus propiedades mecánicas con miras a usarlos en aplicaciones estructurales. La Deformación Plástica Severa (SPD) es un grupo de técnicas de conformado de materiales cuya mayor ventaja es que permite aplicar grandes cantidades de deformación sin mayores cambios dimensionales, lo que conlleva a una mejora de algunas de las propiedades del material (1). Dentro de las técnicas SPD, el ECAP (Equal Channel Angular Pressing) es considerada como uno de los procedimientos más simples y efectivos para mejorar la calidad de los productos (2-5). Además, se ha comprobado que es una técnica adecuada para la mejora de propiedades en aleaciones tales como: magnesio (6-8), aluminio (9-10); y de otros materiales como cobre, hierro y titanio (1113). El ECASD (Equal Channel Angular Sheet Drawing) es una variación del ECAP, el cual permite el procesamiento de láminas de manera semi-continua (14), y además se 41

evita la flexión de la probeta que se presenta durante el proceso ECAP (15). Debido a las potenciales ventajas exhibidas por estos procesos, el magnesio ha sido ampliamente estudiado a fin de aumentar sus propiedades mecánicas para ser usado en las industrias automotriz y aeronáutica (16-19). En este trabajo se pretende analizar por medio de DSC el cambio micro-estructural de una aleación de magnesio AZ31-B en estado recocido procesada por medio de ECASD variando la ruta y la velocidad de procesamiento. La calorimetría diferencial de barrido (DSC) es parte del grupo de técnicas conocidas como métodos de análisis térmicos. En el sentido más amplio, el análisis térmico se refiere a la medición de los cambios en las propiedades de un material evaluadas bajo un cambio de temperatura. La calorimetría ha sido ampliamente usada en el análisis de metales ligeros tales como aleaciones de aluminio (20, 21), de titanio y magnesio (16, 22). En los metales ligeros para aplicaciones estructurales, la evolución por DSC es usada mayormente para el análisis de reacciones sólido-sólido, incluyendo precipitaciones, disoluciones y re-cristalizaciones, a fin de determinar las temperaturas de fusión incipiente, y para estudios de solidificación (20). 2. Materiales y métodos A continuación se describen los métodos y materiales usados en el desarrollo del presente trabajo. 2.1 ECASD Para el proceso de deformación por medio de ECASD se usó la aleación de magnesio AZ31-B recocida en forma de lámina con un espesor de 2.5mm, con una composición química nominal en peso (%wt): Al 2.5-3.5, Zn 0.6-1.4, Mn >0.2, Si <0.1, Cu <0.05, y balance Mg. Las láminas fueron cortadas en probetas con dimensiones de 50mm x 250mm. Las muestras cortadas fueron procesadas mediante ECASD (ver Figura 5) a temperatura ambiente. El ángulo formado por los canales que se intersecan es de 150°, lo que produce una deformación equivalente de 0.31 por pase. Una máquina de ensayos universal INSTRON 5582 fue adaptada para hacer pasar la lámina a través del dado. En este caso, se usaron dos velocidades de procesamiento, 5 y 20 mm/min. Las muestras fueron procesadas hasta ocho pases usando dos rutas de cizalla: ruta A, en la cual la probeta mantiene la misma orientación respecto a su eje longitudinal entre los pases sucesivos; y la ruta C, en la cual las muestras son rotadas 180° respecto a su eje longitudinal, entre pase y pase. En esta ruta se considera un pase completo cada par de pases. 2.2 DSC Una vez procesadas las muestras por ECASD se cortaron especímenes de 5mm x 3mm x 1mm de cada una de las muestras con un peso aproximado de 13mg. Los especímenes fueron pulidos progresivamente utilizando papel de SiC (grano 180, 480, 800 y 1200) y posteriormente limpiadas con alcohol antes de realizar el ensayo de DSC. Para la ejecución de las pruebas se utilizó un equipo TA Instruments DSC Q2000, en una atmosfera inerte de nitrógeno a fin de evitar oxidación, con un flujo volumétrico de 50ml/min.

Dado Canal Lamina

Figura 5. Montaje proceso ECASD. (2]

Cada una de las muestras fue montada en una capsula de aluminio TZero® hermética, y fueron evaluadas en un intervalo de temperatura de 25°C a 500°C, a una tasa de calentamiento de 10°C/min, incluyendo dos segmentos isotermos a la temperatura de inicio y de fin de prueba. Solo se consideró la corrida de calentamiento. 2.3 Metalografía Las muestras para caracterización microestructural fueron pulidas progresivamente utilizando papel de SiC, como fue descrito en el numeral anterior. Posteriormente, se realizó un pulido en paño con pasta de diamante hasta alcanzar pulido tipo espejo. A fin de revelar la microestructura, las muestras fueron atacadas con una solución compuesta por 70ml Picral, 10ml de ácido acético y 10ml de agua. La microestructura fue caracterizada mediante microscopia utilizando un microscopio óptico Nikon LV100 acoplado a una cámara digital Nikon. Se caracterizaron las muestras procesadas por la ruta A y C a 20 mm/min. 3. Resultados y Discusión La Figura 6 muestra las micrografías obtenidas del material en estado de entrega y después de haber sido sometido a 1, 4 y 8 pases de ECASD, respectivamente, usando la ruta A y C, a una velocidad de 20mm/min. Las micrografías corresponden a la sección paralela a la dirección de procesamiento. El material en estado de entrega, Figura 6(a); presenta un tamaño de grano promedio de 7,1 µm distribuido homogéneamente, lo que hace pensar que el material fue sometido a un proceso de recocido en el cual se favoreció la recristalización, después del proceso de laminado al que fue sujeta la aleación. En las Figura 6(b-d) se observan las micrografías obtenidas para 1, 4 y 8 pases de ECASD respectivamente utilizando la ruta A, al octavo pase se logra un tamaño de grano promedio de 5,7 µm, lo que representa una reducción del 19,7% . En las Figura 6(e-g) se observan las micrografías obtenidas para 1, 4 y 8 pases de ECASD respectivamente utilizando la ruta C, al octavo pase se logra un tamaño de grano promedio de 4.6 µm, lo que representa una reducción del 35,2%.

Figura 6. Microestructuras a 20 mm/min, ruta A: (a) estado de entrega (b) 1 pase (c) 4 pases, (d) 8 pases y ruta C: (d) estado de entrega (e) 1 pase (f) 4 pases, (g) 8 pases de ECASD.

Para ambas rutas se observa como conforme se aumenta el número de pases de cizalla se da una disminución del tamaño de grano y se visualiza una mayor presencia de maclas, siendo este medio de deformación dominante en el último pase de cizallado. Esto se debe a que el proceso de cizallado induce un maclado de los granos, lo cual se evidencia desde el primer pase, Figura 6(b) y 2(e). En el cuarto pase de ECASD se comienzan a observar zonas macladas distribuidas dentro de la microestructura, Figura 6(c) y 2(f). En el octavo pase, Figura 6(d) y 2(g), se observa que un gran porcentaje los granos están maclados. El aumento del maclado conforme aumentan los pases de cizalla se debe a que los modos de deformación disponibles para que se dé un deslizamiento en la dirección c son limitados, por lo que ocurre el maclado como un modo para acomodar las deformaciones impuestas (23-25). En la Figura 7 se observan las curva de calorimetría para la lámina de magnesio procesada a 20 mm/min, usando la ruta A, Figura 7(a), y ruta C, Figura 7(b), las cuales se comparan con la curva para el material en estado de entrega. En esta se evalúan 1, 4 y 8 pases de cizalla por cada una de las rutas antes mencionadas. Para ambas rutas evaluadas se observa un pico alrededor de 100°C y un segundo pico alrededor de 220°C. El primer pico encontrado es de baja intensidad para las condiciones evaluadas. Sin embargo, el segundo pico es muy marcado para el material en condición de entrega, pero pierde intensidad con el procesamiento al que son sometidas las láminas. Para las dos rutas evaluadas se observa que el flujo de calor aumenta hacia la temperatura de finalización del ensayo. Los picos que se encuentran en las curvas de calorimetría se deben a los cambios de fase que ocurren en la aleación, Figura 8. El primer pico que se encuentra alrededor de 100°C corresponde al cambio de fase de (Mg)++ a (Mg)+. El segundo pico que se presenta alrededor de 220°C corresponde al cambio de fase (Mg)+ a (Mg). Sin embargo, contrario a lo presentado por Mingler et al. (27), en ninguna de las dos rutas empleadas se observa un desplazamiento de los picos de cambio de fase lo cual el autor lo atribuye a la disolución de los precipitados y una redistribución de aluminio en la matriz de magnecio, lo cual se atribuye al recocido de las vacancias como resultado de efectuar el procesamiento a altas temperaturas.

a b Figura 7. Curvas de DSC para (a) Ruta A y (b) Ruta C.

En la ruta A la muestra de un pase de cizalla, y en la ruta C la muestra con ocho pases de cizalla presentan un pico pronunciado a 450°C el cual está relacionado con el inicio del pico de fusión en el cual el límite de la solubilidad solida del aluminio (cerca del 12%) es excedida y donde la disolución de precipitados que contienen aluminio comienza (27). En la Figura 9 se presentan las curvas de calorimetría para la ruta A, evaluada a dos velocidades de cizallado, y ocho pase de cizalla. En la parte inferior se presentan las curvas para la ruta C a dos velocidades y con cuatro pases de cizalla. En estas curvas se observan los picos mencionados anteriormente a 100 °C y 220 °C. Se puede observar como las curvas para ambas rutas a 5 mm/min no presentan diferencias significativas. Sin embargo, cuando se comparan las curvas de la ruta A y C a 20 mm/min, se observa como para la ruta C hay un flujo de calor endotérmico que es más marcado comenzando alrededor de 250°C. El cual puede estar relacionado con la recristalización que sufre el material, y al ser el tamaño de grano inferior para esta condición es mayor la energía necesaria para que pueda ocurrir. De las curvas presentadas en la Figura 9, la que presenta un comportamiento más diferente es para la condición procesada por la ruta C a 20 mm/min y 4 pases. Mostrando que estas condiciones de procesamiento tiene un efecto mayor sobre el material, presumiéndose que este comportamiento se debe al aumento de dislocaciones y al tamaño de grano logrado.

Figura 8. “Sección vertical del sistema Mg-Al-Zn al 1% en masa Zn” .

Figura 9. Curvas de DSC para (a) Ruta A y (b) Ruta C.

4. Conclusiones Las siguientes observaciones son hechas con base a este estudio: La reducción de tamaño fue en promedio superior para la ruta C, lo cual se evidencia posteriormente en las curvas de calorimetría. Por la ruta A se logra una reducción del tamaño de grano del 19,7% y por la ruta C del 35,2%, no obstante el tamaño de grano inicial era pequeño, 7,1 µm. En las curvas de DSC los eventos térmicos encontrados se relacionan principalmente con el cambio de fase que ocurre en el material, y con la disolución de precipitados. Sin embargo para la ruta C, a 20 mm/min y cuatro pases de cizalla hay un flujo de calor que se extiende en un amplio rango comenzando alrededor de 250°C, el cual se cree está relacionado con el proceso de recristalización que sufre la muestra debido al menor tamaño de grano obtenido. No obstante se hace necesario caracterizar este fenómeno. Agradecimientos A la Universidad Pontificia Bolivariana, Universidad Nacional de Colombia-Sede. Este trabajo ha sido apoyado financieramente por Colciencias con el código de proyecto 1210569-34713. Referencias 1.

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Dry residual biomass as a potential alternative energy source Justo J. Roberts1*, Andrés Z. Mendiburu2, Pedro. O. Prado3, João A. de Carvalho Jr4, Agnelo M. Cassula5 1,2,4,5

Universidad Estadual Paulista – UNESP, Campus of Guaratinguetá – FEG, Brazil 3 Universidad Nacional de Mar del Plata – UNMdP, Argentina * justo@feg.unesp.br

Resumen. El presente artículo evalúa la disponibilidad de biomasa residual y su potencial energético en la localidad de General Pueyrredón, una región al sudeste de la provincia de Buenos Aires, Argentina. Fueron considerados residuos herbáceos y vegetales, derivados de la actividad agrícola que se desarrolla en la región, como también residuos forestales resultantes de la poda de árboles urbanos y del mantenimiento de jardines. Las estimativas se basan en información estadística de la cosecha de 2011-2012 y en una serie de parámetros obtenidos a partir de una extensa revisión bibliográfica. Los cálculos resultaron en una disponibilidad de biomasa residual de 205.630 t/año, lo cual implica un potencial energético de 2.622 TJ/año. Si esta biomasa fuese utilizada para generar electricidad, podría atender la demanda de 180.000 usuarios. Un modelo de gasificación también fue implementado para algunas de las especies de biomasa, resultando en un potencial de energía de gas de síntesis de 349,8 TJ/año. Los autores concluyeron que el potencial energético de la biomasa residual es significativo en la zona de estudio, sin embargo estudios más detallados deben ser realizados para evaluar la factibilidad técnico-económica del uso de la biomasa residual como una fuente alternativa de energía. Palabras Clave: biomasa, disponibilidad, potencial energético. Abstract. The present article assesses the residual biomass availability and its energy potential in the Party of General Pueyrredón, a region located southeast of the province of Buenos Aires, Argentina. There were considered herbaceous and vegetable residues derived from the agricultural activity developed in the region, and forest residues resulting from the pruning of urban trees and garden maintenance. The estimates were based on statistical information of the 2011-2012 harvest and a series of parameters obtained from an extensive literature review. The results showed an availability of residual biomass of 205.630 t/year, implying an energy potential of 2.622 TJ/year. If this biomass is used to generate electricity, it could supply 180.000 users. A gasification model is also implemented for some species of biomass, resulting in a syngas energy potential of 349,8 TJ/year. Finally, the authors concluded that the residual biomass energy potential is significant in the studied region; however a more detailed research is required, in order, to conduct a techno-economic feasibility of residual biomass as alternative energy source. Keywords: availability, biomass, energy potential.

1. Introduction Argentina's energy mix depends greatly on fossil fuels, which provide 90,6% of the primary energy supply. Natural gas presents the largest share with 51,4% of contribution, followed by oil with 34,9% (1), as depicted in see 0. Argentina stands out for the production of biodiesel, being among the leading worldwide exporters of this product. In 2011, biodiesel production reached 4.200 t/year, representing 6.4% of the world biodiesel production. Bioethanol is largely produced in the North and Northeast regions, where the major sugarcane plantations are situated. Until 2012, the entire bioethanol produced in Argentina (310.000 m3) came from sugarcane (2). The use of biomass for bioethanol and biodiesel production in Argentina is a reality; there are currently large production plants with the appropriate technology and know-how to transform the biomass in large scale. However, the utilization of vegetable biomass, charcoal, agricultural and agro-industrial residues for energy production is not a common practice in the country. These types of biomass feature a great unexploited potential for

Coal 1.1%

Crude oil 34.9%

Hydro 4.0%

Wood 0.8% Bagace 1.1%

Biofuels 3.0%

Natural Gas 51.4%

Other primaries 0.5%

Nuclear 3.3%

Figure 1. Argentina’s energy matrix. Biomass supplies 4.9% of the primary energy through wood, baggage, and oil.

energy generation (heat and electricity) for supplying the residential, commercial and industrial sectors. According to the a study conducted by the Argentinian Energy Department and the SAGPyA1 in partnership with the FOA, in 2009, the available biomass energy potential reaches 1.42 EJ, which represents approximately 40% of the country's primary energy supply, in 2012 (see 0) (3). The Argentinian Government has developed various legal instruments for the promotion, incentive, and economical support of projects based on renewable energy (4). At a national level, the first legal instrument to incentivize the renewable energy sources was the law 25.019 (Ley Nacional nro. 25.019 - Régimen Nacional de Energía Eólica y Solar) for wind and solar energy, which stated wind and solar electricity generation as one of the main national interests. Subsequently, by the end of 2006 it was modified by the law 26.190 (Ley Nacional nro. 26.190 - Regimen de Fomento Nacional para el uso de fuentes renovables de energía destinada a la producción de energía eléctrica), establishing a target of 8% of renewable energy participation by 2015 (excluding hydropower) (5). The promoting instruments are mainly economic; subsides for MWh effectively generated by renewable sources during 15 years, as well as taxes devolution (4). Currently there are two main programs for the promotion of renewable energies in Argentina: the PERMER (Renewable Energy Project in Rural Markets) program, which started in 1998 with the main objective of providing basic electricity service in a sustainable manner to communities that are still beyond the reach of the grid; and the GENREN (Auction of Electricity Generation from Renewable Sources) program which began in 2009 to contract at least 1GW of renewable energy, to be sold into the grid at fixed rates for 15 years (6). In the case of biomass, in 2013 it was created the PROBIOMASA (Project for the Promotion of Energy from Biomass) aiming to boost production, management and sustainable use of biomass for energy purposes. In its initial stage the program targets to generate from biomass a total of 200 electric MW and 200 thermal MW by 2016. This would entail an increase in the share of biomass in the energy mix from current 4,9% to 10% (7). The Party of General Pueyrredón is one of the 135 administrative districts of the Buenos Aires Province, located in its southeast region, on the Atlantic coastline. Initially, the area was mainly utilized for livestock raising. Subsequently, it was introduced the extensive farming of crop and oilseeds, with annual double-crop. Later on, intensive productive 1 SAGPyA - Secretariat of Agriculture, Livestock, Rural Development, Fisheries and Food.

activities, such as horticulture, and the production of fruits and flowers were adopted also (8). Hypothetically, this region counts with a good availability of herbaceous biomassderived residuals, especially from cereals, vegetable biomass residuals derived from the extensive horticultural activity developed in the region, and forest biomass residuals originated in urban tree pruning and garden maintenance. However, there are no works dedicated to estimate the real availability of residual biomass for use as an alternative energy source in this region. Therefore, the present paper has as main objective to assess the actual availability of residual biomass in the Party of General Pueyrredón, and estimate the available energy potential. In order to accomplish this goal, an extensive literature review was carried out to gather information about the physical properties of the crops found in the region, as well as indices related to the rate of residue generation and its availability for alternative uses. The results show the energy potentials of the residual biomass available in the region for direct combustion processes utilization. Additionally, a gasification model is implemented to estimate the syngas energy potential of some species of biomass present in the region of study. 2.

Materials

Statistical information was obtained from official agencies, such as:  National Institute of Agricultural Technology (INTA), Mar del Plata unit, from which it was obtained statistical information of the 2011-2012 harvest concerning the cultivated area, crop type, and yield of crops, for agricultural herbaceous biomass, cereal crops and horticultural crops.  Division of Urban Forestry, Planning and Services Department (ENOSUR), from which it was obtained the availability of forest biomass residues derived from the pruning of urban trees in the years 2009 and 2010. Additionally, a literature review was conducted in order to gather information related to:  Coefficients to estimate the residual biomass according to crop productivity and cultivated area; and  Physical properties of biomass residues; calorific value and moisture content of agricultural herbaceous biomass residues and forest biomass residues. 3. Methodology In order to estimate the available energy potential from residual biomass, the next methodology was implemented: Step 1: Identification and characterization of available biomass in the region of study in terms of types and species of biomass, harvest periods, and geographical location. Creation of a statistical database with the cultivated area and the productivity of all the identified species in the region. Step 2: Creation of a new database containing the physical properties of biomass and the rate of residue generation for each biomass species. Step 3: Computation of the energetic potential according to the estimated amount of available biomass residues and its heating value, with characterization of seasonal resource availability.

4.1.

Identification and characterization of biomass resource

The present study focuses on agricultural herbaceous residual biomass, derived from cereal crops and horticultural crops, as well as on forest residual biomass. The final disposition of this type of residual biomass supposes not only a logistical problem for the community, but also an environmental problem, since the residues of biomass not used for agricultural or livestock purposes are often burned in the open field in an uncontrolled combustion process, thus emitting harmful emissions to the atmosphere. Forest residues are also burned in open dumps, causing similar problems. These facts exalts the necessity of making better use of the biomass residues, for which the generation of energy represents a good alternative (9). The agricultural crops and forest species assessed in this study are presented in 0. In the first and second column of 0, the cultivate area (ha) and the crop yield (t/ha) for each species of herbaceous biomass and open field and greenhouse horticultural biomass are indicated. These data was collected in the period 2011-2012, according to the INTA (10). Table 1. Types of biomass residues for the energy potential assessment performed in this study. Biomass Subgroup Species Type of Residue Types Oat Straw Barley Straw Rapeseed Straw Herbaceous Crops Sunflower Head, hull Corn Spike, straw Soybean Straw Agricultural Wheat Straw Residues Pepper Horticultural Crops in open field Tomato Lettuce Biodegradable waste Pepper Horticultural Crops in greenhouse Tomato Lettuce Eucalyptus Pine Vegetable residues, mainly Forest Urban Trees generated by tree pruning and Platanus Residues garden maintenance Other Species

The total area cultivated with herbaceous biomass corresponds to 34,5% of the total territory of the Party of General Pueyrred贸n, whereas the horticultural biomass occupies 2,4% of the territory, considering open field and greenhouse plantations. At this point, it is important to state that other species of horticultural crops are grown in the region of study, but these were not included in the calculations due to the lack of information concerning the physical properties of these crops (such as moisture content and LHV), as well as the residue to crop generation rates. According to INTA statistics (10), the total area cultivated with horticultural crops was 6.055 ha in 2012, almost twice the area considered in the present work. This fact reveals that the real energy potential of the region may be even greater the estimations presented in this study. The highest yield among herbaceous crops corresponds to corn, with more than six tons per cultivated hectare. With respect to horticultural crops, it is notice that productivity

can be reasonably increased when the same species are grown in greenhouses rather than in open field, such is the case of tomato and pepper. 4.2. Available residual biomass assessment The energy potential assessment for herbaceous and horticultural biomass was performed from a territorial approach, i.e. taking as base information the surface occupied by each crop. However, for the case of forest biomass, the estimation was founded on information of forest residues availability from the largest urban center in the region, the city of Mar del Plata. 4.2.1. Agricultural residual biomass The availability of residual biomass was estimated using the Residue-to-Product-Rate ( RPR ) since it is considered a more accurate estimator. For some specific types of horticultural biomass, the Residue-to-Area-Rate ( RAR ) was used due to not availability of RPR . The residual biomass generation was calculated according to equation (1), when using the RPR , and (2) when using the RAR (11).

RB  S   RPR

Equation

RB  S  RAR

Equation (2)

(1)

in which RB represents the annual rate of residual biomass production (t/year), S is the cultivated area (ha), and  is the crop yield (t/ha). Not all of the residual biomass can be used for energy purposes, a part of it must be left over in the ground to prevent moisture losses, soil erosion, and as a source of organic matter to preserve the ecosystem's nutrient balance (2). The portion of residual biomass that cannot be collected varies from one region to another. In the present paper, it is considered the residue availability rate, RA (%), which represents the maximum amount of residue that is actually available for energy use. The RA adopted were taken from the literature. Therefore, it was possible to calculate the actual amount of available biomass, RBavailable (t/year), for each type of crop according to equation (3).

RBavailable  RB  RA

Equation

(3)

4.2.2. Forest residual biomass In the case of forest biomass, information of the residue availability in tons per month provided by the Division of Urban Forestry, Planning and Services Department of the city of Mar del Plata was utilized for the calculations. In order to estimate the amount of residues of each species from the total amount of residues reported by the entity, the following percentages were adopted: 5% for eucalyptus, 5% for the pine, 80% for platanus, and 10% for other species (12). Finally, for calculating the actual available forest biomass, equation (3) was utilized along with the residue availability rates corresponding to forest biomass. 4.3.Calculating the energy potential derived from residual biomass Once the available residual biomass was calculated, the energy potential (TJ/year) can be estimated using the Lower Heating Value (LHV) and the moisture content of each type of biomass (11). The LHV was calculated using the Higher Heating Value (HHV) on a 53

dry basis, i.e. 0% moisture content, and the biomass residue moisture content, with equation (4) (13): w  w h w    LHVw  HHV0 1   2,447 9,011    2,447  100 100  100   100 

Equation (4)

where LHVw is the lower heating value (MJ/kg) at moisture “w”; HHV0 is the higher heating value (MJ/kg) in dry basis; w is the moisture content on mass fraction; and h is the hydrogen content on mass fraction (adopted as 6%, in dry basis). The available energy, AE , derived from the residual biomass (TJ/year) was calculated using: AE  RBavailable  LHVw

Equation (5)

4.4. Biomass gasification Biomass gasification is also a plausible option that would allow the utilization of biomass materials in more applications. The gasification of a solid feedstock yields a combustible gas known as synthesis gas, this gas can be used to produce electricity internal combustion engines or gas turbines. An interesting option would be to produce synthesis gas in downdraft gasifiers and to use this gas for distributed power generation. In this section, the gasification in downdraft gasifiers of some of the considered biomass materials is assessed. The synthesis gas composition and its LHV are presented here for gasification at atmospheric pressure. In order to obtain the synthesis gas composition and LHV a non-stoichiometric constrained equilibrium model was used, the details and validation of the used model can be found in a previous work of Mendiburu et al. (14). Also, the use of the synthesis gas in internal combustion engines and micro gas turbines has been assessed in previous work of Mendiburu et al. (15), and it was found that for a synthesis gas flow of 264,21 Nm3/h, the maximum power outputs obtained in the calculations were 204,74 kW for the spark ignition engine system with a compression ratio of 12, 171,04 kW for the compression ignition engine system with a compression ratio of 20, and 149,73 for the micro gas turbine system with a compression ratio of 18. There is also the possibility to implement a gasification model based in stoichiometric equilibrium, and including some modifications to the equilibrium constant, such a model was also developed by Mendiburu et al. (16) in previous work. As an example the synthesis gas composition obtained from the model for some biomass material is presented in 0. The results presented in 0 were obtained from gasification of biomass in downdraft gasifiers with atmospheric air as the gasification agent and operating at atmospheric pressure. Other important parameters as equivalence ratio (ER), gasification time (t) and the calculated carbon conversion efficiency (CCE) are also presented. It was not possible to calculate the syngas LHV for all the species of residual biomass, due to unavailability of data related to the ultimate analysis for the residues. The syngas LHV values calculated are presented in 0. 5. Results The calculations performed using the information of the Party of General Pueyrredón 54

resulted in an estimated generation of agricultural and forest residual biomass of 205.630 tons per year, which implies an energy potential of 2.622 TJ/year if considering direct combustion of it. The species that were used in the gasification model represent 42% of the total amount of residual biomass available, resulting in a syngas energy potential of 349,8 TJ/year. The overall results of the analysis are depicted in 0. From the total amount of residues, 53% derive from the agricultural herbaceous crops, followed by the vegetable crops (open field and greenhouse cultivations) with a share of 28% and the forest biomass with 19%. Considering a scenario where the residual biomass is used for electricity generation and adopting an efficiency of transformation of the resource into electrical power through direct combustion of 40% (17), the residual biomass has the potential to provide 291 GWh/year, this means supplying approximately 180.000 inhabitants. Table 2. Synthesis gas composition and LHV for some biomass materials.

H2 (%) CO (%) CO2 (%) CH4 (%) H2S (%) N2 (%) LHV (MJ/Nm3) T(潞C) CCE (%) ER (%) MC (%) t (min)

Oat 15,92 18,58 13,83 2,13 0,037 49,50 4,83 901 84,65 0,32 15,00 60,00

Rapeseed 17,66 19,02 15,41 2,14 0,00 45,78 5,08 899 92,11 0,32 15,00 60,00

Sunflower 17,55 21,36 11,45 2,25 0,014 47,38 5,40 913 93,25 0,32 12,00 60,00

Corn 15,79 17,23 14,36 2,63 0,45 49,94 4,83 896 84,74 0,32 7,53 60,00

6. Conclusions In the present work it was assessed the energy potential of residual biomass derived from herbaceous and horticultural crops, and urban forests in the Party of General Pueyrred贸n, Argentina. Taking into account the calculations performed, it can be concluded that the potential of residual biomass is relevant and should be included in the municipal and national energy action plans. Nonetheless, future researches should be oriented toward technical and economic assessment of the different technological alternatives that could be used for transforming the biomass residues into useful energy in the region studied.

Table 3. Overall results of the residual biomass energy assessment carried out in Party of General Pueyrredón. Source of Residue

Herbaceous Oat Barley



RPR

RAR

(ha)

(t/ha)

(t-residue/ t-product)

(t-residue/ha)

(%)

300.0

2.3

1.3

30.0

3,897.0

5.2

1.2

30.0

LHV

LHVsyngas

(%)

(GJ/t)

(TJ/year)

269.1

15.3

13.7

4.83

3.7

1.1

7,293.6

15.4

13.6

n/a

98.9

RBavailable (t/year)

Rapeseed

1,550.0

2.1

1.6

36.0

1,877.8

23.8

12.0

5.08

22.6

8.3

Sunflower

5,120.0

2.1

1.9

51.0

10,416.8

22.9

11.5

5.40

120.1

50.3

Corn

2,410.0

6.3

1.4

43.0

9,138.4

26.2

11.5

4.83

105.3

38.2

Soybean

21,750.0

2.1

2.0

56.0

51,100.0

21.6

12.2

n/a

625.1

Wheat

15,350.0

5.4

1.2

30.0

29,840.4

15.2

13.8

4.19

410.9

94.2

1,386.6

192.2

Total Herbaceous

50,377.0

109,936.0

Horticultural Open field Pepper

60.0

13.0

21.0

50.0

630.0

12.0

5.08

7.6

2.6

Tomato

250.0

70.0

42.0

50.0

5,250.0

12.0

13.7

5.39

71.8

24.9

521.7

2,500.0

25.0

1.3

50.0

40,625.0

60.0

12.8

n/a

Pepper

50.0

70.0

33.0

50.0

825.0

70.0

5.8

n/a

4.8

Tomato

300.0

150.0

59.0

50.0

8,850.0

70.0

9.0

n/a

79.8

Lettuce

300.0

35.0

1.1

50.0

5,775.0

70.0

9.0

n/a

52.1 737.8

27.5

Lettuce Greenhouse

Total Hort.

3,460.0

61,955.0

Forest Eucalyptus

83.0

1,686.9

15.1

14.9

4.81

25.1

7.1

Pine

83.0

1,686.9

15.1

15.0

n/a

25.4

Platanus

83.0

26,991.2

15.1

14.7

5.12

396.9

123.0

Other Species

83.0

3373.9

15.1

14.9

n/a

50.2

33,738.9

497.5

130.1

205,629.9

2,621.9

349.8

Total Forest Total

53,837.0

S cultivated land,  crop yield, RPR residue-to-product ratio, RAR residue-to-area rate, AR availability rate, LHVsyngas syngas lower heating value, AE available energy, n/a not available.

RBavailable available residual biomass, w

moisture content,

LHV lower heating value,

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Old Royal Women Hospital of Melbourne – Australia, towards net – zero energy consumption Paul Remache1, Christopher Jensen2 1

School of Engineering, The University of Melbourne, paulremacheing@gmail.com 2 Faculty of Architecture, Building and Planning, The University of Melbourne, cjensen@unimelb.edu.au

Resumen. Como parte de la asignatura Diseño y Simulación Energética de Edificaciones Complejas, se desarrolló un proyecto final basado en un diseño más eficiente, confortable y amigable con el ambiente del actual Old Royal Women Hospital (ORWH) de Melbourne – Australia. Con el uso del software IES Virtual Environment, los sistemas pasivos y activos han sido rediseñados utilizando un modelo en 3D para simular el performance del edificio durante un año completo, tomando en cuenta clima, estacionalidad y situación geográfica del hospital. La nueva estructura de la edificación incluye el uso más eficiente de luz solar, ventilación natural, aislamiento térmico y una nueva tecnología, actualmente funcionando en Alemania, denominada fachada bioreactiva. Adicionalmente, los mejorados sistemas de iluminación y ventilación natural permiten reducir los requerimientos de energía por calefacción y refrigeración en un 32,43%. Por otra parte, el biocombustible obtenido de la biomasa recolectada de la fachada bioreactiva, genera suficiente energía renovable para reducir a cero el uso de energía convencional. Finalmente, debido a que el edificio tiene un mejor sistema de ventilación, la atmosfera interna posee menor contaminación. La concentración de CO2 es fácilmente controlada y mantenida entre los niveles recomendados. Palabras claves: biocombustibles, energía, HVAC, diseño pasivo, renovable, sostenibilidad. Abstract. As part of the Complex Building Energy Modelling and Design subject a final project based in a more efficient, comfortable and environmentally friendly design for the existing Old Royal Women Hospital (ORWH) of Melbourne Australia was developed. Using the software IES Virtual Environment, the passive and active systems of the building has been redesigned using a 3D model to simulate its performance over a whole year, taking into account weather, seasonality and geographic location of the hospital. The new structure of the edification includes a more efficient use of sunlight, natural ventilation, insulation and a new technology, already working in Germany, called bioreactive facade. The new high efficiency building keeps a more comfortable mean temperature. Furthermore, the enhanced natural lighting and natural ventilation systems allow to decrease energy consumption of heating and cooling by 32,43%. In addition, biofuel obtained from biomass starved from the bioreactive façade, generates enough renewable energy to reduce conventional energy consumption to zero. Finally, since the building has a better natural ventilation system, the internal atmosphere has less contamination. The CO2 concentration is easily controlled and kept between the recommended levels. Keywords: biofuel; energy, HVAC, passive design, renewable, sustainability.

1. Introduction The evident expanding nature of the societies, has shown that our planet’s resources are finite and depleteable. This extremely accelerated growing rate of population, that reached a 27% growth from 1993 to 2011 (1), has been accompanied with a constant increase of global energy demand. Energy consumption increased by 2,3% in 2013, reaching a record of 148,05 PWh (2). According to the BP 2014 energy report, US primary energy consumption was 26,35 PWh by 2013, meanwhile Australia consumed 1,35 PWh. Buildings sector (commercial and residential) in Australia and globally, is one

of the most important contributors to this increased energy demand. By 2009, Buildings sector in Australia consumed 3,5% of the total energy, representing about 0,05 PWh (3). Moreover, CO2 emissions have also reached record levels for every fuel type, accounting for about 32,8 Mt by 2009 and expecting to increase to 41,3 Mt by 2020. With fossil fuels still leading energy generation and contributing to increase CO2 emissions, it is extremely relevant to focus buildings design in a more sustainable approach. Current technology and research allow engineers and architects to develop new techniques for enhancing buildings performance by just altering the physical structure of the edification. The efficient use of spaces, auxiliary accessories like louvers and shadings as well as the use of better materials allow buildings to enhance insulation, natural lighting and natural ventilation that at the same time aid to reduce heating, ventilation and air conditioning (HVAC) energy consumption. The target of this project is to use a commercial software to simulate the energy consumption of the building over a whole year. This computational tool allows the engineer to build up a 3D model of the edification including windows, doors, different floors, lifts, ducts, atriums, thermal chimneys, chiller beams, underfloor air distribution systems, double skin facades, HVAC systems, etc. Additionally, the IE Virtual Environment software permits to simulate the actual behaviour of the building according to its exact geographic location, thanks to the wide data base of weather and locations that it includes. It also offers the option to simulate and control opening frequency of windows and doors allowing to implement strategies like night purge and thermal labyrinths. After applying the new sustainable design and building up the most suitable strategies, energy consumption is effectively reduced to zero. Natural lighting using shading devices and bigger windows allow to reduce artificial lighting almost to zero. Natural cross ventilation together with night purge strategy aid to dramatically reduce air conditioning energy consumption in summer. Extremely low temperatures accompanied with wind increase the heat losses across the walls and windows. Therefore, insulation plays an important role in the building envelope during winter. The composition of walls and windows had to be carefully selected basing the design on the availability and characteristics of materials. The double skin faรงade also acts as an insulation wall since bioreactive panels can be kept closed to avoid cold wind to directly stay in contact with the building walls and windows. In addition, double skin bioreactive faรงade that produces biomass, and therefore biofuel, generates 0,9 MWh extra that can be sold in the energy market of Victoria or storage as a biofuel that can be used when necessary. 2. Current building performance The Old Royal Women Hospital was built in 1970. It has 13 levels including ground floor, with 22169 m2 of gross floor area and 15518 m2 of net lettable area. The height between floors is 3,4 m which is below the standard of 4m. In order to measure the current performance of the building a 3D model was built up. 2.1 Passive and active systems Natural lighting and natural ventilation are the most important passive systems that have been considered in the new sustainable design. Natural lighting in the current building was simulated in order to build up the best strategies for passive design. In the case of the ORWH, all areas have been considered as office spaces in order to simplify the simulations. Thus, according to the purpose of the zones, a threshold daylight value of 320 lux was established. Therefore, areas with daylight values below the threshold have poor natural lighting. After running the day lighting analysis in the base case 3D model, 59

results as shown in Figure 1 have been obtained for an office floor in plant view. Green spaces show the illuminated area over the threshold value. On the other side, white areas display zones with daylighting below the threshold value, namely, areas that need more natural lighting. Although Figure 1 shows good daylight coming into the offices, it is not being efficiently distributed. In the case of natural ventilation the most relevant issue was the inefficient design of the faรงade. The current design does not allow an effective natural ventilation due to, principally, the location and size of the windows. Moreover, a lack of strategies and automation systems results in an inefficient control of windows opening frequency. As a result, HVAC energy consumption is far over the basis stated for similar buildings.

Figure 1. (a) Isometric view of the 3D base case building model, (b) Current daylighting (threshold 320 lux).

2.3 Materials Insulation in the building is not efficient, therefore in summer the interior of the building heats up overcoming the comfort temperature and in winter it cools down below the limit established. That results in an increased HVAC energy consumption. Current and recommended U values for different components of the building are shown in Table 1. Table 1. Current and recommended U values (Global Buildings Performance Network, 2013) U value (W/m2K) Building component Current Recommended (4)a Walls 0.35 0.21 Windows 1.98 1.1 Roof 0.25 0.17 Floor 2.28 0.26 a U values are calculated as the mean between northern, southern and eastern zones from the results of the Ecofys report.

2.4 Current energy consumption As mentioned before, energy consumption of the ORWH is high due to inefficient design of passive - active systems and use of materials that are not insulating the internal spaces. The current energy consumption matrix is shown in Figure 2. Total energy consumption is 1265 MWh/year and the most important contributors are equipment, lighting and HVAC systems. Note that equipment energy consumption cannot be affected by the design of the building but can be covered by the use of renewable energies.

ORWH current energy consumption

19%

10%

33%

38% Equipment

Lighting

Heating

Cooling

Figure 2. ORWH current energy consumption.

3. The strategy The strategy for the new sustainable design has to be based in the current performance that was already analysed. Design parameters are also a room comfort temperature between 19 and 25oC and CO2 concentrations bellow 1000 ppm, as recommended in the literature. Therefore, efforts have to be focused on redesigning passive and active systems in combination by simulating the use of sensing and automation technologies. After building up the strategies and combining the systems, energy consumption is expected to decrease. However, it wonâ&#x20AC;&#x2122;t be enough to cover the total energy demand of the building, therefore, the remaining energy demand has to be supplied by implementing renewable energy generation. Finally, energy consumption is effectively reduced resulting in a Netzero energy consumption sustainable building. The strategy that is going to be implemented during the design period is shown in Figure 3.

Figure 3. Strategy designed to reach a net â&#x20AC;&#x201C; zero energy consumption building.

4. Redesign of passive systems As a first step it is necessary to redesign the passive systems. After applying passive strategies and technologies it will be less complicated to determine the new energy requirements of the building. This aids to redesign the active systems. 4.1 Design of the bioreactive faĂ§ade

The Bioreactive faรงade is a standalone system that delivers many benefits that contribute to the reduction of energy consumption and therefore permits a more effective redesign of active systems. This is an essential part of the double skin faรงade proposed and has used big part of the analysis and modelling in this project. 4.1.1 Shading The Bioreactive panels offer an exceptional shading characteristic. The density of the microalgae present in the water solution can be controlled according to sunlight levels. When sunlight level is very high, density of algae is increased so that natural green shading is generated in the panel. On the other side, when sunlight levels are low, in winter for instance, density of algae and water level are decreased to leave natural light and solar radiation enter the building, as shown in Figure 4.

Figure 4. Algae density controlled depending on sunlight levels (5) (a) microalgae density for summer, (b) microalgae density for winter.

4.1.2 Energy conversion cycle Bioreactive faรงade energy conversion cycle is shown in Figure 5. Microalgae in the bioreactive panels multiply thanks to photosynthesis process. Then biomass is starved to generate biogas (1). Biogas is used to generate heat and electricity in a power station. Moreover, CO2 resulting from the generator is refed to the bioreactive panels in order to cover CO2 requirements of microalgae (2). Heat can be used to warm up the building in winter and electricity can supply energy to power the HVAC system in summer (3).

Figure 5. Bioreactive faรงade energy conversion cycle (5).

4.1.3 Heating source and thermal mass As result of photosynthesis process in the panels, heat is generated. The microalgae water solution can be heated up to 38oC. This heat is extracted using a heat exchanger as shown in Figure 6. In winter, heat is used to warm up the air used in underfloor air distribution system. In summer heat is used to preheat incoming air to the power station that generates electricity for the HVAC. Since microalgae solution has water, it also works as a very effective thermal mass.

Figure 6. Heat exchanger water/air or water/water to preheat underfloor air distribution system in winter.

4.1.4 Insulation The panels also work as insulation since microalgae absorbs solar radiation and transforms it in heat that is removed when necessary. The panels are made of two glass layers and between them is the microalgae water solution. Therefore, the Bioreactive facade also has properties of double glazing windows. 4.1.5 Computational model Since the software does not have an option to generate a 3D model of the bioreactive façade, it had to be modelled in a different way. It was also not possible to generate the facade in the glazing section of the software. Therefore, it had to be designed as an independent room in each face of the building, as shown in Figure 7. The water solution contained in the panels cannot be modelled into the room. Instead, since microalgae generates heat, the water solution was simulated as a source of heat into de rooms with the correspondent water solution characteristics. In summer the bioreactive façade delivers a small amount of energy to cool down the building while in winter it is going to generate heat to warm up the offices. To do so, a thermal template has been created for the bioreactive façade which is different to that used for office spaces. Actual energy that can be generated by the bioreactive façade is calculated using annual solar radiation (obtained from solar shading simulation) and fuel data (methane) available in the literature. Then it is compared with the value obtained in the energy consumption simulation of the building. If the value obtained in the simulation is greater than the actual value calculated, the bioreactive façade won’t be able to satisfy the total building energy requirements. However, if the value obtained in the simulation is lower, the energy generated in the bioreactive façade will be enough to cover the building energy requirements (i.e. Net – Zero Energy consumption building). 4.2 Cross ventilation strategy Wind velocity is predominant in west, east and south directions, according to results obtained in the simulation. Therefore facades facing these directions must have windows with a profile4 that allows cross ventilation when room temperature is above 25oC and 63

outside temperature is lower than room temperature. This profile is named as building cross ventilation profile, which also allows cross ventilation when CO2 concentration is greater than 1000 ppm. Additionally, a special cross ventilation profile has been created for some windows in the bioreactive faรงade, as shown in Figure 7. In this profile, cross ventilation windows are closed in winter to avoid heat losses. In summer, these windows have the same profile as building cross ventilation windows to allow air to flow across the building. 4.3 Internal/external shading The internal/external shading is used to bring natural lighting into the center of the building. It also avoids excess of solar radiation in peripheral internal zones of the building in summer. Those are located bellow the windows that are used for cross ventilation, as shown in Figure 7. 4.4 Thermal Chimney Thermal chimney is located in the north faรงade. It heats up in summer to aid underfloor air distribution system by using stack effect5. The stack effect is improved by combining the north faรงade with bioreactive panels that heat up the wall to increase the outlet air temperature. See the 3D thermal chimney model in Figure 7. 4.5 Night purge strategy A night purge profile has been designed to allow the building to cool down in summer during the night. Windows in the atrium and cross ventilation windows are open to allow air to flow through the building from 18:00 pm until 08:00 am. Note that windows have night purge and cross ventilation profile in summer and continuously ON in winter. This is because in winter heat is going to be transferred directly by the air coming from the bioreactive faรงade, thus windows have to keep open to allow air flow. 4.6 Atrium The atrium, located in the centre of the building, aids to bring natural light into the building. Moreover, it has been designed to work together with the cross ventilation, underfloor air distribution and night purge systems by including the use of windows. See the 3D atrium model in Figure 7. 4.7 Triple glazing and insulation materials Triple glazing with low U value glass has been also included. This is being used in external windows of the building. Walls roof and floor have also been insulated by using additional layers until obtain de recommended U value shown in Table 2. Table 2. New and Current U values

Walls Windo ws Roof Floor

U value (W/m2K) New Current 0,22 0,35 1,29 1,98

Recommended 0,21 1,1

0,17 0,16

0,17 0,26

0,25 2,28

After applying the new design to the building, we obtain a 3D model as shown in Figure 7.

Figure 7. 3D final model for the ORWH.

5. Redesign of Active systems 5.1 Underfloor air distribution Underfloor air distribution mixed system has been modelled with two independent zones, as shown in Figure 8. The lower zone has occupancy, equipment and air conditioning is turned on. The upper zone has lighting and air conditioning is turned off. By doing this, the software simulates an upwards air flow, from the floor to the ceiling where the exhaust system is installed. Stack effect is simulated by including the atrium and the thermal chimney in the 3D model. Hot air from the bioreactive faรงade is introduced into the building to aid HVAC and reduce energy consumption in winter.

Figure 8. Underfloor air distribution zones.

6. Renewable energy generation 6.1 Biomass and biogas cycle Since Microalgae system is part of the double skin faรงade, it generates biomass continuously and at different levels depending on the amount of sunlight available. Biomass, after being processed, generates biogas (i.e. methane). In a power station this methane is transformed in heat or electricity depending on the requirements of the building. In summer, biogas is used to generate electricity in a power plant. Electricity 65

generated powers the main HVAC system while heat is used to preheat combustion gases, enhancing the efficiency of the power plant. In winter, heat is directly transferred to air that is used in underfloor air distribution system while biogas is used to generate electricity that powers the main HVAC system. If there is an excess of biomass generated, expected to occur in summer, it can be storage as biogas (that can be used as a heat source in winter) or sold as electricity in the energy market of Victoria. Energy generated by the Bioreactive panels installed in the double skin faรงade can be calculated using results obtained from solar shading analysis (i.e. annual radiation per square meter). 6.2 Solar radiation and surface availability Based in the solar radiation results obtained from SunCast application, we can identify the total area suitable to install the bioreactive panels. Highest insolation levels are obtained in west, east and roof top facades. Note that in this case, the north faรงade has high levels of solar radiation, thus we are going to use it for the bioreactive panels in combination with the thermal chimney. In Figure 9, the area that is going to be used to install bioreactive panels is shown. Suitable area is according to Table 4. 7. Results and discussion 7.1 Comfort temperature As shown in Figure 10, when HVAC is turned off, indoor temperature of the new sustainable building is closer to the comfort zone (i.e. green line in the graph) than the old ORWH. As a result, there is a decrease in energy demand since the active system uses less energy to heat up or cool down the building to reach the required temperature. Temperature curve of redesigned ORWH building is also more stable, which aids to reduce energy consumption when starting winter days (i.e. 8:00am), as shown in Figure 11.

Figure 9. Area selected to install bioreactive panels.

Figure 10. Indoor temperature in the south internal zone for new and old ORWH with HVAC turned off.

7.2 CO2 concentration The installation of passive systems to keep comfort temperature into the building also aids to maintain levels of CO2 bellow the maximum allowed that is 1000ppm. CO2 concentration is similar to that from the base case. However, in winter when most of the windows of the Bioreactive faรงade are closed to avoid heat losses, the CO2 concentration increases but continue staying below the maximum allowed, as shown in Figure 12.

Figure 11. Temperature in winter showing a more stable curve for the new ORWH.

Figure 12. CO2 concentration in winter for base and new cases.

7.3 Natural Lighting The implementation of the atrium, internal shading, and bioreactive faรงade provides excellent natural lighting to the building. The new distribution of light is enhanced, keeping adequate levels of light, as shown in Figure 13a. Additionally, the final simulation allows to generate a real image of the internal spaces, displaying natural lighting in every zone of the floor, as shown in Figure 13b.

Figure 13. (a) 3D simulation of indoor spaces with new design (b) New daylighting distribution (threshold 320 lux).

7.4 Energy consumption According to the results obtained in the simulation, energy consumption is reduced specially in lighting. This is because the new design, that includes smart shading, an atrium and a glazed double skin faรงade, allows natural light to come into the building more efficiently. Moreover, the new model is using high efficiency LED lighting that reduces artificial lighting consumption up to 50%. Although the building has an increased glazed surface, HVAC energy consumption also has a considerable reduction. This is because insulation materials used in remaining walls and triple glazing in windows are highly effective. In addition, the double skin faรงade provides natural lighting and shading to the building while generates energy from a renewable source (i.e. biomass). Reduction in HVAC energy consumption is shown in Figure 14 and Figure 15. It is important to point out that chillers consumption is relatively low compared with boilers. Therefore, reduction in energy consumption for cooling down the spaces is lower.

Figure 14. Boilers energy consumption: Base case and New ORWH.

Figure 15. Chillers energy consumption: Base case and New ORWH.

The new matrix of energy consumption is presented in Table 3. Total energy consumption has been reduced by 32,43%. Table 3. Base case and new ORWH energy consumption.

Chillers Boilers Lighting Equipment Total Energy

Base Case 127,44 244,92 406,92 486,12 1265

New ORWH 137,76 178,32 61,5 477,24 854,82

7.5 Net â&#x20AC;&#x201C; zero energy analysis Optimum energy conversion coefficient for microalgae is 22% (6). However, in order to not to overvalue the system we will prudently use an efficiency of 20%. Solar radiation per square meter can be obtained from solar shading analysis. Results of total actual energy generated by the bioreactive faĂ§ade are shown in Table 4.

Table 4. Area available to install bioreactive panels and total actual energy generated by the bioreactive façade. Façade North East+West Ceiling

Yearly energy available (kWh/m2) 1000 1400 1568,76

Area available (m2) 380,7 1187,78 1424,66

Energy conversion factor 0,2 0,2 0,2 Total

Yearly energy generated (MWh) 76,14 332,58 447 855,72

After running the last simulation, it outcomes that at least 352 MWh should be generated by the bioreactive façade to keep comfort temperature and CO2 concentration between the limits. Total annual energy required from the bioreactive façade is shown in Figure 16.

Figure 16. Annual energy required from the bioreactive façade.

Remember that in winter most of the energy that bioreactive panels have to provide is heat, while in summer energy generated will mostly be for electricity to power the HVAC system. According to the results of Table 5, the bioreactive facade will be able to generate enough energy to cover the Building requirements. 0,9 MWh excess is generated over the year that can be sold to the grid as electricity or storage as methane. Table 5. Net energy generation/consumption.

Energy generated (MWh) Energy required (MWh)

Bioreactive facade 855,72 -352

ORWH building 0 -502,82 Net energy

Total 855,72 -854,82 0,9

8. Conclusions It has been shown that energy consumption in buildings can be reduced by just changing the structure and materials of the façade, floors and ceilings. However, it is also relevant to properly manage strategies to control the behaviour of passive and active systems. It has to also be taken into account special aspects that nor the engineer neither the architect can control. For instance, climate and weather are extremely unpredictable and can change from year to year. It can cause reduction in renewable energy generation and increase heat losses. Another special consideration is the behaviour of people. Similar to weather, people interaction with the building is highly uncertain. If windows are designed 70

to be controlled by occupants, opening frequency can change according to the response of people to weather conditions, room temperature, etc., altering completely the designed strategies like night purge or cross ventilation. In the side of renewable energy generation, in this project costs have not been taken into account. Microalgae bioreactive facades involve a high initial capital investment because technology is not well stablished yet. However, payback period is expected to be reduced considerably since this is a selfsufficient building. That means, there will not be expenses related with energy consumption besides that the bioreactive facade is generating extra energy that represents an additional income to the owners. References 1.

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Diseño de una planta de tratamiento con filtración rápida para reemplazar a un sistema de filtración lenta Fernando García Ávila

Facultad de Ciencias Químicas, Universidad de Cuenca, fernando.garcia@ucuenca.edu.ec

Resumen. En este artículo se presenta el diseño de una planta de filtración rápida para reemplazar una planta de filtración lenta. La implementación se llevó a cabo en la planta de potabilización administrada por la Junta de Agua Potable de la parroquia Bayas de la ciudad de Azogues. La planta de filtración lenta no garantizaba el tratamiento adecuado, debido a un incremento notable de los niveles de color y turbidez del agua cruda que ingresaba a la misma, ocasionando que la calidad del agua potable no cumpla con los requisitos estipulados en la normativa INEN 1108. El sistema de filtración lenta estaba conformada por dos prefiltros de grava y dos filtros lentos de arena, se realizó el diseño de tal manera que las nuevas unidades de tratamiento de mezcla rápida, floculación, sedimentación, filtración rápida y desinfección, puedan ser implementadas en la infraestructura existente. Se diseñó un floculador hidráulico de flujo vertical y un sedimentador de alta tasa para ser implementada en cada uno de los prefiltros de grava, se construyó una batería de cuatro filtros de tasa declinante y lavado mutuo, el nuevo sistema opera con un caudal de 20 l/s. Los filtros lentos no fueron modificados. Palabras Claves: filtración lenta, filtración rápida, planta de potabilización. Abstract. In this paper is presented the design of a rapid filtration plant to replace a slow filtration plant. The research work was carried out on the water treatment plant operated by the Water Board of the parish Bayas of the city Azogues. The slow filtration plant did not ensure proper treatment due to a significant increase in the levels of color and turbidity of the raw wáter, which flowed into it, causing the drinking water quality does not meet the requirements of the INEN 1108 regulations. The slow system filtration was composed of two prefilters gravel and two slow sand filters. The sytem was redesign to have a new treatment unit for rapid mixing, flocculation, sedimentation, rapid filtration and disinfection. It was designed a hydraulic flocculator and a high rate decantador to be implemented in each of the prefilter of gravel. It was designed a new battery with four declining-rate filters for mutual washing. The new system operates with a flow rate of 20 l/s and the slow filters were not necesary to modify. Keywords: slow filtration, rapid filtration, water treatment plant.

1. Introducción Las Juntas de Agua Potable administran sus propios sistemas de agua potable, los mismos que en su mayoría son sistemas de filtración lenta que trabajan muy bien cuando el agua cruda tienes contenidos de turbidez inferiores a 50 NTU, presentándose un gran problema cuando el agua de ingreso a estos sistemas de filtración lenta superan esos niveles (1). El agua cruda que ingresa a esta planta de tratamiento de la parroquia Bayas en los últimos años (desde el 2008) presenta niveles altos de turbidez y color, debido la erosión que existe en áreas adyacentes a las fuentes de captación, siendo difíciles de ser tratados en un sistema de filtración lenta. El aumento de la concentración de color y turbiedad afectaron las condiciones de operación de la planta sobre todo a los filtros lentos ocasionando un rápido grado de colmatación de la arena, causando una disminución en el caudal de agua tratada y por ende un déficit en el flujo de distribución, de igual manera acarreaba a ciclos más cortos de mantenimiento de los filtros. Un análisis granulométrico de la arena demostró que la arena había cumplido con su vida útil, siendo necesario su reemplazo por otra arena. Tomando en cuenta los problemas antes mencionados y el incremento de la población de la parroquia Bayas, los dirigentes de la Junta de Agua Potable tomaron la decisión de

cambiar el sistema de tratamiento de filtración lenta por una planta de tratamiento con filtración rápida, que garantice la calidad del agua potable que abastece a los 4400 habitantes aproximadamente. El objetivo de este trabajo es diseñar un sistema de tratamiento convencional con operación a gravedad integrada por: mezcla rápida, floculación, sedimentación, filtración rápida y desinfección, para implementarla en la planta actual de filtración lenta de la Junta de Agua Potable de la parroquia Bayas. 2. Materiales y métodos Los directivos de la Junta de Agua Potable de Bayas (JAPB) proporcionaron los datos necesarios para el diseño, el número de usuarios y habitantes, que fueron necesarios para proyectar la población hasta el 2030. De igual manera los directivos facilitaron los planos de los prefiltros de grava existentes, con el propósito de establecer las dimensiones del mismo y que servirían para la implementación de las nuevas unidades de tratamiento. Así mismo se determinó las dimensiones de los espacios disponibles para la implementación de alguna otra unidad de tratamiento. Por algunos días se realizaron aforos del caudal de agua cruda que ingresaba a la planta de tratamiento con la finalidad de comprobar si se dispone un caudal suficiente. Se continuó con el diseño de cada una de las unidades de tratamiento considerando los procedimientos propuestos por el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria (CEPIS), contenido en el Manual II: diseño de plantas de tecnología apropiada. Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida; así como los diversos criterios propuestos por varios autores citados en la referencia. 2.1 Dimensionamiento de las unidades existentes Con la medición en la planta y los planos se determinaron las dimensiones de los prefiltros de grava y filtro lento de arena. Estas unidades dejaron de funcionar, el propósito fue utilizar la infraestructura de las mismas para la implementación de las nuevas unidades de tratamiento. Los resultados se presentan en la Tabla 1. 2.2 Determinación del caudal de diseño De acuerdo al nivel de complejidad (medio) y teniendo en cuenta lo recomendado por el RAS-2000 (reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico), el caudal de diseño de la planta de tratamiento debe ser el caudal máximo diario cuando se cuente con almacenamiento, o en su defecto el caudal máximo horario, se empleó lo estipulado en el literal C.1.4 procedimiento particular para el desarrollo de los sistemas de potabilización (1). 2.3 Mezcla Rápida Tomando en cuenta que en la planta existía un cajón de entrada de 2,20m x 3,38m x 0,9m, se realizó el diseño del dispositivo de mezcla rápida de tal manera de poder utilizar la unidad existente. El mecanismo que se escogió es un vertedero rectangular de cresta aguda sin contracciones laterales extendido a todo lo ancho del canal, en caída libre y los parámetros de diseño tomados en cuenta fueron (2): G: Gradiente de mezcla > 1000 s -1 TM: Tiempo de mezcla < 1 s

NF: Número de Froude = 4,5 < NF >9 garantiza que el resalto que se forme sea estable para que se efectúe adecuadamente la mezcla. v: velocidad del agua en el punto de mezcla >2m/s El RAS recomienda el uso de los vertederos solo para niveles bajo y medio de complejidad. 2.4 Floculadores hidráulico de flujo vertical Para el diseño de esta unidad se consideró que el prefiltro de grava existente estaba conformada por tres tramos, el primer tramo con dimensiones de 7,0m x 0,7m x 2,8m, por lo que se utilizó este tramo para implementar el floculador hidráulico de flujo vertical. En los floculadores hidráulicos de flujo vertical el agua sube y baja a través de canales verticales formados por las pantallas, pueden tener alturas de 2 a 4 m y por tanto, requieren menos área superficial. Su principal problema consiste en la acumulación de lodos en la parte inferior de los compartimientos, los cuales son difíciles de extraer. Para solucionar este problema, se deja en la base de cada tabique que llegue hasta el fondo, una abertura con un área equivalente al 5% del área horizontal de cada compartimiento. Se diseñó el floculador para un caudal de 10 l/s, para implementarlo en el primer tramo de cada prefiltro de grava. Se consideró para su construcción las pantallas de asbesto cemento planas, el coeficiente de fricción (n) de 0,012, el coeficiente de pérdida de carga en las vueltas entre 1,5 y 3 Para el diseño se siguió lo recomendado por el CEPIS (3). Se consideraron los siguientes parámetros: caudal de cada floculador = 10 l/s, tiempo de retención = 20 min, velocidad = 0,15m/s, calado= 2,6m. Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían entre 70 y 20 s-1. 2.5 Sedimentador de flujo laminar de alta tasa La sedimentación es la eliminación de sólidos suspendidos en el agua por asentamiento gravitacional. Se utilizó para la planta de tratamiento dos sedimentadores de placas de asbesto-cemento, de 1,20 m de ancho y 1,3 m de largo, con espaciado entre placas de 0,05 m, 8 mm de espesor de placas y una inclinación de 60º, el caudal de diseño para cada sedimentador de 10 l/s. Se diseñó de tal manera que se pudo implementar un sedimentador en el segundo tramo de cada prefiltro de grava existente en ese momento. Las cargas superficiales utilizadas en América Latina normalmente varían entre 120 y 185 m3/m2/d, con eficiencias de remoción por encima del 90% (4).Con la cual se podrán obtener 2 UNT residual en el efluente. Este criterio obedece a recomendaciones de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) para que los filtros puedan brindar un efluente exento de microorganismos patógenos y de huevos de Giardia lamblia y Cryptosporidium, habida cuenta de que solo el filtro puede eliminar a estos últimos cuando recibe un afluente de la calidad indicada. Para el diseño se siguió lo recomendado por el CEPIS (5) y Jairo Romero Rojas (6), tanto para la zona de entrada, zona de decantación y zona de salida. 2,6 Filtros rápidos de tasa declinante y lavado mutuo El propósito de los filtros en una planta de tratamiento de filtración rápida es la separación de las partículas y los microorganismos que no han sido detenidos en el proceso de sedimentación. Se escogió para el proyecto el filtro de tasa declinante y autolavado de lecho mixto (arena y antracita).

La batería de filtros opera bajo el principio de vasos comunicantes, conformada mínimo por cuatro filtros, para que por lo menos tres unidades aporten para el lavado del cuarto filtro. Las unidades están intercomunicadas por la entrada a través del canal de entrada y también del canal de interconexión en la salida. En cada filtro, comenzando del fondo, se encuentra: el falso fondo, drenaje, lecho filtrante y canaletas de lavado. El drenaje que se utiliza en estos filtros es del tipo de viguetas prefabricadas, que se construyen en la obra. El lecho filtrante es doble de antracita y arena, funcionando de la siguiente manera: inicialmente el lecho está limpio y el agua sedimentada es obligada a pasar a través del filtro por acción de la gravedad. El material suspendido es retenido en el lecho filtrante hasta que llega un momento en que este se colmata, es decir se obstruyen los poros por donde circula el agua, aumentando la pérdida de carga, esto es la altura lámina de agua dentro de la caja del filtro, hasta valores que hacen necesario lavarlo. Para esto se invierte el sentido del flujo logrando con esto que los granos se fluidifiquen es decir que queden suspendidos para poder ser eliminados. En un filtro rápido convencional, el final de la etapa de filtración o carrera del filtro se alcanza cuando los sólidos suspendidos (turbiedad), en el efluente comienzan a aumentar; cuando la pérdida de carga es tan alta que el filtro ya no produce agua a la tasa deseada, o cuando la carrera del filtro es de 36 horas o más. De acuerdo al artículo C.7.5.1 Filtros rápidos del RAS título C (7), se considera lechos mixtos de antracita y arena y profundidad estándar de 0,60 a 0,75 m, la tasa de filtración máxima es de 300 m3/ (m2·día), Para el desarrollo de este proyecto se decidió trabajar con una tasa de filtración igual a 250 m3/ (m2·día), el cual garantiza el correcto funcionamiento de los filtros. Se escogieron las siguientes características para el lecho filtrante. Arena: Se adopta para la arena un tamaño efectivo TE = 0,55 mm, un coeficiente de uniformidad CU = 1,60 y una porosidad po =0,42; Antracita: Es aconsejable que el coeficiente de uniformidad de la antracita sea idéntico al de la arena, CU =1,60, el tamaño efectivo es TE =0.9; porosidad po=0,45. Para el diseño de la batería de filtro se cumplió con las siguientes fases: a) determinación del número de filtros de la batería que garantice el caudal de lavado, así como el área de cada filtro. b) definición de las características del medio filtrante, c) se asumió la tasa media de filtración acorde a las características del afluente a los filtros, del medio filtrante, método de operación y carga hidráulica d) cálculo de las pérdidas de carga durante el lavado de un filtro y ubicación del vertedero de salida e) cálculo de las pérdidas de carga durante el lavado de un filtro y ubicación del vertedero de salida f) cálculo de la carga hidráulica que requiere la batería para operar con tasa declinante. Para el diseño se consideró lo recomendado por CEPIS (8), Di Bernardo (9), Canepa de Vargas (10). 3. Resultados y Discusión 3.1 Resultados En la Tabla 1 se presentan los resultados obtenidos en la determinación de las dimensiones de las unidades existentes. Tabla 1. Dimensiones de las unidades existentes.

Pre filtro de griva Filtro lento de arena

Largo (m) 7,00 12,00

Ancho (m) 6,50 12,00

Altura (m) 2,70 4,00

Se determinó la población para el año 2030 y finalmente se obtuvo un caudal de diseño de 19,89 l/s. Los resultados se presentan en la Tabla 2 y 3. Se consideró para todos los cálculos un caudal de 20 l/s. Tabla 2. Proyección de la población para el año 2030.

Población año 2010 (hab.)

Número de años a proyectar

Tasa de crecimiento (%)

Población año 2030 (hab.)

4401

1,5

5926

Tabla 3. Caudal de diseño

Dotación neta (l/hab.día)

Dotación bruta (l/hab.día)

Caudal medio (l/s)

Coeficiente k2

Caudal máximo horario (l/s)

150

200

13,72

1,45

19,89

Los parámetros calculados para el diseño de la unidad de mezcla rápida se presentan en la tabla 4. Tabla 4. Parámetros calculados para el vertedero rectangular.

Datos Caudal Ancho del vertedero Caudal específico Carga disponible Altura crítica Altura de la cresta Altura de agua en la sección (1) Velocidad en la sección (1) Número de Froude Altura de agua en la sección (2) Velocidad en la sección (2) Longitud del resalto Distancia del vertedero a la sección (1) Pérdida de carga en el resalto Velocidad media Tiempo de mezcla Gradiente de velocidad Altura de agua en el vertedero

Mezclador (vertedero rectangular) Valor Unidad 0,02 m3/s 0,4 m 0,05 m3/s/m 0,091 m 0,06 m 0,70 m 0,0195 m 2,6 m/s 5,87 0,15 m 0,33 m/s 0,80 m 0,40

0,20 1,45 0,55 1703 0,089

m m/s s s-1 m

En cuanto a la determinación de los parámetros del floculador hidráulico en la Tabla 5 se presenta los datos obtenidos. Considerando la implementación de dos floculadores. Tabla 5. Parámetros calculados para el floculador hidráulico de flujo vertical.

Datos Caudal por floculador Tiempo de retención Velocidad

Floculador hidráulico de flujo vertical Valor Unidad 0,01 m3/s 20 Min 0,15 m/s

Calado Longitud del tabique Espesor del tabique Longitud total SecciĂłn Ancho del canal Ancho del tanque NĂşmero de canales Largo del tanque NĂşmero de tabiques Altura en orificios Velocidad en orificios Radio hidrĂĄulico Perdida de carga Gradiente n. Mannig

2,60 2,44 0,008 180 0,067 0,10 0,70 61 7,00 60 0,10 0,14 0,042 0,20 38,91 0,012

m m m m m2 m m m m m/s m m s-1

En cuanto a la determinaciĂłn de los parĂĄmetros del sedimentador de alta tasa en la Tabla 6 se presenta los datos obtenidos para la zona de entrada del sedimentador, en la Tabla 7 se presenta los datos obtenidos para la zona de sedimentaciĂłn y salida del sedimentador. Tabla 6. ParĂĄmetros calculados para la zona de entrada del sedimentador de alta tasa

Datos Caudal por sedimentador Caudal de mantenimiento Velocidad en los orificios Ă rea de los orificios SeparaciĂłn de centro a centro entre orificios Longitud del canal de entrada NĂşmero de orificios en cada sedimentador Ă rea de cada orificio DiĂĄmetro de los orificios Ancho del canal Altura Caudal por orifico ÎŁ 1/â&#x2C6;&#x161;đ?&#x203A;˝ Temperatura del agua Coeficiente Darcy Gradiente

Zona de entrada al sedimentador Valor Unidad 0,01 m3/s 0,0125 m3/s 0.12 m/s 0,104 m2 0,18 m 0,30 m 8 U 0,013 m2 6 pulgadas 1,30 m 0,10 m 0,0015 m3/s 1,44 11 ÂşC 0,02 7,07 s-1

Tabla 7. ParĂĄmetros calculados para la zona de decantaciĂłn y salida.

Datos Caudal por sedimentador Longitud de la placa Ancho de la placa

Zona de decantaciĂłn Valor Unidad

Datos

Zona de salida Valor Unidad

0,01

m3/s

Caudal por sedimentador

0,01

m3/s

1,20

Tasa de recolecciĂłn

1,10

l/s.m

1,30

Longitud total de tuberĂas de recolecciĂłn

18,2

Espesor de la placa

0,008

0,05

Carga superficial

120

m3/m2d

Viscosidad cinemática Módulo de eficiencia de placas Velocidad longitudinal

1,24x10-6

m2/s

Angulo de inclinación Separación de placas

Numero de Reynolds Velocidad crítica Área superficial/sed Ancho interno/sed Número de espacios Número de placas Largo interno Velocidad de sedimentación Altura total del sedimentador Borde libre

1 0,10

cm/s

173 0,016

cm/s

6,29

1,30

60 7,00

U m

14,22

m/día

2,60

0,10

Longitud de tuberías de recolección/ sedimentador Ancho del módulo de placas/sed. Número de tubos de recolección/sed. Espaciamiento entre orificios Nº de tubos por orificio

9,10

1,30

7 0,10

Diámetro de los orificios

0,0254

Diámetro del tubo

0,1524

Separación entre ejes de la tuberías de recolección

0,89

En cuanto a la determinación de los parámetros de los filtros rápidos de tasa declinante y lavado mutuo en la tabla 8 se presenta los datos obtenidos. Tabla 8. Parámetros calculados para la batería de filtros.

Datos Caudal total Carga superficial Número de filtros Ancho del filtro Longitud del filtro Profundidad del filtro Área total de los filtros Área de cada filtro Altura del falso fondo Largo del falso fondo Nº orificios en el falso fondo Diámetro de orificios en el falso fondo Velocidad mínima de fluidización

Zona de entrada al sedimentador Valor Unidad 0,02 m3/s 250 m3/m2.día 4 1,20 m 1,60 m 4,20 m 7,68 m2 1,92 m2 0,15 m 1,20 m 120 m 0,0127 m 0,50 m/min

Expansión del lecho Pérdida de carga en lavado de arena Pérdida de carga en lavado de antracita Pérdida de carga en lavado de grava Pérdida de carga en lavado falso fondo Pérdida de carga en lavado total Pérdida de carga en Filtración de arena Pérdida de carga en Filtración de antracita Pérdida de carga en Filtración de grava Pérdida de carga en la válvula de entrada Pérdida de carga en el falso fondo Pérdida de carga en el vertedero Perdida de carga total durante la Filtración Nivel mínimo de operación Nivel máximo de operación Altura de la cresta de la canaleta respecto a la superficie del lecho no expandido Nivel inmediatamente antes de que el filtro recién lavado entre en operación

0,43 0,19 0,14 0,11 0,19 0,63 0,25 0,09 0,014 0,006 0,0094 0,035 0,40 0,40 1,50

m m m m m m m m m m m m m m m

0,70

1,80

El mismo sistema de desinfección (cloración por electrolisis de sal) que dispone la planta será utilizado una vez que se implemente las nuevas unidades de tratamiento. 3.2 Discusión Dentro de los parámetros calculados se puede observar que el valor del gradiente de velocidad para la mezcla rápida (G = 1703 s-1) se encuentra dentro de lo recomendado por diferentes autores citados de entre 1000 – 2000 s-1, el tiempo de retención (TR= 0,55s) es menor a 1, que es lo recomendado como máximo, la velocidad en el punto de mezcla (v = 2,6 m/s) siendo mayor a 2 m/s que es lo mínimo recomendado. El floculador presenta un tiempo de retención de 20 minutos, mismo que se encuentra dentro de lo recomendado por diferentes autores citados (4-6) de entre 10 y 30 minutos, también se puede observar que el valor del gradiente de velocidad (G = 38,9 s-1) se encuentra dentro de lo recomendado de entre 20 – 70 s-1. El sedimentador diseñado presenta una carga superficial (Cs = 120 m3/m2·día) que se encuentra entre lo recomendado 120 a 185 m3/m2·día, el número de Reynolds (Re=173) está por debajo del máximo recomendado que es de 250. Las placas cumplen las características de inclinación (60º), separación entre ellas (5cm), espesor (8mm) que son las recomendadas. Comparando los parámetros calculados para la batería de filtros se puede observar que para lechos de antracita sobre arena y profundidad estándar, la tasa máxima es de 300 m3/(m2·día), para este proyecto se consideró 250 m3/(m2·día), la pérdida de carga determinada durante la operación de retrolavado es de 0,65m, la cual será garantizada por la posición del vertedero general de efluentes de la batería, la carga hidráulica asumida es de 1,40m, garantizando de esta manera una duración adecuada de la carrera de Filtración.. Todos los parámetros calculados están dentro de lo recomendado por los diversos autores citados. Es importante mencionar que los valores recomendados por diversos (5,9) autores corresponden a sistemas hidráulicos de tratamiento de agua convencionales, por lo que no se espera que se ajusten en su totalidad a un diseño como el realizado en el presente proyecto, sobre todo porque se diseñó de tal manera de utilizar la infraestructura existente

en la Planta y de esa forma abaratar costos durante la construcción de las unidades, lo cual se consiguió porque tanto el floculador como el sedimentador se implementó en el prefiltro de grava existente, mientras que la batería de Filtración fue una construcción totalmente nueva. Cabe indicar que los filtros lentos no fueron modificados ni utilizados para la implementación de las nuevas unidades. En la Figura 1 se presenta una vista superior de la planta de filtración rápida, mientras que en la Figura 2 se muestra un corte transversal de las unidades de mezcla rápida, floculador, y sedimentador y en la Figura 3 se presenta un corte transversal de la batería de filtros rápidos. 4. Conclusiones El tipo de planta de tratamiento propuesto, está conformado por un vertedero rectangular, floculador hidráulico de flujo vertical, sedimentador de alta tasa y una batería de filtros. Se ha seleccionado esta alternativa por las condiciones de un tratamiento completo y porque podrá tratar aguas con niveles altos de turbidez y color, el sistema de tratamiento con una buena operación mejorará notablemente las características del agua potable. De forma general los parámetros de diseño calculados caen dentro de lo recomendado en la literatura por diversos autores. Referencias 1.

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Figura 1. Vista superior de la planta de filtraci贸n r谩pida.

Figura 2. Corte transversal de las unidades de Mezcla rĂĄpida, floculador, y sedimentador.

Figura 3. Corte transversal de la baterĂa de filtros rĂĄpidos.