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CONSTRUCCCIÓN DE UN BIODIGESTOR TIPO SEMI-CONTINUO Y DISEÑO

SUSTENTACIÓN DE TESIS DE GRADO.
by

Manuel Gallo

on 7 November 2013

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Transcript of CONSTRUCCCIÓN DE UN BIODIGESTOR TIPO SEMI-CONTINUO Y DISEÑO

CONSTRUCCCIÓN DE UN BIODIGESTOR TIPO SEMI-CONTINUO Y DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA PARA LA BIOMASA.
AUTORES:

Manuel Alejandro Gallo Argüelo
Juan David Neira Grisales
Jhon Faver Trujillo Bonilla


Asesor:

Ing. Nelson Grijalba

Universidad Antonio Nariño
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Electrónica
Neiva
2013


OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Construcción de un Biodigestor tipo semi-continuo y diseño e implementación del sistema de control de temperatura para la Biomasa.
PLANTEAMIENTO
Un biodigestor puede tener una fermentación en un rango psicrofílico (15°C a 18°C), un rango mesofílico (35°C a 45°C) o en un rango termofílico (60°C a 65°C); en este último se mejora la producción de gas debido a que el tiempo de retención de la Biomasa es menor a altas temperaturas.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Realizar la implementación física del Biodigestor con el sistema de inyección de biomasa y evacuación de residuos.
Determinar la dinámica del sistema con respecto a la temperatura.
Implementar y acondicionar el sensor de temperatura, nivel y su circuitería correspondiente.
Implementar un actuador para manejar la inyección de Biogas y así, controlar la temperatura interna de la cámara de digestión.
Diseñar e implementar la estrategia de control adecuada para el sistema, según el comportamiento dinámico del Biodigestor.
Implementar sistema de monitoreo que permita visualizar la variable (Temperatura).

Un biodigestor es un compartimiento hermético en el que se degrada la materia orgánica mediante un proceso anaeróbico obteniendo Biogas; el material resultante del proceso conocido a modo de biol es utilizado como fertilizante por su contenido de nutrientes y el gas generado, se emplea como combustible en diferentes aplicaciones.

Existen diversas clases de biodigestores que permiten operar la producción del Biogas según la frecuencia de carga del mismo; el de mayor empleo e interés es de ciclo semi-continuo, ya que se genera Biogas de una manera permanente gracias al suministro constante de nuevos nutrientes.


INTRODUCCIÓN
NOTA: El incremento de la producción de Biogas se obtiene controlando una serie de variables que influyen directamente sobre la velocidad de degradación de los microorganismos
Establecer un sistema de control para la biomasa regulando la variable con más influencia sobre la generación de Biogas que es la temperatura. La medición de la temperatura se realizará mediante tres sensores que detectan la magnitud física, en este caso, temperatura; posteriormente dicha señal se acondiciona para llevarla a un PIC, donde se halla implementado el controlador y el set point establecido. El algoritmo de control calcula la acción sobre el proceso que será realizado por una servoválvula reguladora del flujo de gas el que alimenta el quemador.

Este sistema garantiza que el rango de temperatura deseado se encuentre durante todo el tiempo de retención de la biomasa en la cámara de degradación, de esta manera se masifica la producción de Biogas en un corto periodo.

Psicrofílico
Mesofílico
Termofilico
4-10°C
15-20°C
25-45°C
15-18°C
28-33°C
50-60°C
25-39°C
35-45°C
75-80°C
Más de 100 días
30-60 días
10-15 días
RANGO
MINIMO
OPTIMO
MAXIMO
TIEMPO FERMENTACION
ANALISIS INGENIERIL
TIPOS DE BIODIGESTORES
SEMICONTINUO
CONTINUOS
Utilizados principalmente en procesos industriales
Batch o Discontinuos
Consisten en tanques sellados, cargados una sola vez y desocupados por completo después del tiempo de retención prefijado (cuando no se produzca Biogás)
para su alimentación, calefacción y agitación
los cuales dotan a la planta digestora de equipos adicionales
Este tipo de Biodigestor es utilizado con mayor frecuencia en las zonas rurales por su cómoda instalación , admite cargase diariamente no se requiere parar el proceso de fermentación para retirar el biol (lodos); a medida que ingresa un volumen de biomasa tendrá que salir un volumen igual de efluente produce biogás de manera permanente gracias al suministro constante de nuevos nutrientes.
ANALISIS DE HARDWARE
Diagrama General

Diagrama de primer nivel:
Sensores de temperatura:
estos sensores se encargan de transformar la temperatura en una señal de voltaje que es enviada a los puertos análogos del micro controlador para luego ser procesada.
Microcontrolador:
Es un dispositivo capaz de procesar las señales enviadas por los sensores, ejecuta los códigos y realiza las tareas de procesamiento del sistema.

Interfaz usuario:
Es un sistema de interacción usuario - computadora, Esta interacción se hace mediante un teclado matricial y un sistema de visualización por una LCD.
Potencia:
esta etapa es la encargada de activar o desactivar la carga alterna mediante el pulso generado por el microcontrolador.
Actuadores:
Es un dispositivo acoplado a una válvula de la cual gira dependiendo del ángulo requerido por el pulso que me genera el microcontrolador.
ANALISIS DE SOFTWARE
Diagrama General
Diagrama de primer nivel

Toma de datos
: Es el proceso de medición de temperatura de la biomasa medida por el sensor LM35, dicha señal es procesada y visualizada en una LCD indicando la temperatura.

Temperatura deseada:
Es el rango de operación en que trabajan las bacterias termofilicas para mantener un proceso idóneo dicha temperatura se ingresa mediante un teclado matricial indicando el rango de trabajo para que el algoritmo de control realice la acción y corrija el error.

Temporizador:
Es el encargado de indicar los días del proceso anaeróbico.

Algoritmo de control de la temperaturadeseada
: Lee el angulo del sensor y el set point; calcula el error aplicando la accion de control a los actuadores.

Generador de un tren de pulsos:
Genera una señal que controla el movimiento del servomotor a partir del valor de la acción del control.
DISEÑO SOFTWARE
Algoritmo de activación de la etapa de potencia:
Lee el ángulo en que está posicionada la válvula. El algoritmo indica en que cambio da inicio al sistema .

Algoritmo de control de la temperatura:
El sensor lee la temperatura actual de la biomasa y el algoritmo calcula la acción de control hasta que la diferencia sea a cero (la temperatura leída por el sensor debe ser igual a la temperatura deseada) cuando el error sea igual a cero, el microcontrolador me envía pulsos al servomotor cerrando la válvula de paso de gas.

Donde;
A: ¿diferencia ≥ 0°?
B: ¿diferencia ≥5?



DISEÑO DE HARDWARE
Microcontrolador
Interfaz Usuario
Medio en la que el usuario tiene interacción con el prototipo, interfaz de hardware donde se ingresan datos luego se procesan y se visualizan en una pantalla. El ingreso de los datos por parte del usuario se realiza por medio de un teclado matricial y La visualización se obtiene mediante una pantalla LCD
Etapa de Potencia
Se realiza una etapa de potencia para poder dar accion a el encendido electrico del sistema, este se lleva a cabo con un interruptor capaz de conmutar corriente alterna y es activado por un optoacoplador (Moc3030) el cual es controlado por la señal de voltage generada por el puerto análogo del microcontrolador
Servovalvula
Esta esta compuesta por una valvula para gas 3/8" y un servomotor Towerpro995 de engranajes metalicos los cuales fueron acopladospor una pieza de teflon y asegurados por dos laminas de aluminio.
Sensor de Temperatura
Como sensor de temperatura se utiliza el circuito integrado LM35 por sus especificaciones y características eléctricas ya que estas son adaptables a nuestro sistema por sus rango de operacion (-55- 150) °.
Se utilizó un microcontrolador 16F877a este toma las señales de voltaje obtenida por los sensores(LM35) los procesa y visualiza en una LCD en grados centígrados, genera pulsos por el puerto análogo para el control del ángulo de paso de gas visualizado en la LCD(ángulo en que esta posicionada la válvula), generar la señal de voltaje que activa una carga alterna para encender el quemador por medio del encendido eléctrico, y esta el temporizador visualizando en la LCD, indicándome el tiempo de retención de la biomasa en el reactor.
Montajes y Pruebas
PRIMER DISEÑO Y PRUEBA DEL PROTOTIPO

Sensores de temperatura:
PT100 a 2 hilos:
Se utilizo para sensar la temperatura en el centro del tanque. Por su encapsulado en acero inoxidable era adaptativo al sistema, pueden fácilmente entregar precisiones de una décima de grado y no se descompone graduálmente entregando lecturas erroneas,


Pistola infraroja de temperatura:
Se utilizo para sensar la temperatura de la superficie del tanque reactor.
CONCLUSIONES
Es frecuente que cables en ambientes muy húmedos se deterioren y se produzca un paso de corriente entre ellos a traves de humedad condensada variando la temperatura real.
La ubicacion de un tercer sensor en el tanque reactor.
La arena presento mayor grado de concentración de calor.
El reforzamiento de la parte inferior del tanque reactor.
Nota: Se requiere el cambio de sensor de temperatura por sus elevado costo.
CONCLUSIONES
SEGUNDO DISEÑO Y PRUEBA DEL PROTOTIPO
TERCERA PRUEBA DEL TANQUE REACTOR

Remplazo de la lamina de fondo por una de acero calibre 14.
Se diseño y elaboro una tuerca con un eje de 2’ para obtener el movimiento adecuado del mezclador. Cuando esta se ubico y soldó en el tanque, fue necesario reforzarlo con 4 laminas de 24cm cada una para darle más estabilidad y resistencia; en el momento del empalme de la tuerca con la varilla, se introdujo cordón de asbesto para la prevención de posibles fugas.
En la elaboración del mezclador se diseñaron y añadieron tres aspas ubicadas a 20cm una de otra con la finalidad que en el momento de agitar el mezclador le dé a la biomasa una circulación y homogenice la temperatura en todos los niveles del tanque (bajo, medio y alto).

En esta prueba se implemento heces de vaca.
Proporciones de mezcla para la generacion de la biomasa con heces de vaca (3 a 1) e ingreso de la misma por la valvula de entra (3").
Adaptación y uso de los LM35 como sensores de temperatura, los cuales fueron sometidos a una prueba para analisar su comportamiento respecto a la PT100 y bajo condiciones similares a las que se tienen internamente en el tanque reactor .
Darle un mejor adaptacion a los sensores debido a la imprecisión de la lectura por filtraciones de agua. (Cambio de encapsulado)

Implementacion de un sistema de refrigeracion debido a la excesiva transferencia de calor en el sistema.

Implementacion de un soporte para el quemador de gas y tanque reactor teniendo en cuenta la distancia entre estos para el mejor aprovechamiento de disipación de calor emitido por nuestro quemador.
Diseño de encapsulado para los sensores. En tubo de CPVC para altas temperaturas, cable ribbon, y sellados en masilla epoxica y ubicados a 24cm uno del otro teniendo en cuenta los niveles estimados para el tanque (alto- medio -bajo.
sistema de refrigeración, cajilla de circuiteria, acople de sensores al tanque reactor, y acople de servovalvula.

CONTROLADOR
Obtención del Modelo

Se hace la identificación experimental de un modelo aproximado para sistemas de temperatura de función de primer orden con retardo obteniendo la siguiente función de transferencia.
Donde k es la ganancia estática, T constante de tiempo del sistema, Que son el punto donde alcanza el 28% y 63% de su valor final y L es el tiempo de retardo que tarda el sistema en reaccionar a un STEP.
Identificación experimental de un modelo aproximado:
(metodo de smith)

Se hace la identificación basado en dos puntos de la curva de reacción de temperatura obteniendo los valores que represente el sistema de primer orden. obteniendo los valores k τt y L que represente el sistema de primer orden.
Obtenidos los valores de L, k, T por el metodo de smith se remplazan en la funcion.
Cálculo de los parámetros del controlador:
Validación del controlador PI de temperatura:

No
Si
Diagrama de bloques de la función de transferencia de la planta.
la constante proporcional es la desviación de la temperatura respecto al set point la cual mueve la válvula mediante el servomotor de acuerdo a los cambios de temperatura, la constante de integración me indica la velocidad con que se repite la acción proporcional.
Marco teorico
"Dad gracias a Dios y en todo te ira bien"
DISEÑO ESTRUCTURAL DEL BIODIGESTOR
DISEÑO FINAL DEL PROTOTIPO

Adaptadación de la servoválvula al tanque reactor.
QUEMADOR
tubo galvanizado de 2" La circunferencia exterior con un diametro de 42 cm y la interior con un diametro de 21 cm, grifos independientes.
Mecanismo de doble de tubos
Interior y exterior del prototipo
Diseño y acople del mezclador
sensores
sistema de refrigeración

• El uso de un Biodigestor semicontinuo con control de temperatura en el rango termofilico mejora la producción de biogás alcanzando un proceso mucho más eficiente y rápido, ya que se aumenta el nivel de producción y se mejora la dinámica del proceso en el hecho de que se evacua y suministra materia orgánica más rápidamente para la constante producción.

• Debido a que la velocidad de variación de nuestro sistema (temperatura) es lento, no fue necesario el uso de una constante derivativa, si no un controlador PI que nos permitiera reducir el error estacionario.

• De acuerdo a las pruebas realizadas en el desarrollo del proyecto al variar las proporciones de agua- materia orgánica, se vio que efectivamente como muestra los estudios la mejor proporción de mezcla es de 3 -1 respectivamente. Teniendo en cuenta que si se quiere llegar a una mejor producción de bioabono simplemente se aumenta la cantidad de materia orgánica.

• El uso del agitador mostro ser efectivo para reducir el gradiente de temperatura entre la parte superior e inferior del contenido de biomasa, evitando así la concentración de bacterias termofilicas dentro de una sola zona específica.

• La necesidad del uso de tres sensores fue apropiado para determinar que los gradientes de temperatura entre los tres niveles no fueran muy grandes y no se crearan zonas de concentración termofilica para así mismo brindar al controlador una mayor definición en la toma de la variable (Temperatura).


CONCLUSIONES
GRACIAS...
Cuando el ángulo corresponde a cero, significa que la válvula está cerrada y no hay pasó de gas, por el contrario en el cambio=1 indica una variación de ángulo de la válvula mediante el servomotor dando inicio al sistema.
Si
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