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ANÁLISIS DE DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL DE LA COMBUSTIÓN DE BIOMASA MADERABLE (MADERA TÍPICA) EN UN SISTEMA REACTIVO
Integrantes:
Yarley Andrea Buelvas
Fernando Miguel Solar
Linda Lorena Reyes
Stiven Andrés Peralta
Humberto Jaime Doria
La creciente preocupación mundial por el calentamiento global y el cambio climático ha llevado a los países desarrollados a buscar formas sostenibles de producir energía para reducir las emisiones. Por otro lado, la creciente demanda de energía en los países en desarrollo y los recursos limitados de combustibles fósiles requieren el uso de fuentes de energía sostenibles. 
La biomasa es la única fuente de energía renovable basada en el carbono y tiene una parte significativa de la energía renovable disponible en todo el mundo para reemplazar los combustibles fósiles en los sectores de industria, la electricidad y el transporte. 
INTRODUCCIÓN
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OBJETIVOS 
Diseñar y simular un modelo 3D en CFD para describir la inyección y la combustión de las partículas de biomasa maderable (Madera típica) en un sistema reactivo.
OBJETIVO ESPECÍFICO
Realizar el modelo geométrico del quemador basándonos en todos los elementos que harán parte de la combustión.
Comparar las temperaturas alcanzadas tanto teóricamente como experimentalmente en la simulación y el poder calorífico capaz de entregar la biomasa.
Analizar los resultados obtenidos y concluir si la biomasa utilizada es una buena opción de obtención de energía.
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METODOLOGÍA 
Se analizará el comportamiento del quemador de biomasa maderable en distintas fases importantes:
Diseño de la geometría y mallado en ANSYS.
Configuración y composición de la biomasa.
Solución mediante el uso de elementos finitos para el balance estequiométrico y poder calorífico de la biomasa maderable.
Resultados y conclusiones.
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1. DISEÑO GEOMETRICO DEL QUEMADOR 
Figura 1(a). Geometría 
Figura 1(b). Geometría realizada en ANSYS
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1. DISEÑO GEOMETRICO DEL QUEMADOR 
Figura 2. Mallado de la geometría del quemador
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1. DISEÑO GEOMETRICO DEL QUEMADOR
La estática del mallado es de: 
• No de nodos 33576
• No de elementos 32836
Las siguientes fueron suposiciones generales realizadas por:
a) Las partículas son de forma esférica y tamaño de 25 mm presentan una distribución uniforme 
b) Se utilizo el modelo de fase discreta dado el tamaño de la partícula 
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2. COMPOSICION DE LA BIOMASA MADERABLE
Tabla 1. Propiedades generales de la biomasa maderable. 
	Propiedades Generales 	
	Elemento	Masa Molar (kg/Kmol) 
	C	12
	H	1
	O	16
	Aire	28,97
	ER combustión 	1,3
	Análisis ultimo y elemental de una madera típica 	
	Parámetros 	Análisis ultimo (%) 
	C	49,59
	H	6,28
	N	0,39
	O	43,74
	Análisis elemental 	
	Parámetros 	Análisis elemental (%) 
	Material Volátil 	56,39
	Carbón fijo 	31,46
	Humedad 	9,71
	Contenido de cenizas 	2,44 
Tabla 2. Parámetros del análisis ultimo y elemental de Madera típica.
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2. COMPOSICION DE LA BIOMASA MADERABLE
Se realizo el análisis de relación aire-combustible por medio de Excel en donde tuvimos en cuenta los parámetros expuestos en la Tabla 1 y 2. 
Luego de tener los parámetros correspondientes se realizará el cálculo de las moles de carbono, hidrogeno y oxigeno ya que las necesitamos para el balance estequiométrico.
Donde: 
es el número de moles del elemento 
 es la cantidad de masa 
 es la masa molar del elemento
 
Luego se realiza el balance estequiométrico para una combustión completa sin exceso de aire, como se expresa en la siguiente reacción química: 
 
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2. CONFIGURACION Y ANALISIS DE CFD
Para el análisis en el quemador se tuvieron en cuenta los parámetros mostrados en la tabla 2 para obtener las siguientes condiciones de borde:
	Condiciones de borde	Valores
	Temperatura de fuel-injection (wall) (°K)	1400 
	Velocidad del aire (m/s) 	3,2-7,2 
	Temperatura del combustible (°K)	370
	Flujo masico del combustible (kg/h)	17
	Diámetro de la partícula (m) 	0,0025
Tabla 3. Condiciones de borde
Como el flujo masico del combustible es de 17 Kg/h = 0,0047 Kg/s hallamos el flujo masico correspondiente al del aire:
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3. SOLUCIÓN 
Las ecuaciones para la energía, el momento y el flujo masico esta dado por la siguiente respectivamente:
 
 
 
Donde la conductividad es K y la difusión es de especies i.
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3. SOLUCIÓN 
Para el cálculo del poder calorífico en la biomasa utilizaremos la siguiente ecuación:
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3. SOLUCIÓN 
La forma común de la ecuación de transporte para cada especie se define como: 
Donde es la tasa neta de producción de la especie ''i por reacción química, donde el flujo de difusión de las especies esta dado por: 
 
 
Donde es el coeficiente de masa de las especies en la mezcla y es el numero turbulento de Schimidt. 
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4. RESULTADOS 
Gracias a Excel obtenemos los resultados de las moles que componen la biomasa 
	Fuentes de energía 	Moles 		
		C	H	O
	Biomasa (Typical Wood) 	0,041	0,063	0,027
Tabla 4. Numero de moles que componen la biomasa
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4. RESULTADOS 
Posteriormente se realiza el balance estequiométrico para una combustión, obteniendo como resultado lo que se muestra en la siguiente tabla, allí mismo hallamos la relación Hidrogeno-carbono y Oxigeno-Carbono y así representar los puntos en el Diagrama de Van Krevelen.
	Fuente de energía 	x	y	z	ath	RA/C
	Biomasa (Wood) 	1	0,76	3,94	1,05	6,00
	Coeficientes			H/C	O/C
	C	H	O		
	1	1,52	0,66	1,52	0,66
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4. RESULTADOS 
Figura 3. Diagrama de Van Krevelen
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4. RESULTADOS 
Por medio del diagrama de Van Krevelen confirmamos que si se trata de una biomasa. Ahora en la Tabla se muestra el cálculo de los poderes caloríficos y la relación de air-fuel en la combustión.
	Poder Calorífico 	PCS (Kj/kg)	PCI (Kj/kg) 	RA/C combustión 
	Biomasa (Wood) 	17975,68	17917,42	7,80
Como el flujo masico del combustible anteriormente mencionado es de 17 Kg/h = 0,0047 Kg/s hallamos el flujo masico correspondiente al del aire 
	Parámetros cinéticos ( 
	
	
Tabla 5. Parámetros cinéticos 
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4. RESULTADOS 
Luego de recopilar todos los datos que necesitamos para completar la simulación del quemador, se realizó la configuración para obtener los contornos de velocidad y temperatura mostradas en la figura 5.
Figura 5 (a). Contorno de velocidad
Figura 5 (b). Contorno de temperatura
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4. RESULTADOS 
Se observa en la figura 5(b) que la temperatura máxima en el interior del quemador es de 2800 °K para la madera típica se evidencia que en la salida del quemador se produce un aumento repentino lo que puede deberse a la mezcla de los gases suministrados. Por lo tanto la configuración del flujo de aire es importante para mejorar el proceso de combustión y la mezcla y también se debe tener en cuenta el diseño del quemador porque es posible reducir las emisiones contaminantes si se tiene el diseño adecuado del quemador, mientras que en la figura 5 (a) la velocidad máxima es de 1,1 m/s, el aumento de la velocidad cerca de la zona de salida puede indicar a un vórtice que se genera en ese lugar lo cual puede presentar problemas de erosión de los tubos del quemador
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4. RESULTADOS 
Figura 8. (a) Contorno de fracción másica de CO2 y (b) Contorno de fracción másica de O2
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4. RESULTADOS 
Figura 8. (a) Contorno de fracción másica de CO2 y (b) Contorno de fracción másica de O2
En la figura 8 se observa la fracción másica del dióxido de carbono y el oxígeno, figura (a) presenta el contorno del CO2 en el cual se le puede añadir un poco más de aire ya que el porcentaje del CO2 de una combustión completa este alrededor del 20% mientras que en la figura (b) muestra el contorno de oxígeno el cual indica que sale cierta cantidad de oxigeno y lo recomendado es aumentar el flujo de aire. Debido a lo expresado anteriormente es posible que se pierda cierta energía debido a una combustión incompleta; la combustión incompleta puede estar relacionada con el diseño del quemador y la relación de exceso de aire utilizado en el proceso de combustión. 
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4. RESULTADOS 
Figura 9. Contorno de fracción másica de H2O
La figura 9 representa
la fracción de masa del agua dando como resultado que a medida que avanza la combustión, el proceso de evaporación de la humedad en la combustión de madera hace que se libera mas H2O en casi toda la región; el contenido de humedad hace referencia a que el proceso de evaporación sea evidente y puede retrasar el proceso de ignición. 
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CONCLUSIONES
La combustión es conocida como el proceso de oxidación en donde el aire se une con el combustible para formar una reacción exotérmica, productos y calor. Se desarrolla un modelo 3D en CFD para describir la inyección de partículas de biomasa donde la temperatura máxima alcanzada fue de 2800 °K a una velocidad de 1,1 m/s.
La temperatura de ignición de la madera generalmente se encuentra alrededor de los 773,15 °K, sin embargo, existen parámetros que pueden afectar el encendido, los cuales son: el contenido de humedad en el combustible, temperatura ambiente, velocidad aerodinámica y la presión. El contenido de humedad afecta la tasa de combustión ya que puede funcionar como un disipador de calor, lo cual reduce la temperatura de la llama y por lo tanto reduce las emisiones contaminantes y esto puede conducir a una combustión incompleta. 
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