Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos

Determinación de la conductividad térmica de materiales para biosecado mediante el método de placa caliente

Javier Díaz Megchúna, Fabián Robles Martíneza, Manuel de Jesús Macías Hernándezb, Anselmo Osorio Mirónc

a Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología, Av. Acueducto s/n,

Barrio La Laguna, Col. Ticomán, C.P. 07340 México, D.F. jadime25@hotmail.com

b Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas, Edificio N° 7,

Unidad Profesional Adolfo López Mateos. Colonia Lindavista, Delegación Gustavo A. Madero, C.P. 07738, México, D.F.

maciash@yahoo.com

c Universidad Veracruzana, Facultad de Ciencias Químicas-Orizaba, Prolongación Oriente 6 1009, Orizaba, Veracruz, México

aom_posgrado@hotmail.com

Resumen. La demanda de datos confiables de las propiedades térmicas de los materiales es crucial para diseñar, modelar y mejorar los tratamientos biológicos de residuos sólidos. Por lo tanto, en este trabajo se determinó la conductividad térmica de madera triturada de residuos de poda (mulch) y de cascaras de naranja, antes de ser sometidos a un proceso de biosecado. Para la determinación, se utilizó el método en estado estacionario de placas calientes. Los materiales analizados fueron sometidos a distintos contenidos de humedad, con el fin de generar un modelo que relacione el cambio de la conductividad térmica con respecto a la humedad. Los resultados obtenidos suponen un aumento en la conductividad térmica proporcional al contenido de humedad. Las temperaturas de trabajo se establecieron entre 30 y 50°C, en consecuencia se generaron valores de conductividad térmica característicos del biosecado. Los datos obtenidos contribuirán a mejorar el modelado matemático y el control de la transferencia de calor del proceso de biosecado.

Palabras Clave: Contenido de humedad, estado estacionario, fase termofílica, transferencia de calor.

1. Introducción

Los residuos sólidos generados por la actividad humana se han convertido en un problema importante para la población mundial. En el 2011 se estimó que en México se generaron 21.524.900 toneladas de residuos sólidos orgánicos [1]. El biosecado es un tratamiento relativamente novedoso, y una nueva alternativa para tratar los residuos sólidos. Podemos definir el biosecado como el proceso donde se remueve el agua a los residuos sólidos. La acción metabólica de los microorganismos presentes en los desechos, genera una reacción exotérmica, por ende aumento de la temperatura y eliminación del agua por evaporación, con el fin de obtener un mayor poder calorífico de la biomasa. El modelado de procesos es una herramienta muy útil que puede ayudar a optimizar el proceso de biosecado. Para modelar matemáticamente es fundamental obtener las propiedades térmicas de los residuos sólidos. La conductividad térmica “k” es una medida de la capacidad de un material para conducir calor. Un valor elevado para la conductividad térmica indica que el material es un buen conductor del calor y un valor bajo indica que es un mal conductor o que es un aislante. La conductividad térmica también es una propiedad importante en el análisis de transferencia de calor, se define como la cantidad de calor que se transmite en una dirección, por unidad de tiempo y de superficie cuando el gradiente de temperatura es unitario [2].

Según la ley que rige la transferencia de calor en los sólidos (Ley de Fourier de la conducción), una vez que se ha alcanzado el régimen permanente, la velocidad de transmisión calorífica unidireccional (dirección x) a través de un material es [3]:

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dx

dTk

A

qx −=

donde qx es la velocidad de transferencia de calor en la dirección x, A es el área de corte transversal normal a la dirección del flujo de calor, T es la temperatura, x es la distancia y k es la conductividad térmica. Se han reportado algunas determinaciones de conductividad térmica en residuos sólidos orgánicos, como son estiércol de ganado [4], lodos urbanos mezclados con agentes estructurantes [5], material de composta (mezcla de paja de trigo con estiércol de pollo) [6], paja de trigo, viruta de madera, desperdicios de pavo, aserrín, estiércol de vacas y hojas, analizados en [7]. A pesar de esto, todavía falta mucha información de la conductividad térmica de una gran variedad residuos sólidos orgánicos. En el trabajo de Ahn y col. [7] se concluye que la conductividad térmica aumenta linealmente, incrementado el contenido de humedad. Como el agua, el aire y los sólidos tienen sus valores específicos de conductividad térmica, la conductividad térmica de los residuos sólidos orgánicos varía dependiendo de la relación de estos tres materiales [8]. La conductividad térmica puede ser medida por métodos en estado estable (placas paralelas o plato caliente) los cuales están fundamentados en la ecuación 1 y no estacionarios (disipación del calor transitorio) [7], [9]. Utilizando los métodos en estado estacionario, solo se requiere conocer el flujo de calor y la caída de temperatura a través de la muestra para obtener la conductividad térmica. Esta es una técnica bien establecida para materiales volumétricos, aunque siempre se debe de tener especial cuidado en mantener un flujo de calor unidireccional y evitar las pérdidas laterales de calor [10]. El objetivo de este trabajo fue determinar la conductividad térmica de residuos orgánicos como son cáscaras de naranja y una mezcla cáscaras de naranja-mulch, sustratos que después serán sometidos a un proceso de biosecado.

2. Metodología

2.1 Preparación de las muestras

Los residuos de naranja fueron triturados a un tamaño entre 2,5-4 cm. Se realizaron ensayos a tres diferentes tipos de humedad (seco, con contenido natural de humedad y saturado) por triplicado. Así mismo, se realizaron otros tres ensayos con las mismas variaciones de humedad, sin embargo en estos se agregó mulch como agente estructurante a una razón 1:5; es decir 20% mulch y 80% residuos de naranja, en peso. Las muestras recolectadas fueron pesadas mediante una balanza granataria OHAUS 700-800 SERIES, con el fin de agregar la misma cantidad en cada prueba.

2.2. Diseño y montaje del equipo

Para medir la conductividad térmica se utilizó el método en estado estacionario de placa caliente [2], [7], [11], [12], que como su nombre lo indica, consiste esencialmente en una fuente caliente constituida por dos placas calefactoras y una resistencia de acero inoxidable. La resistencia se colocó entre las placas de aluminio, que tienen las siguientes medidas: 17 cm de ancho x 17 cm de largo x 0,3175 cm de espesor y favorecen una transmisión de calor homogénea. La resistencia se conectó a un transformador de corriente de 15 V, conectado a su vez a la corriente alterna. Seguido de las placas calientes, se colocó la muestra del material a experimentar. La muestra ocupó un espacio de 17 cm de ancho x 17 cm de largo x 5 cm de espesor. En los extremos opuestos de las muestras, se ubicaron unas placas frías (de aluminio) como unidades de enfriamiento. Las medidas de las placas frías son de 17 cm de largo x 17 cm de ancho x 0,158 cm de espesor, que contiene serpentines interiores con un diámetro de 0,6 cm por donde circula agua. El agua de enfriamiento provenía de un tanque de 30 L. La temperatura del agua en el tanque se mantenía a 10 °C aproximadamente. En ambos lados de las muestras se

(1)

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colocaron termopares para registrar permanentemente las temperaturas de la cara fría y de la cara caliente. Se formó así una especie de emparedado horizontal con varias capas, donde el calor se produce eléctricamente por la resistencia y se va transmitiendo hacia los extremos contrarios por conducción. Cerrando totalmente el conjunto, se cubrió los 6 lados con láminas de unicel de 2 cm de espesor, para evitar pérdidas de calor hacia el exterior. Todo se cubrió con un segundo aislante (fibra de vidrio). Finalmente, el equipo estuvo montado dentro de una caja de madera para ofrecer estructura y soporte a los materiales. El término “Placa Caliente Aislada” es aplicado al aparato en conjunto.

2.3. Cálculo de la conductividad térmica

La técnica se basa en la ley de Fourier de conducción en estado estacionario (ecuación 1). La conductividad se midió luego que el equipo alcanzó el estado estacionario de transferencia de calor. En ese momento, se midió la diferencia de temperatura entre ambas caras y se registró la potencia eléctrica que se está entregando al equipo. La conductividad térmica se determinó mediante la siguiente expresión:

AT

LPk

m∆=

donde L es el espesor de la muestra (m), A es el área de distribución de calor (m2) P es la potencia suministrada (watts), y ∆Tm incremento medio de la temperatura de ensayo, que es igual a la media de los incrementos de temperatura entre las caras de cada probeta.

3. Resultados

El contenido de humedad obtenido de las cáscaras de naranja secas, naturales y saturadas fueron de 0,92±0,23%, 69,20±4,68% y 82,47±2,38%, respectivamente. El estado estacionario se alcanzó en diferentes tiempos, dependiendo del contenido de humedad que tenían las muestras, como se observa en la Tabla 1. Mientras mayor era el contenido de humedad, mayor era el tiempo en que tardaba el sistema en estabilizarse y mantener las temperaturas constantes. Los tiempos obtenidos en las determinaciones realizadas fueron característicos de la técnica usada [13]. Sin embargo, en la bibliografía no se encontró información sobre el tiempo que demora alcanzar el estado estable en función del contenido de humedad. Una posible explicación a la tardanza es, que debido a la gran cantidad de agua presente en las cáscaras, se llevó a cabo un transporte de agua desde los residuos hacia el medio ambiente, en forma de vapor (al aire presente dentro del equipo), y en forma líquida (drenada por medio de una purga). Después de que el sistema se estabilizó con relación a la transferencia de masa, se pudo iniciar el acondicionamiento térmico. La conductividad térmica de las cáscaras secas, naturales y saturadas de agua fueron 0,51±0,008, 0,63±0,0007 y 0,67±0,015 W/m°C, respectivamente, como se muestra en la Figura 1. También se presenta el modelo de regresión lineal. La conductividad térmica (K) mostró un aumento con relación al contenido de humedad. Este comportamiento fue semejante a los reportados en literatura, donde se han utilizado muestras de diversos residuos sólidos, tales como lodos urbanos mezclados con agentes estructurantes [5], material de composta (mezcla de paja de trigo con estiércol de pollo) [6], paja de trigo, viruta de madera, desperdicios de pavo, aserrín, estiércol de vacas y hojas, analizados por [7].

Tabla 1. Contenido de humedad de las muestras usadas para la determinación de conductividad térmica

Cáscaras de naranja Mezcla cáscaras-mulch

Contenido de humedad (%)

Tiempo en alcanzar el estado estacionario (h)

Contenido de humedad (%)

(2)

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Secas 0,92 0,23 15 4,24 4,66 1,15

Naturales 67,55 4,68 16,66 2,30 58,62 5,90

Saturadas 82,28 2,38 20 4 74,94 4,09

Este perfil también coincide con los encontrados en materiales muy diversos como son las rocas porosas y minerales [14]. La tendencia fue la esperada, ya que el agua (0,6 W/m°C) tiene una conductividad más alta que la del aire (0,026 W /m°C). Se podría establecer que mientras mayor sea el número de poros o espacios llenos de aire, menor será la conductividad térmica en comparación a si estuvieran llenos de agua.

También se determinó la conductividad térmica de la mezcla cáscaras de naranja-mulch. La mezcla inicialmente contenía una humedad de 58,62±5,90%. Con la saturación de agua, se alcanzó una humedad de 81,81±1,78 %. Sin embargo, el contenido de humedad más alto para el análisis de conductividad térmica fue de 74,94±4,09 %. Las pérdidas de agua por los procesos de difusión y convección hacían que la humedad máxima de la muestra fuera de 75% aproximadamente, cuando el sistema alcanzaba el estado estable. El efecto del contenido de humedad sobre la conductividad térmica de la mezcla de cáscara de naranja-mulch se presenta en la Figura 2, con su respectivo modelo de regresión lineal.

Figura 1. Relación de la conductividad térmica con el contenido de humedad de residuos de cáscara de

naranja

La mezcla de cáscaras de naranja-mulch tuvo la misma tendencia que la obtenida con las cáscaras de naranja sin mulch, la conductividad térmica aumentó con el contenido de humedad. Esto concuerda con lo reportado por [5], [6], [7]. No obstante, la conductividad térmica de las cáscaras solas fue mayor que la de la mezcla de cáscaras de naranja-mulch.

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Figura 2. Efecto del contenido de humedad sobre la conductividad térmica en la mezcla cáscaras de

naranja-mulch

Una posible causa de este decremento en la mezcla es, que la conductividad térmica de la madera se encuentra entre 0,11-0,255 W/m°C [2], mientras que el de la naranja es de 0,58 W/m°C [15]. Entonces, el mulch ocupó en la mezcla, un volumen importante, que antes era ocupado por cáscaras de naranja, derivando en una disminución de conductividad térmica. En la tabla 2 se observa que la conductividad térmica de las cáscaras de naranja es mayor que la de muchos residuos sólidos orgánicos, excepto de la paja de soya y de las hojas saturadas en agua. Esto indicaría que las cáscaras de naranja son un material adecuado para realizar un proceso de biosecado, ya que conducen el calor mejor que otros residuos orgánicos.

Tabla 2. Conductividad térmica de distintos residuos sólidos orgánicos.

Material Contenido de humedad

(%) Conductividad

térmica (W/m °C) Referencia

Mezcla de estiércol de ganado con aserrín 0 – 44,2 0,05 – 0,202 [4]

Paja de trigo Seco-Saturado en agua 0,13 – 0,47 [7]

Aserrín Seco-Saturado en agua 0.11 – 0,45 [7]

Estiércol vacuno Seco-Saturado en agua 0,20 – 0,50 [7]

Paja de avena Seco-Saturado en agua 0,17 – 0,84 [7]

Paja de soya Seco-Saturado en agua 0,18 – 0,70 [7]

Heno de alfalfa Seco-Saturado en agua 0,11 – 0,29 [7]

Hojas Seco-Saturado en agua 0,23 – 0,89 [7]

Viruta de madera Seco-Saturado en agua 0,10 – 0,40 [7]

Composta de estiércol de pollo y paja de trigo 13-35,75 0,15 – 0,28 [6]

Lodos urbanos con madera triturada (relación volumétrica de 1/3, respectivamente)

65 0,12 [5]

Cáscaras de naranja 0,92-82,28 0,51 – 0,67 Este trabajo

Cáscaras de naranja con mulch 4,7-75 0,35 – 0,53 Este trabajo

4. Conclusiones

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La conductividad térmica de los materiales estudiados presentó una relación lineal con respecto al contenido de humedad. Térmicamente hablando, las cáscaras de naranja son un residuo orgánico adecuado para realizar el proceso de biosecado. Se elaboraron 2 modelos de conductividad térmica para una mezcla de cáscaras naranja-mulch y cáscaras de naranja, con el fin de caracterizar a los residuos y obtener valores confiables que puedan ser usados en el modelado matemático del proceso térmico en biosecado.

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