Procesos Industriales para Ingenieria

8/9/2019 Procesos Industriales para Ingenieria

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Propiedades del Acero

Ricardo Herrera Mardones

Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile

Santiago, Chile

Octubre de 2006

Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con

coordinación del Ing. Ricardo Herrera


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. Introducción

• Aleación de Fe y C (~0.05-2%).

• Puede contener otros elementos como Mn, Ni, Nb, Cr,

V, P, S, Si, Cu, etc.• Porcentaje y elementos de aleación pueden modificar

propiedades del acero.

• Carbono Equivalente

(CE%) = C% + (Mn%/6) + ((Cr%+Mo%+V%)/5)

+ ((Ni%+Cu%)/15)

¿QUE ES EL ACERO?


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. Introducción

Elemento Efecto

COBRE Mejora resistencia a corrosión atmosférica.

MANGANESO Desoxidante, neutraliza azufre, facilitando

trabajo en caliente. Mejora la resistencia

SILICIO Se emplea como desoxidante y actúa como

endurecedor en el acero de aleación.

FOSFORO Y AZUFRE Perjudican la tenacidad del acero

ALEACIONES


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. Introducción

• Alta resistencia

• Uniformidad y homogeneidad

• Rango elástico amplio

• Durabilidad

• Ductilidad y tenacidad

• Rapidez de construcción

• Reciclabilidad

VENTAJAS DEL ACERO


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2. Proceso de Fabricación

Fuente: Infoacero.cl

CONVERTIDOR DE OXIGENO

DE ALTO HORNO


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CONVERTIDOR DE OXIGENO

DE ALTO HORNO


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2. Proceso de Fabricación HORNO DE ARCOELECTRICO


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AFINO DEL ACERO

Y LAMINACION


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Procesos de laminado en caliente

• Laminado en caliente tradicional.

• Laminación controlada.

– Laminado de normalización (N)

– Laminación termomecánica controlada

• Enfriamiento acelerado

• Temple y autorrevenido

PROCESOS DE

LAMINACION


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4. Propiedades del acero

• Estructura cristalina

PROPIEDADES

FISICAS

Cris tal cúbic o de

mal la centrada

Crist al cúbic o de

cara centrada


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Propiedades metálicas características

• buena ductilidad (o maleabilidad).

• conductividad térmica elevada.

• conductividad eléctrica elevada.

• brillo metálico.

PROPIEDADES

FISICAS


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Resistencia a la Corrosión

• Corrosión: pérdida de sección debido a reacciones

químicas o electroquímicas con medioambiente.• Resistencia depende de:

– Composición química

PROPIEDADES

FISICAS


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Ensayo a tracción

PROPIEDADES

MECANICAS


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4. Propiedades del acero PROPIEDADESMECANICAS

Acero dulce Acero de alta resistencia

Fyd


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4. Propiedades del acero PROPIEDADESMECANICAS

Curva idealizada esfuerzo-deform ación del acero

s

e

Rango elástico

Rango plástico

eu

Fyd

Fys

Fu

Endurecimiento

por deformación

E


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• Módulo de Young

E = 200000 MPa

• Modulo de Poisson

– Elástico

n = 0.3 (aumento de volumen)

– Plástico

n = 0.5 (volumen constante)

PROPIEDADES

MECANICAS


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Resistencia a la fractura (tenacidad)

• Imperfecciones son microgrietas.

• Inclusiones y dislocaciones dependen de lacomposición, el proceso de laminación y el tratamiento

térmico.

• Grietas generan concentración de tensiones.

• Existe longitud crítica de grieta que inicia la propagación

de la grieta

PROPIEDADES

MECANICAS


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Máquina de Ensayo Charpy

PROPIEDADES

MECANICAS

Probeta


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• Dureza:

Resistencia a penetración superficial.

– Métodos de ensayo

• Dinámicos: ensayo de dureza al impacto y ensayo de dureza Shore

• Estáticos: ensayo Brinell, ensayo Vickers y ensayo Rockwell

PROPIEDADES

MECANICAS


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• Composición química

• Tratamiento térmico

• Estado de esfuerzos• Historia de deformaciones

• Temperatura

• Velocidad de carga (deformación)

FACTORES


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• Estado multiaxial de esfuerzos

Von Mises:

FACTORES

ESTADO DE ESFUERZOS


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4. Propiedades del acero FACTORESHISTORIA DEFORMACIONES

s

e

“Strain aging”

Ductilidad después de endurecimiento

por deformación y “strain aging”

Endurecimiento

por deformación

A

B

C


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4. Propiedades del acero FACTORESTEMPERATURA


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4. Propiedades del acero FACTORESVELOCIDAD DE CARGA


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4. Tipos de Acero

• Aceros al carbono

Contienen diversas cantidades de C y menos del 1,65% de Mn, el

0,60% de Si y el 0,60% de Cu. Ejemplo: A36

• Aceros aleados

Contienen V, Mo y otros, además de cantidades mayores de Mn, Si

y Cu que los aceros al carbono. Ejemplo: A514

• Aceros de baja aleación y alta resistencia

Contienen cantidades menores de aleación. Tratados para obtener

resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Ejemplo:

A572, A992.• Aceros inoxidables

Contienen Cr, Ni y otros para resistir oxidación.

CLASIFICACION

SEGUN COMPOSICION


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5. Tipos de elementos de acero estructural

Perf i les Laminados

Angulo Te Canal Perfil W

Barra Placa


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5. Tipos de elementos de acero estructural

Perf iles p legados (en f río)

Tubo circular Tubo rectangular

Perf i les plegados y s oldados


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6. Usos del acero

• Estructuras de marco: edificios, torres, puentes,

galpones.


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6. Usos del acero

• Cáscaras y membranas: estanques, silos, calderas,

cascos de barco.


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6. Usos del acero

• Estructuras suspendidas: puentes, techos.


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Ernesto Ponce L.


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Progreso desde S XIX


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Fundición


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Arte


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Arte


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Ingeniería


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Defensa de las riquezas


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Producción de pellets


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Producción básicahierro-acero


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Tocho acero


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Alto Horno-Hierro


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Alto horno & equipo


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Horno para acero


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Resumen del proceso


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Colada continua acero


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Proceso en caliente


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Fabricación depalanquilla


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Laminación en caliente


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Laminación en caliente


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Laminación en frío


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Producción enSudamérica


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Producción mundial


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Distribución en Chile


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Pesca en Chile


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Pesquero-Chile


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Panga


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Moderno pesquero


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Bodega de buque


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Descarga a la planta


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Descarga pescados


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Proceso harina


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Industria peruana


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Diagrama harina pesc.


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Fileteado-Congelado


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Cocedor de pescados


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Prensa para pescado


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Prensa estrujadora


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Prensa doble tornillo


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Secador de tornillo


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Secador de tubos avapor


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Secador vacío y vapor


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Harina de pescados


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Pelletizador


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Pellets de harina de pez


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Planta harina


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Ciclón recuperador


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Chinchorreros


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Eliminación pescaartesanal


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Producción USA-Chile


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Peligro almacenaje HP


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Prohibir pesca de arrastre

Hacer leyes más justas para los artesanales

Fomentar pisciculturas ecológicas

Legislar para proteger estos recursos

Crear cuotas racionales de pesca

Soluciones posibles


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Técnicas Energéticas - 67.5

Aplicaciones

del Biogas

Facultad de Ingeniería - UBA


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Biogas

• Originado por descomposición de materia

orgánica por bacterias anaeróbicas

• Gas compuesto principalmente por CH4 y

• Composición: varía según la biomasa utili

• Valor energético: 20-25 MJ/m³

(vs. 33-38 MJ/m³ del gas natural)


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Generalidades

• Centros de consumo => generan desperdicios or

– Concentraciones humanas

– Resultantes de un proceso fabril

– Actividad agropecuaria

• Difícil tratamiento y disposición

• Zonas consumidoras de energía aisladas de gran

centros urbanos => usan generadores de electric

• Utilización de desperdicios orgánicos => generac

biogas => generación de electricidad + disposició

desperdicios (+ producción de fertilizante en algu

casos)


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Biodigestores

• Contínuos: – La carga de materia orgánica y la producción

biogas son contínuos

– Presentan variaciones de temperatura (carga

digestor)

• Discontínuos:

– Se agota la materia prima => se los vacía y serecarga => tiempo sin producción de gas

– Se trabaja generalmente con 3 digestores

– Poseen gasómetros o pulmones

– Trabajan con temperatura más uniforme


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Biodigestores

• Tipo indú: – Desarrollado a mitad del siglo XX (basado en

experiencias de alemanes y franceses durante

Segunda Guerra)

– Opera a presión constante

– Gasómetro incorporado

– Objetivo: energético

• Tipo chino

– Basado en experiencas indúes

– Opera con presión variable

– No tiene gasómetro

– Objetivo: sanitario y ambiental


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Biodigestores• Tipo indú:

– Cilíndricos, de 1 a 2 m de diámetro y 2 a 2,5 m de profu


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Biodigestores• Tipo chino:

– Desde 10m³ a 200m³


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Biodigestores• Tipo moderno:

– Posee 2 membranas flexibles

– Membrana superior negra


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Biodigestores

Accesorios:

• Filtro de biogas:

– Elimina H2SO4 y H2S

– Utiliza limaduras de hierro y virulana• Gasómetro

• Serpentina de calefacción

• Trampa de agua

• Agitadores• Válvulas

• Manómetros


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Generación de electricida

• Utilizando biogas como combustible en

motogeneradores:

– Motores con combustible dual

– Motores especiales para biogas (incluyen elpretratamiento del gas)

• Utilizando biogas en pilas de combustible

– Generación de electricidad

– Calor generado por la pila => fermentación – Requieren un biogas con al menos 60% de m


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Rellenos sanitarios• Se genera biogas por la descomposición de mate

orgánica => se puede:

– Ventear

– Quemar con antorchas

– Aprovecharlo como combustible para generar electricid


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Equipamiento para generac

de electricidad• Generadores a Gas

– Versátiles para funcionar con biogas y otras gases alter

funcionar con biogas se pierde un 10% de potencia en e

que conlleva el mismo nivel de pérdidas en la generació

electricidad)

– Motores Diesel adaptados para funcionar con biogas

Generador con motor Diesel adaptado Generador con moto


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de electricidad• Generadores a Gas con motor Diesel:

– En el caso de los motores diesel, el biogas puede reemplazar 80% del gasoil

– La baja capacidad de ignición del biogas no permite reemplaztotalidad del gasoil en este tipo de motores que carecen de bucombustión.

– El gas es succionado junto con el aire de combustión hacia el


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de electricidad

• Dispositivos para adaptar los motores para

utilización de biogas:

– Filtro para la captación del sulfuro de hidrógen

biogas – Sistema de encendido electrónico

– Sistema de tratamiento de gases de escape

– Control de combustión

– Mezclador de Aire-Biogas


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de electricidad• Sistemas de tratamiento de gases de escap

– Objetivo: disminuir la emisión de monóxido de carbono

– Consiste en un intercambio térmico regenerativo

– El gas de escape fluye a ~500°C, desde el motor a travésunidad conmutadora hasta el primer depurador, donde sehasta 800 °C

– En la cámara de reacción, el gasde escape reacciona con eloxígeno que contiene, oxidando elmonóxido de carbono y elhidrocarburo para producir dióxidode carbono y agua

– El gas de escape vuelve a emitircalor a medida que atraviesa lasegunda depuradora y llega a launidad conmutadora que lo dirigeal conducto de escape de humos


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de electricidad• Sistema de control de combustión:

– Controla la riqueza de mezcla pobre para minimizar las e

gases de escape y mantener un funcionamiento del moto

– Enlaza directamente la salida de energía, la presión de e

temperatura del combustible y la emisión de óxido de nitr

– Corrige los parámetrosdel motor paragarantizar que éstecumpla los requisitosde emisión de NOx deforma permanente,compensando en el

caso de desviacionesde las característicasdel gas.


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de electricidad• Mezclador de Aire-Biogas:

– No hay pérdida de presión durante el mezclado aumentana una máxima eficiencia

– Aún con cambios en el caudal másico del gas, la proporcipermanece constante

– Con la temperatura de la cámara de combustión, el sistem

regula la emisión de gases del motor ajustando la proporccorrespondientemente


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con turbinas• También la generación de electricidad se puede realizar me

calderas y turbinas de gas

• Un caso especial de este tipo de generación es el controlado de Bouqueval/Plessis-Gassot, el cual se encu20km al norte de París

• La producción total de biogas se eleva a 13.000 m3/hora, valorizan 10.000 m3 para producir 10 MW/hora de electriciel consumo medio de una ciudad de 30.000 habitantes.


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con turbinas

• Tras su captación y control, los 10.000 m3 de

biogás que se producen en el vertedero

controlado de Bouqueval se queman en tres

calderas

• Los quemadores de estas calderas se adaptan

automáticamente a la cantidad y a la calidad del

biogás entrante, es decir, a su contenido en

metano

• Cada una de las calderas suministra 30 toneladas

de vapor a 380° C, a una presión de 40 bars

• Este vapor pone en marcha la turbina que gira a

7.500 rpm, conectada a su vez a un alternador

que, produce cerca de 20.000 voltios de

electricidad


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con turbinas

• Una turbina de vapor transforma la energía del flujo de vapo

agua en energía mecánica. Al pasar por las toberas de la tu

reduce la presión del vapor (se expande) aumentando así su

velocidad. Este vapor a alta velocidad es el que hace que lo

móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobr

mismos


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Utilización del biogas

Un metro cúbico de biogás totalmente combustioes suficiente para:

• Generar 1.25 kw/h de electricidad.

• Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo

watt.

• Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de cap

durante 1hora.

• Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capa

durante 30 minutos.

• Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 hora


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Utilización de biogas en el mu

• A finales del 2005: 2.700 plantas de biogás estaban instala Alemania con una potencia eléctrica total de 650 megavati

• El gráfico a continuación representa la participación de RS

utilización de energías renovables en la Unión Europea


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• En escasas ocasiones la cantidad de CH4 genaprovechado eficientemente

• La economía de generación con el biogás de resanitarios depende fuertemente de las inversiopara ello deban hacerse

– Perforación de los pozos de extracción, la construcci

red de recolección, de la planta de tratamiento del gabloque de potencia

• Costo de generación: 3 a 6 centavos de dólar p

• Si el relleno no existe, la economía del proyectanalizarse tanto desde el punto de vista eléctricdesde el punto de vista ambiental

• Si no existen condiciones para aprovechar el bninguna forma, debe considerarse la opción dey quemarlo en una instalación adecuada


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Utilización del biogas en Argen

• Por estrictas razones económicas, la incineraci

residuos sólidos municipales, el aprovechamie

biogas, la generación de energía eléctrica, el

compostaje, no tienen aplicación en Argentina

– por la existencia de tierras aptas disponibles para laconstrucción y operación de rellenos sanitarios y su b

relativo

– por los bajos costos del gas natural y de la energía e

generada por los métodos tradicionales

– por la baja relación costo-beneficio de una planta gen


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Diseño y construcciónde plantasde biogássencillas


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Índice

Introducción

Cuidados para construir una planta de biogás sencillaUbicación de una planta de biogás sencilla

ExcavaciónTipos de plantasDimensionamiento

Ejemplo de dimensionamientoInstalaciones complementarias

Tuberías

Trampas de agua y pendientes de la tuberíaReducción del contenido de sulfuro de hidrógenoTanque de mezcla-desarenador

Consideraciones para el diseño y cálculo estructural de una planta de biogás

Placa de fondoMampostería y morteroCasco esférico o cúpula de mampostería

CuelloDetalles constructivos y materiales de construcción

Materiales más usados en la obraHerramientas y dispositivos

HerramientasDispositivos

Partes principalesLosa de cimentación

Muro cilíndricoViga de cerramiento o cierre del muroCúpula o domo esféricoViga de cierreCuello

7

89111320252727

282929

32353637

3841424444444646

4647474748


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Tapas de hormigónTrabajos de terminación y acabado

Repellos

Estucado e impermeabilizaciónRellenos y nivelación del terrenoPintura en generalProtección y cercado del áreaPuesta en marchaExplotaciónMantenimiento

Selección, diseño y ejecución de plantas de biogás

del tipo GBVBibliografía

484949

50505050515152

5366


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Esta obra está concebida para brindar los conoci-

mientos mínimos que deben tenerse en cuenta al seleccionar, dimen-sionar y construir una planta de biogás sencilla, además de contribuiral desarrollo del arte del biogás en Cuba. Para ello, el autor ha tenidoen cuenta las enseñanzas provenientes de los errores más frecuentesque se incurren en el diseño y la construcción de biodigestores, así como las valiosas experiencias de los usuarios y técnicos que a lolargo de los últimos quince años han trabajado e intercambiado sobreel tema mediante talleres, como el realizado en Sancti Spíritus del 27

al 29 de febrero de 2006, dedicado a la actualización y perspectivasde la producción de biogás en Cuba bajo el principio del desarrollosostenible, con participación extranjera y una representación impor-tante de instituciones, centros y personalidades provenientes de casitodos los territorios del país.

Por «arte del biogás en Cuba» entendemos la acción participativay creativa de un sector amplio de la población cubana en la instrumen-tación y generalización de la tecnología del biogás, a partir de caracte-

rísticas, posibilidades y condiciones específicas.

Introducción


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La sencillez de algunas plantas de biogás puede di-

ficultar el entendimiento de que es preciso tener mucho cuidado entodo el proceso de su concepción y construcción, sobre todo cuandono se dispone de los materiales idóneos y se emplea recortería omateriales en desuso. Por tal razón, se necesitan criterios y conoci-mientos técnicos que permitan valorar su factibilidad y determinar losrequisitos mínimos para prolongar la vida útil de la instalación.

Algunas encuestas realizadas indican que el número de personasque se motivan o se hacen eco a favor de la tecnología del biogás es

mayor cuando una planta funciona. El número de desmotivados creceentre 30-50 % y en ocasiones se multiplica cuando la planta funcionamal. Generalmente, esto ocurre cuando la selección de la planta no sehace o se decide correctamente, su manejo no se corresponde con lascaracterísticas de los usuarios, los detalles no se cumplen con el rigornecesario y muchas veces están mal dimensionadas o se dimensio-nan sin fundamentos lógicos. El constructor de una planta de biogástiene que poder distinguir cuáles son las soluciones realmente utiliza-

bles y saber por qué se debe prestar tanto cuidado a la hora de cons-truir una planta de biogás sencilla.

Las condiciones necesarias para tener una planta de biogás son:• Desearlo, conocer sus bondades y sentir la necesidad de su uso.• Tener disponibilidad financiera para adquirir los recursos necesa-

rios o poseerlos (total o parcialmente).• Disponer de materia orgánica, agua y espacio.• Conocer cuándo un diseño resulta funcional para sus característi-

cas y posibilidades.Este manual, sin pretensiones rígidas, puede servir para valorar

este último requisito y evaluar la factibilidad de las demás condiciones.

Cuidados para construir una planta de biogás sencilla


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La ubicación de un biodigestor es tan importante como

su propia construcción. Una planta mal ubicada será una instalacióninútil, a la que no se le sacará provecho. Por el contrario, una buenaubicación desempeña un papel importante para su fácil manejo y ope-ración. Un estudio previo del lugar y una detallada evaluación reporta-rán ganancias en el futuro.

Los principales aspectos que se deben tener en cuenta al ubicarun biodigestor son los siguientes:

• Seleccionar el lugar más cercano posible a la fuente de materia

prima.• Debe tratarse, por todos los medios, de que la topografía del

terreno permita el cargado de la planta por gravedad.• En el lugar debe existir una fuente de agua para realizar la mezcla

y mantener la limpieza de la planta.• La instalación donde se utilizará el biogás debe encontrarse lo

más cerca posible de la planta de biogás (Lmáx

< 0,95 P

máx; donde

Lmáx es la distancia máxima en metros; y Pmáx, la presión máxima en

milímetros de columna de agua).• La topografía del terreno debe favorecer que la utilización del

bioabono líquido se realice por gravedad.• Se debe evitar el contacto con el manto freático, para prevenir las

filtraciones hacia el interior o la contaminación del manto. Comonorma, el fondo del biodigestor debe encontrarse a un metro omás del manto freático.Para lograr un buen trazado de la planta, en el área que se utiliza-

rá para su construcción, es imprescindible eliminar todo aquello quesea un estorbo, como escombros, hierbas, plantas, raíces, etcétera.

Cuando el terreno se encuentra limpio, se procede al replanteodel biodigestor y el tanque de compensación. Según el volumen deldigestor que previamente se haya seleccionado y utilizando los valo-

Ubicaciónde una planta de biogás sencilla


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10 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PLANTAS DE BIOGÁS SENCILLAS

res de la tabla de la figura 1, se marcan en el terreno las distanciasindicadas en las figuras 1 y 2 empleando para ello estacas, cuerdas yuna manguera para correr niveles. La mayor parte de las plantas de

biogás construidas en la región central del país responden a las di-mensiones típicas principales de las referidas figuras para biodigesto-res de pequeña y mediana escala del tipo cúpula fija.

Fig. 1. Excavación para biodigestores típicos del tipo Nicarao, desde

12 hasta 42 m3.

Desde que comienza hasta que termina la construcción, todas lasmedidas verticales se tomarán a partir del nivel de referencia, que seestablecerá por encima del nivel del terreno, para su fácil control,

DIGESTORES TÍPICOS DIMENSIONES PRINCIPALES DE LA EXCAVACIÓN ( M ) A B C D E F

12 2,90 1,80 1,70 0,45 3,20 1,3224 3,10 2,20 1,90 0,60 3,50 1,3742 3,60 2,60 2,10 2,72 4,00 1,37


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11 JOSÉ ANTONIO GUARDADO CHACÓN

entre 50 y 60 cm. Este nivel se marca mediante un cordel durante laconstrucción para mantener posteriormente los niveles exactos. Esecordel se sostiene con dos estacas situadas a cada extremo del biodi-

gestor y del tanque de compensación. Durante la construcción, estasestacas tendrán fijadas el nivel de referencia mediante puntillas u otrosobjetos adecuados. El nivel de referencia se deberá mantener inaltera-ble, ya que cualquier movimiento o desplazamiento llevará a errores enla construcción del biodigestor, a veces de gran significación.

Fig. 2. Planta y corte de la excavación para biodigestores típicos deltipo Nicarao, desde 12 hasta 42 m3.

E XCAVACIÓNLa excavación puede realizarse de forma manual o

mecanizada. Para la seguridad de los constructores se debe dejarcierta inclinación en las paredes, de acuerdo con el tipo de terreno. La


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Tipos de plantas

En general, las plantas de biogás simples que se

conocen pueden ser divididas en tres tipos (ver Fig. 3).El diseño y dimensionamiento de un biodigestor depende, en lo

fundamental, de los factores siguientes:a) Tipo y composición del material orgánico que se debe emplear

para la biodigestión.b) Demanda de biogás y de biofertilizante.c) Materiales de construcción que se deben emplear.d) Tecnologías constructivas apropiadas.

e) Facilidad de explotación y mantenimiento.f) Posibilidad económica del usuario.

Estos seis factores pueden ser resumidos en dos:• Factibilidad de la inversión (necesidad y condiciones creadas).• Características y situación económica del usuario.

Las plantas de tecnología simple, según el régimen de carga ollenado, se clasifican en dos tipos fundamentales: de flujo continuo,mayormente empleadas para la obtención de volúmenes considera-

bles de gas; y las de flujo discontinuo o Batch, para pequeñas produc-ciones de biogás.

La gran ventaja de las primeras es que las bacterias metanogéni-cas reciben un suministro estable del material orgánico, por lo queproducen biogás de manera más uniforme.

Las plantas de tecnología simple más empleadas, y de flujo conti-nuo, pueden agruparse en dos tipos ampliamente desarrollados en lapráctica:

a) Planta de cúpula móvil, en la cual el gasómetro (compuesto ge-neralmente por planchas metálicas) flota sobre el material orgáni-co en fermentación.

b) Planta de cúpula fija, en la que el gas se almacena en la partesuperior debido al desplazamiento gaseoso.


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Las ventajas de las plantas de cúpula fija son las siguientes:

Fig. 3. Clasificación de las plantas de biogás simples más empleadas.

• Su construcción se realiza con paredes de bloques de hormigón ycúpula de ladrillos, y se emplean otros materiales conocidos, como

cemento, arena, piedra y acero constructivo, que aseguran unaalta resistencia y durabilidad de la obra.

• No presentan partes móviles propensas al desgaste, así comotampoco partes metálicas que faciliten la corrosión.

• Su tiempo de vida útil se extiende a más de veinte años.


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Fig. 5. Biodigestor tipo Nicarao.

Cuando el volumen del biodigestor excede los 100 m33333 se utilizan,por lo general, otras tecnologías más complejas, como son:

a) Fermentador de contacto. Una parte del material orgánico yadigerido es reciclado a un reactor de mezcla continua, donde se

incorpora material orgánico crudo y se asegura una alta concen-tración de bacterias metanogénicas.

b)Biodigestor de manto de lodo de flujo ascendente. Su configuraciónhidráulica produce una capa de sólidos suspendidos con gran conte-nido de bacterias, lo que asegura un alto grado de biodegradación.

1. T ANQUE DE MEZCLA ( DESARENERADOR ) 7. LOZA DE FONDO2. TANQUE DE COMPENSACIÓN 8. MURO CIRCULAR3. T UBO DE CARGA 9. CÚPULA DE LADRILLOS4. T UBO DE SALIDA DEL BIOGÁS 10. CUELLO

5. T UBO

DE

SALIDA

DE

LODOS

11. ACCESO

DEL

TANQUE

DE

COMPENSACIÓN

6. T UBO DE REBOSO


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Fig. 6. Biodigestor tipo GBV.

c) Biodigestor de cama fija. Constituido por un lecho o filtro de pie-dras, piezas de cerámicas o plásticas, etc., que producen un áreade adherencia de las bacterias. Se emplea para líquidos con pococontenido de sólidos en suspensión.

1. T ANQUE DE MEZCLA ( DESARENERADOR ) 7. LOZA DE FONDO2. TANQUE DE COMPENSACIÓN 8. MURO CIRCULAR3. T UBO DE CARGA 9. CÚPULA DE LADRILLOS4. T UBO DE SALIDA DEL BIOGÁS 10. CUELLO5. T UBO DE SALIDA DE LODOS 11. ACCESO DEL TANQUE DE COMPENSACIÓN6. T UBO DE REBOSO 12. T RAMPA DE AGUA


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d) Digestión de fases. Las fases de digestión ácida y metanogénicason producidas separadamente, lo que asegura las condicionesóptimas para lograr el mayor rendimiento en la biodegradación y,

por tanto, en la producción del biogás.Estos biodigestores, de más de 100 m33333, suelen emplear gasóme-

tros separados del biodigestor y son utilizados generalmente como

Fig. 7. Resultados de la implementación de los biodigestores tiposNicarao y GBV, de 12 m3 para un ejemplo concreto.


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elementos (objetos de obra) dentro de un sistema de tratamiento,aunque ello se ha logrado también con el sistema constructivo decúpula fija, diseño modular, hasta 300 m3 de capacidad, como es el

caso del construido para el motel Las Tecas, en el municipio de Ran-chuelo, provincia de Villa Clara.

Los tipos de biodigestores expuestos hasta aquí, que exigen unalto rigor técnico y una disponibilidad económica adecuada, no siem-pre son atractivos para dar respuesta a los usuarios con limitacionesfinancieras y que con esfuerzos propios pretenden construir una plan-ta de biogás confiable. Por tal motivo, se trabaja en el desarrollo de unconcepto que integra la situación y posibilidades del usuario a un

diseño que abarata los costos de estas instalaciones y disminuye suárea, lo que las haría accesibles a un amplio sector de la poblacióncubana. Los diseños de estos modelos, denominados GBV (ver Fig. 6),no se ciñen a un solo tipo de material ni forma, sino abarcan unadiversa gama de posibilidades y situaciones que enfrentan los usua-rios que saben comprender la esencia del biogás. El diseño del mode-lo GBV se concibe a partir de las bondades del citado modelo Nicarao,por lo que pueden considerarse dentro de la referida evolución. Los

modelos GBV, diseñados para condiciones específicas, requieren obli-gatoriamente de un reconocimiento minucioso del lugar y de una en-cuesta a los usuarios (metodología GBV), que de una u otra formaintervienen en el diseño. En la figura 7 se exponen los parámetrosprincipales de un biodigestor de 12 m3, para un caso dado a partir delos conceptos de los modelos Nicarao y GBV.


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d) Motores de combustión interna. El biogás es un combustibleexcelente para motores, tanto de gasolina como diésel. Sólo seregistra una ligera disminución de la potencia y el motor trabaja

algo más caliente que con el combustible líquido. Si se dotan deun mezclador de aire-gas adecuado, los motores de gasolina pue-den trabajar con 100 % de biogás, sin necesidad de gasolina,incluso en el arranque. No ocurre lo mismo con los motores Diesel,debido a que la temperatura al final de la carrera de compresión no essuperior a los 700 grados, y la temperatura de ignición de la mezclaaire-biogás es de 814 grados, por lo que se hace necesaria la inyec-ción de una pequeña cantidad de combustible diésel antes de finali-

zar la carrera de compresión del pistón, para obtener la ignición de lamezcla y asegurar el funcionamiento normal del motor. En condicio-nes óptimas se logra economizar entre 70 y 85 % del combustiblediésel, sustituyéndolo por biogás. El consumo en motores es 0,45-0,54 m3/h por caballo fuerza (HP) de carga, o 0,60-0,70 m3/h porKW de carga, con una presión de 25 a 100 mm de CA.

e) Soldaduras. La temperatura de una llama de oximetano es dealrededor de 3 000 grados, o sea, 250 grados menos que la llama

oxiacetilénica. La temperatura de la llama oxi-biogás sería menoraún en dependencia del porcentaje de metano del biogás, por loque no sería aplicable a las soldaduras ferrosas, aunque sí puedeutilizarse para soldar aleaciones de latón, cobre y bronce.En resumen, la demanda energética de los usuarios se puede

calcular según los parámetros expuestos en la tabla 1.

T ABLA 1.

Demanda energética de los usuariosEQUIPO CONSUMOCOCINA (1 QUEMADOR ) 150-200 L/HORALÁMPARA DE ILUMINACIÓN 120-200 L/HORAREFRIGERADOR DOMÉSTICO 50-100 L/HORAMOTOR DE COMBUSTIÓN 500 L/HORA POR HPCOCINA INDUSTRIAL 1 000-3 000 L/HORACONSUMO POR PERSONA (1 COMIDA ) 150-300 L

CONSUMO POR VIVIENDA (5 PERSONAS Y 2 COMIDAS ) 1 500-2 400 L/DÍA

Algunos de los índices de consumo que también pueden tomarsecomo base de cálculo, cuando el biogás se utiliza para cocinas, seexponen en la tabla 2.



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la necesidad de realizar mediciones, en el lugar, del volumen y carac-terísticas del estiércol producido.

En cuanto a la temperatura, existen tres rangos reportados:

• Psicrofílico: de 10 a 25 ºC (temperatura ambiente).• Mesofílico: de 30 a 40 ºC.• Termofílico: de 45 a 60 ºC.

El rango en que se desarrollan las bacterias metanogénicas es de35 a 55 ºC (la temperatura óptima es de 30 a 35 ºC), por lo que para elclima cubano, con temperatura promedio de 25 ºC, algunos autoresaplican un factor de corrección de 1,3 para el cálculo del volumennecesario de digestión, aunque casi todos los biodigestores funcio-

nan en los límites de temperatura mesófilas; por ende, la digestiónocurre cerca de su temperatura óptima (35 ºC), en la cual, al parecer,se combinan las mejores condiciones para el crecimiento de las bacte-rias y la producción de metano, con un corto tiempo de digestión de losdesechos.

Una vez predeterminado el volumen del biodigestor, se procede acalcular el volumen de diseño, con dos posibles partidas:

1. Tratar todo el residual y obtener los subproductos que de ello se

derive.2. Tratar solamente la parte del residual que garantice la energía

que se requiera.Para el caso de biodigestores de campana flotante, de poco uso

en la actualidad, el parámetro que acota el diseño es el que establecela relación diámetro-altura, que se recomienda entre 0,5-1,5. Algunosparámetros orientativos para la construcción de estos biodigestorescon excretas vacunas, se indican en la tabla 4.

T ABLA 4.Algunos parámetros orientativos

para la construcción de biodigestores de campana flotanteESTIÉRCOL VACUNO VOLUMEN DE GAS DIÁMETRO INTERIOR ALTURA TOTAL( KG/DÍ A ) ( M3/DÍA ) DEL BIODIGESTOR ( M ) ( M )50 2 1,6 4,1580 3 1,8 4,65112 4 2,2 4,65150 6 2,4 4,85

200 8 3,2 5,23250 10 3,6 5,73400 15 3,8 5,73550 20 4,55 5,73690 25 5,15 6,23970 35 5,95 6,23


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Las fórmulas fundamentales que se emplean para el dimensiona-miento del biodigestor de cúpula fija (caracterizado por sus tres par-tes: cónica, cilíndrica y esférica), se exponen en la figura 8.

Los pasos que se deben seguir para su empleo son los siguientes:1. Se calcula el volumen total (V

tot ), sobre la base del volumen de la

mezcla agua-estiércol y el tiempo de retención.2. Se calcula el radio del volumen predefinido (R).

Fig. 8. Partes en que se divide un biodigestor de cúpula fija y susfórmulas de cálculo.


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3. Se calcula la unidad en metros (U = R/4).4. Se determina el resto de las denominaciones.

Algunos parámetros en cuanto a volúmenes de almacenamiento

de gas para biodigestores de cúpula fija, tipificados en nuestro país,se señalan en la tabla 5.

T ABLA 5.Relación entre volúmenes de biodigestor y almacenaje de biogás

para plantas típicas de cúpula fijaVOLUMEN DEL BIODIGESTOR ( M3 ) 12 24 36 42VOLUMEN DE ALMACENAJE DEL GAS ( M3 ) 3,75 7,15 8,14 10,30RELACIÓN VOLUMEN DEL BIODIGESTOR//VOLUMEN DE ALMACENAJE DEL BIOGÁS 3,20 3,36 4,36 4,07

E JEMPLO DE DIMENSIONAMIENTOEl cálculo del aporte orgánico de la población animal

para una temperatura ambiente de 10 a 25 ºC (Psicrofilica), se realiza apartir de los datos de la tabla 6.

T ABLA 6.Aporte orgánico de la población animal

TIPO/ESPECIE C ANT. PV P , PV E , C ANT. EXCRETA, T E ,DE CABEZAS KG KG KG/DÍA HORAS/DÍA

CERDOS 100 45 50 2,25 24V ACAS 10 400 350 10 6

Donde:PVp: Peso vivo promedio de la población animal de diseño.

PVe: Peso vivo equivalente tomado de la tabla 3 referido a la espe-cie animal.Te: Horas del día que el animal permanece estabulado.

El cálculo en cerdos se realiza de la manera siguiente:10 cabezas · (PVp / PVe) · cantidad de excreta · (Te / 24) == 100 · 0,90 · 2,25 · 1 = 202,5 kg estiércol/díaConociendo previamente que para los cerdos y vacas los sólidos sus-

pendidos se estiman en alrededor de 20 %, su valor en kilogramos será:SS = 202,5 kg · 0,2 = 40,4 kg sólidos suspendidos/díaEl cálculo en vacas se realiza de la manera siguiente:10 cabezas · (PVp / PVe) · cantidad de excreta · (Te / 24) == 10 · 1,14 · 10 · 0,25 = 28,5 kg estiércol/día


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SS = 28,5 kg · 0,2 = 5,7 kg sólidos suspendidos/díaEntonces,Estiércol total/día = 202,5 + 28,5 = 231 kg/día

Una vez determinado la cantidad de excreta, se calcula el volu-men total teniendo en cuenta la dilución recomendada (ver Tabla 3).

De esta manera el volumen de mezcla por día en el digestor será:Vt = 231 kg estiércol/día + (3 · 231 kg agua/día) = 693 kg mezcla/díaEs decir,Vt = 0,69 m3/díaEl cálculo se ha hecho sobre la base de la recogida del estiércol

sin vehiculación hídrica.

En los casos en que la limpieza del establo sea con mangueras, seprocurará que el agua en la mezcla no exceda la proporción recomen-dada en la referida tabla.

Considerando 40 días de retención, para la estabilización de lamateria orgánica, el volumen total de digestión (V1 + V2 + V3) será:

Vt = 0,69 m3/día · 40 días = 27,6 m3

Se diseña un biodigestor para 28 m3 o se selecciona, entre losdigestores típicos, el que mejor convenga según criterio del diseña-

dor; en este caso se ha tomado el de 24 m3.Es recomendable que la carga orgánica no rebase los 2,0 kg/m3/día,

por lo que a partir de los sólidos volátiles calculados, se efectúa elchequeo:

40,4 kg (cerdos) + 5,7 kg (vacas) = 46,1 kg SS /díaPor lo tanto, la carga orgánica diaria en el volumen del digestor será:(46,1 kg SS /día)/24 m3 = 1,92 kg SS/m3/díaLo que constituye un valor aceptable según el criterio recomendado.

Por lo general, el tanque de compensación tendrá un volumenequivalente al volumen de gas en el segmento esférico V2 =Vtc ; cono-ciendo que el radio del digestor es igual al radio del tanque de com-pensación se determina la altura ( h ) del cilindro:

h = V tc / (ð · R 2 )

Dejando un borde libre de 20 cm, la altura total será:htc = h + 0,20



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T UBERÍASEl gas producido en el biodigestor debe ser conduci-

do a los lugares de uso a través de tuberías. La tubería de presión dePVC resulta adecuada para esta finalidad, ya que presenta las venta-jas siguientes: resistente a la corrosión, facilidad de instalación y me-nores precios. Su desventaja radica en la necesaria protección contralos rayos solares y el movimiento de animales y transporte pesado.

El diámetro de la tubería requerida depende de la distancia desde laplanta hasta el lugar de consumo del gas, así como del flujo máximo de

gas requerido y de la pérdida de presión admisible. El flujo máximo del gasse obtiene sumando los consumos de los equipos que funcionen simultá-neamente. La tabla 7 permite seleccionar el diámetro de la tubería.

Tabla 7.Pérdidas de presión en mm de columna de agua,

por cada 10 m de tuberías de PVCCAUDAL 1/2” 3/4” 1” 1 1/2” 2”( M3/H ) 17 MM 23 MM 30 MM 43 MM 54 MM0,5 1,0 0,3 0,11,0 2,5 0,7 0,22,0 7,0 1,8 0,62,5 9,9 2,5 0,83,0 13,1 3,3 1,0 0,24,0 20,7 5,2 1,6 0,35,0 29,6 7,4 2,2 0,46,0 29,7 9,8 2,9 0,67,0 12,6 3,7 0,78,0 15,7 4,6 0,9 0,39,0 19,0 5,6 1,0 0,410,0 22,6 6,6 1,3 0,5

Instalacionescomplementarias


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T RAMPAS DE AGUA Y PENDIENTES DE LA TUBERÍA El gas proveniente de un biodigestor sale general-

mente saturado con vapor de agua, parte del cual puede condensarseen la tubería, lo que causa obstrucciones si la tubería no ha sido co-rrectamente instalada.

El agua condensada en las tuberías debe escurrir hacia los puntosbajos donde están localizadas las trampas de agua. De acuerdo con latopografía del terreno y la longitud del trayecto, varía la cantidad detrampas requeridas. Una pendiente de 2 % es suficiente para la insta-lación. El diámetro mínimo para la conducción deberá ser de ¾ pulga-

das, mientras que para las instalaciones dentro de la vivienda es de ½pulgada.

Fig.9. Instalación de una trampa de agua a la cocina.

Existen diferentes tipos de trampas de agua, como la de tipo cerradocon una válvula de bola para evacuar el agua condensada (siendo el tipomás usado); mientras que la de tipo abierto, como la trampa en V, debetener una altura que compense la presión de la planta (Fig. 9). Las tram-pas de agua deben ser inspeccionadas periódicamente por el usuario.


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Para las válvulas de cierre se recomienda el uso de las de bola, yasean metálicas o de PVC, y se debe chequear su hermeticidad contrael escape del gas. Se deberá colocar una válvula a la entrada de

cualquier dispositivo para consumo del gas, así como a la salida delbiodigestor.

Como regla, en las grandes plantas son colocadas trampas contraincendio para evitar su propagación a través de la tubería. Estas tram-pas consisten en sellos hidráulicos a través de los cuales pasa el gas enuna sola dirección (no permiten su circulación en sentido contrario).

REDUCCIÓN DEL CONTENIDODE SULFURO DE HIDRÓGENOEl H

2S es necesario eliminarlo si su concentración es

mayor de 2 %, por las molestias que ocasiona y su alto poder corrosi-vo. Esta eliminación se realiza por absorción con hidratoférrico Fe(OH)

3,

el que puede ser regenerado por exposición al aire (Fig. 10 y 11).

Fig. 1o. Montaje de una trampa de ácido sulfhídrico.

La reducción del CO2 es complicada tecnológicamente, para lo

cual se emplea el hidrato de cal, y se obtiene como subproducto finaldel carbonato de calcio. La reducción del CO

2 se hace necesaria en

plantas donde se comprima el gas en balones, para uso posterior.

T ANQUE DE MEZCLA -DESARENADOREste tanque, en cualquier tipo de planta con alimen-

tación semicontinua, tiene un volumen interno un poco mayor que elvolumen de carga diario, entre 10-20 %.


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Fig. 11. Montaje de una trampa de ácido sulfhídrico realizada con tube-rías y accesorios plásticos.

En el desarenador es conveniente construir el piso del tanque conuna pequeña inclinación hacia el lado opuesto del tubo de carga, paraevitar que materiales inertes penetren en el biodigestor, como piedras

que por accidente sean arrastradas por el sustrato. Es convenientedejar una abertura en el lado de la inclinación, por donde se puedanevacuar estos materiales.

Por lo general, el tubo que comunica el desarenador con el biodi-gestor es de PVC y tiene un diámetro que varía entre 10 y 15 cm, en

1. T RAMO DE TUBO D = 100 0 200 mm 5. T APA DE FONDO2. T APA 6. ENTRADA DE BIOGÁS CRUDO3. VIRUTA DE HIERRO 7. SALIDA DE BIOGÁS SIN ÁCIDO SULFHÍDRICO4. PARRILLA INTERMEDIA


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dependencia del tamaño de la planta. El extremo que penetra en elbiodigestor debe estar a una altura entre 40 y 60 cm del fondo, paraevitar que el material sedimentado lo obstruya. Si el tamaño de la

planta lo justifica, pueden emplearse dos tubos de carga.

Fig. 12. Tanque de mezcla y desarenador típico para plantas sencillasde biogás.

Como en este tanque es donde se efectúa la mezcla del estiércolcon agua, se requiere colocar tapones en el tubo de descarga y en elde evacuación de sedimentos, fácilmente removibles sin necesidad

de tocar el sustrato. Todas las características anotadas se muestranen la figura 12.


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En el diseño de una planta de biogás, además de la

determinación de las dimensiones volumétricas y proporciones de suscomponentes o partes fundamentales, en función de la producción deexcreta a procesar y el volumen de biogás se requiere realizar loscálculos estructurales de las partes. De acuerdo con las cargas y es-fuerzos a que estarán sometidas cada una y a la forma o esquemageneral seleccionado para la obra, se determinan las tensiones y soli-citaciones en sus diferentes partes, a partir de las cuales se seleccio-nan las dimensiones y esfuerzos de cimientos, vigas, losas, etc., así

como se precisan las dimensiones de estos elementos que previa-mente habían sido seleccionados a partir del diseño volumétrico.

Un requisito esencial en una planta de biogás es que debe serimpermeable. El depósito de gas no debe tener fugas y por esta razónse deben tener en cuenta los cálculos que eviten fisuras.

Como es sabido, la formación de fisuras comienza por aquellaszonas donde las tensiones o solicitaciones a tracción son de mayormagnitud, las cuales pueden ser originadas tanto por el efecto de las

cargas estáticas a que está sometida la estructura, por la ocurrencia dedesplazamiento o asentamientos diferenciales de algunas de sus par-tes o de la cimentación, o como consecuencia de la dilatación o contrac-ción que sufre la estructura por el efecto de cambios de temperatura.

Las fuerzas internas y externas que actúan sobre la estructura deuna planta de biogás pueden definirse como sigue:

Fuerzas internas: Flexión, fuerzas verticales, de gravedad, de tor-sión, etcétera.

Fuerzas externas: Acción de la presión de la tierra, presión o cargahidráulica, peso propio, presión del gas, cargas variables, etcétera.

El efecto o magnitud de la acción, tanto de la acción de las cargasexternas como sobre la estructura dependen, en gran medida, de laforma de su construcción.

Consideraciones para el diseño y cálculo estructural

de una planta de biogás


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De igual manera, las fuerzas internas pueden ser disminuidas sise selecciona una forma de construcción apropiada. Tal es el caso delas estructuras conformadas por superficies curvas (bóvedas, cúpu-

las, cilindros, etc.), en las que se logra una distribución más uniformedel efecto de las fuerzas externas, originándose un «reparto» másdistribuido de las fuerzas internas, lo que disminuye la concentraciónde tensiones y por tanto los «picos» en sus diagramas.

En comparación con construcciones formadas por superficies pla-nas, las construcciones en forma de bóveda pueden compensar mejory con más seguridad las cargas orientadas en diferentes direcciones.

Aparecen grietas en aquellos sitios donde las tensiones son fuer-

tes. Esto ocurre fundamentalmente en los bordes, esquinas, ángulosy en aquellas secciones donde existen cargas concentradas.

En construcciones angulares se crean picos por concentración detensiones en las esquinas, por lo que los biodigestores de plantas decúpula fija nunca deben tener forma angular.

Se originan grietas también debido a tensiones de tracción, mien-tras que en secciones sometidas a tensiones de compresión nunca seoriginan grietas. Por esta razón, la cámara de gas de una planta de

cúpula fija debe estar sometida siempre a tensiones de compresión.La presión hidráulica del cieno de fermentación está orientada

hacia afuera. La presión de la tierra está orientada hacia adentro. Siambas presiones se presentan dentro del margen dado, se alivia lacarga de la construcción.

Fig. 13. Ejecución y terminación del cuello típico para una planta debiogás de los modelos Nicarao y GBV.



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En una construcción en forma de bóveda aparece la carga desdeafuera, aún cuando en la época de seca la tierra esté dura y agrietada.

Una forma redonda es siempre apropiada porque no tiene esqui-

nas, la carga se distribuye mejor y se necesita menor cantidad de mate-riales de construcción para un mismo volumen de almacenamiento.

Algunos detalles más precisos, en cuanto al diseño y cálculo delas partes fundamentales que conforman la estructura de un biodiges-tor de cúpula fija, se exponen en las figuras 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11.

Fig. 14. Anillos de refuerzo para la construcción de plantas de biogásde los tipos Nicarao y GBV.


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PLACA DE FONDOLa placa o losa de fondo constituye la cimentación

de la obra y es la encargada de repartir y trasmitir al suelo soportante

todo el peso de la estructura, además de garantizar, a la vez, la nece-saria estabilidad y solidez de la obra en su conjunto. Mientras mayorrigidez posea esta losa, menor será la posibilidad de que ocurranasentamientos diferentes, deformaciones indeseables que puedanoriginar fisuras y, en general, mayor uniformidad en la distribución delas cargas y en las condiciones de trabajo a que se somete el suelosobre el cual se levanta la obra (Fig. 15).

Fig. 15. Ejecución de las partes principales de una planta de biogástipo Nicarao y GBV.

Por otra parte, el área que bordea la losa desempeña un papelfundamental en la magnitud de las tensiones que finalmente se tras-

miten al suelo, siendo estas menores en la medida en que dicha áreaaumente.

No obstante, el adecuado diseño de la losa de fondo debe estar,en todos los casos, basado en dependencia del tipo de suelo sobre elque se va a cimentar la obra y en estrecha relación con el aspecto


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económico, en lo que a cantidad y tipo de materiales de construcciónse refiere.

Como regla, para la construcción de la losa de fondo deberán

emplearse materiales locales. Por razones de rentabilidad se reco-mienda, según el caso, el empleo de los materiales siguientes:

• Piedra de hormigón con relleno de mortero y lechada de cemento.• Mampostería de ladrillo con repello de cemento.• Hormigón armado.

En suelos blandos se requiere de una losa que posea una rigidezmayor, capaz de repartir lo más uniformemente posible las cargas yque no se deforme ni fisure por asentamientos del subsuelo. Para ello

se recomienda el empleo de losas de hormigón simple o armado, así como la conformación de losas cónicas, con las que se alcanza mayorrigidez con menor espesor de la losa, en comparación con los espeso-res necesarios que requerirían losas circulares planas.

En suelos más compactos o de mayor resistencia, como los com-puestos por arcillas compactas, areno-arcillosos o rocas fragmentadaso blandas, se debe emplear losas de piedra de hormigón o macadán conrelleno de mortero. En estos casos, al igual que en los de suelos blan-

dos, se recomienda que la losa sea cónica; en el perímetro exterior seconforma un «tacón», o anillo exterior de hormigón armado, que refuer-za la capacidad de carga y aumenta la rigidez de la placa.

En suelos de gran resistencia, como los rocosos, se permite elempleo de losas de mampostería o de cantos, combinadas con sussellos de mortero y una zapata o anillo circular para apoyo de la cúpulao muros.

En suelos considerablemente blandos, como es el caso de los

arcillosos, lodo, etc., se debe colocar una capa de arena de 10 a 20 cmde espesor en la superficie de contacto entre el suelo y la losa defondo, previamente compactado y nivelado.

En todos los casos, antes de efectuar la fundición de la losa debe-rá comprobarse que la superficie sobre la cual se va llevar a cabo lafundición esté perfectamente nivelada, uniforme y limpia.

M AMPOSTERÍA Y MORTEROEl mortero y los ladrillos deben tener, más o menos,

la misma solidez. Si los ladrillos son blandos, el mortero tampocopuede ser muy duro.

El mortero de cemento siempre debe estar elaborado con unaadición de cal, pues de esta forma la mezcla obtenida es más fácil de


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trabajar, además de que se logra una mejor impermeabilidad en elelemento o en la superficie en que se aplica.

La parte más importante del mortero es la arena. Esta debe estar

limpia, y no debe contener arcilla, ni polvo, ni materia orgánica. Laarena con un alto contenido de polvo o arcilla absorbe mucho máscemento para lograr una misma resistencia, en relación con la arenalimpia. La arena debe contener un máximo de 10 % de polvo o arcilla.Si el contenido es más alto, la arena debe ser lavada. Con lejía de sosase puede comprobar si ésta contiene mucha materia orgánica.

El mortero de cemento puede prepararse en distintas proporcio-nes o relación de mezcla arena-cemento-cal, en función del elemento

o lugar de la obra donde será aplicado. Entre estas relaciones sepueden mencionar las indicadas en la tabla 8.

T ABLA 8.Proporciones recomendadas para la preparación de morteros

ELEMENTO RELACIÓN ARENA-CEMENTO-CALMORTERO DE RELLENO EN PISO, MUROS DE BLOQUE, ETCÉTERA 5:1:(0,5)REPELLO DE MUROS ( EXTERIORES ) 6:1:(0,3)

REPELLOS EN GENERAL 4:1:(0,3)CÚPULA DE MAMPOSTERÍA 4,5:1:(0,5)ENLUCIDOS 3:1:(0,3-0,5)

En los repellos y la conformación de muros generalmente se utili-za mortero con relación 4:1, con arena que pase por el tamiz de 3 mm.

En el caso de muros verticales, en lugar de ladrillos pueden em-plearse bloques de hormigón entre 0,15 y 0,20 m de espesor, aunque

en estos casos generalmente resulta más costoso que si se emplea-ran ladrillos.Cuando se utilizan bloques en los muros del biodigestor, la litera-

tura recomienda que sean «macizados» con mortero de cemento, conuna relación de 5:1 o 6:1. No obstante, en la provincia de Villa Clara sehan construido plantas con muros de bloques no macizados sin que sehayan apreciado fallas o problemas por mala impermeabilización.

C ASCO ESFÉRICOO CÚPULA DE MAMPOSTERÍA El casco esférico o cúpula (ver Fig. 13) tiene la fun-

ción de constituir la cubierta o tapa del reservorio o tanque donde sealmacena el cieno de fermentación para su digestión y su descompo-


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sición para la obtención del biogás, o sea, la cubierta del biodigestor.En la práctica generalizada de construcción de plantas de biogás haprevalecido y se impone la construcción de esta cubierta en forma de

cúpula y, en algunos casos, de bóveda (en biodigestores no circula-res), debido a su relativamente fácil ejecución, ya que no requiere deencofrados y permite la utilización de ladrillos, así como el ahorro demateriales que se alcanza y el efecto que se logra con esta forma en elaprovechamiento del volumen de gas almacenado y la distribución decargas estáticas en los muros y cimientos de la obra.

Es importante destacar que en el espacio que encierra la cúpuladel biodigestor es donde generalmente se acumula o almacena du-

rante mayor o menor tiempo el biogás que se desprende de la biodi-gestión del cieno fermentado. Por ello resulta muy importante para elfuncionamiento adecuado y la eficiencia de la planta, la calidad conque se construya dicha cúpula.

Un casco esférico es fácil de construir porque el radio siempreparte del mismo punto central. Una vara de una medida o longitudconstante es el único utensilio que se necesita, fijada en uno de susextremos al punto geométrico que sirve de centro o foco de la cúpula.

Mediante el movimiento rotatorio circular desde el muro de apoyohasta la boca o cuello final del extremo libre de la vara, se va determi-nando la posición y colocando los ladrillos hasta que queda conforma-da la cúpula.

En la parte superior de la cúpula, cuando el ángulo de inclinaciónde la vara es superior a 45° con respecto a la horizontal, generalmentese recomienda sujetar el primer ladrillo de cada camada medianteganchos preparados al efecto, hasta que el próximo ladrillo quede

colocado. Esto es necesario porque la inclinación que va alcanzandola pared de la cúpula provoca inestabilidad y deslizamiento del ladrillodebido a la colocación del siguiente.

Una vez levantada la cúpula, interior y exteriormente, se recubrenlas superficies con repello grueso y fino, y en la superficie interior serealiza un estucado, sobre el cual se aplican una o dos manos depintura impermeabilizante. En ocasiones el estucado puede aplicar-se, además, en la superficie interior de los muros.

CUELLOEl cuello del biodigestor (ver Fig. 16) está constituido

por un muro cilíndrico compuesto por dos secciones (según la soluciónde que se trate), apoyado sobre la viga circular de cerramiento, que se


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funde en todo el perímetro donde termina la mampostería de la cúpulay le sirve de cierre.

Fig. 16. Cuello para una planta de biogás tipo Nicarao y GBV, quepermite el acceso y la extracción del biogás.

El cuello se conforma también con mampostería de ladrillos, repe-llados por ambas superficies (interior y exterior) con repello grueso,

fino y estuque en el interior. Tiene como función permitir el acceso ovisión al interior del biodigestor, a la vez que en él se coloca la tuberíaque recoge el biogás acumulado en el interior de la cúpula.

Es importante destacar que sobre el cuello se sitúa una tapa decierre, que debe garantizar una hermeticidad perfecta, a fin de que noocurra escape del biogás acumulado en el interior. Para lograr estoexisten diferentes métodos, pero el más comúnmente utilizado con-siste en la colocación de la tapa sobre un sello de mortero fresco y

posteriormente el recubrimiento de ésta con una capa de arcilla plástica(o barro) bien amasado, de 3 a 10 cm de espesor (en los extremos),sobre la cual se mantiene permanentemente una capa de agua de 5 cmpara que no se seque y cristalice, lo que origina fisuras de retracciónque pueden romper la hermeticidad.


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El cuello del biodigestor (ver Fig. 16) está cerrado arriba con unatapa removible de hormigón armado de 10 cm de grosor, que se cons-truye con el mismo molde utilizado para su asiento. La tapa se coloca

sobre una junta de arcilla que evita el escape del biogás al exterior.Para mantener la arcilla húmeda se mantendrá sobre la tapa un sellohidráulico y éste se cubrirá a la vez con una tapa de hormigón de unespesor de 0,7 cm, que será el terminal del cuello. El cuello se cons-truirá en dos secciones, primero con ladrillos y después con hormigónarmado. El mortero para la colocación de los ladrillos tendrá una dosifi-cación de 1:3 (cemento y arena), mientras que el hormigón tendrá unadosificación 1:2:3 (uno de cemento, dos de arena y tres de piedra).

El cuello se construye encima del anillo de compresión (hormigónarmado), con cinco hiladas de ladrillos o citara. Es recomendable lacolocación de la primera hilada en las últimas horas del fraguado delhormigón del anillo, para lograr una continuidad en el fraguado delsistema. Para obtener una buena conformación del cuello por su for-ma cilíndrica se debe utilizar el tubo guía con la ayuda de una pequeñaformaleta (listón de madera), que tendrá 0,27 cm de largo (radio), conel cual el interior del cuello tendrá 0,50 cm de diámetro después del

repello. Colocadas ya las cinco hiladas, se retirarán el tubo guía y laformaleta para dar paso a la segunda etapa.

Concluida la colocación de las cinco hiladas de ladrillos, se proce-de a situar el primer encofrado metálico, en cuya ranura se colocará eltramo de tubería de 30 cm (de acero o galvanizado), por donde saldráel biogás. A este tubo se le suelda un anillo de alambrón (¼”) parahacer estanco la junta de hormigón; se confeccionará un aro de acero(1 cm) que será la armadura del primer anillo; posteriormente se fundi-

rá con hormigón de gravilla y se dejará endurecer para continuar con elsegundo anillo.



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Es imprescindible que todos los materiales de construcción que seutilizarán en la obra se encuentren lo más próximo posible a ella, a finde ahorrar tiempo y trabajo. Al ubicarlos debe evitarse que se mezclen

o se liguen; deben situarse en un lugar limpio y de fácil acceso para suacarreo.

El cemento deberá almacenarse en un lugar seco, donde no reci-ba humedad. Debe definirse el sitio para el mezclado de los materia-les, que debe estar entre la excavación y los materiales.

M ATERIALES MÁS USADOS EN LA OBRA Cemento. Debe ser de calidad (Portland), preferen-

temente de 350 kg/cm2, se utilizará para confeccionar los morteros yhormigones en toda la obra.

Piedra (rajón cabezote). Se utilizará si el subsuelo es de pocafirmeza, arcilloso; se excavará una capa de piedras, sobre la que sefundirá el cono.

Piedra de hormigón (¾”). Será empleada para construir el hormi-gón del cono y el fondo del tanque de compensación, de la caja decarga y el desarenador.

Gravilla. Se empleará para conformar el hormigón de los anillos,intermedios, el terminal del muro de bloque y la base de la cúpula, elanillo de cierre de ésta, así como en las tapas y el cuello.

Arena. Se utilizarán dos tipos de arena: lavada (utilizada en laconfección de todos los hormigones) y de cantera (empleada en losmorteros, para levantar muros, los resanos y el estuco de la cúpula).

Cal. Junto con la arena se usará en el estuco para el interior de lacúpula.

Ladrillo de cerámica. Se prefiere el estándar (12 x 25 x 6-5 cm) de140 kg/cm22222; con el cual se construirá la cúpula y parte del cuello.

Bloques de hormigón. Los bloques huecos de hormigón debencorresponder con las normas de fabricación, con los que se construi-rán el muro del biodigestor y el del tanque de compensación, la caja decarga y el desarenador.

Acero. Se utilizarán cabillas de 3/8 o ½” corrugada tipo A 30, ycabillas lisas ¼ (6 mm) de tipo A-24 en todas las armaduras, en los

anillos y en las armaduras de las tapas.En conformidad con estos usos, la cantidad de materiales necesa-

rios para los biodigestores típicos que hemos denominado de peque-ña y mediana escala, son los que se relacionan en la tabla 10.


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Tabla 10.Listado de materiales para biodigestores típicos de cúpula fija del tipo Nicarao,

con volúmenes de 12, 24 y 42 m3

NO M ATER IAL ES U/M V-12 V-24 V-42

1 Cemento Saco 80 100 1202 Arena m3 5 7 103 Grava m3 6 8 114 Bloque de 15 cm U 420 530 7405 Ladrillo macizo U 510 780 1 1206 Acero 3/8" kg 149 173,6 282,727 Acero 1/4" kg 21 27 368 Puntilla kg 3 3 39 Alambre de amarre kg 5 5 710 Madera de construcción m3 0,3 0,3 0,511 Excavación m3 26 50 9012 Relleno m3 11 25 4513 Material de encofre m2 7 8 10Observaciones:1. Las tuberías, válvulas y otros materiales y accesorios para el traslado del biogás al usuario, no se indican por ladiversidad de situaciones que pueden darse.2. Las cantidades de materiales que se deben utilizar pueden variar de acuerdo con el lugar y objetivos en generalde la planta (utilización o no de gasómetros, inclusión o no de lechos adicionales para aprovechar el lodo extraído,etc.), por lo que los valores de estas cantidades son promedio.

Es importante señalar la incidencia que tiene la selección y cali-

dad de los materiales en la estanquidad y seguridad de la obra. Unaplanta de biogás no impermeable deja de ser una planta de biogás. Enla página 50 se refiere al proceso de estucado e impermeabilización,pero también es imprescindible el diseño por fisuración y formación degrietas que ocurren en las zonas donde las tensiones y solicitacionesa tracción son de mayor intensidad, que son disminuidas evitandoángulos, realizando muros circulares, etc. Se debe evitar la posibleocurrencia de desplazamientos y asentamientos diferenciales en cual-

quier parte de la estructura. También se debe ubicar la planta alejada desitios donde se produzcan vibraciones por motores o paso de vehículos.


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HERRAMIENTASLas herramientas utilizadas son las que generalmen-

te se emplean en obras de albañilería, excavación y movimiento detierra, fundición de hormigón y elementos de mampostería.

Herramientas para la excavación y movimiento de tierra. Barra deacero (barreta), palas, picos, carretillas (vagones), cubos, mandarria,polea o romana, apisonador manual.

Herramientas de albañilería. Nivel de burbujas manual, hilo (cor-del), nivel de manguera, escuadra de albañil, flota, plomada, cuchara

de albañil.Otras herramientas manuales: Cinta métrica, alicates, tenazas,

martillos, estacas de madera o metal, segueta, hachuela, cincel, se-rrucho, zaranda con abertura de malla de 3 mm, alambre o soga.

DISPOSITIVOSEl biodigestor está compuesto básicamente por tres

elementos estructurales con forma de tres figuras geométricas defini-

das: losa de cimentación (cono), muro circular (cilindro) y cúpula supe-rior (esfera). Para facilitar la construcción se recomienda disponer delos dispositivos siguientes:

Eje central. Se instala un tubo de hierro galvanizado de 2” dediámetro y 6 m de longitud en un agujero conformado en el vértice delfondo cónico, aplomándose debidamente y fijándolo mediante arrios-tes o vientos (tres como mínimo), en su parte superior para conservarsu verticalidad. El agujero donde se apoya el tubo será rellenado con

mortero pobre, para lograr cierto empotramiento, pero que permitaretirar el tubo una vez finalizados los trabajos y pueda éste ser utiliza-do en otra obra.

Guía rectangular. Se utiliza para la construcción del muro circular.Puede elaborarse con listones de madera, o mejor aún con tubos gal-

Herramientas y dispositivos


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vanizados. Se fija al eje central (del cual se retiró previamente la es-cuadra utilizada para la conformación de la losa), de manera que girelibremente alrededor de éste. Generalmente, el extremo libre de la

guía se arrastra mediante un tirante (viento), al extremo superior deleje central.

Escuadra de madera. Se requiere para la fundición de la losa conplaca cónica de fondo. Se ajusta al eje central, sobre el cual gira con elradio y la altura requerida por la losa.

Guía o formaleta recta. Se utiliza para la construcción de la cúpulaesférica. Se ajusta en un extremo al eje central (del cual fue retiradopreviamente la guía rectangular), girando libremente alrededor de éste

y, además, con una bisagra o eje adicional que permite su movimientocircular en el plano vertical.

Ganchos de sujeción. Se utiliza para la colocación de contrapesospara la sujeción de los ladrillos durante la construcción de las últimashiladas que conforman la cúpula. Se elaboran con cabillas de 3/8pulgadas.



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tos de tuberías o conductos de entrada y salida del cieno de fermenta-ción en el biodigestor, según la solución o esquema de la planta.

V IGA DE CERRAMIENTOO CIERRE DEL MUROEsta parte, también denominada viga de apoyo, sir-

ve como elemento de cierre del muro y, a la vez, de apoyo de la cúpula.Esta viga posee una forma triangular o trapezoidal, y se apoya

uniformemente sobre el muro. Se funde con hormigón armado conuna resistencia de 20 Mpa.

Es importante que la superficie superior de la viga, una vez fundi-

da, posea la debida inclinación, de manera que se logre el ángulopreciso con que debe colocarse la primera hilada de los ladrillos queconforman la cúpula.

CÚPULA O DOMO ESFÉRICOSobre la viga de cierre del muro se indica la coloca-

ción de la primera hilada de ladrillos, utilizando la guía o formaleta

para la cúpula.El radio que se debe mantener se señalará en la formaleta me-

diante una puntilla clavada y bien aplomada en su canto inferior, demanera que indique la posición del interior en el que debe quedarcolocado el ladrillo.

La formaleta se va moviendo a la posición del siguiente ladrilloque se colocará, y así sucesivamente se va repitiendo la operación encada hilada. De este modo va quedando conformada la cúpula, cur-

vándose lentamente el muro hacia el interior y disminuyendo su aber-tura circular superior. Cuando esta curvatura es tal que provoca eldesprendimiento del ladrillo en el momento de su colocación, se em-plean entonces los ganchos de sujeción, que se van colocando sobrelos ladrillos recién puestos, lo que evita que se desprendan, y presio-nándolos contra los ladrillos de la hilada anterior.

V IGA DE CIERRESirve de elemento de cierre de la cúpula, mantenien-

do el orificio necesario en ésta para el acceso o inspección del interiordel biodigestor. Sirve, además, de base para el cuello.

Su sección es trapezoidal y se conforma con hormigón armado deuna resistencia de 15-20 Mpa.



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Su encofrado se apunta desde adentro del biodigestor o desdeafuera con ganchos, lo cual no es muy común.

CUELLOEncima de la viga se construye el cuello, que tiene

forma cilíndrica y se conforma con ladrillos. Consta de dos partes; en laprimera se colocan los ladrillos en doble citarón, hasta alcanzar laaltura a la que va colocada la primera tapa, que sirve como cierrehermético del biodigestor. A continuación se mantiene el cuello con unmuro en citara hasta su extremo superior, donde va colocada otra tapade protección.

T APAS DE HORMIGÓNLa primera tapa que se debe fundir garantiza el cie-

rre hermético del biodigestor; la segunda cumple la función de evitarla evaporación del agua que recubre la arcilla colocada encima de laprimera tapa.

Ambas tapas generalmente se funden aparte, mediante el em-pleo de moldes con las dimensiones sugeridas.

En la conformación de las tapas puede emplearse hormigón conarena fina (gravilla), con resistencia de 15 Mpa, colocando una mallade alambrón como refuerzo.

Es importante prever en ambas tapas, durante su fundición, lacolocación de ganchos insertados que sirvan para el agarre, a fin depoderlas manipular y mover fácilmente según sea necesario a la horade destapar el biodigestor.



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Si los trabajos de diseño y construcción revisten una

esencial importancia para el funcionamiento y explotación óptima deuna planta de biogás, los trabajos de terminación y acabado constitu-yen también un proceso de máxima importancia para una obra, ya queson los que deben garantizar la debida protección y estanqueidad delos elementos que la componen, y a la vez brindarle la adecuadaestética a todo el conjunto.

Entre los trabajos fundamentales de terminación y acabado deuna planta de biogás, se pueden mencionar los siguientes:

• Repellos de los distintos elementos y partes.• Relleno y nivelación del terreno al nivel definitivo, una vez realiza-

dos todos los rehinchos.• Restauración de los niveles normales del terreno y conformación

del sistema de drenaje exterior, así como de los accesos a la planta.• Pintura de las superficies visibles y expuestas, a fin de darle un

adecuado aspecto estético a la planta.• Eventual protección y cercado del área que ocupa la planta, en

caso de ser necesario.

REPELLOSAdemás de las características de los repellos descri-

tas anteriormente, es necesario señalar que por regla general no de-ben poseer un espesor menor de 2 cm, y que el proceso de aplicaciónrecomendable es el siguiente:

Primero: Lechada de agua-cemento-arena sobre la superficie.

Segundo: Colocación del repello, cuya proporción mínima es de 1:3.Tercero: Lechada de agua-cemento (según el tipo de elemento).Este último se aplica a superficies que requieran de mayor estan-

queidad, como es el caso del interior del biodigestor y del tanque decompensación.

Trabajosde terminación

y acabado


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ESTUCADOE IMPERMEABILIZACIÓNEn zonas de acumulación de gas, como el interior de

la cúpula y el cuello, se recomienda, como regla general, aplicar unestucado sobre el repello, que sirve a su vez de superficie adecuadapara la aplicación de la protección impermeabilizante. Esta última ge-neralmente se obtiene mediante el empleo de varias manos de pinturaa base de agua con cemento. En ocasiones esta impermeabilizaciónse logra con la aplicación de pinturas esmaltes o sintéticas, que debenser aplicadas estando la superficie bien seca, pues en caso contrariola práctica ha demostrado que se producen desprendimientos, y se

pierde su efecto

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