El horno mufla de resistencias eléctricas trabaja bajo condiciones específicas en las cuales se estudian su potencia, valor de las resistencias eléctricas entre otros parámetros, para establecer como base unas condiciones reales en donde al someter las simulaciones de los perfiles de temperatura se puede realizar una comparación directa de la transferencia de calor y las temperaturas en el reactor pirólisis, tomando de la literatura y comparando con el modelo real del laboratorio de ingeniería obtenemos los parámetros del horno, en donde se extraen las tablas de los parámetros de la referencia [7], y se comparan con los parámetros de los horno mufla a disposición de la facultad, para encontrar los valores reales del modelo y de esta manera poder realizar los estudios térmicos de la transferencia de calor al reactor de pirólisis.

Como principal objetivo de estudio la temperatura y transferencia de calor al rector de pirólisis, es indispensable conocer los parámetros físicos de un horno mufla de resistencias eléctricas, para ser adaptados en un perfil de temperaturas ideal al proceso.

Observando los valores de la tabla 1, se puede intuir que la temperatura máxima del horno mufla puede ser menor a la investigada por lo que no son suficientes los parámetros de las resistencias eléctricas. A continuación, se toman los parámetros ilustrados en la tabla 2 del horno mufla, siendo este el más aproximado al modelo real modificado estudiado, para realizar pruebas piloto de pirólisis en donde se destaca la frecuencia y voltaje de trabajo, para poder realizar un perfil de temperaturas adecuado al proceso y obtener mejores resultados de las simulaciones de la transferencia de calor, los parámetros se extrajeron de diferentes fabricantes de hornos mufla, en donde se publican estos parámetros en los manuales de uso, se comparó con la referencia [8] en donde se calcularon dichos valores de un horno mufla construido de manera casera bajo los mismos parámetros al modelo de referencia del estudio.

Tabla 1

Temperatura máxima del trabajo	1100°C
Temperatura de fusión	1400°C
Potencia especifica a 1000°C	2 W/cm2
Resistencia a 20°C	1.1 Ω mm 2/m
Coeficiente de Resistividad a 1200°C	1.045
Resistividad	1.77*10-6 Ω M
Coeficiente de temperatura	0.00013
Densidad especifica	8.412

Tabla 2

Temperatura máxima del trabajo	850°C
Frecuencia monofásica	50 - 60 hz
Potencia del horno	2500 W
Resistencia en Ohmios de los filamentos	14,66 Ω
Voltaje	110v

En el proceso de pirólisis ocurren varias transformaciones termoquímicas en donde dependiendo del resultado que se desea obtener, se deben modificar y controlar las temperaturas y los tiempos de reacción siendo estos los más importantes del proceso, para el estudio utilizando polímeros se tomaron diversas fuentes en la literatura, en donde se destacan las temperaturas sometidas en diferentes residuos plásticos, la concentración de estos [9].

Es muy importante aclarar que el enfoque debe ser el rendimiento de líquidos y gases en el proceso, ya que estos son indispensables en la reutilización energética, para esto se observaron los datos en la figura 3. Donde a temperaturas entre 350°(C) a 500°(C), se obtuvo un porcentaje de rendimiento liquido en los tiempos de 0 minutos a 120 minutos de la reacción, en el estudio realizado se utilizaron los polímeros ya mencionados, obteniendo de acuerdo con [10]. Los tiempos de 40 minutos y 60 minutos aproximadamente para el ensayo [11].

Figura 3

En la emulación de las temperaturas transferidas por el horno al reactor de pirólisis, se tomará 45 minutos como tiempo transitorio para obtener resultados del control de perfil de temperaturas. En la figura 3 podemos observar como el polietileno de alta densidad (PEAD) y el Poliestireno (PS) son los que mas aportan un resultado en estado liquido al finalizar el proceso de pirólisis.

La pirólisis puede ser realizada en diferentes rangos de temperatura, donde estos varían entre los 300°(C) hasta los 800°(C). Es muy importante definir un rango menor, donde se pueda controlar las temperaturas máximas y obtener el mayor costo beneficio del proceso de reutilización emergentica, a menor temperatura del proceso, menor tiempo y calor consumido [12].

De acuerdo con los hallazgos del proceso de pirolisis [13], se puede encontrar un rango de temperaturas menor de 450-525°(C), para la transformación energética de los polímeros, para esto se tiene en cuenta la gráfica Differential Thermal Analysis (DTA) y Derivative Thermogravimetry (DTG) ilustradas en las figuras 4. y 5. donde se realizó el estudio determinando los cambios de calor específico en una muestra de polímeros triturados [14].

Figura 4

Figura 5

Las graficas ilustradas en la figura 4 y 5 son de gran relevancia ya que, nos indican para los diferentes polímeros a estudiar en el proceso de pirólisis, la temperatura en donde se obtiene la transformación de los polímeros dentro del reactor de pirólisis, este rango de temperatura cerca de los 500° (C) nos permite obtener la temperatura máxima y de sostenimiento, para la creación del perfil de temperatura del horno mufla.

Para la transferencia de calor generada por el horno mufla de resistencias eléctricas al reactor de pirólisis, de acuerdo con el modelo ilustrado en la figura 6, obtenida de la referencia [15], se obtiene el siguiente modelo de referencia para la transferencia de calor, el cual ilustra las paredes del reactor de pirólisis.

Figura 6

De acuerdo con el modelo de transferencia de calor considerado, se obtienen las siguientes ecuaciones para las 3 paredes del reactor de pirolisis [15].

Fundamento en las ecuaciones ec 1, a la ec 12, se puede generar un modelo matemático de transferencia de calor teniendo en cuenta los tiempos y el rango de temperatura.

Se construye un código en MATLAB, del modelo matemático de la trasferencia de calor a las paredes del reactor de pirólisis.

function[Tp1,Tp2,Tp3]=horno(Vd,Ta,Tb,Tc)

To=298

m1=0.14

m2=2.4e-3

m3=0.387

cp1=0.9

cp2=1

cp3=0.7

A1c=10.5e-3

A1r=9.48e-3

deq=3e-3

A3i=70.7e-3

A3o=75.4e-3

di=75e-3

sb=5.67*10e-8;

em1=0.4

em3=0.93

%constantes de C1 a C9

C1 = Vd/(m1*cp1);

C2 =(1.32*A1c)/((deq^(0.25)*m1*cp1));

C3=(sb*A1r*em1*em3*A3i)/((m1*cp1)*(em1*A1r*(1-em3)+em3*A3i))

C4= (1.32*A1c)/((deq^(0.25)*m2*cp2))

C5=(1.32*A3i)/((di^(0.25)*m2*cp2))

C6= (1.32*A3i)/((di^(0.25)*m3*cp3))

C7=(sb*A1r*em1*em3*A3i)/((m3*cp3)*(em1*A1r*(1-em3)+em3*A3i))

C8= (1.32*A3o)/((do^(0.25)*m3*cp3))

C9= (sb*em3*A3o)/(m3*cp3)

Se obtiene la siguiente función de transferencia en la figura 7, la cual es una ecuación que se utiliza como modelo de relación entre las condiciones de entrada y salida de un sistema, siendo nuestro sistema el horno de resistencias eléctricas.

Figura 7

Considerando el modelo matemático y la función de transferencia, es generado el siguiente circuito en SimuLink, para observar el comportamiento de la temperatura en las paredes del reactor pirólisis.

Figura 8

Considerando la aplicación de las ecuaciones y la función de transferencia se obtienen los resultados en la figura 9, donde se observa una respuesta de la temperatura inmediata a una excitación en el sistema de 520° (C), alcanzado como pico máximo de 700°(K) o 426,85°(C) en el reactor, durante la transferencia de calor en la pared principal del reactor de pirólisis. Este modelo de transferencia de calor indica que se obtienen pérdidas significativas, las cuales son atribuidas a las condiciones y el modelamiento realizado. La transferencia de calor dentro del sistema no solamente puede ser estudiada desde el punto visto por Matlab, ya que se debe considerar el calor aportado por la radiación y convección dentro del sistema, para esto se debe realizar otro estudio utilizando las herramientas de ingeniería asistida por ordenador o software CAE, esperando obtener resultados aproximados al modelo real de referencia y dentro del rango de temperaturas establecido.

Figura 9

Para la simulación de la transferencia de calor se obtiene un modelo 3D observado en la figura 10, el cual se realizó a escala 1:1 del prototipo Real.

Figura 10

El archivo es exportado al software de ANSYS donde en se procede a utilizar los recursos máximos del equipo en este caso se logra realizar un enmallado de la pieza en la figura 11. Tomando en consideración que a más cantidad de nodos mejores serán los resultados obtenidos por la simulación de calor en estado transitorio.

Figura 11

Generando el estudio geométrico y verificando que el software no tenga problemas de superficie con el modelo 3D CAD del reactor, se realiza un enmallado del cual se obtiene 32.030 Nodos. Se somete a una convección forzada por áreas donde el valor de la convección es de 27.8   w m 2 *   K y para la radiación obtenemos un valor utilizando la ecuación (13) de radiación.

donde σ es el coeficiente de Stefan Boltzmann, ε = 5,67037 x 10 - 8   W m 2 * K - 4 *   ε es la emisividad del nicromo (0.08) y T el delta de temperaturas. obtenido de esta manera un coeficiente de calor por radiación de 1683.3 W m 2 , para la simulación térmica transitoria ilustrada en la figura 12. La temperatura máxima obtenida bajo estas condiciones fue de 482,33 °(C), siendo superior a la obtenida bajo el modelamiento de ecuaciones en MATLAB e indicando una buena temperatura para realizar las pruebas de pirólisis.

Figura 12

En el tiempo de muestreo de resultados observados en la figura 12, se tomó de referencia 45 minutos, en donde se obtiene el perfil simulado, estos datos lo podemos comparar con los datos reales tomados del horno mufla real, de esta manera se espera tener una aproximación a los perfiles ideales para los ensayos de pruebas piloto de pirolisis.

Considerando el tiempo para llegar a la temperatura ideal para el proceso, se estima un tiempo de transformación del material, de acuerdo con los estudios de la figura 3, el tiempo esta aproximado a los 40 - 45 minutos de sostenimiento a las temperaturas máximas, para esto es necesario simular un control de temperatura del horno mufla.

Fundamentado en las observaciones realizadas en la referencia [16], se toma el siguiente modelo, para producir una señal de control a la excitación del sistema ilustrado en la figura 13.

Figura 13

Tomando la función de transferencia ilustrada en la figura 7. Se diseña la planta y circuito en Simulink.

Figura 14

El circuito es generado para poder visualizar la señal de respuesta del sistema del horno y la señal de bloqueo o de control, para esto se realizaron varios ensayos donde se tomaron los mejores resultados de las señales, donde podemos visualizar en la figura 15, una respuesta del sistema alcanzo su pico máximo después de los 25 minutos, además en la figura 16, podemos destacar como la señal de bloqueo o control, alcanza la del sistema y la logra estabilizar dando como resultado a la teoría del sistema de control PID una buena aplicación a implementar en el horno casero de resistencias eléctricas, esta señal es indispensable para poder realizar la prueba de sostenimiento a la temperatura máxima o ideal para la pirólisis en los polímeros.

Figura 15

Figura 16

La señal de control estabiliza el sistema en aproximadamente 560 segundos lo que son 9.3 minutos de calentamiento del horno, en el cual no influye en la prueba, ya que esta señal se estima para la temperatura máxima del proceso de pirólisis con polímeros, la cual se estima en aproximadamente 480°(C), donde esta temperatura es alcanzada al transcurrir 40 minutos, en el que el horno mufla es encendido hasta que logra alcanzar la temperatura mencionada. Esta señal no es el sistema control PID a implementar en el horno, ya que solo es un resultado de referencia a una señal de control, se puede visualizar en la figura 16 un retraso de la repuesta en el tiempo, además del ruido que contiene la propia señal, esta emulación es la ventana a la implementación de un control refinado al horno casero de resistencias eléctricas, puesto que no cuenta con ninguna regulación automática de temperatura y esto puede generar desviaciones en la toma de resultados de pruebas piloto de pirólisis.

Construir el perfil de temperaturas es vital es la investigación, para esto se recopilaron los datos de muestro del horno real, la simulación transitoria de temperatura en ANSYS, y el modelamiento del sistema en MATLAB, como resultado en la tabla 3, se ilustra las temperaturas obtenidas en el tiempo de calentamiento del horno, donde el muestro de tiempo es de 5 minutos en la recolección de los datos reales y transitorios simulados, para los datos recolectados de MATLAB, se proporciona al sistema con una temperatura de referencia y su salida es la temperatura inmediata del reactor de pirólisis.

Tabla 3

Tiempo (Min)	Temperaturas ANSYS (°C)	Temperaturas MATLAB(°C)	Temperatura Real (°C)
0	22	22	22
5	56,265	39,25	51,254
10	109,68	79,25	120,5
15	162,93	138,29	155,15
20	216,16	176,25	214,15
25	269,39	214,5	250,1
30	322,63	265,14	331,5
35	375,86	305,4	371,25
40	429,09	394,145	415,8
45	482,33	426,89	478,26

Para generar el perfil de temperaturas adecuado para el sistema, se toman los datos obtenidos de la medición en un horno mufla real, con los datos obtenidos en las simulaciones, el calentamiento del horno y el tiempo de sostenimiento a la temperatura ideal en el proceso, considerando las desviaciones de la señal de control, la recolección de datos y los controladores de temperatura de los hornos mufla, se construye la gráfica ilustrada en la figura 17. Donde se representan las temperaturas y tiempo, para poder realizar una prueba exitosa de pirólisis en un reactor casero calentado por un horno de resistencias eléctricas.

Figura 17

Podemos observar en la Tabla 3, el tiempo de calentamiento del horno mufla casero elaborado por los estudiantes del programa de ingeniería, los resultados muestran la comparación de los diferentes modelos matemáticos y de simulación utilizando software CAE (ingeniería asistida por computador). Las temperaturas se denominan el precalentamiento del proceso hasta llegar a la temperatura ideal.

Podemos observar en la figura 17. El perfil de temperaturas generado por la tabla 3, añadiendo a esta el tiempo y temperatura de una prueba piloto de pirólisis donde se estima 45 minutos de prueba añadiendo de esta manera el tiempo y sostenimientos de la temperatura del minuto 45 al minuto 90.

El desarrollo de los perfiles de temperatura observados en la figura 17, son las temperaturas y tiempos a los cuales se debe someter el reactor de pirólisis, para poder obtener resultados óptimos en los ensayos de laboratorio con los modelos reales. Este perfil es la guía para seguir para la transformación energética de los polímeros en combustibles.