UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO HÍBRIDO
ENTRE LA MEZCLA HIDRÓGENO-COMBUSTIBLE EN UN
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA DE CICLO OTTO
UTILIZANDO UN SOFTWARE
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
ANDRÉS FABRICIO VILLARRUEL JARAMILLO
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
DECLARACIÓN
Yo ANDRÉS FABRICIO VILLARRUEL JARAMILLO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
Andrés Fabricio Villarruel Jaramillo
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y simulación del funcionamiento híbrido entre la mezcla hidrógeno-combustible en un motor de combustión interna de ciclo OTTO utilizando un software”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Andrés Fabricio Villarruel Jaramillo, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Ing. Edwin Tamayo
DIRECTOR DEL TRABAJO
i
INDICE DE CONTENIDOS
Contenido Página
RESUMEN ... xii
ABSTRACT ... xiii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 6
2.1. TERMODINÁMICA ... 6
2.1.1. CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA TERMODINÁMICO ... 7
2.1.2. ENERGÍA Y TRANSFERENCIA DE ENERGÍA... 10
2.1.3. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS ... 12
2.1.4. ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS ... 14
2.1.5. ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA DE VOLÚMENES DE ... CONTROL ... 15
2.1.6. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA ... 15
2.1.7. ENTROPÍA ... 16
2.1.8. COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN ... 17
2.1.9. MEZCLA DE GASES ... 21
2.1.10. CICLO OTTO ... 22
2.2. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA DE CICLO OTTO ... 26
2.2.1. PARAMETROS GEOMÉTRICOS ... 26
ii
2.2.3. CURVAS CARACTERÍSTICAS ... 30
2.3. ELEMENTOS DE LA COMBUSTIÓN PARA UN MOTOR DE ... CICLO OTTO ... 32
2.3.1. AIRE ... 32
2.3.2. COMBUSTIBLES ... 33
2.3.3. EMISIONES CONTAMINANTES EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 35
2.3.4. EMISIONES DE EFECTO INVERNADERO ... 36
2.4. CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO COMO FUENTE DE ENERGÍA RENOVABLE ... 36
2.4.1. HIDRÓGENO EN AUTOMOCIÓN ... 37
3. METODOLOGÍA ... 40
3.1. PROPIEDADES QUÍMICAS ... 40
3.2. VARIABLES GEOMÉTRICAS Y DE FUNCIONAMIENTO ... 44
3.3. CICLO TERMODINÁMICO ... 46
3.4. CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR ... 48
3.5. MODELADO DEL SOFTWARE ... 49
4. ANÁLSIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 50
4.1. CÁLCULOS PREVIOS AL MODELADO DEL SOFTWARE ... 50
4.1.1. VARIABLES GEOMÉTRICAS DEL MOTOR ... 50
4.1.2. PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ... 51
iii
4.1.4. COMBUSTIÓN DEL OCTANO A 5000 RPMS ... 63
4.1.5. COMBUSTIÓN DEL OCTANO CON INTRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO AL 1% A 3200 RPMS ... 64
4.1.6. COMBUSTIÓN DEL OCTANO CON INTRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO AL 1%... 65
4.1.7. COMBUSTIÓN DEL OCTANO CON INTRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO AL 50% A 3200 RPMS ... 66
4.1.8. COMBUSTIÓN DEL OCTANO CON INTRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO AL 50% ... 67
4.1.9. COMBUSTIÓN DEL OCTANO CON INTRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO AL 100% A 3200 RPMS ... 67
4.1.10. COMBUSTIÓN DEL OCTANO CON INTRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO AL 100% ... 69
4.2. MODELADO DE SOFTWARE ... 69
4.2.1. DISEÑO DEL SOFTWARE ... 70
4.2.2. FUNCIONAMIENTO ... 73
4.3. ANÁLSIS DE RESULTADOS ... 77
4.3.1. ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES QUÍMICAS ... 78
4.3.2. MEZCLA C8H18+H2 AL 1% ... 80
4.3.3. MEZCLA C8H18+H2 AL 2% ... 82
4.3.4. MEZCLA C8H18+H2 AL 3% ... 84
4.3.5. MEZCLA C8H18+H2 AL 4% ... 87
4.3.6. MEZCLA C8H18+H2 AL 5% ... 89
4.3.7. MEZCLA C8H18+H2 AL 10% ... 92
4.3.8. MEZCLA C8H18+H2 DEL 20% ... 94
iv
4.3.10. MEZCLA C8H18+H2 DEL 40%... 99
4.3.11. MEZCLA C8H18+H2 DEL 50%... 102
4.3.12. MEZCLA C8H18+H2 DEL 60%... 104
4.3.13. MEZCLA C8H18+H2 DEL 80%... 107
4.3.14. MEZCLA C8H18+H2 DEL 100%... 109
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 113
GLOSARIO ... 117
BIBLIOGRAFÍA ... 119
v
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Propiedades del hidrógeno en relación a la gasolina ... 38
Tabla 2. Cálculos de parámetros de funcionamiento básico del motor a 500rpms. ... 53
Tabla 3. Resultado de la fracción molar de la combustión entre C8H18 + Aire ... 54
Tabla 4. Cálculo del “cp” del C8H18 + Aire ... 54
Tabla 5. Cálculo del “cv” del C8H18 + Aire ... 55
Tabla 6. Reactivos: cálculo de la entalpía del reactivo con H2 al 0%. ... 55
Tabla 7. Cálculo de la entalpía del producto con H2 al 0%. ... 55
Tabla 8. Cálculo del dividendo para determinar la entalpía del producto. ... 57
Tabla 9. Temperaturas aproximadas en base a la entalpía del producto y promedio de las temperaturas más altas. ... 57
Tabla 10. Suposición 1: entalpía de los compuestos a 2400°K ... 58
Tabla 11. Respuesta de la entalpía para la suposición 1. ... 58
Tabla 12. Suposición 2: entalpía de los compuestos a 2350°K ... 58
Tabla 13. Respuesta de la entalpía para la suposición 2 ... 59
Tabla 14. Incógnitas para interpolación para determinar la temperatura adiabática de flama. ... 59
Tabla 15. Curvas características a 5000 rpms ... 64
Tabla 16. Propiedades químicas calculadas para la combustión entre octano e hidrógeno al 1% a 3200 rpms. ... 64
vi octano e hidrógeno al 1%. ... 65
Tabla 18. Cálculo de las curvas características del motor con combustión entre octano e hidrógeno al 1% a 3200 rpms. ... 65
Tabla 19. Cálculo de las curvas características del motor con combustión
entre octano e hidrógeno al 1% a 3200 rpms. ... 65
Tabla 20. Propiedades químicas calculadas para la combustión entre
octano e hidrógeno al 50% a 3200 rpms. ... 66
Tabla 21. Cálculo de las fases del ciclo termodinámico de la mezcla
octano e hidrógeno al 50%. ... 66
Tabla 22. Cálculo de las curvas características del motor con combustión entre octano e hidrógeno al 50% a 3200 rpms. ... 67
Tabla 23. Cálculo de las curvas características del motor con combustión entre octano e hidrógeno al 50% a 3200 rpms. ... 67
Tabla 24. Propiedades químicas calculadas para la combustión entre
octano e hidrógeno al 100% a 3200 rpms. ... 68
Tabla 25. Cálculo de las fases del ciclo termodinámico de la mezcla
octano e hidrógeno al 100%. ... 68
Tabla 26. Cálculo de las curvas características del motor con combustión entre octano e hidrógeno al 100% a 3200 rpms. ... 68
Tabla 27. Cálculo de las curvas características del motor con combustión entre octano e hidrógeno al 50% a 3200 rpms. ... 69
Tabla 28. Comparación entre temperaturas de entalpia de los compuestos del producto, suposiciones máximas y mínimas, respecto al
vii Tabla 29. Comparación entre temperaturas de entalpia de los compuestos del producto, suposiciones máximas y mínimas, respecto al
porcentaje de hidrógeno (introducción del 1-30%) en la
combustión con octano. ... 71
Tabla 30. Cambios de la relación aire-combustible en el rango del 1 al 10% de introducción de hidrógeno. ... 78
Tabla 31. Cambios del poder calorífico inferior en el rango del 1 al 10% de introducción de hidrógeno ... 79
Tabla 32. Cambios de la relación aire combustible en el rango del 1 al 10% de introducción de hidrógeno ... 79
Tabla 33. Presión y temperatura entre C8H18 y C8H18+H2 al 1% ... 80
Tabla 34. Presión y temperatura entre C8H18 y C8H18+H2 al 3% ... 85
Tabla 35. Presión y temperatura entre C8H18 y C8H18+H2 al 4% ... 87
Tabla 36. Comparación de presión y temperatura entre C8H18 y C8H18+H2 al 5% ... 90
Tabla 37. Comparación de presión y temperatura entre C8H18 y C8H18+H2 al 10% ... 92
Tabla 38. Comparación de presión y temperatura entre C8H18 y C8H18+H2 al 20% ... 95
Tabla 39. Comparación de presión y temperatura entre C8H18 y C8H18+H2 al 30% ... 97
Tabla 40. Comparación de presión y temperatura entre C8H18 y C8H18+H2 al 40% ... 100
viii C8H18+H2 al 50% ... 102
Tabla 42. Comparación de presión y temperatura entre C8H18 y
C8H18+H2 al 60% ... 105
ix
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Sistema termodinámico ... 7
Figura 2. Ciclos real e ideal en motores de encendido por chispa y sus diagramas P-v ... 23
Figura 3. Altitud vs presión atmosférica ... 33
Figura 4. Esquema individual de una pila de combustible ... 38
Figura 5. Print screen de pantalla de inicio generada en Microsoft Excel. ... 74
Figura 6. Print screen de hoja de análisis de la combustión entre C8H18 y H2 de 1 al 3% ... 74
Figura 7. Celda de porcentaje de hidrógeno para la mezcla. ... 75
Figura 8. Botones de cambio de variables para analizar. ... 75
Figura 9. Tabla de comparación entre octano solo y combinado con hidrógeno. ... 75
Figura 10. Datos calculados de presión y temperatura comparados con el porcentaje de hidrógeno introducido. ... 76
Figura 11. Datos máximos de C8H18 y C8H18+%H2... 76
Figura 12. Comparación de las curvas caracteristicas del motor dentro de la interfaz. ... 77
Figura 13. Botones de navegación dentro de la hoja de análisis de resultados. ... 77
Figura 14. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 1%. ... 80
Figura 15. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 1%. ... 81
x
Figura 17. Presión y temperatura entre C8H18 y C8H18+H2 al 2% ... 82
Figura 18. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 2%. ... 83
Figura 19. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 2%. ... 83
Figura 20. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 2%. ... 84
Figura 21. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 3%. ... 85
Figura 22. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 3%. ... 86
Figura 23. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 3%. ... 86
Figura 24. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 4%. ... 88
Figura 25. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 4%. ... 88
Figura 26. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 4%. ... 89
Figura 27. Comparación de potencia con hidrógeno al 0 y 5%. ... 90
Figura 28. Comparación de par con hidrógeno al 0 y 5%. ... 91
Figura 29. Comparación de consumo con hidrógeno al 0 y 5%. ... 91
Figura 30. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 10%. ... 93
Figura 31. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 10%. ... 93
Figura 32. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 10%. ... 94
Figura 33. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 20%. ... 95
Figura 34. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 20%. ... 96
Figura 35. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 20%. ... 96
Figura 36. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 30%. ... 98
Figura 37. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 30%. ... 98
Figura 38. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 30%. ... 99
Figura 39. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 40%. ... 100
xi
Figura 41. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 40%. ... 101
Figura 42. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 50%. ... 103
Figura 43. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 50%. ... 103
Figura 44. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 50%. ... 104
Figura 45. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 60%. ... 105
Figura 46. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 60%. ... 106
Figura 47. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 60%. ... 106
Figura 48. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 80%. ... 108
Figura 49. Comparación de par, con hidrógeno al 0 y 80%. ... 108
Figura 50. Comparación de consumo, con hidrógeno al 0 y 80%. ... 109
Figura 51. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 100%. ... 110
Figura 52. Comparación de potencia, con hidrógeno al 0 y 100%. ... 111
xii
RESUMEN
En la actualidad el parque automotor del Ecuador, tiene en su mayoría vehículos de gasolina, lo cual afecta al ecosistema por la elevada contaminación de los hidrocarburos, existe interés por parte del gobierno que el consumidor local adquiera automotores eléctricos para disminuir los gases contaminantes, pero
reemplazar todo el parque automotor requerirá de muchas décadas sea por el precio de los autos eléctricos o por la larga vida útil de los motores de ciclo Otto, por tal motivo el hidrógeno como fuente energética es una alternativa para minimizar los efectos negativos dejados por el actual parque automotor.
A pesar de que existen innumerables estudios sobre implementación de sistemas generadores de hidrógeno en vehículos con motor de ciclo Otto, no existen estudios que permitan evaluar el rendimiento del motor desde la perspectiva de su funcionamiento, pues las tesis que se han dedicado a estudiar como disminuir el gasto de combustible mediante estos generadores, se han centrado únicamente en mejorar la eficiencia de dichos sistemas, tomando como objetivos únicamente disminuir el consumo de combustible sin tomar en cuenta cómo influye el hidrógeno en el motor.
xiii
ABSTRACT
Currently the automotive fleet of Ecuador has mostly gasoline vehicles, which affects the ecosystem by the high contamination of hydrocarbons. Consequently, there is interest by the government that the local consumer acquires an electric vehicle to reduce greenhouse gases. But replacing the entire automotive fleet it will require many decades either by for the price of electric cars or by the long life of Otto cycle engines, for that reason hydrogen as an energy source is an alternative to minimize the negative effects left by the current automotive fleet.
Although there are numerous studies on implementation of hydrogen generation systems in vehicles with Otto cycle engine, there are no studies to evaluate engine performance from the perspective of its operation. Because that the theses that have been studying as decreasing gasoline consumption through these generators have focused only on improving the efficiency of such systems, with the objectives of only reduce the fuel consumption without considering how it influences the hydrogen in the engine.
This study, is a theoretical development for combustion analysis of hybridization of the hydrocarbon-hydrogen mixture, the hydrocarbon selected is the fuel,
1
1.
INTRODUCCIÓN
Desde la invención del primer vehículo de propulsión mecánica el estudio de los combustibles a usar ha sido uno de los factores principales para aumentar la eficiencia del mismo, desde el motor introducido por el inventor francés Nicolas-Joseph con su motor a vapor hasta el conocido motor de Nicolaus Otto, el combustible ha evolucionado con cambios en su composición como la prohibición de plomo en el combustible y la introducción de mayor número de octanos que
permitieron la fabricación de motores más compactos y eficientes, esta lucha por la mejora de los hidrocarburos se debe en gran medida al tratado de KYOTO, mismo que busca producir energías que causen menor impacto ambiental dentro de un período de tiempo. Cabe resaltar según el estudio de Litardo López (2014, pág. 91) que dentro de un análisis global y nacional del sistema energético en los últimos 30 años aumento el consumo de hidrocarburos y el abastecimiento de fuentes de energías renovables es apenas del 13,1% a nivel mundial.
Siendo el Ecuador pionero al promover dentro de su constitución aprobada en el 2008, la protección del medio ambiente para preservar la biodiversidad de su ecosistema y el buen vivir de las personas que lo habitan, se han creado progresivamente reformas ambientales para promover la adquisición de vehículos de baja cilindrada que causen menor impacto ambiental o incrementando los impuestos por su tiempo de uso, también se ha facilitado la introducción de vehículos de alta tecnología como sucedió en el 2009 donde el estado se abstuvo de cobrar tres impuestos como el IVA, ICE y el impuesto ambiental a vehículos híbridos para su comercialización dentro del país, pero la comercialización de vehículos de cilindrada superior a los 1500cc que causaban mayor contaminación, hicieron que el país desestime esta medida en el 2012. Según el informe enviado a la CEPAL por María Dolores Almeida consultora de esta entidad internacional quienes obtienen vehículos híbridos ahora pagan un 20% menos que los convencionales (2014, pág. 43), sin embargo a partir de este
2 movilidad y obtención de su energía base, estos vehículos eléctricos no producen contaminación pues no usan combustibles fósiles.
Las políticas implantadas por el gobierno nacional denotan su compromiso con el medio ambiente al disminuir los impuestos a los nuevos modelos de automotores de cero emisiones, sin embargo cambiar todo el parque automotriz reemplazando a los motores de combustión interna por motores eléctricos puede llevar muchas generaciones, producto del tiempo útil del mismo pues un vehículo de transporte público según la resolución No. 080-DIR-2010-CNTTTSV de la Agencia Nacional de Transito (ANT) tiene un promedio de 15 años, sin embargo este tiempo estimado para vehículos particulares puede ser superado teniendo como limitante el buen funcionamiento de todos sus sistemas y su número de emisiones, por lo que esta cifra con un buen mantenimiento puede ser aumentada, por tal motivo existen vehículos fabricados antes del año 2000 en
circulación en todo el país. Dado estos antecedentes es necesario encontrar nuevos combustibles alternativos que ayuden a disminuir el daño ambiental a causa de los hidrocarburos sin necesidad de cambiar totalmente el parque nacional automotor del país, para este objetivo muchos países han desarrollado biocombustibles, siendo países como Brasil precursores en el desarrollo y aplicación de estos combustible, sin embargo factores tanto de costo de procesamiento, espacio de cultivo, como un buen cuidado de la planta base del biocombustible, pueden hacer frágil este modelo de combustible alternativo en su fase de producción. Esta investigación se centrara en el uso de un nuevo combustible alternativo que sea capaz de ser utilizado en los motores ya existentes en el parque automotriz del Ecuador. Es por ello que se ha tomado en cuenta al hidrógeno como combustible, pues es una alternativa viable para disminuir los problemas de contaminación que afronta la ciudad, el país y el mundo. Pues al ser combustionado con oxígeno genera vapor de agua, lo que significa que la reacción de estos dos elementos no dejan residuos que afectan la calidad del medio ambiente.
En la actualidad se han creado sistemas generadores de hidrógeno los cuales han sido adaptados a motores Otto, con funcionamiento a gasolina introduciendo
3 la cámara de combustión, este tipo de sistemas funciona con una hibridación entre gasolina e hidrógeno, su trabajo consiste en generar la suficiente cantidad de H+ para lograr una disminución de consumo de combustible, como consecuencia de ello se obtiene la reducción de las emisiones de gases contaminantes. Uno de los retos de este trabajo es brindar información a la comunidad automotriz en relación a la siguiente pregunta: ¿En qué estándar la mezcla entre H+ y gasolina hace posible una combustión eficiente en un motor de combustión interna (MCI) de ciclo Otto teórico?
La pregunta de investigación planteada busca la relación entre las siguientes variables:
1. Comportamiento de la gasolina como fuente de combustible;
2. Características del hidrógeno durante la combustión;
3. Reacción teórica de la combustión entre aire + (H+) + hidrocarburo como
fuentes de combustible.
El alto índice de contaminación dejado por los combustibles fósiles ha creado la necesidad de encontrar fuentes de alimentación de energía más saludables para el medio ambiente sin necesidad de cambiar el parque nacional automotriz en su totalidad, uno de los combustibles que ha tomado fuerza en los últimos años es el hidrógeno como fuente de energía para celdas de combustibles (PEM) y para los MCI (Gavilan, 2004, pág. 1).
4 base y sustento para futuras investigaciones dentro de combustibles alternativos, como del uso del H+ como fuente de energía motriz.
Para llevar a cabo este estudio se debe diseñar y desarrollar un modelo teórico que simule el funcionamiento híbrido entre la mezcla hidrógeno-combustible en un MCI alternativo con la ayuda de un software. Para llegar a este modelo teórico, se deberá determinar las propiedades y características necesarias para la combustión en un MCI utilizando un hidrocarburo.
También se tiene que determinar los principales beneficios del hidrógeno junto a un comburente (O2) y especificar las propiedades del hidrógeno como fuente de energía. Una vez obtenido las propiedades físico químicas del hidrocarburo y el hidrógeno se procederá a determinar la reacción química de los combustibles sobre el nivel del mar.
Con los datos obtenidos se realizara un modelo de simulación que permita
caracterizar adecuadamente la combustión con la ayuda de un software. Con ello se podrá determinar el porcentaje óptimo de hidrógeno para reducir gases de combustión. El valor teórico de esta tesis estará fundado en los siguientes criterios, donde la investigación buscara alcanzar:
Conveniencia: Se pretende que los resultados arrojados por la investigación ofrezcan orientación en el área automotriz sobre el funcionamiento de la hibridación entre hidrógeno y gasolina como fuentes de combustible por medio de simulaciones virtuales dentro del MCI.
Relevancia social: Las conclusiones definidas a partir de esta investigación son trascendentales para la sociedad al aportar información sobre fuentes de energía que disminuyen al uso de combustibles fósiles, lo cual es un aporte para mejorar las condiciones medio ambientales debido a las dificultades de cambiar todo el parque automotriz nacional con vehículos eléctricos o híbridos (entre gasolina y electricidad), dando una alternativa para disminuir la contaminación en mediano plazo.
5 para nuevas implementaciones o a su vez continuar un estudio con mayor profundidad.
6
2.
MARCO TEÓRICO
Para el desarrollo de este estudio es necesario conocer los principios básicos de la combustión para así llegar a determinar los requerimientos para la simulación de un sistema térmico que sea capaz de transformar la energía química a mecánica utilizando un combustible renovable y un combustible fósil que en este
caso serán el hidrógeno y la gasolina las fuentes químicas de alimentación del mencionado sistema. Para el análisis es necesario conocer las reacciones químicas y el comportamiento tanto físico como químico de los combustibles. La ciencia que estudia la energía en sus distintas manifestaciones es una rama de la química y recibe el nombre de termodinámica.
2.1.
TERMODINÁMICA
Es la ciencia que estudia la energía en distintos procesos, si el estudio de la energía se aplica a un cambio químico se le puede llamar termoquímica, por tanto es el estudio de la energía que se puede aplicar a los cambios químicos o reacciones químicas. (Engel & Reid, 2006, pág. 1)
El estudio energético de una reacción química es importante para definirla de forma completa, obedece 3 leyes fundamentales una primera ley que es la de conservación de la masa y la segunda que es de la conservación de la energía.
Es decir toda reacción química implica un cambio de energía entre reactivos y los productos. Por tanto siempre hay una variación de energía que se puede
expresar como ∆∈ lo cual significara incremento de energía:
(𝑅∆∈↔ 𝑃) [1]
Los tipos de energía según Çengel & Boles que se pueden encontrar son:
7 Energía de tipo eléctrico (𝐸𝑐).
Energía de trabajo mecánico (𝑊). Energía de intercambio de calor (𝑄).
Por tanto entre reactivos a productos hay una transferencia de energía entre el sistema y el entorno. (2012, pág. 2)
2.1.1. CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA TERMODINÁMICO
En una captación de energía el sistema seria la reacción química y el entorno lo que rodea a la reacción química. Un sistema es una porción de estudio del universo separada por una superficie real o imaginaria llamada frontera la cual podrá ser fija o móvil y matemáticamente esta tendrá un espesor cero por lo tanto esta no podrá contener masa ni ocupar volumen en el espacio, mientras que el entorno es todo lo que rodea al sistema.
En la figura 1, se apreciar un ejemplo en el cual se ha tomado una porción del
universo para el estudio de una reacción química, donde (𝑅↔ 𝑃∆∈ ) es el sistema, su frontera será la línea que lo divide con sus alrededores y el medio ambiente es el entorno que rodea al sistema, la delimitación del sistema estará en base a su capacidad de transmitir materia y energía.
Figura 1. Sistema termodinámico 2.1.1.1. Clasificación de los sistemas termodinámicos
8 a) Abierto: permite el intercambio con el entorno tanto de materia como energía.
b) Cerrado: Es aquel que permite el intercambio de energía, pero no de materia.
c) Aislado: Este sistema no produce intercambio de energía, ni de materia hacia el entorno. (Engel & Reid, 2006, págs. 4,5)
Por su estado de agregación se puede clasificar en función si son gases, solidos o si son de una o dos fases, entonces pueden ser homogéneos y heterogéneos.
a) Homogéneo: Es donde todos los componentes están en el mismo estado de agregación (solido, líquido o gaseoso) es decir tienen una sola fase.
b) Heterogéneo: Es aquel donde se tiene dos o más estados de agregación, por ejemplo un compuesto en forma sólida, otro gaseoso y otro líquido. (Çengel
& Boles, 2012, pág. 8)
2.1.1.2. Propiedades del sistema termodinámico
Para definir por completo un sistema termodinámico, se necesita conocer una serie de variables que va a dar el estado del sistema a nivel macroscópico, se tiene dos tipos de variables termodinámicas que son: extensivas e; intensivas.
a) Extensivas: son aquellas que dependen de la cantidad total de materia que se tenga, por ejemplo: volumen, masa, número de moles y la trasferencia de calor.
b) Intensivas: son aquellas cuyo valor no depende de la cantidad total de materia, por ejemplo: temperatura, densidad o presión.
9 2.1.1.3. Procesos termodinámicos
Para estudiar un sistema termodinámico de una forma más sencillo a nivel experimental es mantener o fijar una variable mientras las otras permanecen cambiantes.
Los procesos se clasifican o se les da nombre en función de la variable que se mantiene constante, entonces se tendrá 4 tipos de procesos.
Isobárico: La presión se mantiene constante Isocora: el volumen se mantiene constante
Isotermo: llamado también isotérmico, mantiene constante la temperatura. Adiabático: es un proceso en el que no hay transferencia de calor entre el
sistema y el entorno, es decir que “Q” es igual a 0.
Flujo estacionario: no hay cambio con el tiempo y su contrario es no estacionario o transitorio.
Uniforme: no tiene ningún cambio con la ubicación, en una región específica.
Algunas de las variables son funciones de estado, esto quiere decir que su valor depende del estado concreto del sistema en un momento adecuado y no del camino y las trasformaciones que haya sufrido para llegar a ese estado (Howell, 1990).
2.1.1.4. Ley cero de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.
10 2.1.2. ENERGÍA Y TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear, cuya suma conforma la energía total E
de un sistema y se puede diferenciar a dos grupos: macroscópicas y microscópicas.
a) Macroscópicas: esta energía cambia con la velocidad y la altura.
Energía cinética: se relaciona con el movimiento y la influencia de algunos factores externos (la gravedad, el magnetismo, la electricidad, la tensión superficial).
Energía potencial: posee un sistema como resultado de su incremento de altura en un campo gravitacional.
b) Microscópicas: Son las que se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de la actividad molecular, son independientes de los marcos de referencia externos. (Howell, 1990, pág. 42)
2.1.2.1. Transferencia de energía
Transferencia de energía por calor: es la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas debido a una diferencia de temperatura. Hay dos maneras en que un proceso puede ser adiabático: el sistema está bien aislado de modo que sólo una cantidad insignificante de calor cruza la frontera, o bien, tanto el sistema
como el exterior están a la misma temperatura y por lo tanto no hay fuerza impulsora para la transferencia de calor (Çengel & Boles, 2012, pág. 62).
11 se llamara de expansión, pero si al contrario ha disminuido este trabajo se le conoce como de compresión (2012, pág. 66).
2.1.2.2. Primera ley termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece que la “energía no se crea ni se destruye durante un proceso; sólo cambia de forma” (Çengel & Boles, 2012, pág.
70). Por lo tanto, cada cantidad de energía debe justificarse durante un proceso.
Balance de energía: el principio de conservación de la energía se expresa como: el cambio neto de la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso. (Çengel & Boles, 2012, pág. 72)
Incremento de la energía de un sistema ∆𝑬𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂: para determinar el cambio
de energía de un sistema durante un proceso se requiere evaluar la energía del sistema al principio y al final para encontrar su diferencia. (Çengel & Boles, 2012, pág. 72)
2.1.2.3. Eficiencia de la conversión de energía
El desempeño o eficiencia se expresa en términos de la salida deseada y la
entrada requerida, de la siguiente manera:
𝐷𝑒𝑠𝑒𝑚𝑝𝑒ñ𝑜 = 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 [2]
12 Los productos de la combustión se enfrían a la temperatura ambiente. (Çengel & Boles, 2012, pág. 78).
2.1.3. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS
Se denomina sustancia pura a una composición química fija en cualquier parte. Una sustancia pura no tiene que estar conformada por un solo elemento o compuesto químico.
2.1.3.1. Fases de una sustancia pura
Pese a ser tres las principales fases (sólida, líquida y gaseosa), una sustancia puede tener varias dentro de la principal, cada una con distinta estructura
molecular. Al estudiar dos fases o cambios de fase en termodinámica, es muy útil comprender los fenómenos moleculares. A continuación se explica de manera breve las transformaciones de fase:
a) Moléculas en un sólido: están dispuestas en un patrón tridimensional que se repite por todo el sólido. A causa de las pequeñas distancias intermoleculares existentes en un sólido, las fuerzas de atracción entre las moléculas son grandes y las mantienen en posiciones fijas. Estas fuerzas de atracción entre moléculas se vuelven de repulsión a medida que la distancia intermolecular se aproxima a cero.
b) Moléculas en un líquido: El espaciamiento molecular es similar al de la fase sólida, con la diferencia en que las moléculas ya no están en posiciones fijas entre sí, pueden girar y trasladarse libremente.
13 2.1.3.2. Proceso de cambio de fase en sustancias puras
Líquido comprimido y líquido saturado
Estado 1: líquido comprimido, es aquel que no se encuentra en condiciones de evaporarse.
Estado 2: por el contrario un líquido saturado es el que encuentra a punto de evaporarse y por tanto tiene un volumen mayor al presentado en un líquido comprimido.
Vapor saturado y vapor sobrecalentado
Estado 3: existe una cantidad casi igual de líquido y de vapor.
Estado 4: vapor saturado es aquel que se condensara con cualquier pérdida de calor, es decir es cuando está a punto de condensarse,
Estado 5: es un vapor sobrecalentado, es decir que no está a punto de condensarse. (Çengel & Boles, 2012, págs. 113, 115)
Temperatura de saturación y presión de saturación
La temperatura de saturación (𝑇𝑠𝑎𝑡) es la presión y temperatura a la que una
sustancia pura cambia de fase siendo:
𝑇𝑠𝑎𝑡 = 99,97°𝐶 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 101.325𝑘𝑃𝑎
Mientras que la presión de saturación (𝑃𝑠𝑎𝑡) a una determinada temperatura a la que una sustancia pura cambia de fase.
𝑃𝑠𝑎𝑡 = 101.325𝑘𝑃𝑎 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 99.97°𝐶
14 Calor latente: es la cantidad de energía que es absorbida o liberada durante el proceso de cambio de fase.
Calor latente de fusión: es la cantidad de energía absorbida durante la fusión y equivale a la cantidad de energía liberada durante la congelación.
Calor latente de evaporación: es la cantidad de energía absorbida durante la evaporación y es equivalente a la energía liberada durante la condensación.
2.1.4. ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS
2.1.4.1. Trabajo de frontera móvil
Es el trabajo de expansión y compresión en un dispositivo de trabajo mecánico de cilindro-embolo, donde parte de la frontera (cara interna del embolo) se mueve
en vaivén (Çengel & Boles, 2012, pág. 166).
2.1.4.2. Calores específicos
Es la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia (Çengel & Boles, 2012, pág. 178). En termodinámica, el interés se centra en dos clases de calores específicos:
Calor específico a volumen constante 𝒄𝒗: es la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia cuando el volumen se mantiene constante
Calor específico a presión constante 𝒄𝒑: es la energía requerida para elevar
15 2.1.5. ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA DE VOLÚMENES DE CONTROL
2.1.5.1. Conservación de la masa
Es la cantidad de masa que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo y se denota mediante 𝑚̇. Mientras que el volumen de fluido es aquel que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo y se denomina 𝑉̇. (Çengel & Boles, 2012, pág. 220)
Principio de conservación de la masa: es la transferencia neta de masa hacia o desde el volumen de control durante un intervalo de tiempo según Çengel & Boles (2012, pág. 240), ∆𝑡 es igual al cambio neto (incremento o disminución) en la masa total dentro del volumen de control durante ∆𝑡.
2.1.5.2. Análisis de energía de sistemas de flujo estacionario
Es la sección donde el proceso de mezclado tiene lugar. El principio de conservación de la masa para una cámara de mezclado requiere que la suma de los flujos másicos entrantes sea igual al flujo másico de la mezcla saliente.
Las cámaras de mezclado por lo regular son aisladas (𝑞 =̃ 0) y normalmente no involucran trabajo (𝑤 = 0). Las energías cinética y potencial de las corrientes de fluido son insignificantes (𝑒𝑐 =̃ 0, 𝑒𝑝 =̃ 0). Entonces lo que queda en la ecuación son las energías totales de las corrientes entrantes y la mezcla que sale.
2.1.6. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
16 calidad y cantidad, es decir un proceso no puede tener lugar salvo que satisfaga la primera y la segunda ley de termodinámica (Howell, 1990, pág. 192).
Tomando lo mencionado por Smith, Van Ness, & Abbott (1997, pág. 172), en cuanto a la segunda ley de la termodinámica se puede decir que no existe proceso que consista exclusivamente en la transferencia de calor a un nivel de temperatura a otro mayor y ningún equipo puede funcionar de modo que su único efecto sea convertir todo el calor absorbido por el sistema en trabajo hecho por el sistema.
2.1.6.1. Procesos reversibles e irreversibles
a) Proceso reversible: Es un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores.
b) Proceso irreversible: Son aquellos que no son reversibles, debido a diferentes factores llamados irreversibilidades que son los mencionados a continuación:
Fricción: relacionado con cuerpos en movimientos.
Expansión libre de un gas: relacionado a compresión de los gases, tendiendo volúmenes no recuperables.
Transferencia de calor: relacionado a diferencias de temperatura no recuperables.
2.1.7. ENTROPÍA
17 equilibrio, pero es imposible moverse unas respecto de las otras, por lo que su posición puede predecirse en cualquier momento con certeza.
Sin embargo, en la gaseosa, las moléculas se mueven al azar, chocan entre sí y cambian de dirección, haciendo difícil de predecir con precisión el estado microscópico de un sistema en cualquier instante. (Howell, 1990, pág. 192).
2.1.7.1. Tercera ley de la termodinámica
Howell (1990) estima que “la entropía de una sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero cuando la temperatura se aproxima al cero absoluto”. La entropía determinada como relativa con respecto a este punto se
llama entropía absoluta.
La entropía de una sustancia que no es pura cristalina no es cero a temperatura
absoluta cero. Esto se debe a que para tales sustancias hay más de una configuración molecular. (Howell, 1990, pág. 492)
2.1.8. COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN
En su mayoría se componen de hidrocarburos y su fórmula general está dada como 𝐶𝑛𝐻𝑚, estos combustibles existen en todas las fases y algunos son la
gasolina, el carbón y el gas natural. La composición del combustible depende de la fuente de petróleo crudo, así como la refinería, aunque son mezclas de muchos hidrocarburos diferentes, por conveniencia suelen considerarse como uno solo. La gasolina comúnmente suele considerarse octano 𝐶8𝐻18 y el diésel dodecano
𝐶12𝐻26.
18 2.1.8.1. Relación aire-combustible
Para el análisis de la combustión se usa la relación aire combustible (𝐴𝐶), que se define como la masa de aire respecto a la masa de combustible necesarios para quemar todo el combustible durante el proceso de combustión.
Para el cálculo comúnmente se usa el cociente de la masa de aire con respecto a la masa del combustible, pero para un cálculo más aproximado basándose en la ecuación química se utiliza el método dado por Çengel & Boles (2012, pág. 775), esta relación será la siguiente:
𝐴𝐶 = (𝑁𝑚)𝑎𝑖𝑟𝑒
(𝑁𝑚)𝐶 + (𝑁𝑚)𝐻2 [3]
Donde:
𝑁: es el número de moles [mol].
𝑚: es la masa del compuesto [g]
2.1.8.2. Entalpía de formación y entalpía de combustión
Es la cantidad de energía que un sistema termodinámico intercambia con su entorno, durante una reacción química se rompen algunos enlaces químicos que unen a los átomos en las moléculas y se forman otros nuevos, esta energía asociada a estos enlaces es diferente para reactivos y producto.
La entalpia de formación (ℎ̅𝑓) puede definirse como la de una sustancia en un
estado especificado debida a su composición química, estos valores por lo general vienen dados en tablas según la temperatura; mientras que la entalpia de combustión (ℎ𝑐) representa el calor liberado durante un proceso de
19 Para el cálculo de la entalpia de combustión (ℎ𝑐) se utilizara la entalpía de
formación tanto de los productos y de las reacciones con la siguiente ecuación:
ℎ𝑐 = ∑ 𝑁𝑝ℎ°̅𝑓,𝑝− ∑ 𝑁𝑟̅̅̅ℎ°𝑓,𝑟 [𝑘𝑚𝑜𝑙𝑘𝑗 ] [4]
Donde:
𝑁𝑝: es el número de moles del producto [kmol].
𝑁𝑟: es el número de moles del reactivo [kmol].
ℎ°̅𝑓,𝑝: es la entalpía de formación de los productos [kJ/kmol].
ℎ°̅𝑓,𝑟: es la entalpía de formación de los reactivos [kJ/kmol]
Se debe resaltar que con el cálculo de la entalpía de combustión se obtienen los poderes caloríficos del combustible, siendo la entalpia de combustión (ℎ𝑐) igual
al poder calorífico superior (𝑃𝐶𝑆), con estos valores se puede calcular el poder calorífico inferior (𝑃𝐶𝐼):
𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − [(ℎ𝑓𝑔)𝐻
2𝑂∗ (
𝑚𝐻2𝑂
𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒)] [ 𝑘𝐽
𝑘𝑔] [5]
Donde:
ℎ𝑓𝑔: es la entalpia de evaporación, en este caso del agua [kJ/kmol].
𝑚𝐻2𝑂: es la masa del agua [kg].
𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒: es la masa del combustible [kg].
20 calorífico inferior es el usado para determinar los posteriores valores para la combustión del ciclo Otto.
2.1.8.3. Temperatura de flama adiabática
Es el valor de temperatura máxima alcanzada en la combustión cuando no existe perdida de calor hacia los alrededores. Esta temperatura puede calcularse con la siguiente ecuación:
𝛴𝑁𝑝(ℎ°𝑓+ ℎ̅+ ℎ̅̅̅°)𝑝= 𝛴𝑁𝑟ℎ̅̅̅̅̅ = (𝑁ℎ𝑓,𝑟∘ 𝑓∘)𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 [𝐾] [6]
Donde:
ℎ̅: es la entalpia final [kJ/kmol].
ℎ̅°: es entalpia inicial [kJ/mol].
Con esta ecuación se puede obtener la entalpía del producto lo cual servirá para deducir la temperatura por medio de tablas de entalpias y con una interpolación entre temperatura máxima y mínima, con sus respectivos valores de entalpía se obtiene la temperatura adiabática de flama (𝑇𝑎𝑓).
21 2.1.9. MEZCLA DE GASES
Para determinar las propiedades de una mezcla es necesario conocer su composición, Para conocer la relación entre la masa de un componente y la masa de la mezcla se utiliza el método fracción de masa (𝑓𝑚), la cual es la relación entre el número de moles de un componente y el número de moles de una mezcla. Entonces para obtenerla fracción se utiliza la siguiente ecuación:
𝑓𝑚 = 𝑁 ∗ 𝑚
𝛴(𝑁 ∗ 𝑚) [7]
Donde:
𝑁: es el número de moles del componente [mol].
𝑚: es la masa del componente [g].
2.1.9.1. Propiedades de mezclas de gases ideales
Las propiedades de los gases ideales en una mezcla tanto la entropía, entalpía, energía interna, calores específicos puede ser calculada según Çengel & Boles (2012, págs. 707-708), utilizando la fracción de masa de sus productos, con la siguiente ecuación:
𝑐𝑝𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝛴(𝑓𝑚 ∗ 𝑐𝑝) [ 𝑘𝐽
𝑘𝑔. 𝐾] [8]
Donde:
22
𝑐𝑝: es el calor específico a presión constante del compuesto [kJ/kgK].
𝑓𝑚: es la fracción molar del compuesto. y
𝑐𝑣𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝛴(𝑓𝑚 ∗ 𝑐𝑣) [𝑘𝑔. 𝐾𝑘𝐽 ] [9]
Donde:
𝑐𝑣𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎: es el calor específico a volumen constante de la mezcla [kJ/kg.K].
𝑐𝑣: es el calor específico a volumen constante del compuesto [kJ/kg.K].
𝑓𝑚: es la fracción molar del compuesto.
Para determinar la relación de los calores específicos (𝑘) a presión y volumen constante se debe dividir estos dos valores.
2.1.10. CICLO OTTO
23 de escape, para descender por segunda vez extrayendo una mezcla fresca de aire y combustible a través de la válvula de admisión.
En las máquinas de dos tiempos, las cuatro funciones descritas se ejecutan sólo en dos tiempos: el de potencia y el de compresión (Çengel & Boles, 2012, págs. 498,499).
En la figura 2, se tiene el funcionamiento del ciclo Otto real y teórico:
Figura 2. Ciclos real e ideal en motores de encendido por chispa y sus diagramas P-v
(Çengel & Boles, 2012, pág. 498)
El análisis termodinámico del ciclo Otto puede simplificarse al utilizar las suposiciones de aire estándar, el cual se compone de cuatro procesos reversibles internamente:
1-2 Compresión isentrópica
2-3 Adición de calor a volumen constante
3-4 Expansión isentrópica
24 Para la resolución de problemas en procesos isentrópicos se puede considerar la siguiente ecuación:
𝑇1 𝑇2 = (
𝑉2 𝑉1)
𝑘−1
𝑦 (𝑉3 𝑉4)
𝑘−1
= 𝑇4 𝑇3
[10]
Donde:
𝑇: es la temperatura y el subindice muestra la fase de temperatura del ciclo [K].
𝑉: es el volumen y el subindice muestra el cambio de volumen del ciclo [𝑚3].
𝑘: es la relación de calores específicos, es decir el cociente entre 𝑐𝑝 y 𝑐𝑣.
Según Çengel & Boles, también puede utilizarse las siguientes ecuaciones:
𝑃1𝑉1
𝑇1 =
𝑃2𝑉2
𝑇2 =
𝑃3𝑉3
𝑇3 =
𝑃4𝑉4
𝑇4
[11]
Donde:
𝑇: es la temperatura y el subindice muestra la fase de temperatura del ciclo [K].
𝑉: es el volumen y el subindice muestra el cambbio de volumen del ciclo [𝑚3].
𝑃: es la presión y el subindice es el cambio de presión del ciclo [kPa].
El trabajo neto del ciclo (𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜) es la diferencia entre el calor de entrada (𝑄𝐻) y el de salida 𝑄𝐿:
25 Donde:
𝑐𝑣: es el calor específico a volumen constante del combustible introducido.
𝑄𝐿 = 𝑐𝑣(𝑇4− 𝑇1) [𝑘𝐽] [13]
Donde:
𝑐𝑣: es el calor específico a volumen constante del combustible introducido. Con estos valores se puede calcular el rendimiento térmico (𝑛𝑡) del ciclo Otto siendo el cociente entre trabajo neto (𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜) y el calor de entrada (𝑄𝐻), pero
también se puede expresar de la siguiente forma:
𝑛𝑡= 1 −
1
𝑟𝑘−1 [14]
Donde:
𝑟: es la relación de compresión del ciclo que viene dada como la división entre el volumen máximo (𝑣1 = 𝑣4) y mínimo del ciclo (𝑣2 = 𝑣3).
Para el trabajo de compresión se utilizara la siguiente ecuación:
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 =𝑃1𝑉1− 𝑃2𝑉2
𝑘 − 1 [𝑘𝐽] [15]
Mientras que para el trabajo de expansión se utilizara:
𝑊𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛 =𝑃3𝑉3− 𝑃4𝑉4
26 El rendimiento indicado (𝑛𝑖), es el cociente entre el trabajo positivo de la fase
cerrada del motor respecto a la mas de combustible (𝑚̇𝑓) por su poder calorífico (𝑃𝐶). (Álvarez Flórez, Callejón Agramunt, & Forns Farrús, 2002, pág. 136). La eficiencia térmica de máquinas reales de encendido por chispa varía aproximadamente de 25 a 30 por ciento sin embargo en el ciclo ideal este valor puede subir con facilidad, sin embargo no pueden excederse del 70% (Çengel & Boles, 2012, págs. 499-502).
2.2. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA DE CICLO OTTO
Son dispositivos que permiten transformar cualquier tipo de energía en mecánica, dentro de estos motores se tiene al motor térmico que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica contenida en un fluido comprensible. Existe una gran variedad de motores de combustión interna, pero únicamente este capítulo se centrara a los motores de combustión interna alternativos (MCIA) de encendido provocado (MEP) o llamados de ciclo Otto. El rendimiento global o efectivo de estos motores varía excesivamente según el diseño del motor y las condiciones de operación.
Estos motores pueden ser adaptados a grandes potencias, su combustible pueden ser diferentes naturalezas pero los hidrocarburos son su principal fuente de energía, debido al gran poder calorífico referido a su volumen lo cual permite una gran autonomía a los vehículos que disponen de este tipo de motor.
2.2.1. PARAMETROS GEOMÉTRICOS
Para el presente estudio únicamente se definirá las variables básicas como el volumen del cilindro y el volumen de la cámara de combustión sin tomar en cuenta los valores geométricos de la manivela, ni del pistón. (Payri & Desantes,
27 2.2.1.1. Cilindrada unitaria (𝑽𝒉)
Es el volumen en el cilindro desplazada por el embolo desde el PMS al PMI (Payri & Desantes, 2011, pág. 47) y según Bosch (2005) esta puede calcularse dividiendo la cilindrada total 𝑉𝐻por el número de cilindros del motor.
2.2.1.2. Volumen de la cámara de combustión
Según Payri & Desantes (2011, pág. 47) es el volumen mínimo del cilindro cuando los gases van a ser comprimidos para la combustión, cuando el pistón se encuentra en el PMS, basándose en Bosch (2005, pág. 499) se calcula:
𝑉𝑐 =
𝑉ℎ
𝑟 − 1 [𝑚3] [17]
Donde:
𝑉𝑐: es el volumen de la cámara de compresión [𝑚3].
𝑉ℎ: es el volumen unitario de la cilindrada del motor [𝑚3].
𝑟 : es la relación de compresión.
2.2.1.3. Relación de compresión
Es el cociente entre el volumen unitario del cilindro (𝑉ℎ), estando el pistón en el PMI y el volumen de la cámara de combustión (𝑉𝑐) es decir el pistón en el PMS,
lo cual según Payri & Desantes (2011, pág. 47), se le denomina relación de
28 2.2.2. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO
El régimen de giro del motor (𝑛) es uno de los principales parámetros puesto que determina la frecuencia de repetición del ciclo de trabajo (𝑖).
2.2.2.1. Grado de carga
Cuantifica el rendimiento mecánico del motor, la mariposa de aceleración regula la presión controlando el ingreso de aire. (Payri & Desantes, 2011, pág. 51)
2.2.2.2. Rendimiento volumétrico
El flujo másico de aire (𝑚𝑎̇ ) cambia dependiendo de la carga del motor. Se puede
calcular según Arcentales Angamarca & Paladines Bravo (2014, pág. 51) con la siguiente ecuación:
𝑛𝑣 = (
𝑟 𝑟 − 1) (
𝑃𝑎 𝑃1) [
𝑇1 𝑇𝑜(1 + 𝛾𝑟)]
[18]
Donde:
𝑟: es la relación de compresión.
𝑃𝑎: es la presión atmosférica. [kPa]
𝑃1: es la presión de admisión. [kPa]
𝑇𝑎: es la temperatura ambiente. [K]
𝑇1: es la temperatura de admisión. [K]
29 Para el estudio se tomara el rendimiento volumétrico dado por Solanes Jimenez (2008) para el ciclo Otto del anexo 1.
2.2.2.3. Flujo másico de aire
Es el caudal másico admitido por unidad de tiempo en el motor; se lo puede calcular despejando la ecuación de rendimiento volumétrico dada por Payri & Desantes (2011, pág. 53):
𝑚𝑎̇ = 𝑛𝑣𝜌𝑟𝑒𝑣𝑉𝑇𝑛𝑖 [𝑔
𝑠] [19]
Donde:
𝑛𝑣= es el rendimiento volumétrico.
𝜌𝑟𝑒𝑓= densidad del aire en función de la presión atmosférica. [g/𝑚3]
𝑉𝑇= volumen total del motor. [𝑚3]
𝑛= régimen de giro del motor [1/s].
𝑖= número de ciclos.
2.2.2.4. Poder calorífico y gasto de combustible
Es el resultado de la liberación de energía contenida en enlaces químicos en energía térmica, se puede calcular como:
30 Donde:
𝑄̇𝑙𝑖𝑏: es calor liberado [kJ].
𝑚̇𝑓: es flujo másico de combustible [kg].
𝑃𝐶: es poder calorífico del combustible [kJ/kg].
Como se mencionó, existen dos tipos de poder calorífico (PCS y PCI), dado que los combustibles suelen formar agua al arder y esta posee un elevado calor
latente de vaporización por tal motivo para los motores de encendido provocado (MEP) se utiliza el PCI que es donde el agua como resultado de la reacción no
se condensa.
2.2.3. CURVAS CARACTERÍSTICAS
2.2.3.1. Potencia
Se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo, es decir que dentro de un MCIA, la potencia es la fuerza por la distancia recorrida por el pistón y es el producto de la presión ejercida por los gases de combustión (González Calleja, 2012, pág. 45). Utilizando la ecuación de Zurita Zaldumbide (2007, pág. 16), se puede determinar la potencia con la siguiente ecuación:
𝑁𝑡= 𝑧𝑄𝑙𝑖𝑏𝑛𝑇𝑤𝑖 [𝑘𝑊] [21]
Donde:
𝑁𝑡: es la potencia teórica [kW].
𝑧: es el número de cilindros.
31
𝑄𝑙𝑖𝑏: es el calor liberado de combustión [kJ].
𝑤: es la velocidad angular [rad/s].
𝑖: es el número de ciclos.
El cálculo de la potencia indicada se debe obtener el producto entre la potencia teórica y el rendimiento indicado. Con ello se puede obtener el rendimiento mecánico el cual será el cociente entre la suma de la potencia teórica e indicada sobre el rendimiento teórico.
2.2.3.2. Par
Es la fuerza que transmite la biela al codo del cigüeñal. El par máximo del motor sucede cuando el llenado y la combustión son efectivas (González Calleja, 2012, pág. 55). Tomando las afirmaciones de González Calleja (2012, pág. 55) se tiene:
𝑀 =𝑁𝑡
𝑤 [𝑁𝑚] [22]
Donde:
𝑀: es el par [Nm]
𝑤: es la velocidad angular [rad/s].
𝑁𝑡: es la potencia teórica [kW].
2.2.3.3. Consumo específico
Es el gasto másico de combustible (𝑚́𝑓) que tiene el motor en determinadas
32
𝑐𝑒 =
𝑚𝑓̇ 𝑁𝑡 [
𝑔
𝑘𝑊. ℎ] [23]
2.3.
ELEMENTOS DE LA COMBUSTIÓN PARA UN MOTOR DE
CICLO OTTO
2.3.1. AIRE
Es una mezcla de nitrógeno, oxígeno y pequeñas cantidades de otros gases, en la atmosfera posee cierta cantidad de vapor de agua se conoce como aire atmosférico. En contraste, el aire no contiene vapor de agua se denomina aire seco. Debido a que la composición de aire seco permanece constante y la cantidad de vapor varía por la condensación y evaporización de lagos, ríos, etc., es preferible tratar al aire como una mezcla de aire seco y vapor de agua. (Çengel & Boles, 2012, pág. 738).
2.3.1.1. Composición
Está compuesto principalmente de oxígeno, nitrógeno, argón y otros gases, pero para facilitar el estudio se utilizara las fracciones recomendadas por Faires & Simmang (2001), la composición del aire será 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno. En la troposfera se encuentra alrededor del 90% de la masa atmosférica. (Petrucci, Harwood, & Herring, 2003, pág. 267)
2.3.1.2. Presión atmosférica
33 Figura 3. Altitud vs presión atmosférica
(Ph. D. Martínez, 2015)
2.3.2. COMBUSTIBLES
Es aquella sustancia que por medio de calor transforma la energía química en
energía mecánica y puede dividirse de la siguiente manera:
2.3.2.1. Fósiles
Provienen o derivan de reservas naturales que pueden agotarse a través del tiempo y generan elevada contaminación. Entre los tipos de combustibles se puede tener:
Gasoil Gasóleo Gasolina Queroseno Petrodiesel Gas natural Carbón
34 2.3.2.2. Renovables
Son de origen natural y pueden emplearse ilimitadamente, y pueden ser renovadas por su bajo impacto ambiental:
Energía solar. Energía eólica. Biomasa.
Energía geotérmica. Energía hidráulica.
Energía procedente del hidrógeno.
Energía procedente de los sistemas de cogeneración.
Para el desarrollo de esta tesis únicamente se tomara la información relacionada a la energía procedente del hidrógeno.
2.3.2.3. Propiedades físico químicas de los combustibles para la combustión en motores de ciclo Otto
a. Densidad
“La densidad de una sustancia de composición uniforme se define como su masa por unidad de volumen” (Serway & Faughn, 2001).
La densidad para combustibles está limitada entre 720 y 775 kg/m³ en la norma EN228 (la norma NTE INEN 935:2010 no establece la densidad límite para la gasolina en motores de ciclo Otto), el combustible Súper tendrá una densidad
más elevada que la normal. (Bosch, 2005)
b. Inflamabilidad
i. Límite de inflamabilidad:
35 ii. Número de octano:
Es la resistencia a la autoinflamación del combustible en altas presiones y elevadas temperaturas por puntos calientes dentro de la cámara combustión. Se asignó arbitrariamente un número de “octano” de 0 a 100 (Faires & Simmang,
2001). En el Ecuador según la norma INEN 935 2012 se distribuye dos tipos de combustibles, de 87 y de 92 octanos.
c. Volatilidad y entalpia de vaporización
El combustible debe satisfacer estrictos requisitos, debe tener una volatilidad que asegurare un arranque seguro en frío y evite problemas de marcha y arranque en caliente (Bosch, 2005). Un combustible es más volátil cuanto mayor es su temperatura de ebullición, se define por la curva de destilación obtenida con las normas EN-3405 o ASTM D86 a presión atmosférica.
2.3.3. EMISIONES CONTAMINANTES EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
El control de emisiones contaminantes es un factor importante en el diseño de los motores modernos, los contaminantes más importantes derivados del proceso de combustión son los hidrocarburos sin quemar o parcialmente quemados.
2.3.3.1. Óxidos de nitrógeno
Los 𝑁𝑂𝑥 se designa de forma genérica a los óxidos de nitrógeno, en motores principalmente se desarrolla óxido nítrico, aunque en algunos casos también se produce 𝑁𝑂2. Los principales efectos de estas emisiones son;
Formación de lluvia ácida.
Dióxido de nitrógeno de olor penetrante y color marrón rojizo
puede irritar los pulmones y reducir la resistencia a enfermedades
infecciosas.
36 2.3.3.2. Monóxidos de carbono
El mecanismo de formación de CO es un paso intermedio fundamental en la oxidación de un hidrocarburo y está íntimamente ligado con el dosado, pueden darse situaciones de mezcla rica. La cantidad de CO generada por un equipo de combustión depende del balance entre los procesos de formación y oxidación del mismo, siendo ambos muy activo a temperaturas elevadas.
2.3.4. EMISIONES DE EFECTO INVERNADERO
Los gases reconocidos como los máximos contribuyentes al efecto invernadero, solo las emisiones de CO2 causadas por motores son significativas como emisiones directas de estos, a pesar de que el potencial molecular de
calentamiento global de otros gases como el metano o el óxido nitroso es de 23 y de 296 veces mayor que el del CO2 respectivamente.
Esto se debe a que las cantidades emitidas de estos gases son muy inferiores a las de CO2, sin embargo estos carburantes pueden ser apreciables, razón por la cual se denominan emisiones de CO2 equivalente. (Payri & Desantes, 2011).
2.4.
CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO COMO FUENTE
DE ENERGÍA RENOVABLE
El hidrógeno es un gas universal, las estrellas, incluido el sol están compuestas de hidrógeno en estado de plasma. En el sol los átomos de hidrógeno se une
37 Las aplicaciones del hidrogeno son las siguientes:
Refinado de combustibles. Obtención de amoniaco. Tratamiento de metales. Industria alimentaria.
Producción de metanol y ácido clorhídrico. Hidrógeno en vehículos.
El hidrógeno debido a las condiciones de almacenamiento y transporte su uso
puede ser de alto riesgo. (Fábrega Ramos, 2009, pág. 135). Para el estudio se tomara únicamente la aplicación del hidrógeno para vehículos.
2.4.1. HIDRÓGENO EN AUTOMOCIÓN
Se conocen dos maneras para aprovechar la energía del hidrógeno en automoción:
Pilas de combustibles.
Hidrógeno como combustible para MCIA.
2.4.1.1. Pilas de combustible
38 Figura 4 Esquema individual de una pila de combustible
(EG&G Technical Services, Inc., 2004, págs. 1-2)
2.4.1.2. Hidrógeno como combustible para MCIA
El hidrógeno es el más sencillo de los elementos conocidos, su forma atómica más común solo contiene un propón y un electrón. Sin embargo solo existe en estad atómico a elevadas temperaturas. Como combustible es una alternativa a los hidrocarburos para motores de combustión alterna, debido a sus propiedades. El hidrógeno está conformado por tres isótopos: hidrógeno, deuterio y tritio. (Chang, 2010, pág. 282). A continuación en la tabla 1, se puede apreciar una comparación de los combustibles en mención.
Tabla 1. Propiedades del hidrógeno en relación a la gasolina
Combustible Densidad (kg/l) Calor de
evaporación kJ/kg
Potencia calorífica teórica MJ/kg
Temperatura de encendido °C
Consumo de aire kg/kg
Gasolina
Normal 0,720 -0,775 380-500 42,7 300 14,8
Gasolina
Súper 0,720 -0,775 — 43,5 400 14,7
Hidrógeno 0,09
Potenciacalorífica específica (combustible)
560 34
MJ/kg Mezcla A/C
120 2,97
39 2.4.1.3. Métodos para la obtención del hidrógeno
Son extraídos de otros compuestos en los que está presente, así se tiene que se puede producir a partir del agua, de los combustibles fósiles y de la materia orgánica (biomasa). Pero el método más común es la extracción por electrólisis, se basa en la separación electrolítica del agua (hidrógeno y oxígeno) el método tiene la ventaja de no producir emisiones pero su precio es elevado.
Electrolisis: Es un proceso en el cual se lleva a cabo reacciones químicas utilizando electricidad. (Kuhn, Försterling, & Waldeck, 2012).
Para evitar los problemas de almacenamiento se han diseñado generadores de hidrógeno los cuales alimentan directamente al motor, acorde con su capacidad
energía eléctrica y agua des ionizada 𝐻2𝑂 dosificada con KOH, para la
producción de hidrógeno con una presión de hasta 1psi, de forma continua y segura. (Menéndez, Pérez, & Rivero, 2013)
Según los estudios de Duque & Masaquiza (2013, pág. 111) con sus pruebas determinaron aumento de potencia en un 5% y disminución de combustible en 9%. Mientras que los resultados de la tesis de Yuquilima Campoverde & Vintimilla Calderón (2012, pág. 97) tuvieron un ahorro del 14,88% de combustible.
Datos similares obtuvieron Borja Jarrín, Borja Terán, & Castro Manrique (2014, pág. 85) ahorrando un 11% de hidrocarburo. Todas estas pruebas fueron