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Premio o distinción
FORMATO DE DESCRIPCIÓN
1.Información General
Unidad Patrocinante
Palabras Claves
Keywords Bioethanol; specific fuel consumption; thermal efficiency; torque;
power.
EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DESEMPEÑO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA OPERADO CON
MEZCLAS DE GASOLINA Y ETANOL GENERADO A PARTIR DE LA CAÑA DE MAÍZ PRODUCIDA EN EL MUNICIPIO DE PAIPA BOYACÁ.
Carvajal Martinez Julian Fernando;
Pérez Garavito Elkin Albeiro.
Eslava Sarmiento Andres Felipe.
Universidad Libre – Facultad De Ingenieria – Ingenieria mecánica.
Bioetanol; consumo especifico de combustible; eficiencia térmica;
torque; potencia.
Titulo del documento
Autor(es)
Asesor
2. Resumen
BALAT, M., Balat, H. Recent trends in global production and utilization of bio-ethanol fuel. Applied Energy, 86, pp. 2273-2282.(Mar-Abril.2009)
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3. Fuentes
El presente proyecto se enfoca en el funcionamiento de un motor a combustión interna de 270 [cm3]
utilizando bioetanol a partir de caña de maíz, el objetivo del proyecto es comparar el comportamiento del motor operado con un combustible base y con una serie de mezclas con el fin de evaluar la viabilidad del bioetanol.
Este bioetanol se generó a través de tres etapas, la primera, obtención del zumo de caña suministrada por agricultores del municipio de Paipa (Boyacá), la siguiente etapa es la fermentación la cual se realizó en Bogotá con condiciones ambientales controladas durante aproximadamente 9 semanas y finalmente su destilación fue realizada con el uso de un roto-evaporador en la Universidad Libre, luego de obtener el etanol fue necesario evaluar las siguientes propiedades densidad, el índice de refracción y el poder calorífico con el fin de saber si era aceptable para realizar las pruebas en el motor de banco.
Después de obtener el etanol y evaluar su calidad se realizó las mezclas volumétricas de 1000 ml las cuales fueron utilizadas en el motor de banco el cual está compuesto por un motor, generador y un banco de frenos de resistencias eléctricas el cual tenía como finalidad generar una serie de cargas para frenar el motor y así poder tener una variación en el voltaje y la corriente entregada por el generador.
Los datos obtenidos de las pruebas son procesados para calcular los parámetros de desempeño
(potencia, torque, consumo especifico y eficiencia térmica) para luego compararlos entre sí y determinar que mezcla da un mejor desempeño y si es viable su uso respecto a todo el proceso que lleva obtenerlo.
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Elaborado por:
Revisado por:
28 9 2021
6. Desarrollo del proyecto 6.1. Obtención
6.2. Fermentación 6.3. Destilación
6.4. Índice de refracción 6.5. Densidad
6.6. Poder calorífico superior 6.7. poder calorífico inferior
6.8. Prueba motor - banco de resistencias 7. Análisis de resultados
7.1. Cálculo de potencia para combustible E10 a partir de la carga 99 % 7.2. Cálculo de torque para combustible E10 a partir de la carga 99 % 7.3. Cálculo del BSFC para el combustible E10 a partir de la carga 99 % 7.4. Cálculo de la eficiencia térmica para el combustible E10 al 99 % 7.5. Resumen de resultados (E10, E20, E30, E40)
7.6. Graficas individuales de los parámetros
7.7. Comparación curvas características de cada parámetro de desempeño 7.8. Optimización por superficie de respuesta con software
8. Conclusiones 9. Recomendaciones
10. Referentes bibliográficos ANEXOS
Carvajal Martinez Julian Fernando; Pérez Garavito Elkin Albeiro.
Coordinador de investigación Fecha de elaboración del
Resumen:
4. Contenidos INTRODUCCION
JUSTIFICACION 1. Problema 2. Objetivos
2.1. Objetivo general 2.2. Objetivos específicos 3. Delimitación del proyecto 4. Metodología
4.1. Tipo de investigación 4.2. Esquema metodológico 4.3. Diseño experimental 4.4. Marco normativo y legal 5. Marco referencial
5.1 Antecedentes 5.2. Marco teórico 5.3. Marco conceptual
EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DESEMPEÑO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA OPERADO CON MEZCLAS DE GASOLINA Y ETANOL GENERADO A PARTIR DE LA CAÑA DE MAÍZ PRODUCIDA EN EL
MUNICIPIO DE PAIPA BOYACÁ
JULIAN FERNANDO CARVAJAL MARTINEZ ELKIN ALBEIRO PEREZ GARAVITO
UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENERÍA
INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ
2021
EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DESEMPEÑO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA OPERADO CON MEZCLAS DE GASOLINA Y ETANOL GENERADO A PARTIR DE LA CAÑA DE MAÍZ PRODUCIDA EN EL
MUNICIPIO DE PAIPA BOYACÁ
JULIAN FERNANDO CARVAJAL MARTINEZ COD: 065152002
ELKIN ALBEIRO PEREZ GARAVITO COD: 065151067
DIRECTOR:
ING. ANDRES FELIPE ESLAVA SARMIENTO
UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENERÍA
INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ
2021
HOJA DE ACEPTACION
El trabajo de grado titulado EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DESEMPEÑO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA OPERADO CON MEZCLAS DE GASOLINA Y ETANOL GENERADO A PARTIR DE LA CAÑA DE MAÍZ PRODUCIDA EN EL MUNICIPIO DE PAIPA BOYACÁ realizado por los estudiantes Julián Fernando Carvajal Martínez y Elkin Albeiro Pérez Garavito con códigos 065152002 y 065151067 respectivamente, cumple con todos los requisitos legales exigidos por la Universidad Libre para optar al título de Ingeniero Mecánico.
__________________________________________
ING. ANDRES FELIPE ESLAVA SARMIENTO DIRECTOR DEL PROYECTO
__________________________________________
JURADO 1
__________________________________________
JURADO 2
4 RESUMEN
Las problemáticas ambientales a raíz del uso de combustibles fósiles y la alta generación de desechos en los cultivos de maíz dio pie a la obtención y evaluación de un combustible alternativo como lo es el bioetanol a base de el zumo de caña de maíz. Este bioetanol se generó a través de tres etapas, la obtención del zumo de caña proveniente del municipio de Paipa (Boyacá), la fermentación de éste en Bogotá durante aproximadamente 9 semanas y finalmente su destilación realizada con el uso de un roto-evaporador en la Universidad Libre. Se realizaron pruebas en un motor de banco que permitió medir los parámetros de desempeño como la potencia, torque, consumo especifico y eficiencia térmica del equipo con la finalidad de determinar la viabilidad del uso este bioetanol
Palabras clave: Bioetanol, consumo especifico de combustible, eficiencia térmica, torque, potencia, fermentación y destilación.
ABSTRACT
Environmental problems due to the use of fossil fuels and the high generation of waste in corn crops led to the obtain and evaluate an alternative fuel such as bioethanol generated from corn cane juice. This bioethanol was generated through three stages, first, obtaining cane juice from Paipa city (Boyacá), the fermentation of it in Bogotá for approximately 9 weeks and finally its distillation carried out with the use of a rotary evaporator in the Universidad Libre. Tests were carried out on a bench motor that allowed to measure the parameters such as power, torque, specific consumption and thermal efficiency of the equipment in order to determine the viability of using this bioethanol.
Key words: Bioethanol, specific fuel consumption, thermal efficiency, torque, power, fermentation and distillation.
5 CONTENIDO
INTRODUCCION ... 11
JUSTIFICACION ... 13
1. Problema ... 14
2. Objetivos ... 15
2.1. Objetivo general... 15
2.2. Objetivos específicos ... 15
3. Delimitación del proyecto ... 16
4. Metodología ... 17
4.1. Tipo de investigación ... 17
4.2. Esquema metodológico ... 17
4.3. Diseño experimental ... 18
4.4. Marco normativo y legal ... 25
5. Marco referencial ... 27
5.1 Antecedentes ... 27
5.2. Marco teórico ... 31
5.2.1. Energía ... 31
5.2.2. Combustible ... 31
5.2.3. Biocombustibles ... 31
5.2.4. Etanol Anhidro E Hidratado ... 32
5.2.5. Obtención de los biocombustibles ... 33
5.2.6. Fermentación de azúcares ... 33
5.2.7. Ciclo Otto ... 34
5.2.8. Características de un MCI reciprocante ... 36
5.3. Marco conceptual ... 37
5.3.1. Densidad ... 37
5.3.2. Índice de refracción ... 37
5.3.3. Poder calorífico superior ... 38
6
5.3.4. Poder calorífico inferior ... 38
5.3.5. Potencia ... 39
5.3.6. Torque ... 40
5.3.7. Eficiencia térmica ... 41
5.3.8. Consumo especifico ... 42
6. Desarrollo del proyecto ... 43
6.1. Obtención ... 43
6.2. Fermentación ... 44
6.3. Destilación ... 44
6.4. Índice de refracción ... 45
6.5. Densidad ... 47
6.6. Poder calorífico superior ... 48
6.7. poder calorífico inferior ... 51
6.8. Prueba motor - banco de resistencias ... 53
7. Análisis de resultados ... 56
7.1. Cálculo de potencia para combustible E10 a partir de la carga 99 % ... 57
7.2. Cálculo de torque para combustible E10 a partir de la carga 99 % ... 57
7.3. Cálculo del BSFC para el combustible E10 a partir de la carga 99 % ... 57
7.4. Cálculo de la eficiencia térmica para el combustible E10 al 99 % ... 58
7.5. Resumen de resultados (E10, E20, E30, E40) ... 59
7.6. Graficas individuales de los parámetros ... 60
7.7. Comparación curvas características de cada parámetro de desempeño .... 64
7.8. Optimización por superficie de respuesta con software ... 71
8. Conclusiones ... 77
9. Recomendaciones ... 78
10. Referentes bibliográficos ... 79
7 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Características de operación del motor 19
Tabla 2 Variación de los niveles de cada factor 22
Tabla 3 Variaciones según los niveles de la carga para cada variable de salida 23 Tabla 4 Combinaciones para las pruebas sustituyendo el combustible 24 Tabla 5 Proporción volumétrica para obtener las mezclas de gasolina/etanol 25
Tabla 6 Propiedades fisicoquímicas del etanol 27
Tabla 7 Desempeño en MCI-EP operado con diferentes mezclas y con gasolina 28
Tabla 8 Datos técnicos roto-evaporador 45
Tabla 9 Índices de refracción para cada mezcla 47
Tabla 10 Densidades de cada mezcla 48
Tabla 11 Poder calorífico superior de cada mezcla (Prueba 1) 51 Tabla 12 Promedios poder calorífico superior de cada mezcla 51
Tabla 13 Entalpia de vaporización de las mezclas 53
Tabla 14 Promedio poder calorífico inferior de cada mezcla 53 Tabla 15 Datos de las pruebas con carga 99% y con combustible base E10 56
Tabla 16 Resultados con combustible base E10 59
Tabla 17 Resultados con mezcla E20 59
Tabla 18 Resultados con mezcla E30 60
Tabla 19 Resultados con mezcla E40 60
Tabla 20 Resumen optimización de factores 76
8 INDICE DE FIGURAS
Figura 1 Motor en locación y funcionamiento 18
Figura 2 Esquema funcional motor-generador 19
Figura 3 Banco de freno (resistencias eléctricas) 20
Figura 4 Torque y potencia en función de la velocidad del motor 36
Figura 5 BSFC Vs Velocidad del motor 36
Figura 6 Trapiche (molino para exprimir) empleado 43
Figura 7 Fermentación en proceso 44
Figura 8 Roto-evaporador y destilado 45
Figura 9 Índices de refracción 46
Figura 10 a) Primer índice medido, b) segundo índice medido 46
Figura 11 Propiedades de líquidos 50
Figura 12 Propiedades químicas de combustibles comunes. 52
Figura 13 Potencia Vs Carga E10 60
Figura 14 Torque Vs Carga E10 61
Figura 15 BSFC Vs Carga E10 62
Figura 16 Eficiencia térmica Vs Carga E10 63
Figura 17 C Curvas características de potencia la para todas las mezclas 64
Figura 18 Resultados potencia carga a carga 65
Figura 19 Curvas características de Torque la para todas las mezclas. 66
Figura 20 Resultados Torque carga a carga 67
Figura 21 Curvas características del BSFC para todas las mezclas 68 Figura 22 Resultados Consumo especifico carga a carga 69 Figura 23 Curvas características de la eficiencia térmica para todas las mezclas 70 Figura 24 Resultados Eficiencia Térmica carga a carga 71 Figura 25 Gráfica de superficie de respuesta de Potencia vs Carga - Mezcla 72 Figura 26 Optimización de la respuesta de Potencia [kW] 73 Figura 27 Gráfica de superficie de respuesta de Torque vs Carga - Mezcla 73
9
Figura 28 Optimización de la variable de respuesta torque [Nm] 74 Figura 29 Gráfica de superficie de respuesta de BSFC vs Carga - Mezcla 75 Figura 30 Optimización de la variable de respuesta consumo especifico [g/kWh] 76
INDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1 Densidad 37
Ecuación 2 Calculo de Poder calorífico 38
Ecuación 3 Calculo poder calorífico inferior 39
Ecuación 4 Calculo del calor de vaporización 39
Ecuación 5 Calculo de potencia 39
Ecuación 6 Potencia al freno en términos de voltaje y corriente 40
Ecuación 7 ecuación por definición 40
Ecuación 8 Torque al freno 41
Ecuación 9 Calculo de eficiencia térmica 41
Ecuación 10 Potencia al freno en relación con eficiencia térmica 41
Ecuación 11 Consumo especifico de combustible 42
Ecuación 12 Consumo especifico al freno 42
Ecuación 13 Caudal de combustible 57
Ecuación 14 Flujo másico de combustible 58
10
LISTADO SIMBOLOS
W Potencia
T Torque
°C Grados centígrados
Hz Hertz
S Segundos
kW*h Kilovatio por hora
kPa Kilo pascales
kW Kilo vatios
N*m Newton por metro
KJ Kilo Julio
𝜌 Densidad
ṁ𝑓 Flujo de masa de combustible
11 INTRODUCCION
El petróleo es uno de los combustibles fósiles más utilizado en la actualidad debido a la cantidad de energía que puede llegar a entregar, los principales derivados de este es la gasolina y el Diesel, el uso de estos derivados genera grandes daños ambientales como el cambio climático el cual es causado por el aumento de las concentraciones de los gases de efecto invernadero, especialmente, por el CO2.
(Andrade, Artega ,2017)
Según un reporte de la UPME (unidad de planeación minero-Energética) Desde el año 2005 en el país se vienen adicionando biocombustibles a los combustibles usados principalmente para transporte carretero; se muestra la evolución de este consumo. En el año 2009 se consumieron 5,693 BDC (Barriles día calendario) de alcohol carburante y 4,987 de biodiesel a la gasolina motor y el Diesel, lográndose un porcentaje de mezcla del 7.6% y 4.9%, respectivamente, de las ventas de estos energéticos. (UPME, 2010).
El presente proyecto se enfoca en el funcionamiento de un motor a combustión interna de 270 [cm3] utilizando bioetanol a partir de caña de maíz, el objetivo del proyecto es comparar el comportamiento del motor operado con un combustible base y con una serie de mezclas con el fin de evaluar la viabilidad del bioetanol.
Este bioetanol se generó a través de tres etapas, la primera, obtención del zumo de caña suministrada por agricultores del municipio de Paipa (Boyacá), la siguiente etapa es la fermentación la cual se realizó en Bogotá con condiciones ambientales controladas durante aproximadamente 9 semanas y finalmente su destilación fue realizada con el uso de un roto-evaporador en la Universidad Libre, luego de obtener el etanol fue necesario evaluar las siguientes propiedades densidad, el índice de refracción y el poder calorífico con el fin de saber si era aceptable para realizar las pruebas en el motor de banco.
Después de obtener el etanol y evaluar su calidad se realizó las mezclas
12
volumétricas de 1000 ml las cuales fueron utilizadas en el motor de banco el cual está compuesto por un motor, generador y un banco de frenos de resistencias eléctricas el cual tenía como finalidad generar una serie de cargas para frenar el motor y así poder tener una variación en el voltaje y la corriente entregada por el generador.
Los datos obtenidos de las pruebas son procesados para calcular los parámetros de desempeño (potencia, torque, consumo especifico y eficiencia térmica) para luego compararlos entre sí y determinar que mezcla da un mejor desempeño y si es viable su uso respecto a todo el proceso que lleva obtenerlo.
13 JUSTIFICACION
El uso de combustibles fósiles y de fuentes de energía primarias en actividades industriales, agroindustriales y de transporte, es el principal causante del incremento de los gases de efecto invernadero y de gases contaminantes emitidos en la atmósfera. El efecto invernadero que se intensifica por la contaminación, es una de las causas del calentamiento global tal como lo aseveran las investigaciones más recientes. Un alto porcentaje de estos gases se encuentra presente en la atmósfera de manera natural, pero su concentración aumenta debido a aplicaciones energéticas. (Balat,2009).
Por revisión bibliográfica se encontró información referente a estudios que demuestran el beneficio de usar etanol como combustible complementario a la gasolina mejorando emisiones y aprovechando más las propiedades de operación del etanol cuando se emplea en el motor, concluyendo que entre mezclas E15 y E20 se obtienen mejores resultados en cuanto a los parámetros de desempeño.
Con el presente trabajo de grado se busca comprobar experimentalmente si el uso de un etanol generado a base de caña de maíz mezclado con gasolina puede logar una mejora en el comportamiento del motor, evaluado con ciertos parámetros de desempeño como torque potencia y consumo especifico, lo cual podría dar entrada a la caña de maíz como un recurso para la elaboración de un combustible alternativo que tendría un impacto positivo en el medio ambiente.
Se busca mitigar el uso de combustibles fósiles ya que su impacto ambiental ha sido tan grande que genera dos principales problemáticas, uno de ellos es la producción de gases invernadero por el uso de combustibles fósiles y segundo, por el desperdicio y contaminación generada por el mal aprovechamiento de la caña de maíz.
Así mismo se pretende contribuir con la investigación académica acerca de los combustibles orgánicos para disminuir la producción de gases invernadero en nuestro país, la obtención y procesamiento de nuevos combustibles alternativos y crear líneas de investigación para la ingeniería mecánica.
14 GENERALIDADES
1. Problema
La producción industrial de maíz en el mundo es una de las más tradicionales por su facilidad de cultivar y cosechar, sin embargo, solo el maíz (mazorca) es lo que finalmente se aprovecha. En la actualidad, según FENALSE, en Colombia se aprovecha menos de un 20% de un cultivo de maíz. En el municipio de Paipa (Boyacá) el sobrante de las cosechas se considera como basura y se desecha, ya sea por descomposición, quemándolo después de seco o como complemento alimenticio de animales, estos desperdicios principalmente son la caña y los ameros (hojas) de la planta de maíz. Este desperdicio afecta a los agricultores porque alarga el tiempo de espera para volver a iniciar el ciclo de siembra y es fuente de malos olores y plagas. (FENALSE,2019).
A lo anterior, se suma uno de los principales problemas en el mundo, la contaminación ambiental por la generación de CO de los motores de combustión interna, que basaron su desarrollo en el consumo de combustibles fósiles y dejaron de lado el cuidado ambiental.
Para dar un uso más sostenible y aprovechable, se decide evaluar la alternativa del uso de los residuos de la caña de maíz para la producción de un alcohol etílico (etanol) el cual se combinará en diferentes porcentajes con gasolina, con el fin de obtener un biocombustible complementario y evaluar su viabilidad.
15 2. Objetivos
2.1. Objetivo general
Evaluar los parámetros de desempeño de un motor a combustión interna de ignición por chispa operado con mezclas de gasolina y etanol generado a partir de caña de maíz, para determinar su viabilidad como biocombustible.
2.2. Objetivos específicos
Obtener un biocombustible a partir del proceso de fermentación y destilación de la caña de maíz y caracterizar el poder calorífico, densidad e índice de refracción de este.
Determinar curvas de potencia, consumo especifico de combustible y torque del motor operado con combustible base (E10) y con mezclas de gasolina - etanol de caña de maíz (E20, E30, E40) comparando el comportamiento de este.
Comparar la eficiencia térmica del equipo usando combustible base y combustible con mezclas de etanol para determinar cuál de los combustibles tiene un mejor desempeño cuando el motor está sometido a una velocidad constante.
16 3. Delimitación del proyecto
Este proyecto está enfocado en evaluar la viabilidad para la obtención de biocombustible a partir de la caña de maíz de la zona rural del municipio de paipa, puesto que de allí proviene la materia prima para generar el etanol. A pesar de que la caña de maíz proviene del municipio de Paipa, las pruebas, mediciones y análisis de este proyecto se realizaran en un laboratorio de motores, donde se cuenta con un banco de pruebas en el que se puede medir la potencia al freno, torque al freno y consumo especifico, cuyas características son: motor de combustión interna 4 tiempos, un generador eléctrico y un banco de frenos de resistencias.
El proceso de obtención del etanol puede ser mediante diferentes métodos, dependiendo del estado de la materia prima, facilidad de operación o el uso que se le dará al etanol. En este caso se va a emplear es un proceso de fermentación al zumo de la caña de maíz para su posterior destilación y con esto, separar el alcohol etílico del agua y demás componentes del fermento. Estos procesos se realizarán de forma artesanal (no industrial) en un laboratorio químico también presente en la Universidad Libre.
17 4. Metodología
4.1. Tipo de investigación
La investigación a desarrollar es de carácter cuantitativo, debido a que el proyecto tendrá como enfoque una investigación empírica sistemática, de fenómenos observables a través de técnicas estadísticas, matemáticas u operacionales, en este caso al evaluar los parámetros de desempeño (torque ,potencia y consumo especifico) que se encontraran de manera experimental, los parámetros de desempeño son los que caracterizan el funcionamiento de un motor a combustión interna es por esto que es necesario hallarlos para poder compararlos y definir cuál mezcla de etanol con gasolina puede llegar hacer mejor.
4.2. Esquema metodológico
18 4.3. Diseño experimental
A continuación, se presenta el diseño experimental empleado para evaluar los parámetros de desempeño en un motor de combustión interna, alimentado con las Mezclas de gasolina y etanol que.
Hipótesis de la Investigación
Haciendo referencia desde el punto de vista ambiental y energético, se desea comprobar si el uso de las mezclas de gasolina y etanol a base de caña de maíz ayuda a mejorar parámetros de desempeño en un motor generador que se encuentra operando en la ciudad de Bogotá.
Unidad Experimental
Con el fin de probar la hipótesis de investigación, se utilizó un motor de combustión interna de marca HONDA para realizar las pruebas correspondientes al diseño metodológico, mostrado a continuación
Figura 1 Motor en locación y funcionamiento
Fuente: Autores del proyecto
19
Cuyas características de operación se muestran en la tabla 1
Tabla 1 Características de operación del motor
CARACTERISTICAS DEL MOTOR
Descripción 270 F
Tipo Mono cilíndrico 4 tiempos OHV inclinación del eje del cilindro sobre la horizontal 25 °
Diámetro x carrera (mm) 77x58
Relación de compresión 8.5:1
Cilindrada (cm3) 270
Ignición Transistor electrónico
Lubricación Salpicadura
Encendido Halado a mano
Potencia nominal/velocidad
(kW/rpm) 6.6 /3600
Torque máximo (Nm/rpm) 19,1/2500
Consumo combustible (l/h) 2,4 a 3600 rpm
Peso neto (kg) 25,8
Diámetro eje 1 pulgada.
Análisis funcional de la unidad experimental
El motor de combustión interna de encendido por chispa es una maquina térmica, que se encarga de transformar la energía química de un combustible (MEZCLA) en energía mecánica rotacional. La energía mecánica rotacional se puede convertir en energía eléctrica, por medio de un generador, a continuación, se pude ver plasmado en un esquema.
Figura 2 Esquema funcional motor-generador
Fuente: Autores del proyecto
20 Variables de interés y equipo experimental
Este estudio está destinado a analizar las variables de desempeño tales como consumo especifico de combustible, eficiencia térmica, potencia y torque al freno, las cuales están relacionadas con el desempeño mecánico del motor.
Estos parámetros buscan mejorar la calidad de corriente que entrega el generador.
A continuación, se describen las variables involucradas en el estudio y los equipos e instrumentos que se utilizaron para su medición.
El caudal del combustible se calculó llenando en totalidad una probeta de 1000 ml y luego de ello se daba operación al motor durante 60 segundos con el fin de calcular el combustible empleado durante esos 60 segundos.
Tensión (𝑽) y corriente eléctrica (𝑰) en el generador.
El voltaje y la corriente son variables de gran importancia sobre el desarrollo de la prueba, ya que con los valores obtenidos se calcularán los parámetros de desempeño. Con el fin de variar el consumo de corriente se utilizó un banco de resistencias eléctricas controladas manualmente mediante interruptores ON/OFF.
La tensión 𝑊 y la corriente 𝐽 en el generador fueron medidas respectivamente con un voltímetro y una pinza amperimétrica.
Banco de resistencias eléctricas
Figura 3 Banco de freno (resistencias eléctricas)
Fuente: Autores del proyecto
21
El banco de resistencias se utiliza para generar carga al motor de combustión interna y así poder evidenciar la variación de los parámetros del desempeño del motor. El banco de resistencias consta de unas resistencias eléctricas con las cuales se puede activar o desactivar por medio de una serie de brakers, los cuales controlan la carga del motor. Las variaciones de carga utilizadas en la prueba fueron tomadas a los 6 kW como la carga de 100%. Los valores de 99%, 83% ,66 %,49%
y 33% fueron tomados por aproximación respecto al rango de carga que permite los brakers.
Diseño del tratamiento
Se plantea un diseño experimental por superficies de respuesta, debido a que se tienen variables de salida (torque, potencia y consumo especifico) de las cuales, se busca obtener su mejor valor y son afectadas directamente por unos factores cuantitativos (carga del banco, concentración de etanol). Esta metodología permite, por medio de herramientas matemáticas y tecnológicas, conocer una “superficie”
que se genera por los resultados según cada combinación de los niveles de las variables de entrada. Lo anterior para ver en qué punto, la respuesta del experimento es la mejor.
Dentro de las superficies de respuesta se encuentra los diseños factoriales 𝑗𝐾 , en este diseño se considera factor a las condiciones del proceso que influencian en la variable de respuesta, estos factores son la mezcla de combustible (gasolina con etanol) y a la carga aplicada en el banco de pruebas.
Siguiendo con lo propuesto en la teoría de diseño de superficies de respuesta, se tomaron 4 niveles tanto en carga como en mezcla, entonces no se tuvo en cuenta la carga más baja (33%) puesto que no tiene una variación relevante para la comparación de los parámetros de desempeño esta distribución se puede visualizar en la tabla 3.
22
Tabla 2 Variación de los niveles de cada factor
Niveles (k)
Variables de entrada
Carga del banco de frenos Mezcla de combustible
1 99% E10
2 83% E20
3 66% E30
4 49% E40
Los valores de la tabla anterior sobre la carga del banco de frenos se escogieron con asesoría del tutor quien aconseja cargas altas donde se pueden apreciar cambios significativos.
𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 = 𝑗𝐾
Donde
𝑗 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = 2 𝑘 = 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙𝑒𝑠 = 4
𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 = 24 = 16
Lo que arroja un número total de 16 experimentos, variando cada una de las cargas y de las mezclas, además de esto se aplica una repetitividad de 5 muestras por experimento para tener un dato más acertado. Dando un tamaño de muestra total de 80 pruebas para nuestra superficie de respuesta.
Se realizarán las pruebas de combustión y posterior medición de parámetros para el combustible base, que será nuestra referencia y punto de comparación con los demás experimentos, para cada una las variables de salida.
23
Tabla 3 Variaciones según los niveles de la carga para cada variable de salida
GASOLINA (E10)
Carga al freno Respuesta
99% Torque
83% Torque
66% Torque
49% Torque
99% Potencia
83% Potencia
66% Potencia
49% Potencia
99% Consumo especifico
83% Consumo especifico
66% Consumo especifico
49% Consumo especifico
De manera similar se harán las pruebas para cada una de las combinaciones que surgen de nuestro diseño factorial, de la siguiente forma (de igual forma para cada variable de salida):
24
Tabla 4 Combinaciones para las pruebas sustituyendo el combustible
Variable 1 (sustitución Gasolina Base - Etanol)
Variable 2 (carga del freno)
E10 99%
E10 83%
E10 66%
E10 49%
E20 99%
E20 83%
E20 66%
E20 49%
E30 99%
E30 83%
E30 66%
E30 49%
E40 99%
E40 83%
E40 66%
E40 49%
Es importante aclarar cómo se van a obtener las diferentes mezclas de combustible con etanol para que tengan las concentraciones requeridas por nuestro diseño experimental. Teniendo como base la gasolina comercial (E10), se harán las siguientes proporciones volumétricas, conservando un volumen total constante de 1 litro.
25
Tabla 5 Proporción volumétrica para obtener las mezclas de gasolina/etanol
Mediante este método y con el uso de ayudas tecnológicas, usando los datos que se obtendrán a partir de estas pruebas, se encontrará un punto en los niveles de los factores, o sea las variables de entrada, con el cual nuestras variables de salida tengan el mejor rendimiento, es decir, sobre la superficie de respuesta encontraremos un valor máximo de torque, un valor máximo de potencia y un valor mínimo de consumo especifico. Este punto quedará a disposición del lector y quien quiera continuar con esta investigación, para comprobar si en este punto se cumple el mejor comportamiento de los parámetros de desempeño.
4.4. Marco normativo y legal
✓ Norma Técnica Colombiana - NTC 1486 “Documentación, Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación”
✓ Norma Técnica Colombiana - NTC 1930 _ “Vehículos automotores. Motores de combustión interna. Potencia neta.” Esta norma específica un método para ensayar motores diseñados para vehículos automotores. Se aplica a la evaluación su funcionamiento, principalmente con el propósito de presentar
Gasolina base (E10)
Gasolina
(E0) Etanol Adicion Etanol
Etanol
total Total
1000 900 100 0 100 1000 10,0
889 800,1 88,9 111 199,9 1000 20,0
778 700,2 77,8 222 299,8 1000 30,0
667 600,3 66,7 333 399,7 1000 40,0
Contenido (ml)
%
26
curvas de potencia y consumo especifico de combustible bajo carga completa, como una función de la velocidad del motor.
✓ RESOLUCION No. 18 0687 DE JUNIO 17 DE 2003 Por la cual se expide la regulación técnica prevista en la Ley 693 de 2001, en relación con la producción, acopio, distribución y puntos de mezcla de los alcoholes carburantes y su uso en los combustibles nacionales e importados EL MINISTRO DE MINAS Y ENERGÍA.
✓ RESOLUCION N° 1962 25 SEPTIEMBRE 2017 por la cual se expide el límite del indicador de cociente del inventario de emisiones de gases de efecto invernadero del etanol Anhidro Combustible Desnaturalizado y se adoptan otras disposiciones.
✓ Norma Técnica Colombiana – NTC 619:1995 “METODO DE ENSAYO PARA EL INTERVALO DE DESTILACION DE LIQUIDOS ORGANICOS VOLATILES”. Esta norma específica los intervalos de destilación de los líquidos que tiene punto de ebullición entre 30°C y 350 °C, que son químicamente estables durante el proceso de destilación
✓ RESOLUCIÓN No. 18 1069 DE AGOSTO 18 DE 2005 Por la cual se modifica la Resolución 18 0687 del 17 de junio de 2003 y se establecen otras disposiciones EL MINISTRO DE MINAS Y ENERGÍA En ejercicio de sus atribuciones legales y, en especial las conferidas por la Ley 693 de 2001, el Decreto 070 de 2001.
27 5. Marco referencial
5.1 Antecedentes
En el 2009 (González Mc´mahon) presenta la caracterización de un motor a combustión interna utilizando mezclas de gasolina con etanol ,el autor busca a partir de la medición de los parámetros de desempeño como el torque , potencia , emisión de gases y consumo especifico, realizar una comparación entre las mezclas (E10- E20) y de tal forma saber cuál de las 2 tiene un mejor desempeño. Las pruebas fueron realizadas en un motor de banco con un banco de frenos hidráulico construido por el mismo autor, En los resultados de las pruebas se puede aprecia que las dos mezclas tienen un comportamiento muy similar a altas cargas con una potencia máxima de 8 kW y un torque aproximadamente de 22 Nm, el autor recomienda realizar este tipo de pruebas a mayor carga.
En el 2016 (García, Cendales, Eslava) nos presentan el artículo “motores de combustión interna (MCI) operado con mezclas de etanol y gasolina” los autores hacen referencia a las diferentes problemáticas ambientales que surgen por el uso de combustibles fósiles y a la viabilidad del uso de etanol como un combustible alternativo para reducir el uso de hidrocarburos, es por esta razón que los autores deciden realizar una investigación sobre combustibles alternativos como lo es el etanol.
Tabla 6 Propiedades fisicoquímicas del etanol
PROPIEDADES DEL COMBUSTIBLE ETANOL
Numero de octano 108
Temperatura de auto ignición [K] 606 Calor latente de vaporización [MJ/kg] 0,91
Poder calorífico inferior [MJ/kg] 26,7
Densidad [kg/m3] 789
Fuente: Balat, 2009
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Los principales parámetros que se analizan son: el torque de salida, el consumo específico de combustible (BSFC), la eficiencia térmica al freno, la eficiencia volumétrica, eficiencia de combustión, presión media efectiva al freno (BME) y emisiones reguladas.
Tabla 7 Desempeño en MCI-EP operado con diferentes mezclas y con gasolina
Fuente: (García, Cendales, Eslava) 2016
Después de generar una investigación exhaustiva los autores del documento concluyen que el uso del etanol mezclado con gasolina en porcentajes mayores al 20% como combustible no representa una disminución del rendimiento del motor.
BSFC TORQUE POTENCIA
EFICIENCIA TERMICA
E22 2,7↓ 1,6↑ 3,1↑ 2,5↑
E40 Y E60 15↓ 14↑
E5,E10,E20 Y E30
casi constante a bajas velocidades
Mayor para aperturas de
mariposa superiores al 20%
E25,E50,E75 y
E100 3↓ 29↑
E5 y E10
3,2↑ a 80 Km/h 0,85↑ a 100 Km/h
1,9↑ a 80 Km/h 2,5↑ a 100
Km/h
E22 3,7↑ 14,1↑
E10 y E20
Disminuye para cargas medias
E100 56↑ 3,7↑
E10,E20,E40
y E60 Maximo a 22 CAD
E5,E10,E20 y E30
5,8↑ con mezclas E20 y E30
E10 ,E20 13↓ 1,3↑
E10,E20,E40 y E60
incrementos para todas las mezclas E10,E20,E30,E50
,E85 y E100
Maxima entre 24 y 34 CAD
E100
Maximo con mayor masa residual en la
mezcla
E100 6↓
E5,E10,E15 y E20
7,2↑ para E10,7,2↑ para E15
18,77 para E20
E25 hasta E27,5 5,7↑ 8,3↑ 9↑
MEZCLAS
COMPARACION RESPECTO A LA GASOLINA (%)
29
Según la revisión bibliográfica de los autores los procesos de combustión mejoran con el uso de mezclas etanol-gasolina; este comportamiento es causado principalmente por la mayor cantidad de oxígeno disponible en la mezcla aire – combustible, además se encontró que el etanol genera más energía térmica dentro del cilindro durante la combustión.
El autor también hace énfasis en que el aumento en la relación de compresión del MCI-EP mejora el desempeño de este para mezclas superiores al 20 % de etanol, ya que permite mayor ingreso de aire, lo que mejora los parámetros de combustión y se obtiene así un aumento en el torque y la eficiencia térmica.
En el 2009 (Espinal, Jiménez, Peraza, Tinetti), nos presentan un documento en el que desarrolla una investigación sobre los tipos de fermentación existentes válidos para la obtención de etanol, así como los tipos de destilación que ya existen para separar dicho etanol del resto de componentes resultado de la fermentación, para posteriormente escoger y plantear un diseño en particular de cada proceso, de los cuales el de destilación se llevará a proceso de construcción; así mismo se estudian los distintos mecanismos de transferencia de calor utilizados en procesos de destilación para identificar el mejor y así diseñar y construir un equipo capaz de producir alcohol etílico a partir de la sustancia considerada en la investigación, tal como maíz, maicillo o jugo de caña de azúcar.
En Colombia las propuestas de implementación del etanol en la gasolina comenzaron a tener mayor auge en la década de los 80 por la dificultad energética de aquel momento, tanto así que Ecopetrol trato de incentivar a las plantas de azúcar a destinar una parte de su producción para la creación de etanol carburante.
La producción de bioetanol comenzó en las zonas aledañas al rio Cauca con los departamentos de Valle, Risaralda y Cauca, plantas habilitadas gracias a la ley 693 de 2001 que regía la obligación de combinar gasolina con etanol en una proporción de 92 a 8, con una producción diaria de 1.075.000 litros de etanol por día.
30
Tabla 8. Histórico de producción de Etanol en Colombia (2008-2016).
Fuente: MUÑOZ, Javier. PROPUESTA DE MEJORA EN EL USO, PRODUCCIÓN Y TECNOLOGÍAS DEL ETANOL EN COLOMBIA CON RESPECTO A BRASIL. Bogotá, 2020
En el 2017 (Rodríguez. 2017) busca la disminución del porcentaje de gases contaminantes emitidos por un motor corsa 1600 funcionando a ralentí a partir del uso de una mezcla de gasolina super con etanol obtenido a partir de los despojos de maíz de una provincia de Ecuador, en proporción 90% gasolina y 10% etanol, caracterizan y evalúan los gases generados usando la gasolina base y luego con la mezcla E10, obteniendo una reducción del 66,17% de emisión de CO y un 77,8%
menos de hidrocarburos no combustionados, así mismo se evidencio una mejoría con la potencia aumentando un 18%, y el torque también aumento un 15%.
Adicionalmente el consumo de combustible disminuyo, tanto en ralentí un 10,29%, como el rendimiento en carretera un 27,34% menos. Concluyendo que si es viable es uso de esta mezcla técnicamente.
Este trabajo de grado es continuación del trabajo que en el mismo año Mora Oña, realizo buscando evaluar las características y viabilidad de extraer etanol a partir de los despojos de maíz y usarlo como un combustible alternativo a los combustibles fósiles que se vienen usando y disminuir la emisión de gases contaminantes.
En 2006 (Hernández, 2006) nos dan a conocer ciertos datos acerca de la producción de etanol internacional, a pesar de que no es muy reciente, nos da una idea o punto de referencia respecto al año que se publicó. Nos informa que México tendrá una capacidad anual de producción de 50 millones de galones de etanol, y de 120 mil toneladas de Derivados Secos de Destilación (DGS), que será vendido como
31
alimento forrajero para engorda de ganado. La Confederación Nacional de Productores Agrícolas de Maíz de México afirma que la empresa Shell tiene mucho interés en el volumen de producción de la planta de Jalisco.
5.2. Marco teórico 5.2.1. Energía
En términos generales se dice que la energía es la capacidad que posee determinada materia para producir o generar trabajo, puede ser expresada en forma de luz, movimiento o calor entre otras (Peña & Dreyfus, 2002).La energía en varios textos universitarios la toman como una cantidad de materia que se puede transformar pero nunca se destruirá es ahí donde entra como principal componente los combustibles con su energía química en los motores esta energía química es transformada en energía mecánica.
5.2.2. Combustible
El termino combustible hace referencia a toda sustancia sólida, liquida, gaseosa que es capaz de generar una reacción al momento de combinarla con oxígeno y así liberar energía que a través de una serie de tratamientos puede ser aprovechada de manera correcta y con total eficacia. Los combustibles se catalogan según su base de obtención, son renovables o no renovables en este caso nos centraremos en los combustibles renovables o comúnmente llamados biocombustibles.
5.2.3. Biocombustibles
Se denominan combustibles alternos debido a la materia base utilizada para su obtención (maíz, caña de azúcar), son empleados conjuntamente con combustibles derivados del petróleo específicamente con gasolinas o naftas, se conoce con las siglas EX si la mezcla es de bioetanol, por otro lado, se tiene con las siglas BX si es de biodiesel, siendo X el porcentaje de biocombustible, representando una potencial
32
opción para obtener una mejora en el rendimiento del motor de combustión interna, además de una disminución considerable de la emisión de gases tóxicos al medio ambiente, lo cual promueve su investigación y utilización en campos industriales a nivel mundial (Camps & Marcos, 2008)
Los biocombustibles de dividen por generaciones la primera generación hace referencia a los biocombustibles que se producen por azúcar, aceites vegetales o almidones utilizando una tecnología convencional o tradicional de ejemplo se tiene la caña de azúcar, el maíz y la soja estos cultivos tienen algo en común y es su alto contenido de azúcar ya que esto hace el producto optimo a la hora de la fermentación.
Los biocombustibles de segunda generación se producen a través de materias primas que no representen riesgo para la alimentación de la sociedad esta puede ser la biomasa residual agrícola, los residuos orgánicos de los cultivos se procesan para aprovechar al máximo sus azucares.
Los biocombustibles de tercera generación se basan en cultivos que requieren estudio además de desarrollo para considerarlos posibles por ejemplo hiervas, algas o arboles de ciclo rápido (abril, Alejandro; Navarro, Enrique, 2012).
En el biocombustible en el cual se centra la investigación es en el etanol y su obtención a través de la caña de maíz es por esto que se hará referencia solo a las propiedades del etanol y su obtención.
5.2.4. Etanol Anhidro E Hidratado
El etanol es un combustible alternativo perteneciente a los biocombustibles de primera y segunda generación, el cual puede ser utilizado en MCI de forma directa o mezclado con gasolina o diésel. Este proviene de cultivos como caña, papa, remolacha (biomasa con alto contenido de azúcar o almidón) o biomasa lignocelulosa. Las principales formas de producción de etanol son:
33
Por fermentación de azúcar derivado de almidón de cereales (trigo y maíz), remolacha o cultivos de azúcar que usan microorganismos.
Por conversión catalítica a alta temperatura de gas de síntesis para obtener combustibles líquidos por medio del proceso de Fischer-Tropsch, producción de una mezcla de alcoholes. De los métodos mencionados, el más utilizado es la fermentación. Este se realiza por medio de microorganismos y enzimas, como levaduras, que en ausencia de oxígeno convierten los carbohidratos contenidos en la materia prima en etanol.(Prado, 2012)
5.2.5. Obtención de los biocombustibles
Los biocombustibles tienes varios procesos para su producción o fabricación y cada proceso de obtención de biocombustible depende del tipo de biomasa que está disponible, si la biomasa contiene agua se puede producir biocombustible con el método de digestión anaeróbica que transforma la biomasa en metano y otros gases; o también se puede utilizar el proceso de fermentación para la producción de alcohol o hidrocarburos través de reducción química (Lede, 2011).
Según el tipo de combustible que se desea desarrollar y según la naturaleza de la biomasa se pueden utilizar diferentes procesos o métodos para la obtención de biocombustibles. Los principales procesos son: biotecnológicos, termoquímicos, extractivos o mecánicos. En la tabla se enuncian los procesos mencionados para la obtención de biocombustibles, sus derivados y aplicaciones.
5.2.6. Fermentación de azúcares
Es el proceso de obtención de bioetanol tradicional con una alta eficiencia gracias a las mejoras tecnológicas que se han realizado. La materia prima que tiene mejores características para este proceso es la caña de azúcar (Vargas & Giraldo, 2015)
34
El proceso de fermentación de azúcares puede ser autosuficiente energéticamente hablando, ya que dicho proceso posee una relación salida/entrada entre la energía que se necesita para la producción de azúcar, mieles de caña y la energía que es liberada durante la quema de bioetanol tiene un valor de 8, en consideración a todo el ciclo de vida de la biomasa desde que se extrae, se transporta y se procesa para la transformación a etanol, además este proceso tiene la valoración más alta entre todos los procesos de obtención de bioetanol (Abril & Navarro, 2012).
5.2.7. Ciclo Otto
Los motores de combustión interna que encienden por la ignición de un combustible provocada por una chispa eléctrica suelen trabajar fundamentados en el ciclo Otto.
Se trata de un ciclo termodinámico donde, teóricamente, el calor se aporta a un volumen constante.
El motor que funciona basándose en este principio se caracteriza porque, para su funcionamiento, aspira una mezcla de aire/combustible. Se trata de un motor alternativo donde trabaja un sistema de pistón/cilindro con la presencia de válvulas de admisión y de escape. El cilindro del motor de combustión interna se moverá hacia arriba y hacia abajo a través de la biela y transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular. De esta forma, el cigüeñal termina haciendo un movimiento giratorio. Para que el movimiento pueda producirse se requiere de una fuerza impulsora, es en este aspecto donde el ciclo Otto entra en acción.
El cilindro debe poseer por lo menos dos válvulas, una de entrada y otra de salida.
Las válvulas estarán abiertas o cerradas dependiendo de la fase en que se encuentre el motor. Por otro lado, la bujía es una pieza que se conecta al sistema eléctrico y que puede producir una chispa que induce la explosión de la mezcla de aire/combustible.
Etapas del ciclo otto:
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Admisión: La válvula de entrada o admisión está abierta y la de escape se encuentra cerrada. La fase de admisión se desarrolla desde el momento en que el pistón se ubica en la parte superior (Punto Muerto Superior – PMS) hasta que baja al punto inferior (Punto Muerto Inferior – PMI). A medida que el pistón va descendiendo, se produce un efecto de succión que hace entrar la mezcla en la cámara de combustión.
Compresión: Al momento que el pistón se ubica en el PMI, la válvula de admisión cierra y la de escape también se mantiene cerrada. En esta fase el pistón asciende y la cámara de combustión disminuye claramente su volumen, comprimiendo la mezcla. La relación que hay entre el volumen máximo existente antes de que el pistón baje al PMI y el volumen mínimo que tiene cuando el pistón está en el PMS se conoce como relación de compresión del motor.
Explosión: Cuando la mezcla se encuentra totalmente comprimida y las válvulas están cerradas, una chispa se produce en la bujía y hace que la mezcla arda. Esta explosión generada por la combustión es lo que empuja al pistón hacia la parte de abajo. Esta es la fase efectiva de todo el ciclo y es la que define la potencia de un motor.
Escape: Al volver el pistón al PMI, la válvula de escape se abre para que el pistón ascienda y libera fuera del cilindro los gases que resultan de la explosión. Esto permite que haya nuevamente aire limpio para comenzar el ciclo en la fase de admisión.
36 5.2.8. Características de un MCI reciprocante
Un motor reciprocante es aquel que utiliza uno o más pistones para convertir la presión en movimiento de rotación de tal manera que el movimiento ascender y descender de los pistones genera energía mecánica.
Figura 4 Torque y potencia en función de la velocidad del motor
Fuente: Fundamentos de ingeniería del MCI. Pulkrabek W
En la anterior grafica se observa la potencia y el torque al freno de un motor reciprocante en función de la velocidad del motor, el punto al cual ocurre el pico máximo de torque es llamado torque de frenado máximo (MTB). La potencia indicada aumenta a lo que la potencia de frenado aumenta hasta un máximo y luego disminuye, esto se debe a que la potencia de fricción aumenta con la velocidad del motor.
Figura 5 BSFC Vs Velocidad del motor
Fuente: Fundamentos de ingeniería del MCI. Pulkrabek W
37
El consumo de combustible disminuye a medida que aumenta la velocidad del motor, esto debido a que el tiempo de perdida por calor es menor en cada ciclo.
El consumo especifico al freno disminuye a medida que aumenta la velocidad del motor, alcanza un mínimo y luego aumenta a altas temperaturas como se muestra en la figura 5, además el consumo de combustible aumenta a altas velocidades debido a las perdidas por fricción. A bajas velocidades del motor, un mayor tiempo por ciclo permite que se retire más calor y aumente el consumo de combustible. (J.
Heywood..1988)
5.3. Marco conceptual 5.3.1. Densidad
La densidad es una magnitud escalar la cual hace referencia a la cantidad de masa en un determinado volumen, la densidad es igual a la masa entre el volumen, de lo cual se puede deducir que la densidad es inversamente proporcional a él volumen.
La densidad se puede calcular de una forma experimental en la cual se hace uso de un picnómetro el cual es un recipiente con un volumen especifico, con el valor de este volumen y la masa del fluido se calcula la densidad
Ecuación 1 Densidad
𝛒 =𝒎 𝑽
5.3.2. Índice de refracción
La refracción de la luz es una propiedad física característica de muchas sustancias;
es el cambio de dirección de una onda electromagnética al pasar de un medio a otro, debido al cambio de velocidad que experimenta. (Olmo, B.G., 2015). El índice de refracción se puede obtener a través de un refractómetro, algunos de ellos cuentan con una tina de refrigeración los que no cuentan con esta tina se les realiza una compensación con la temperatura del medio ambiente. El refractómetro
38
además de permitir una medida del índice permite tener el dato de la concentración de azucares en el fluido lo cual permite el monitoreo de la concentración de azucares durante las etapas de obtención, fermentación y destilación.
5.3.3. Poder calorífico superior
El poder calorífico se puede definir como la cantidad de calor producida, o generada, por la combustión completa de la unidad de combustible en cuestión, suponiendo que los productos de la combustión se enfrían hasta la temperatura inicial.
El poder calorífico se puede hallar de forma experimental con el uso de una bomba calorimétrica, la cual cuenta con un recipiente de aproximadamente 2000 ml de agua dentro de este recipiente esta la Cámara de combustión, y además de ello se cuenta con una termocupla para el monitoreo de la temperatura, luego del desarrollo de la prueba se cuenta con un delta de temperaturas el cual se utilizará para la obtención del poder calorífico.
Ecuación 2 Calculo de Poder calorífico
𝑵𝒔 =𝒎𝒂∗ ∆𝒕 ∗ 𝒄𝒑 𝑮 Donde,
𝑵𝒔 = 𝑃𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑑𝑜
𝒎𝒂 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛, 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
∆𝒕 = Diferencia de temperatura del agua de refrigeración, entre la entrada y la salida del calorímetro
𝑮 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑞𝑢𝑒𝑚𝑎𝑑𝑜
𝒄𝒑 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛.
5.3.4. Poder calorífico inferior
Para encontrar el poder calorífico inferior habría que restarle al poder calorífico superior, el calor de vaporización del condensado recolectado del calorímetro.
39
Ecuación 3 Calculo poder calorífico inferior
𝑵𝒔 = 𝑵𝒊− 𝑿
Donde,
𝑿 = 𝑪𝒗 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
Ecuación 4 Calculo del calor de vaporización
𝑪𝒗 =𝒎𝒂𝒄∗ 𝒉𝒇𝒈 𝑮 Donde,
𝒎𝒂𝒄 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜.
𝒉𝒇𝒈 = 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑮 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑞𝑢𝑒𝑚𝑎𝑑𝑜
Parámetros de desempeño de un motor a combustión interna (MCI)
5.3.5. Potencia
La potencia es el trabajo o la energía desarrollados por unidad de tiempo. La potencia máxima es el mayor número obtenido de multiplicar el torque del motor por la velocidad de giro en que lo genera.
Ecuación 5 Calculo de potencia 𝑷 = 𝑴 ∗ 𝝎
Donde:
𝑷 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝑊]
𝑴 = 𝑃𝑎𝑟 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 [𝑁 𝑚]
𝝎 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 [𝑟𝑎𝑑 𝑠 ]
Pero la potencia también puede ser expresada en términos de la corriente y el voltaje arrojados por un generador eléctrico, en este caso conectado al motor donde realizaremos las pruebas con nuestras mezclas. Esta potencia eléctrica al ser
40
afectada por el banco de resistencias que funcionan como freno, se puede expresar como potencia al freno y se halla con la formula
Ecuación 6 Potencia al freno en términos de voltaje y corriente
𝑊̇𝑏= 𝐼 ∗ 𝑉 ∗ 𝐹𝐶
1000 [𝑘𝑊]
Donde,
𝐼 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 [𝐴]
𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 [𝑉]
𝐹𝐶 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛
Se divide en 1000 para usar el kilowatt [kW] como unidad de medida.
5.3.6. Torque
El torque es una fuerza que tiende a rotar o hacer que las cosas giren, En el SI (Sistema Internacional de Unidades) se representan con las unidades newton- metro, kilográmetro y en el sistema inglés se utilizan las Libras-pie, que son medidas de fuerza y distancia respectivamente. Para medir el torque, se usa un banco de resistencias, que no es más que una instalación en la que el motor puede girar a toda su capacidad conectando, mediante un eje, a un freno. Este parámetro también es conocido como par motor
Ecuación 7 ecuación por definición
𝑻 = 𝑭 ∗ 𝒅
Para nuestro caso particular, el torque se calcula a partir de la potencia al freno despejándolo de la ecuación 5, expresando la velocidad angular en términos de la frecuencia en revoluciones por minuto y dejando la potencia de nuevo en [W], así
𝑷 = 𝑴 ∗ 𝝎
41 𝑴 = 𝑻 = 𝑷
𝝎 𝑷 = 𝑾̇𝒃
Ecuación 8 Torque al freno
𝑻𝒃 =𝑾̇𝒃∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎
𝟐𝝅 ∗ 𝑵 [𝑵 𝒎]
Donde:
𝑾̇𝒃= 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝑘𝑊]
𝑻𝒃 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑙 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑜 [𝑁 𝑚]
𝑵 = 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 [𝑟𝑒𝑣 𝑠 ]
5.3.7. Eficiencia térmica
La eficiencia térmica parte del principio básico de saber cuánto calor se necesita para obtener determinado trabajo.
Ecuación 9 Calculo de eficiencia térmica
𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑻𝒆𝒓𝒎𝒊𝒄𝒂(𝜼𝒕𝒆𝒓𝒎 ) =𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝒅𝒆 𝒕𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐 𝒏𝒆𝒕𝒐
𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 =𝑸𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂𝑾 =𝑸𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂𝑾̇̇
La salida representa la magnitud de energía que se desperdicia con fin de completar el ciclo, pero la salida nunca es cero; de esta manera la salida neta de trabajo de una maquina térmica es siempre menor a la cantidad de calor, es decir solo parte del calor transferido a la maquina térmica se convierte en trabajo. La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una maquina térmica y se llama eficiencia térmica.
Otra relación que incluye la potencia al freno es la función de la eficiencia térmica, esta cantidad es definida en términos del flujo másico del combustible alimentado al motor y el poder calorífico inferior.
Ecuación 10 Potencia al freno en relación con eficiencia térmica
𝑾̇𝒃= 𝜼𝒕𝒉 𝒎̇𝒇 𝑷𝑪𝑰
42 5.3.8. Consumo especifico
Se debe tener en cuenta el consumo especifico de combustible, relaciona el consumo de combustible por potencia de salida y sus unidades son g/kWh
Ecuación 11 Consumo especifico de combustible
𝑺𝑭𝑪 = 𝒎̇𝑷𝒇
Ecuación 12 Consumo especifico al freno
𝑩𝑺𝑭𝑪 = 𝒎̇𝒇 𝑾̇𝒃
43 6. Desarrollo del proyecto
6.1. Obtención del zumo de caña de maíz
La caña de maíz se recolectó de un cultivo ubicado en una vereda del municipio de Paipa, Boyacá. Luego se exprimió en un “trapiche” o molino para exprimir caña, controlando las cantidades para obtener el dato de cuanto volumen de zumo se obtiene por unidad de masa de caña, obteniendo un aproximado de 500ml de zumo por kilogramo de caña (esta relación es sujeta variaciones dependiendo el mecanismo para exprimir y filtrar el zumo, y principalmente por el estado de maduración de la caña, debido a que con el tiempo se va secando).
Figura 6 Trapiche (molino para exprimir) empleado
Fuente: Autores del proyecto
44 6.2. Fermentación
En un proceso controlado y en igual condiciones para cada lote, se disolvieron 10gr de levadura por cada 20 litros de zumo. A una temperatura de 25°C a 30°C. Sin entrada de aire ni luz para garantizar que se produzca etanol y no otros compuestos indeseados. Al finalizar la fermentación se procede a filtrar de nuevo el fermento para poder llevarlo al proceso de destilación.
Figura 7 Fermentación en proceso
Fuente: Autores del proyecto
6.3. Destilación
Pasadas aproximadamente 9 semanas se procedió a destilar el zumo fermentado en el laboratorio de investigación del área química de la Universidad Libre, por medio de un roto-evaporador de marca Heidolph, que emplea presión de vacío para llegar más rápidamente al punto de ebullición y ayuda a que los gases traspasen fácil y continuamente a la etapa de condensación. Esta destilación al ser más efectiva y rápida que la tradicional, requiere un control más estricto de los parámetros de operación del roto-evaporador como la presión, temperatura y la velocidad de rotación del balón para evitar obtener otras sustancias indeseadas en el destilado final.
