Utilización del biogás como combustible en motores de combustión interna diesel

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad Ingeniería Mecánica Departamento de Energía CETA.. Trabajo de Diploma Utilización del biogás como combustible en motores de combustión interna diesel Autor: Edel Chávez López Tutores: MSc. Reinaldo Martínez Martínez Ing. Félix O. Hermida García Santa Clara 2007.

(2) Resumen. I. Resumen En el presente trabajo se realiza un estudio teórico del comportamiento del biogás como combustible en motores de combustión interna (MCI) diesel. Se definen las principales características, así como los requisitos que debe tener para ser usado como combustible alternativo en MCI y las formas que deben tener los motores para poder usarlo. Además se analiza el procedimiento de cálculo para el motor de doble combustible, que posteriormente es utilizado por un software especializado en el cálculo térmico de MCI. También se desarrolla el cálculo del motor diesel mediante el software por carecer de datos del fabricante.. Summary Presently work is carried out a theoretical study of the behavior of the biogas like fuel in motors of internal combustion (MCI) diesel. They are defined the main ones characteristic, as well as the requirements that he/she should have to be used as alternative fuel in MCI and the forms that should have the motors to be able to use it. The calculation procedure is also analyzed for the motor of combustible double that later on is used by a software specialized in the thermal calculation of MCI. The calculation of the diesel motor is also developed by means of the software to lack the maker's data.. Resumen.

(3) Pensamiento. II. Pensamiento En ocasiones, el replanteamiento de un problema es más decisivo que el hallazgo de la solución, que puede ser un puro asunto de habilidad matemática o experimental. La capacidad de suscitar nuevas cuestiones, nuevas posibilidades de mirar viejos problemas, requiere una imaginación creativa y determina los avances científicos auténticos". Albert Einstein (1879-1955) Científico estadounidense de origen alemán.. Pensamiento.

(4) Dedicatoria. III. Dedicatoria Se dice que las musas inspiran a los poetas provocando hojas llenas de las más hermosas frases. Hay personas, que como musas, son capaces de inspirar decisión, esfuerzo, sacrificio y ternura. A mis musas dedico este trabajo: A mis padres. A mi hermana. A Tatiana, mi novia. A mis amigos. En especial a un amigo que ya no se encuentra entre nosotros Armando.. Dedicatoria.

(5) Agradecimientos. IV. Agradecimientos Todos los proyectos que se realizan precisan de muchos protagonistas, los cuales de forma anónima o más abiertamente participan en ellos y permiten su feliz conclusión. Este trabajo no ha sido una excepción y es por ello que quiero agradecer: A mi familia por el apoyo incondicional, la comprensión y el cariño que me han brindado antes y durante estos cinco años. A los tutores, sin los cuales no se hubiese podido desarrollar este trabajo. A mis amigos y compañeros de aula, ya que pasaron a formar parte importante de mi vida, durante estos cinco años y espero lo sigan siendo. A la Revolución que permitió se materializara este anhelo. A todos aquellos que de una forma u otra tuvieron que ver con el desarrollo de este trabajo, sinceramente, muchas gracias.. Agradecimientos.

(6) Contenido. V. Contenido Introducción ....................................................................................................................................... 1 Capitulo 1: Estado del arte. Utilización del biogás como combustible para motores de combustión interna (MCI) diesel. .................................................................................................... 3 1.1- Gases como combustible en MCI.......................................................................................... 3 1.1.1- Biogás. .............................................................................................................................. 4 1.2- Requisitos del gas combustible para MCI. ........................................................................ 11 1.2.1- Limpieza del gas para su uso en motores de combustión interna. .................................. 13 1.3- Formas de empleo del combustible gaseoso en MCI. ....................................................... 15 1.3.1- Transformación del motor de ciclo Diesel a ciclo OTTO............................................... 17 1.3.2- Modificación del motor de ciclo Diesel a motor de combustible dual. .......................... 18 Capítulo 2: Procedimiento de cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual. 21 2.1- Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual. ....................................... 21 2.1.1- Parámetros generales. ..................................................................................................... 21 2.1.2- Parámetros del proceso de admisión. .............................................................................. 31 2.1.3- Parámetros del proceso de compresión. .......................................................................... 32 2.1.4- Parámetros del proceso de combustión. .......................................................................... 32 2.1.5- Parámetros del proceso de expansión. ............................................................................ 36 2.1.6- Índices del ciclo de trabajo del motor. ............................................................................ 37 Capítulo 3: Análisis de los resultados del cálculo teórico. ........................................................... 40 3.1- Cálculo del ciclo de trabajo del motor Mercedes-Benz OM-366 operando con 100% de combustible diesel. ....................................................................................................................... 40 3.1.1- Parámetros generales. ..................................................................................................... 40 3.1.2- Parámetros del proceso de admisión. .............................................................................. 43 3.1.3- Parámetros del proceso de compresión. .......................................................................... 43 3.1.4- Parámetros del proceso de combustión. .......................................................................... 43 3.1.5- Parámetros del proceso de expansión. ............................................................................ 44 3.1.6- Parámetros del Ciclo. ...................................................................................................... 44 3.1.7- Análisis de los resultados del cálculo del ciclo de trabajo. ............................................. 45 3.2- Cálculo del ciclo de trabajo del motor Mercedes-Benz OM-366 operando de forma dual (biogás-diesel). ............................................................................................................................. 46 3.2.1- Parámetros generales. ..................................................................................................... 46 3.2.2- Parámetros del proceso de admisión. .............................................................................. 48 3.2.3- Parámetros del proceso de compresión. .......................................................................... 48 3.1.4- Parámetros del proceso de combustión. .......................................................................... 48 3.1.5- Parámetros del proceso de expansión. ............................................................................ 49 3.1.6- Parámetros del Ciclo. ...................................................................................................... 49 3.1.7- Análisis de los resultados del cálculo del ciclo de trabajo. ............................................. 49 Conclusiones .................................................................................................................................... 52 Recomendaciones ............................................................................................................................ 53 Bibliografía ...................................................................................................................................... 54 Anexos .............................................................................................................................................. 57. Contenido.

(7) 1. Introducción. Introducción En nuestro planeta en los últimos años han aparecido problemas respecto al abastecimiento de petróleo Diesel, debido a ello es cada vez más necesario el reemplazo total o parcial por combustibles alternativos (GLP, GNC, Biogás, gasolina de bajo octanaje, alcohol, etc.); en ese sentido es de mucha actualidad la explotación de las reservas de gas. La mayoría de los combustibles fósiles se encuentran hoy en áreas muy localizadas, situación que se empeora con la utilización irracional de los mismos, sin tener en cuenta que aquellos que hoy consumimos tardaron millones de años en formarse. Sus reservas globales comienzan a mostrar signos palpables de agotamiento. Tanto es así que las estimaciones más cautelosas y confiables indican que las reservas de petróleo si se mantiene el ritmo de consumo actual solo podrán durar unos cuantos decenios más. Al igual que el petróleo, otras fuentes de energía convencional como el gas y el carbón mineral tienen una vida limitada. Además constituye la combustión de los mismos un elemento agresivo contra el medio ambiente. Las pruebas de que está ocurriendo un incremento progresivo de la concentración de algunas sustancias contaminantes como (CO2, NOx, SO2, etc.), causantes del efecto invernadero y las lluvias ácidas por solo citar algunos impactos, en la atmósfera terrestre son irrefutables y se conoce que este fenómeno esta asociado al uso de estos combustibles. En Cuba el parque automotor se caracteriza por el estado técnico deficiente de los motores Diesel, la carencia de sistemas de control, con respecto a las emisiones tóxicas y de humeado de los motores de diversa aplicación han desmejorado la preservación del medio ambiente, es por ello necesario encontrar sistemas que contribuyan a disminuir los efectos nocivos de las emisiones producidas por los motores de combustión interna. Es por estas razones que el desarrollo futuro de la humanidad tiene que estar encaminado a la búsqueda de otras fuentes productoras de energía de carácter renovable, que contribuyan al desarrollo sostenible y al mismo tiempo no contaminen. el medio ambiente. Estas han sido. denominadas energías renovables. La sustitución de los combustibles denominados fósiles o tradicionales, derivados del petróleo, por otros, denominados biocombustibles cobra una gran importancia en nuestros días. El uso del biogás como combustible para motores de combustión interna es una de las vías para lograr un desarrollo sostenible, el mismo se obtiene de residuos orgánicos que de otra manera contribuirían a la contaminación ambiental, la obtención del biogás es un método para evitar o mitigar la contaminación de las aguas fundamentalmente. Introducción.

(8) 2. Introducción. Aunque el gas encuentra utilidad en diversos tipos de motores, este se muestra especialmente importante en el funcionamiento tanto de motores de gasolina como de diesel, encontrando en este último una alta eficiencia térmica y gran economía, razón por la que este trabajo le muestra mayor atención a este tipo de motor. Otra de las razones por la cuales este trabajo está encaminado fundamentalmente al uso de biogás en motores combustión interna (MCI) diesel, han sido los trabajos que se han venido desarrollando por profesores del departamento a lo largo de estos años en la utilización de biocombustibles principalmente en MCI diesel. Por la importancia que tiene este combustible, el presente trabajo de investigación se propone como. Objetivo general ● Estudiar teóricamente el biogás como combustible alternativo en motores de combustión interna diesel para obtener su comportamiento. Para lograr el cumplimiento, nos trazamos el siguiente Objetivo específico ● Estudiar el estado del arte actual sobre la obtención y empleo del biogás en motores de combustión interna (MCI). ● Definir las principales propiedades del biogás para utilizarlo como combustible en MCI ● Determinación teórica de los principales parámetros del motor diesel con el empleo del biogás como combustible. En la presente investigación nos planteamos como Hipótesis ● Es posible utilizar el biogás como combustible alternativo en motores de combustión interna en las condiciones de Cuba, disminuyendo el consumo de combustibles fósiles y la contaminación ambiental.. Introducción.

(9) 3. Capitulo 1. Capitulo 1: Estado del arte. Utilización del biogás como combustible para motores de combustión interna (MCI) diesel. 1.1- Gases como combustible en MCI. El MCI es un tipo de máquina que quema una mezcla de combustible y aire dentro de un cilindro, transformándose esa energía calórica en un trabajo mecánico a través de un mecanismo de cigüeñal y biela. En los mismos es posible emplear una gran cantidad de combustibles de tipo gaseoso. Los cuales tienen diferentes orígenes y por lo tanto diferentes propiedades que los hacen más o menos adecuados para su uso. Los combustibles gaseosos provienen de diferentes fuentes: ¾ Origen fósil (gas acompañante, gas natural, GLP, etc.) ¾ Biomasa (biogás, gas de gasificación, etc.) ¾ Otras (Hidrógeno) Actualmente gran cantidad de los MCI que funcionan con combustible gaseoso lo hacen con los de origen fósil, los cuales se obtienen de forma fácil y económica como producto de la actividad petrolera.[1] En el ámbito internacional muchas compañías se encargan del diseño y operación de MCI con estos gases, fundamentalmente el gas natural. Sin embargo con los gases que se obtienen de la biomasa no ocurre igual, solo a reducida escala se hacen funcionar motores con biogás. Toda esta situación es motivada fundamentalmente por causas económicas. El bajo precio del petróleo y sus derivados frente a las fuentes renovables de energía hace que estas últimas se encuentren en un segundo plano.[2] Por otra parte está el aspecto tecnológico.. El mundo actual tiene montada su infraestructura. energética sobre los combustibles fósiles y las tecnologías para el empleo eficiente de las fuentes renovables de energía no están totalmente desarrolladas. En épocas de crisis energéticas es cuando vuelven a alcanzar nuevos impulsos las fuentes renovables de energía. El biogás puede ser utilizado como combustible para motores diesel, a partir de los cual se puede producir energía eléctrica por medio de un generador. En el caso de los motores diesel, el biogás puede reemplazar del 70 al 80% de la inyección nominal (la baja capacidad de ignición del biogás no permite reemplazar la totalidad del combustible diesel en este tipo de motores que carecen de bujía para la combustión). Aunque en los motores a gasolina el biogás puede reemplazar la totalidad. Gases como combustible en MCI.

(10) 4. Capitulo 1. de la misma, en general en los proyectos se le ha dado preferencia a los motores diesel considerando que se trata de un motor más resistente.[3] 1.1.1- Biogás. El biogás representa una fuente de energía, cuyo componente principal es el metano. Se genera a través de la descomposición microbiológica de la materia orgánica, es un proceso natural que tiene lugar en todos los ámbitos donde se descompone materia orgánica, también llamada biomasa, en un entorno húmedo y anóxido a través de la actividad bacteriológica. La energía contenida en la materia orgánica procede originariamente de la luz solar que es transformada en energía bioquímica por medio de la fotosíntesis. Por lo tanto el aprovechamiento de biogás es en realidad un aprovechamiento indirecto de la energía solar. Básicamente se podrá utilizar todo tipo de materias orgánicas o biológicas para la generación de biogás, siempre y cuando éstas pudieren ser reducidas por microorganismos[4]. Este biogás es combustible, tiene un alto valor calórico de 19,6 a 25 MJ/m3 y puede ser utilizado en la cocción de alimentos, para la iluminación de naves y viviendas, así como para la alimentación de motores de combustión interna que accionan, máquinas herramientas, molinos de granos, generadores eléctricos, bombas de agua y vehículos agrícolas o de cualquier otro tipo. La generación natural de biogás es una parte importante del ciclo biogeoquímico del carbono.[5], [6] El biogás se produce por procesos naturales o se puede generar controladamente en los llamados digestores, que tienen como detonante común la circunstancia de que el proceso se desarrollará bajo condiciones técnicamente controladas. La captación del biogás procedente de plantas de compostaje y vertederos evita olores y además protege la atmósfera del metano. Para la atmósfera, en caso de igual concentración, tiene el metano un carácter 21 veces más nocivo que el dióxido de carbono, que causa el llamado efecto invernadero.[7] Mientras que el biogás que se genera en las plantas de compostaje representa un producto no deseado y de baja cuantía, es aspirado y tratado mediante biofiltros junto con los otros gases, la captación de los gases de vertederos es ecológicamente necesaria y energéticamente muy interesante. El volumen de biogás generado determina la vía de aprovechamiento a elegir. En caso de volúmenes bajos optamos por utilizarlo como carburante en una caldera para la obtención de energía térmica. No obstante la. más. eficaz vía de. aprovechamiento. de. biogás. es. la. cogeneración, que permite la generación de energía eléctrica y al mismo tiempo la de energía térmica. Gases como combustible en MCI.

(11) 5. Capitulo 1 Composición aproximada del biogás: ¾ Metano (CH4). 55 a 70 %.. ¾ Anhídrido carbónico (CO2). 35 a 40 %.. ¾ Nitrógeno (N2). 0.5 a 5 %.. ¾ Sulfuro de hidrógeno (H2S). 0.1 a 1 %.. ¾ Hidrógeno. 1 a 3 %.. (H2). ¾ Vapor de agua. Trazas.. Como se observa el porcentaje mayor lo ofrece el metano cuyo peso especifico es de alrededor de 1 kg/m3. Si deseamos mejorar el valor calórico del biogás debemos limpiarlo de CO2. De esta forma se logra obtener metano al 95 %. El valor calórico del metano puede llegar hasta 35.6 MJ/m3 con una combustión limpia (sin humo) y casi no contamina. [8], [9]. Estos porcentajes varían en función de los siguientes factores: la composición del residuo, la edad del vertido, la climatología en especial pluviosidad y temperaturas ambientales fundamentalmente, la geometría del vaso receptor y el modo de operación. En. la siguiente tabla se puede observar las características del biogás y sus componentes. secundarios.. Tabla 1. Características del biogás y sus componentes secundarios. [10]. Gases como combustible en MCI.

(12) 6. Capitulo 1 Portadores energéticos. Sin purificar. Purificado. ( 23 MJ/m3 ). ( 35.6 MJ/m3 ). Nafta. 0.73 lts. 0.10 lts. Alcohol. 1.10 lts. 1.70 lts. Diesel. 0.65 lts. 1.00 lts. Gas natural. 0.62 lts. 0.95 lts. Carbón natural. 0.82 kg. 1.25 kg. Carbón vegetal. 1.24 kg. 1.90 kg. Tabla 2. Valor calórico del biogás (1m3) respecto a otros portadores energéticos.[11], [12]. Proceso de obtención del biogás La digestión anaerobia mencionada anteriormente es un proceso químico en el cual se distinguen tres etapas en cada una de las cuales intervienen bacterias específicas. Estas etapas son las siguientes: [2], [13], [14] Etapa I (Hidrólisis) Durante esta primera etapa los carbohidratos, polisacáridos, lípidos y proteínas de la materia orgánica son reducidos a moléculas más simples. Etapa II (Acidogénesis) Los compuestos solubles producidos en la primera etapa son convertidos en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono. Etapa III (Metanogénesis) Los ácidos orgánicos generados en la etapa anterior son convertidos en metano. Continúa la producción de dióxido de carbono y otros gases. Cuando se crean las condiciones propicias para el desarrollo de cada una de estas fases, se garantiza la mayor producción de biogás en el menor tiempo posible, generación que se mantiene estable por más tiempo.. Gases como combustible en MCI.

(13) 7. Capitulo 1 Factores que influyen en la producción de biogás. Existen siete factores fundamentales que influyen en la producción del biogás: [15] ¾ Régimen térmico del digestor ¾ Tiempo de retención ¾ Relación carbono/nitrógeno ¾ pH ¾ Porcentaje de sólidos ¾ Agitación ¾ Materias tóxicas. Seguidamente se analiza cada unos de esos factores.. Temperatura: La temperatura es uno de los factores que interviene con mayor intensidad sobre el proceso. La biodigestión anaerobia se verifica desde los 15 °C hasta los 65 °C. No obstante lo que garantiza una multiplicación mayor de las bacterias es la estabilidad de la temperatura. Algunos autores plantean que una variación de 2 °C afecta ostensiblemente la producción de biogás. En la siguiente figura se muestra el comportamiento de la producción de metano en función de la temperatura del digestor. [16]. Figura 1. Producción de Metano en función de la temperatura del digestor. En la producción de biogás se reconocen tres intervalos de temperatura; ¾ Régimen Psicrofílico. (15... 25 °C). ¾ Régimen Mesofílico. (30... 40 °C). ¾ Régimen Termofílico. (55... 65 °C) Gases como combustible en MCI.

(14) 8. Capitulo 1. El régimen psicrofílico prácticamente no se emplea en grandes aplicaciones, solamente se reportan buenos resultados en digestores domésticos de pequeña capacidad ubicados en países tropicales. Los regímenes mesofílico y termofílico son los más empleados, la utilización de uno u otro es producto de un análisis en cuanto a las características de la producción que se requiere, pues es necesario destinar parte del gas generado para el calentamiento del digestor. La temperatura del sistema influye grandemente en la relación metano / dióxido de carbono del biogás obtenido. Así por ejemplo, en el régimen termofílico se registran las mayores cantidades de gas para igual tiempo de retención y con mayor cantidad de metano. Tiempo de retención: Se considera como el tiempo promedio que permanece la materia orgánica y la masa bacteriana dentro del digestor. La materia orgánica requiere de un determinado tiempo para ser degradada por las bacterias. La velocidad con que las bacterias logran procesar la biomasa introducida depende en gran medida del régimen térmico a que esté operando el digestor. Con el incremento de la temperatura, los tiempos en que se logra la digestión disminuyen, requiriéndose menores tiempos de retención. Existen muchos estudios relacionados con el tiempo de retención requerido para diferentes tipos de biomasa. Usualmente estos oscilan entre 20 y 55 días, pudiendo ser reducidos hasta 5 días con el empleo del régimen termofílico. Para garantizar los tiempos de retención de la materia orgánica hay que tener en cuenta el tipo de digestor que se esté utilizando. Cuando se emplean digestores de lote el tiempo estará definido por el intervalo de tiempo ocurrido entre una carga y otra del digestor. En digestores de alimentación continua, el tiempo de retención se garantiza alimentando un volumen de materia orgánica igual al volumen del digestor dividido el tiempo de retención en días para la materia utilizada. De esta forma se alimentará el digestor diariamente con el volumen calculado. Relación carbono / nitrógeno: Esta relación constituye un importante aspecto a tener en cuenta, depende del tipo de materia orgánica que se utiliza. El carbono constituye la fuente energética para el desarrollo del proceso de digestión. El nitrógeno por su parte es imprescindible para el desarrollo de nuevas bacterias. Según la literatura especializada, la relación carbono / nitrógeno en la materia orgánica debe ser 30 / 1 pudiendo llegar hasta relaciones 20 / 1.. Gases como combustible en MCI.

(15) 9. Capitulo 1. Cuando el nitrógeno es insuficiente se limita la multiplicación de las bacterias por lo que se afecta la velocidad de producción del gas. En caso contrario, o sea un exceso de nitrógeno, se producirá una cantidad excesiva de amoniaco (NH3) que al ser tóxico inhibe el proceso de digestión. pH: Es un parámetro muy importante a controlar durante el funcionamiento del digestor ya que influye notablemente en el desarrollo de la flora bacteriana. En digestores típicos el pH oscila entre 6.8 y 7.6 y es un índice del funcionamiento del digestor. Cuando el pH aumenta, representa un incremento de la cantidad de amoniaco en el digestor. El NH3 al ser tóxico atenta contra la vida de las bacterias, disminuyendo la producción de biogás. Esta situación se resuelve adicionando al digestor un ácido que generalmente es ácido sulfúrico. Cuando disminuye el pH, indica un exceso del contenido de ácidos grasos volátiles impidiéndose el desarrollo de las bacterias metano génico. Esta situación se puede corregir agregando Cal al digestor. Porcentaje de sólidos: Es un importante aspecto a tener en cuenta para lograr un funcionamiento estable del digestor. Comúnmente se emplean cargas que contengan entre 7 y 9 % de sólidos totales. De estos, el 70 – 90 % lo forma la materia orgánica biodegradable (sólidos volátiles) Agitación: Durante el proceso de digestión se debe garantizar el más estrecho contacto entre los microorganismos y la materia orgánica, así como la degradación uniforme de todo el contenido del digestor. Por otra parte para evita la deposición de lodos y sedimentos que serían difíciles de extraer posteriormente es necesario agitar la mezcla. En los digestores es muy común la formación de espumas y costras en su interior, las cuales entorpecen la generación de biogás. Por este motivo se precisa de agitadores o revolvedores que rompan estas capas. En los digestores pequeños y los que funcionan a régimen psicrofílico no se necesitan complejos mecanismos de agitación y esta puede realizarse de forma esporádica. En los digestores grandes y sobre todo los que operan en los regímenes mesofílico y termofílico, la situación es diferente, pues se debe lograr la homogenización de la mezcla y de la temperatura del sistema. En estos casos la agitación debe ser permanente. Para ello se han desarrollado sistemas que van desde agitadores mecánicos hasta complejos sistemas de recirculación por bombeo de la carga del digestor y reinyección del gas por debajo de la carga.. Gases como combustible en MCI.

(16) 10. Capitulo 1. Materia tóxica: Es necesario tener en cuenta los materiales empleados como materia prima en los digestores así como posibles sustancias que puedan penetrar al interior del mismo. Existen algunas sales metálicas que pueden llegar a inhibir por completo la generación de biogás como es el case de sales de cobre, níquel y cinc. Otras sales sin embargo, en determinadas concentraciones catalizan el proceso alcanzándose mayores producciones en menor tiempo. Es muy importante cuando se emplea estiércol en los digestores velar para no suministrar este desecho cuando los animales se encuentren bajo tratamiento con antibióticos, ya que esto puede alterar el equilibrio dentro del digestor. Fuentes para la producción de biogás. Para producir biogás, es posible emplear cualquier compuesto orgánico [16]. Se emplean los residuos de cosechas, excretas de animales, residuos industriales, aguas negras y albañales, etc. En la siguiente tabla se muestran algunas fuentes para la obtención de biogás. Sólidos orgánicos y. Producción de. desperdicios Biogás. Electricidad. Calor. (m3/t materia orgánica seca). ( kWh/t sustrato ). ( kWh/t sustrato). Estiércol de vacas. 35. 51. 77. Estiércol porcino. 45. 47. 72. Estiércol de pollos. 55. 118. 179. Estiércol ovino. 42. 210. 318. Estiércol equino. 45. 73. 110. Residuos vegetales. 57. 137. 207. Lodos flotantes. 130. 1265. 1917. Lodos albañales. 58. 231. 350. Rumen. 45. 100. 152. Grasa de separadoras. 90. 998. 1512. Gases como combustible en MCI.

(17) 11. Capitulo 1 Aguas residuales de. m3 CH4 / kg DQO. kWh / t sustrato. kWh / t sustrato. Industria de papas. 0.28. 18. 28. Procesamiento de leche. 0.26. 3. 5. Cervecería. 0.29. 7. 11. Matadero. 0.29. 7. 11. Fabricación de papel. 0.25. 14. 21. Tabla 3. Producción de biogás, electricidad y calor a partir de diversos sustratos.[17]. Es conveniente señalar que para la producción de biogás es aconsejable emplear materias primas solubles en agua que permitan lograr una carga para el digestor con concentraciones de sólidos totales acordes a los valores recomendados (7 – 9 %) Debe evitarse el empleo de materiales que sean susceptibles a producir tupiciones o impedir el flujo de la carga dentro del digestor. 1.2- Requisitos del gas combustible para MCI. Para emplear gases combustibles en MCI es necesario cumplir con determinadas exigencias de tipo Físico – Química. Son muy importantes, entre otras el poder calórico, los límites de combustión y el límite de detonación. Lógicamente, el gas debe cumplir otras propiedades que garanticen el funcionamiento del motor en cuanto a temperatura y presión. Del motor se debe tener en cuenta, la relación de compresión y la relación aire – combustible. Atendiendo a la temperatura de suministro del gas en el motor, esta no debe superar los 60°C. Con esto, aunque incrementa la temperatura al final del proceso de compresión, hace disminuir el rendimiento volumétrico del motor. [16], [18] Los límites para la combustión de la mezcla aire – gas es bastante amplio, pudiendo alcanzar en los motores diesel valores de ∝ desde 1.2 a plena carga hasta 5 a bajas cargas. Sin embargo es muy importante lograr una mezcla homogénea. Cuando se emplean gases combustibles en MCI es necesario tener en cuenta la presencia de gases nocivos dentro de la mezcla gaseosa que conforma el combustible. En el biogás, es muy común la presencia de H2S en la mezcla gaseosa. Este componente puede en ocasiones superar el 1% en volumen, concentración que se considera elevada. Con esta concentración de Sulfuro de hidrógeno, el biogás se considera corrosivo y ocasiona severos daños al motor. [2], [16]. Requisitos del gas combustible para MCI.

(18) 12. Capitulo 1. Este efecto corrosivo se acentúa cuando el motor no funciona de forma continua. Al producirse el enfriamiento del motor se condensa el vapor de agua, formando junto al ácido sulfhídrico el ácido sulfúrico (H2SO4) que es altamente corrosivo. El ácido sulfúrico, ataca la superficie de los materiales ferrosos con que se construyen las cámaras de combustión de los motores. Se incrementa el desgaste y se pierde la hermeticidad de los cilindros. También ataca los cojinetes del motor pudiendo destruirlo en poco tiempo. El SO2 que se forma durante la combustión y que está presente en los gases de escape, forma una solución con el vapor de agua que posteriormente emulsiona el aceite. En estas condiciones el lubricante pierde entre otras propiedades su capacidad de lubricar, tornándose ácido y corrosivo. Por este motivo, el tiempo de trabajo de los motores que utilizan combustibles gaseosos que contienen H2S debe reducirse entre un 10 – 16 % del tiempo normal de servicio. De igual forma se acortan los intervalos para el cambio de aceite. Sin embargo, la presencia de H2S no solo afecta al motor, sino también un conjunto de accesorios como válvulas, reguladores de presión, grifos, etc. los cuales se construyen de materiales no ferrosos que se deterioran muy rápidamente cuando se forman los ácidos. Otro de los problemas presentes en los gases combustibles es el CO2. Como es conocido, este gas constituye un lastre dentro de la mezcla, pues ocupa un volumen apreciable (hasta un 35% en el biogás) y no produce aporte energético durante la combustión; sino que solamente consume parte de la energía liberada durante este proceso para incrementar su temperatura. El CO2 sin embargo se considera por muchos autores como un elemento beneficioso dentro del biogás, pues permite elevar el poder antidetonante de la mezcla, posibilitando utilizar elevadas relaciones de compresión.[2], [18] Además de su valor calórico, el gas tiene la ventaja de ser un buen antidetonante, dado el alto contenido CO y CO2, el mismo tiene un octanaje de 115 a 125. El uso del biogás en motores de combustión interna permite que se soporten altas compresiones sin detonaciones[19], por este motivo, puede utilizarse un coeficiente de compresión más elevado para el motor, de modo que para un mismo volumen útil del motor, se alcanza con la utilización del gas una potencia similar a la que se obtiene con el uso de los combustibles convencionales.[2], [20] En el biogás también se encuentran cantidades variables de sulfuro de hidrógeno (H2S), denominado ácido sulfhídrico. El H2S al reaccionar con agua se convierte en ácido sulfúrico (H2SO4) el cual es altamente corrosivo y puede ocasionar graves daños en el motor. Con el fin de eliminar o disminuir Requisitos del gas combustible para MCI.

(19) 13. Capitulo 1. el porcentaje de H2S en el biogás se emplean sistemas de filtro con sustancias como cal viva o pagada, limadura de hierro o ciertos tipos de tierras conocidas como hematites parda o limonita, las cuales son ricas en sustancias ferrosas.[21] 1.2.1- Limpieza del gas para su uso en motores de combustión interna. El biogás presenta dos componentes que son necesario eliminar para lograr un funcionamiento satisfactorio del motor, estos como se dijo anteriormente son el H2S y el CO2. El H2S no siempre puede ser despreciado o atenuado su efecto corrosivo con la disminución de los intervalos de mantenimiento. Cuando la concentración de este gas en la mezcla supera el 1% en volumen es necesaria su remoción. [16] En instalaciones grandes tampoco este método es satisfactorio pues los costos por consumo de lubricante y mano de obra encarecen en gran medida la explotación de la planta. [22] En la actualidad los esfuerzos se concentran en obtener directamente desde el digestor un biogás con un bajo contenido de H2S. Para ello se han desarrollado grupos de bacterias que disminuyen la concentración del mismo. No obstante, se sigue empleando el método tradicional de remoción de H2S con hierro. [16], [18] El hierro para su reacción con el H2S debe encontrarse en forma de óxido o hidróxido, verificándose las siguientes reacciones. 2Fe(OH)3 + 3H 2S → Fe 2 S3 + 6 H 2O. Ecuación (1). Fe(OH ) 2 + H 2 S → FeS + 2 H 2O. Ecuación (2). En la práctica se construye un filtro formado por un recipiente hermético en cuyo interior se colocan limallas de hierro. La capacidad de absorción de H2S de estas limallas se ve entorpecida por el uso al depositarse una capa pegajosa sobre las mismas que impiden el contacto directo entre el metal y el gas. Según los estudios realizados, se ha demostrado que 2.5 Kg. de limallas puede limpiar hasta 100 m3 de biogás cuando el contenido de H2S no supera el 1%. Una vez que se halla saturado el hierro, no se absorbe más H2S. El sulfuro de hierro formado, puede nuevamente llevarse al estado de hidróxido de hierro. (Fe (OH)3) Para ello basta ponerlo en contacto con el oxígeno del aire, verificándose las siguientes reacciones: 2 FeS3 + 3O2 + 6 H 2O → 4 Fe(OH )3 + 3S 2. Ecuación (3). 2 FeS + O2 + 2 H 2 O → 2 Fe(OH ) 2 + S 2. Ecuación (4) Requisitos del gas combustible para MCI.

(20) 14. Capitulo 1 El proceso puede acelerarse quemando la masa ferrosa que puede ser utilizada nuevamente.. Llega un momento que la limalla de hierro se satura y se cubre de azufre elemental, siendo necesaria su remoción definitiva. El otro gas presente en el biogás es el CO2. Este gas puede ser removido al hacer burbujear el biogás en lechada de cal. La lechada consiste en una disolución de 1.8 Kg. de óxido de calcio en 1000 litros de agua. Esta cantidad solo permite la remoción de 560 litros de CO2. [2], [18] Considerando 1 m3de biogás que contenga un 35 % de CO2, requerirá de 625 litros de lechada de cal. Esto sin dudas muestra el enorme volumen de lechada de cal que se requiere para una planta de biogás. Otra de las vías para eliminar el CO2 es empleando Hidróxido de Sodio (NaOH) mezclado con agua. En este caso se requiere diluir 11.5 Kg. de NaOH en 1000 litros de agua, siendo capaz de absorber 3200 litros de CO2. Para dar tratamiento a 1 m3 de biogás que contenga el CO2 en una concentración del 35% se requerirá de 11 litros de solución. Esta variante es más satisfactoria atendiendo a un menor requerimiento de agua, no obstante no resulta viable, pues de todas formas se requieren grandes volúmenes. Existe una tercera variante que consistente en el lavado del biogás. Para ello se utiliza una torre a la cual se inyecta el biogás a presión por la parte inferior. En la parte superior de la torre se colocan duchas que suministran agua a presión en contracorriente con el gas. Biogás purificado Agua presión. a Agua. Biogás Desagüe Biogás sin purificar Figura 2. Remoción del CO2 con agua a presión.. Requisitos del gas combustible para MCI.

(21) 15. Capitulo 1. Esta instalación requiere de grandes volúmenes de agua y presenta un elevado costo de bombeo. La instalación solo se justifica para un gran volumen de gas cuando va a ser embotellado. Finalmente muchos autores plantean el hecho de eliminar o no el CO2 como una decisión que depende de: ¾ Uso que se dará al biogás. ¾ Volumen de biogás que se maneje. ¾ Valoración económica del proceso. Teniendo en cuenta lo anterior, se plantea solamente la necesidad de limpieza cuando se procede al embotellado del gas. [16], [18] 1.3- Formas de empleo del combustible gaseoso en MCI. Existen varias formas para utilizar un combustible gaseoso en un MCI: Una primera forma consiste en el diseño de un motor para el funcionamiento exclusivo con un combustible gaseoso determinado. En este caso el motor opera con ciclo OTTO de 4 tiempos. Durante el funcionamiento el motor ingresa al cilindro una mezcla de aire – gas con una proporción adecuada que se logra en el mezclador ubicado a la entrada del múltiple de admisión. Esta mezcla siguiendo el ciclo de 4 tiempos es comprimida y posteriormente por medio de una chispa se inflama ocurriendo la combustión de la mezcla y la posterior carera de expansión o fuerza. Finalmente los gases quemados son expulsados del cilindro en la carrera de escape.. Figura 3. Ciclo de funcionamiento del motor de 4 tiempos.. El motor diseñado para combustible gaseoso tiene la ventaja de que todos los conductos están construidos de forma tal que garantizan las menores pérdidas hidráulicas en la admisión asegurando. Formas de empleo del combustible gaseoso en MCI.

(22) 16. Capitulo 1. un correcto llenado del cilindro. Presentando además un grupo de ventajas propias de los motores que trabajan con combustible gaseoso. [23], [24] Ventajas del empleo de combustible gaseoso en MCI ¾ Se logra con facilidad una mezcla homogénea dentro del cilindro mejorando la calidad de la combustión. ¾ No se produce el lavado de las paredes del cilindro por la acción de un combustible líquido disminuyendo de esta forma el desgaste. ¾ No hay dilución del aceite del cárter con combustible. ¾ Funcionamiento más suave del motor. ¾ Disminución del nivel de ruidos del motor. ¾ Disminución del consumo de diesel, apenas 10g / P.D. siendo inyectado solo para el encendido. Figura 4. Esquema del motor de gas. La principal desventaja del motor de combustible gaseoso puede considerarse la imposibilidad de funcionar con otros combustibles en caso de faltar el combustible gaseoso. Existen además otras desventajas que son comunes a todos los motores que funcionan con combustible gaseoso. Desventajas del empleo de combustible gaseoso en MCI ¾ Problemas de almacenamiento del combustible gaseoso. ¾ Dificultad de manipulación. Otra forma de utilizar gas como combustible en MCI es aplicándolo no ya a uno especialmente diseñado para ello, sino a un motor convencional que se adapta al nuevo combustible. Estas modificaciones dependen del tipo de motor como se ilustra a continuación. [2], [16], [25], [26] Formas de empleo del combustible gaseoso en MCI.

(23) 17. Capitulo 1. Figura 5. Formas de adaptar un MCI a funcionar con combustible gaseoso. 1.3.1- Transformación del motor de ciclo Diesel a ciclo OTTO. La transformación del motor Diesel a ciclo OTTO es una conversión cara y extremadamente compleja pues conlleva la sustitución de todo el sistema de alimentación diesel por el sistema de encendido por bujías, magneto, distribuidor, etc. Además de la adición de un mezclador y demás elementos necesarios para el suministro del combustible gaseoso. [16], [18] Ventajas de la conversión del motor Diesel a ciclo OTTO para funcionar con combustible gaseoso. ¾ Todas las ventajas propias del empleo de combustible gaseoso en los MCI. ¾ Se logra un ahorro del 100% del combustible diesel ¾ La conversión es reversible, posibilitando utilizar nuevamente el combustible diesel en caso de terminarse el suministro de gas. ¾ Se aprovecha la elevada relación de compresión de los motores Diesel. Desventajas ¾ Desventajas propias del empleo de un combustible gaseoso. ¾ Inversión costosa y compleja. ¾ Para emplear uno u otro combustible se requiere de tiempo para ejecutar la adaptación al nuevo combustible, requiriendo de personal especializado. La otra posibilidad de transformación de un motor Diesel para trabajar con combustible gaseoso consiste como se explicó anteriormente en convertirlo a un motor de combustible dual. Esta modificación resulta la más sencilla a ejecutar para un motor Diesel.. Formas de empleo del combustible gaseoso en MCI.

(24) 18. Capitulo 1 1.3.2- Modificación del motor de ciclo Diesel a motor de combustible dual.. Experiencias con el uso de motores de gas, demuestran que se puede utilizar el gas de la descomposición de residuos orgánicos (biogás) para sustituir el 60% del diesel en motores de pequeña potencia 10KW (13.5Hp) y hasta el 95% del diesel en motores de alta potencia >0.5MW (670.5Hp). [18] Según el Doctor Ortiz Cañabate cuando el motor trabaja con biogás, el tiempo de avance de la inyección necesita ser incrementado para maximizar la potencia de salida. Si el punto de ignición no está lo suficientemente avanzado, el combustible no está quemado completamente antes de ser evacuado a través de la válvula de escape, exponiendo a las mismas a elevadas temperaturas, reduciendo considerablemente su vida útil de trabajo. En caso contrario, si el tiempo es demasiado anticipado el aumento del pico de presión ocurrirá antes del punto muerto superior, apareciendo por tanto el golpe diesel. Alrededor de 3-4 grados de avance de la inyección parecen favorables para evitar el golpeteo y el mal encendido a bajos niveles de torque, esto además puede ser importante para mantener una efectiva temperatura refrigerante en el motor con el fin de prevenir los vapores de agua de condensación que junto al O2 y el H2S se tornan muy corrosivos, efecto que limita la duración del motor.[18] Para la realización de esta modificación es necesario adicionar un mezclador al múltiple de admisión del motor para garantizar la mezcla aire – gas (similar a un motor de carburación) y un tope para la cremallera de la bomba de inyección. [16], [23]. Figura 6. Adaptación del motor Diesel para trabajar de forma dual con combustible gaseoso.. El funcionamiento del motor Diesel en operación dual tiene similitud tanto con el motor de ciclo OTTO como con el de ciclo Diesel, resultando una combinación de ambos.. Formas de empleo del combustible gaseoso en MCI.

(25) 19. Capitulo 1. En la siguiente tabla aparece de forma resumida algunas similitudes y diferencias del motor de combustible dual respecto a los de ciclo OTTO y Diesel Aspecto a Comparar. Otto. Diesel. Dual. Sustancia de trabajo. Mezcla aire - combustible. aire. Mezcla aire - combustible. Hasta 10. Hasta 21. Hasta 21. Salto de la Chispa. Inyección diesel Inyección diesel piloto. Relación de compresión Inicio de la Combustión. Tabla 4. Comparación de diferentes parámetros del motor combustible dual con los motores de ciclo OTTO y Diesel.. Como se planteó anteriormente, el motor de combustible dual no es más que la adaptación de un motor Diesel para el trabajo con combustible gaseoso al realizarle pequeñas modificaciones. Por tal motivo, el motor modificado mantendrá las mismas características constructivas del motor original en cuanto a resistencia y rigidez así como su elevada relación de compresión. Por otra parte, la conversión se realiza siempre en motores Diesel de 4 tiempos, reportándose muy poco en motores de 2 tiempos. [26] En los motores de combustible dual el ciclo de trabajo comienza por la admisión en el cilindro de la mezcla aire – combustible (gas) de forma análoga a como se realiza en los motores de ciclo OTTO. Al culminar la admisión comienza la carrera de compresión de la mezcla, hasta que poco antes del punto muerto superior ocurre la inyección piloto del combustible diesel de la misma forma en que ocurre en un motor Diesel. Al ponerse en contacto el combustible inyectado con el aire caliente de la mezcla que se encuentra comprimida dentro del cilindro, comienza la combustión que se propaga rápidamente por toda la mezcla. La carrera de fuerza se produce por la expansión de los gases de la combustión que posteriormente son desalojados en la carrera de escape, quedando el cilindro limpio y en condiciones de comenzar un nuevo ciclo. Para garantizar un correcto desarrollo del ciclo teórico, es necesario realizar al motor un grupo de ajustes que permitan un trabajo estable y sin fallos del mismo. En los motores Diesel para lograr ese. Formas de empleo del combustible gaseoso en MCI.

(26) 20. Capitulo 1. funcionamiento estable se emplea en la mayoría de los casos el regulador de todo régimen en la bomba de inyección. Existen diferentes tipos de bombas de inyección instaladas en los motores, por lo que regular una bomba para que funcione correctamente en un motor adaptado a combustible dual puede ser una tarea sumamente compleja y que requerirá de personal especializado. [27] Las bombas de inyección que más se prestan para este trabajo son las de tipo BOSCH de elementos independientes.. A medida que se hace más compacta la bomba resulta más compleja la. modificación. En bombas con regulador hidráulico es más difícil hacer las modificaciones. [16], [23]. Formas de empleo del combustible gaseoso en MCI.

(27) 21. Capitulo 2. Capítulo 2: Procedimiento de cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual. Una de las herramientas más efectivas para analizar el comportamiento de un MCI ante una nueva condición de trabajo es mediante la realización del cálculo del ciclo de trabajo del mismo. El cálculo del ciclo de trabajo del motor de combustible dual es un proceso complejo, pues están unidos en un solo motor dos procesos de formación de la mezcla totalmente diferentes. Por una parte, el proceso de formación externa de la mezcla consistente en la formación de la carga aire-gas que penetra al cilindro. De otra parte un proceso de formación de la mezcla dentro del cilindro a consecuencia de la inyección del combustible diesel dentro de la cámara de combustión. El desarrollo de los procesos de combustión y expansión tiene en este caso sus particularidades dadas la presencia de dos combustibles totalmente diferentes. (Líquido – gaseoso). En este analizan de forma independiente cada uno de los procesos que ocurren en el motor para llegar a estimar los índices del ciclo de trabajo del motor de combustible dual. 2.1- Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual. En este motor se emplea como combustible diesel y biogás.. A continuación se muestra las. propiedades de los mismos.[28] Combustible diesel [24], [29] C= 0.87. H= 0.126. OC = 0.004. HUL= 42500 kJ/kg. Biogás [2], [13], [16], [30] CO2= 37 %. CH4= 61 %. Hug = 21 356 kJ/m3. 2.1.1- Parámetros generales. 1- Cálculo de la cantidad teórica de aire requerida por los combustibles. Durante su funcionamiento el motor requiere aire para liberar la energía química contenida en ambos combustibles. Para el diesel La cantidad teórica de aire para la combustión de 1 kg de combustible se determina por: l0L =. 1 ⎛8 ⎞ × ⎜ × C + 8 × H − OC ⎟ 0.23 ⎝ 3 ⎠. (kg aire/kg comb.). Ecuación (5). Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(28) 22. Capitulo 2 Donde: C. Carbono en el combustible.. H. Hidrógeno en el combustible.. OC. Oxigeno en combustible.. Teniendo en cuenta la composición del combustible diesel queda: l0L =. 1 ⎛8 ⎞ × ⎜ × 0.87 + 8 × 0.126 − 0.004 ⎟ = 14.45 kg aire / kg comb. 0.23 ⎝ 3 ⎠. expresado en kmol empleando la siguiente ecuación: L0 L =. 1 ⎛C H O ⎞ ×⎜ + − C ⎟ 0.209 ⎝ 12 4 32 ⎠. (kmol/kg comb.). Ecuación (6). Resolviendo: L0 L =. 1 ⎛ 0.87 0.126 0.004 ⎞ ×⎜ + − ⎟ = 0.499 kmol/kg comb. 0.209 ⎝ 12 4 32 ⎠. Para el gas Utilizando la ecuación especificando la cantidad de aire teórica para el combustible gaseoso Log queda: Log =. 1 m r⎞ ⎛ ⎜ n + − ⎟ × CnHmOr ∑ 0.21 ⎝ 4 2⎠. (m3/m3gas). Ecuación (7). Resolviendo la ecuación para la composición del biogás se obtiene: Log= 5.5 m3/m3biogás 2- Determinación de la cantidad total de mezcla fresca que penetra la cilindro. Al cilindro, durante el proceso de admisión, (se analizará posteriormente) penetra una cantidad de mezcla determinada por el volumen desplazado en los cilindros. De todo el aire que penetra al interior de la cámara de combustión, solamente participa en la combustión el estrictamente requerido para la reacción con los combustibles [23], [24], [31]. Este aire se corresponde con la suma del aire estequiométrico para cada combustible. La presencia de aire en exceso, realmente no participa en la combustión, sino que eleva la probabilidad de que el combustible encuentre el aire que necesita para un correcto desarrollo del proceso de combustión.. Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(29) 23. Capitulo 2 La carga fresca que penetra al cilindro está formada por: ¾ Combustible gaseoso. ¾ Cantidad teórica de aire para la combustión del combustible gaseoso. ¾ Cantidad teórica de aire para la combustión del combustible diesel.. ¾ Cantidad de aire adicional para garantizar un proceso de combustión con calidad, formado por: ¾ Exceso de aire para el combustible gaseoso. ¾ Exceso de aire para el combustible líquido. En la figura 5 se muestra la composición de la mezcla fresca que penetra al cilindro en el motor de combustible dual para determinar el coeficiente de exceso de aire requerido. Analizando el esquema se puede observar (imagen 1) como al cilindro penetra el gas combustible, el aire estequiométrico para su combustión, (Log) el aire estequiométrico para la combustión del combustible diesel (Col) y los correspondiente excesos de aire para cada combustible. (αg y αL) Cuando se inyecta el combustible diesel dentro del cilindro al final del proceso de compresión (imagen 2) están disponibles gran cantidad de moléculas de aire. Sin embargo no todo el contenido del cilindro es aire, pues está presente el combustible gaseoso. El proceso de combustión en el motor de combustible dual se inicia por la combustión del diesel inyectado [2], [16], [23]. Cuando culmina la combustión del diesel (imagen 3) están creadas las condiciones para la combustión del gas y el contenido del cilindro está formado por el gas, el aire estequiométrico y en exceso para la combustión del gas, el exceso de aire para el combustible diesel y los productos de la combustión del Diesel. Al final del proceso de combustión (imagen 4) solamente quedan los residuos de la combustión y el aire en exceso que no intervino en la combustión.. Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(30) 24. Capitulo 2. Figura 7. Transformación de la mezcla fresca que penetra al cilindro hasta productos en el motor de combustible dual durante la combustión. Para seleccionar adecuadamente los coeficientes de exceso de aire, es necesario conocer algunas particularidades del proceso de combustión. Como se explicó anteriormente, la combustión en el motor de combustible dual comienza con la inyección del diesel en el interior del cilindro. Este proceso es la combustión de una mezcla heterogénea, la cual tiene sus particularidades. La combustión de mezclas heterogéneas ocurre a velocidades superiores que los procesos de mezclado. Debe recordarse que la combustión ocurre en la fase gaseosa, por lo que la velocidad con que se queman las pequeñas gotas de combustible inyectado se determinan por su velocidad de evaporación. Los vapores de combustible que se forman sobre la superficie de la gota se difunden en la mezcla que la rodea, formando a su alrededor una mezcla más rica [23], [24] [32], [33]. Estas zonas ricas presentan valores de α = 0.85… 0.9, valor para el que se alcanzan las mayores velocidades del frente de llama con hidrocarburos. Esas zonas pasan además a formar centros de inflamación de las zonas aledañas más pobres. Como la inyección del diesel representa una zona muy concentrada, por su naturaleza de mezcla heterogénea, se forman zonas muy sobre enriquecidas (α = 0.3… 0.4) en las cuales las moléculas del combustible sin el aire suficiente se descomponen formando hollín. Por la razón antes expuesta, cuando se realiza la inyección diesel debe procurarse α = (1.35… 1.4). Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(31) 25. Capitulo 2 Como la cantidad de combustible diesel que se inyecta es pequeña, se puede considerar que la. misma combustiona de forma instantánea, incrementando la temperatura y presión dentro de la cámara, iniciándose así la combustión de la mezcla gaseosa. Cuando se inicia la combustión del gas, dentro del cilindro ya están presentes los productos de la combustión del combustible diesel y una gran cantidad de aire. En este momento, debe procurarse que el valor global del coeficiente de exceso de aire α < 4 pues para valores superiores es probable que no se verifique el proceso de combustión. Para el caso de la combustión en un motor de gas, pudiera tomarse valores de αg = (0.85…0.9), pero teniendo en cuenta que en el motor de combustible dual se requiere una elevada cantidad de aire para proporcionarle un ambiente rico en oxígeno al combustible diesel, es recomendable emplear valores αg = (1.2… 1.3). Por otra parte hay otro problema a resolver además de garantizar la suficiente cantidad de aire en exceso para la ignición del combustible Diesel, y es el caso del peligro de detonación de la mezcla gaseosa a causa de las elevadas relaciones de compresión. Como se ha explicado anteriormente, la combustión es un proceso químico de oxidación, durante el cual, el combustible se combina químicamente con el oxígeno verificándose una reacción exotérmica. Este proceso ocurre a una determinada velocidad, llamada velocidad de reacción, la cual se incrementa con la elevación de la presión y la temperatura de los componentes de la mezcla fresca. Si esta velocidad de reacción es lo suficientemente alta, la mezcla se calienta y llega a inflamarse. Cuando se comprime una mezcla con αg = 1, su temperatura se elevará, incrementando la velocidad de reacción, hasta un punto en que se alcanza la temperatura de ignición. A esta temperatura, la mezcla se inflama por si sola. La mezcla al ser comprimida dentro del cilindro de un motor diesel de elevada relación de compresión, tendrá al final del proceso de compresión una menor temperatura de ignición que al comienzo del mismo, favoreciéndose la combustión espontánea. Para valores de αg ≠ 1 se cumple al igual que para las mezclas con αg =1 que con el incremento de la presión disminuye la temperatura de ignición. Sin embargo las primeras deben mantenerse más tiempo a esta temperatura para auto inflamarse. Para valores próximos a αg = 1 se verifica la auto inflamación de la mezcla cuando se alcanza la temperatura de ignición (zona explosiva), para mezclas más ricas o pobres (fuera de los límites explosivos) llegará el momento en que es necesario mantenerla tanto tiempo a la temperatura de Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(32) 26. Capitulo 2. ignición que no se verificará el proceso de combustión dentro del cilindro del motor por si solo. No obstante, bajo la acción de una fuente externa de calor (combustión piloto) se inflamará toda la mezcla. Si la composición de la mezcla, se empobrece o enriquece en demasía, llegará el momento en que no será combustible bajo ninguna circunstancia. La siguiente figura representa lo anteriormente explicado.. Figura 8. Efecto de la composición de la mezcla sobre la combustión de la misma. Teniendo en cuenta todo lo planteado anteriormente, en lo adelante se empleará para los cálculos αL= 1 y αg = 1.2 Para el diesel La cantidad de masa fresca que penetra al cilindro se calcula por la siguiente ecuación M 1L = α L × L 0 L. (kmol / kg comb). Ecuación (8). Tomando αL= 1 y multiplicando la expresión por 22.4 m3/kmol se obtiene: M1L= 11.17 m3 / kg comb. La cantidad de masa fresca (aire) en valor absoluto requerida por el combustible diesel en un ciclo de trabajo se determina por: M 1L ABS. = M 1L × mc. (m ) 3. Ecuación (9). Donde: mc. Cantidad de combustible diesel que penetra la cilindro en un ciclo de trabajo. (kg.) Se determina por la siguiente expresión: Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(33) 27. Capitulo 2 mc =. GC × τ × C 120 × i × n. (kg). Ecuación (10). Donde: Gc. Consumo horario máximo de combustible del motor original (kg /h). τ. número de tiempos del motor.. C. % de la inyección máxima a que se trabajará durante el funcionamiento dual. (25… 40 %) Toma valores 0.25… 0.4. i. Número de cilindros del motor.. n. Velocidad del motor (rpm) para el cual se produce Gc.. Para el gas M 1g = 1 + α × L0 g. (m3/m3biogás). Ecuación (11). Empleando αg = 1.2 queda: M1g =1+1.2 × 5.5 = 7.6 m3/m3biogás La cantidad de masa fresca en valor absoluto que ingresa al cilindro para la combustión del gas, incluyéndolo se determina por:. M 1g ABS = M 1g × V g. (m ) 3. Ecuación (12). Donde: Vg.: Volumen del biogás que penetra al cilindro en un ciclo de trabajo. La determinación de Vg. se realiza a partir de establecer la igualdad entre la cantidad de mezcla fresca que penetra al cilindro durante un ciclo (M1ABS) y el volumen desplazado por el pistón en el cilindro (V) teniendo en cuenta la eficiencia del proceso de admisión por medio del rendimiento volumétrico (ηv). M 1 ABS = V ×η V. Ecuación (13). Conociendo que V es el volumen de un cilindro y que la carga fresca total en valor absoluto introducida al cilindro en una carrera de trabajo es la suma de la Ecuación 9 y la Ecuación 12 se puede plantear: M 1L × mc + M 1g × V g =. π × D2 × S 4. × ηV. Ecuación (14). Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(34) 28. Capitulo 2. Figura 9. Diámetro (D) y carrera (S) del pistón para determinar el volumen de desplazamiento. Despejando Vg. se obtiene:. Vg =. ⎛ π × D 2 × S × ηV ⎞ 1 × ⎜⎜ − M 1L × mc ⎟⎟ 4 M 1g ⎝ ⎠. Ecuación (15). Si se conoce la cilindrada total del motor la ecuación queda de la siguiente forma: Vg =. 1 ⎛ Cil × η V ⎞ ×⎜ − M 1L × mc ⎟ M 1g ⎝ 1000 × i ⎠. (m ) 3. Ecuación (16). Donde: Cil. Cilindrada total del motor (litros). i. Cantidad de cilindros del motor.. Posteriormente se determina la relación entre las cantidades de mezcla formadas para la combustión del combustible líquido y gaseoso empleando la expresión: RM 1 =. M 1L ABS M 1g ABS. Ecuación (17). Finalmente la cantidad de mezcla fresca total en función del volumen de gas que penetra al cilindro se determina por:. M 1 = M 1g × (1 + RM 1 ). (m. 3. / m 3 biogás. ). Ecuación (18). 3- Determinación de los productos de la combustión. Para el diesel Cuando el combustible arde totalmente los productos están formados por CO2 y H2O.. Los. componentes individuales se determinan por:. Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(35) 29. Capitulo 2 M CO 2 L =. C 12. M H 2OL =. H 2. Ecuación (20). M N 2 L = 0.79 × α l × L0 L. Ecuación (21). Ecuación (19). Los componentes individuales en valor absoluto se hallan multiplicando cada uno por 22.4 × mc. De esta forma queda: M CO 2 L ABS = M CO 2 L × 22.4 × mc. (m 3 ). M H 2OL ABS = M H 2OL × 22.4 × mc. (m 3 ). M N 2 L ABS = M N 2 L × 22.4 × mc. (m 3 ). Ecuación (22) Ecuación (23) Ecuación (24). Los productos totales originados por el combustible diesel se determinan por la suma de cada uno de los componentes individuales.. (kmol/kg ). M 2 L = M CO 2 L + M H 2OL + M N 2 L. Ecuación (25). La cantidad de productos de la combustión en valor absoluto generados al quemarse el combustible diesel se determina por: M 2 L ABS = M 2 L × 22.4 × mc. (m ) 3. Ecuación (26). Para el gas Utilizando las ecuaciones modificándolas con el subíndice (g) para hacer referencia al combustible gaseoso en cada uno de los productos individuales.. M CO2 g = ∑ n × (CnHmOr ). (m3/m3gas). Ecuación (27). m × (CnHmOr ) 2. (m3/m3gas). Ecuación (28). M O 2 g = 0.21 × (α g − 1)× Lo g. (m3/m3gas). Ecuación (29). M N 2 g = 0.79 × α g × Lo g + N 2 g. (m3/m3gas). Ecuación (30). M H 2Og = ∑. Los componentes individuales en valor absoluto se determinan para los productos de combustión que son comunes con los originados por la combustión del combustible líquido. (CO2, H2O, N2). Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(36) 30. Capitulo 2. M CO 2 g ABS = M CO 2 g × V g. (m 3 ). = M H 2Og × V g. (m 3 ). M H 2Og M N 2g. ABS. ABS. = M N 2g × Vg. Ecuación (31) Ecuación (32). (m 3 ). Ecuación (33). La cantidad total de productos de la combustión asociados a la combustión del gas está dada por: (m3/m3gas). M 2 g = M CO 2 g + M H 2Og + M O 2 g + M N 2 g. Ecuación (34). En valor absoluto se determina por:. M 2 g ABS = M 2 g × V g. (m ) 3. Ecuación (35). Para los dos combustibles. La relación entre los componentes de los productos en valor absoluto se determina por: RCO 2 =. M CO 2 L ABS M CO 2 g ABS. Ecuación (36). R H 2O =. M H 2OL ABS M H 2Og ABS. Ecuación (37). RN 2 =. M N 2 L ABS M N 2 g ABS. Ecuación (38). La relación para los productos totales de la combustión originados por cada componente se obtiene por: RM 2 =. M 2 L ABS M 2g ABS. Ecuación (39). La cantidad total de productos de la combustión de cada componente en función del volumen de combustible gaseoso se determina por:. (m. M CO 2 = M CO 2 g × (1 + RCO 2 ) M H 2O = M H 2Og × (1 + RH 2O ) M N 2 = M N 2 g × (1+ R N 2 ) M O2 = M O2g. (m. (m 3 / m 3 biogás ). 3. (m 3. / m 3 biogás 3. ). / m 3 biogás. / m 3 biogás. ). Ecuación (40). ). Ecuación (41) Ecuación (42) Ecuación (43). Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(37) 31. Capitulo 2 La cantidad total de productos de la combustión se determina por: M 2 = M 2 g × (1 + RM 2 ). (m3/m3gas). Ecuación (44). El cálculo del coeficiente teórico de variación molecular se realiza por medio de la siguiente ecuación:. µ0 =. M2 M1. Ecuación (45). El coeficiente teórico de variación molecular como se explicó anteriormente expresa la variación del volumen producto de la combustión. La combustión de un líquido siempre se traduce en un incremento del volumen de los productos, no siendo así en el caso de la combustión de un gas. Como en el motor dual el combustible líquido representa una pequeña fracción, es posible que este coeficiente resultante sea mayor, igual o menor que cero. 2.1.2- Parámetros del proceso de admisión. 4- Calculo de la densidad de la mezcla de entrada. Considerando la mezcla de trabajo como aire.. ρ0 =. P0 R × T0. (kg /m3). Ecuación (46). 5- Cálculo de la presión al final del proceso de admisión.. (. ). Pa = P0 − β 2 + ξ ×. ω ad2 2. × ρ 0 × 10 − 6. (MPa ). Ecuación (47). 6- Cálculo de la temperatura al final del proceso de admisión. Se comienza por el cálculo del coeficiente de gases residuales (γr):. γr =. T0 + ∆T Pr × Tr ε × Pa − Pr. Ecuación (48). Para la selección del valor del incremento de la temperatura de la carga (∆T) es necesario prestar atención a que aunque constructivamente se trate de un motor diesel, existe un proceso de formación exterior de la mezcla por lo que el incremento de temperatura puede ser algo más baja que la de los motores diesel tradicionales.. Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(38) 32. Capitulo 2 Según la bibliografía, en los motores de gas, el coeficiente de gases residuales alcanza valores. (γr = 0.06… 1) mientras que en los motores diesel (γr = 0.03… 0.06) debido a su mayor relación de compresión. Al realizar el cálculo en el motor de combustible dual, es necesario tener en cuenta este aspecto. La temperatura al final de la admisión se calcula por la siguiente ecuación:. Ta =. T0 + ∆T + γ r × Tr (K) 1+ γ r. Ecuación (49). Finalmente el rendimiento volumétrico se determina por:. ηv =. ε. Pa T0 × ε − 1 P0 Ta × (1 + γ r ) ×. Ecuación (50). 2.1.3- Parámetros del proceso de compresión. 7- Determinación de la presión al final del proceso de compresión. Es necesario prestar atención a la selección del exponente politrópico n1 teniendo en cuenta que la sustancia de trabajo es la mezcla aire – gas. Pc = Pa × ε n1. (MPa). Ecuación (51). 8- Determinación de la temperatura al final de proceso de compresión. Tc = Ta × ε n1−1. (K). Ecuación (52). Una vez terminado el proceso de compresión, como se trata constructivamente de un motor diesel y la combustión se inicia de la misma forma que en estos, deben quedar creadas las condiciones para la inflamación del combustible diesel inyectado. La presión al final de la compresión está en el orden de (3.5… 5.0 MPa.) y la temperatura en el orden de (700… 900 K) 2.1.4- Parámetros del proceso de combustión. En el cálculo de los parámetros del proceso de combustión del motor de combustible dual es necesario analizar el aporte energético que realiza la combustión del combustible diesel inyectado (inyección piloto) y la combustión de la masa gaseosa. Realizar el cálculo termodinámico del proceso de trabajo real tomando en cuenta todo el conjunto de pérdidas relacionadas con la combustión incompleta, la emisión de calor hacia las paredes del cilindro, etc. [24] [32], [33] resultan extremadamente complejo, por lo que se hace necesario realizar suposiciones que faciliten el análisis. Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

(39) 33. Capitulo 2. En los motores a gas al igual que en los de carburación [24] se puede considerar que la combustión ocurre de forma instantánea y a volumen constante. Esto implica que los gases no producen trabajo a medida que se efectúa la combustión, sino que solamente se emplea el calor liberado en incrementar la energía interna. En la siguiente figura se aprecia como se sustituye en el diagrama indicado el proceso de combustión real por la isocora C – Z.. Figura 10. Proceso de combustión a volumen constante.. Por su parte en los motores diesel la combustión ocurre de forma rápida inicialmente y a volumen constante para luego continuar de una forma más lenta abarcando parte de la carrera de expansión. En la siguiente gráfica se puede apreciar como la curva real de variación de la presión es sustituida por una isocora C – Z´ y una isobara Z´- Z de forma tal que en las etapas finales de la combustión se produce trabajo.. Figura 11. Proceso de combustión a volumen y presión constante. Atendiendo a estos aspectos, en el motor de combustible dual se realiza la combustión tanto de un motor de gas como de uno diesel; considerando que la cantidad de diesel inyectado es muy pequeña y la presencia de un gas que se inflama rápidamente dentro del cilindro puede suponerse que el diesel se quema completamente a volumen constante sin producirse trabajo durante el transcurso de la combustión. Cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustible dual.

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Tabla 1. Características del biogás y sus componentes secundarios. [10]

Tabla 1.

Características del biogás y sus componentes secundarios. [10] p.11
Tabla 2. Valor calórico del biogás (1m3) respecto a otros portadores energéticos.[11], [12]

Tabla 2.

Valor calórico del biogás (1m3) respecto a otros portadores energéticos.[11], [12] p.12
Figura 1. Producción de Metano en función de la temperatura del digestor

Figura 1.

Producción de Metano en función de la temperatura del digestor p.13
Tabla 3. Producción de biogás, electricidad y calor a partir de diversos sustratos.[17]

Tabla 3.

Producción de biogás, electricidad y calor a partir de diversos sustratos.[17] p.17
Figura 2.  Remoción del CO 2  con agua a presión.

Figura 2.

Remoción del CO 2 con agua a presión. p.20
Figura 3.  Ciclo de funcionamiento del motor de 4 tiempos.

Figura 3.

Ciclo de funcionamiento del motor de 4 tiempos. p.21
Figura 4.  Esquema del motor de gas

Figura 4.

Esquema del motor de gas p.22
Figura 5.  Formas de adaptar un MCI a funcionar con combustible gaseoso

Figura 5.

Formas de adaptar un MCI a funcionar con combustible gaseoso p.23
Figura 6. Adaptación del motor Diesel para trabajar de forma dual con combustible gaseoso

Figura 6.

Adaptación del motor Diesel para trabajar de forma dual con combustible gaseoso p.24
Tabla 4. Comparación de diferentes parámetros del motor combustible dual con los motores de ciclo OTTO y  Diesel

Tabla 4.

Comparación de diferentes parámetros del motor combustible dual con los motores de ciclo OTTO y Diesel p.25
Figura 7. Transformación de la mezcla fresca que penetra al cilindro hasta productos en el motor de combustible  dual durante la combustión

Figura 7.

Transformación de la mezcla fresca que penetra al cilindro hasta productos en el motor de combustible dual durante la combustión p.30
Figura 8.  Efecto de la composición de la mezcla sobre la combustión de la misma

Figura 8.

Efecto de la composición de la mezcla sobre la combustión de la misma p.32
Figura 11.  Proceso de combustión a volumen y presión constante

Figura 11.

Proceso de combustión a volumen y presión constante p.39
Figura 10.  Proceso de combustión a volumen constante.

Figura 10.

Proceso de combustión a volumen constante. p.39
Tabla 5.  Valores de los coeficientes A y B para el cálculo de las pérdidas mecánicas en motores diesel

Tabla 5.

Valores de los coeficientes A y B para el cálculo de las pérdidas mecánicas en motores diesel p.44
Tabla 6.  Parámetros principales del motor Mercedes Benz OM-366 operando con combustible diesel

Tabla 6.

Parámetros principales del motor Mercedes Benz OM-366 operando con combustible diesel p.46
Figura 12. Característica exterior de motor diesel

Figura 12.

Característica exterior de motor diesel p.51
Tabla 7. Propiedades del biogás a usar en el motor diesel

Tabla 7.

Propiedades del biogás a usar en el motor diesel p.52
Figura 13. Característica exterior del motor dual

Figura 13.

Característica exterior del motor dual p.56
Gráfico 1. Comparación entre la potencia del motor diesel y el dual

Gráfico 1.

Comparación entre la potencia del motor diesel y el dual p.56
Gráfico 2. Análisis de las emisiones de CO a la atmósfera

Gráfico 2.

Análisis de las emisiones de CO a la atmósfera p.57
Gráfico 3. Consumo horario de combustible

Gráfico 3.

Consumo horario de combustible p.57

Referencias

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