Selección del combustible de sustitución
4.3. Resultados de la selección
4.3.2. Determinación de la composición del combustible de sustitu- ción
4.3. Resultados de la selección - CRECK. El grupo del Politécnico de Milán tiene en su página web [53] un meca- nismo completo y agrupado de alcanos lineales de hasta 16 carbonos en el que se incluyen submecanismos del tolueno y el ciclohexano, dando lugar a un esque- ma con 310 especies y 8335 reacciones que se ha denominado HTC_CRECK en el documento. Tras eliminar las especies y reacciones que no pertenecen a los me- canismos de oxidación de ninguno de los compuestos considerados (n-heptano, tolueno y ciclohexano), ha resultado un esquema que contiene un total de 261 especies y 4890 reacciones.
La Tabla 4.4 resume las principales características de los mecanismos cinéticos de oxidación considerados para la selección del combustible de sustitución.
Tabla 4.4. Mecanismos cinéticos candidatos.
Grupo Mecanismo n-heptano tolueno ciclohexano especies reacciones
LLNL HT_LLNL X X 644 2796
HTC_LLNL X X X 1140 4578
CRECK HTC_CRECK X X X 261 4890
Nancy HT_Nancy X X 445 2409
HTC_Nancy X X X 604 3235
4.3.2. Determinación de la composición del combustible de sustitu-
En la Figura 4.4a se observa, para el mecanismo HTC_LLNL, un valor mínimo de RECM de 1.92 CAD para una mezcla con una composición formada por un 80 % en masa de n-heptano y un 20 % de ciclohexano, apareciendo una región alrededor de este punto con valores similares. En el caso del mecanismo desarrollado por el CRECK (Figura 4.4b), el mínimo aparece para la mezcla binaria compuesta por un 90 % de n- heptano y un 10 % de tolueno con un valor de 1.48 CAD, menor que el calculado para el mecanismo HTC_LLNL.
0 . 0 0 . 3 0 . 6 0 . 9
0 . 0 0
0 . 2 5
0 . 5 0
0 . 7 5
1 . 0 0 0 . 0
0 . 3 0 . 6 0 . 9
Y
t ol ueno
Y c ic lohex ano Y n - h e p t a n o ( a )
0 . 0 0 . 3 0 . 6 0 . 9
0 . 0 0
0 . 2 5
0 . 5 0
0 . 7 5
1 . 0 0 0 . 0
0 . 3 0 . 6 0 . 9
Y
t ol ueno
Y c ic lohex ano Y n - h e p t a n o ( b )
2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0 R E C M
Figura 4.4.RECMpara los mecanismos HTC_LLNL (a) y HTC_CRECK (b).
La Tabla 4.5 muestra los valores deRECMmínimos obtenidos para los diferentes me- canismos de reacción considerados. Se han añadido los resultados obtenidos utilizando el mecanismo de Curran y col. [1] para el n-heptano, denominado H_LLNL en la tabla, por ser el mecanismo más ampliamente utilizado en la actualidad como combustible de sustitución del diésel. No se muestra ningún valor de RECM para el HTC_Nancy (considerando n-heptano, tolueno y ciclohexano), ya que la herramienta utilizada pa-
4.3. Resultados de la selección ra la resolución del sistema de ecuaciones diferenciales (herramienta DVODE) no ha sido capaz de converger para ninguna de las composiciones consideradas. No obstan- te, los resultados obtenidos para el mecanismo HT_Nancy (considerando tan sólo los mecanismos del n-heptano y del tolueno del grupo de Nancy) no hacen prever un com- portamiento mejor que el mostrado por los otros cuatro mecanismos considerados. El coste computacional de cálculo se expresa con el valor medio de tiempo de cálculo (tcal) necesario para la resolución del problema cinético en un punto de ensayo utilizando una computadora equipada con un procesador Pentium IV a 3.0 GHz, función hyperthrea- ding activada y 1GB de memoria RAM.
Tabla 4.5. Resultados obtenidos con los mecanismos cinéticos candidatos.
Mecanismo Especies Reacciones tcal(min) hep( %) tol( %) cic( %) RECM
H_LLNL 561 2539 5.30 100 - - 3.41
HT_LLNL 644 2796 5.62 50 50 - 2.45
HTC_LLNL 1140 4578 38.81 80 - 20 1.92
HTC_CRECK 310 8011 2.12 90 10 0 1.48
HT_Nancy 445 2409 1.04 100 0 - 2.77
HTC_Nancy 604 3235 7 7 7 7 7
El combustible de sustitución seleccionado deber ser aquél que presente un mejor compromiso en el cumplimiento de los criterios de selección adoptados (simplicidad, disponibilidad, afinidad y semejanza). El criterio de disponibilidad ha sido utilizado durante la construcción de todos los combustibles candidatos, lo que garantiza que todos ellos lo cumplen. El criterio de simplicidad se evalúa utilizando el valor del tiempo de cálculo de un problema cinético y, además, considerando el número de especies que forman parte de la composición del combustible de sustitución. Como se observa en la Tabla 4.5, el mecanismo más sencillo es el HT_Nancy, seguido por el HTC_CRECK, el HT_LLNL y finalmente el HTC_LLNL de mucha mayor complejidad. Como se ha visto anteriormente, la semejanza de los candidatos se mide con el mínimo valor de RECMobtenido, siendo el mejor el valor obtenido con el HTC_CRECK, seguido por el HTC_LLNL, el HT_LLNL y el HT_Nancy. Considerando únicamente estos tres criterios parece que el mecanismo desarrollado por el grupo CRECK del Politécnico de Milán es el mejor candidato a combustible de sustitución, ya que es el más semejante y el segundo más sencillo. No obstante, la composición obtenida con una mejor semejanza (90 % n-heptano y 10 % de tolueno) se aleja mucho de la composición de un combustible diésel comercial (Tabla 2.1), por lo que no cumple el criterio de afinidad. Además, al estudiar las curvas de calor liberado obtenidas con este mecanismo se observa que, para algunas condiciones de funcionamiento, la combustión principal se divide en dos fases, es decir, la liberación de calor presenta 3 máximos locales de los que uno corresponde a las llamas frías y dos a la combustión principal. La Figura 4.5 muestra las curvas de liberación de calor experimentales obtenidas en este trabajo (representadas con línea continua) y modeladas empleando el mecanismo HTC_CRECK (representadas con línea discontinua), observándose grandes diferencias entre ellas. Por ambos motivos no se ha considerado el HTC_CRECK como el mecanismo del combustible de sustitución idóneo.
- 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 - 0 . 2
0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0
dFQL Normalizado
C A D
E x p e r i m e n t a l C R E C K
n= 1 5 0 0 E G R = 6 0 % P M E = 2 . 8 b a r A I I= - 8 0 C A D
- 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0
- 0 . 2 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0
n= 1 5 0 0 E G R = 4 0 % P M E = 2 . 8 b a r A I I= - 8 0 C A D
dFQL Normalizado
C A D
E x p e r i m e n t a l C R E C K
- 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0
0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8
1 . 0 E x p e r i m e n t a l
C R E C K
dQFL Normalizado
C A D
n= 2 0 0 0 E G R = 6 0 % P M E = 3 . 2 b a r A I I= - 8 0 C A D
- 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0
0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0
dQFL Normalizado
C A D
E x p e r i m e n t a l C R E C K
n= 2 0 0 0 E G R = 4 0 % P M E = 3 . 1 b a r A I I= - 8 0 C A D
Figura 4.5. Curvas de dFQL experimental y simuladas con HTC_CRECK.
El criterio de afinidad también falla para el caso del HT_Nancy (composición ópti- ma del 100 % de n-heptano) y para el HTC_LLNL (80 %n-heptano y 20 %ciclohexano), siendo además este último el que menor grado de cumplimiento presenta del criterio de simplicidad.
Por lo tanto, el candidato más adecuado es el HT_LLNL, que presenta tiempos de cálculo razonablemente pequeños, un valor de RECM aceptablemente bajo (mejora 1 CAD respecto al mecanismo habitualmente empleado que considera sólo n-heptano (H_LLNL)) y es el candidato que mejor cumple el criterio de afinidad. En la Tabla 4.6 se comparan los valores de las principales propiedades del combustible diésel con las del combustible de sustitución obtenido (HT_LLNL con 50 % n-heptano/50 % tolueno en masa) y con las del n-heptano, observándose valores similares entre el combustible propuesto y el diésel en todas las propiedades mostradas.
4.3. Resultados de la selección Tabla 4.6. Principales propiedades del combustible diésel, n-heptano y del combustible
de sustitución propuesto.
diesel n-heptano 50 % hep /50 % tol
Contenido en carbono % peso 87.3 84.0 87.65
Contenido en hidrógeno % peso 12.7 16.0 12.34
Fest 1/14.33 1/15.11 1/14.24
Poder calorífico inferior [MJ/kg] 42.65 44.3 42.32
Por último, cabe señalar que la metodología presentada en este capítulo es general y permite determinar la composición de un combustible de sustitución para cualquier mecanismo disponible, por lo que el desarrollo de mecanismos más validados para algunos de los compuestos presentes en el combustible de sustitución seleccionado (n- heptano y tolueno) o para cicloalcanos permitiría en el futuro actualizar y/o mejorar la composición de dicho combustible de sustitución.