1)Representar los diagrámas P-v de los Ciclos teóricos Otto y Diesel, definir las transformaciones termodinámicas que componen cada ciclo. Rendimientos a igualdad de relación de compresión.
Ciclo Otto teórico
Las transformaciones termodinámicas que se realizan durante el ciclo son las siguientes:
1-2 Compresión adiabática del gas P*V^y=cte
2-3 Adición instantánea del calor Q1 a volumen constante
3-4 Expansión adiabática del gas P*V^y=cte
4-1Cesión instantánea del calor Q2 a volumen constante
En un ciclo real, el proceso (0-1) representaría la admisión del fluido durante la carrera de aspiración y el escape de los gases en la carrera de evacuación. En el ciclo teórico, los efectos de ambos procesos se anulan mutuamente, sin ganancia ni perdida de trabajo, razón por la cual no se consideran en los diagramas teóricos. Los diferentes procesos se representan como un ciclo cerrado en el que el fluido activo vuelve a su estado inicial cuando vuelve al punto 1.
En el diagrama en P-v, sobre el eje que representa el volumen. Proyectando el punto 1 y respecto al eje de P, representa el volumen correspondiente cuando el pistón se encuentra en el PMI (Vt). El punto 2 representa el volumen correspondiente al PMS (Vt–Vc) es decir el volumen del espacio neutro.
Ciclo teórico Diesel
Las transformaciones termodinámicas que se efectúan durante el ciclo Diesel, son las siguientes:
1-2 Compresión adiabática del gas P*V^y=cte
2-3 Adición instantánea del calor Q1 a presión constante
3-4 Expansión adiabática del gas P*V^y=cte
4-1Cesión instantánea del calor Q2 a volumen constante
Rendimientos
A igualdad de calor aportado, e igualdad de relación de compresión, el ciclo Otto es el de mayor rendimiento térmico, seguido del ciclo mixto y el “peor” sería el Diesel. Cuanto mayor sea la cantidad de calor aportado a volumen constante, mayor será el rendimiento térmico.
2º)Definición de Potencia, Potencia Indicada y Potencia Efectiva, formas de medirlas. PMI y PME
Potencia: es el trabajo desarrollado en la unidad de tiempo.
Potencia Indicada
La potencia desarrollada y medida en el interior del cilindro. La potencia indicada es el trabajo desarrollado en la unidad de tiempo por un cilindro en un ciclo.
Se mide: Un indicador, conectado al cilindro, permite trazar en un papel, a escala, la evolución de las presiones para cada posición del émbolo. Tipos de indicadores: mecánicos, ópticos y electrónicos.
Potencia efectiva
La potencia transmitida y medida en el eje del motor.
Determinación de la potencia efectiva
-Frenos (medida directa). Con los frenos se “absorbe” la potencia desarrollada por el motor. Miden el par y con él puede calcularse la potencia.
-Frenos de fricción (no se emplean)
-Frenos hidráulicos
-Frenos eléctricos
-De corriente continua
-De corriente alterna
-De corrientes parásitas
-Torsiómetros (medida indirecta). Con los torsiómetros se mide el efecto provocado en un eje que transmite potencia. Es un método indirecto para la determinación de la potencia efectiva, midiendo el ángulo de torsión que se produce en el eje del motor como consecuencia del par motor al que se le somete.
Presión Media Indicada (PMI)
Es una presión constante de los gases en el interior del cilindro tal, que actuando sobre una carrera completa produce un trabajo igual al indicado por el ciclo.
Presión media efectiva (PME)
Sería el valor de una presión, que introducido en la fórmula de la potencia indicada, nos daría la potencia efectiva desarrollada por el motor.
Es un concepto, no una presión que realmente exista. Sirve como elemento de comparación entre motores.
Su valor puede obtenerse también multiplicando la presión media indicada por el rendimiento mecánico.
3º)Donde y como actuamos en el motor (según el diagrama circular de distribución) para conseguir que el ciclo indicado se acerque lo más posible al ciclo teórico.
Para conseguir que el ciclo indicado se acerque lo más posible al teórico, se actúa sobre la distribución adelantando y retrasando el instante de comienzo y de finalización de entrada y salida del fluido operante del cilindro, con el propósito de conseguir un mejor llenado y evacuación de los gases y además se realiza un adelanto del encendido o de la inyección para compensar el tiempo necesario para la combustión.
Estas variaciones son conocidas como cotas de reglaje en la distribución, son las siguientes:
-Adelanto en la apertura de la admisión (AAA), consigue que al hacer que la válvula se abra antes de que el pistón llegue al P.M.S. en su carrera de escape, al iniciarse la aspiración de la mezcla, la válvula esté muy abierta, evitando la estrangulación a la entrada de los gases.
-Retraso en el cierre de la admisión (RCA), consigue que al hacer que la válvula se cierre un poco después de que el pistón llegue a su P.M.I., debido a la inercia de los gases al final de la admisión éstos siguen entrando en el cilindro, aunque el pistón comience a desplazarse hacia el P.M.S.
-Adelanto del encendido (AE) o de la inyección (AI), consigue compensar el tiempo necesario para que, al final de la combustión, el movimiento del pistón en su fase de trabajo sea mínimo. Se puede cifrar en unos 30º.
-Adelanto en la apertura de escape (AAE), consigue que la presión interna baje antes, y que cuando se inicie el escape la válvula, esté completamente abierta, evitando el estrangulamiento a la salida y la pérdida de energía necesaria para realizar el barrido de gases.
-Retraso en el cierre del escape (RCE), consigue una mejor evacuación de los gases quemados debido a la succión provocada por la alta velocidad de los gases de escape, evitándose así que los gases residuales que pueden quedar en el interior del cilindro impidan la entrada de gases frescos.
-Cruce de válvulas, es el período en el que las válvulas de admisión y escape están simultáneamente abiertas. Durante el mismo, debido a la velocidad de los gases de escape, crean una succión que facilita la entrada de la nueva mezcla y barre los gases residuales. Cuando los gases frescos llegan a la válvula de escape ésta ya está cerrada sin que se pierdan en la atmósfera.
4º)Como podemos conseguir disminuir las diferencias entre los ciclos teóricos y reales en un MCI de 4T y como se representan las actuaciones a realizar.
Diferencias entre los ciclos real y teórico de un Motor de Explosión de 4T:
Entre ambos diagramas existen diferencias sustanciales tanto en la forma como en los valores de Presiones y temperaturas.
Las primeras consisten en un perfil diferente en las curvas de expansión y compresión, sustitución de los trazos rectos de combustión, cesión de calor por trazos curvos y el redondeamiento de los vértices. Las causas de dichas referencias vamos a verlas a continuación:
Perdidas de calor
Aunque en el ciclo teórico se consideran nulas, en el real son importantes. Los procesos adiabáticos en la realidad son politrópicos y ello da lugar a perdidas de trabajo útil, en el diagrama representado corresponde a la superficie “A”.
Combustión no instantánea
Teóricamente suponíamos que la combustión se realizaba a volumen constante. En la realidad, la combustión requiere un cierto tiempo; por ello si se iniciase en el PMS, se verificaría mientras el pistón se aleja del mismo y el valor de la presión resultaría inferior al teórico con la correspondiente perdida de trabajo útil. Es necesario adelantar el encendido para que la mayor parte de la combustión se realice con el pistón en las proximidades del PMS. Esto produce un redondeamiento de la línea de combustión y la consiguiente pérdida representada en la figura por la superficie “B”
Apertura de la válvula de escape
La sustracción de calor no es instantánea, como suponía el ciclo teórico sino que por el contrario, requiere un cierto tiempo relativamente largo; por ello la válvula de evacuación debe abrirse antes del PMI (adelanto a la evacuación) para dar tiempo a que una parte de los gases salgan del cilindro antes de encontrarse en pistón en el PMI. Ello lleva consigo la perdida de trabajo útil representada por el área (C) en la figura.
Resistencia del sistema a la evacuación
En la fase de evacuación, la resistencia ofrecida por los conductos aumenta la presión de los gases a su salida del cilindro; además, como el movimiento del pistón no es uniforme, se producen oscilaciones de presión en el cilindro y el escape, que dan lugar a que la línea de evacuación tome la forma de una curva ondulatoria cuya mayor parte está por encima de la presión atmosférica.
Resistencia del sistema de admisión
La resistencia de los conductos de admisión reduce la presión del fluido que se admite en el cilindro, dando lugar también a que la línea de admisión tome una línea ondulatoria en su mayor parte por debajo de la línea de la presión atmosférica. Como consecuencia de lo anterior, ambas líneas de admisión y evacuación en el ciclo real encierran una superficie (D) que representa el trabajo negativo efectuado por el motor para llenar el cilindro de aire fresco o mezcla y expulsar los gases de la combustión. A esta pérdida se le denomina “PERDIDA POR BOMBEO”.
Se representan mediante el Diagrama Circular de Distribución.
5º)Descripción de combustión en los MCI
La combustión es una reacción química en la que un oxidante reacciona rápidamente con un combustible liberando como energía térmica la energía almacenada, generalmente en forma de gases a alta temperatura. También se produce una pequeña cantidad de energía electromagnética (luz), energía eléctrica (iones libres) y energía mecánica (ruido). Excepto para aplicaciones muy especiales, el oxidante en la combustión es siempre el oxígeno contenido en el aire atmosférico.
Tipos de combustión:
-Con la combustión completa de los hidrocarburos, todo el hidrógeno y el carbono presentes en el combustible se oxidan para formar H2O y CO2. Generalmente, para alcanzar la combustión completa debe suministrarse un exceso de aire o de oxígeno por encima de la cantidad teórica necesaria para oxidar dicho combustible.
-La combustión incompleta se produce cuando un elemento combustible no se oxida completamente durante la combustión. Las condiciones que provocan la combustión incompleta incluyen:
-aire insuficiente o mezcla insuficiente
-suministro de aire insuficiente en la llama
-insuficiente tiempo de residencia de los reactivos en la llama
-choque o contacto de la llama con una superficie fría
-temperatura de la llama demasiado baja
La combustión incompleta aprovecha ineficazmente el combustible, puede producir compuestos peligrosos como el monóxido de carbono y contribuye a la contaminación del aire.
-En la combustión estequiométrica de un hidrocarburo, el combustible reacciona con la cantidad exacta de oxígeno requerido para oxidar todo el carbono, el hidrógeno y el azufre en el combustible, formando CO2, H2O, y SO2. Por lo tanto, el gas de escape de la combustión estequiométrica no contiene componentes del combustible sin reaccionar ni oxígeno que no haya intervenido en la reacción. La combustión estequiométrica es difícil de realizar en la práctica, ya que la mezcla y las tasas de reacción son finitas.
6º)Combustión en los Motores de Explosión
Combustión Normal en los Motores de Explosión
Cuando salta la chispa entre los electrodos de la bujía, se forma alrededor de ésta el foco inicial y desde éste se propaga a toda la masa según un frente de llama.
Cuando progresa y se va completando la combustión, la presión aumenta de forma rápida pero gradual.
EN GENERAL, LA VELOCIDAD O LA TASA DE COMBUSTION DEL COMBUSTIBLE DEPENDE DE:
-La velocidad de la reacción química de los elementos constituyentes del combustible con el oxígeno.
-La velocidad con el que el oxígeno es suministrado al combustible (la mezcla de aire y combustible)
-la temperatura en la zona de la combustión.
-La velocidad de la reacción es determinada para cada combustible. Incrementando el nivel de mezcla o la temperatura se aumenta la velocidad de la reacción.
Combustión Anormal en Motores de Explosión
-Encendido superficial: Producido por puntos calientes y que puede producirse antes de la chispa (preencendido) o después de la chispa (postencendido)
-Autoencendido: A partir de ciertas temperaturas (315 ºC) y durante la fase de compresión se empiezan a formar compuestos inestables (peróxidos de hidrógeno H2O2) que provocan una combustión incontrolada, con aumento de la temperatura y desplazamiento de los gases desde la zona de detonación hacia el centro de la cámara de combustión, donde chocan estos gases con los que provienen de la combustión normal, produciendo incrementos de la presión y turbulencias que disminuyen el rendimiento.
7º)Combustión en los Motores Diesel
COMBUSITON NORMAL:
Desde que se inyecta la primera partícula de combustible en el aire, se enciende, elevándose la presión de acuerdo con el régimen de velocidad del motor y el diseño del mismo.
FASES DE LA COMBUSTION
FASE 1
Retardo en la inyección
La inyección de combustible no comienza inmediatamente cuando el empujador de la bomba empieza a subir, ya que existe un cierto retardo causado por la compresibilidad del combustible y por la expansión del tubo de inyección. Las tuberías de inyección se expanden por lo que habrá que enviar una cierta cantidad de combustible para compensar estos factores. El calado de la bomba deberá tener en cuenta estos factores.
FASE 2
Periodo de combustión incontrolada
Periodo de combustión incontrolada que se produce durante un corto periodo de tiempo (5 a 10 grados). Inicialmente se libera una considerable cantidad de calor. Esto ocasiona un conjunto de violentas reacciones químicas en la mezcla aire vapor de combustible que se ha formado durante la primera fase. Entre el 40 y el 70% de la energía disponible en el combustible se libera durante esta fase.
FASE 3
Periodo de combustión controlada
Lento aumento de la presión y por el final del proceso de la inyección. El aumento de la presión se reduce como consecuencia del descenso del émbolo y del consiguiente aumento del volumen en el cilindro.
El tiempo disponible para la combustión es relativamente corto en el caso de los motores rápidos de carrera corta, y es mucho mayor en el caso de los motores lentos y de carrera larga.
Es necesario que la combustión en un motor de combustión interna se produzca en un corto espacio de tiempo, habiendo cinco requisitos esenciales que aseguran esto:
1)Una correcta relación aire/combustible
2)Atomización
3)La introducción de muy pequeñas gotas atomizadas y mezcladas con el aire
4)Regulación del inicio de la inyección
)Temperatura de la compresión
-COMBUSTION ANORMALES
:
Picado. Combustión brusca del combustible acumulado en la cámara de combustión durante el retardo al encendido.
8º)Para qué y en qué tipo de combustibles se utiliza el índice de octano y el número de cetano
Indice de Octano
Expresa la capacidad antidetonante de las gasolinas por comparación con mezclas de isoctano (100) y heptano (0) en el motor normalizado de la Cooperative Fuel Research Committe (Motor CFR)
Se aumenta con aditivos antidetonantes.
Técnicamente existen tres diferentes «números de octano» asociados con cada gasolina.
-El RON (Research Octane Number) que es medido bajo condiciones de prueba.
-El MON (Motor Octane Number) medido en condiciones de mayor temperatura y velocidad.
-El valor que relaciona a ambos para dar un panorama más cercano a las condiciones de manejo es el promedio de los dos valores:
Road Octane Number = (RON + MON)/2.
Número de Cetano
Representa un índice de la capacidad de inflamación del combustible. Se define como el porcentaje en volumen de cetano (una parafina a la que se asigna grado 100) en una mezcla con alfa-metilnaftaleno (valor 0), que ofrece el mismo retraso de encendido que el combustible en cuestión. Cuanto más alto sea el número de cetano, más bajo es el retraso de encendido, lo que beneficia el rendimiento del motor.
9º)Ciclo Sabathé o ciclo mixto, dibujar en P-v, definir las transformaciones termodinámicas que se efectúan en el mismo.
Ciclo Sabathé o ciclo mixto
Se establece una nueva relación, llamada relación de explosión o relación de presiones a V cte.
Las transformaciones termodinámicas que se efectúan durante el ciclo Diesel, son las siguientes:
1-2 Compresión adiabática del gas P*V^y=cte
2-3 Adición instantánea del calor Q´1 a volumen constante
3-4 Adición instantánea del calor Q´´1 a presión constante
4-5 Expansión adiabática del gas P*V^y=cte
5-1 Cesión instantánea del calor Q2 a volumen constante
10º)Diagráma real o indicado, utilidades
Utilidades del diagrama real o indicado
Midiendo la superficie se obtiene el trabajo desarrollado por el ciclo.
La presión media indicada con la cual, y otros datos constructivos del motor podremos conocer la potencia indicada, es decir la desarrollada por el cilindro.
Como la forma del diagrama se obtiene directamente mediante un indicador en un motor en funcionamiento, estas dependen del modo de cómo se realicen las transformaciones en el mismo. Del estudio de este diagrama y sus irregularidades pueden deducirse los defectos en el funcionamiento del motor y aplicar así las correcciones que sean necesarias.
11º)Describir los Combustibles Renovables, Biomasa, Bioetanol y Biodiesel
Biomasa
Se denomina biomasa a todo aquel combustible renovable de origen animal o vegetal, lo que incluye el aprovechamiento de residuos forestales o residuos agrícolas.
También los cultivos que dedican su producción exclusivamente a la generación de combustible y los gases procedentes de la descomposición de materia orgánica son considerados biomasa.
La biomasa es toda sustancia orgánica renovable de origen tanto animal como vegetal.
La energía de la biomasa proviene de la energía que almacenan los seres vivos.
En primer lugar, los vegetales al realizar la fotosíntesis, utilizan la energía del sol para formar sustancias orgánicas.
Después los animales incorporan y transforman esa energía al alimentarse de las plantas.
Los productos de dicha transformación, que se consideran residuos, pueden ser utilizados como recurso energético.
Desde principios de la historia de la humanidad, la biomasa ha sido una fuente energética esencial para el hombre. Con la llegada de los combustibles fósiles, este recurso energético perdió importancia en el mundo industrial.
Básicamente el proceso se inicia con la refinación del aceite vegetal, ya que normalmente es necesario reducir los contenidos de agua y ácidos grasos, a posteriori este aceite debe ser esterificado mediante su reacción con alcohol metílico o etílico (metanol o etanol) en presencia de un catalizador (hidróxido de potasio KOH, sosa cáustica) obteniéndose el éster correspondiente y dos coproductos, la glicerina y residuos de potasio que se pueden utilizar como
El proceso químico es relativamente sencillo, sin embargo, para producir un biodiesel de calidad deben optimizarse las variables del proceso, tales como el exceso y catálisis del metanol, la desactivación del catalizador, la agitación, la temperatura, entre otras.
COMBUSTIBLE
Combustible es cualquier materia capaz de liberar energía cuando su estructura física o química es cambiada o transformada.
Supone la liberación de una energía de su forma potencial a una forma utilizable.
Los combustibles industriales
Los combustibles comerciales se pueden clasificar en:
Naturales o primarios
Artificiales o secundarios
Combustibles especiales
Combustibles Naturales o primarios
-Sólidos: Carbón, madera, biomasa; muchos metales (caro, sólo para destellos); uranio (en sentido amplio).
-Líquidos: petróleo y sus derivados (gasolina, gasóleo, fuel óleo).
-Gases: gas natural, gases licuados del petróleo
Combustibles Fósiles
Término general para designar los depósitos geológicos de materiales orgánicos combustibles que se encuentran enterrados y que se formaron por la descomposición de plantas y animales que fueron posteriormente convertidos en petróleo crudo, carbón, gas natural o aceites pesados al estar sometidos al calor y presión de la corteza terrestre durante cientos de millones de años.
Los combustibles fósiles se han formado naturalmente, a través de complejos procesos biogeoquímicos a partir de organismos vegetales y antiguas comunidades planctónicas que poblaron la Tierra hace millones de años. La provisión de recursos de combustibles fósiles es limitada y no puede regenerarse.
Los combustibles fósiles constituyen un recurso natural no renovable.
A nivel ambiental, su uso presenta muchas ventajas, ya que permite aprovechar los residuos forestales, urbanos o agrícolas. Se están llevando a cabo diversos proyectos de investigación y desarrollo con el fin de perfeccionar los procedimientos de su obtención, gracias a los cuales se podrán obtener rendimientos energéticos y ambientales considerables.
Bioetanol
El etanol puede producirse a partir de un gran número de plantas, con una variación según el producto agrícola del rendimiento entre el combustible consumido y el generado en dicho proceso.
Este etanol, conocido como bioetanol, está sujeto a una fuerte polémica: para unos se perfila como un recurso energético potencialmente sostenible que puede ofrecer ventajas medioambientales y económicas a largo plazo en contraposición a los combustibles fósiles, mientras que para otros es el responsable de grandes deforestaciones y del aumento del precio de los alimentos, al suplantar selvas y terrenos agrícolas para su producción, dudando además de su rentabilidad energética.
El etanol se obtiene fácilmente del azúcar o del almidón en cosechas de maíz y cañas de azúcar entre otros.
Sin embargo, los actuales métodos de producción de bio-etanol utilizan una cantidad significativa de energía en comparación con la energía obtenida del combustible producido.
Por esta razón, no es posible sustituir enteramente el consumo actual de combustibles fósiles por bio-etanol
Biodiésel
El biodiesel es un combustible que se obtiene de triglicéridos es decir; lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo, a los cuales se les aplica una serie de procesos industriales.
El producto obtenido es muy similar al gasóleo obtenido del petróleo; también llamado petrodiésel y puede usarse en motores de ciclo diesel convencionales sin cambios de consideración ya que solamente, y debido a su poder diluyente, solo requieren de ser necesario el reemplazo de las mangueras de conducción del combustible por elementos no fabricados sobre base de caucho o espuma de poliuretano.
La producción de aceites vegetales puede realizarse a partir de más de 300 especies diferentes, sin embargo las condiciones edafoclimáticas (suelo y clima), rendimiento, contenido en aceite y la necesidad de mecanizar la producción, limitan actualmente el potencial de obtención de aceites vegetales a unas pocas especies, dentro de las cuales la palma, la colza, el girasol y la soja son las más utilizadas.
Combustibles naturales sólidos
Carbón
El carbón o carbón de piedra se formó a partir de material vegetal. En algunos casos se pueden distinguir vetas de madera o improntas de hojas que permiten reconocer su origen.
El carbón es una roca sedimentaria utilizada como combustible fósil, de color negro, muy rico en carbono. Suele localizarse bajo una capa de pizarra y sobre una capa de arena y arcilla.
El carbón se origina por descomposición de vegetales terrestres acumulados en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de poca profundidad. Los vegetales muertos se han acumulado en el fondo de una cuenca quedando cubiertos de agua y, por lo tanto, protegidos del aire que los destruiría. Con el tiempo se produce un progresivo enriquecimiento en carbono. Posteriormente pueden cubrirse con depósitos arcillosos, lo que contribuye al mantenimiento del ambiente anaerobio, adecuado para el proceso de carbonificación.
Uranio
El uranio es un elemento químico metálico de color plateado-grisáceo, su símbolo químico es U.
El Uranio tiene el mayor peso atómico de entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza.
El Uranio es aproximadamente un 70% más denso que el plomo, aunque menos denso que el oro.
En la naturaleza se presenta en muy bajas concentraciones en rocas, tierras, agua y los seres vivos.
Para su uso el Uranio debe ser extraído y concentrado a partir de minerales que lo contienen, las rocas son tratadas químicamente para separar el uranio, convirtiéndolo en compuestos químicos de uranio.
Petróleo
Liquido natural oleaginoso e inflamable, constituido por hidrocarburos de composición diversa y en proporciones muy variables según el yacimiento de origen.
El petróleo se formó principalmente del plancton. Con frecuencia el petróleo se encuentra junto con depósitos de gas natural, originado en el mismo proceso de formación.
El transporte representa la mayor demanda de crudo, seguida de la calefacción y la generación de energía. Además, las industrias de plásticos, productos farmacéuticos y fibra sintética dependen del crudo para fabricar materias primas para su producción.
Combustibles naturales gaseosos
Gas Natural
El Gas Natural es un combustible que permite satisfacer las necesidades térmicas de los ambientes de manera sencilla por la red de abastecimiento que la provee. Se obtiene directamente de yacimientos naturales, por lo general siempre está asociado a los yacimientos petrolíferos.
Se extrae directo para su distribución y consumo, transportándose a través de gasoductos a lo largo de grandes distancias. Su combustión no genera residuos sólidos, aunque si vapor de agua y una emisión de gases que debe ser controlada.
Entre sus ventajas destacamos su mayor intensidad de abastecimiento, permitiendo el uso en forma simultánea de la cantidad de aparatos que se necesite, con el máximo rendimiento pues proporciona toda su potencia desde el momento de encendido.
Comparando con otros combustibles, no emite azufre (SO2) a la atmósfera, elemento responsable de la lluvia ácida.
Esencialmente está compuesto de metano; que es mucho más ligero que el aire. Por ser el gas natural más ligero que el aire, al escaparse tiende a elevarse y se disipa en la atmósfera, disminuyendo el riesgo en su uso.
El gas natural en su estado natural no tiene color ni olor, por ello se le adiciona un odorante, con la finalidad de otorgar ese olor característico y penetrante que anuncia su presencia; esto previene de acumulaciones de gas que podrían provocar explosiones e incendios si no es detectado oportunamente.
BIOCOMBUSTIBLES
Ventajas
Disminución de las emisiones de CO2
Aunque para el aprovechamiento energético de esta fuente renovable tengamos que proceder a una combustión, y el resultado de la misma sea agua y CO2, la cantidad de este gas causante del efecto invernadero, se puede considerar que es la misma cantidad que fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, que no supone un incremento de este gas a la atmósfera.
No emite contaminantes sulforados o nitrogenados, ni apenas partículas sólidas.
Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa, esto se traduce en un reciclaje y disminución de residuos. Canaliza por tanto, los excedentes agrícolas alimentarios, permitiendo el aprovechamiento de las tierras de retirada.
Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentariosen el mercado de alimentos. Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrícola.
Permite la introducción de cultivos de gran valor rotacional frente a monocultivos cerealistas.
Puede provocar un aumento económico en el medio rural.
Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.
En la actualidad la tecnología aplicada a la biomasa está sufriendo un gran desarrollo.
La investigación se está centrando en los siguientes puntos:
En el aumento del rendimiento energético de este recurso
En minimizar los efectos negativos ambientales de los residuos aprovechados y de las propias aplicaciones
En aumentar la competitividad en el mercado de los productos
En posibilitar nuevas aplicaciones de gran interés como los biocombustibles
Inconvenientes
Tiene un mayor coste de producción frente a la energía que proviene de los combustibles fósiles.
Menor rendimiento energético de los combustibles derivados de la biomasa en comparación con los combustibles fósiles.
Producción estacional.
La materia prima es de baja densidad energética lo que quiere decir que ocupa mucho volumen y por lo tanto puede tener problemas de transporte y almacenamiento.
Propiedades de los combustibles
Densidad (Precio del combustible) Kg/m3
Color
Viscosidad (Fundamental para la atomización)
Punto de congelación (punto de fluidez critica, trasiego)
Punto de inflamación (seguridad)
Punto de combustión (tª inicio gasificación para una combustión continuada)
Punto de encendido (en diesel, tª a la que en presencia de una llama se enciende)
Características de destilación( depende del punto de extracción)
Poder calorífico (calor generado por la unidad de masa del combustible)
Contenido en azufre, vanadio, sodio, silicio, aluminio, hierro, fósforo, plomo, calcio (productos perjudiciales)
Contenido en cenizas
Calidad de ignición (Numero de cetano, etc.)
Contenido en agua
Sedimentos.
Densidad
La densidad de una sustancia, es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen.
La densidad es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo.
Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3).
Viscosidad
La viscosidad es la medida de la fluidez a determinadas temperaturas.
Como medida de la fricción interna actúa como resistencia contra la modificación de la posición de las moléculas al actuar sobre ellas una tensión de cizallamiento.
La viscosidad es una propiedad que depende de la presión y la temperatura.
La viscosidad es una medida de la resistencia interna al flujo, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. También puede definirse como la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. La viscosidad es una característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.
Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales.
Efecto de la temperatura sobre la viscosidad:
En caso de los líquidos la viscosidad disminuye invariablemente de manera marcada al elevarse la temperatura.
Al aumentar la temperatura del crudo se disminuye su viscosidad debido al incremento de la velocidad de las moléculas y, por ende, tanto la disminución de su fuerza de cohesión como también la disminución de la resistencia molecular interna al desplazamiento.
Efecto de la presión sobre la viscosidad:
El efecto de la presión mecánica aumenta la viscosidad.
Si el incremento de presión se efectúa por medios mecánicos, sin adición de gas, el aumento de presión resulta en un aumento de la viscosidad.
Este comportamiento obedece a que está disminuyendo la distancia entre moléculas y en consecuencia, se está aumentando la resistencia de las moléculas a desplazarse.
Efecto de la densidad sobre la viscosidad:
Se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.
La densidad de un cuerpo esta relacionado con su flotabilidad, una sustancia flotara sobre otra si su densidad es menor.
Mientras más denso sea el fluido, mayor será su viscosidad.
¿Cómo influyen estas propiedades en el funcionamiento del motor?
Punto de congelación. (Tanques y tuberías)
- Temperatura de los tanques
- Trasiegos
- Filtros
- “Filtrabilidad” (Tanques y filtros)
- Filtros necesarios
- Caudal de combustible
- Agua y sedimentos (Filtros, bombas)
- Combustión
- Atascamiento de los filtros
- Desgaste de bombas
- Desgaste de inyectores y toberas
- Formación de lodos en tanques y conductos
- Estabilidad del combustible (Tanques, filtros, bomba, inyectores)
- Atascamiento de inyectores
- Agarrotamiento de inyectores
- Depósitos en las bombas
- Atascamiento de filtros
- Deterioro en el almacenaje
- Viscosidad (Bomba, inyector, chorro de combustible)
- Calidad de la atomización
- Lubricación y desgastes en los equipos de inyección
Densidad
- Poder calorífico
- Potencia
- Economía de combustible
- Humos
- Características de destilación (Vaporización)
- Humos en el escape y olor característico
- Limpieza del motor y conductos de exhaustación
- Arranque en frío
- Calidad de la ignición (Combustión)
- Arranque en frío
- Fallos en encendido
- Ruidos
- Humos
- Azufre
- Desgaste de cilindros y aros
- Depósitos en el motor
- Emisiones de partículas contaminantes
El Verdadero Rendimiento Térmico
Cuando se habla de rendimiento generalmente se simplifica relacionando la energía útil y la energía del combustible suministrado.
Sin embargo, debería tenerse en cuenta la energía necesaria para obtener el combustible, transportarlo y procesarlo para convertirlo en combustible comercialmente válido.
nt=next*nc*ng
Por lo tanto el concepto de rendimiento total vendría dado por:
RENDIMIENTO TOTAL:
Donde:
ηt = Rendimiento total
ηext= Rendimiento de extracción y transporte
ηc= Rendimiento de la conversión a combustible industrial
ηg= Rendimiento global de la máquina.
Estabilidad
Los fueloils se producen de una amplia variedad de crudos diferentes y en unos procesos de refinación también muy variados.
Cuando se producen los combustibles se suelen analizar para comprobar su estabilidad, empleando la norma ISO 10307-1 y la ISO 10307-2. Si fuese necesario mezclar dos combustibles diferentes, se debe tener en cuenta que la mezcla de dos combustibles estables puede generar una mezcla final totalmente inestable.
Para conseguir una mezcla estable sería necesario emplear equipos de mezcla y homogeneización adecuados.
En ningún caso debería realizarse la mezcla , ya que en la mayor parte de los casos podríamos encontrarnos con que la mezcla no será homogénea y muy frecuentemente tampoco será estable.
Sodio y Vanadio
Vanadio
El vanadio está presente en los combustibles en compuestos solubles que no pueden ser fácilmente extraídos. Un alto contenido en vanadio, en combinación con el sodio puede generar corrosión en las válvulas y depósitos en las turbosoplantes, especialmente si la proporción vanadio/sodio en peso es de aproximadamente 3.
La proporción en peso se considera menos importante cuando el contenido en vanadio es menor de 150 mg/kg.
El problema se genera por la baja temperatura de fusión y adherencia de las cenizas (vanadatos de sodio) cuando la proporción V2O5/Na2 O está en valores próximos a 3.
Sodio
El sodio puede estar presente en los combustibles como consecuencia de la contaminación por agua de mar o, en algunos casos como consecuencia del procedimiento en la refinería. El sodio en el combustible puede eliminarse mediante la centrifugación.
COMBUSTION
La combustión es una reacción química en la que un oxidante reacciona rápidamente con un combustible liberando como energía térmica la energía almacenada, generalmente en forma de gases a alta temperatura. También se produce una pequeña cantidad de energía electromagnética (luz), energía eléctrica (iones libres) y energía mecánica (ruido). Excepto para aplicaciones muy especiales, el oxidante en la combustión es siempre el oxígeno contenido en el aire atmosférico.
Tipos de combustión:
Con la combustión completa de los hidrocarburos, todo el hidrógeno y el carbono presentes en el combustible se oxidan para formar H2O y CO2. Generalmente, para alcanzar la combustión completa debe suministrarse un exceso de aire o de oxígeno por encima de la cantidad teórica necesaria para oxidar dicho combustible.
La combustión incompleta se produce cuando un elemento combustible no se oxida completamente durante la combustión. Las condiciones que provocan la combustión incompleta incluyen:
aire insuficiente o mezcla insuficiente
suministro de aire insuficiente en la llama
insuficiente tiempo de residencia de los reactivos en la llama
choque o contacto de la llama con una superficie fría
temperatura de la llama demasiado baja
La combustión incompleta aprovecha ineficazmente el combustible, puede producir compuestos peligrosos como el monóxido de carbono y contribuye a la contaminación del aire.
En la combustión estequiométrica de un hidrocarburo, el combustible reacciona con la cantidad exacta de oxígeno requerido para oxidar todo el carbono, el hidrógeno y el azufre en el combustible, formando CO2, H2O, y SO2. Por lo tanto, el gas de escape de la combustión estequiométrica no contiene componentes del combustible sin reaccionar ni oxígeno que no haya intervenido en la reacción. La combustión estequiométrica es difícil de realizar en la práctica, ya que la mezcla y las tasas de reacción son finitas.
Combustibles y Gases Generados
Los combustibles hidrocarburos convencionales contienen principalmente carbono e hidrógeno, en forma elemental o formando compuestos más o menos complejos. Su combustión completa produce principalmente dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O); por otra parte puede formarse pequeñas cantidades de monóxido de carbono y otros gases generados por la reacción parcial o incompleta (gases, líquidos o aerosoles sólidos).
La mayoría de los combustibles convencionales contienen también pequeñas cantidades de azufre, que se oxida durante la combustión formando dióxido de azufre (SO2) o trióxido de azufre (SO3) y substancias no combustibles tales como cenizas y gases inertes.
El gas de combustión es el producto de la combustión completa o incompleta, incluyendo el exceso de aire introducido (si existe).
Reacciones de la Combustión
La reacción del oxígeno con los elementos y compuestos del combustible se produce de acuerdo con una serie de principios químicos fijos:
Las ecuaciones de las reacciones químicas
Ley de conservación de la materia: la masa de cada uno de los elementos que reaccionan deberá ser igual a la masa de los elementos reaccionados
Ley de combinación de masas: los compuestos químicos se forman por elementos que se combinan en relaciones de masa fijas.
Tasas de reacción química. El oxígeno para la combustión se obtiene normalmente del aire, que es una mezcla física de nitrógeno, oxígeno, pequeñas cantidades de vapor de agua, dióxido de carbono y gases inertes.
Para los cálculos prácticos de las combustiones el aire seco contiene en volumen el 20.95% de oxígeno y 79.05% de gases inertes (nitrógeno, argón, y otros) o el 23.15% de oxígeno y el 76.85% de gases inertes en peso. Para propósitos de cálculo se asume que el nitrógeno permanece inalterable durante la combustión (aunque realmente se forman pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno)
Temperatura de Ignición
La temperatura de ignición o de encendido es la mínima temperatura en la que la combustión genera calor más rápidamente que el que se disipa por los alrededores, haciendo que se produzca la auto propagación. La mezcla aire combustible no reaccionará libre y continuamente por debajo de esta temperatura de ignición, salvo que se le aporte calor, aunque la reacción química entre el combustible y el comburente puede continuar en las llamadas reacciones prellama. Hay un gran número de factores que intervienen en esta temperatura de encendido.
Poder Calorífico
La combustión produce energía térmica o calor. La cantidad de calor generada por la combustión completa de la unidad de masa de combustible es constante y se denomina poder calorífico o calor de combustión de un combustible. El poder calorífico de un combustible puede determinarse midiendo el calor generado en la combustión de una cantidad conocida de combustible en un calorímetro, o puede estimarse del análisis químico del combustible y de los poderes caloríficos de los elementos químicos que constituyan el combustible.
El poder calorífico superior incluye el calor latente de vaporización y se determina dejando que los elementos que han reaccionado en el calorímetro vuelvan a las condiciones normales.
El poder calorífico inferior se obtiene cuando no se incluye el calor latente de vaporización. Cuando no se especifica si el poder calorífico es el superior o el inferior generalmente se refiere al poder calorífico superior (En EE.UU.)
El poder calorífico inferior es el que se emplea principalmente en el caso de los combustibles para los motores de combustión interna
En el caso de la combustión incompleta no todo el combustible se oxida completamente y por ello el color producido es menor que el poder calorífico del combustible.
Por otra parte, no todo el calor que se produce durante la combustión puede ser aprovechado. La pérdida mayor de energía térmica es la que se llevan los gases de escape, cuya temperatura está por encima del aire y combustible de entrada.
RETARDO AL ENCENDIDO
La duración de este periodo se estima que es fija, independientemente de la velocidad a la que gira el motor, y depende principalmente de la estructura química del combustible. Básicamente este periodo depende del número de enlaces moleculares que deberán romperse para conseguir que existan átomos de carbono e hidrógeno capaces de reaccionar. Cuanto más larga y más compleja sea la cadena molecular mayor será la cantidad de energía necesaria para liberar estos átomos y mayor será el periodo de retardo al encendido. Como los combustibles residuales modernos son el resultado de mezclas complejas de residuos de crudos de muy diversas procedencias y obtenidos de formas muy diferentes, existirán estructuras muy complejas y la calidad de ignición puede variar notablemente entre varios combustible del mismo grado.
Formalmente se ha empleado el número de Cetano como un índice de calidad de la ignición, pero teniendo en cuenta que el cetano es un combustible simple, la relación entre éste y la calidad de ignición no es muy realista. Actualmente se emplean para definir la calidad de ignición de los combustibles otros índices como por ejemplo el CCAI (Calculated Carbon Aromaticity Index)
C.C.A.I Y C.C.I
Para los combustibles residuales existen dos formulas empíricas aceptadas, estando basadas ambas en la densidad y la viscosidad del combustible. El índice calculado de ignición (CII) da unos valores para los combustibles residuales del mismo orden que el número de cetano para los combustibles destilados, mientras que el CCAI da números para el rango de 800 a 880. De las dos ecuaciones los valores del CCAI son los que se emplean más frecuentemente.
La viscosidad y la densidad de un combustible se emplean para calcular el valor del Calculated Carbon Aromaticity Index (CCAI), que permiten clasificarlos por su calidad de ignición.
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RETARDO AL ENCENDIDO
-Temperatura de la carga
-Presión de la carga
-Grado de atomización
-Velocidad del motor
-Calidad de encendido del combustible
Ciclos
Un diagrama se puede dibujar en cualquier par de propiedades:
-P-V (permite conocer el trabajo neto del ciclo: W = ∫ pdV
-T-S (nos representa el calor neto del ciclo; 2ª Ley de la Termodinámica que establece que: ds ³dQ/T à Q = ∫ Tds
Si puede convertirse algo de calor en trabajo tenemos un motor.
Tipos de ciclo:
-De carga premezclada – Ciclo Otto (Beau de Rochas), gasolina, ignición por bujía, motor de explosión, de encendido provocado.
-De carga no premezclada o motor de carga estratificada (de ignición por compresión o Ciclo Diesel y ciclo Sabathé)
-Turbinas de gas – Ciclo Brayton
Diferencia entre ciclo ideal, teórico y real.
El Ciclo ideal es un ciclo cerrado, en el que evoluciona un gas ideal y se asumen todas las simplificaciones posibles.
Ciclo Teorico de aire
Se supone que no hay cambios en las propiedades (cp, cv, γ …) debidos a cambios en la composición, temperatura…
Ciclos cuasireales que consideran la mezcla aire-combustible que se comprime, quema, expansiona,… con los correspondientes cambios en sus propiedades termodinámicas.
El ciclo real, que se obtiene directamente del motor.
Comparación de los rendimientos de los tres ciclos de los MCI alternativos
A igualdad de calor aportado, e igualdad de relación de compresión, el ciclo Otto es el de mayor rendimiento térmico, seguido del ciclo mixto y el “peor” sería el Diesel.
De ello se deduce que, con estas condiciones, cuanto mayor sea la cantidad de calor aportado a volumen constante, mayor será el rendimiento térmico.
Por el contrario… Si se mantiene el valor de la presión máxima y se mantiene el calor añadido al ciclo, se deberá variar la relación de compresión, con lo que el rendimiento térmico será mayor en el diesel, algo más bajo obtendremos con el ciclo mixto y finalmente, el más bajo será el del ciclo Otto.