Calidad de combustión con combustible fuel oil

Ingeniería Industrial. Motores de automóviles. Metodologías de cálculo. Derivados del petróleo cubanos. Motores. Emisión de gases

  • Enviado por: Adrians Esquivel Romero
  • Idioma: castellano
  • País: Cuba Cuba
  • 23 páginas

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Trabajo investigativo

Tema: Metodologías para el cálculo de la calidad de la combustión en motores Bazán utilizando como combustible fuel oil nacional.

Índice Página

RESUMEN

La falta de una verdadera metodología destinada al cálculo de los productos de la combustión con el combustible fuel oil fue una de las causas fundamentales que condujeron a la realización de este trabajo investigativo. La determinación de los gases de escape en los motores Bazán Man B&W es de gran importancia práctica debido a la zona donde está enclavada la Centra Diesel Eléctrica de Cayo Coco, la cual es una zona protegida y de un alto valor natural. En este trabajo se determinan los productos residuales de la combustión por medio de dos metodologías teóricas de cálculo, y una vía de determinación de los productos de la combustión por medio del instrumento analizador de gases QUINTOX de reciente puesta en funcionamiento en la empresa. Se determinan los productos de la combustión mediante las metodologías propuestas por Jóvaj 1987 y Tecnum 2001, las cuales trabajan los cálculos de los productos de la combustión por vías distintas. Mediante estas metodologías se determinan las cantidades de gases de escape que producen a la atmósfera estos motores de alta potencia, pudiéndose establecer un análisis estadístico con los datos reales obtenidos por medio del analizador de gases, para determinar el coeficiente de variación y la fiabilidad de los resultados, con el objetivo de determinar si hay diferencias significativas entre los resultados obtenidos para posteriormente analizar si las emisiones están dentro de los rangos establecidos por las normas internacionales para áreas turísticas y ecosistemas protegidos.

ABSTRACT

The lack of a true methodology dedicated to the calculation of the combustion products with combustible fuel oil was one of the fundamental causes that took me to carry out this investigative work. The determination of escape gases in the MAN motors is of great practical importance due to the area where it is located Cayo Coco Electric Diesel Centre, which that is a protected zone and of a high natural value. In this work the residual combustion products are determined by means of two theoretical calculation methodologies, and a way to the determination of the combustion products by means of the analyzer gas instrument QUINTOX, recently put in function in the company. The combustion products are determined by means of Jóvaj 1987 and Tecnum 2001 methodologies, which has worked the combustion calculus products for a different ways. By means of these methodologies the quantity of escape gases that they produce in the astrosphere are determined these motors of high power, being able to establish a statistical analysis with the real data obtained with the gas analyzer for they determine the variation coefficient and the reliability of the results, with the objective of determining if there is significant difference among the results it stops later on to analyze if the emissions are inside the established ranges for international norms for tourist areas and protected ecosystems.

Palabras Claves: gases de escape, combustión, metodologías de cálculo, analizador de gases.

Keywords: escape gases, combustion, calculation methodologies, gas analyzer.

INTRODUCCIÓN

Hace algunos años, puede que un trabajo como este hubiese tenido que empezar explicando la importancia de preservar el medio ambiente y justificando las razones por las que seria necesario hacerlo. Pero, la sociedad en general ha experimentado un cambio sorprendente y la conservación del medio se ha convertido en una de las prioridades en los países. Aunque ya se ha avanzado mucho, no se debe olvidar los retos que todavía quedan pendientes, y esa es la idea que nos llevo a comenzar este trabajo. Pensaba tratar algún tema relacionado con el medio ambiente y la ecología, y uno de los más preocupantes en los últimos años, a mi entender, es la contaminación.

La combustión interna del combustible en los motores se entiende como una combinación violenta, con desprendimiento de calor (reacción exotérmica) y radiación luminosa, del oxígeno del aire con el carbono, hidrógeno, azufre nitrógeno y otros compuestos (proceso de oxidación) que constituyen los elementos activos de los combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, provocando la generación de luz u otra forma de energía; además dicha combustión se efectúa en proporciones de peso bien determinadas, y son los únicos elementos que aportan calor.

Para una combustión perfecta del oxígeno con el carbono, hidrógeno, azufre, nitrógeno y demás compuestos del combustible se necesita por cada átomo de carbono dos átomos de oxígeno, formando el gas anhídrido carbónico (CO2), también se puede combinar un átomo de carbono con uno de oxígeno formando el gas monóxido de carbono (CO); este gas debe evitarse porque la combustión del carbono en forma de CO propicia las emisión de los gases de efecto invernadero. El hidrógeno se combina siempre en proporción de un átomo con dos de oxígeno formando el H2O, el azufre se combina en proporción de un átomo con dos de oxígeno formando el gas anhídrido sulfuroso (SO2); este gas es perjudicial porque al enfriarse los productos de la combustión, el agua precedente de la combustión del hidrógeno se condensa y reacciona con el SO2 formando ácido sulfúrico (H2SO4), el cual es sumamente corrosivo. El nitrógeno necesita por cada átomo dos átomos de oxígeno, formando el dióxido de nitrógeno y otros compuestos nitrogenados.

La combustión es el proceso térmico de mayor interés práctico por su escala de utilización mundial, siendo a la vez muy fácil de realizar y muy difícil de estudiar.

En este trabajo se describen los elementos fundamentales del proceso de combustión (combustibles, comburentes y productos de combustión), y se estudia el balance de materia de las reacciones químicas de combustión (estequiometría).

Los combustibles residuales (Fuel Oil) son de reciente explotación en la empresa, por medio de la instalación de una novedosa planta de control automático en el año 1999, capaz de combustionar además del conocido combustible Diesel los ya mencionados combustibles residuales, lo que hace que la instalación de esta tecnología sea económicamente rentable y factible, amortizando el consto de su inversión en un período corto de tiempo, repercutiendo significativamente en eso los bajísimos precios de los residuales con respecto al Diesel.

Para determinar la calidad de la combustión partimos del análisis físico inmediato del combustible que nos permite determinar la composición de los elementos que lo componen (método de laboratorio) y nos puede dar una idea de su comportamiento durante la combustión; pero se requiere calcular por ejemplo el aire de la combustión necesario y otros parámetros importantes para tener un punto de vista de los requerimientos teóricos de los motores, sin embargo ninguno de éstos análisis nos dirá en forma segura el comportamiento del combustible durante la combustión, es decir si el combustible tiene tendencia a aglutinarse o a formar escorias, entonces se requiere un ensayo directo del combustible.

La mayoría de los combustibles industriales son mezclas de numerosas substancias, formadas, en el caso de líquidos, y particularmente en los sólidos, por moléculas estructuralmente muy complejas. Para estos combustibles se conoce sólo el análisis elemental, de manera que es preferible desarrollar un procedimiento de cálculo general, que sirva para cualquier combustible, ya sea un gas tan simple como el metano, o un material tan heterogéneo como el carbón. Por lo que en el presente proyecto se incluyen dos metodologías teóricas de calculo aplicadas a la combustión del los motores Bazán Man B&W las cuales tratan de suplir la falta de literatura en este aspecto. Nuestro trabajo pretende poner en manos de nuestros técnicos y profesionales estas armas, que le simplifique el trabajo y que les sirvan en la lucha por la optimización del uso de los combustibles y control de su combustión; que es en fin la lucha por el aprovechamiento de nuestros recursos económicos y la lucha por el desarrollo del país.

  • MATERIALES Y MÉTODOS

  • El presente proyecto investigativo fue desarrollado en la Central Eléctrica de Cayo Coco, en el polo turístico Jardines del Rey al norte de la provincia de Ciego de Ávila (Cuba) donde existen 3 motores Bazán Man B&W de fabricación española a los cuales se les realizó un estudio sobre la calidad de su combustión con el combustible fuel oil derivado del petróleo cubano durante todo período del 2003.

    Tabla 1. Propiedades principales de algunos petróleos residuales utilizados en el mundo.

    Propiedades

    CUBA

    EUA

    RUSIA

    Ligero

    Pesado

    N° 1

    N° 2

    N° 4

    N° 5

    N° 6

    M - 40

    M - 100

    ° API (15 °C)

    16

    (mín)

    8

    (mín)

    40-44

    28-40

    15-30

    14-22

    7-22

    10-19

    10-19

    Dens. (15°C) kg/m3

    0,96

    (máx)

    1,02

    (máx)

    0,82-0,80

    0,88-0,82

    0,96-0,87

    0,97-0,92

    1,02-0,92

    0,97-1,02

    0,97-1,02

    Azuf. (máx)

    2,5

    4,0

    0,5

    1,0

    2,0

    3,0

    3,5

    2,5

    3,5

    % Agua (máx) %

    1,5

    2,0

    trazas

    trazas

    0,5

    1,0

    2,0

    Cen. (máx)

    0,1

    0,2

    trazas

    trazas

    0,1

    0,1

    0,2

    0,2

    0,2

    Visc. (50 °C)

    180

    650

    20

    24

    30

    98

    300

    97

    780

    Visc. (80°C)

    28

    80

    1,3

    1,6

    8,0

    18

    38

    18

    80

    C. Cor. (máx) %

    0,15

    0,35

    4

    7

    11

    Pto Inf. (máx) %

    62

    62

    38

    38

    53

    53

    53

    95

    65

    Tabla 2. Propiedades medias principales de algunos petróleos crudos utilizados en el mundo

    Propiedades

    Pesado

    de Arabia

    Bachenque-ro

    Minas

    Ladera

    del Norte

    Romasquino

    Varadero

    Mazatlán

    Tan Ching

    (Arabia

    Saudita)

    (Venezuela)

    (Indonesia)

    (E.U.A)

    (Rusia)

    (Cuba)

    (México)

    (China)

    °API

    (15,5°C)

    28

    17

    35

    27

    32

    10

    13

    33

    % de Azufre

    2,8

    2,4

    0,09

    1,04

    1,6

    7,8

    3,0

    0,04

    Carbono

    Conradson

    7,8

    10,5

    3

    5,0

    4,5

    12,3

    12,3

    2,7

    Viscosidad

    (40°C)

    19

    295

    26

    16

    7,4

    5600

    345

    28

    Tabla: 3. Normas que se tienen en cuenta en el análisis del combustible en la empresa

    Ensayo

    Norma

    U/M

    Valor

    Condenatorio

    Valor Calórico Superior

    ASTM D 440

    kcal/kg

    Valor Calórico Inferior

    ASTM D 240

    kcal/kg

    9500 Mínimo

    Gravedad API

    ASTM D 287-92

    ºAPI

    11 Mínimo

    Gravedad especifica 60º F

    ASTM D 1298

    0.9924 Máximo

    Agua

    ASTM D 95-83

    % v/v

    1.5 Máximo

    Azufre Total

    ASTM D 129-95

    % m/m

    3.5 Máximo

    Sedimentos

    ASTM D 95-58

    % m/m

    0.15 Máximo

    Res. Carbón Conradson

    ASTM D 189-95

    % m/m

    14 Máximo

    Cenizas

    ASTM D 482

    % m/m

    0.1 Máximo

    Viscosidad a 50 ºC

    ASTM D 445-96

    cSt

    650 Máximo

    Viscosidad a 100 ºC

    ASTM D 445-96

    cSt

    Punto de inflamación

    ASTM D 93-96

    º C

    60 Mínimo

    Vanadio

    IP 285

    ppm

    400 Máximo

    Asfáltenos

    IP 143-90

    % m/m

    2/3 CC

    Hidrógeno

    Por cálculos

    % m/m

    Carbono

    Por cálculos

    % m/m

    Los estándares de la norma Internacional ASTM, formalmente reconocida como la Sociedad Americana para Prueba y Materiales es por la que se rigen los estados americanos y sirven como base para más de 130 industrias variadas, manufactura, gestión y actividades de regulación. ASTM International, provee estándares que son aceptados y usados en investigación y desarrollo, prueba de productos, sistemas de calidad y transacciones comerciales alrededor del mundo. (http://www.astm.org)

  • Datos técnicos del motor Bazán Man B&W

  • A continuación se expone las principales características técnicas del Motor Bazán, además una descripción del diseño de los conjuntos y grupos de piezas. Se insertan también los diferentes parámetros por los que se deben regir los compañeros de explotación, a los que se debe brindar especial atención para lograr un correcta explotación del motor. Se da una panorámica de los principales defectos que estos han presentado desde su puesta en marcha en Agosto de 1999.

    Datos técnicos del motor. [Ver Anexos]

    • Fabricante: Bazán Man B&W,

    • País: España.

    • Tipo: Diesel 6L 40/45 de cuatro tiempos, estacionario, turboalimentado, y con refrigeración del aire de sobrealimentación, inyección directa, émbolos buzos refrigerados por aceite, culatas y camisas refrigeradas por agua dulce, arranque por aire comprimido.

      • Peso total del motor: 61 toneladas.

      • Potencia mecánica continua, a máxima revoluciones: 3630 Kw.

      • Número de revoluciones: 600 r.p.m

      • Presión media efectiva del embolo: 21,4 bar. (2.14 MPa)

      • Presión de encendido: 145 bar. (14.5 MPa)

      • Velocidad media del embolo: 9 m/s

      • Consumo de combustible:

    A plena carga 184,5 ± 5 % g/kwh

    A 85% de carga 181,5 ± 5 % g/kwh

    A 75% de carga 182,5 ± 5 % g/kwh

    A 50% de carga 191,3 ± 5 % g/kwh

    • Número de cilindros: 6 en línea.

    • Diámetro de los cilindros: 400 mm

    • Carrera del embolo: 450 mm.

    • Cilindrada de un cilindro: 56,55 dm'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    • Cilindrada total: 339,3 dm'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    • Relación de compresión: 12,5 bar. (12,75 kg/cm2)

    • Orden de encendido: 1-3-5-6-4-2-1

    Descripción sinóptica del equipo

    El motor es de ciclo de cuatro tiempos de simple efecto, de émbolos sumergidos, con turbosobrealimentación accionada por los gases del escape y refrigeración del aire de sobrealimentación.

  • El cárter es de fundición gris, de una sola pieza caracterizándose por su gran rigidez, con grandes aberturas laterales permitiendo un fácil acceso al mecanismo de fuerza, las tapas de los cojinetes del cigüeñal están atornilladas por la parte inferior y arriostradas lateralmente con el cárter. La bandeja de aceite es de chapas de acero, sirviendo solamente como deposito colector desde el cual el aceite fluye hacia su propio depósito. La lubricación del motor es uno de los factores más importantes para lograr el buen funcionamiento y la mayor duración del mismo. La lubricación tiene como objetivo, formar una película de aceite lubricante entre las piezas móviles del motor, con el fin de reducir su rozamiento y su temperatura.

  • Los casquillos del cojinete del cigüeñal son de acero con una delgada capa de rodadura, y el de ajuste presenta anillos axiales de rodadura.

  • Las camisas de cilindros son de fundición de hierro especial, dándole a la pestañas de la misma una fortaleza relativamente alta, el taladrado se le realizo de forma especial permitiendo que el agua que procede de una estrecha cámara anular existente en el cárter refrigere intensamente la camisa en la zona de la cámara de combustión, además estas disponen de agujeros de engrase para lubricar el deslizamiento del pistón. Estas son colocadas en la parte superior del cárter.

  • Las culatas, de fundición de hierro, están unidas al cárter mediante 8 tornillos y tuercas. En cada una de ellas aparecen incorporadas dos válvulas de admisión, dos de escape, una de inyección del combustible, y una de arranque.

  • El cigüeñal es forjado, para conseguir una buena compensación de masas en las muñequillas, presenta seis muñones de biela y siete apoyos, además está provisto de los correspondientes contrapesos, la rueda dentada de accionamiento de la distribución.

  • El amortiguador de vibraciones está diseñado como amortiguador de manguitos elásticos y se encuentra montado en el cigüeñal al lado opuesto al acoplamiento.

  • La biela está compuesta por el vástago que se une a la cabeza por cuatro tornillos de dilatación, la cabeza compuesta por dos mitades y el pie.

  • El árbol de levas está montado en un lateral del cárter, al igual que el cigüeñal se apoya en casquillos de acero con capas de rodaduras. Es accionado por el cigüeñal mediante ruedas dentadas, accionando este las bombas de inyección por medio de los empujadores de rodillo y mediante varillas de empuje los balancines y estos las válvulas de admisión y escape.

  • Las válvulas de admisión están equipadas con giraválvulas rotocap. Los anillos del asiento están montados sobre la culata al igual que las guías.

  • Las válvulas de escape están equipadas con aspas rotativas, impulsadas por la corriente de los gases de escape. Estas son montadas en cajas de válvulas refrigeradas, permitiendo esto que cada una pueda se desmontada sin tener que sacar la culata. (Manual de instrucciones para motores diesel)

  • El proceso teórico de combustión

  • La reacción de combustión se resume de la siguiente manera: Combustible + Comburente = Productos de combustión.

    La combustión de los carburantes en el cilindro del motor es un proceso químico complejo. Analicemos las reacciones químicas finales de los elementos componentes del combustible con el oxígeno del aire.

    Cuando la combustión del combustible es completa los productos de la combustión están formados por anhídrido carbónico, vapor de agua, oxígeno sobrante respectivamente. En estos casos la oxidación del carbono y hidrógeno del combustible corresponden a las ecuaciones químicas {1} y {2}. (http://www.tecnun.es/asignaturas/termo/Temas/Tema11-Combustion.pdf)

    El balance de materia de las reacciones químicas se denomina estequiometría. Siempre se plantea en moles:

    Carbono:

    carbono + oxígeno → dióxido de carbono + calor {1}

    1 kmol C + 1 kmol O2 → 2 kmol CO2

    Pesos moleculares:

    M (C) = 12 kg/kmol M (O2) = 32 kg/kmol M (CO2) = 44 kg/kmol

    12 kg C + 32 kg O2 → 44 kg CO2

    Hidrógeno:

    hidrógeno + oxígeno → vapor de agua + calor {2}

    1 kmol H2 + 0,5 kmol O2 → 1 kmol H2O

    Pesos moleculares:

    M (H2) = 2 kg/kmol M (O2) = 32 kg/kmol M (H2O) = 18 kg/kmol

    2 kg H2 + 16 kg O2 → 18 kg H2O [15]

    La reacción de combustión de una molécula de combustible requiere de varias moléculas de oxígeno, en función del número de carbonos e hidrógenos de que esté compuesta. Como se puede observar en las anteriores expresiones por cada dos hidrógenos que haya en el combustible, requieren un átomo de oxígeno, para formar una molécula de agua; y cada carbono requiere dos átomos de oxígeno, para formar una molécula de dióxido de carbono. Con esa forma, se obtiene una combustión completa. (Gómez)

  • Reacción teórica

  • Es la reacción de combustión total, pasando todo el C a CO2 y H a H2O. Es una característica del combustible, independiente del proceso de combustión posterior.

    C8H18 + a (O2 + 3,76 N2) → b CO2 + c H2O + d N2

    El ajuste de la ecuación se realiza con balances individuales (C, H, O, N,…). De esta manera, se puede deducir la ecuación química estequiométrica:

    C8H18 + 12,5 (O2 + 3,76 N2) → 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2

  • Cálculos de los productos de la combustión

  • Los cálculos desarrollados en este epígrafe fueron realizados según la metodología propuesta por Jóvaj en sus libros Motores de Automóviles y Vsórov en su libro Manual de motores Diesel para tractores. La metodología Tecnum es propuesta por el Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra y fue publicada en Internet en 2001, por lo que es una metodología muy reciente que la anterior; pero los resultados entre ellas no deben diferir en rangos significativos.

    Datos de los combustibles:

    Pesados:

    C = 85.03 %

    H = 11.28 %

    S = 2.81 %

    N = 0.58 %

    O = 0.30 %

    H2O (l) = 0.10 %

    Masa Molar:

    Aire = 28.97 kmol Agua = 18 kmol Dióxido de azufre = 64 kmol Combustible = 144 kmol

    Dioxigeno = 32 kmol Dióxido de carbono = 44 kmol Dinitrógeno = 28 kmol

    Dióxido de nitrógeno = 46 kmol Dihidrógeno = 2 kmol Monóxido de carbono = 28 kmol

    Masas atómicas

    Carbono = 12 Hidrógeno = 1 Azufre = 32 Nitrógeno = 14 Oxígeno = 16

    Condiciones Normales:

    Temperatura = 0 ºC = 273 K Volumen = 22.4 l/mol Coeficiente de exceso de aire = 1.6 Salida de los gases por la chimenea

    R Universal = 8314 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    Temperatura = 340 ºC = 613 K

    Presión = 1 Atm = 103452.825 Pa

  • Cálculo de la composición de los productos de la combustión según Jóvaj y Vsórov.

  • La menor cantidad de oxigeno 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    que se necesita suministrar desde el exterior al combustible para su completa oxidación se denomina cantidad teórica de oxígeno. Para la combustión de 1 kg de combustible se necesita la siguiente cantidad de oxígeno:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    Se llama aire teóricamente necesario a la cantidad de aire 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    que es suficiente para quemar por completo 1 kg de combustible y que está calculada según proporciones estequiométricas. En los motores de combustión interna el oxígeno necesario para la combustión se encuentra en el aire que se introduce el cilindro durante el proceso de admisión. Considerando que el contenido en masa de oxígeno en el aire es aproximadamente 23% y en volumen 21%, obtendremos respectivamente la cantidad teórica de aire necesaria para la combustión de 1 kg de combustible, en kg: (Jóvaj, Máslov 1987)

    La cantidad de aire teóricamente necesaria es: 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    = 13.949 kg

    Donde C, H, S, N y O son los contenidos en masa de estos elementos en el combustible; 0.23 es el contenido en masa de oxígeno en el aire. (Vsórov 1986)

    En esta metodología se incluyen los cálculos de la combustión del nitrógeno, la formación de anhídrido nitroso y anhídrido sulfuroso del combustible que en la metodología propuesta por Jóvaj, Vsórov y Tecnum se desprecian por el bajo contenido de nitrógeno, anhídrido nitroso y anhídrido sulfuroso que presenta 1 kg de combustible. En esta metodología también se trabaja con 1 kg de combustible por comodidad; pero en la empresa se queman diariamente de 400 a 500 kg de combustible donde los contenidos de nitrógeno, anhídrido nitroso y anhídrido sulfuroso son significativos. Los valores del nitrógeno, la formación de anhídrido nitroso y anhídrido sulfuroso fueron determinados por balanceo de ecuaciones químicas de las reacciones.

    La cantidad real de aire, que se introduce en el cilindro para quemar 1 kg de combustible es: kg

    La cantidad total de mezcla aire-combustible que va a entrar al cilindro será:

    Cantidad de combustible en kg + aire real = kg

    La combustión en los motores Diesel se opera con exceso de aire, o sea  >1 en todos los regimenes de trabajo. Partiendo de las reacciones de combustión de los elementos que forman parte del combustible, la cantidad de gases que se generan, se determinan según las fórmulas que siguen, en kilogramos de gas por kilogramo de combustible:

    Cantidad de anhídrido carbónico Cantidad de vapor de agua recalentado

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    La cantidad de oxígeno que no reacciona durante la combustión y que se encuentra en los gases de escape es: 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    La cantidad de nitrógeno que hay en los gases de escape es:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    En los motores Diesel con sobrealimentación (Bazán Man B&W) en el cálculo del O2 y el N2 el coeficiente de exceso  se multiplica por el coeficiente de barrido 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    = (1.03 - 1.04).

    Cantidad de anhídrido nitroso Cantidad de anhídrido sulfuroso

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    La cantidad total de los productos de la combustión es:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg (Vsórov 1986)

    Determinación de la cantidad de mezcla combustible y los productos de la combustión en moles. Al hacer el cálculo térmico del motor para determinar sus dimensiones principales es necesario expresar la cantidad de mezcla combustible y de los productos de la combustión en moléculas kilogramos (kmol). Para poder hacer el cálculo en kmol hay que dividir la masa de la mezcla combustible y de cada uno de los gases que componen los productos de la combustión por sus masas moleculares respectivas. (Jóvaj, Máslov 1987)

    Cantidad teórica de oxígeno: 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol

    La cantidad de aire teóricamente necesaria es:

    Al dividir 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    por la masa molecular de aire 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    =28.97, la cantidad teóricamente se expresará en kilomoles de aire por 1 kg de combustible:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol

    La cantidad real de aire, que se introduce en el cilindro para quemar 1 kg de combustible en kilomoles es: 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol

    Cantidad de mezcla aire-combustible en kilomoles que va a entrar al cilindro. En el motor Diesel la mezcla aire-combustible se forma en la cámara de combustión durante la inyección del combustible al final del proceso de compresión y en el transcurso del proceso de combustión.

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    Cantidad de kg combustible / masa molar del combustible + aire real

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol (Jóvaj, Máslov 1987)

    Las fracciones de los productos de la combustión en kilomoles serán:

    La del anhídrido carbónico La del vapor de agua recalentado

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol

    La del oxígeno La del nitrógeno

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol

    La del anhídrido nitroso La del anhídrido sulfuroso

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol (Vsórov 1986)

    Cuando el combustible arde totalmente los productos de la combustión están constituidos por anhídrido carbónico, vapor de agua, oxígeno sobrante, nitrógeno, azufre y demás compuestos que se han formado como consecuencia de la reacción química. La cantidad total de productos de la combustión (en kmol), referida a 1 kg de combustible es:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol

    La cantidad total de productos de la combustión:

    Al quemar el carburante líquido el número de moles (volumen) siempre sufre cierto incremento. Esto significa que como consecuencia de la combustión del carburante líquido adicionalmente aumenta la presión a volumen constante o bien se cumple trabajo útil suplementario a presión constante. La variación o incremento de volumen de la cantidad de moles, como resultado de la combustión será: 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kmol (Jóvaj 1987)

    La variación de volumen que se produce durante la combustión se suele apreciar por la relación, en kmol, de la cantidad de productos de la combustión 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    a la cantidad de carga fresca 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    . Esta relación se designa por medio de 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    y recibe el nombre de coeficiente teórico variación molecular de la mezcla fresca:

    Ligero:'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    (Manual del Operador KM9106 1997)

    • Condiciones reales: Gases de escape en % m/m

    Cantidad de anhídrido carbónico Cantidad de vapor de agua recalentado

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    % 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    %

    Cantidad de oxígeno Cantidad de nitrógeno

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    % 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    %

    Cantidad de anhídrido sulfuroso Cantidad de anhídrido nitroso

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    % 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    %

    La cantidad total de gases de escape producto de la combustión es:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    % (Jóvaj 1987)

  • Cálculo de la composición de los productos de la combustión según Tecnum.

  • Esta metodología fue publicada en Internet por el Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra, la cual nosotros incluimos en nuestro para comprobar los resultados de los cálculos teóricos de la metodología propuesta por lo libros consultados y esta metodología puesto que esta realiza los cálculos por una vía distinta a la propuesta por los libros y es de más reciente publicación.

    Base de cálculo: 1 kg de combustible. Reacción teórica: (en kmol). Combustible Fuel Oil pesado. Según [15]

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    Cálculo de a (oxígeno teórico): balances individuales de las especies atómicas:

    C: 0.8503/12 = b = 0.071 kmol CO2

    S: 0.0281/32 = c = 0.001 kmol SO2

    H2: 0.1128/2 + 0.001/18 = d = 0.056 kmol H2O (l)

    O2: (0,001/18) · (1/2) + a = b + c + d/2 ð a = 0.1 kmol O2

    N2: a · (79/21) = e = 0.376 kmol N2

    Luego la reacción teórica es, en kmol por 1 kg de combustible:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    Reacción real:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    Cálculo de f, g, h, i, j: balances individuales de las especies atómicas:

    C: 0.8528/12 = f + 264.99 f ð f = 0.0003 kmol CO

    ð 264.99 f = 0.071 CO2

    S: 0.0275/32 = g = 0.001 kmol SO2

    H2: 0.1128/2 + 0.1/18 = h = 0.056 kmol H2O (g)

    O2: (0.001/18) · (1/2) + (1.6) · (1.04) · (0.1) = f /2 + 264.99 f + g + h /2 + i

    ð i = 0.067 kmol O2

    N2: (1.6) · (1.04) · (0.1) · (79/21) = j = 0.626 kmol N2

    Luego la reacción real es, en kmol por 1 kg de combustible:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    (Gómez)

    Cantidad de productos de la combustión de la reacción teórica en kg:

    Cantidad de Monóxido de carbono

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    Cantidad de anhídrido carbónico Cantidad de vapor de agua recalentado

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    Cantidad de oxígeno Cantidad de nitrógeno

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    Cantidad de anhídrido sulfuroso

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    La cantidad total de los productos de la combustión es:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    kg

    • Condiciones reales: Gases de escape en % m/m

    Cantidad de anhídrido carbónico

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    Cantidad de anhídrido carbónico Cantidad de vapor de agua recalentado

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    % 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    %

    Cantidad de oxígeno Cantidad de nitrógeno

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    % 'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    %

    Cantidad de anhídrido sulfuroso

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    %

    La cantidad total de gases de escape producto de la combustión es:

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'
    % (Jóvaj, Máslov 1987)

    Estas dos metodologías de cálculo fueron reproducidas en hojas de cálculos realizadas en Microsot Excel las cuales calculan los elementos de los gases de escape importantes para determinar las emisiones de sustancias nocivas al medio ambiente. Es importante destacar que en las metodologías de cálculo consultadas no se determinan gases de escapes y en las hojas de cálculo propuestas si están detenidamente calculados en las diferentes unidades internacionales de medida.

    La relación CO2/CO se determinó en el análisis de los gases de escapes hecho en el motor número 3, donde se determinó por el método práctico las emisiones de los gases para compararlos con los resudados teóricos.

  • RESULTADOS Y DISCUSIÓN

  • Resultado de la combustión en kg y % m/m

    Productos de la combustión

    Metodología 1

    (Jóvaj)

    Metodología 2

    (Tecnum)

    Metodología 3

    (Analizador de Gases)

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    3.118 kg

    12.88 m/m

    3.106 kg

    13.03 m/m

    11.23 m/m

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    1.015 kg

    4.19 m/m

    1.016 kg

    4.26 m/m

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    2.130 kg

    8.80 m/m

    2.129 kg

    8.93 m/m

    9.51 m/m

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    17.87 kg

    73.82 m/m

    17.52 kg

    73.51 m/m

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    0.019 kg

    0.079 m/m

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    0.056 kg

    0.23 m/m

    0.056 kg

    0.24 m/m

    'Calidad de combustión con combustible fuel oil'

    24.21 kg

    100

    23.83 kg

    99.97 m/m

    20.74 m/m

    En la metodología 3 se determinaron varios parámetros del combustible pero CO2 y el O2 son los únicos comunes con las otras dos metodologías. Los restantes parámetros del combustible, comunes con las otras dos metodologías no se pudieron determinar por carencias de costosas sondas necesarias para la ello.

    Como se puede observar a simple vista no existen diferencias significativas entre los parámetros de las metodologías y eso lo demuestra el posterior análisis de varianza que realizamos. Para determinar si existían diferencias significativas se realizaron las pruebas de Duncan y Tukey en el SPSS para Windows dando como resultado diferencias no considerables.

  • CÁLCULO ECONÓMICO

  • En la Central Diesel Eléctrica de Cayo Coco, se está utilizando en la generación el combustible fuel oil nacional, debido al bajo costo de producción, transportación y la estabilidad de su suministro, lo que se hace más competitivo que las importaciones que se pudieran realizar de un fuel oil de mejor calidad, sumando a esto los costos del flete y la inestabilidad de los proveedores producto al bloqueo al que está sometido nuestro país y a los elevados precios que ha alcanzado el combustible por las crisis internacionales producidas por la guerra de Irak, lo que ha hecho que el país no pueda adquirir este producto vital para el desarrollo de la economía y el bienestar de nuestro pueblo, de ahí la estrategia del estado de garantizar la generalidad de la generación de la electricidad con crudo cubano.

    Tabla 5. Precios del fuel oil pesado en el mercado internacional y el interno de cuba

    Combustión

    Importación

    Interno de Cuba

    Ahorro por toneladas equivalentes

    Precios del fuel oil pesado en (Toneladas Equivalentes)

    $ 200 USD

    $ 180 USD

    $ 20 USD

    La Central Diesel Eléctrica de Cayo Coco presenta un consumo específico de combustible promedio de 9.28 toneladas/días. Teniendo en cuenta el ahorro por toneladas equivalentes que se muestra en la tabla anterior se llegó a la siguiente conclusión: (Jiménez 2003)

    Tabla 6. Ahorro de USD al utilizar fuel oil pesado nacional en comparación con las importaciones.

    Período

    1 día

    1 mes

    1 año

    Generación (MW)

    40

    1200

    14560

    Consumo de combustible (T. E)

    9.28

    278.4

    3377.92

    Ahorro (T. E)

    $ 185.6 USD

    $ 5568.0 USD

    $ 67558.4 USD

    CONCLUSIONES

    A lo largo del trabajo hemos desarrollado aspectos que creemos son de suma importancia tanto para la determinación de las cantidades de sustancias tóxicas emitidas a la atmósfera como para la valoración económica realizada, lo que nos ha llevado a concluir diciendo:

  • Se pudo determinar los niveles de emisiones de gases tóxicos al ambiente.

  • Se estableció la comparación de los resultados de las tres metodologías y comprobamos que no existen diferencias significativas entre sus resultados.

  • La combustión del motor con el fuel oil nacional se encuentra en los parámetros correctos de emisiones de gases.

  • El medio ambiente circundante se encuentra fuera de peligro de contaminación.

  • Existen perdidas de combustible y dinero por concepto de disminución de la carga de trabajo de los motores.

  • Es más beneficioso para la empresa y para el país consumir combustibles nacionales porque abaratan los precios del mismo.

  • BIBLIOGRAFÍA

  • Cendrowska, Teresa. (2002). ASTM - Una visión general. Extraído el 5 de Marzo, 2004, de http://www.conacyt.gob.sv/ASTMVisionGeneralRevESCyT-07-10-2002.doc.

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  • Jóvaj, M. S. (1987). Motores de Automóviles. Moscú: Editorial Mir.

  • Jóvaj, M. S. & Máslov, G.S. (1987). Motores de Automóviles (1 reimp). La Habana: Editorial Pueblo y Educación.

  • Kirillin, V. A. & Sichev, V. V. & Sheindlin, A. (1989). Termodinámica Técnica. La Habana: Editorial Mir.

  • Lorenzo, Reagudo. Agustín. & Ruíz, Jacomino. Pedro E. (2002). Manual de uso de Mezclas de Fuel Diese.

  • Manual de instrucciones para motores diesel. (1999). Motores Bazán. No. de serie: 342N-5148. Motor No: 45037. Cartagena. España.

  • Manual del Operador KM9106 (1997).

  • Manuales Técnicos. (1999). [Versión electrónica]. Central Termoeléctrica de Nuevitas.

  • Moring, Faires. Virgil. Termodinámica. Santiago de Cuba: Edición Revolucionaria.

  • Vsórov, B.A. (1986). Manual de motores Diesel para tractores. Moscú: Editorial Mir.

  • ANEXOS

    Fig. 1. Motor Bazán MAN B&W de alta potencia. Vista frontal.

    Fig. 2. Motor Bazán MAN B&W de alta potencia. Vista lateral

    .

    Fig. 3. Vista superior del motor sin las tapas de los balancines

    Fig. 4. Espárragos que sostienen las culatas de los pistones

    Fig. 5. Turboalimentador del motor Bazán MAN B&W

    Fig. 7. Pistón del motor Bazán MAN B&W

    Fig. 6. Conducto de los gases de escape