ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA CONVERSIÓN DE GRUPOS DIESEL AL GAS NATURAL

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1 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA CONVERSIÓN DE GRUPOS DIESEL AL GAS NATURAL Ing. Percy Castillo Neira PRESENTACIÓN La conversión de la energía química almacenada por la naturaleza en los combustibles fósiles involucra una primera transformación en energía térmica, al producirse la reacción de combustión. El calor contenido en los gases de combustión debe traducirse en energía mecánica en forma de movimiento de un eje que permita a su vez accionar automotores o generar energía eléctrica en un alternador. Los motores de combustión interna efectúan este trabajo utilizando diversos diseños y accionamientos mecánicos, para los cuales resultará muy conveniente la menor presencia posible de impurezas, por lo cual la disponibilidad de gas natural representa una oportunidad económica y ecológica ineludible en este campo. La conversión de motores del ciclo Otto no representa mayor problema técnico porque el gas natural resulta equivalente a una gasolina de 125 octanos, debido a la excelente capacidad antidetonante del metano, no teniendo problemas para encender por la presencia de la chispa; en el caso de motores diesel, las dificultades técnicas son mayores, pero la conversión sigue siendo atractiva, por lo que resultará verdaderamente importante analizar tales proyectos desde el punto de vista termodinámico.

2 EL GAS NATURAL Y EL CICLO DIESEL La diferencia fundamental entre los motores gasolineros y diesel es que en el primero se comprime la mezcla combustible en el cilindro y el final de la carrera del pistón coincide con la chispa de encendido, produciéndose la explosión a volumen constante, en el Diesel se comprime solamente aire y al final de la carrera del pistón no hay chispa; la inyección del combustible se enciende al ponerse en contacto con el aire a presiones y temperaturas elevadas, siendo el Indice de Cetano el parámetro que establece la velocidad de ignición, correspondiendo al diesel un valor mayor al 55 %. La principal consecuencia de tal diferencia se traduce en la posibilidad limitada de comprimir la mezcla combustible sin que se produzca la explosión por efecto de la elevación de presión y tenperatura (10 a 1) ; en el caso del diesel, al comprimirse solamente aire incombustible, la relación de compresión es considerablemente mayor, permitiendo desarrollar mayores potencias y mejores rendimientos ( 20 a 1). Figura 1: Ciclo Diesel En la Figura 1 se muestra el funcionamiento del motor y el ciclo diesel. En el Diagrama PV se aprecia la etapa de compresión adiabática (1-2) y la que corresponde a la combustión que se puede considerar isobárica. En el Diagrama T-S se aprecia la compresión isoentrópica, elevándose correspondientemente la temperatura, y el aporte entálpico a presión constante. Si inyectamos gas natural en un motor diesel, al no haber chispa no enciende, interrumpiéndose el ciclo; la razón por la que no enciende es precisamente la característica antidetonante del metano, por constituir una molécula perfecta, dificultándose su disociación, condición previa indispensable para su encendido y reacción (Teoría Inorgánica de la Combustión).

3 Al no poder operar el motor diesel solamente con gas natural, para su conversión tiene que modificarse la concepción de diseño original; para permitir el encendido del gas debe disponerse de una fuente de ignición, existiendo dos posibilidades: Inyectar una determinada proporción de Diesel o instalar un sistema de bujías que provoque una chispa en el momento de inyección; la primera representa convertir el motor a operación mixta o dual y la segunda, convertir el motor al ciclo Otto. Para analizar ambas posibilidades, debemos tomar en cuenta la cinética de reacción, mecánica de fluidos y su termodinámica en el interior de los cilindros. CONVERSIÓN PARA OPERACIÓN MIXTA O DUAL La utilización conjunta de un diesel 2 con alto índice de Cetano y fácilmente inflamable, con Gas Natural, difícil de encender y fácil de quemar produce un ciclo termodinámico diferente en el reactor, intermedio entre el diesel y el Otto, ya que se aleja del diesel al modificarse la presión con la explosión del gas y se aleja del Otto, al modificarse el volumen con el pequeño intervalo entre la ignición del diesel y el gas. El ciclo resultante se denomina Sabathé y lo podemos apreciar en los Diagramas PV y TS de la Figura 2. Figura 2 CICLO SABATHÉ En el tramo 1-2 se produce la compresión del aire en el cilindro; las inyecciones del diesel en 2-3 y gas en 3-4 producen una evolución parcialmente isócora e isobárica, que pudiendo ser diferente a la mostrada en el diagrama PV, presentándose primero la parte isobárica y luego la explosión del gas a volumen constante. El Ciclo Sabathé, al producir un incremento del área por ensanchamiento de presión y volumen, incrementa el trabajo obtenido y permite alcanzar mejores rendimientos, como se puede apreciar en la Figura 3.

4 Figura 3 Comparación rendimientos ciclos termodinámicos Tomando en cuenta que el ciclo Otto desarrolla mayores presiones y temperaturas, a relaciones de compresión similares resulta más eficiente que el Diesel, pero como al comprimir aire la relación de compresión que se puede manejar es mayor, normalmente el rendimiento de los motores diesel es algo mayor al de los gasolineros. En la gráfica se observa que en el ciclo Sabathé, con las mismas relaciones de compresión del diesel y las condiciones de explosión del Ciclo Otto, el rendimiento resultante es mayor, lo que resulta una ventaja para la conversión de los motores diésel para operar en forma mixta con gas natural. En el diseño de los inyectores se puede y debe aprovechar la energía cinética del gas natural para favorecer la formación de llama y turbulencia en el interior del cilindro, que representa el reactor o cámara de combustión. La operación mixta tiene la desventaja de tener que disponer de instalaciones para almacenar ambos combustibles cuando se trata de automotores. CONVERSIÓN AL CICLO OTTO Podríamos considerar que resultaría suficiente reemplazar la inyección de diesel como detonador de la combustión del gas natural por una chispa generada por una bujía, similar a la de los motores gasolineros, pero la sincronización entre la inyección del GN y la chispa resulta complicada por encontrarse separados combustible y comburente. Sin descartar la posibilidad de que pueda desarrollarse un sistema que permita una ignición adecuada del gas natural por chispa en motores, podemos convertir los motores diesel al ciclo Otto, inyectando gas natural con el aire de admisión y disponiendo la incorporación de una chispa de encendido.

5 Figura 4 Motores alternativos de encendido espontáneo y por chispa Como se pudo apreciar en la Figura 3, el rendimiento de motores del ciclo Otto resulta limitado por la relación de compresión máxima admisible con combustibles líquidos con capacidad antidetonante limitada. La posibilidad de operar estos motores con gas natural, permitirá operarlos con mayores relaciones de compresión, obteniendo niveles de rendimiento similares a los obtenidos con el ciclo diesel. Los sistemas modernos de control monitorizado de inyección secuencial de combustible a cada cilindro individual (quinta generación), permitirán mantener un excelente control operativo de motores diesel convertidos al ciclo Otto para operar con gas natural. COMENTARIO FINAL La termodinámica representa el fundamento de los motores endotérmicos rotativos y alternativos. El análisis efectuado para incorporar el gas natural como combustible en motores diesel permite establecer la conveniencia de diseñar motores específicamente adecuados para operar con gas natural utilizando el ciclo Otto, con relaciones de compresión más altas que las normalmente utilizadas para combustible líquidos. En la mima forma, poder operar satisfactoriamente con gas natural, motores diesel con chispa de encendido. El desarrollo de modelos mecánicos que permitan convertir en realidad diseños termodinámicos, representa el campo de investigación aplicada con mejores posibilidades de éxito técnico, económico y ecológico.

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