Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente ISSN: Universidad del Valle Colombia

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1 Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente ISSN: revistaeidenar@univalle.edu.co Universidad del Valle Colombia Fajardo Cuadro, Juan Gabriel; Navas, Oscar; Díaz, Andrés Análisis del desempeño de un motogenerador al usar biodiesel como combustible Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, núm. 4, 2005, pp. 4-8 Universidad del Valle Cali, Colombia Disponible en: Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

2 Reflexion Análisis del desempeño de un motogenerador al usar biodiesel como combustible * Recibido : Febrero 2006 * Aceptado: Junio 2006 Juan Gabriel Fajardo Cuadro, M.Sc. Profesor Asistente Oscar Navas, Ing. Andrés Díaz, Ing. Grupo de Investigación en Uso Racional de la Energía y Mecánica de Fluidos Aplicada EOLITO RESUMEN Los motores diesel al trabajar con biodiesel experimentan una pérdida de potencia. En este trabajo se estudiaron las características del desempeño y emisiones de un motogenerador usando diesel AGRALE M-80. PALABRAS CLAVES Biodiesel, Desempeño, Motores, Emisiones Facultad de Ingeniería «EIDENAR» Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 2 - Edición No. 4 4

3 Analisis del desempeño de un motogenerador al usar biodiesel como combustible. ABSTRACT When working with biodiesel, diesel engines present a power drop out. In the present paper we have studied the characteristics of performance, engine emissions when using a AGRALE M-80diesel motor-generator unit. KEY WORDS Biodiesel, performance, engines, emissions. 1. INTRODUCCIÓN El biodiesel se ha introducido en la industria automotriz como un combustible alternativo cuyos productos de combustión contaminan mucho menos que los combustibles convencionales; sin embargo, los motores al utilizar biodiesel experimentan una pérdida de potencia. En el presente trabajo se busca analizar el desempeño de los motores al emplear biodiesel y mezclas de biodiesel y ACPM a diferentes porcentajes. Para lograr este objetivo general se realizaron las siguientes actividades: - Instrumentación de un motogenerador - Análisis del desempeño mecánico de un motogenerador al usar diferentes mezclas de ACPM y biodiesel. - Análisis del desempeño ambiental de un motogenerador al usar diferentes mezclas de ACPM y biodiesel Lista de símbolos $/kw-h Eficiencia del Motor Eficiencia del generador Costo de kw-h Precio del combustible por flujo volumétrico estándar de combustible ($/h) C COMB Consumo de combustible I Corriente electrica V Voltaje LHV Poder calorífico inferior LHV V Poder calorífico inferior volumétrico P MAX Potencia máxima entregada cada caso por el motor de la planta eléctrica al trabajar con ACPM o Biodiesel flujo volumétrico estándar de combustible (m 3 /s) B100 Biodiesel puro B20 Mezcla de 20% Biodiesel y 80% ACPM B50 Mezcla de 50% Biodiesel y 50% ACPM B0 ACPM (100%) 2. METODOLOGÍA Con el objeto de validar los resultados se utilizó una planta eléctrica motor AGRALE M-80, generador BRUSH de 7 kwa, suministrándole mezclas de biodiesel y ACPM en diferentes porcentajes (B100, B50, B20 y B0) Instrumentación de la planta eléctrica En la experimentación se utilizó una planta eléctrica, un banco de bombillos (con el cual se le exige carga a la planta eléctrica), un tacómetro análogo para medir las RPM del motor, un dispositivo para medir el consumo de combustible, termocuplas tipo K con su indicador digital para medir las temperaturas de los gases de escape y del aceite y un opacímetro para medir el porcentaje de opacidad de los gases de escape. La potencia del motor se determinó a partir de la potencia eléctrica (voltaje y corriente) entregada por el generador eléctrico acoplado al motor de la planta eléctrica, con la ayuda de una pinza amperimétrica y un voltímetro. Un esquema ilustrativo de la instrumentación de la planta eléctrica se muestra en la figura 1 y sus especificaciones se presentan en la tabla 1. Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 2 - Edición No. 4 Facultad de Ingeniería «EIDENAR» 5

4 Reflexion Debido a que las experimentaciones se realizaron en una planta eléctrica, la potencia se determinó de forma indirecta; es decir, a partir de la corriente y el voltaje (Ec. 1) entregados por el generador eléctrico acoplado al motor de la planta, en lugar de un dinamómetro de banco, estableciendo cargas eléctricas en vez de cargas mecánicas. Esta práctica es recomendada por ASME cuando se quiere determinar el desempeño del motor de una planta eléctrica (Figura 1). La eficiencia del generador se asumió constante. (1) En la figura 2 se comparan las curvas de potencia del motor de la planta eléctrica al trabajar con biodiesel puro (B100), diesel (ACPM) y las mezclas B20 y B50. Figura 1. Esquema ilustrativo de la instrumentación de la planta eléctrica Tabla 1. Especificaciones de la planta eléctrica FRECUENCIA(RPM) Figura 2. Comparación de curvas de potencia del motor de una planta eléctrica 2.2. Desempeño del motor de la planta eléctrica al utilizar ACPM o Biodiesel como combustible El desempeño de un motor puede caracterizarse por sus curvas de torque y potencia, obtenidas según procedimientos estándar de la SAE. Sobre dinamómetros de banco se establece una carga mecánica determinada y se permite que el motor se estabilice en una velocidad de rotación. En la tabla 2 se muestran los porcentajes de pérdida de potencia que experimenta la planta eléctrica al trabajar con biodiesel puro (B100) y las mezclas B20 y B50. Estos porcentajes se calcularon comparando el valor máximo de potencia entregado por la planta al utilizar B100, B20 y B50 con el valor máximo que entregaba la planta cuando trabajaba con ACPM. Tabla 2 Pérdida de potencia. Los resultados presentados en la tabla 2 indican que la potencia disminuye a medida que se aumenta el porcentaje de biodiesel en la mezcla. Facultad de Ingeniería «EIDENAR» Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 2 - Edición No. 4 6

5 Analisis del desempeño de un motogenerador al usar biodiesel como combustible. La eficiencia de un motor se define como la relación entre la potencia que éste entrega y el calor que le suministra el combustible (Ec. 2). La figura 3 ilustra la eficiencia en función de las revoluciones (rpm) del motor de la planta eléctrica al trabajar con diesel o con biodiesel puro. (2) 2.3. Emisiones contaminantes de los motores de combustión interna Claramente se observa en la Figura 5 la existencia de una gran reducción de la cantidad de material particulado producido en la combustión a medida que se aumenta la cantidad de biodiesel utilizado. (RPM) MEZCLAS Figura 5. Porcentaje de opacidad producido por los diferentes tipos de mezcla FRECUENCIA(RPM) Figura 3. Curvas de eficiencia del motor de una planta eléctrica operando con B100, B20 y B50 La Figura 3 muestra que la diferencia entre la eficiencia de ambos combustibles es pequeña, lo cual hace del biodiesel una alternativa viable para reemplazar al diesel. La tendencia observada en el proyecto, en cuanto al consumo de combustible (Figura 4), fue de un leve incremento para el biodiesel de aproximadamente 14 % con respecto al diesel (ACPM) Temperatura de los gases de escape y temperatura de aceite En la Figura 6 se observa que las temperaturas de los gases de escape es mayor empleando biodiesel puro debido a la mayor presencia de carbono en su composición. También se aprecia que la temperatura del aceite en ambos combustibles presenta la misma tendencia y no se detecta una diferencia significativa o aumento considerable. TEMPERATURA ESCAPE ( O C) ACPM TEMPERATURA ACEITE ( O C) ACPM TEMPERATURA ESCAPE ( O C) BIODISEL TEMPERATURA ACEITE ( O C) BIODISEL FRECUENCIA(RPM) Figura 4. Consumo específico de combustible del motor de una planta eléctrica operando con diesel (ACPM) y biodisel (B100, B50 y B20.) TIEMPO(min) Figura 6. Temperatura de los gases de escape y del aceite del motor de una planta eléctrica operando con B100, B50 y B20. Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 2 - Edición No. 4 Facultad de Ingeniería «EIDENAR» 7

6 Reflexion 2.5. Valoración económica La valoración económica se realizó teniendo en cuenta los costos de los fluidos de trabajo básicamente se comparan los costos de producción de un kilovatio hora (Kw.-h) de energía eléctrica operando la planta con diesel y con biodiesel puro. El costo del kilovatio-hora se determinó de la siguiente ecuación: (3) donde Pot MAX es la potencia máxima entregada en cada caso por el motor de la planta eléctrica al trabajar con ACPM, B100, B20 o B50 (Figura 7). y sus mezclas, entre 14% y 20% para B20 y B50, respectivamente. Este aspecto también está relacionado con el menor poder calorífico del biocombustible.. La opacidad de los humos disminuye en tanto se agrega biodiesel a la mezcla, entre 20% y 30% para B20 y B50, respectivamente, dependiendo directamente de la afinación del motor y del buen estado de sus componentes (sistema de inyección). Se presentan las recomendaciones para un próximo estudio:. Realizar el estudio anterior en un vehículo para analizar el comportamiento del biodiesel en una fuente móvil (pruebas de carretera).. Estudiar el comportamiento del biodiesel y sus diferentes mezclas en motores de mayor tamaño y tipos marinos. 4. BIBLIOGRAFÍA Asme (1997). Performance test codes- Reciprocanting internal combustion engines, USA.p12. Beltrán, R.(1998). Principios de conversión térmica de energía. Uniandes. Colombia.p 3-6. Figura 7. Valoración económica Corpodib (1998). Proyecto para la producción de biodiesel a partir de palma africana en Colombia.p CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En el presente estudio se desarrollaron la instrumentación y los procedimientos necesarios con el objeto de evaluar la alternativa de utilización de Biodiesel como combustible en motores de encendido por compresión. Al investigar los aspectos relacionados con la potencia, el rendimiento, el consumo de combustible y las emisiones se encontraron los siguientes resultados:. La potencia disminuye cuando se utiliza Biodiesel como combustible o se aumenta su porcentaje en la mezcla, debido al menor poder calorífico del biocombustible con respecto al del diesel convencional.. El consumo de combustible aumenta para el biodiesel AUTORES Juan Gabriel Fajardo Cuadro. M.Sc. Profesor Ingeniero Mecánico, Cartagena, Colombia. jfajardo@unitecnologica.edu.co Oscar Navas, Ingeniero Mecánico Universidad Tecnológica de Bolívar, Cartagena, Colombia. Andrés Díaz, Ingeniero Mecánico Universidad Tecnológica de Bolívar, Cartagena, Colombia. Facultad de Ingeniería «EIDENAR» Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 2 - Edición No. 4 8