Estudio sobre la influencia de la composicion

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A mi familia A mis Profesores.
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El autor expresa su agradecimiento a:
John Ramiro Agudelo Santamaría, PhD. En ingeniería Térmica y director de la tesis por sus
valiosos aportes.
Andrés Amell Arrieta, Msc. En Economía de la energía y coordinador del Grupo de Ciencia
y Tecnología del gas de la Universidad de Antioquia por su constante dedicación y asesoria para
la ejecución del proyecto.
La empresa colombiana de petróleos, ECOPETROL, por el apoyo económico y logístico
para la realización del proyecto.
Lilliana Vélez, Msc. En Gestión ambiental por su contribución al diseño de los
experimentos.
Los Ingenieros Mecánicos Ricardo Moreno y Diego Henao, por su apoyo y colaboración en
la ejecución experimental.
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CONDENSACIÓN RETROGRADA: Fenómeno de mezclas gaseosas con hidrocarburos y en
el cual un componente se condensa cuando se reduce su presión.
DENSIDAD RELATIVA: Además, es denominada gravedad específica, es la relación
entre la densidad del gas y la densidad del aire a las mismas condiciones de referencia
GAS INERTE: Un gas a condiciones estándar y que no contribuye a liberar energía cuando
se inflama una mezcla
ÍNDICE DE WOOBE INFERIOR: Es la relación entre el poder calorífico inferior de un
combustible dividido la raíz cuadrada de la gravedad específica del combustible. Es el parámetro
utilizado en motores de combustión interna para establecer la intercambiabilidad de gases
combustibles usados en ellos
KNOCK: Es la combustión detonante no controlada que se autoinicia en la zona de gases
aguas arriba del frente de llama
MOTOR DUAL: Es un motor térmico que puede operar indistintamente ya sea con gas
natural o con gasolina. Muchos de ellos se diseñan para cambiar automáticamente a gasolina
cuando el cilindro de gas natural agota su contenido
MOTOR BICOMBUSTIBLE: Es un motor térmico que puede operar ya sea solamente
con diesel o bien con diesel y gas natural simultáneamente. En un motor bicombustible, el
combustible diesel se utiliza para inflamar el gas natural
MOTOR DEDICADO: Es un motor térmico que sólo puede operar usando gas natural
NÚMERO DE METANO: Es el índice de resistencia al knock de los combustibles
gaseosos basados en dos gases de referencia: metano e hidrógeno. La escala del número de
metano esta fundamentada en el porcentaje molar de metano e hidrógeno. Metano, con alta
resistencia al knock, se le asigna un número de metano (MN) de 100. Hidrógeno, con la más baja
resistencia al knock, se le asigna cero. El MN de una mezcla gaseosa es el valor que corresponde
a una mezcla gaseosa metano/hidrógeno del mismo valor de resistencia al knock
NÚMERO DE OCTANO: Es el índice de resistencia al knock de combustibles líquidos,
basado en dos combustibles líquidos de referencia: iso-octano (número de octano de 100) y
n-heptano (número de octano de cero). Las mezclas de estos combustibles son usadas para
determinar otros números de octano, los cuales pueden ser comparados con el combustible de
prueba
PODER CALORÍFICO SUPERIOR: Es la cantidad de energía liberada en forma de calor
(MJ / m3 ) cuando un metro cúbico de un gas a condiciones estándar ( 15 °C y 1013 mbar) es
completamente inflamada en aire cuando los productos de la combustión salen a condiciones
estándar
PODER CALORÍFICO INFERIOR: Es el poder calorífico superior menos el calor latente
de condensación de los productos de la combustión
TASA DE EXCESO DE AIRE ( # ): Es la tasa aire/combustible actual dividido entre la
tasa aire/combustible estequiométrico
TASA AIRE/COMBUSTIBLE ESTEQUIOMÉTRICO: Es la tasa de masa de aire
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dividido entre la masa de combustible para realizar una combustión completa.
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ND: No registrado por el equipo
hh : Humos húmedos
d : Densidad relativa
Va: Volumen de aire teórico, [m3 naire/m3 n gas]
TLL: Temperatura adiabática de llama, (°C)
PCS: Poder calorífico superior, [MJ/m3 st ]
PCI: Poder calorífico inferior, [MJ/m3 st ]
W: Índice de Woobe, [MJ/m3 st ]
LSI: Limite superior de inflamabilidad,[%]
LII: Limite inferior de inflamabilidad;[%]
Vifo: Volumen de humos húmedos, [m3 n humos húmedos/ m3 n gas]
Vfo: Volumen de humos secos, [m3 n humos secos/ m3 n gas]
VCO2 : Volumen de CO2 ,[m3 n de CO2 / m3 n gas]
VH2O : Volumen de H2 O, [m3 n de H2O / m3 n gas]
VN2 : Volumen de N2 producido, [m3 n de N2 / m3 n gas]
# CO2: Porcentaje máximo de CO2 en los humos secos
ma : Masa de aire teórico,[Kg aire/ Kg gas]
mfi : Masa de humos humedos,[Kg humos humedos/Kg gas]
mf : Masa de humos secos. [Kg Humos secos/ Kg gas]
# : Densidad del gas , [Kg/ m3]
C: Coeficiente de descarga del inyector
A: Área transversal del inyector, [mm2]
P: Presión absoluta en la descarga del inyector,[bar]
T* : Temperatura absoluta de la condición de referencia [K]
P* : Presión absoluta de la condición de referencia,[bar]
To : Temperatura absoluta del gas antes de la descarga, [K]
QMR : Masa reducida del gas (cantidad adimensional)
#: Exceso de aire, [%]
n1: Número de replicas del experimento
a: Niveles del factor no principal
#2: Varianza estimada
Da: Desviación experimental (% Vol).
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#1: Grados de libertad del factor no principal
#: Error de tipo I
1-# Intervalo de confianza [%]
#: Error tipo II [%]
#2: Tamaño muestral del experimento
n: Tasa de aireación, [%]
cc: Cámara de combustión
Ps: Presión de suministro,[mbar]
Thumos: Temperatura de humos de escape, [°C]
Qg: Caudal de gas en la admisión del motor,[LSM]
#: Factor de peso de los cilindros y relación de eficiencias del motor
%CH4 : Porcentaje en volumen de metano
%O2 :Porcentaje en volumen de oxígeno
%CO2 :Porcentaje en volumen de dióxido de carbono
%CO : Porcentaje en volumen de monóxido de carbono
Acogas: Asociación colombiana de gas
ABC : Después del punto muerto inferior del motor, [°]
ATC: Después del punto muerto superior del motor [°]
BBC: Antes del punto muerto inferior [°]
BTC: Antes del punto muerto superior del motor [°]
CA: ángulo del cigüeñal [°]
CREG: Comisión reguladora de energía y gas de Colombia
GLP: Gas licuado de petróleo
GNC: Gas natural comprimido
LSM: Litros estándar por minuto
MBT: Tiempo de máximo torque al freno, [°]
MEC: Motor de encendido por compresión
MEP: Motor de encendido provocado
MMC: Millón de metros cúbicos
MMCD: Millón de metros cúbicos por día
MN: Número de metano
MON: Motor octane number: número de octano del motor
RON: Research octane number: número de octano de investigación
RPM: evoluciones por minuto del motor
UPME: Unidad de planeación minero energética de Colombia
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Uno de los problemas de mayor impacto en el futuro del sector energético en Colombia es el de
la movilidad limpia. La lenta evolución tecnológica y las presiones ambientales señalan la
insostenibilidad del esquema actual del transporte en Colombia, sector que consume cerca del 99
% (UPME, 1999) de los recursos derivados del petróleo y trae como consecuencia que las
emisiones tóxicas de la combustión eleven el nivel de deterioro del medio ambiente y de la salud
de los colombianos.
Una de las estrategias del gobierno nacional para reducir el problema anterior ha sido
impulsar el programa de masificación de gas natural y la reconversión del parque automotriz a
GNC. Este puede ser usado para disminuir las emisiones nocivas pero a costa de desmejorar el
desempeño mecánico causado por la existencia de diferentes pisos térmicos en Colombia que
influyen notablemente en la cantidad de oxígeno necesaria para que el motor desarrolle su
potencia habitual (igual a la desarrollada antes de la reconversión)
Actualmente el programa de reconversión vehicular utiliza como combustible gas natural de
la Guajira, con el cual se han hecho algunos estudios de pérdida de rendimiento del motor(
realizados en la ciudad de Bogotá) , pero no se han establecido evaluaciones de la incidencia de
la variación de la composición química del gas natural a fin de facilitar la íntercambiabilidad y
disminuir la dependencia de un solo tipo de gas natural , situación de alto riesgo dado que
pueden presentarse limitaciones en la explotación ó ataques armados al gasoducto debido a la
inestabilidad política del país .
El proyecto” Estudio sobre la influencia de la variación de la composición química de los
principales gases naturales colombianos sobre el rendimiento de la conversión y el desempeño
mecánico de los motores a gas en Colombia” muestra de manera teórica y experimental, la
influencia de la composición química de los gases naturales de Guajira y Cusiana sobre el
desempeño mecánico y el nivel de emisiones
El proyecto esta centrado en el logro de los siguientes objetivos: Realizar un estudio sobre la
influencia de la variación de la composición química de los principales gases naturales
colombianos sobre el rendimiento de la conversión y el desempeño mecánico de los motores a
gas en Colombia, comparar experimentalmente el desempeño de un motor convertido usando
gases naturales de Guajira y Cusiana y determinar los factores que afectan la íntercambiabilidad
de los principales gases naturales colombianos para uso automotriz.
Luego de realizar el estado del arte sobre la literatura técnica internacional que estudia la
influencia de la variación de la composición química en el desempeño mecánico y ambiental de
motores de encendido provocado que operan con gas natural, se efectúan una serie de pruebas
con gas natural de Guajira y luego con Cusiana en un motor monocilíndrico CFR de relación de
compresión variable para obtener entre los resultados más importantes: 3,8% de disminución en
la tasa aire / combustible , un aumento del 44% en las emisiones de CO, la disminución en 5,5%
CO2 y 9% CO2 y un aumento de 14,37% en el rendimiento.
Las estrategias de comunicación serán: La publicación de los resultados en las revistas que
en nuestro medio tratan del tema del gas vehicular, realizar
ponencias en los diversos congresos nacionales sobre energía, organizar seminarios con
importadores, técnicos, distribuidores e investigadores del país y colocar la información
pertinente en INTERNET para su divulgación a nivel internacional.
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