UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica de Fluídos

ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS DE PETRÓLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA,

ALGODÓN Y GIRASOL EN COCINAS NO CONVENCIONALES Autores:

CUBAS CUBAS, Jhoan Miguel MARCOS HUATUCO, RubénOLIVERA MACEDO, Lorena LuzSIVIPAUCAR GOMEZ, Clodoaldo Marcos

Asesor:Ing. Valderrama Romero, Andrés; Ph.D.

Objetivo del proyecto de Investigación

Análisis del proceso de combustión de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, a partir de la obtención de los parámetros siguientes:

• Cálculo de la cantidad de aire real para quemar 1 kg. de mezclas de D2 con biodiesel.

• Poder calorífico

• Relación H/C.

• Número de Wobbe .

• Porcentaje de CO2 producto de la combustión

• Eficiencia de la combustión .

Planteamiento del estudio

El estudio se realiza en las siguientes etapas :

• Primera etapa; determinación de la composición C/H/0/S/ de los biodiesel de soya, girasol y algodón.

• Segunda etapa; cálculo de las reacciones de combustión de la mezcla del petróleo diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón; considerando los límites de inflamabilidad.

• Tercera etapa; cálculo de los parámetros de la combustión: poder calorífico, relación H/C, número de Wobbe, porcentaje de CO2, eficiencia del proceso de combustión.

Cocina no convencional

Mezclas de diesel 2 con biodiesel Pulverizadores 1, 2, 3, 4 y agujas respectivas

Fotografías de los equipos e instrumentos para los ensayos experimentales

Termómetro digital

Manómetro

Adaptación de la cocina no convencional para los ensayos experimentales

Instrumentos empleados

C x H y + b O 2 + c N 2 d CO2 + e H2O + f N 2

Tipos de Combustión 11.Combustión idealDenominada también combustión teórica.

11.1 Combustión ideal con airePara la combustión ideal con aire consideraremos que:

se oxida se oxida H2 H2O C CO2 se oxida se oxida S SO2 SO 2 + H2O ácido sulfúrico

Para la combustión de un hidrocarburo de la forma C x H y, la ecuación de la reacción es de la forma:

Cx Hy + B (O2 + 3.76 N2 ) dCO2 +e H2O + f N2 + gO2

1.2 Combustión ideal con exceso de airePPara la oxidación completa del combustible, se necesitará exceso de

aire.MMezcla rica: cantidad de aire menor que la estequiometria (aire en

defecto)MMezcla pobre: cantidad de aire mayor que la estequiometria (aire en

exceso). Cuando la combustión es completa, el oxigeno en exceso, aparece en los

productos y la ecuación de la reacción tendrá la siguiente forma.

º

22. Combustión real22.1 Combustión con deficiencia de aire En estos procesos el carbono reacciona

formando C ,O y C O2 en proporciones que dependen de la deficiencia de aire y se determinan balanceando la ecuación de reacción

22.2 Combustión real con defecto de aire; la ecuación de la reacción es de la forma:C

Cx H y+ BO2 + 3.76 N2 i CO2 + j CO + e H2O + f N2 + g O2

Los coeficientes i, j, e, f, y g deben ser para la combustión real a partir de la información que obtiene, por alguno de los métodos existentes para el análisis de los promedios.

Composición gravimétrica del diesel 2 y de los biodiesel de soya, girasol y algodón

Diesel 2: C/H/O/S = 0,87/0,126/0,003/0,001Biodiesel de soya: C/H/O = 0,77/0,12/0,11Biodiesel de girasol: C/H/O = 0,628/0,202/0,17Biodiesel de algodón: C/H/O = 0,621/0,204/0,174Ejm. de una mezcla: Diesel 2 (70%) con biodiesel de soya (30%)

Biodiesel Diesel 2 de soya

0125.032

4.0

3.62

6.12

25.71287

2

2

O

H

C

3443.03211

62

12

417.61277

2

2

O

H

C

Reacción

% Diesel 2 + % Biodiesel de soya + aire dCO2 + eH2O + fN2 + gO2 0.7(7.25C+6.3H2+ 0.0125 O2) + 0.3(6.417C+6H2+0.34375O2) + 1.25B(O2+3.76N2)

d CO2 + eH2O + fN2 + gO2

Se muestra un ejemplo con exceso de aire: 125% aire teórico:

Ecuación de la Combustión Completa con exceso de aire

0.7 (7.25 C + 6.3 H2 + 0.0125 O2)+0.3(6.417 C+ 6 H2 + 0.34375 O2) +

1.25B ( O2 + 3.76 N2) d CO2 + eH2O + fN2 + gO2 7 C + 6.21H2 + 0.119 O2 + 1.5B(O2+3.76 N2) d CO2 + e H2O + f N2 + gO2

Balanceo: d ( CO 2) = 7

e (H2O) = 6.21

2 g (O2) = 19.9863 – 2.5 B

f (N2) = 46.9677

Metodología

Ecuación Estequiométrica 7C + 6.21 H2 + 0.119 O2 + 1.5 B (O2 + 3.76 N2) = d´ CO2 + e´ H2O + f ´ N2 + g´O2

Balanceo: B (aire) = 9.9931 d´ (CO 2) = 7 e´ (H2O) = 6.21 entonces g (O2) = 2.4983

Ecuación Balanceada

7C +6.21 H2 + 0.119 O2 + 14.9897 (O2 + 3.76 N2) dCO2 + e H2O + f N2 + gO

Masa de aire real

100)28*76.332(5.1)/(

BrcaL

45.20100

)28*76.332(931.9*5.1)( 7

rL ca 45.20

100)28*76.332(931.9*5.1

)( 7

rL ca 45.20100

)28*76.332(931.9*5.1)( 7

rL ca 45.20

100)28*76.332(931.9*5.1

)( 7

rL ca 45.20100

)28*76.332(931.9*5.1)( 7

rL ca 06.2

100)28*76.332(*5.1)( /

rL ca

100)28*76.332()( 7

BtL ca

Masa de aire teórico

100)28*76.332(

)( 7

B

tL ca

Análisis gravimétrico de los gases de combustión

Peso de CO2 = 7* (12+32) = 308 Peso de N2 = 46.9677* (28) =1315.0953 Peso de H2O = 6.21 * (2+16)= 111.78 Peso de O2 = 2.4983* (32) = 79.9450 Total =1814.8203

Porcentaje de CO2: % CO 2 = 308/1814.8203 = 0.1697

Peso de C = 7* (12) = 84 Peso de H2 = 6.21 * (2+16) = 12.42 Peso de O2 = 0.119* (32) = 3.58 Peso de aire = 14.9897 * (32+3.76*28)= 2027.7843 Total = 2157.7843

Relación H / C: H / C = 12.42 / 84 = 0.1479

Análisis de Resultados

Se ensayaron con mezclas en volumen de diesel 2 con 10%, 20%, 30% y 50% de biodiesel de soya, girasol y algodón.

Los resultados del análisis cualitativo y cuantitativo del proceso de combustión de las mezclas, tomando en cuenta la relación estequiométrica y para mezclas empobrecidas, denuestra que es posible reemplazar parcialmente al petróleo diesel 2 por biodiesel, alcanzando condiciones óptimas de desprendimiento y aprovechamiento de calor. Así mismo se demuestra que los niveles de producción de CO2 son menores que el producido por el Diesel 2

  % C0 2  H/C Nº WOOBE

% Biodiesel

en la mezcla SOYA GIRASOL ALGODÓN SOYA GIRASOL ALGODÓN SOYA GIRASOL ALGODÓN

B10 17.2953 16.9895 16.9761 0.1458 0.158 0.1583 1556.413 1562.277 1560.591

B20 17.1337 16.5218 16.495 0.1468 0.1719 0.1726 1529.939 1541.386 1538.136

B30 16.9714 16.053 16.0128 0.1479 0.1866 0.1879 1504.008 1520.77 1516.073

B40 16.8063 15.5832 15.5294 0.1489 0.2023 0.204 1478.606 1500.422 1494.392

B50 16.6445 15.1124 15.0449 0.15 0.219 0.2213 1453.718 1480.338 1473.085

Resultados de % CO 2 , relación H/C , Nº WOOBE

El incremento del porcentaje de aire teórico presente en la combustión de la mezcla de diesel 2 y biodiesel, favorece la disminución de emisión de CO 2

% CO2 emitido en la combustión de la mezclas Diesel 2 y biodiesel que presentan mayor eficiencia trabajando con los pulverizador 1 y 2

% CO2 emitido en la combustión de la mezclas Diesel 2 y biodiesel que presentan mayor eficiencia trabajando con los pulverizador 3 y 4

El mayor porcentaje de CO2 emitido se presenta en la combustión de la soya B20; y el menor porcentaje de CO2 emitido se presenta en la combustión de algodón B50

Dióxido de carbono disminuye en la combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de algodón en comparación con las otras mezclas.

Porcentaje CO2 emitido en la combustión con un 50% de aire en exceso respecto al porcentaje de biodiesel presente en la mezcla

El incremento del porcentaje de biodiesel en la mezcla, permite incrementar la densidad energética, determinada a través de la relación H/C.

DENSIDAD ENERGÉTICA DE UN COMBUSTIBLE H / C

0.13

0.15

0.17

0.19

0.21

0.23

B10 B20 B30 B40 B50

% MEZCLA

H

/ C

SOY A

GIRASOL

ALGODÓN

Explicar abajo los cuadros

ENERGIA DISPO NIBLE EN LA CO MBUSTIO N (Nº WO BBE)

1435.00

1455.50

1476.00

1496.50

1517.00

1537.50

1558.00

1578.50

B10 B20 B30 B40 B50

% MEZCLASOYA

GIRASOL

ALGODÓN

La cantidad de energía disponible en la combustión a través del inyector (pulverizador), determinado con el número Wobbe, disminuye con el incremento del porcentaje de biodiesel en la mezcla.

1. Temperatura de la flama D2 + BIODIESEL DE SOYA D 2 + B

SOYA

24 PSI 32 PSI

PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2

% mezcla T corona T media T núcleo T

corona T media T núcleo T corona T media T núcleo T corona T media T núcleo

20 655 832 942 770 880 1000 791 858 1019 744 981 1041

30 580 828 931 660 870 895 610 843 965 810 880 950

50 805 961 976 740 860 970 877 975 1026 785 928 1070

D 2 + B SOYA

24 PSI 32 PSI

PULVERIZADOR 4 PULVERIZADOR 4

% mezcla T corona

T media

T núcleo

T corona

T media

T núcleo

20 616 816 959 625 830 990

30 700 885 968 831 935 1013

50 670 850 925 740 870 952

Temperaturas de la flama para el cálculo del calor

2. Temperatura de la flama D2 + BIODIESEL DE GIRASOLD2 + B

GIRASOL

24 PSI 32 PSI

PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2

% mezcla T

coronaT

mediaT

núcleoT

coronaT

mediaT

núcleoT

coronaT

mediaT

núcleoT

coronaT

mediaT

núcleo

20705 922 957 870 975 1000 585 825 920 845 955 1028

30 562 794 832 675 830 960 622 814 1010 650 940 975

50 634 814 955 670 870 900 665 895 996 784 880 933

D2 + B GIRASOL

24 PSI 32 PSI

PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2

% mezcla T

coronaT

mediaT

nucleoT

coronaT

mediaT

nucleoT

coronaT

mediaT

nucleoT

coronaT

mediaT

nucleo

20 672 824 930 686 940 966 772 835 982 739 942 1006

30 803 845 972 707 956 1005 815 893 992 740 985 1022

50 815 938 997 800 942 1000 847 942 1006 815 974 1023

3. Temperatura de la flama D2 + BIODIESEL DE ALGODON

D2 + B ALGODÓN

24 PSI 32 PSI

PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2

% mezcla

T corona

T media

T núcleo

T corona

T media

T núcleo

T corona

T media

T núcleo

T corona

T media

T núcleo

20 593 845 907 625 895 975 701 894 995 695 880 935

30 565 800 926 680 880 945 580 693 950 787 880 992

50 544 760 885 700 885 975 565 793 910 740 940 996

D2 + B ALGODÓN

24 PSI 32 PSI

PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2

% mezcla

T corona

T media

T núcleo

T corona

T media

T núcleo

T corona

T media

T núcleo

T corona

T media

T núcleo

20 650 880 985 610 705 850 830 970 1005 632 790 885

30 755 847 988 622 748 890 778 858 994 648 755 916

50 755 968 1026 545 704 864 805 987 1034 550 771 880

Calor aprovechado durante el proceso de combustión de las mezclas

121 radconvconvoaprovechad QQQQ

Q aprovechado: calor total entregado al agua durante la combustiónQ convección 1: calor entregado al agua por convección a través del área libre Q convección 2: calor entregado al agua por convección a través del área de contacto con la teteraQ radiación 1: calor entregado al agua por radiación

Para evaluar la cantidad de calor aprovechado por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la relación siguiente:

Para evaluar la cantidad de calor perdido durante la combustión por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la relación siguiente

32 radiaciónradiaciónperdido QQQ

Q perdido: calor perdido durante la combustiónQ radiación 3 : calor perdido por radiación al aire Q radiación 2: calor perdido por radiación cuando la flama choca con la superficie de la tetera

Calor Perdido

El mejor aprovechamiento del calor desprendido, se produce durante la combustión de las mezclas de soya B20, girasol B20 y algodón B30.

La eficiencia en la Combustión de la mezcla de Diesel 2 con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón, se determina empleando la fórmula siguiente:

100

perdidocaloroaprovechadCalor

oaprovechadCalor

Eficiencia de la Combustión

La eficiencia máxima se alcanza con la combustión de una mezcla con 30% de biodiesel de soya y algodón

Variación del poder calorífico de las mezcla Diesel 2 y Biodiesel de soya, girasol, algodón

Con un menor porcentaje de biodiesel en la mezcla se obtiene un mayor poder calorífico (Hu); además las mezclas de diesel 2 y biodiesel de soya y girasol al 10 % presentan mayor Hu en comparación con la mezcla de diesel 2 y algodón al 10%

Conclusiones

1. Se ha demostrado que las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón tienen similar comportamiento que un combustible diesel convencional proveniente de un hidrocarburo.

2. La cantidad de energía disponible en la combustión a través del inyector (pulverizador), determinado con el número Wobbe, disminuye con el incremento del porcentaje de biodiesel en la mezcla

3. La densidad energética de un combustible, determinada a través de la variación de la relación de H/C, para las mezclas de Diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón se incrementa conforme se incrementa el porcentaje de biodiesel en la mezcla

Conclusiones

4. La eficiencia máxima de la combustión se alcanza con el 30% de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya y algodón. Asimismo, con el 50% de las mezclas de diesel 2 con biodiesel de girasol.

5. La concentración del dióxido de carbono en los gases de la combustión disminuye drásticamente en comparación al diese 2 solo, logrando disminuir el impacto ambiental en el aire atmosférico.

PIC Programa de Iniciación Científica

AlgunosIntensidad de la flama

Flama inestable

Flama optima Pulverización de la mezcla

Medición de la longitud de la flama