Diseño e Instalacion de Un Sistema de Alimentacion Gasolina-hho en El Motor de Ci de Un Vehiculo...

7/24/2019 Diseo e Instalacion de Un Sistema de Alimentacion Gasolina-hho en El Motor de Ci de Un Vehiculo Tipo Buggy

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DEPARTAMENTO DE ENERGA Y MECNICA

CARRERA DE INGENIERA AUTOMOTRIZ

PORTADA

PROYECTO DE TITULACIN PREVIO A LA OBTENCIN DEL

TTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

TEMA: DISEO E INSTALACIN DE UN SISTEMA DE

ALIMENTACIN GASOLINAHHO EN EL MOTOR DE

COMBUSTIN INTERNA DEL VEHCULO MONOPLAZA TIPOBUGGY DEL LABORATORIO DE MECNICA DE PATIO DE LA

ESPE EXTENSIN LATACUNGA

AUTORES: DIEGO ALONSO JUMA YAR

HOLGUER WLADIMIR MARTNEZ ANANGON

DIRECTOR: ING. GERMN ERAZO

CODIRECTOR: ING. JUAN CASTRO

LATACUNGA

2015


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ii

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADASESPE


CERTIFICADO

ING. GERMN ERAZO (DIRECTOR)

ING. JUAN CASTRO (CODIRECTOR)

CERTIFICAN

Que el proyecto titulado DISEO E INSTALACIN DE UN SISTEMA DE

ALIMENTACIN GASOLINA HHO EN EL MOTOR DE COMBUSTIN

INTERNA DEL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY DEL

LABORATORIO DE MECNICA DE PATIO DE LA ESPE EXTENSIN

LATACUNGA, ha sido guiado y revisado peridicamente y cumple con

normas estatuarias establecidas por la ESPE, en el Reglamento de

Estudiantes de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE.

Debido a que constituye un proyecto de excelente contenido cientfico que

servir para la enseanza/aprendizaje, a la aplicacin de conocimientos y al

desarrollo profesional, por lo que si recomendamos su publicacin.

El mencionado trabajo consta de un documento empastado y un disco

compacto los cuales contienen los archivos en formato porttil de Acrobat

(PDF). Autorizan a los seores: DIEGO ALONSO JUMA YAR y HOLGUER

WLADIMIR MARTINEZ ANANGON que lo entregue al ING. JUAN

CASTRO, en su calidad de Director de la Carrera.

Latacunga, Abril del 2015.

Ing. Germn Erazo Ing. Juan CastroDIRECTOR CODIRECTOR


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AUTORA DE RESPONSABILIDAD

Nosotros: Diego Alonso Juma Yar

Holguer Wladimir Martnez Anangon

DECLARAMOS QUE:

El proyecto de grado denominado DISEO E INSTALACIN DE UN

SISTEMA DE ALIMENTACIN GASOLINA HHO EN EL MOTOR DE

COMBUSTIN INTERNA DEL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY

DEL LABORATORIO DE MECNICA DE PATIO DE LA ESPE

EXTENSIN LATACUNGA, ha sido desarrollado con base a una

investigacin exhaustiva, respetando derechos intelectuales de terceros,

conforme las citas que constan al pie de las pginas correspondientes,

cuyas fuentes se incorporan en la bibliografa.

Consecuentemente este trabajo es de nuestra exclusiva autora.

En virtud de esta declaracin, nos responsabilizamos del contenido,

veracidad y alcance cientfico del proyecto de grado en mencin.


Diego Alonso Juma Yar Holguer Wladimir Martnez Anangon

C.I.: 100321392-1 C.I.: 171331974-5


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AUTORIZACIN

Nosotros: Diego Alonso Juma Yar

Holguer Wladimir Martnez Anangon

Autorizamos a la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE la

publicacin, en la biblioteca virtual de la institucin el proyecto de grado

denominado DISEO E INSTALACIN DE UN SISTEMA DE

ALIMENTACIN GASOLINA HHO EN EL MOTOR DE COMBUSTIN

INTERNA DEL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY DEL

LABORATORIO DE MECNICA DE PATIO DE LA ESPE EXTENSIN

LATACUNGA, cuyo contenido, ideas y criterios son de nuestra exclusiva

responsabilidad y autora.


Diego Alonso Juma Yar Holguer Wladimir Martnez Anangon

C.I.: 100321392-1 C.I.: 171331974-5


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v

DEDICATORIA

Primeramente a Dios por guiarme cada da por el camino del bien y por

alcanzar esta meta, en ocasiones existieron cadas pero solo fueron para

tomar ms fuerza y seguir adelante para cumplir este sueo.

A mis padres Marianita Yar y Alonso Juma quienes me apoyaron

incondicionalmente, cuando ms los necesite siempre estuvieron ah

dndome la mano y una voz de aliento, supieron ensearme a alcanzar

todos mis sueos con humildad y honradez sin importar el obstculo y conperseverancia se hicieron realidad.

A mi hermana Gaby Juma y Francisco Y. que sin llevar la sangre en las

venas somos hermanos, que de una manera u otra siempre estuvieron

ayudndome cuando necesit y por brindarles consuelo en los momentos

de tristeza a mis padres en el tiempo que me ausent de mi querido hogar.

Diego Juma


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vi

DEDICATORIA

A mis queridos padres, Holguer Martnez y Teresa Anangon, los pilaresfundamentales de mi vida, que con su diario esfuerzo y sacrificio me

permitieron salir adelante a pesar de las adversidades que se me

presentaron. Gracias a ellos pude obtener mi ttulo de ingeniera.

A mis hermanos Marco, Ivn y Christian que desde que era nio se

convirtieron en mi ejemplo a seguir y siempre me han apoyado brindndome

un apoyo incondicional

A mi mejor amigo, Edison Salazar, que con sus sueos de ser piloto de

Frmula Uno me inspir a seguir la carrera que siempre anhel y a quien

considero mi hermano.

A Danny Sierra, por brindarme su inagotable amor durante mis aos de

universidad.

Wlady M.


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AGRADECIMIENTO

A Dios por darme la vida y la salud para culminar este proyecto, por darme el

privilegio de compartir momentos maravillosos con unos padres tan buenos, por

haberme dado la oportunidad de conocer distintas clases de amigos y aprender

de ellos que para ser feliz no hace falta tener mucho dinero.

A mis padres por ensearme a ser humilde con los dems, el camino que

recorr en la vida universitaria fue difcil y que el esfuerzo y perseverancia fue

gracias a ellos que me supieron inculcar los valores positivos para alcanzar la

meta.

A la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE por abrirme las puertas ybrindarme todos los conocimientos y enseanzas que tienen los maestros para

llegar hacer un lder.

Al Ing. Leonidas Quiroz por brindar sus consejos y enseanzas para terminar

este proyecto y que a ms de ser un maestro me ha brindado su amistad.

A los ingenieros Germn Erazo como Director y Juan Castro como codirector

que compartieron sus experiencias y enseanzas para direccionar la

elaboracin de este proyecto.

A mis tos, tas, primos, en si toda mi familia que siempre me estuvieron

apoyando, brindndome la mano y con palabras de aliento que me sirvi para

levantarme ante las cadas.

A mi compaero de tesis Wladimir Martnez y a su familia por el apoyo en los

momentos ms difciles que se presentaron en el trayecto del proyecto.

A mis amigos y compaeros que encontr en el trayecto de mi vida profesional

que supieron brindarme su amistad y que los chistes y las risas, las malas

noches y amanecidas de estudio, las ancdotas, las cosas malas y buenas que

pasamos sern un lbum de recuerdos que siempre perduraran en nuestras

mentes.

Diego Juma


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viii

AGRADECIMIENTO

A mis padres, por brindarme el privilegio de darme la vida para poder vivir

hermosos momentos junto a ellos.

A los ingenieros German Erazo y Juan Castro tutores del presente proyecto

y docentes de excelencia que fueron parte fundamental para la culminacin

de esta meta.

A mi compaero de tesis, Diego Juma con quien aprend y compart un

sinnmero de buenas y malas experiencias, las cuales fomentaron nuestra

amistad.

A mis compaeros de carrera Edu Guevara y Andrs Moreno porque con el

pasar del tiempo se convirtieron ms que en compaeros de aula en amigos

incondicionales que siempre me brindaron su apoyo.

A mis grandes amigos, Edison Salazar y Carlos Fustillos a quienes conozco

hace muchos aos atrs y que me han enseado que pase lo que pase la

amistad de un amigo dura toda la vida.

A mi amiga Lore Moya por siempre brindarme su sincera amistad durante mi

etapa de estudiante y despus de la misma.

A mi to Franklin quien aport desinteresadamente con sus conocimientos,

tiempo y paciencia en el desarrollo de este proyecto

A todos mis amigos, compaeros, familiares y conocidos quedesinteresadamente hicieron posible que este proyecto pueda concluir de

forma exitosa.

Wlady M.


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NDICE DE CONTENIDOS

PORTADA ...................................................................................................... i

CERTIFICADO .............................................................................................. ii

AUTORA DE RESPONSABILIDAD ............................................................ iii

AUTORIZACIN .......................................................................................... iv

DEDICATORIA .............................................................................................. v

AGRADECIMIENTO .................................................................................... vii

NDICE DE CONTENIDOS ........................................................................... ix

NDICE DE TABLAS .................................................................................. xiii

NDICE DE FIGURAS ................................................................................. xiv

NDICE DE ECUACIONES ........................................................................ xvii

RESUMEN ................................................................................................ xviii

ABSTRACT ................................................................................................ xix

1. CAPTULO I

INVESTIGACIN DEL USO DEL HIDRGENO COMO COMBUSTIBLE

EN MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA............................................... 1

1.1. ANTECEDENTES ................................................................................... 1

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................... 2

1.3 OBJETIVOS ............................................................................................. 3

1.3.1 Objetivo General ................................................................................... 3

1.3.2 Objetivos Especficos ............................................................................ 3

1.4 HIPTESIS .............................................................................................. 4

1.5 REA DE INFLUENCIA ........................................................................... 4

1.6 JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA ......................................................... 4

1.7 VARIABLES DE LA INVESTIGACIN ..................................................... 6

1.7.1. Variable Independiente ....................................................................... 6

1.7.2. Variable Dependiente. ......................................................................... 7


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2. CAPTULO II

MARCO TERICO ........................................................................................ 8

2.1 DESCRIPCIN GENERAL DEL MOTOR KAWASAKI ZX 750F ............. 8

2.1.1 Identificacin del motor ......................................................................... 8

2.1.2 Sstema de alimentacin de combustible ............................................. 10

2.2 EL HIDRGENO ................................................................................... 11

2.2.1 Antecedentes del uso del hidrgeno ................................................... 11

2.2.2 Propiedades del hidrgeno ................................................................. 12

2.2.3 Mtodos de obtencin del hidrgeno .................................................. 13

2.2.4 Almacenamiento ................................................................................. 17

2.2.5 Usos del hidrgeno en automocin ..................................................... 21

2.3 SISTEMA DE GENERACIN DE GAS HHO ......................................... 23

2.3.1 Gas Brown .......................................................................................... 23

2.3.2 Celdas electrolizadoras ....................................................................... 24

2.3.3 Tipos de celdas electrolizadoras ........................................................ 26

2.3.4 Reactivos y materiales seleccionados ................................................ 28

2.4 GASES PRODUCTO DE LA COMBUSTIN DE LA GASOLINA .......... 32

2.4.1 PARTES INTEGRALES PRINCIPALES ............................................. 33

2.4.2 Partes integrales secundarias ............................................................. 34

2.4.3 Niveles permitidos de gases contaminantes ....................................... 35

3. CAPTULO III

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE GAS HHO

PARA EL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY .................................. 38

3.1 DESARROLLO DEL DISEO DEL GENERADOR DE GAS HHO ........ 38

3.1.1 Levantamiento de requerimientos ....................................................... 38

3.1.2 Volumen interno del generador de gas HHO ...................................... 39

3.1.3 Flujo de gas HHO ............................................................................... 40

3.2 MATEMATIZACIN DE LOS PARMETROS DE DISEO .................. 43


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3.2.1 Clculo del volumen interno ................................................................ 43

3.2.2 Clculo de flujo del gas HHO .............................................................. 44

3.3 CONSTRUCCIN DEL GENERADOR DE GAS HHO .......................... 46

3.3.1 Elaboracin de las placas neutras ...................................................... 50

3.3.2. Elaboracin de placas positivas y negativas ...................................... 51

3.3.3 Elaboracin de las placas para topes ................................................. 52

3.3.4 Elaboracin de los separadores de las placas .................................... 54

3.4. DISEO Y CONSTRUCCIN DEL DEPSITO Y DEL

BURBUJEADOR .......................................................................................... 58

3.4.1 Especificaciones tcnicas del depsito y burbujeador ....................... 58

3.4.2 Componentes del depsito y del burbujeador ..................................... 59

3.4.3 Construccin del depsito y del burbujeador ...................................... 60

3.5 DISEO DEL CIRCUITO ELCTRICO ................................................. 63

3.6 COMPONENTES DEL CIRCUITO ELCTRICO ................................... 65

4. CAPTULO IV

INSTALACIN DEL SISTEMA DE GENERACIN DE HHO EN EL

VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY ................................................... 68

4.1 INSTRUCCIONES DE SEGURIDAD ..................................................... 68

4.2 CONSIDERACIONES INICIALES .......................................................... 68

4.3 COMPONENTES DEL SISTEMA PARA LA INSTALACIN ................. 69

4.4 PROCESO DE INSTALACIN DEL SISTEMA ...................................... 70

4.4.1 Generador de hho ............................................................................... 70

4.4.2 Depsito y burbujeador ....................................................................... 71

4.4.3 Sistema de control ............................................................................. 72

4.4.4 Mangueras .......................................................................................... 72

4.5 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA ....................................................... 72

4.6 MANTENIMIENTO DEL SISTEMA DE GENERACIN DE GAS HHO .. 73

4.6.1 Nivel de agua destilada ....................................................................... 73


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xii

4.6.2 Mangueras y acoples .......................................................................... 73

4.6.3 Limpieza del generador....................................................................... 74

5. CAPTULO V

PRUEBAS Y ANLISIS DE RESULTADOS ............................................... 75

5.1 PRUEBAS DE POTENCIA Y TORQUE ................................................. 75

5.2 PRUEBAS DE AUTONOMA (CONSUMO DE COMBUSTIBLE) .......... 80

5.3 EMISIONES DE GASES CONTAMINANTES ....................................... 82

6. CAPTULO VI

MARCO ADMINISTRATIVO........................................................................ 86

6.1 RECURSOS ........................................................................................... 86

6.1.1 Recursos humanos ............................................................................. 86

6.1.2 Recursos tecnolgicos ........................................................................ 87

6.1.3 Recursos materiales ........................................................................... 87

6.2. COSTO DE CONSTRUCCIN E INSTALACIN DEL SISTEMA DE

GENERACIN DE HHO .............................................................................. 88

CONCLUSIONES ........................................................................................ 91

RECOMENDACIONES ................................................................................ 93

BIBLIOGRAFA ........................................................................................... 94

NETGRAFA ................................................................................................ 94

ANEXOS ...................................................................................................... 97

ANEXO A: FICHA TCNICA - ACERO INOXIDABLE 316L

ANEXO B: HOJA DE DATOS DE SEGURIDADAGUA DESTILADA

ANEXO C: HOJA DE DATOS DE SEGURIDADHIDRXIDO DE POTASIO

ANEXO D: PLANOS

ANEXO E: ARTCULO DE INVESTIGACIN


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xiii

NDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Operacionalizacin de la variable independiente ........................... 6

Tabla 1.2 Operacionalizacion de la variable dependiente .............................. 7

Tabla 2.1 Especificaciones tcnicas del motor Kawasaki Zx 750F ................ 9

Tabla 2.2 Caractersticas del hidrgeno ...................................................... 13

Tabla 2.3 Caractersticas del agua destilada ............................................... 29

Tabla 2.4 Caractersticas del hidrxido de potasio ...................................... 30

Tabla 2.5 Tabla de umbrales (Rangos de calificacin ................................. 36

Tabla 3.1 Ficha tcnica del generador de gas HHO .................................... 38

Tabla 3.2 Dimensiones de los componentes ............................................... 39

Tabla 3.3 Resultado de rea y volumen ...................................................... 40

Tabla 3.4 Disociacin del agua .................................................................... 42

Tabla 3.5 Clculo de variables ..................................................................... 42

Tabla 3.6 Volumen de gas HHO obtenido ................................................... 42

Tabla 3.7 Componentes del generador de hidrgeno .................................. 47

Tabla 3.8 Ficha tcnica del depsito y burbujeador ..................................... 58

Tabla 3.9 Componentes del depsito y del burbujeador .............................. 60

Tabla 3.10 Caracteristicas de cables elctricos ........................................... 64

Tabla 3.11 Componentes del circuito elctrico ............................................ 65

Tabla 4.1 Componentes del sistema para la intalacin ................................ 69

Tabla 5.1 Resultados de torque y potencia .................................................. 78

Tabla 5.2 Resultados de consumo de combustible obtenidos ..................... 81

Tabla 5.3 Resultados de autonoma obtenidos .......................................... 832

Tabla 5.4 Resultados obtenidos prueba de gases (ralent) .......................... 83Tabla 6.1 Recursos humanos ...................................................................... 86

Tabla 6.2 Recursos tecnolgicos ................................................................. 87

Tabla 6.3 Recursos materiales .................................................................... 88

Tabla 6.4 Costo de construccion e instalacin del sistema HHO ................. 89

Tabla 6.5 Gasto total del proyecto presentado ............................................ 90


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xiv

NDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Emisiones de CO2 per cpita en Ecuador .................................... 1

Figura 1.2 rbol del problema ........................................................................ 2

Figura 1.3 Disminucin de concentracin de contaminantes atmosfricos . 5

Figura 2.1 Motor Kawasaki ZX 750F .............................................................. 8

Figura 2.2 Nomenclatura Kawasaki ............................................................... 9

Figura 2.3 Elementos del sistema de alimentacin por gravedad ................ 10

Figura 2.4 Ilustracin del globo de Jacques Charles ................................... 11

Figura 2.5 Pila de combustible de Grove ..................................................... 12

Figura 2.6 Fuentes de obtencin del hidrgeno ........................................... 14

Figura 2.7 Produccin de hidrgeno por combustibles fsiles ..................... 15

Figura 2.8 Esquema de un electrolizador alcalino de dos celdas ................ 16

Figura 2.9 Concentrador solar de Odeillo Francia ....................................... 17

Figura 2.10 Almacenamiento de hidrgeno ................................................. 18

Figura 2.11 Tanque de almacenamiento de hidrgeno presurizado ............ 19

Figura 2.12 Depsito criognico de hidrgeno del Saturno V ...................... 19

Figura 2.13 Pequea unidad de almacenamiento de hidruros metlicos ..... 20

Figura 2.14 Nanoestructuras de carbono ..................................................... 21

Figura 2.15 Rendimientos de distintos sistemas de produccin de energa

en funcin de su potencia ......................................................... 22

Figura 2.16 Antorcha de soldadura con gas Brown ..................................... 23

Figura 2.17 Principio de electrlisis del agua ............................................... 25

Figura 2.18 Principio de electrlisis del agua ............................................... 25

Figura 2.19 Representacin de celda hmeda y celda seca ..................... 26Figura 2.20 Celda generadora seca ............................................................. 27

Figura 2.21 Celda generadora hmeda ....................................................... 27

Figura 2.22 Agua destilada comercial .......................................................... 28

Figura 2.23 Hidrxido de potasio en polvo ................................................... 31

Figura 2.24 Planchas de acero inoxidable 316l ........................................... 31

Figura 2.25 Poliuretano ................................................................................ 32

Figura 2.26 Gases producto de la combustin ............................................ 33


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xv

Figura 3.1 Diagrama de flujo de elaboracin de las placas positivas,

negativas y neutras ................................................................... 49

Figura 3.2 Sealado y corte de las placas ................................................... 50

Figura 3.3 Corte del chafln de las placas neutras ...................................... 50

Figura 3.4 Placa neutra con los orificios de fijacin ..................................... 51

Figura 3.5 Placa neutra ................................................................................ 51

Figura 3.6 Placa negativa y positiva con chafln ......................................... 51

Figura 3.7 Placa positiva y negativa con perforaciones de sujecin y de

alimentacin de energa ............................................................ 52

Figura 3.8 Placas positivas y negativas ....................................................... 52

Figura 3.9 Topes posterior y frontal con chafln .......................................... 53

Figura 3.10 Tope posterior ........................................................................... 53

Figura 3.11 Tope frontal ............................................................................... 53

Figura 3.12 Placa frontal con los conectores rpidos .................................. 54

Figura 3.13 Diagrama de flujo de elaboracin de los separadores .............. 54

Figura 3.14 Poliuretano ................................................................................ 55

Figura 3.15 Separador con chafln .............................................................. 55

Figura 3.16 Separador con corte interno ..................................................... 55

Figura 3.17 Separador de las placas ........................................................... 56

Figura 3.18 Distribucin de las placas ......................................................... 56

Figura 3.19 Polos positivos y negativos del generador de gas HHO ........... 57

Figura 3.20 Generador de gas HHO ............................................................ 57

Figura 3.21 Tubo PVC (policloruro de vinilo) ............................................... 61

Figura 3.22 Tapn, neplo y tuerca ............................................................... 61

Figura 3.23 Tapn con orificios de 0,032 m, 0,008 m y 0,0095 m ............... 61

Figura 3.24 Parte superior del depsito ....................................................... 62

Figura 3.25 Parte inferior del depsito ......................................................... 62

Figura 3.26 Depsito y burbujeador ............................................................. 62

Figura 3.27 Esquema elctrico .................................................................... 63

Figura 3.28 Mdulo de control ..................................................................... 67

Figura 4.1 Diagrama de alimentacin del gas HHO ..................................... 70

Figura 4.2 Ubicacin del generador del gas HHO........................................ 70

Figura 4.3 Fijacin del generador del gas HHO ........................................... 71Figura 4.4 Fijacin del depsito y burbujeador ............................................ 71


16/122

xvi

Figura 5.1 Pruebas en el dinammetro de rodillos ....................................... 75

Figura 5.2 Pantalla del software DynoRace ................................................. 76

Figura 5.3 Lmpara estroboscpica SNAP-ON .......................................... 76

Figura 5.4 Grfica de potencia y torque con el sistema de gasolina

convencional ............................................................................. 77

Figura 5.5 Grfica de potencia y torque con el sistema dual gasolina

-HHO ......................................................................................... 78

Figura 5.6 Anlisis de potencia mxima ...................................................... 79

Figura 5.7 Anlisis de torque ....................................................................... 79

Figura 5.8 Mapa de recorrido para pruebas de autonoma .......................... 80

Figura 5.9 Anlisis de consumo de combustible .......................................... 81

Figura 5.10 Medicin de gases contaminantes ............................................ 82

Figura 5.11 Emisiones de CO ...................................................................... 84

Figura 5.12 Emisiones de HC ...................................................................... 84

Figura 5.13 Emisiones de CO2..................................................................... 85

Figura 5.14 Emisiones de O2 ....................................................................... 85


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xvii

NDICE DE ECUACIONES

Ecuacin 2.1 Proceso inverso a la electrlisis ............................................. 12

Ecuacin 2.2 Reaccin de la combustin completa de combustible ............ 32

Ecuacin 3.1 rea del rectngulo ................................................................ 39

Ecuacin 3.2 rea del tringulo rectngulo ................................................. 39

Ecuacin 3.3 Ley de Faraday ...................................................................... 40

Ecuacin 3.4 Peso equivalente .................................................................... 41

Ecuacin 3.5 Intensidad de corriente ........................................................... 41

Ecuacin 3.6 Ley de los gases ideales ........................................................ 41


18/122

xviii

RESUMEN

El presente proyecto de investigacin tiene como propsito disear, construir

e implementar un sistema de generacin a bordo de gas HHO tambin

conocido como Gas Brown, obtenindose como resultado un prctico y

eficiente carburante complementario a la gasolina aplicado en la industria

automotriz el cual en un futuro cercano podra reemplazar a los combustibles

derivados del petrleo. El gas HHO producido a demanda se suministr de

forma directa al sistema de alimentacin del motor de cuatro tiempos marca

Kawasaki modelo ZX 750F del vehculo monoplaza tipo Buggy, en el cual se

combina con la mezcla aire combustible, sin la necesidad de realizar

modificaciones y sin la utilizacin de un depsito de almacenamiento de

hidrgeno. El mencionado gas se obtuvo mediante el principio de electrlisis

del agua. Se utiliz una solucin electroltica que permite separar el agua en

sus elementos constitutivos, hidrgeno y oxgeno en forma gaseosa. El

proceso de disociacin molecular del agua se realiz dentro de la celda

generadora, alimentada por la corriente elctrica que suministra la batera

del vehculo. Una vez instalado el sistema y con la finalidad de estudiar losefectos del gas HHO, se analiz el rendimiento del motor de combustin

interna del monoplaza mediante el estudio de las curvas caractersticas del

motor como potencia, torque, autonoma (consumo de combustible) y

emisin de gases contaminante para verificarla factibilidad tcnica del uso

del hidrgeno como combustible alternativo.

PALABRAS CLAVES

GAS BROWN

HIDRGENO (COMBUSTIBLE)

AUTOMVILES - EMISIN DE GASES

COMBUSTIBLE ALTERNATIVO


19/122

xix

ABSTRACT

This research project aims to design, build and implement an on board-

system that generates HHO gas also known as Brown Gas, resulting in a

practical and efficient supplemental to gasoline fuel applied in the automotive

industry which in the near future could replace to petroleum fuels. The HHO

gas produced on demand was supplied directly to the feed system of four-

stroke engine brand Kawasaki ZX 750F of the vehicle Buggy type, which is

combined with the mixture air-fuel without the need for modifications and

without using a hydrogen storage tank. The gas obtained by the water

electrolysis principle. An electrolytic solution allows separating water into itsconstituent elements in gaseous form, hydrogen and oxygen. Molecular

dissociation of water process was performed within the generating cell, fed

by electric current supplied by the vehicle battery. Once installed the system

in order to study the effects of HHO gas, the performance of internal

combustion engine of the car was analyzed by studying the characteristic

curves of the engine as power, torque, range (fuel consumption) and

emission of pollutant gases to verify the technical feasibility of usinghydrogen as an alternative fuel.

KEYWORDS

BROWN GAS

HYDROGEN (FUEL)

GAS EMISSIONSAUTOMOBILE

ALTERNATIVE FUEL


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1

1. CAPTULO I

INVESTIGACIN DEL USO DEL HIDRGENO COMO

COMBUSTIBLE EN MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

1.1. ANTECEDENTES

El consumo de petrleo como fuente de energa en motores de

combustin interna a gasolina y el agotamiento de los hidrocarburos debido

a la creciente demanda en la industria han incidido directamente sobre el

aumento de la contaminacin global.

En el ao 2013 se matricularon en el pas 1.717.886 vehculos(Instituto

Nacional de Estadsticas y Censos - INEC, 2013) y al finalizar el ao 2014

esta cifra super los 1.8 millones de vehculos a escala nacional(Agencia

Nacional de Trnsito, 2014). Por otra parte, las emisiones de dixido de

carbono derivadas de la quema de combustibles fsiles en Ecuador han

alcanzado las 2.2 toneladas mtricas per cpita en el ao 2010, cifra similar

establecida para el ao 2014 (Grupo Banco Mundial, 2015)

Figura 1.1 Emisiones de CO2 per cpita en Ecuador

Fuente: (Banco Mundial, 2015)


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2

Ambas problemticas han generado un inters por buscar nuevas

alternativas como fuentes de energa. En este contexto, el hidrgeno

constituye una importante alternativa para complementar a los

hidrocarburos, el cual actualmente es utilizado en vehculos como pila de

combustible o como combustible propiamente dicho, pudindose obtener a

partir del agua o de compuestos qumicos como el metanol.

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La marcada dependencia hacia los combustibles fsiles en los ltimos

aos (carbn, petrleo y gas natural) plantea un difcil inconveniente ya questos no representan un recurso infinito. Con el tiempo, el planeta se

quedar sin combustibles fsiles o el costo por obtenerlos ser demasiado

elevado. Adicionalmente, los combustibles fsiles hacen que la

contaminacin del aire, agua y suelo provoque gases de efecto invernadero

que contribuyen al calentamiento global. Todos estos factores negativos

traen consigo efectos negativos en la salud de los seres vivos.

Figura 1.2 rbol del problema


22/122

3

Por otro lado, no existe la suficiente informacin tcnica y acadmica en

lo que respecta al tema de los combustibles alternativos debido a que la

investigacin dentro de este campo es muy limitada. Adems existe la

imperiosa necesidad de desarrollar mecanismos efectivos y eficientes que

permitan optimizar los principales parmetros de los motores de combustin

interna: potencia, torque y consumo de combustible.

Esto ha incentivado a impulsar el desarrollo y ejecucin de este proyecto

vinculado con la energa alternativa por medio de la utilizacin de

combustibles amigables con el medio ambiente. De esta manera se pretende

desarrollar un sistema eficiente que, mediante mnimas modificaciones,

busca principalmente mejorar las condiciones de funcionamiento del motor

de combustin interna y as reducir las emisiones contaminantes que ste

genera.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GENERAL

Disear e instalar un sistema de alimentacin gasolina HHO en el

motor de combustin interna del vehculo monoplaza tipo Buggy para reducir

la contaminacin ambiental a causa del uso de combustibles fsiles.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Seleccionar los componentes necesarios para construir el generadorHHO para la produccin de hidrgeno.

Adaptar al sistema de alimentacin los elementos de control para el

funcionamiento del motor Kawasaki ZX 750 del monoplaza Buggy

con dos carburantes.

Utilizar el gas HHO en el motor de combustin interna como

combustible de uso automotriz.

Realizar las pruebas de torque, potencia, consumo de combustible yautonoma del vehculo monoplaza tipo Buggy.


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4

1.4 HIPTESIS

La utilizacin del hidrgeno como combustible alternativo en vehculos

automotrices permitir reducir las emisiones de gases contaminantes sin

afectar las caractersticas mecnicas de funcionamiento del motor de

combustin interna.

1.5 REA DE INFLUENCIA

Provincia:Cotopaxi

Cantn: Latacunga

Parroquia:Matriz

Departamento:Energa y Mecnica

Laboratorio de:Mecnica de Patio

1.6 JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA

El desarrollo de las principales ciudades en el Ecuador en los ltimos

aos ha sido muy notable, as como tambin el crecimiento del parque

automotor y el uso excesivo del petrleo como fuente principal de

combustible para los vehculos con motores gasolina y diesel.

A pesar de que en la ltima dcada en nuestro pas los niveles de

concentracin de contaminantes han ido disminuyendo, mostrndose

mejoras en la calidad del aire, an no se ha podido cumplir con los

estndares de calidad ambiental. Las fuentes mviles, cuyo crecimiento

anual es superior al 7%, originan la emisin principal que afecta la calidad

del aire. El crecimiento del parque automotor en el Ecuador origina un

aumento del trfico vehicular dificultando el cumplimiento de las normas

ambientales de calidad, que a su vez ocasiona una contaminacin directa

del medio ambiente, afectando por ende de la salud humana (Secretara de

Ambiente, 2014)


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5

Figura 1.3 Disminucin de concentracin de contaminantes

atmosfricos

Fuente:(Secretara de Ambiente, 2014)

Con la ejecucin de esta idea se espera obtener beneficios a corto y

largo plazo, mediante la instalacin de un generador de gas HHO, intentando

obtener un mayor recorrido del vehculo con menor cantidad de gasolina,

adems de disminuir el alto grado de contaminacin que producen los

vehculos, con el fin de aminorar el ndice de enfermedades causadas por la

polucin. La principal ventaja de usar hidrgeno como fuente de energa en

el proceso de combustin es que no genera emisiones contaminantes

debido a que como resultado de la combustin se genera vapor de agua,

disminuyendo de esta manera el impacto al medio ambiente producido por

motores y el funcionamiento de sus sistemas de alimentacin.


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6

1.7 VARIABLES DE LA INVESTIGACIN

Disear e instalar un sistema de alimentacin gasolina HHO en el

motor de combustin interna del vehculo monoplaza tipo Buggy para reducir

la contaminacin ambiental a causa del uso de combustibles fsiles.

1.7.1. VARIABLE INDEPENDIENTE

Sistema de alimentacin gasolinaHHO.

Tabla 1.1

Operacional izacin de la v ariable ind ependiente

SISTEMA DE ALIMENTACIN GASOLINAHHO

Concepto Categora Indicador Preguntas

SistemadealimentacingasolinaH

HO

Te

cnolgica

Nmero de placas delgenerador de gas HHO

22

Cuntas placas sonnecesarias para el diseo del

generador de gas HHO?

Almacenamiento de aguaen el depsito 0.5 L

capacidad 2 L

Cul es la capacidad dealmacenamiento de agua enel depsito?

Intensidad de corriente dealimentacin delgenerador de gas HHO =

12 A

Qu intensidad de corrientede alimentacin produce el


Proporcin de electrolitopor litro de agua = 20 gr/l

Cul es la proporcin idealde electrolito por litro deagua?

Fuentes de alimentacinpara el proceso de

electrolisis = 1

Cuntas fuentes dealimentacin se necesitanpara el proceso deelectrolisis?


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7

1.7.2. VARIABLE DEPENDIENTE.

Contaminacin ambiental

Tabla 1.2

Operacional izacin de la v ariable depend iente

SISTEMA DE ALIMENTACIN GASOLINAHHO

Concepto Categora Indicador Preguntas

Contaminacinambiental

Tecnolgica

Cantidad de COgenerada 0,4 %

Cul es la cantidad de COgenerada en el proceso decombustin?

Cantidad de HC nocombustionadosppm 250

Cuntas ppm de HC nocombustionados se producenen el proceso decombustin?

Cantidad de CO2generada 14,5%

Qu intensidad de corrientede alimentacin produce el


Proporcin de electrolitopor litro de agua = 20 gr/l

Cul es la proporcin idealde electrolito por litro deagua?

Fuentes de alimentacinpara el proceso deelectrolisis = 1

Cul es el porcentaje de lacantidad de CO2 generadaen el proceso de

combustin?


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8

2. CAPTULO II

MARCO TERICO

2.1 DESCRIPCIN GENERAL DEL MOTOR KAWASAKI ZX 750F

El motor utilizado para el desarrollo del proyecto pertenece a una

motocicleta marca Kawasaki modelo ZX 750 F, fabricada en el ao 1987.

Segn datos proporcionados por el Manual de Servicio Kawasaki (1987) es

un motor tipo DOHC de cuatro tiempos con cuatro cilindros en lnea (4

vlvulas por cilindro), con un sistema de refrigeracin por agua. Es ligero,

pequeo y potente en comparacin a los motores con 750 c.c. de potencia

del resto de constructores. Es ideal para realizar recorridos largos y de baja

velocidad.

Figura 2.1 Motor Kawasaki ZX 750F

2.1.1 IDENTIFICACIN DEL MOTOR

Es el cdigo de informacin nico para cada motor Kawasaki, en este

caso va impreso junto a la tapa de llenado del aceite de motor en la parte

izquierda del mismo. En Estados Unidos se utilizan las letras E / F / G / H

para denominar el ao de fabricacin. En otros pases, en este caso

especficamente la motocicleta Kawasaki ZX 750F es conocida como GPX

750R.


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9

Figura 2.2 Nomenclatura Kawasaki

Fuente: (Manual de Servicio Kawasaki, 1987)

Tabla 2.1

Especif icaci on es tcn icas del m oto r K awasaki ZX 750F

APLICACIN ESPECIFICACIN

Tipo Cuatro tiempos, cuatro cilindros, doble rbol de levas

Sistema de enfriamiento Refrigeracin por agua

Cilindraje 742 cm

Compresin 11,2:1

Potencia 73,6 kW (100 CV) a 10500 rpmTorque Mximo 70,6 Nm (7,2 kgm) a 8500 rpm

Sistema de combustible Carburador, Keihin CVK34x4

Sistema de arranque Arranque elctrico

Sistema de encendido Encendido transistorizado

Bujas NGK DR8ES o ND X27ESR-U

Numeracin de loscilindros

De izquierda a derecha, 1-2-3-4

Orden de encendido 1-2-4-3

Sincronizacin devlvulas

Avance de la Apertura de Admisin: 35 antes del PMSRetraso del Cierre de Admisin: 65 despus del PMI

Avance de la Apertura de Escape: 65 antes del PMI

Retraso del Cierre de Escape: 35 despus del PMS

Lubricacin Forzada (crter hmedo con enfriador)

Viscosidad del aceite SAE10W40, 10W50, 20W40 o 20W50

Fuente:(Manual de Servicio Kawasaki, 1987)


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2.1.2 SISTEMA DE ALIMENTACIN DE COMBUSTIBLE

El sistema de alimentacin de combustible correspondiente al motor del

prototipo en el que implement el sistema de generacin de gas Brownfunciona por el principio de gravedad.

(Crouse & Anglin, 1992) mencionan que en este tipo de sistema, que es

el ms utilizado en motores de motocicletas, la gasolina circula desde el

depsito (con capacidad de almacenamiento de 5 galones) hasta la llave de

paso, la cual permite regular la cantidad de gasolina que continuar su

recorrido hacia el filtro de combustible.

Figura 2.3 Elementos del sistema de alimentacin por gravedad

El depsito en su parte interna posee un pequeo prefiltro que es elencargado de retener pequeas partculas de suciedad presentes en el

combustible o en el mismo depsito. Finalmente el combustible ingresa a los

carburadores individuales que se encargan de dosificar y suministrar la

mezcla correcta de aire combustible a los cilindros. Generalmente los

sistemas de alimentacin de motocicletas poseen un carburador por cilindro.


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2.2 EL HIDRGENO

2.2.1 ANTECEDENTES DEL USO DEL HIDRGENO

(Llorca, 2010) manifiesta que en el ao 1788 Antoine Lavoisier emple

por primera vez el trmino hidrgeno haciendo referencia de la capacidad

del hidrgeno para producir agua (hidrgeno en griego significa agua). Sin

embargo el primer uso del hidrgeno fue en el ao 1783 cuando Jacques

Alexandre Charles construy el Charliere, un globo aerosttico de

hidrgeno que alcanz los tres metros de altura, mejorando posteriormente

su diseo con un prototipo no tripulado el cual contaba con un dispositivo

que produca hidrgeno en grandes cantidades a partir de cido sulfrico ylimaduras de hierro como elementos iniciales.

Figura 2.4 Ilustracin del globo de Jacques Charles

Fuente: www.nationalgeographic.com.es

Segn (Llorca, 2010) las propiedades energticas del hidrgeno fueron

descubiertas por William Robert Grove. Entre los aos 1893 y 1842 cre lallamada batera a gas. Esta batera se basaba en el principio de la

electrlisis, que consiste en pasar corriente a travs del agua con la finalidad

de separarla en sus componentes constitutivos, es decir, en hidrgeno y

oxgeno.


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Figura 2.5 Pila de combustible de Grove

Fuente: (Llorca, 2010)

Grove creo su batera en funcin al proceso inverso de la electrlisis, esdecir, recombinando el hidrgeno y el oxgeno y obteniendo como resultado

agua y electricidad.

Ecuacin 2.1 Proceso inverso a la electrlisis


2.2.2 PROPIEDADES DEL HIDRGENO

En su estudio (Guervs, 2003) concluye

Las principales caractersticas de la molcula de hidrgeno son que

es inodoro, incoloro, inspido, inflamable y en condiciones ambiente

se encuentra en estado gaseoso. Adems es el elemento ms

simple, ligero y abundante ya que, como tomos, constituyeaproximadamente el 11% de la masa del agua y el 75% del sol.

Tambin es muy abundante en la corteza terrestre, ya que lo

podemos encontrar en todos los hidrocarburos, en los cidos, en la

materia viva y en muchos minerales. (p. 19)


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Tabla 2.2

Carac tersti cas d el hid rgen o

PROPIEDADES GENERALES DEL HIDRGENOPunto de fusin -259,1 C

Punto de ebullicin -252,7 C

Temperatura crtica -239,8 C

Densidad del lquido 0,0709 g/cm

Densidad del gas 0,0899 kg/m

Solubilidad en el agua (en 100 partes)a 0 C: 2,1 cm

a 80 C: 0,85 cm3

Istopos

H-1

H-2 (deuterio)

H-3 (radioactivo, periodo 12, 26aos)

PAR METROS DE SEGURIDAD

Lmites de inflamabilidad en el aire, % volumen4,075,0

Lmites de detonacin en el aire, % volumen 18,359,0

Lmites de inflamabilidad en oxgeno, % volumen 4,594,0

Lmites de detonacin en oxgeno, % volumen 15,090,0

Temperatura de ignicin en el aire 585 C

Temperatura de ignicin en el oxgeno 560 C

Temperatura de la llama en el aire 2045 C

Calor de combustin 285,8 KJ/mol

Fuente:(Gutirrez, 2005)

2.2.3 MTODOS DE OBTENCIN DEL HIDRGENO

(Llorca, 2010) El hidrgeno puede obtenerse a partir de fuentesrenovables (elica, solar, biomasa, etc.) y no renovables (combustibles

fsiles y nuclear) mediante diversos mtodos, siendo los procesos

termoqumicos de reformado y la electrolisis del agua los ms comunes.

(p.32)


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14

Figura 2.6 Fuentes de obtencin del hidrgeno


a. A PARTIR DE LOS COMBUSTIBLES FSILES

Segn (Llorca, 2010) el principal mtodo de obtencin es el reformado. Se

producen alrededor de ciento treinta mil toneladas de hidrgeno a partir de

los combustibles fsiles. Es sin duda en la actualidad la forma mseconmica de obtener hidrgeno (95% de la produccin mundial) dejando de

lado a la obtencin de hidrgeno por electrlisis del agua (4% de la

produccin mundial de hidrgeno) a pesar de la simplicidad de su proceso.

Es importante destacar que la obtencin del hidrgeno a partir del carbn es

muy antigua y se realiza al poner en contacto el carbn con el agua a una

temperatura de 1000 C aproximadamente. Sin embargo la mayor parte de

hidrgeno se obtiene por medio del gas natural ya que es un combustiblecuya extraccin, transporte y distribucin resultan relativamente econmicos.


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Figura 2.7 Produccin de hidrgeno por combustibles fsiles


b. A PARTIR DE LA BIOMASA

(Llorca, 2010) menciona que los mtodos de obtencin directos que se

utilizan para obtener hidrgeno a partir de la biomasa. El primer mtodo es la

gasificacin que resulta un proceso sencillo que requiere una preparacin

previa de la biomasa pero la cantidad de hidrgeno es muy baja. Tambin se

puede obtener hidrgeno a partir de biocombustibles, el cual resulta mucho

ms eficiente que la gasificacin pero con la desventaja de que se necesita

un procesamiento previo de la biomasa.

c. A PARTIR DE LA ELECTRLISIS

El hidrgeno obtenido por este mtodo es de alta pureza en comparacin

con los otros mtodos.

48%

30%

18%

4%

Gas Natural

Petrleo

Carbn

Electrlisis


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Figura 2.8 Esquema de un electrolizador alcalino de dos celdas


(Llorca, 2010) detalla

En la electrlisis de agua no se utiliza agua pura ya que sta no es un

buen conductor inico, resulta necesario variar el pH del electrolito

mediante la adicin de un cido o una base, de modo que aumente la

concentracin de protones o grupos hidroxilo, respectivamente, y la

movilidad inica sea lo suficientemente grande como para disminuir la

resistencia elctrica y no contribuir de manera apreciable al

sobrepotencial. Normalmente se utiliza un medio alcalino porque el

medio cido conlleva problemas de corrosin ms importantes. Las

bases que se aaden acostumbran a ser hidrxido de sodio, NaOH, o de

potasio, KOH. (p. 19)

d. A PARTIR DEL SOL

En el 2010, Llorca menciona que las formas ms importantes para obtener

hidrgeno a partir del sol son a partir de la electrlisis del agua, donde la

energa elctrica proviene de celdas fotovoltaicas El otro mtodo es la

fotlisis en la cual se produce una rotura del agua a travs de radiacin

solar en las zona visible del espectro.


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Figura 2.9 Concentrador solar de Odeillo Francia

Fuente: www.asme.org

e. A PARTIR DE ENERGA NUCLEAR. CICLOS TERMOQUMICOS

(Llorca, 2010) manifiesta en su investigacin que la electrlisis del agua a

elevada temperatura se realiza con la ayuda de importantes cantidades de

calor generadas en las centrales nucleares. Se puede tambin desarrollar

ciclos termoqumicos para la produccin de hidrgeno. En estos procesos es

posible realizar la separacin del agua en oxgeno e hidrgeno pero a bajas

temperaturas a travs del enlace de distintas reacciones qumicas.

2.2.4 ALMACENAMIENTO

(Botas, Calles, Dufour, & San Miguel, 2005) explican

En la actualidad existen distintas formas de almacenar hidrgeno, tanto

para aplicaciones estacionarias como para el sector del transporte (en

forma gaseosa, lquida, combinado qumicamente o adsorbido en slidos

porosos), dependiendo su eleccin de diferentes factores como el

proceso final en el que se vaya a emplear, la densidad energtica

requerida, la cantidad a almacenar y la duracin del almacenamiento, la

existencia de otras posibles formas de energa disponibles, los costes y

necesidades de mantenimiento de la instalacin, y los costes de

operacin (S. Dunn, 2002). (p. 7)


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18

a) Comprimido, b) Hidratos metlicos, c) liquido, d) Nanotubos de carbono

Figura 2.10 Almacenamiento de hidrgeno

Fuente: (Proa, 2011)

(Botas et al., 2005) concluyeron

En el caso del empleo de hidrgeno como combustible para el

transporte, uno de los principales problemas a resolver es la falta de los

medios adecuados para su almacenamiento en el propio vehculo,

cumpliendo los requisitos de seguridad, costos, y las caractersticas de

suministro requeridas (S. Hynek y col., 1997; H. Cheng y col., 2001). (p.

8)

a. ALMACENAMIENTO EN FORMA GASEOSA

(Botas et al., 2005) Este tipo de almacenamiento (presiones superiores a 20

MPa) requiere que los depsitos sean pesados y voluminosos, adems de

plantear cuestiones de seguridad tanto en los vehculos como en los

depsitos de almacenamiento, distribucin y carga de hidrgeno.


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19

Figura 2.11 Tanque de almacenamiento de hidrgeno presurizado

Fuente: www.fuelcell.no

b. ALMACENAMIENTO EN FORMA LQUIDA

(Botas et al., 2005) mencionan

La opcin del almacenamiento de hidrgeno en estado lquido en

recipientes criognicos requiere alcanzar temperaturas de

almacenamiento muy bajas (21,2 K), haciendo inevitable su prdida por

volatilizacin incluso empleando las mejores tcnicas de aislamiento.

Adems, el alto consumo energtico asociado al enfriamiento,

aproximadamente el 30% de la energa almacenada, hace que estaopcin resulte inviable en la prctica, desde el punto de vista econmico,

salvo en aquellas aplicaciones donde el coste de hidrgeno no sea un

factor crtico y ste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por

ejemplo, en aplicaciones aeroespaciales) (L. Zhou, 2004; A. Zttel,

2004). (p. 8)

Figura 2.12 Depsito criognico de hidrgeno del Saturno V

Fuente: www.agrupasuma.com


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c. COMBINACIN QUMICA (HIDRUROS METLICOS)

(Botas et al., 2005) precisan

Numerosos metales de transicin, y sus aleaciones, pueden ser

utilizados para almacenar hidrgeno en forma de hidruros metlicos.

Estos hidruros se forman por reaccin con hidrgeno, siendo ste

absorbido en la estructura metlica, y pudiendo ser desorbido gracias a

pequeas variaciones de presin (E. Fakioglu y col., 2004). (p. 9)

Figura 2.13 Pequea unidad de almacenamiento de hidruros metlicos

Fuente: www.fuelcell.no

d. ADSORCIN EN SLIDOS POROSOS (NANOESTRUCTURAS DE

CARBONO)

(Botas et al., 2005) en su investigacin concluyen

Los primeros trabajos publicados basados en nanoestructuras de

carbono mostraban almacenamientos excepcionales de hasta el 60% en

peso. Desde entonces y hasta el momento, se est dedicando un gran

esfuerzo al estudio de nanoestructuras de carbono con elevada

superficie especfica (fibras, nanotubos y carbones activos) concluyendo

que la cantidad de hidrgeno adsorbida a baja temperatura (77 K) es

proporcional a la superficie especfica BET de la nanoestructura de

carbono, independientemente de la estructura geomtrica del carbn,

con valores mximos muy inferiores a los anteriormente indicados(M.

Conte y col., 2004; M. Ritschel y col., 2002;G.G. Tibbetts y col., 2001).

(p. 9)


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Figura 2.14 Nanoestructuras de carbono

Fuente: arquitecturacarbono.wordpress.com

2.2.5 USOS DEL HIDRGENO EN AUTOMOCIN

(Hernndez & Rodrguez, 2010) sugieren

El hidrgeno se puede emplear en automocin de dos formas distintas.

Se puede emplear como combustible de un motor de combustin interna

alternativo (M.C.I.). En este caso su rendimiento mximo sobre el poder

calorfico inferior (P.C.I.) es del 27% aproximadamente (rendimiento

medido como el cociente entre la energa mecnica a la salida deleje del

motor y la energa entregada por el combustible. Tambin se puede

emplear como combustible de una pila de combustible. En este caso el

rendimiento est en torno al 60% sobre el P.C.I. (rendimiento medido

como el cociente entre la energa entregada por el eje del motor elctrico

y la energa entregada por el combustible de la pila).


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Figura 2.15 Rendimientos de distintos sistemas de produccin de

energa en funcin de su potencia


a. VENTAJAS

(Hernndez & Rodrguez, 2010) mencionan entre las principales

ventajas:

Es tres veces ms ligero que la gasolina

Su combustin es muy "limpia", ya que la reaccin del hidrgeno con

oxgeno slo produce agua, aunque con determinadas relaciones

hidrgeno-aire se producen xidos de nitrgeno (NOx).

Al obtener hidrgeno mediante electrlisis disminuye el impacto

medioambiental provocado por la extraccin de petrleo.

Al utilizarse en pilas de combustible su rendimiento energtico es

mayor (convertir el combustible en energa elctrica es ms eficiente

que quemarlo al estar este ltimo sujeto a la segunda Ley de la

Termodinmica.

Permite aprovechar la energa cintica del vehculo cuando ste se

detiene al convertirla en energa elctrica mientras que un vehculo

con M.C.I. la convierte en calor en los frenos.


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b. DESVENTAJAS

(Hernndez & Rodrguez, 2010) expresan que existen ciertas

desventajas del hidrgeno como combustible con respecto a combustibles

de origen fsil o biocombustibles:

Requiere grandes recipientes de almacenamiento ya que posee un

bajo P.C.I. por unidad de volumen.

Su transporte y almacenamiento son complejos y costosos.

Es un combustible secundario, es decir se debe consumir energa para

su obtencin a partir de las distintas materias primas (agua, biomasa,

combustibles fsiles) ya que no existe en estado elemental. Al ser una tecnologa emergente se dificulta su comercializacin.

Tiene una demanda pequea, por lo que su precio no puede competir

con el de las tecnologas convencionales.

2.3 SISTEMA DE GENERACIN DE GAS HHO

2.3.1 GAS BROWN

Segn (Zaki, 2012) el gas HHO es conocido tambin como gas Brown,

en honor a Yull Brown, a quien se le acredita la patente de produccin del

gas HHO en el ao 1974.Yull desarroll un mtodo para electrolizar el agua

en una mezcla estequiomtrica exacta obteniendo como resultado una

sustancia utilizada en procesos de soldadura, la cual es altamente inflamable

pero no es combustible, cuando se utiliza correctamente.

Figura 2.16 Antorcha de soldadura con gas BrownFuente: www.watertorch.com


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Diez aos despus de que Brown hizo su descubrimiento en Australia, el

estadounidense William A. Rhodes declar patentes internacionales por un

mtodo similar de creacin de gas HHO (o hidroxi como tambin es

denominado) que se utiliza en la industria de la soldadura. Sin embargo Yull

Brown fue el pionero y principal promotor de su descubrimiento, el cual en la

actualidad se emplea en la industria automotriz.

En los ltimos aos se han desarrollado dispositivos que bajo este

principio generan el gas Brown a demanda, siendo utilizado como

combustible complementario a la gasolina, mejorando su rendimiento y

reduciendo adems el nivel de emisiones. De esta manera se puede

electrolizar pequeas cantidades de agua en un sistema a bordo del

vehculo y convertirla en gas HHO, el cual se enva de forma directa al

sistema de admisin del motor ayudando a que la combustin sea ms

completa y limpia.

2.3.2 CELDAS ELECTROLIZADORAS

La celda de combustible utilizada en este proyecto funciona bajo el

principio de la electrlisis.

(Boyce, 2013) en su investigacin establece que en la tecnologa de

produccin de hidrgeno por electrlisis se divide el agua en sus

componentes: hidrgeno y oxgeno al cargarla con corriente elctrica

continua. La carga rompe el enlace qumico entre el hidrgeno y el oxgeno y

se obtienen los componentes atmicos por separado. Los iones resultantesse forman en dos polos: el nodo, cargado positivamente y el ctodo que

est cargado negativamente. Los iones de hidrgeno se juntan en el ctodo

y reaccionan con ste para formar el gas hidrgeno. El oxgeno pasa por un

proceso similar en el nodo.


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Figura 2.17 Principio de electrlisis del agua

Fuente: www.viewzone.com

(Boyce, 2013) menciona que el principal problema inconveniente de la

electrlisis convencional para la produccin de hidrgeno a gran escala es la

cantidad de electricidad necesaria para realizar el proceso. Se utilizan

mltiples placas de acero inoxidable las cuales se encargan de disipar el

calor. Es tcnicamente ms sencillo liberar el gas hidrgeno en mltiples

placas. Para el efecto se utiliza una solucin electroltica de hidrxido de

sodio.

Figura 2.18 Principio de electrlisis del agua

Fuente: (www.viewzone.com)


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2.3.3 TIPOS DE CELDAS ELECTROLIZADORAS

Existen dos tipos de celdas electrolizadoras que se utilizan en el campo

automotriz. Ambos diseos por lo general se fabrican en acero inoxidable.

Figura 2.19 Representacin de celda hmeda y celda seca

Fuente: tecverde.mex.tl

a. CELDAS SECAS

Son celdas ms fciles de manejar y disear. Las celdas secas oconocidas como dry cells se caracterizan porque, a diferencia de las celdas

hmedas, no se encuentran sumergidas en agua, es decir, la misma celda

es el contenedor. Los electrodos de este tipo de celdas estn separadas por

juntas (generalmente de caucho) las cuales evitan que el agua se escape de

la celda hacia las conexiones elctricas o que el electrolito se ponga en

contacto con los bordes de dichas placas.

Las ventajas de este tipo de celdas con respecto a las celdas hmedas

radica en que, teniendo en cuenta su superficie, se puede utilizar menos

electrolito, por lo tanto el volumen y el peso de la celda es menor.


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Figura 2.20 Celda generadora seca

b. CELDAS HMEDAS

Tambin llamadas sumergibles, se caracterizan porque los electrodos

van sumergidos en la solucin de electrolito dentro de un contenedor. Es un

diseo poco eficiente ya que trae consigo varios inconvenientes de

funcionamiento. El oxgeno producido en el proceso empieza a reaccionar

con la superficie metlica del nodo provocando oxidacin, erosionndola.

Otro inconveniente radica en que no se puede disipar el calor producido por

la electrlisis, producindose vapor de agua que se mezcla con el gas HHO.

Figura 2.21 Celda generadora hmeda

Fuente: mad-science.wonderhowto.com


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2.3.4 REACTIVOS Y MATERIALES SELECCIONADOS

La eficiencia y el correcto funcionamiento de la celda diseada dependen

en gran medida de los reactivos utilizados en el proceso qumico de

electrlisis.

a. AGUA PURIFICADA

(Dvorak & Skipton, 2013) manifiestan que se conoce como purificada al

agua que proveniente de cualquier fuente y que se procesa fsicamente con

la finalidad de eliminar las impurezas. El agua destilada ha sido una de las

formas ms comunes y ms comerciales de agua purificada utilizada en

laboratorios e industrias. El agua destilada elimina todas las impurezas a

travs de la destilacin. La destilacin consiste en hervir el agua para

posteriormente condensar el vapor en un recipiente, separando todos los

contaminantes slidos.

Figura 2.22 Agua destilada comercial

(Santilli, 2005) menciona que errneamente suele utilizarse en elproceso de electrlisis agua de lluvia, agua mineral o agua potable las

cuales presentan minerales, slidos en suspensin y otros contaminantes en

su compasin. Estas impurezas se precipitan fuera del agua cuando se

somete a electrlisis y suelen aparecer en forma de espuma color marrn,

negro o verde. Las consecuencias de utilizar agua potable o de lluvia en el

sistema de produccin de gas Brown son la obstruccin de las placas del

generador por acumulacin y la contaminacin del medio ambiente ya quelas impurezas en forma de slidos acompaan a los gases conocidos que se


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mezclan con el gas HHO, creando reacciones qumicas desconocidas y

txicas. De esta manera el agua destilada debe ser utilizada en la

produccin de gas HHO en cualquier tipo de generador.

Tabla 2.3

Carac tersti cas del ag ua d esti lada

Usos Laboratorio, anlisis, investigacin y qumica fina.

Aspecto Lquido transparente e incoloro.

Olor Inodoro

Punto de ebullicin 100C

Punto de fusin 0C

Presin de vapor (20C) 23 hPaDensidad 1,00

Solubilidad Soluble en etanol

pH 5,06,5

Conductividad 1,5-4,0 mhos/cm

Dureza < 1,0 ppm

Materias que deben evitarse

Metales alcalinos. Formacin de hidrgeno (riesgo de

explosin). Metales alcalinotrreos en polvo.

Anhdridos. cidos fuertes.

Efectos peligrosos para la

salud

No son de esperar caractersticas peligrosas.

Fuente:(CTR SCIENTIFIC, 2015)

b. HIDRXIDO DE POTASIO

Segn (Biggs, 2003) en el proceso de electrlisis, el agua destilada no

puede conducir la electricidad suficiente por s sola. Incluso utilizando agua

potable, agua de lluvia o agua mineral se puede llevar a cabo el proceso de

electrlisis ya que contienen minerales en su composicin, pero la

produccin de gas HHO sera baja. Por esta razn es primordial el uso de

electrolitos que se encargan de transportar corriente elctrica de placa a

placa, acelerando la produccin de HHO. La mejor opcin de electrolito se

juzga por su capacidad de permanecer sin cambios en la reaccin en la que

tiene lugar. Se han realizado pruebas empricas donde se ha encontrado que

el hidrxido de potasio (KOH) y el hidrxido de sodio (NaOH) son dos


49/122

30

sustancias que catalizan de manera eficiente. Dichas pruebas han

demostrado que se produce una mezcla limpia en el generador de gas HHO

al utilizar uno de estos dos catalizadores con el agua destilada, por lo tanto

se obtendr una mezcla ms homognea de dicho gas. El hidrxido de

potasio es el electrolito de mejor calidad ya que es ms estable y no se

consume durante el proceso de electrlisis.

Tabla 2.4

Caracterstic as d el hid rxido de p otasio

Usos Laboratorio, anlisis, investigacin y qumica fina.

Aspecto Slido

Olor Inodoro

Color Blanco, delicuescente

Punto de fusin/punto de

congelacin360C

Punto inicial de ebullicin e

intervalo de ebullicin1.327 C

Densidad relativa 2,04

Solubilidad 1.120 g/l agua 20 C

pH 13,5

Materias que deben evitarse

Metales. Metales ligeros Formacin de hidrgeno

(riesgo de explosin). cidos fuertes. Metales

alcalinotrreos en polvo. Compuestos amoniacales

Efectos peligrosos para la

salud

En contacto con la piel: quemaduras Por contacto

ocular: quemaduras trastornos de visin Por ingestin:

Irritaciones en mucosas de la boca, garganta, esfago

y tracto intestinal. Riesgo de perforacin intestinal y de

esfago.

Mtodos de limpieza

Recoger en seco y depositar en contenedores de

residuos para su posterior eliminacin de acuerdo con

las normativas vigentes. Neutralizar con cido sulfrico

diluido.

Manipulacin Sin indicaciones particulares.

Almacenamiento

Recipientes bien cerrados. Ambiente seco.

Temperatura ambiente. No almacenar en recipientes

metlicos.

Fuente:(CTR SCIENTIFIC, 2015)


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31

Figura 2.23 Hidrxido de potasio en polvo

c. ACERO INOXIDABLE 316 L

(Mang, Barrera, Siss, & Paya, 2013) mencionan que el acero inoxidablegrado 316L es ideal para la construccin de celdas electrolticas debido a la

resistencia a la corrosin y sus excelentes propiedades mecnicas. Estas

celdas son similares al diseo de Stan Meyer, pionero en procesos de

electrlisis. Su celda se construye con 12 tubos concntricos de acero sin

soldadura y con separadores de acero inoxidable 316L.

Figura 2.24 Planchas de acero inoxidable 316l

Fuente: www.stainless-stainless-steel.com

d. POLIURETANO

El caucho cumple la funcin de separar las placas de acero inoxidable,

adems de brindar hermeticidad al generador. Por lo general en la

construccin del generador de gas HHO se utiliza un material no conductor

como el caucho o el plstico.


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32

Figura 2.25 Poliuretano

Fuente: solutions.3m.com

2.4 GASES PRODUCTO DE LA COMBUSTIN DE LA GASOLINA

Segn (BOSCH, 2003) en la siguiente frmula la reaccin de la

combustin completa de combustible en forma ideal (en combinacin con

suficiente oxgeno). Las sustancias secundarias nocivas son producidas

principalmente a factores como la composicin del combustible y las

condiciones no ideales de combustin.

Ecuacin 2.2 Reaccin de la combustin completa de combustible

Fuente: (BOSCH, 2003)


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33

Figura 2.26 Gases producto de la combustin

Fuente: (BOSCH, 2003)

2.4.1 PARTES INTEGRALES PRINCIPALES

a. AGUA (H2O)

El hidrgeno qumicamente ligado contenido en el combustible se quema

formando vapor de agua, que al enfriarse se condensa en su mayor parte.

En das fros es visible como nube de vapor que sale del tubo de escape. Su

contenido en los gases de escape es aproximadamente de un 13,1 %.

b. DIXIDO DE CARBONO (CO2)

El carbono qumicamente ligado contenido en el combustible forma, en

caso de una combustin completa, dixido de carbono (CO2) con una parte

de aprox. un 13,7% en los gases de escape. La cantidad de dixido de

carbono liberada es directamente proporcional al consumo de combustible.

La emisin de dixido de carbono slo se puede reducir a travs delconsumo de combustible.


53/122

34

c. NITRGENO (N2)

El nitrgeno como parte integrante principal (78%) del aire aspirado por

el motor no participa en la combustin del carburante. Con un 71,5%

aproximado representa empero la parte integrante mayor de los gases de

escape.

2.4.2 PARTES INTEGRALES SECUNDARIAS

Al efectuarse la combustin de la mezcla de aire y combustible, se

producen una serie de sustancias integrantes secundarias. La parte de estas

sustancias asciende en los gases de escape brutos (gases de escapedespus de la combustin, antes del tratamiento posterior), teniendo el

motor la temperatura de servicio y con una composicin estequiomtrica de

la mezcla (= 1), a aprox. el 1% de la cantidad total de gases de escape.

a. MONXIDO DE CARBONO (CO)

Se origina monxido de carbono en caso de una combustin incompleta

de una mezcla de aire y combustible rica a causa de falta de aire. Pero

tambin se origina monxido de carbono (aunque slo en medida muy

pequea) en una combustin con exceso de aire, a causa de "excursiones"

ricas o una mezcla de aire y combustible no homognea. Gotitas de

combustible no evaporadas forman zonas ricas que no se queman por

completo. El monxido de carbono es un gas incoloro y sin olor.

b. HIDROCARBUROS (HC)

Por hidrocarburos se entiende el concepto colectivo de todos los

compuestos qumicos de carbono C e hidrgeno H. Las emisiones de HC

hay que atribuirlas a una combustin incompleta de la mezcla de aire y

combustible por falta de oxgeno. En la combustin pueden originarse

empero tambin nuevos compuestos de hidrocarburos que no se

encontraban originariamente en el combustible.


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35

c. XIDOS DE NITRGENO (NOX)

Se forman como consecuencia de reacciones secundarias en todos los

procesos de combustin con aire, que contiene nitrgeno. En el motor de

combustin se produce principalmente xido de nitrgeno (NO) y dixido de

nitrgeno (NO2), y en reducida medida tambin xido nitroso (N2O). El xido

de nitrgeno (NO) es incoloro y sin olor; en el aire se transforma lentamente

en dixido de nitrgeno (NO2). El NO2es en su forma pura un gas venenoso

pardo rojizo, de olor penetrante. En concentraciones como las que se

presentan en caso de estar muy viciado el aire, el NO2 puede causar

irritaciones de la membrana pituitaria. Los xidos de nitrgeno son

corresponsables de los daos forestales (lluvia cida) y junto con loshidrocarburos, de la formacin de smog.

d. DIXIDO DE AZUFRE (SO2)

Los compuestos de azufre en los gases de escape (ante todo el dixido

de azufre) son la consecuencia del contenido de azufre en el combustible.

Con una proporcin relativamente pequea, estas emisiones de

contaminantes hay que atribuirlas al trfico rodado. El dixido de azufre no

puede experimentar una conversin por un catalizador. Se deposita empero

fijamente en l o reacciona con el recubrimiento del catalizador y reduce su

efecto de depuracin frente a otros componentes de los gases de escape.

2.4.3 NIVELES PERMITIDOS DE GASES CONTAMINANTES

La Agencia Metropolitana de Trnsito, a travs de la Revisin Tcnica

Vehicular, en su instructivo emitido en el ao 2014, tiene como uno de sus

principales objetivos mantener el nivel de emisiones contaminantes por

debajo de los lmites mximos establecidos en dicho reglamente con la

finalidad de garantizar las condiciones mnimas de seguridad de los

vehculos. Para ello se ha establecido umbrales mximos permitidos de

emisiones de gases contaminantes en funcin del ao de fabricacin y del

tipo de vehculo.


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36

Tabla 2.5

Tabla de Umb rales (Rangos de Cal i f icacin)

DESC.UMBRAL

AOMODELO

CALIF. UMBRAL UNIDAD CATEGORIAVEHCULO

HIDROCARBUROSNO

COMBUSTIONADOS-HC

x2000

1 160x


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37

OXGENO

O

2

x2000

1 3x


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38

3. CAPTULO III

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE GAS

HHO PARA EL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY

3.1 DESARROLLO DEL DISEO DEL GENERADOR DE GAS HHO

3.1.1 LEVANTAMIENTO DE REQUERIMIENTOS

Con los requerimientos planteados se procedi a disear y construir el

sistema de generacin de gas HHO para el prototipo del Laboratorio de

Mecnica de Patio, el cual consta de componentes mecnicos y elctricos

que luego de ser ensamblados se procedi a instalar y adaptar en el sistema

de admisin del vehculo. El generador de gas HHO diseado para el motor

del vehculo monoplaza posee las siguientes caractersticas:

Tabla 3.1

Fich a tcn ica del g enerado r de gas HHO

ESPECIFICACIONES DEL GENERADOR DE GAS HHO

Nmero de placas 19

Nmero de placas negativas 4

Nmero de placas positivas 3

Nmero de placas neutras 12

Nmero de separadores 20

Cmaras generadoras 6

Toma de abastecimiento 1

Toma de salida de gas al burbujeador 2Voltaje 12 V DC

Consumo elctrico 12 A

Caudal

Capacidad de agua


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39

3.1.2 VOLUMEN INTERNO DEL GENERADOR DE GAS HHO

Para realizar los clculos se muestra a continuacin los siguientes datos

de las dimensiones:

Tabla 3.2

Dimens iones de los com ponentes

DIMENSIN DE LA PLACA

Base

Altura

Espesor

Chafln

DIMENSIN DE LOS SEPARADORES

Base externa

Base interna

Altura externa

Altura interna

Espesor

Chafln

Las siguientes frmulas son necesarias para los clculos de reas y

volmenes.

Ecuacin 3.1 rea del rectngulo

Fuente: (Sullivan, 2006)

Ecuacin 3.2 rea del tringulo rectngulo

Fuente: (Sullivan, 2006)


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40

Los resultados obtenidos se detallan en la siguiente tabla

Tabla 3.3

Resultad os de rea y v olumen

NOMBRE RESULTADO

rea interna

rea del chafln

rea de la placa

Volumen de cada cmara

Volumen de agua

Volumen de HHO

La mitad del volumen de la cmara esta designado para ocupar el agua

destilada con el electrolito mientras que la otra mitad lo ocupa el gas HHO.

El generador aloja en su parte interna de agua y

de gas HHO. Sumando ambos valores se obtiene un volumen total de

.

3.1.3 FLUJO DE GAS HHO

Para realizar los clculos de produccin de gas HHO, se calcula cunto

gas genera en 1 minuto (60s), con una intensidad de 12 A y en condiciones

de presin y temperatura normales, es decir a 1 atm y 25C (298K)

respectivamente . Tambin es necesario utilizar las siguientes ecuaciones:

Ecuacin 3.3 Ley de Faraday

Fuente: (Jaramillo, 2004)

Dnde:

m= Masa de la sustancia alterada (g)

E= Peso equivalente (g/mol)I= Intensidad de corriente (A)


60/122

41

t= Tiempo (s)

F= Constante de Faraday= 96500

Ecuacin 3.4 Peso equivalente

Fuente:(Gayoso, 1991)

Dnde:

Pa= Peso atmico (g)

V= Valencia (mol)

Ecuacin 3.5 Intensidad de corriente

Fuente:(Fowler, 1994)

Dnde:

I= Intensidad (A)

Q= Carga elctrica (Coulomb)

t= Tiempo (s)

Ecuacin 3.6 Ley de los gases ideales

Fuente:(Atkins & Jones, 2005)

Dnde:

P= Presin (atm)

V= Volumen (l)

n= Numero de moles (mol)

R= constante universal de los gases

T= Temperatura (K)


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42

Se realiza la disociacin de la solucin

Tabla 3.4

Disociacin del agua

C TODO

NODO


Con los datos necesarios se realiz los clculos y se obtuvo los

siguientes resultados:

Tabla 3.5

Clcu lo de vari abl es

NOMBRE FRMULA VARIABLE RESULTADO

Intensidad de

corriente

Peso equivalente

Ley de Faraday

Ley de los gases

ideales

Con los datos anteriores se puede realizar el clculo el flujo de gas que

produce el generador.

Tabla 3.6

Volumen de gas HHO obtenido

Volumen de hidrgeno en cada celda

Volumen total de hidrgeno

Volumen de oxgeno en cada celda

Volumen total de oxgeno

Volumen de HHO producido


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43

3.2 MATEMATIZACIN DE LOS PARMETROS DE DISEO

Para corroborar los datos mostrados en las tablas anteriores, se muestra

en este apartado los procesos matemticos de los parmetros requeridos.

3.2.1 CLCULO DEL VOLUMEN INTERNO

Se calcula el rea total de la placa con el fin de obtener el rea de

trabajo:

Se calcula el rea del tringulo (chafln):

Para determinar el rea de la placa que est en contacto con el agua y

electrolito se resta el rea total de la placa y las reas de los chaflanes:


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Con el rea de contacto que va a producir el gas HHO se determina el

volumen de cada cmara:

La mitad del volumen de la cmara esta designado para ocupar el agua

destilada conjuntamente con el electrolito mientras que la otra mitad ocupa el

gas producido.

3.2.2 CLCULO DE FLUJO DEL GAS HHO

Se sabe el consumo de corriente y el tiempo para calcular la carga

elctrica Q del generador:

Clculo del peso equivalente del hidrgeno:

Utilizando la frmula de la ley de Faraday y con todos los datos se

calcula el nmero de moles que posee el hidrgeno:


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45

Sabiendo el nmero de moles se calcula el volumen de gas hidrgeno

generado en cada celda con la frmula de los gases ideales:

El volumen total de gas hidrgeno generado se obtiene multiplicando eln

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