Universidad Latina de Costa Rica Grado académico de ...
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Universidad Latina de Costa Rica Grado académico de Licenciatura en Ingeniería Electromecánica Trabajo Final de Graduación Evaluación del biodiésel como fluido de transferencia de energía mecánica Julio Andrei Mata Bulgarelli Heredia, 9 de septiembre 2020
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Universidad Latina de Costa Rica
Grado académico de Licenciatura en Ingeniería Electromecánica
Trabajo Final de Graduación
Evaluación del biodiésel como fluido de transferencia de energía mecánica
Julio Andrei Mata Bulgarelli
Heredia, 9 de septiembre 2020
i
Quiero externar mis más profundos agradecimientos a Julio Mata Segreda por su
indispensable guía y ayuda a lo largo del desarrollo de este trabajo.
ii
Dedico este trabajo a mi familia y a todas aquellas personas quienes, a lo largo de mi
vida, me han acompañado en mi proceso de formación como ser humano y
profesional. ¡Gracias a todos ellos que me han brindado su ayuda, apoyo y guía para
poder cumplir mis metas y sueños! Nada de esto hubiera sido posible sin ustedes.
iii
“All we have to decide is what to do with the time that is given to us.” – J.R.R. Tolkien
iv
Resumen
Este estudio busca evaluar el biodiésel como fluido neotérico de transferencia
de energía mecánica. Esto se realizó por medio del análisis de las propiedades
físicas de este biomaterial en comparación teórica con las del Castrol universal
tractor fluid®. El biomaterial posee ventajas de orden de amigabilidad ambiental (alta
biodegradabilidad) y más bajo costo, con respecto al petromaterial usado como
comparación, porque el costo unitario del biodiésel fabricado en Costa Rica mostró
ser 13 % del valor para el petromaterial importado.
Asimismo, se encontró que las propiedades del biodiésel muestran, en
comparación con las del Castrol universal tractor fluid®, un comportamiento similar,
lo cual indica potencial desempeño para su eventual uso como fluido hidráulico.
v
ÍNDICE
1 PROBLEMA Y PROPÓSITO ................................................................................ 2
1.1 Formulación del estudio ................................................................................. 2
1.2 Sistematización del problema ........................................................................ 2
1.3 Objetivo general ............................................................................................. 2
1.4 Objetivos específicos ..................................................................................... 2
1.5 Estado de la cuestión ..................................................................................... 3
1.6 Metodología ................................................................................................... 4
2 MARCO CONCEPTUAL ....................................................................................... 7
2.1 Biodiésel ......................................................................................................... 7
2.2 Coeficiente térmico de expansión cúbica (α).................................................. 9
2.3 Compresibilidad isotérmica ............................................................................ 9
2.4 Volatilidad ....................................................................................................... 9
2.5 Hipótesis ...................................................................................................... 10
2.6 Limitaciones ................................................................................................. 10
2.7 Alcances ....................................................................................................... 10
3 DESARROLLO ................................................................................................... 12
3.1 Expansión térmica. ....................................................................................... 12
3.2 Entalpía de vaporización. ............................................................................. 15
3.3 Calor específico. .......................................................................................... 16
3.4 Conductividad térmica. ................................................................................. 17
3.5 Compresibilidad isotérmica .......................................................................... 19
3.6 Factor económico ......................................................................................... 22
3.7 Factor ambiental .......................................................................................... 24
CONCLUSIONES ...................................................................................................... 26
RECOMENDACIONES ............................................................................................. 27
REFERENCIAS ......................................................................................................... 28
GLOSARIO ................................................................................................................ 33
Anexos ...................................................................................................................... 34
Anexo 1. Castrol universal tractor fluid® product data ........................................... 34
Anexo 2. Castrol universal tractor fluid® safety data sheet .................................... 36
Anexo 3. Dirección hidráulica OSPU data sheet .................................................... 45
vi
Anexo 4. Gatas hidráulicas Mammoet dimensiones y capacidades ...................... 47
Anexo 5. Cilindro hidráulico Mabey data sheet ...................................................... 49
Anexo 6. Elevador hidráulico datos de placa ......................................................... 50
Anexo 7. Carta de autorización de reproducción de figuras 6 y 7. ......................... 51
vii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Líquidos neotéricos para aplicación hidráulica y sus propiedades. ............... 3
Tabla 2. Propiedades termodinámicas y reológicas de seis tipos de biodiésel metílico
.................................................................................................................................... 7
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Determinación de la expansibidad térmica del Castrol universal tractor
fluid® a presión normal. ............................................................................................ 14
Figura 2. Constante de enfriamiento de Newton para el Castrol universal tractor
fluid® ......................................................................................................................... 18
Figura 3. Determinación del grado de compresión del biodiésel y el Castrol universal
tractor fluid® .............................................................................................................. 21
Figura 4. Determinación del grado de compresión del biodiésel ante la variación
simultanea de presión y temperatura. ....................................................................... 22
Figura 5. Determinación del grado de compresión del Castrol universal tractor fluid®
ante la variación simultanea de presión y temperatura. ............................................ 22
Figura 6. Biodegradación aerobia del biodiésel etílico de palma a 20 ° C, por un
consorcio de Bacillus sp., Proteus sp., Pseudomonas sp., Citrobacter sp. y
Enterobacter sp. ........................................................................................................ 25
Figura 7. Biodegradación aerobia del combustible diésel a 20 ° C, por un consorcio
de Bacillus sp., Proteus sp., Pseudomonas sp., Citrobacter sp. y Enterobacter sp. . 25
CAPÍTULO I
2
1 PROBLEMA Y PROPÓSITO
1.1 Formulación del estudio
Evaluación de la utilidad del biodiésel como fluido de transferencia de energía
mecánica. La razón del estudio propuesto es la naturaleza renovable y de
compatibilidad ambiental de este material relativa a derivados de fuentes fósiles no
renovables. Los resultados obtenidos serán comparados con las propiedades del
Castrol universal tractor fluid®.
1.2 Sistematización del problema
Se propone realizar esta evaluación con base en las propiedades físicas del
biodiésel y del Castrol universal tractor fluid® tales como coeficiente térmico de
expansión cúbica, compresibilidad isotérmica, calor de vaporización, conductividad
térmica, calor específico, viscosidad y densidad. Los valores de las constantes físicas
indicadas se obtendrán por medio de mediciones térmicas y gravimétricas (densidad)
en el laboratorio y por cálculo al utilizar fórmulas matemáticas establecidas.
1.3 Objetivo general
• Evaluar el uso potencial del biodiésel como fluido de transmisión de energía
mecánica para identificar su viabilidad en sistemas de baja demanda
hidráulica.
1.4 Objetivos específicos
• Analizar las propiedades físico-químicas del biodiésel y del fluido de
comparación anteriormente indicado con el fin de conocer si este biomaterial
cumple con las características necesarias para esta aplicación.
• Determinar la viabilidad económica del uso del biodiésel como fluido hidráulico
para identificar su rentabilidad.
• Examinar el aspecto ambiental de su uso identificando su efecto en el entorno.
3
1.5 Estado de la cuestión
La economía circular es un concepto de consideración muy pertinente en el
mundo actual que fue propuesto por la dama Ellen MacArthur. Se trata de disminuir
flujos de materias primas y residuos en la dinámica de procesos productivos y de
apoyo. Este concepto de la economía circular comprende la estrategia industrial
llamada ecología industrial: en donde residuos de un proceso constituyen la materia
prima de otros (Tullo, 2014; Bomgardner, 2016).
De la mano con los conceptos y práctica mencionados en el párrafo anterior,
debe considerarse la búsqueda novedosa para la inclusión de materiales existentes
(y deseablemente renovables) en nuevas aplicaciones, lo que actualmente denomina
elementos neotéricos (por ejemplo, disolventes neotéricos, lubricantes neotéricos,
etc.).
El origen de este estudio es la exploración del potencial uso del biodiésel
como fluido de transmisión de energía mecánica, en casos de bajo desempeño
hidráulico. La tabla 1 muestra tres líquidos de origen renovable que pueden
considerarse neotéricos en su aplicación hidráulica. Tres de las propiedades físicas
requeridas son baja compresibilidad isotérmica (κT), baja expansión térmica (α) y alta
entalpia de vaporización (Δvap H), que significa baja volatilidad.
Tabla 1. Líquidos neotéricos para aplicación hidráulica y sus propiedades.
Material 104 α / K-1 1010 κT / Pa -1 Δvap H / kJ mol -1
Limoneno 10,3 ± 0,2 12,8 ± 0,3 41,7 ± 0,9
Aceite de fúsel 9,9 ± 0,2 7,8 ± 0,2 43,4 ± 0,9
Biodiésel 8,5 ± 0,4 8,2 ± 0,7 102 ± 5
Líquido de frenos Prestone® 8,56 ± 0,03 - 102 ± 5
Lubricante Adarga® 7,21 ± 0,09 - 213 ± 6
4
Fuente: (Mata Segreda, comunicación personal, 2020)
La fuente de los valores mostrados en la tabla es una comunicación personal
del Laboratorio de Biomasas de la Escuela de Química de la Universidad de Costa
Rica, que serán formalmente detallados y discutidos en la sección posterior de
discusión de resultados.
Nótese que el limoneno tiene un valor de α que no es óptimo para el uso
buscado en comparación con los otros cuatro líquidos. La razón consiste en que el
calentamiento generado en circuitos hidráulicos implicaría 20 % más de expansión
del limoneno con respecto a los otros cuatro líquidos. Cualitativamente, se indicaría
una crítica similar con respecto a la compresibilidad, que significaría un
desaprovechamiento en la capacidad de transmisión de fuerza mecánica. Los tres
últimos líquidos evidencian un menor grado de volatilidad en relación con el limoneno
y el aceite fúsel.
1.6 Metodología
En esta investigación se usarán diversas metodologías para encontrar la
información requerida. Los procedimientos utilizados son los indicados a
continuación.
Para la evaluación de la conductividad térmica de los fluidos estudiados, se usó el
modelo indicado por Rodríguez-Acevedo et al. (2018), que se basa en el valor de la
constante de enfriamiento de Newton de materiales líquidos.
El coeficiente térmico de expansión cúbica se determinó al medir la densidad
de los fluidos a diferentes temperaturas con un picnómetro de 25 cm3 (Shoemaker &
Garland, 1968).
La magnitud de la entalpía de vaporización se calculó a partir del coeficiente
térmico de expansión cúbica, según el modelo del sólido blando de Castellón-
Elizondo et al. (2006).
5
La estimación del valor de compresibilidad isotérmica se realizó bajo la
suposición de validez de la relación de Dack (Ivanov, Aborsimov, 2005) para
moléculas poco polares, que implica (∂U/∂V)T ≈ (ΔvapU/Vm)T.
Para estimar el grado de compresión en los fluidos de estudio a presiones
determinadas, se utilizó la expresión matemática obtenida según la ecuación (1), la
cual se muestra a continuación.
𝑽𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 − 𝑽
𝑽𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍= 𝟏 − 𝐞𝐱𝐩(−𝜿𝑻 ∆𝒑)
(1)
Para determinar del efecto de la variación simultánea de temperatura y presión
en el grado de compresión de los fluidos de estudio, se utilizó la expresión
matemática mostrada a continuación.
𝒍𝒏(𝑽/𝑽𝟎) = 𝜶(𝑻 − 𝟐𝟎) − 𝜿𝑻(𝒑 − 𝟏𝟎𝟏, 𝟑 × 𝟏𝟎𝟑) (2)
En este estudio, para poder determinar si existe o no una diferencia
significativa en valores, se utilizó la prueba de “t” de Student, la cual indicará con
cuanto grado de certeza dos valores son similares o si esta diferencia se debe a
casualidad o al error de medición.
CAPÍTULO II
7
2 MARCO CONCEPTUAL
La siguiente exposición conceptual define los aspectos moleculares de los
parámetros físicos y químicos de materiales y los procedimientos usados en este
trabajo.
2.1 Biodiésel
Se trata de la mezcla de esteres metílicos obtenidos en la transesterificacion
de aceites vegetales y animales, cuyo uso normal es como sucedáneo del
petrodiésel para motores de compresión. B100 es otro nombre utilizado para este
material en estado “puro”. En ocasiones, se mezcla en ciertos porcentajes con el
diésel de petróleo. Esta sustancia posee grandes cualidades como lo son su bajo
impacto ambiental, contribuye a la disminución de la factura petrolera y el aspecto
social en cuanto a la generación de empleo en el sector agroindustrial. (Nelson K.,
2009).
En Costa Rica, existe la incentivación de la producción de aceites vegetales
no alimentarios, los cuales son materia prima para la fabricación del biodiésel. Estas
iniciativas son apoyadas tanto por el gobierno como por la empresa privada.
La tabla 2 muestra algunas propiedades termodinámicas y reológicas de
diferentes tipos de biodiésel, obtenidos a partir de varias materias primas vegetales.
(Alvarado-Montero, et al., 2018)
Tabla 2. Propiedades termodinámicas y reológicas de seis tipos de biodiésel metílico
Biodiésel
metílico
104α/K-
1
ΔvapH/kJ
mol-1
μ40°C/mm2 s-1 1010 kT/Pa-
1
ρ/g cm-3 (T
°C)
Elaeis
guineensis
8,2±0,1 106 ± 6 6,97 ± 0,05 7,2 ± 0,2 0,8878 (24 °C)
Attalea
butyraceae
9,1±0,1 95 ± 1 4,8 ± 0,2 9,1 ± 0,3 0,8881 (22 °C)
Acrocomia 9,1±0,1 96 ± 1 4,7 ± 0,4 9,0 ± 0,5 0,88 (22 °C)
8
aculeata
Jatropha
curcas
8,3±0,2 104 ± 3 4,77 ± 0,02 8,17 ±
0,03
0,8741 (25 °C)
Ricinus
communis
8,2±0,1 106 ± 3 14,9 ± 0,9 8,2 ± 0,2 0,9157 (22 °C)
Glycine
max
8,3±0,2 105 ± 6 4,6 ± 0,8 7,7 ± 0,2 0,871 (24 °C)
Fuente: (Alvarado-Montero, et al., 2018)
Del cuadro anterior se pueden observar datos de interés como son α, el cual
en todos los casos expuestos es similar lo cual no supone una diferencia termo-
volumétrica para las variadas materias primas. Lo mismo puede concluirse para las
otras cantidades. Resaltan la viscosidad (μ40°C) y la densidad (ρ) del producto
derivado del aceite de higuerilla, porque su viscosidad presenta una diferencia
notable al resto. Esto se debe a que la existencia del grupo hidroxilo en el carbono 12
de las cadenas de ácido ricinoleico, que constituyen alrededor del 90 % de la
estructura química global del aceite de higuerilla.
Respecto a regulaciones para el biodiésel en Centroamérica, se cuenta con el
RTCA 75.02.43:07. (COMIECO-XLIV, 2007). En este documento se puede encontrar
las especificaciones físico-químicas que debe cumplir el B100 para ser utilizado
como combustible, así como su manejo y muestreo, entre otras regulaciones. Este
documento entra en vigor gracias al decreto ejecutivo N.° 34128-COMEX-MINAE-
MEIC “RTCA 75.02.43:07 BIOCOMBUSTIBLES. BIODIÉSEL (B100) Y SUS
MEZCLAS CON ACEITE COMBUSTIBLE DIÉSEL. ESPECIFICACIONES” publicado
en la Gaceta el 24 de octubre del 2007, en donde se establece la aprobación.
Cabe destacar que este RTCA cita normas establecidas por la institución
ASTM, la cual desde el 2008 publicó al respecto reglamentaciones para el uso y
almacenaje, entre otros aspectos del biodiésel (Nelson K., 2009).
9
2.2 Coeficiente térmico de expansión cúbica (α)
𝜶 =𝟏
𝑽(
𝝏𝑽
𝝏𝑻)
𝒑
(3)
La gran mayoría de materiales experimentan dilatación al someterlos a
calentamiento. Este coeficiente es específico para cada material y representa el
aumento volumétrico relativo que sufre al elevar su temperatura en 1 K. (Young y
Freedman, 2013). Los materiales en los que sus moléculas constituyentes implican
alto grado de atracción intermolecular muestran bajos valores de α.
2.3 Compresibilidad isotérmica
𝜿𝑻 = −𝟏
𝑽(
𝝏𝑽
𝝏𝒑)
𝑻
(4)
Este coeficiente representa la disminución volumétrica que experimenta un
material y que resulta ante un aumento de presión unitario a temperatura o entropía
constante. Desde el punto de vista microscópico, un material cuyas moléculas
constituyentes poseen alta simetría tendrá una estructura muy compacta, lo que
implica baja posibilidad de compactación por la acción de una presión aplicada. (Van
Wylen y Sonntag, 1976).
2.4 Volatilidad
La volatilidad representa la facilidad con la cual una sustancia se evapora. La
ecuación de Knudsen-Hertz:
−𝒅𝒏𝒍í𝒒𝒖𝒊𝒅𝒐/𝒅𝒕
Á𝒓𝒆𝒂= 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 ×
𝒑𝒗
√𝟑 𝝅 𝑹𝑻 𝑴
(5)
en donde pv es la presión de vapor del líquido a temperatura T y M es su masa
molecular. El factor de corrección se incluye para indicar la fracción de moléculas del
líquido que permanecen en la fase gaseosa. (Rahimi & Ward, 2005).
10
Lo anterior establece que, a mayor presión de vapor del líquido, más volátil
será este. La presión de vapor es definida por la temperatura y por la entalpia de
vaporización. Cuanto mayor sea el valor de esta última cantidad termodinámica,
menor será pv. Nuevamente, puede tenerse una visión molecular del asunto. Se
concluye que la entalpia de vaporización será mayor cuando existen altos grados de
interacciones moleculares atractivas en el estado líquido, pues se trata de la
remoción de las moléculas en su ambiente líquido hasta no separarlas en la fase
gaseosa.
2.5 Hipótesis
La hipótesis de trabajo es la siguiente: el uso del biodiésel como fluido de
transmisión de energía mecánica es adecuado para regímenes de baja demanda
hidráulica.
2.6 Limitaciones
La Universidad no dispone de equipo de nivel industrial donde puede ser
evaluada de manera real la viabilidad del biodiésel como fluido de transmisión de
energía mecánica. Esta es la razón de haber efectuado el estudio en el ámbito de la
ciencia de la ingeniería (engineering science) relativo al uso neotérico propuesto.
2.7 Alcances
• Se busca evaluar un nuevo uso para el biodiésel como fluido de
transferencia mecánica.
• Fomento del uso de materiales neotéricos con los recursos
disponibles a nivel nacional. Esto en función de la disponibilidad de
las materias primas necesarias en el país, así como los beneficios
económicos y ambientales que conllevan esta práctica.
CAPÍTULO III
12
3 DESARROLLO
En este capítulo se compararán las variables fiscas de interés de ambos fluidos
de estudio para determinar si el comportamiento observado del biodiésel cumple con
los parámetros mostrados por el Castrol universal tractor fluid® para poder ser el
primero utilizado como fluido de transmisión de energía mecánica para sistemas de
baja demanda hidráulica, así como se expondrán los datos hallados con respecto a
su valor monetario y su impacto ambiental.
3.1 Expansión térmica
En los sistemas de transmisión de energía mecánica tales como los frenos, las
gatas o los elevadores hidráulicos, entre otros, puede apreciarse cómo se obedece la
primera ley de la termodinámica. Por esta razón, su eficiencia mecánica no será del
100 %, porque, de la energía inyectada a estos sistemas, solo una parte será
convertida en trabajo y el resto se manifestará como un flujo de calor hacia el entorno
y un aumento en la temperatura del sistema.
Según se espera como resultado de la segunda ley de la termodinámica y las
propiedades de la entropía (Ҫengel y Boles, 2015), dicho calentamiento generará
expansión térmica en el fluido, lo cual será inconveniente para la integridad
estructural de un sistema hidráulico, porque produce deterioro en partes tales como
acoples, mangueras, empaques, entre otros elementos, de estos sistemas.
En relación con los empaques, debe considerarse que estos elementos
estructurales son muy susceptibles al deterioro mecánico y químico, pues los
materiales elastoméricos de los cuales están fabricados pueden absorber líquidos
orgánicos. Lutz y Mata-Segreda (2008) midieron la rapidez de absorción de biodiésel
y petrodiésel por empaques de hule sintético, como modelo extremo de materiales
elastoméricos, susceptibles a la acción de varios líquidos orgánicos no polares.
En este estudio de Lutz y Mata-Segreda (2008), se concluyó que la rapidez de
migración del biodiésel a empaques de hule sintético es 10 % más lenta que la del
13
petrodiésel. Esto fue calculado mediante el uso de la segunda ley de Fick. Los
autores reportan que el grado de absorción de petrodiésel por el hule sintético es de
189 % de la masa sólida, mientras que, para el biodiésel, se observó un grado de
absorción de 97 %.
Sus cálculos pueden estar sujetos a un pequeño error, porque se supuso que el
biodiésel no disuelve ni degrada al hule sintético (Akhlaghi et al., 2015). Los
resultados de Lutz y Mata Segreda (2008) pudieron deberse a la degradación o la
disolución del hule sintético en el biodiésel, así como el desprendimiento de
pequeñas porciones de hule superficial.
Los sistemas mecánicos que utilizan lubricación como los son los mecanismos
hidráulicos muestran con frecuencia la presencia de sedimentos o contaminantes en
el aceite como se mencionó anteriormente. El deterioro de su desempeño suele ser
mínimo en esta clase de sistemas, sobre todo, cuando se da su cambio periódico en
un esquema de mantenimiento recomendable.
Para un fluido que será utilizado en aplicaciones de transmisión de energía
mecánica, este deberá contener un valor de α bajo para efectos de seguridad en su
uso, así como este valor también indicará su comportamiento a diferentes
temperaturas y cómo afectará a su desempeño en dicha aplicación. El biodiésel
posee un valor de α promedio de (8,5 ± 0,4) ×104 K-1 (Alvarado-Montero et al., 2018).
Es importante comparar esta propiedad termodinámica con otros fluidos como
el aceite de fúsel, el limoneno, el líquido de frenos Prestone® y el lubricante
Adarga®, para los cuales los valores de α son respectivamente (9,9 ± 0,2) ×104 K-1,
(10,3 ± 0,2) ×104 K-1, (8,56 ± 0,03) ×104 K-1 y (7,21 ± 0,09) ×104 K-1 (Mata Segreda,
comunicación personal, 2020). Al comparar los datos anteriores, se puede notar que
el valor promedio del biodiésel es mejor que el valor del aceite de fúsel y de
limoneno. En cambio, con respecto al lubricante Adarga® este último es inferior.
Observando lo anterior, se considera la necesidad de comparar el dato del
biodiésel (B100) con respecto a un fluido de uso hidráulico como lo es el Castrol
universal tractor fluid®, porque este último es fabricado con este fin y, al comparar
14
las propiedades del B100, se obtendrá una noción más clara de su posible viabilidad
para esta aplicación adicional a su uso como biocombustible.
La figura 1 muestra el resultado de la medición de α para el Castrol universal
tractor fluid®, cuyo procedimiento se indicó el en apartado de Metodología.
Figura 1. Determinación de la expansibidad térmica del Castrol universal tractor fluid® a presión normal.
Fuente: propia.
A partir de los datos crudos mostrados en la gráfica anterior, se calcularon las
siguientes ecuaciones de regresión con sus respectivos coeficientes de correlación
de Pearson:
1) ln (m-m0) = (3,033 ± 0,0005) – (7,7 ± 0,2) ×104 T rp = - 0,99
2) ln (m-m0) = (3,0318 ± 0,0004) – (7,4 ± 0,2) ×104 T rp = - 0,99
3) ln (m-m0) = (3,0307 ± 0,0006) – (6,7 ± 0,2) ×104 T rp = - 0,99
4) ln (m-m0) = (3,0299 ± 0,0003) – (6,5 ± 0,1) ×104 T rp = - 0,99
y los valores de α para el Castrol universal tractor fluid® para cada réplica:
1) α = (7,7 ± 0,2) ×104 K-1
3
3,005
3,01
3,015
3,02
19 21 23 25 27 29 31 33 35
ln (m
-m0)
T / °C
Determinación de la expansibidad térmica del Castrol universal tractor fluid®
Replica 1 Replica 2 Replica 3 Replica 4
15
2) α = (7,4 ± 0,2) ×104 K-1
3) α = (6,7 ± 0,7) ×104 K-1
4) α = (6,5 ± 0,1) ×104 K-1
El valor promedio es de α = (7,1 ± 0,6) ×104 K-1, el cual, al compararlo con el
valor del biodiésel, se observa que el primero es un 20 % menor (mejor) que para el
caso del biomaterial (t calculado = 4,3; t tabulado para 8 grados de libertad y p = 0,01
es 3,8).
3.2 Entalpía de vaporización
El dato de entalpia de vaporización es pertinente para este estudio, puesto que
cuanto mayor sea el valor para un líquido dado, menor será su volatilidad. Esto es
importante desde un punto de vista práctico, pues significa menor probabilidad de
generación de burbujas por ebullición dentro de las líneas hidráulicas. Como se
indicó anteriormente, la entalpía de vaporización se estimó al usar el modelo del
“sólido blando” propuesto por Castellón-Elizondo et al. (2006).
Este modelo molecular sencillo permite estimar la entalpia de vaporización para
líquidos de una manera más simple a lo acostumbrado al correlacionar presiones de
vapor y temperaturas. El modelo propone que los líquidos pueden ser tratados como
sólidos blandos. Ello posibilita el uso de la siguiente expresión válida para materiales
sólidos:
𝜶 = 𝟕 𝑪𝒑
𝟕𝟐𝝀 ∆𝒗𝒂𝒑𝑯
(6)
en donde Cp es el calor especifico del material en consideración. El Castrol universal
tractor fluid® es un material derivado del petróleo, constituido por cadenas de
moléculas hidrocarbonadas muy largas. Este fluido hidráulico resulta similar al
búnker y se constituye igualmente por cadenas largas de hidrocarburos.
16
El búnker posee un calor específico de 1,9 kJ K-1 kg-1. Emplea el modelo de
sólidos blandos para moléculas muy largas de hidrocarburos con una densidad de
empaquetamiento molecular λ = 1,2. (Lezcano-González y Mata Segreda, 2011). Se
obtiene:
𝜶 = 𝟎, 𝟏𝟓𝟒
∆𝒗𝒂𝒑𝑯
(7)
Al utilizar esta ecuación, se halla el valor de ∆𝑣𝑎𝑝𝐻, con α = (7,1 ± 0,6) ×104 K-
1 y se llega a ∆𝑣𝑎𝑝𝐻 = (2,2 ± 0,2) × 102 kJ/kg para el Castrol universal tractor fluid®.
Al comparar el valor obtenido para este fluido con el valor del biodiésel, el cual
es 102 ± 5 kJ/mol, equivalente a (3,5 ± 0,2) × 102 kJ/kg, se observa que el fluido para
tractor posee un calor de vaporización de alrededor de la mitad del valor para el
biomaterial. Las mayores fuerzas intermoleculares del biodiésel, de mayor polaridad
que las moléculas de hidrocarburo del Castrol universal tractor fluid®, son una
característica positiva del biodiésel con respecto a ese fluido fósil. Así, resulta así en
una volatilidad menor por parte del biodiésel idónea para su uso hidráulico.
3.3 Calor específico
Esta propiedad termodinámica indica la cantidad requerida de energía para
calentar, en un grado, una unidad de masa de una sustancia. (Ҫengel y Boles,
2015).Este valor es de interés, porque es de ayuda para encontrar propiedades
relevantes para el uso de una sustancia como fluido hidráulico. En el caso del Castrol
universal tractor fluid®, se buscó su valor de Cp mediante el uso del modelo
matemático encontrado en el libro Principles of Lubrication (Cameron, 1966).
𝑪𝒑 = 𝟏
√𝒈𝒓𝒂𝒗𝒆𝒅𝒂𝒅 𝒆𝒔𝒑𝒆𝒄í𝒇𝒊𝒄𝒂 × (𝟎, 𝟒𝟎𝟑 + 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟖𝟏 𝑻)
𝒄𝒂𝒍
𝒈 °𝑪
(8)
17
Al utilizar esta ecuación para hallar el valor de Cp, con gravedad específica =
0,882 (MSD de Castrol tractor fluid®) y T = 25 °C se llega a Cp = 0,45 cal/g °C ≈ 1,88
kJ/K-1 kg-1 para el Castrol universal tractor fluid®.
3.4 Conductividad térmica
El aumento en el contenido de energía en el líquido de transferencia mecánica
durante su desempeño debe disiparse hacia el entorno a través de los elementos
constituyentes del circuito hidráulico. Para esto, es necesario comparar la
conductividad térmica del Castrol universal tractor fluid® con el biodiésel.
Mata Segreda et al. (2018) desarrollaron un modelo semiempírico que
correlaciona la conductividad térmica de líquidos con la constante de enfriamiento de
Newton. La cantidad experimental J = kN × ρ × Cp correlaciona con los valores de
conductividad térmica, kc, a p < 0,01, donde kN es la constante de enfriamiento de
Newton de un material líquido con una densidad ρ y una capacidad calorífica Cp. La
ecuación empírica obtenida por los autores es la siguiente:
𝑱 = 𝟏, 𝟓 + 𝟐, 𝟐 𝒌𝒄 (9)
A continuación, se muestra gráficamente los resultados obtenidos
experimentalmente para encontrar la constante de enfriamiento de Newton para el
Castrol universal tractor fluid®.
18
Figura 2. Constante de enfriamiento de Newton para el Castrol universal tractor fluid®.
Fuente: propia.
Los pares de datos tiempo–temperatura se ajustaron a una ecuación de
decaimiento monoexponencial con el paquete computacional Enzfitter:
-dT/dt = kN (T – Tfinal)
(10)
T / °C = Tfinal + (Tinicial – Tfinal) exp (-kN t)
(11)
Los valores resultantes de kN para el Castrol universal tractor fluid® son los
siguientes:
1) (6,21 ± 0,06) ×10-2 min-1
2) (6,47 ± 0,05) ×10-2 min-1
3) (6,09 ± 0,04) ×10-2 min-1
4) (6,02 ± 0,04) ×10-2 min-1
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100 120
Tem
per
atu
ra °
C
Tiempo/ min
Constante de enfriamiento de Newton para el Castrol universal tractor fluid®
Replica 1 Replica 2 Replica 3 Replica 4
19
El valor promedio con desviación estándar es (6,4 ± 0,4) ×10-2 min-1 o (1,07 ±
0,07) ×10-3 s-1. Se utiliza este valor de kN, Cp = 1,88 kJ K-1 kg-1 y ρ = 882 kg m-3 en la
fórmula descrita anteriormente para hallar el valor de “J” y se obtiene J = 1,77 kW k-
1m-3. Mediante el uso de este dato en la ecuación (9) proporciona un valor de
conductividad térmica kc = 0,12 kW / K m3. Este último fue corroborado con el
resultado obtenido a partir de la ecuación mostrada y obtenida del libro Principles of
Lubrication (Cameron, 1966).
𝒌𝒄 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟐𝟕𝟔
𝒔𝒑𝒆𝒄𝒊𝒇𝒊𝒄 𝒈𝒓𝒂𝒗𝒊𝒕𝒚 (𝟏 − 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟓 ×
𝑻
𝟑 )
𝒄𝒂𝒍
𝒔 𝒄𝒎𝟐 °𝑪 𝒄𝒎−𝟏
(12)
El valor obtenido, al utilizar este último modelo matemático, es kc = 0,1304 kW
K-1 m-1 que muestra congruencia con el valor obtenido por el método propuesto por
Mata Segreda et al. Los valores de kc obtenidos en el Laboratorio de Biomasas-UCR
para diferentes tipos de biodiésel se agrupan alrededor de 0,3 kW K-1 m-1. Esto
muestra que el biodiésel evidencia mejor desempeño refrigerante.
3.5 Compresibilidad isotérmica
Para obtener esta propiedad para un material se requiere de técnicas y equipo
muy especializados de alta presión, que no son corrientes en centros de estudio y
evaluación (Marcus Y. y Hefter G.T., 1997). Para casos de sustancias sencillas, el
modelo del sólido blando de Castellón-Elizondo et al. (2006) permite su estimación
de acuerdo con la relación
𝜿𝑻 ≅ 𝜶 𝑻
∆𝒗𝒂𝒑𝑼/𝑽𝒎
(13)
Para el fluido hidráulico de referencia en este estudio, el volumen molecular es
el único dato con el cual no se cuenta, por lo cual se interpoló a partir de datos
encontrados en SAE Technical Paper Series Physical and Chemical Properties of a
Typical Automatic Transmission Fluid (North Carolina State University, 14 de
septiembre, 2018, Kemp y Linden). De esta manera, se obtuvo usando B(T) = 1/κT =
20
1300 + 5,584 p con T= 37,8°C, un valor de κT = 7,7 ×10-10 Pa-1 para el Castrol
universal tractor fluid®. Este valor es similar al del biodiésel que posee un valor de κT
= (8,2 ± 0,7) ×10-10 Pa-1. (Alvarado-Montero, 2018).
Para mantener una noción más clara de la capacidad de transmisión de energía
mecánica del biodiésel, se compara el grado de compresión de este a diferentes
valores de presión con respecto al comportamiento del Castrol universal tractor fluid®
en las mismas condiciones. Para ello, se eligieron las condiciones de funcionamiento
de diversos mecanismos tales como direcciones hidráulicas, elevadores hidráulicos,
gatas y pistones hidráulicos. De estos se obtuvieron ocho datos correspondientes a
sus presiones máximas de funcionamiento, los cuales son los siguientes:
- Dirección hidráulica: 20,99 MPa, obtenido de la data sheet de la compañía
Danfoss© (2016) para el modelo OSPU.
- Elevador hidráulico: 22 MPa dato obtenido de Samuel Lipshitz, comunicación
personal (2019).
- Gata hidráulica: 25 MPa obtenido de la data sheet de la compañía Mammoet
(2015).
- Gata hidráulica: 32,5 MPa obtenido de la data sheet de la compañía Mammoet
(2015).
- Gata hidráulica: 40 MPa obtenido de la data sheet de la compañía Mammoet
(2015).
- Gata hidráulica: 42 MPa obtenido de la data sheet de la compañía Mammoet
(2015).
- Pistón hidráulico: 70 MPa obtenido de la data sheet de Mabey, issue 07
(2016).
Estos datos se utilizaron en la expresión matemática (1) para el cálculo del efecto
de la presión en la compresión de ambos materiales.
21
Figura 3. Determinación del grado de compresión del biodiésel y el Castrol universal tractor fluid®.
Fuente: propia.
Del comportamiento observado en la figura anterior destaca que el grado de
compresión para ambos materiales en presiones de 20,99MPa a 70MPa es similar.
Estos resultados no contemplan la variación en el grado de compresión que podría
causar un cambio de temperatura. Se realizó una evaluación y se consideró esta
tercera variable, la cual se muestra en las gráficas a continuación para ambos fluidos
de estudio.
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
20 30 40 50 60 70
Gra
do
de
com
pre
sio
n
Presión (MPa)
Determinación del grado de compresión del biodiésel y el Castrol universal tractor fluid®
Castrol universal tractor fluid® Biodiesel
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0
0,02
0,04
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70
V(p, T) para biodísel, To =20 °C y po = 0,101 MPa
T/°C p/MPa ln (V/V0)
22
Figura 4. Determinación del grado de compresión del biodiésel ante la variación simultanea de presión y temperatura.
Fuente: propia.
Figura 5. Determinación del grado de compresión del Castrol universal tractor fluid® ante la variación simultanea de presión y temperatura.
Fuente: propia.
En las figuras 4 y 5 se puede apreciar como la temperatura afecta la
compresibilidad de ambos fluidos de manera directa. El comportamiento observado
describe que, a mayor temperatura, se requerirá mayor presión para poder transmitir
la misma cantidad de energía mecánica que a menor temperatura a través del fluido.
3.6 Factor económico
El costo de la factura petrolera es un renglón económico inestable, que genera
mucho ruido de fondo en la ejecución de políticas públicas, en el caso de países no
productores de este commodity. El valor del petróleo y sus derivados tienen,
obviamente, mayor repercusión cuando se consideran incrementos en el precio, que
no solo dependen del precio internacional, sino también en las paridades de las
monedas nacionales con respecto a un patrón de referencia como lo sería el dólar
estadounidense.
-0,06
-0,04
-0,02
0
0,02
0,04
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70
V(p, T) para Castrol universal tractor fluid, To =20 °C y po = 0,101 MPa
T/°C p/MPa ln (V/V0)
23
Esto impulsa a la industria a buscar materiales alternativos no fósiles, que
impliquen costos accesibles a las economías nacionales para sustituir a los
materiales no renovables de origen fósil. En el caso de biodiésel, el precio de este
biomaterial neotérico es determinante de su incorporación novedosa en aplicaciones
industriales. En el caso de este estudio sería su utilización como fluido de
transmisión de energía mecánica.
Las dos empresas productoras/comercializadoras de biodiésel en Costa Rica
son Energías Biodegradables, S. A. (Ochomogo, Cartago) y el grupo H&M (Santa
Clara de San Carlos).
Se solicitó el precio del biodiésel a ambas empresas por vía de correo
electrónico y sus respuestas fueron las siguientes: ₡ 650,00 y ₡ 491,55 por litro,
respectivamente. Ambas cotizaciones incluyen la tasa correspondiente al IVA.
Por aparte, se consultó al Grupo Automotriz Prolusa el precio equivalente del
Castrol universal tractor fluid®. En este caso, el precio resultó ₡ 4237,55 por litro,
igualmente incluida la tasa del IVA. En promedio, el precio del biomaterial representa
alrededor de 13 % del costo del petromaterial importado, lo cual hace vislumbrar una
ventaja económica en los costos involucrados en el uso de biodiésel como fluido
hidráulico alternativo. Sin embargo, aunque este estudio se centró en la factibilidad
física de la sustitución de petromateriales por el material neotérico renovable no debe
perderse de vista la necesidad de incluir en costos finales, el suplemento de aditivos
al biodiésel, como por ejemplo sustancias antioxidantes. La óptima formulación del
biodiésel como fluido hidráulico es obviamente un asunto adicional, que debe
estudiarse en otra investigación.
La sustancial diferencia en los precios del biodiésel de Energías
Biodegradables y Biodiésel H&M puede estar asociada a los costos de materias
primas. El uso de aceites de fritura recobrados es la materia prima usada por
Energías Biodegradables, y en el caso de Biodiésel H&M se trata del mismo material
recobrado y grasa animales, cuyo origen es los residuos de la industria cárnica local
en la zona de San Carlos.
24
Existe una externalidad positiva adicional relacionada con el biodiésel. Al ser
este un producto nacional, se incentivaría la creación de puestos de trabajo para
aumentar su producción. De igual forma, al considerar el concepto de economía
circular mencionado anteriormente, se propiciaría un aumento en el valor y
reutilización de este tipo de residuos comerciales y domésticos y se abre la puerta a
eventuales innovaciones en el área de oleoquímica nacional, que usaría materias
primas residuales (ecología industrial) al disminuir la presión sobre los ecosistemas
productivos.
3.7 Factor ambiental
La disposición de los productos derivados del petróleo como materiales de
desecho o incluso por accidentes tecnológicos es un asunto de importancia para la
consecución de ambientes adecuados para la sociedad humana y los ámbitos no
humanos. La razón es el aspecto ecotóxico de estas sustancias, debido a la relativa
inercia química a la biodegradación. Existen disposiciones nacionales e
internacionales que regulan su manipulación y la remediación de ambientes
contaminados, pero obviamente las acciones correctivas se operan cuando ha
existido un suceso accidental o doloso.
Por el contrario, el biodiésel es un material de fácil degradación por la acción de
microorganismos ambientales. Lutz et al. (2006) estudiaron la biodegradación del
biodiésel etílico de palma por un consorcio de microorganismos. Las figuras 4 y 5
muestran el perfil temporal del consumo de oxígeno requerido por los
microorganismos para biodegradar tanto el biodiésel como el petrodiésel.
25
Figura 6. Biodegradación aerobia del biodiésel etílico de palma a 20 ° C, por un consorcio de Bacillus
sp., Proteus sp., Pseudomonas sp., Citrobacter sp. y Enterobacter sp.
Fuente: (Lutz et al., 2006) reproducido con autorización de la Revista de Biología Tropical.
Figura 7. Biodegradación aerobia del combustible diésel a 20 ° C, por un consorcio de Bacillus sp.,
Proteus sp., Pseudomonas sp., Citrobacter sp. y Enterobacter sp.
Fuente: (Lutz et al., 2006) Reproducido con autorización de la Revista de Biología Tropical.
En las figuras anteriores se evidencia para el biodiésel el constante consumo
de O2 en el frasco del cultivo durante más de 600 horas, lo que indica que los
sistemas enzimáticos de las células microbianas no están sujetos a saturación
bioquímica. Por el contrario, para el petrodiésel no se presenta este comportamiento
26
cinético, pues al pasar del tiempo se nota un menor ritmo de degradación [-d(O2)/dt
decreciente]. Esto implica que una fracción de los componentes del petrocombustible
es de más fácil biodegradación, lo que explica los largos periodos de permanencia de
los hidrocarburos fósiles en los ambientes, en donde ha ocurrido derrames tanto de
petróleo como de sus derivados.
Se concluye como una ventaja del biomaterial neotérico vs. los derivados del
petróleo que el impacto ambiental del uso del biodiésel es menor frente a las fugas
tecnológicas ordinarias, así como el caso de derrames accidentales.
CONCLUSIONES
- Por medio del análisis comparativo de las propiedades del biodiésel con el
Castrol universal tractor fluid®, se logró determinar de manera teórica que
este presenta las cualidades necesarias para eventualmente ser utilizado
como un fluido de transmisión de energía mecánica en sistemas de baja
demanda hidráulica.
- El costo del biomaterial fabricado en Costa Rica en comparación al Castrol
universal tractor fluid® demostró ser un 87 % más barato, lo cual demuestra la
viabilidad económica de su uso.
- La fácil degradación del biodiésel por acción de microorganismos ambientales
demuestra una clara ventaja ante su contraparte derivada del petróleo, por lo
cual el impacto ambiental causado por su uso sería menor. Se evidenciaron
las bondades ambientales de este material.
27
RECOMENDACIONES En este estudio se valoró la factibilidad del uso de este biomaterial como fluido
de transferencia mecánica para bajos desempeños hidráulicos. Aun así, sería
prudente que, en otro estudio, se realizaran pruebas de campo para obtener una
mejor noción del comportamiento del biodiésel.
De igual manera, así como se realiza con los derivados del petróleo se debe
analizar cuáles aditivos ayudarían a mejorar las propiedades de este material para
usos hidráulicos sin sacrificar sus bondades ambientales y de costo del producto. Un
estudio económico completo es recomendable para la incorporación de biodiésel
como fluido de transmisión de energía mecánica.
28
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33
GLOSARIO Cavitación. Consiste en el fenómeno de vaporización espontánea de un fluido
ante un cambio de presión, el cual produce burbujas en el seno de un líquido que
posteriormente implotan. (Ҫengel, Y.A. y Boles, M.A., 2015).
Neotérico. Este tecnovocablo significa moderno e innovador, término que se
ajusta para describir la novedosa aplicación del material de estudio para el uso
estudiado. (Real Academia Española, 2019).
Picnómetro. Recipiente calibrado para la determinación de densidades mediante
pesada. (Real Academia Española, 2019).
Reología. Es el estudio del flujo de la materia aplicado en fluidos, ya sean
líquidos, gaseosos o sólidos-blandos y su deformación ante la aplicación de una
fuerza. (Real Academia Española, 2019).
Transesterificación. Esta se trata de una transformación química la cual se da por
reacciones entre esteres y alcoholes para la obtención de nuevos ésteres.
Usualmente, estas usan catalizadores ácidos o básicos. (Bio-oils, 2019).
34
Anexos
Anexo 1. Castrol universal tractor fluid® product data
35
36
Anexo 2. Castrol universal tractor fluid® safety data sheet
37
38
39
40
41
42
43
44
45
Anexo 3. Dirección hidráulica OSPU data sheet
46
47
Anexo 4. Gatas hidráulicas Mammoet dimensiones y capacidades
48
49
Anexo 5. Cilindro hidráulico Mabey data sheet
50
Anexo 6. Elevador hidráulico datos de placa
51
Anexo 7. Carta de autorización de reproducción de figuras 6 y 7
