Análisis termodinámico Introducción Para ara las aplica aplicacio ciones nes de transp transport orte e pesado pesado y transp transpor orte te median mediano, o, los motores e gas natural han demostrado una reducción de CO mayor al 90 % y más del 50 % en partículas contaminantes de NOx en comparación a los ehículos comerciales a di!sel" #tili$ #tili$ar ar gas natural natural en lugar lugar de petró petróleo leo y gasoil gasoil es posil posile e cuando cuando el almacenamiento es en &orma comprimida '(NC) o en licuada '*N()" +l gas natural es una me$cla de hidrocaruros principalmente metano 'C-). y se está está incre incremen menta tando ndo su uso como como una alter alternat natia ia al comus comusti tile le para para transportación deido a su comustión limpia y emisiones signi/catiamente signi/catiamente menos nocias" mas conersiones de motores di!sel a comustile dual 'gas natural . di!sel) y sólo de gas natural son posiles" 1 Ecua Ecuaci cion ones es de comb combus usti tión ón comp comple leta ta del del diés diésel el,, ga gas s na natu tura rall y combustible dual +cuación completa de la reacción de comustión del di!sel2
(
)
13 H 2 O + 69.56 N 69.56 N 2 CH 12 H 26+ 18.5 O 2 + 3.76 N 2 → 12 CO2 + 13 H
'1)
+l gas natural presenta un a3o porcenta3e de arios hidrocaronos adicionales al metano" Para un análisis más sencillo del motor de comustión, el gas natural se considera como 100 % de metano" +cuación completa de la reacción de comustión del metano2
(
)
CH 4 + 2 O2+ 3.76 N 2 → CO2 + 2 H 2 O + 2.52 N 2
'4)
e acuerdo a la literatura y resultados de análisis termodinámicos se e 6ue la relación de la me$cla, 75 % de gas natural y 15 % de di!sel es el ratio deseado en motores duales" *a ecuación completa del comustile dual 'di!sel.gas natural) asado en la cominación mencionada se otiene de las ecuaciones '1) y '4)"
(
)
0.85 CH 4 + 0.15 C 12 H 26 + 4.475 O2+ 3.76 N 2 → 2.65 CO 2+ 3.65 H 3.65 H 2 O + 16.826 N 2
'8)
asados en las ecuaciones de comustión completas se otiene el ratio este6uiom!trico de aire.comustile, el coe/ciente este6uiom!trico del aire y el poder calorí/co in&erior del di!sel, gas natural y comustile dual 'gas natural.di!sel)" :ala :ala 1" +speciaciones +speciaciones de comustiles Comustile
PC; '<=>
?atio este6uiom!trico aire.comustile
Coe/ciente este6uiom!trico del aire
1 =a&ari, " ", @ Aarhanieh, " 's"&")" :hermodynamic nalysis o& ?eplacing (as Oil Bith Natural (as"
(as natural 75 % gas natural D 15 % di!sel i!sel
501--
1"45
4
-E501
15"9
-"-5
--557
15"04
17"5
Temperatura adiabática de llama del diésel y del gas natural Considerando un proceso de comustión 6ue se desarrolla adiaáticamente sin traa3o o camio en la energía cin!tica o potencial, la temperatura de llama adiaática es la máxima temperatura 6ue puede alcan$arse por los reactantes" +sto es importante al considerar la temperatura máxima 6ue es admisile de acuerdo a las consideraciones metalFrgicas del motor" Con el uso de ecuaciones termodinámicas, se calcula 6ue la temperatura de llama adiaática para el di!sel es 4-1- GH y 484,5 GH para el gas natural" Como es eidente, la temperatura adiaática del di!sel es mayor a la del gas natural "Por lo tanto, la conersión de un motor di!sel a gas natural sin ningFn camio en el diseIo deido a e&ectos de cho6ues t!rmicos es posile"
Análisis termodinámico de los ciclos diésel, gas natural y dual Para identi/car las modi/caciones más importantes 6ue re6uiere el motor di!sel para conertirse en Fnicamente gas natural y motor dual, se dee utili$ar un análisis termodinámico asado en ciclo de aire.comustile 6ue desarrolla en el motor" Ciclo diésel +l ciclo di!sel es un ciclo ideal 6ue se aproxima a un motor de compresión.encendido" +l ciclo di!sel incluye cuatro procesos2 Compresión isentrópica, adición de calor a presión constante, expansión isentrópica y disipación de calor a olumen constante" Ciclo del motor solo de gas natural +s necesaria una u3ía para iniciar la comustión deido al alto punto de auto.inJamailidad del gas natural" *os motores sólo de gas natural &uncionan con circo Otto" *a di&erencia entre los modelos producidos para motores di!sel, y motores solo (NC está en la compresión y en el proceso de comustión" +n el motor di!sel, solo se comprime el aire pero en los motores solo de gas natural se comprime la me$cla de aire.comustile" demás el proceso de adición de calor en el ciclo Otto se reali$a a olumen constante" Ciclo del motor del motor dual +n los motores duales, el gasoil se usa como piloto para el encendido de gas natural" +l ciclo de este motor permanece asado en el mismo ciclo di!sel" *a Fnica di&erencia en el análisis termodinámico del motor dual con el motor di!sel es el proceso de compresión en el cual existe me$cla de aire y gas natural en lugar de solamente aire"
Conclusión *os análisis termodinámicos muestran 6ue no se re6uiere camiar la relación de compresión y consecuentemente camios signi/catios en la estructura primaria del motor para propósitos de conersión" *a me$cla ideal usada en la mayoría de motores duales es de 75 % de gas natural y 15 % de di!sel" Para preenir p!rdidas seeras de potencia en altas reoluciones, la cantidad sería E0 % de gas natural y -0 % de di!sel" +xcluyendo al motor dual, la conersión de un motor di!sel solamente a (NC se reali$ará con camios sustanciales a la estructura del motor" +ntre los camios más importantes están la reducción de la relación de compresión, incremento del porcenta3e de exceso de aire, uso de u3í as y el camio del ciclo termodinámico de di!sel a Otto" *as inestigaciones muestran 6ue la relación de compresión más óptima para motores solo gas natural está entre 11 y 18"
