Número de Cetano: Caracterización de Combustibles Diésel

El número de cetano caracteriza la volatilidad y la facilidad de inflamación en motores diésel. Para determinar este número, se compara la facilidad de inflamación del combustible en cuestión con la de una mezcla de cetano y alfametilnaftaleno. Cuanto más elevado es el número de cetano, menor es el retraso de la ignición y mejor es la calidad de combustión. Si el número de cetano es demasiado bajo, la combustión es inadecuada y puede ocurrir en un momento no deseado de la carrera del pistón.

Análisis de Carga y Dimensionamiento de Grupos Electrógenos

El factor de potencia (Cos(φ)) con el que va a trabajar el equipo es una consideración importante. Los grupos electrógenos trifásicos están clasificados para cargas con un factor de potencia de 0,8, y los grupos electrógenos monofásicos para cargas de 1,0.

Tipos de Cargas

• Sistemas de iluminación: Se considera carga constante.
• Carga de motores: Requiere determinar la potencia y el tipo de motores debido a las diferentes características de arranque, considerando la corriente de arranque (Inx6).
• Cargas variadas: Incluye todo lo no considerado en las categorías anteriores. Si la carga es muy grande, se recomienda consultar a un experto.

Ciclo de Servicio

El ciclo de servicio también determinará el tamaño del grupo electrógeno, destacándose las siguientes aplicaciones:

• Energía de respaldo (Standby)
• Energía primaria
• Servicio paralelo

Clasificaciones del Motor

Las clasificaciones del motor incluyen:

• Potencia auxiliar de emergencia
• Potencia auxiliar
• Potencia principal
• Potencia continua

Criterios para el Dimensionamiento

Se requieren tres criterios para determinar de manera precisa el tamaño de un grupo electrógeno:

• El porcentaje aceptable de caída de voltaje y de frecuencia.
• La duración aceptable del tiempo de recuperación de la caída de voltaje y de frecuencia.
• El porcentaje de un paso de carga y el tipo de carga que se conectará.

Cuanto mayor sea la caída de voltaje o de frecuencia que un grupo electrógeno puede tolerar, más pequeño y económico resultará.

Tipos de Servicio de Potencia

Se definen tres tipos de servicio:

• Potencia Prime
• Potencia Continua (o Base)
• Potencia Stand-by

Plantas de Generación de Potencia

Características y Ventajas (Wärtsilä)

Las plantas de generación de potencia, como las de Wärtsilä, se caracterizan por:

• Salida de planta (MW)
• Configuración
• Carga mínima
• Eficiencia
• Rampa de velocidad
• Tiempo regular de arranque
• Tiempo de arranque rápido
• Tiempo de arranque ultrarrápido
• Tiempo de parada

Las principales ventajas que argumentan son: “muy alta eficiencia energética, destacada flexibilidad operativa y la posibilidad de operación multicombustible”. Su oferta abarca desde plantas de energía de carga base, punta o flotante. En cuanto a la eficiencia energética, se observan valores de rendimiento del 50% o más.

Dosificación del Aire en la Combustión

Como ya se ha visto, la condición para que la combustión sea efectiva consiste en que las moléculas del combustible y del oxígeno se desdoblen en los átomos que las integran y que estos reaccionen entre sí. Sin embargo, los combustibles, salvo los gaseosos, se alimentan a los hornos industriales en forma de partículas que, según el tipo de combustible y el dispositivo de alimentación, pueden tener tamaños que van desde fracciones de milímetros hasta varios centímetros, sin alcanzar nunca el orden molecular.

Cuando estas partículas ingresan al recinto de combustión, se inicia un proceso de calentamiento progresivo que comienza en su superficie y avanza hacia el centro. Durante este proceso tienen lugar etapas de secado, destilación de materiales volátiles, disociación de moléculas hidrocarburadas y/o gasificación del carbono no combinado.

A medida que se desarrollan estas operaciones, la partícula original es rodeada por capas concéntricas de humedad y de moléculas en distintas etapas de disociación, mientras que en el centro queda un residuo sólido constituido por materiales inertes o cenizas y carbono no gasificado. Estas son las denominadas barreras físicas (gaseosa y sólida, respectivamente) que los átomos de oxígeno deben superar para tomar contacto con los átomos oxidables. Existe, por lo tanto, un problema de accesibilidad mutua entre los átomos reaccionantes.

Extracción de No Condensables

Los no condensables están constituidos por gases que se deben a fallas en los sellos; su presencia impide el mantenimiento del grado de vacío, lo que reduce el rendimiento de la turbina. El proceso consiste en aspirarlos y comprimirlos hasta expulsarlos a la atmósfera. Los equipos utilizados son eyectores y bombas de vacío.

Tipos de Combustibles y sus Propiedades

Nafta

La nafta se obtiene a partir de la destilación directa o de un proceso llamado FCC (craqueo catalítico fluidizado). Su densidad es de 760 kg/m³ y su poder calorífico es de 11200 Kcal/kg. Es una mezcla de hidrocarburos de C4 a C11. Se le agregan diferentes sustancias químicas en bajas cantidades para mejorar las siguientes propiedades:

• Octanaje: Se mejora con etanol y MTBE. Anteriormente se usaba plomo, pero fue prohibido.
• Oxigenadores: Para mejorar su combustión, evitando humos y aumentando la eficiencia.
• Detergentes: Mejoran la pulverización de la nafta, logrando un mejor contacto oxígeno-combustible.
• Colorantes: Para evitar confundir combustibles.

Gasóleo (Gas Oil)

El gasóleo es un hidrocarburo con una densidad de 832 kg/m³, compuesto principalmente por parafinas. Su poder calorífico oscila entre 10150 y 10300 Kcal/kg, aunque depende de su composición.

Biodiésel

El biodiésel es un líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales (aceites vegetales o grasas animales). Se utilizan notaciones abreviadas según el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla (B100 en caso de ser solo biodiésel, o B5 que muestra el % en volumen). Una desventaja es que descompone el caucho natural, por lo que es necesario sustituirlo por elastómeros sintéticos. Tiene buenas propiedades lubricantes y un mayor índice de cetano que el diésel, por lo que agregarle cierta proporción al gasóleo reduce significativamente el desgaste del circuito del combustible.

Bioetanol

El bioetanol es un alcohol extraído a partir de materia orgánica que se mezcla con la nafta. Se obtiene a partir de la caña de azúcar, remolacha, maíz, trigo, etc. Se nombra de forma similar al biodiésel, pero con la letra E (ej. E10). Desde 2016, las naftas en Argentina contienen un cierto porcentaje de bioetanol y los gasóleos un porcentaje de biodiésel.

Fuelóleo (Fueloil)

El fuelóleo es una fracción del petróleo que se obtiene como residuo de la destilación fraccionada; es el combustible más pesado que se puede destilar a presión atmosférica. Está compuesto por moléculas con más de 20 átomos de carbono (C20+). Se suele tratar posteriormente en procesos a menor presión para obtener las fracciones más pesadas del petróleo: aceites lubricantes y asfalto, entre otros. Su PCI (Poder Calorífico Inferior) se encuentra entre 9.600 y 10.100 kcal/kg. Se divide en clases según su punto de ebullición, composición y uso. El punto de ebullición varía de 175 a 600°C; la longitud de la cadena de carbono, de 9 a 70 átomos; y la viscosidad aumentan con el número de carbonos de la molécula. El precio decrece a medida que aumenta el número de clase (va de 1 a 6).

Gas Natural (GN)

El Gas Natural (GN) es una fuente de energía de tipo fósil, liberada por su combustión. Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos ligeros que se extrae de yacimientos independientes (gas libre) o junto a yacimientos de petróleo o de carbón (gas asociado). Su composición varía en función del punto de extracción, pero su principal componente es el metano (79 a 97% en composición volumétrica), superando comúnmente el 90-95%. El poder calorífico del gas natural ronda entre 10.000 y 11.000 kcal/Nm³. El GNC (Gas Natural Comprimido) es esencialmente gas natural almacenado a altas presiones, habitualmente entre 200 y 250 bar.

Procesos de Tratamiento de Agua

Clarificación

La clarificación es la eliminación de materia en suspensión y/o color del suministro de agua. Consiste en remover las partículas de sólidos en suspensión y/o eliminar la turbidez del agua.

Coagulación

Las partículas finamente divididas como limo, arcilla, materia orgánica, algas, precipitados minerales, etc., que causan la turbidez y el color del agua, son agrupadas mediante agentes químicos para formar conglomerados lo suficientemente grandes como para acelerar su decantación o facilitar su retención por la superficie. Esta operación es, en general, una etapa previa al filtrado.

Métodos de Coagulación

Existen 3 métodos para que esto ocurra:

1. Aumentar la temperatura para disminuir la solubilidad del sólido en el agua.
2. Sobrepasar el punto de saturación de las impurezas disueltas en agua.
3. Mediante cambios químicos de la impureza por el calor, produciendo la ruptura y formación de sustancias insolubles.

Condiciones que Facilitan la Coagulación

Las condiciones que facilitan la coagulación son 3:

1. Presencia mínima de iones de aluminio o hierro en el agua.
2. Presencia de un anión fuerte como el sulfato o un cloruro (coagulante).
3. pH entre 5,5 y 8.

Sedimentación

Una vez coagulada y floculada el agua, el problema consiste en separar los sólidos del líquido. Esto se puede lograr mediante:

1. Sedimentación
2. Filtración
3. Combinación de ambos

La sedimentación y la filtración deben considerarse como procesos complementarios: el primero realiza la separación de las partículas más densas que el agua y que tienen una velocidad de sedimentación tal que les permite llegar al fondo del tanque sedimentador en un tiempo económicamente aceptable; el segundo separa aquellas partículas con una densidad próxima a la del agua y de baja velocidad de sedimentación, o que son resuspendidas por cualquier causa y, por lo tanto, no son removidas en la sedimentación.

Filtración

La filtración tiene por objeto retener las partículas en suspensión en el agua, tanto en el caso de agua sin previo tratamiento de coagulación como los flóculos que no sedimentan. Consiste en pasar el líquido a través de un material poroso que actúa fijando por adsorción las materias suspendidas más finas y reteniendo mecánicamente las partículas de mayor volumen en los intersticios del material poroso filtrante.

Intercambio Iónico

Se elimina la dureza total presente en el agua a tratar mediante el intercambio de los iones Ca++ y Mg++ que la forman con los iones Na+ de la resina. Es decir, las sales de Ca y Mg son transformadas en sales de Na no incrustantes. Las resinas agotadas se regeneran con soluciones de NaCl (salmuera).

Para el ablandamiento se utilizan zeolitas (Na2Z) de sodio y aluminio (su fórmula general es Na2O·Al2O3·SiO2). Esta sustancia tiene la propiedad de absorber el calcio y magnesio de las aguas que la atraviesan. El tratamiento con zeolita produce aguas con contenidos muy bajos de calcio y magnesio. El agua que atraviesa el lecho de zeolita debe estar libre de detritos, lodo, cieno y precipitados finamente divididos, los cuales recubren y tapan las partículas de los materiales empleados para la rectificación, haciéndolos menos eficientes.

Rendimiento Volumétrico en Motores

El rendimiento volumétrico varía con:

• La densidad de carga y la dilución originada por los gases residuales: Depende de la temperatura de las paredes de los conductos de aspiración y del cilindro, ya que ceden calor a la carga fresca, elevando su temperatura y disminuyendo la densidad del fluido operante, lo que resulta en una reducción del rendimiento volumétrico. Los gases residuales presentes en el cilindro después del escape también contribuyen a reducir la densidad del fluido operante, pues, además de cederle calor, disminuyen el volumen que debería ser ocupado por la carga de gases frescos.

• El diseño de los conductos de aspiración y de escape: Es de gran importancia, ya que, además de oponer la mínima resistencia al paso de los gases, deben evitar su calentamiento. La experiencia demuestra que los mayores valores del rendimiento volumétrico se alcanzan en los motores para una velocidad del aire de 40-60 m/s en régimen normal de funcionamiento. En régimen de máxima potencia, la velocidad media del fluido alcanza los 65-75 m/s.

• Los tiempos de apertura y cierre de las válvulas: Tienen una estrecha relación con el llenado del cilindro de acuerdo con la velocidad de rotación del motor, ya que influyen en las ondas de presión que se originan en los conductos de aspiración y de escape como consecuencia de las rápidas variaciones de velocidad que experimenta la masa gaseosa en movimiento. Esto se consigue escogiendo oportunamente la longitud de los conductos.