informe i trabajo ciclo diesel

Universidad de Chile

Facultad de Ciencias Fısicas y Matematicas

Departamento de Ingenierıa Mecanica

Informe 1

ME64A Centrales Termicas de Potencia

Profesor: Carlos Gherardelli D.

Centrales de Electricas de Generacion de Potencia basadas en el

Ciclo Diesel.

Alumnos:

Marco Ruiz H.

Miguel Lecaros A.

Guillermo Del Castillo C.

Rodrigo Madariaga P.

20 de Noviembre, 2008

Indice

1. Introduccion 1

2. Objetivos 2

3. Ciclo Diesel 3

3.1. Ciclo de cuatro tiempos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3.2. Ciclo de dos tiempos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4. Estudio de Caso: Wasa Pilot Power Plant(WPPP) 10

4.1. Descripcion General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.2. Tecnologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.3. Equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.4. Mejoramiento de componentes del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5. Layout tıpico de una Central Diesel 15

6. Situacion Actual Ciclo Diesel en Chile 18

7. Impacto ambiental de una central Diesel: 20

8. Estado del Arte 22

8.1. Disminucion de Emisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

8.2. Biocombustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

9. Conclusiones 26

Bibliografıa 27

Capıtulo 1

Introduccion

La maquina diesel moderna surgio como resultado de los principios de combustion interna prop-

uestos por Sadi Carnot en los comienzos del siglo 19. El Dr. Rudolf Diesel, motivado por la baja eficiencia

de las maquinas a gasolina y de vapor, aplico los principios de Carnot para crear una maquina de mayor

eficiencia. En 1892 obtuvo la patente por lo que ahora se conoce como el ciclo diesel.

La maquina diesel es un tipo de maquina de combustion interna, que puede ser mejor descrita

como una maquina de ignicion por compresion. El combustible en una maquina diesel se enciende por

el rapido y fuerte aumento de la presion y de la temperatura en la mezcla de combustible y oxıgeno. Se

dividen en dos categorıas, de cuatro y dos tiempos, diferenciandose por la potencia capaz de entregar

cada uno.

En Chile, su aplicacion se centra en sistemas de emergencia frente a situaciones de falta de energıa.

En locaciones remotas en que el requerimiento de potencia electrica es relativamente bajo. Esto se debe

principalmente al bajo nivel de potencia que entregan este tipo de centrales y al alto nivel de emisiones

que genera.

1

Capıtulo 2

Objetivos

Profundizar en aspectos caracterısticos de la industria de generacion energetica.

Identificar las unidades que componen una central basada el el ciclo Diesel y ver como es la

distribucion de estos.

Estudiar como se aplica un ciclo termodinamico en la industria de generacion energetica.

Estudiar los adelantos tecnologicos que se aplican en estas industrias y ver el impacto que esto

tiene en la eficiencia termica del proceso.

Abordar los fundamentos teoricos que estan entorno a el ciclo termodinamico que se estudia en

este informe (Ciclo Diesel)

Investigar algunos de los adelantos tecnologicos mas destacados en torno al ciclo diesel.

Estudiar las implicancias medioambientales de un ciclo Diesel

Estudiar el panorama nacional energetico en torno a centrales basadas en el ciclo Diesel.

2

Capıtulo 3

Ciclo Diesel

Un motor diesel es un tipo de maquina de calor que usa el proceso de combusiton interna para

convertir la energıa almacenada en los encales quımicos del combustible en energıa mecanica util. Esto

ocurre en dos pasos. Primero, el combustible reacciona quımicamente (combustiona) y libera energıa

en forma de calor. Segundo, el calor causa que los gases atrapados en el cilindro se expandan, y los

gases en expansion deben desplazar el piston para expandirse. El movimiento alternante del piston es

convertido en movimiento rotacional por el ciguenal.

Para convertir la energıa quımica del combustible en energıa mecanica util todos los motores de

combustion interna deben pasar por cuatro eventos: aspiracion, compresion, expansion y escape. Como

se sincronizan estos eventos y como ocurren diferencia los distintos tipos de motores. Los motores diesel

estan en una de dos categorıas: motor con ciclo de cuatro tiempos o dos tiempos. En el caso de un

motor con ciclo de cuatro tiempos, el motor requiere cuatro carreras del piston para completar un ciclo

completo (aspiracion, compresion, expansion y escape). Por lo tanto requiere de dos rotaciones del

ciguenal (720◦) para completar un ciclo. En un motor con ciclo de dos tiempos, los eventos ocurren en

solo una rotacion del ciguenal (360◦).

En el ciclo diesel el aire se comprime adiabaticamente con una razon de compresion entre 15 y

20. Esta compresion eleva la temperatura a la temperatura de inflamacion de la mezcla de combustible,

la cual se forma en el momento en que el combustible es inyectado en el aire comprimido.

3

CAPITULO 3. CICLO DIESEL 4

Figura 3.1: Diagrama P-V ciclo diesel ideal

En la figura 3.1 se ve un diagrama P-V de un ciclo diesel ideal. El ciclo ideal es modelado como

una compresion adiabatica reversible seguida por un proceso de combustion a presion constante, luego

sigue una expansion adiabatica como tiempo de potencia y una evacuacion a volumen constante. Luego

se renueva el aire para reiterar el ciclo.

Ya que la compresion y expansion de este ciclo son adiabaticas, se puede calcular la eficiencia

a partir de los procesos a presion y volumen constantes. QH y QL se pueden calcular a partir de las

temperaturas y calores especıficos:

QH = CP (T3 − T2) (3.1)

QL = CV (T1 − T4) (3.2)

Luego, el rendimiento se expresa como sigue:

η =QH + QL

QH= 1 +

QL

QH(3.3)

3.1. Ciclo de cuatro tiempos

Los motores diesel de cuatro tiempos de velocidad media son utilizados principalmente para

generacion de potencia en redes electricas pequenas tales como islas, en areas remotas, en proyectos


de desarrollo rapido, o para propositos industriales de auto-abastecimiento. Los motores de velocidad

media son competitivos para plantas de carga de potencia de hasta 200 MW.

3.2. Ciclo de dos tiempos

Un motor de dos tiempos solo requiere de dos desplazamientos del piston para completar un ciclo.

Por lo tanto, varios eventos deben ocurrir durante cada tiempo para que los cuatro eventos se completen

en dos tiempos. En este sentido es crıtica la eleccion del metodo de barrido y la determinacion de una

sincronizacion adecuada.

Un barrido eficiente del cilindro es vital para el buen rendimiento en un motor de dos tiempos. La

figura 3.2 muestra tres metodos de barrido.

Figura 3.2: Metodos de barrido. a) Cruzada. b) Ciclo invertido. c) Flujo unico.

La ventaja de un motor diesel de dos tiempos de baja velocidad es que pueden quemar cualquier

combustible lıquido, independiente de su calidad, mientras pueda ser calentado para alcanzar la viscosi-

dad requerida. Tales combustibles, que son normalmente dificiles de disponer para las refinerıas serıan

prohibitivos para las tecnologıas competidoras tales como motores de cuatro tiempos de velocidad media

o turbinas a gas.

Ademas, los motores de dos tiempos producen mayor potencia que un motor de cuatro tiempos

de tamano comparable. Tienen una elevada densidad de potencia, ya que tienen un tiempo de potencia

cada dos tiempos.

Para una potencia especıfica dada, el motor de dos tiempos produce menos humos y valores


comparables de NOx.

Sin embargo, tiene acumulado un menor avance tecnologico que el motor de cuatro tiempos. Esto

debido a que en un comienzo el motor de dos tiempos presentaba problemas considerables de emisiones

y consumo de combustible porque tenıa un pobre barrido de los gases de combustion y de la mezcla de

aire-combustible en el cilindro, ademas el valor del combustible era bajo, haciendo favorable el desarrollo

del motor de cuatro tiempos. Sin embargo, con las mejoras tecnologicas en la inyeccion de combustible

y el sistema electronico, ademas del aumento en el precio de los combustibles, se hace economicamente

favorable el uso de estas maquinas en centrales de potencia.

En las figuras 3.3 y 3.4 se puede ver una comparacion de los motores diesel, en donde se observa

que para bajas potencias (rango 1-50 MW) ofrecen claras ventajas frente a sistemas de turbinas a gas de

ciclo combinado. Ademas se destaca la mayor eficiencia de el motor de dos tiempos frente al de cuatro

tiempos. Mas crıtica es la variacion de la eficiencia termica sobre un amplio rango de carga (figura 3.5),

estas indican que el motor diesel de dos tiempos es practicamente independiente de la carga sobre un

amplio rango de operacion.


Figura 3.3: Comparacion de eficiencias unitarias tıpicas, maquinas diesel versus turbinas a gas.


Figura 3.4: Influencia en la potencia y eficiencia de las condiciones ambientes para distintas maquinas.


Figura 3.5: Eficiencia en funcion de la carga de varias maquinas.

Capıtulo 4

Estudio de Caso: Wasa Pilot Power Plant(WPPP)

En la busqueda de informacion de una central que operara en base al ciclo diesel, no fue facil

encontrar una central de este tipo. Se encontro que en general, en el mundo no es usual encontrar

centrales de este tipo. Las razones por las cuales esto sucede se describen de alguna manera por los

capıtulos anteriores, donde se abordan las cualidades de los ciclos diesel de dos y cuatro tiempos. Los

aspectos de eficiencias de estas centrales para rangos de generacion de potencia relativamente altos

(para centrales de este tipo) no son muy alentadores a realizar instalaciones de con esta tecnologıa.

A pesar de encontrar esta dificultad para encontrar material acerca de estas centrales, se pudo

encontrar un caso en el cual se opera exitosamente una central que se basa en ciclo diesel para generar

energıa. Algunas de las caracterısticas de esta central explican en gran medida los inconvenientes que

han tenido las plantas basadas en el ciclo. Y cuales son las caracterısticas que pueden hacer a un proyecto

de este tipo exitoso y rentable.

La central que se describe en este capıtulo esta situada en el sur oeste de Finlandia, comenzo a

construirse en 1997 y se conecto a la matriz finlandesa en 1998, posee una potencia instalada de 39

[MW] y tuvo un costo de 35 millones de dolares. La vision de la empresa que tiene a su cargo esta

central, esta enfocada al desarrollo tecnologico y a la innovacion en estos sistemas con tecnologıas de

ultima generacion. Posee

4.1. Descripcion General

A continuacion se muestran algunos de los indicadores principales de la planta que se considero en

estudio de caso.

Orden de construccion 1996

10

CAPITULO 4. ESTUDIO DE CASO: WASA PILOT POWER PLANT(WPPP) 11

Figura 4.1: Planta Wasa Pilot Power Plant

Output: 38MW

Tipo de Planta: Diesel engine combined cycle

Ubicacion: Vaasa, Finlandia

Inversion Estimada: $35 million USD

Puesta en marcha: 1998

Detalle de Planta:

Unidades Motores Diesel: 2 x 17MW 12V46 (ver figura 4.2)

Steam unit: 1 x 5MW

Fuel: Heavy fuel oil


Figura 4.2: Motor Diesel de 17MW 12V46 de la marca Wartsila

4.2. Tecnologıa

Gran tecnologıa ha sido aplicada en esta planta, pero como es logico, se debe realizar de tal

manera que esto no haga inviable economicamente la operacion de la central. El proyecto Wasa se

ha mostrado como un proyecto que posee tecnologıa de punta, dando grandes avances en materia

de normas medioambientales. Las bajas emisiones han sido un gran aporte tanto economicamente

como ambientalmente. Este aspecto mantiene un grado de importancia que aumenta progresivamente.

El concepto de Generacion de Potencia Verde ha cobrado bastante relevancia ultimamente y es el

concepto que domina el mercado de las energıas, especialmente en Europa. Las utilidades generadas en

este proyecto se destinan, en parte, para enfrentar los costos asociados a la implementacion de nuevas

tecnologıas que mejoren la eficiencia de la planta.

Como participantes de este proyecto tambien se cuenta el gobierno de Finlandia, entidades del

gobierno de Estados Unidos y agencias del sector publico, aportando cerca del cuarto del total del capital

de este proyecto. La participacion de estas entidades se justifica por la doble atraccion que tiene este

proyecto en base a la tecnologıa de punta que se desarrolla y los beneficios ambientales de estas. Las

tecnologıas usadas en esta central son las que constituyen el estado del arte actual de estos sistemas y la


experiencia adquirida en esta central se utiliza para evaluar economicamente la conveniencia economica

de tecnologıas avanzadas.

4.3. Equipos

El proveedor de componentes para esta central son las companıas Wartsila y ABB. Estas com-

panıas son importantes en el mercado de generacion de potencia tanto local como mundialmente. Como

resultado del proyecto, estas empresas han tenido la oportunidad de testear algunos de sus productos

y mejorar las tecnologıas desarrolladas en torno a ellos, mientras convencen a nuevos clientes de la

conveniencia del uso de esos productos. Es por esto que la planta se ha visto como un mecanismo de

puesta a punto de tecnologıas en desarrollo y de esta manera promover sus productos.

Tanto como motores diesel, la planta cuenta con una turbina a vapor, un sistema de presion

de vapor doble, sistemas de desulfurizador, equipos de deNOX y equipos de recuperacion de calor. La

planta se ha disenado como una de ciclo combinado y ademas como proveedora de calor domiciliario.

El requerimiento mas importante para las nuevas plantas de generacion de potencia es la eficiencia

en la generacion electrica. Wartsila trabajo en la minimizacion del enfriamiento de del motor y en el

aumento de la temperatura del proceso de combustion. Este proveedor de los grandes motores diesel

con los que opera esta planta, ademas implemento el sistema con la turbina a vapor como parte del

ciclo, aprovechando los gases de escape producto de la combustion del combustible en el motor diesel.

Esto ultimo es lo que motiva el aumento de la temperatura de los gases de combustion, pera luego

aprovecharlos en una etapa recuperadora de calor, esto se puede ver en el diagrama del ciclo combinado

de la figura 4.3.

4.4. Mejoramiento de componentes del motor

Como fue mencionado levemente en el parrafo anterior, la alta temperatura de los gases de com-

bustion son deseadas y este incremento en la temperatura es factible por mejoras a algunos componentes

crıticos del motor. La parte superior del piston es uno de esos componentes crıticos, esta parte del piston

se deja de enfriar (como usualmente se hace) y se construye de una super aleacion resistente a las altas

temperaturas. Un sistema llamado ”anti-polishing ring”, que consiste en un anillo adicional a los tıpicos

anillos del piston que se situa en la parte superior del piston, el cual sirve para evitar que el material


Figura 4.3: Esquema del ciclo combinado llevado a cabo en la planta de WPPP

particulado depositado (polvo) en la camara de combustion entre en la zona de contacto de piston y el

cilindro, el material de este anillo tambien debio ser mejorado con una super aleacion.

Los incrementos de la temperatura de los gases de escape ademas implican el diseno de valvulas

de escapes mas resistentes, construidas de materiales avanzados y maquinadas mediantes sistemas laser.

Las altas temperaturas son logradas por bajos flujos de aire. Esto puede ser logrado mediante un sistema

de valvulas mas eficientes (reduciendo el traslape de las valvulas de admision y escape) y aumentando

la temperatura del aire de admision. La segunda opcion disminuye la eficiencia termica pero el diseno

compensa esto con la aislacion de la camara de combustion. El motor es disenado para maximizar el

efecto del trabajo mecanico de la energıa del gas de escape. Finalmente, motores diesel mas grandes

tienen menores consumos especıficos de combustible que los motores mas pequenos, esto es en parte la

razon por la cual los motores diesel en WPPP son de 17 [MWe].

Capıtulo 5

Layout tıpico de una Central Diesel

Las instalaciones de centrales termicas que funcionan utilizando un ciclo diesel poseen layouts que

contemplan una serie de unidades e instalaciones basicas en este tipo de sistemas. A continuacion se

dara una descripcion de estos sistemas.

Toda instalacion debe contemplar:

Las unidades de motores Diesel de la central

Radiadores de calor para enfriamiento de los motores.

Una planta de tratamiento de aguas

Anexada a la planta de tratamiento de aguas se tienen los contenedores para el agua contra

incendios.

Colectores de los gases de escape de los motores

Una seccion de almacenamiento de combustibles.

Area de descarga de combustibles (provenientes vıa terrestre)

Estacion de bombeo de combustible

Una subestacion electrica.

Finalmente, como es natural, se tiene una sala de control y oficinas de administracion

En general la disposicion de las zonas anteriormente descritas sigue un patron logico comun,

donde la zona de motores, enfriadores, tratamientos de agua y zonas de bombeo de combustible estan

relativamente proximas entre sı. El sector de almacenamiento de combustible debe estar mas retirada

15

CAPITULO 5. LAYOUT TIPICO DE UNA CENTRAL DIESEL 16

de la zona de motores, por motivos de seguridad. Por este mismo motivo la zona de administracion,

que implica una gran cantidad de personal en su interior, se encuentra retirada la zona de motores y

combustibles. La sala de control de una central de potencia Diesel, por motivos logicos debe estar cerca

de las unidades que se estan controlando: motores, bombas, valvulas, etc. Esta disposicion de equipos

sigue el mismo orden tanto en centrales pequenas como en grandes. En las imagenes 5.1 y 5.2 se pueden

ver los equipos anteriormente mencionados y como estos se disponen en una instalacion de una central

generadora de potencia basada en un ciclo Diesel.

Figura 5.1: Equipos y sistemas en una central generadora de potencia de 10 [MW], basada en un ciclo Diesel

CAPITULO 5. LAYOUT TIPICO DE UNA CENTRAL DIESEL 17

Figura 5.2: Equipos y sistemas en una central generadora de potencia de 150 [MW], basada en un ciclo Diesel

Capıtulo 6

Situacion Actual Ciclo Diesel en Chile

La mayor parte de la electricidad generada y consumida se encuentra en el SIC, sin embargo

no existen generadores que operen con ciclo diesel en este sistema. Cabe notar que muchas de las

generadoras de ciclo combinado que funcionan con turbinas a gas, estas operan con combustible diesel

pero su ciclo sigue siendo el Brayton. Por el contrario los sistemas interconectados del Norte Grande,

Aisen y Magallanes tiene un porcentaje de su potencia instalada que funciona con ciclo diesel, la

distribucion es como sigue:

SIGN un 3.5 % que corresponde a 127.6 MW.

Magallanes un 14.5% que corresponde a 11.5MW.

Aisen un 54 % que corresponde a 25.9MW.

Otras instalaciones corresponden a generacion de respaldo, justificadas por eventuales cortes del

suministro de los sistemas de distribucion a las empresas sobre todo las mineras. Algunos ejemplos son:

Codelco Division Andina, que tiene 3 generadores diesel de respaldo de 3 MW.

Companıa Siderurgica Huachipato, que tiene 2 generadores diesel de respaldo de 2.1 MW.

Minera Michilla Region de Antofagasta, que tiene una potencia de respaldo de 7.6 MW.

Punitaqui, IV Region, que tiene 6 generadores de respaldo de 9 MW.

Otro buen ejemplo es en el Proyecto Cementos Bıo Bıo planta Curico donde tienen 2 Package

Power Station (PPS) de 6.8 MW cada uno, donde cada PPS esta compuesto por 4 moto-generadores

de 1.7 MW cada uno como se puede apreciar en la figura:

18

CAPITULO 6. SITUACION ACTUAL CICLO DIESEL EN CHILE 19

Figura 6.1: PPS compuesto de 4 moto-generadores.

Figura 6.2: Moto-Generador.

Capıtulo 7

Impacto ambiental de una central Diesel:

Cuando se proyecta una central de generacion diesel un detalle importante es el impacto ecologico

que este tiene a la zona donde se encuentra. En el contexto mundial se ha detonado la alarma y la

cuestion ambiental ha tomado un enorme peso sobre todas las decisiones, una consecuencia de esto es

el Protocolo de Kyoto. En Chile el tema legislativo ha tomado roles y ha realizados cambios impositivos

para que los proyectos se ajusten a los requerimientos del bienestar ambiental. Una forma de evaluar si un

proyecto o instalacion genera bajo condiciones preestablecidas por la ley es a traves de una Declaracion

de Impacto Ambiental, su estructura sigue la siguiente forma:

Tipo de Generacion.

Definicion de partes, acciones y obras fısicas que lo componen.

• Descripcion.

• Estanques de almacenamiento de combustible.

• Instalaciones administrativas.

Acceso a instalaciones.

Principales emisiones, descarga y residuos del proyecto o actividad.

• Calidad del Aire.

• Residuos Lıquidos.

• Residuos Solidos.

• Ruido.

Para ilustrar se presenta un ejemplo real resumido en los puntos mas importantes:

20

CAPITULO 7. IMPACTO AMBIENTAL DE UNA CENTRAL DIESEL: 21

Pequeno Medio de Generacion Distribuido (PMGD) en base a Diesel con una capacidad de 9 MW.

Definicion de partes, acciones y obras fısicas que lo componen.

• 6 equipos generadores diesel de 2.000 KVA y 400 V tipo Caterpillar 3516 B HD.

• 3 transformadores de 400V a 13,2 kV de 3,75/4,5 MVA cada uno.

• 1 transformador para servicios auxiliares de 13,2 kV a 400 v.

• 1 Switchgear de 13,2 kV.

• 1 Sistema de control SCADA con software RS View 32.

• 2 Estanques de combustible de 29 m3 cada uno.

Principales emisiones, descarga y residuos del proyecto o actividad:

• Calidad del Aire: Emisiones relevantes: Oxidos de Nitrogeno (representado por el NO2),

Monoxido de Carbono (CO) y material particulado (MP).

Figura 7.1: Tabla de Contenido de Emisiones.

Como se puede apreciar estos datos se ajustan a la normativa vigente lo que aprueba este proyecto

bajo este punto de evaluacion.

Capıtulo 8

Estado del Arte

Las publicaciones recientes, relacionadas al ciclo Diesel, se enfocan principalmente en dos areas:

Disminucion de Emisiones

Biocombustibles

La naturaleza de estas tendencias no es azarosa, pues reflejan un mundo que esta en busca de

continuar su desarrollo minimizando el impacto medioambiental. El desarrollo sustentable tambien llama

a encontrar alternativas que permitan diversificar nuestras fuentes energeticas. Estos dos factores pueden

ser citados como impulsores de estas investigaciones.

8.1. Disminucion de Emisiones

El motor diesel es considerado una de las mas eficientes y confiables fuentes de energıa para la

industria del transporte, siendo interesante su uso como respaldo energetico en fabricas e instalaciones.

Sin embargo, las emisiones de partıculas de este tipo de motores tienen impactos negativos en la salud

humana y el medio ambiente. Estudios de salud han mostrado que el material particulado (MP) del

diesel puede acumularse en el sistema respiratorio y causar varios problemas a la salud. Mientras que

estudios epidemiologicos han demostrado los efectos adversos a la salud que ocurren al exponerse a

MP, la aplicacion de metodos de medicion de fuentes tambien han llegado a la conclusion que generan

incrementos en las admisiones hospitalarias e incrementos en la mortalidad. Tambien existen grandes

preocupaciones acerca del impacto negativo de las partıculas muy pequenas de MP respirable en la salud

humana y en el medio ambiente. Especıficamente, partıculas de plantas de generacion, los motores ya

nombrados e incendios de gran escala, se depositan en el sistema respiratorio de las personas lo cual

esta ligado a incrementar el riesgo de complicaciones cronicas.

22

CAPITULO 8. ESTADO DEL ARTE 23

Desde la introduccion del Clean Air Act en los 70’s, ha habido un buen progreso en las tecnologıas

de control de emisiones de MP. Como resultado de este, la masa total de emisiones de MP desde motores

diesel modernos, ha sido reducida de forma significativa. Sin embargo, estudios recientes han mostrado

que el numero de nanopartıculas producidas por motores diesel, que estan equipados con sistemas

de control de MP, ha aumentado considerablemente. Esto es relevante ya que mientras el MP con

diametros de hasta 100 [µm] es inhalable, solo las partıculas con un diametro aerodinamico menor a 10

[µm] (MP10) son consideradas relevantes para efectos en la salud.

Las publicaciones actuales relacionadas al tema pretender extrapolar las experiencias vehiculares

a niveles industriales de generacion electrica, tanto para suministro como para procesos. Zheng et al.,[1]

realizan un interesante review de los ultimos conceptos y adelantos sobre la Recirculacion de Gases

de Escape (EGR). Este sistema, como su nombre lo dice, toma gases de escape y los reingresa a la

admision. La recirculacion de gases de escape posee dos misiones fundamentales:

1. Reducir las emisiones de procedentes de la combustion de la mezcla y que mediante el escape

salen al exterior. Estos gases de escape son ricos en monoxido de carbono, carburos de hidrogeno

y NOx.

2. Bajar las temperaturas de la combustion o explosion dentro de los cilindros. La adicion de gases

de escape a la mezcla de aire y combustible hace mas fluida a esta por lo que se produce la

combustion o explosion a temperaturas mas bajas.

Finalmente, al reducir la temperatura de llama y la concentracion de O2 debido a su sustitucion, se

obtienen menores emisiones de NOx, mayor cantidad de material particulado y menor performance. Sin

embargo, debido a las estrictas medidas medioambientales ha llevado a una aplicacion agresiva de EGR

lo cual puede traer efectos adversos. Al aumentar el porcentaje de EGR, la operacion del motor alcanza

zonas de mayor inestabilidad debido al cambio en la mezcla. Esto lleva a aumentos en las emisiones

carbonicas y mayores perdidas de potencia Otros retos son disminuir el desgaste del equipo, aumentar

su performance y principalmente, disminuir las emisiones de material particulado asociadas.

En su publicacion, muestran distintas tecnicas de control y tratamiento de EGR. Esto se realiza

puesto que algunos tratamientos permited disminuir las inestabilidades de combustion aumentando su

performance, durabilidad y disminuyendo las emisiones de MP.

El enfriamiento de EGR aumenta la densidad de los gases, por lo que aumentan el flujo masico

en la admision actuando como un inter-cooler. Es conocido que los inter-coolers son exitosos a la


hora de mejorar eficiencias y disminuir las emisiones. A modo de ejemplo, comunmente los gases

de escape alcanzan temperaturas superiores a los 160[oC]. Sin embargo, con este tratamiento, la

temperatura se reduce mas de un 70 %. Junto a esto, logra disminuir aun mas las emisiones de

NOx.

Para reducir las inestabilidades provocadas por los combustibles reciclados, se aplica una oxidacion

por medio de catalizadores en las partes de alta presion del ciclo EGR. Estos combustibles ingresan

a la camara de combustion mezclados con el aire. Por medio de este tratamiento, se disminuye el

consumo de estos gases en un 90 %, tanto a nivel vehicular como industrial, extendiendo el lımite

de uso del EGR.

Debido a los excesos de oxıgeno presentes en los gases de escape, se ha propuesto un metodo para

la reformacion de combustibles al interior del ciclo de EGR. Este reformador produce H2 y CO

tal que la combustion de la premezcla sea mejorada al interior del cilindro. Finalmente, se logra

disminuir las emisiones de MP y aun mas las de NOx.

8.2. Biocombustibles

Son combustibles de origen biologico obtenidos de manera renovable a partir de restos organicos.

Entre las fuentes de los biocombustibles, estan la biomasa proveniente de cultivos como cana de azucar,

maız, sorgo, yuca y otros, usada para producir etanol, y los aceites provenientes de palma africana, soya,

higuerilla, Jatropha curcas, colza y otras plantas, utilizados para producir biodiesel. Dada la coyuntura

geopolıtica, la produccion de biocombustibles puede ser una ayuda para disminuir la dependencia sobre

combustibles fosiles, cuya volatilidad provoca estragos en la industria. Para el uso particular del ciclo

diesel existen los llamados biodiesels, los cuales poseen varias ventajas comparativas.

Ofrecen mayor lubricidad que el diesel de origen fosil, por lo que extiende la vida util de los

motores.

Es mas seguro de transportar y almacenar, ya que tiene un punto de inflamacion 100[◦C] mayor

que el diesel fosil.

Se degrada de 4 a 5 veces mas rapido que el diesel fosil y puede ser usado como solvente para

limpiar derrames de diesel fosil.


Practicamente no contiene azufre, por lo que no genera SO2, gas que contribuye en forma significa-

tiva a la contaminacion ambiental. Actualmente en todas partes las legislaciones estan exigiendo

disminuir el contenido de azufre del diesel, disminuyendo a la vez su lubricidad.

Sin embargo, tambien posee desventajas:

El biodiesel presenta problemas de fluidez y congelamiento a bajas temperaturas.

El contenido energetico del biodiesel es algo menor que el del diesel (12 % menor en peso - 8 %

en volumen), por lo que su consumo es ligeramente mayor.

El biodiesel de baja calidad (con un bajo numero de cetano) puede incrementar las emisiones de

NOx, pero si el numero de cetano es mayor que 68, las emisiones de NOx serıan iguales o menores

que las provenientes del diesel fosil.

Siendo que es muy dificil reemplazar completamente el diesel, se estudia la factibilidad de tener

motores de ciclo diesel que operen de forma dual, es decir, tanto con biodiesel o biogas que con diesel.

Emisiones caracterısticas de un sistema de generacion electrica diesel simple y dual [2]

En India, mas de 80.000 aldeas se encuentran sin acceso a la electricidad, sin embargo, existe una

gran variedad de insumos biomasicos. Mediante la gasificacion de la biomasa, se puede reemplazar el

uso del diesel en motores generadores. Ası, se han logrado tasas de reemplazo de 70-90%, en lo que se

conoce como modo dual. En el presente trabajo se compararon las emisiones para 4 niveles de carga (10,

20, 30 y 40 [kW]) en motores duales y simples. Se midieron emisiones de CO, NOx, HC, MP y SO2.

Ası, se encontro que al usar una mezcla de diesel y biomasa gasificada, se disminuyen las emisiones de

SO2 y NOx sin aumentar el material particulado emitido. Ademas, aumentan las emisiones de CO bajo

todas las condiciones de carga. Las emisiones de HC se mantienen relativamente iguales.

Ramadhas, en su trabajo Dual fuel mode operation in diesel engines using renewable fuels: Rubber

seed oil and coir-pith producer gas[3], ratifica lo anterior mediante un estudio de caso. Sin embargo

agrega que si bien el rendimiento del ciclo bajo alimentacion dual es inferior si se usa combustible 100 %

renovable, sigue siendo util para la generacion electrica de lugares aislados. Esto se debe a que el costo

de generar usando combustibles renvoables es bastante nferior que usando diesel puro, en especial en

lugares como India. op dual est de caso [3].

Capıtulo 9

Conclusiones

Por si solos, los motores que funcionan basados en el ciclo termodinamico Diesel, no presentan

buenas eficiencias. Esto se ve mejorado al implementar ciclo combinado y alta tecnologıa (en

motor y control de emisiones), presentando grandes desempenos.

Esta tecnologıa no poseen buenas proyecciones dado los futuros desabastecimientos mundiales de

combustibles lıquidos y gaseosos proyectados a mediano y largo plazo.

El gran potencial que tienen los sistemas de generacion de potencia Diesel es area de generacion

de potencia de respaldo, es decir en estaciones dispuestas en standby. Sin embargo se evidencia

bajo interes de instalaciones que funcionen en un regimen continuo de generacion.

En caso de baja potencia, presentan mayores rendimientos termico pero no concentran grandes

potencias (10 50MW p/m)

En cuanto a los motores diesel de cuatro tiempos (velocidad media) y los motores diesel de dos

tiempos (velocidad baja), se puede concluir que en funcion de la eficiencia que presentan, la flexibilidad

en el uso de combustibles y su precio, y la potencia entregada en funcion del tamano, los motores de

dos tiempos presentan claras ventajas economicas y ambientales. En un principio su uso fue deprimido,

por lo que el motor de cuatro tiempos acumulo mayor tecnologıa, sin embargo, con este desarrollo

tecnologico se ha hecho posible superar las principales desventajas del motor de dos tiempos (emisiones

y consumo de combustible), por lo que en la actualidad es un alternativa mas eficiente y economica,

comparandose favorablemente con otras alternativas (ciclo combinado de turbina a gas) en su rango de

potencia.

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Bibliografıa

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informe i trabajo ciclo diesel

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