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INTRODUCCIÓN
El consumo excesivo de los combustibles fósiles ha generado impactos adversos en la salud humana y en el medio ambiente; estos combustibles son los principales responsables del cambio climático a nivel mundial [1]. El calentamiento global es una amenaza inminente y se debe principalmente a la emisión de gases de efecto invernadero (GEI), muchos de estos gases se generan en los procesos de combustión [2]. Los principales gases contaminantes producidos por la combustión son: dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), hidrocarburos no quemados (HC), óxidos de nitrógeno (NOX), entre otros [3]. Los motores de combustión interna (MCI) son responsables de una gran parte de las emisiones de estos gases [4]. Según el tipo de encendido estos motores se clasifican en motores de encendido eléctrico (utilizan gasolina como combustible) y motores de encendido por compresión (utilizan diésel).Los motores de encendido por compresión (motores diésel) son los preferidos por los fabricantes y por los consumidores debido a sus altos valores de potencia de salida y a su elevado rendimiento térmico [5].
Por otro lado, estos motores pueden convertirse en la principal fuente de contaminación del aire en un futuro próximo, debido a sus emisiones de gases productos de la combustión. Actualmente se están produciendo variaciones en los niveles de producción y en los precios de los productos derivados del petróleo, además se han incrementado las normativas establecidas por los gobiernos para el control de las emisiones de gases contaminantes. Estos cambios han inducido a los fabricantes, científicos e investigadores a identificar combustibles alternativos (fundamentalmente renovables) que incrementen el rendimiento de los motores diésel y que logren disminuir sus emisiones de gases contaminantes [6].
En las últimas décadas se ha incrementado el interés en los biocombustibles, tanto en países desarrollados como en subdesarrollados [7]. Los combustibles derivados de la biomasa, como la biomasa sólida, los combustibles líquidos y varios biogases, se encuentran bajo la definición de biocombustibles. Generalmente se clasifican como biocombustibles convencionales (primera generación) y biocombustibles avanzados (segunda, tercera y cuarta generación). Los biocombustibles de primera generación están hechos de cultivos alimenticios ricos en azúcar, almidón o aceite vegetal, los más comunes son los bioalcoholes (etanol) y el biodiesel. Los biocombustibles de segunda generación se producen a partir de residuales no comestibles de los cultivos actuales, así como de otros cultivos que no se utilizan con fines alimenticios o industriales. Los biocombustibles de tercera generación se obtienen a partir de algas. Los biocombustibles creados a partir de procesos distintos a los mencionados anteriormente se conocen como biocombustibles de cuarta generación. Estos son altamente experimentales y sus tecnologías incluyen la descomposición de los biocombustibles a altas temperaturas, reacciones de fotosíntesis artificiales y organismos modificados genéticamente para secretar hidrocarburos [8].
Muchos investigadores han estudiado el uso de aceites vegetales en motores diésel. Los aceites vegetales ofrecen casi la misma potencia de salida con una eficiencia térmica ligeramente menor cuando se utilizan en motores diésel [9]. En el estudio de los biocombustibles a partir de aceites vegetales, se le ha prestado especial atención a los producidos a partir de materias primas no comestibles (aceites vegetales no comestibles). Algunos de estos aceites son producidos a partir de: Jatropha curcas (piñón), Millettia pinnata (pongabia), Azadirachta indica (neem), Simmondsia chinensis (jojoba), etc [10].
La utilización de estos aceites crudos (sin ningún tratamiento previo) como combustibles en MCI ha recibido una investigación intensiva en las últimas décadas. Estos aceites generalmente tienen una alta viscosidad, lo que limita su uso en motores diesel. Esta alta viscosidad conduce a una combustión incompleta y al depósito de carbono en la cámara de combustión a largo plazo [11]. Una de las técnicas más utilizadas para disminuir la viscosidad de estos aceites es la mezcla de estos con otros combustibles de menor viscosidad. Esto permite que el sistema de combustible del vehículo maneje la mezcla sin ninguna dificultad. El aceite crudo de Jatropha curcas mezclado con diésel ha sido considerado como un potencial combustible alternativo para los motores de encendido por compresión [12]. Se ha comprobado que las pruebas a corto plazo de diferentes mezclas de combustible diésel-aceites vegetales tienen éxito como combustibles para motores [13,14]. Forson y col. obtuvieron un incremento en la eficiencia térmica, en la potencia y una reducción del consumo específico de combustible al utilizar mezclas de aceite de jatropha crudo en un motor monocilíndrico de inyección directa [15].
Otra de las técnicas utilizadas con el objetivo de disminuir las emisiones de gases contaminantes y aumentar la eficiencia de los MCI es el tratamiento magnético del combustible. Algunos estudios actuales sugieren que el tratamiento magnético del combustible tiene un efecto positivo en el comportamiento de los procesos de combustión [5,16] porque causa cambios en algunas propiedades físico-químicas de estos fluidos [17-19]. Además se plantea que los combustibles fósiles líquidos contienen predominantemente hidrocarburos que tienen fuertes fuerzas de atracción física, de modo que pueden formar estructuras densamente compactas llamadas pseudocompuestos que pueden organizarse en grupos. Estos compuestos son relativamente estables y su capacidad de reaccionar con los átomos de oxígeno se ve dificultada, lo que resulta en una combustión incompleta [20]. Cuando el combustible pasa a través de un campo magnético, algunas de sus moléculas se reorientan en una dirección opuesta a la del campo magnético. También cambian su configuración, lo que reduce considerablemente sus fuerzas de atracción intermoleculares. La reducción de las fuerzas intermoleculares separa las moléculas de hidrocarburos entre sí, lo que promueve una rápida unión con los iones de oxígeno presentes en el aire, lo que resulta en una combustión más eficiente [21].
Varios investigadores sostienen que la instalación de imanes permanentes o acondicionadores magnéticos (MC) en las líneas de combustible en el MCI aumenta la eficiencia de la combustión y ayuda a reducir las emisiones de escape [5,22]. Uno de los métodos más extendidos es la ubicación de los imanes justo antes de los inyectores en los motores diésel [16,23]. Al utilizar este tratamiento en un motor diésel de cuatro tiempos y seis cilindros, Al-Khaledy (2008) obtuvo una disminución en el consumo de combustible, aumentos en la eficiencia de la combustión y también logró una reducción en las emisiones de NOX del 20% [24].
La aplicación de campos magnéticos en mezclas de aceites vegetales crudos con diésel resultaría novedoso e interesante, además podría ser una alternativa que posibilite un mayor uso de fuentes renovables de energía en los motores diésel. Es por ello que el objetivo de nuestro trabajo es evaluar el efecto de un campo magnético estático de 0.36 T en la combustión de una mezcla de diésel con aceite de Jatropha curcas L. cubano al 10%.
MATERIALES Y MÉTODOS
Combustibles utilizados
Para el desarrollo de la experimentación se utilizó diésel de producción nacional (DIÉSEL) obtenido en los depósitos que comercializan este tipo de combustible y aceite vegetal de Jatropha curcas L crudo (ACEITE). Este aceite se obtuvo de una plantación que está ubicada en la granja Paraguay, en la provincia de Guantánamo, a más de 800 km de la Habana y a unos 70 km de Santiago de Cuba. El suelo de la zona es mayormente seco, con elevada salinidad y con tendencia a la desertificación. Esta plantación tiene el potencial de proveer Jatropha curcas L como aceite o biodiesel para satisfacer necesidades locales de producción de energía.
Para las pruebas realizadas en el motor de combustión se utilizó una mezcla diésel-aceite de Jatropha curcas L al 10 % de este último (MEZCLA). La misma se preparó añadiendo lentamente el aceite crudo al diésel, se preparó un volumen de 1 L. La mezcla resultante se agitó durante cinco minutos a 2000 rpm en un agitador IKA RW20 digital.
Algunas de las propiedades físico-químicas de estos combustibles que se determinaron fueron: densidad, viscosidad, Índice de cetano, punto de inflamación, residuo de carbón, entre otras. Las propiedades del diésel, del aceite y de la mezcla se muestran en la tabla 1.
Tabla 1 Características físico-químicas de los combustibles utilizados
| Propiedades | Unidades | DIÉSEL | ACEITE | MEZCLA | Norma |
|---|---|---|---|---|---|
| ρ 15℃ | g/cm³ | 0,847 | 0,916 | 0,854 | ASTM D 4052 |
| ρ 40℃ | g/cm³ | 0,833 | 0,902 | 0,843 | ASTM D 4052 |
| Punto de inflamación | ℃ | 72 | >160 | 73,667 | ASTM D 93 |
| Viscosidad cinemática | mm²/s | 3,569 | 33,232 | 4,224 | ASTM D 445 |
| Viscosidad dinámica | cP | 2,973 | 29,975 | 3,561 | ASTM D 445 |
| Índice de cetano | -- | 51,4 | -- | 49,6 | ASTM D 613 |
| Residuo de Carbón | % peso | 1,203 | -- | 0,856 | ASTM D 189 |
| Valor calórico | MJ/kg | 42,5 | 39,07 | 41,6 | ASTM D 4530 |
Instalación experimental utilizada y procedimientos
La instalación experimental utilizada para el estudio de la combustión del diésel y de la mezcla tratada magnéticamente y sin tratar está conformada a partir de un grupo electrógeno de prueba Lister Petter LPWS2. El diagrama esquemático de la instalación experimental se muestra en la figura 1. El grupo electrógeno está formado por un motor diésel Lister Petter de dos cilindros y de inyección indirecta. El motor tiene acoplado mediante una conexión rígida un generador, las características principales del motor y del generador se muestran en la tabla 2.
Una serie de resistencias eléctricas se conectan al generador, estas al ser encendidas consumen energía, provocando las diferentes cargas a las que estuvo sometido el motor. La carga del motor puede variar desde 0 hasta 96 % en un rango de 16% de carga.
Tabla 2 Especificaciones técnicas del motor y del generador Lister Petter
| Motor | Generador | ||
|---|---|---|---|
| Diámetro nominal del cilindro (mm) | 86 | Fabricante | Lister Petter |
| Carrera (mm) | 80 | Modelo | BC1164D1 |
| Cilindrada (L) | 0,93 | Factor de potencia | 0,86 |
| Relación de compresión | 23,5:1 | Tensión (V) | 220 |
| Velocidad constante (rpm) | 1500 | Velocidad (rpm) | 1500 |
| Tipo de enfriamiento | Enfriado por agua | Frecuencia (Hz) | 50 |
Tratamiento magnético de la mezcla directamente en las tuberías del motor
Se aplicó un campo magnético estático directamente sobre las tuberías de combustible en el motor cuando este operaba con la mezcla de diesel y Jatropha Curcas L. al 10% (MEZCLA TM). El mismo incluía cuatro acondicionadores magnéticos, uno colocado en el retorno, otro a la entrada del filtro de combustible y uno delante de cada inyector. En la figura 2, se muestra el diagrama con la ubicación de los acondicionadores en el motor.
Para producir el campo magnético estático se utilizaron acondicionadores magnéticos construidos a partir de imanes permanentes de Neodimio-Hierro-Boro (figura 3). La inducción magnética promedio de estos acondicionadores es de 0,36T con una desviación de 0,005T.
Se utilizó una configuración dipolar para garantizar que las líneas de inducción del campo se distribuyan uniformemente por toda el área de flujo del combustible.
Pruebas de rendimiento del motor y emisiones de escape
Los parámetros estudiados en el grupo electrógeno fueron el consumo horario de combustible y las emisiones de gases de escape de CO2, de CO y de NOx. La medición del consumo de combustible se realizó mediante el método gravimétrico. A través de este método se determinó el tiempo (tc) en que se consume una masa (Mc) determinada de combustible (Mc=10 g). Este procedimiento se realizó cinco veces por carga en cada corrida experimental. Para la medición de Mc se utilizó una balanza digital Toledo IND 425 con una escala de 0 a 6 kg y una precisión de ±0,1 g. En la balanza se colocó un Erlenmeyer de 1 L de capacidad, que contiene el combustible para las mediciones. A este recipiente se conectaron tres conductos de combustible: uno que conduce el combustible hacia el motor, otro para el retorno del combustible no inyectado y el último para el completamiento del Erlenmeyer desde el depósito principal. Esta última proviene del tanque principal o depósito, donde se abastece el combustible objeto de estudio. Para establecer tc se utilizó un cronómetro digital Nokia, cuya precisión es de ± 0,01 s.
El estudio de las emisiones de los gases de escape se realizó con un equipo Analizador de gases Testo 350. Este equipo posee una sonda que se introduce en el orificio destinado a la toma de muestras de los gases. Es capaz de medir en tiempo real las emisiones de gases como el CO, los NOX y el CO2. Se midieron 10 valores de concentraciones de gases por cada carga (seis cargas), estas se promediaron y se graficaron para realizar la comparación. Para evaluar el efecto del tratamiento magnético en el proceso de combustión de la mezcla diésel-aceite de Jatropha curcas al 10 % se realizaron tres corridas experimentales con cada tipo de combustible utilizado. Los experimentos se realizaron aleatoriamente y las desviaciones obtenidas en cada uno de ellos se muestran en los gráficos a través de las barras de error.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para evaluar el efecto del tratamiento magnético en el proceso de combustión de la mezcla diésel-aceite de Jatropha curcas al 10 % se analizaron las emisiones de gases productos de la combustión y el consumo horario de combustible de un grupo electrógeno de prueba Lister Petter LPWS2. Se realizaron los experimentos en el motor utilizando como combustibles los siguientes:
Diésel de producción nacional como control (DIÉSEL).
Mezcla diésel-aceite de Jatropha curcas al 10 % (MEZCLA).
Mezcla diésel-aceite de Jatropha curcas al 10 % tratada magnéticamente, colocando los dispositivos magnéticos directamente en las tuberías que transportan el combustible en el motor (MEZCLA TM).
Las emisiones de gases constituyen parámetros importantes para evaluar los procesos de combustión, fundamentalmente desde el punto de vista ambiental. El estudio de las emisiones se realizó variando la carga del motor. Los grupos electrógenos, generalmente trabajan por encima del 80 % de carga porque en estas condiciones se obtiene un mejor rendimiento del motor. Es por esto que las comparaciones se realizan en las mayores cargas del motor. Los principales gases contaminantes analizados en esta investigación fueron: CO, CO2 y NOX.
El comportamiento de las emisiones de CO del grupo electrógeno se muestra en la figura 4. Este gas es producido cuando existe combustión incompleta del combustible en los motores de combustión por lo que una disminución de sus emisiones significa que aumenta la eficiencia del proceso de combustión porque se disminuyen las pérdidas por combustión incompleta.
Las emisiones de CO producidas con los diferentes tipos de combustible siguen el mismo comportamiento como se observa en la figura 4, aumentando a medida que se incrementa la carga del motor. Las emisiones de este gas generadas con la MEZCLA muestran disminuciones respecto a las generadas con el DIÉSEL control, a excepción de las cargas 48 y 60% en las que aumentan. Este resultado ratifica los resultados obtenidos por varios autores quienes plantean que el uso de combustibles alternativos (mezclas de diésel con aceites vegetales) puede disminuir las emisiones de CO generadas por los motores de combustión interna [25,26].
Al evaluar el efecto del tratamiento magnético se puede decir que las emisiones generadas con la MEZCLA TM fueron inferiores a las generadas con el diésel y con la MEZCLA sin tratamiento magnético, en todas las cargas del motor. En algunas de estas cargas las diferencias fueron estadísticamente significativas. Al 80% de cargas, al utilizar la MEZCLA TM se obtuvo una disminución de las emisiones de CO de un 24,84% respecto al diésel y de un 8,38% respecto a la MEZCLA sin tratar. Los anteriores resultados coinciden con lo planteado por Govindasamy y col. [27]. Quienes obtuvieron resultados similares utilizando una mezcla diésel-aceite de Jatropha curcas al 50%.
Otro de los gases importantes en el proceso de combustión es el CO2, se produce en la reacción química de oxidación completa de los combustibles. Desde el punto de vista medioambiental es uno de los principales responsables del efecto invernadero. Las emisiones de este gas obtenidas en esta investigación se revelan en la figura 5.
Las emisiones de CO2 aumentan con el incremento de las cargas, son directamente proporcionales a la cantidad de átomos de carbono del combustible que se inyecta a las cámaras de combustión. La combustión de las mezclas diésel-aceite de Jatropha curcas al 10% generó emisiones de CO2 más bajas que el DIÉSEL. Eso se explica debido a que los aceites vegetales presentan compuestos oxigenados y otros elementos en formas de traza, los cuales provocan que en la mezcla disminuya la cantidad de carbono elemental respecto al diésel puro. Resultados contradictorios fueron obtenidos utilizando mezclas diésel-aceite de Jatropha curcas con diferentes composiciones volumétricas respecto al aceite [28].
Con la aplicación de tratamiento magnético a la mezcla se disminuyen aún más las emisiones de CO2, fundamentalmente en las mayores cargas. En algunas de estas cargas las diferencias fueron estadísticamente significativas. En la máxima carga, al utilizar la MEZCLA TM se obtuvo una disminución de las emisiones de CO2 de un 15,78% respecto al diésel y de un 7,27% respecto a la MEZCLA sin tratar. Yamin (2017) también obtuvo disminuciones de este gas aplicando un tratamientos magnéticos diferentes a mezclas diésel-biodiésel de aceites residuales de cocina [9] .
Otros de los contaminantes ambientales originado en los procesos de combustión son los NOX. Estos gases se forman en las cámaras de combustión y en los conductos de escape de los gases cuando estos alcanzan condiciones extremas de presión y temperaturas. Las emisiones de este gas se presentan en la figura 6. De manera general se obtuvieron disminuciones en las emisiones de los NOX cuando se utilizan las mezclas en el motor, respecto al diésel. Los resultados planteados por otros autores respecto a este gas son contradictorios. En nuestro caso se lograron las mayores reducciones en las mayores cargas, obteniéndose los valores más bajos con la MEZCLA TM. Se observan diferencias estadísticamente significativas en algunas cargas. Al 96% de cargas y utilizando la MEZCLA TM se alcanzó una disminución de las emisiones de NOX de un 20,43% respecto al diésel y de un 15,41% respecto a la MEZCLA sin tratar. Resultados equivalentes han sido obtenidos por Govindasamy y col. [27].
La disminución de las emisiones al medio ambiente de este gas es un asunto de importancia a nivel internacional. Con los resultados obtenidos se demuestra que es posible reducir el impacto ambiental negativo producido por los motores de combustión interna, específicamente por los grupos electrógenos utilizados para la generación de energía eléctrica.
Consumo horario de combustible
Unido a las emisiones de gases contaminantes, el consumo de combustible es un parámetro de vital importancia para el control de la eficiencia de la combustión. Este indicador se estudia con el fin de disminuir el uso excesivo de los combustibles fósiles derivados del petróleo.
En la figura 7, se muestra el comportamiento de este indicador para los combustibles analizados. El consumo horario de combustible aumenta con el incremento de las cargas del motor. En la mayoría de las cargas el consumo de combustible obtenido con las mezclas diésel-aceite de Jatropha curcas al 10% es ligeramente mayor. Esto se debe a que los aceites vegetales y por ende sus mezclas con combustibles tradicionales tienen menores valores calóricos que el diésel tradicional. Es por ello que el motor necesita sobre consumir combustible para lograr la misma potencia. Estos resultados se corresponden con los obtenidos por [25,26]. No obstante, como la mezcla contiene solo un 90 % de diésel permite que se reduzca el consumo de combustibles fósiles. Con la aplicación de los campos magnéticos, sin embargo, disminuye el consumo horario de combustible respecto a la MEZCLA y en ocasiones respecto al DIÉSEL. Al 96% de carga se obtuvo una disminución del consumo de un 2,59% con combustible tratado magnéticamente respecto a la MEZCLA sin tratar.
Los resultados obtenidos en la investigación demuestran que la combinación del uso de los combustibles alternativos renovables con la aplicación de tratamientos magnéticos al combustible es una opción sostenible para el futuro inmediato. Los efectos provocados por la aplicación del tratamiento magnético al combustible pueden explicarse debido a que los hidrocarburos se unen a grupos más grandes, tales grupos forman asociaciones llamadas clústeres. Las moléculas de hidrocarburos de los combustibles tratadas con campos magnéticos tienden a romper esos clústeres, creando partículas más pequeñas. El tratamiento magnético del combustible debilita los enlaces entre las cadenas de hidrocarburos, lo que da como resultado una disminución de la tensión superficial.
La disminución de la tensión superficial provocada por el tratamiento magnético provoca un alto grado de atomización, por lo que, mejora el proceso de mezcla del combustible con el aire (mayor homogeneidad de la mezcla). Este efecto es importante desde el punto de vista de la eficiencia de la combustión, lo que pudiera conllevar a una disminución en las emisiones de gases contaminantes y a un menor consumo de combustible.
Algunas investigaciones corroboran esta teoría como es el caso de Faris y col., quienes analizaron los espectros de absorción infrarroja (FTIR) de muestras de combustible (gasolina) tratadas magnéticamente. El espectro infrarrojo de absorción de los combustibles proporciona una visión de su estructura molecular. Los momentos dipolares de transición de las moléculas del combustible tratado magnéticamente se incrementan con respecto a los del combustible no tratado, debido a los desplazamientos de los átomos de las moléculas y a los cambios en los momentos magnéticos de las moléculas bajo la acción del campo magnético [20].
Por lo tanto, se puede deducir que la fuerza de atracción molecular entre los hidrocarburos disminuye después de atravesar el campo magnético. Esta es la razón por la cual algunas propiedades de los hidrocarburos como la tensión superficial, que están influenciadas por la fuerza de atracción molecular, disminuyen después de que estos fluyen a través del campo magnético.
CONCLUSIONES
Las propiedades de ambos combustibles fueron similares, lo que posibilita el uso de este biocombustible alternativo como carburante de los motores diésel. Las emisiones de gases del grupo electrógeno Lister Petter LPWS2 utilizando una mezcla diésel-aceite de Jatropha curcas al 10 % tratada magnéticamente fueron menores que las generadas con diésel y con la mezcla sin tratar. Se alcanzaron disminuciones de un 24,84% de CO, de un 15,78% de CO2 y de un 20,43% de NOX cuando el motor trabajaba en sus máximas cargas. Con el tratamiento magnético de la mezcla diésel-aceite de Jatropha curcas al 10 % se disminuyó el consumo de combustible del motor del grupo electrógeno Lister Petter en un 2,59%.
