Regulación automática del sistema de alimentación de biogas de un motor de combustión interna

Alex Contreras Paredes

Juan Guillermo Lira Cacho

REGULACIÓN AUTOMÁTICA

DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN

DE BIOGAS DE UN MOTOR DE

COMBUSTIÓN INTERNA

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© Alex Contreras Paredes &Juan Guillermo Lira Cacho

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0441

Editor: Víctor López Guzmán

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Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

REGULACION AUTOMATICA DEL SISTEMA DE ALIMENTACION DE BIOGAS DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA

Alex Contreras Paredes; Juan Guillermo Lira Cacho

Instituto de Motores de Combustión Interna- Facultad de Ingeniería Mecánica

Universidad Nacional de Ingeniería

RESUMEN En este artículo se presentan aspectos relacionados con la regulación automática del flujo másico de biogás en un motor estacionario de combustión interna de encendido por chispa (E.CH.) en función de la carga. Esta regulación se lleva a cabo con un reductor de presión para GLP modificado mediante la modelación matemática del sistema de alimentación de combustible. Se muestra la fundamentación teórica de este modelo a partir de ecuaciones fundamentales de la física, mecánica de fluidos y los gases ideales, aplicadas, principalmente, al regulador de presiones y al mezclador aire biogás. Se incluyen las curvas características de carga de un motor E.CH. de un grupo electrógeno de 50 kW de potencia a 1.800 RPM alimentado con biogas con una presión de suministro de 0,3 a 1 mbar (mín.).

INTRODUCCION Ahora que la humanidad siente los efectos del cambio climático, ya no basta con dejar de contaminar o hacerlo a menor ritmo. Nuestro deber urgente, es contribuir a la descontaminación del medio ambiente, mediante el desarrollo y aplicación de procesos ecológicos que ayuden a la naturaleza en su capacidad de renovación, función que por sí sola, ya no puede realizar, por el gran desbalance en las emisiones contaminantes antropogénicas. Después del dióxido de carbono (C02), el metano ocupa el segundo lugar en cuanto a gases de efecto invernadero causados por las actividades humanas. El metano es 23 veces más eficaz para atrapar el calor dentro de la atmósfera que el CO2. En los últimos dos siglos, las concentraciones de metano en la atmósfera han aumentado en más del doble. Las concentraciones atmosféricas se determinan por el equilibrio entre el índice de ingreso y el índice de eliminación. Los índices de ingreso han aumentado debido a las actividades humanas, mientras que los índices de eliminación se determinan mediante la eficacia de los “sumideros”, es decir, los sistemas que absorben o neutralizan un gas de efecto invernadero. Los principales sumideros de metano son la oxidación por reacción química con hidroxilo troposférico (OH), con la oxidación estratosférica y absorción microbiana mediante los árboles y suelos. La fuerza y eficacia de estos sumideros determinan la vida atmosférica del metano.

Por este nefasto desequilibrio en la atmosfera, urge entonces el desarrollo e implementación de procesos de captación de metano, que resultan además, de mucho beneficio ambiental, energético y económico. En primer lugar, debido a que el metano es un gas de efecto invernadero potente y tiene una vida atmosférica corta, su captación puede producir importantes resultados a corto plazo. Por lo tanto, su recolección y utilización provee una valiosa fuente de energía de combustión limpia que mejora la calidad de vida en las comunidades locales y puede generar beneficios económicos. Producir energía a partir del metano recuperado también puede evitar el uso de recursos de mayor emisión de energía, como la madera, el carbón o el petróleo. Esto puede reducir las emisiones de CO2, SO2, material particulado y otras sustancias tóxicas provenientes de los usuarios finales y las plantas generadoras de energía. En el Perú, han sido las instituciones académicas, como la UNI, y algunas organizaciones no gubernamentales, las que se han encargado de la investigación e implementación de estos sistemas de captación de metano, a partir de la descomposición anaeróbica de los desechos orgánicos en recintos denominados biodigestores. En el Instituto de Motores de Combustión Interna de la UNI (IMCI), ha prevalecido el interés, de desarrollar la tecnología, que permita utilizar el biogás, como fuente de energía limpia y sostenible.

A pesar de lo atractivo que es obtener energía mecánica o eléctrica a partir del biogás, esto no es tan sencillo debido principalmente a dos factores: la baja presión de suministro al motor (no más de 60 mbar) y al contenido de ácido sulfhídrico. El primer factor complica notablemente la regulación automática de la alimentación de biogás al motor en función de la carga; además, este tipo de sistemas no se oferta en el mercado por lo que hay la necesidad de calcularlo, diseñarlo y construirlo especialmente. Es precisamente, el motivo especial de esta publicación, dar a conocer los últimos y alentadores resultados obtenidos, en la utilización del biogás, como combustible exclusivo de un grupo electrógeno de 50 kW de potencia. Este nivel de generación de potencia eléctrica a partir del biogás, es probablemente uno de los mayores alcanzados en el Perú. Representa también, el primer caso de una iniciativa netamente privada, la que ha implementado, en el interior del Hipódromo de Monterrico, un interesante sistema de descomposición anaeróbica de la biomasa, conformada principalmente por el estiércol del ganado equino, para la producción de fertilizante orgánico y de potencia eléctrica a partir del biogás generado. La realización de este proyecto ha permitido el desarrollo de un sistema confiable, sencillo y original de regulación automática de la alimentación de biogás en motores de combustión interna, inclusive para niveles de potencia de uso industrial.

EL BIOGAS COMO COMBUSTIBLE El biogás es una mezcla de gases provenientes de la descomposición de materia orgánica realizada por acción bacteriana en condiciones anaeróbicas (en ausencia de oxígeno). Los componentes principales del biogás son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2), pero también se encuentran pequeñas cantidades de ácido sulfhídrico (H2S), hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2), argón (Ar), monóxido de carbono (CO) y trazas de amoniaco (NH3) [Ref.4, 6]. El poder calorífico y otras propiedades del biogás dependen de la cantidad de metano

en el biogás (éste varía entre 50 y 80% en vol.), el cual a su vez depende del proceso de obtención y de la materia prima utilizada. Las propiedades físico-químicas del biogás utilizado, a condiciones estándares (101,3 kPa y 273 K), se muestran en la tabla 1. El ácido sulfhídrico (H2S), contenido en el biogás (de 0,10 a 0,50%), es altamente corrosivo. Para algunos motores se especifica como límite máximo permitido 1.500 ppm (0,15% en vol.) [Ref.6]; por esta razón, es necesario el uso de filtros que disminuyan su concentración. El biogás que se obtiene en una planta usualmente es saturado (humedad relativa de 100%), pero, dependiendo de la tubería de gas utilizada, esta humedad se reduce debido al enfriamiento. El condensado es retenido en trampas de agua, y el biogás se considera seco cuando ingresa al motor. Tabla 1. Propiedades del biogás [Ref.4].

* con 70% de CH4.

COMPONENTES DEL SISTEMA DE ALIMENTACION DE BIOGAS

Los componentes principales del sistema de alimentación de biogás propuesto son (Figs. 1 y 8):

Regulador de caudal. Electroválvula de gas para el

arranque en frío del motor. Mezclador aire/gas.

Estos elementos se unen entre si mediante mangueras, tuberías y conectores de diferentes especificaciones.

Propiedad Biogás (60%

de CH4)

Poder calorífico inferior, MJ/m3 21,6

Densidad, kg/m3 1,21 Velocidad del frente de llama laminar, m/s 0,25

Relación estequiométrica, en m3/m3 5,71

Relación estequiométrica, en kg/kg 6,1

Poder calorífico por unidad de volumen de mezcla (con =1), MJ/m3

3,23

Número de octano (método Research) 130*

Fig. 1. Esquema del sistema de alimentación de biogás: 1-Motor; 2-Mezclador; 3-Filtro de aire; 4-Regulador de presión; 5-Electroválvula; 6-Resorte del regulador; 7-Tornillo regulador de máxima; 8-Flujómetro; 9-Manómetro en U; 10-Regulador de velocidad; 11-Tubo de escape; 12- Línea de suministro de biogás; 13-Válvula de mariposa; 14-Diafragma; 15-Obturador. Funcionamiento del sistema.- El biogás, proveniente del biodigestor, ingresa al sistema de alimentación del motor por la línea de suministro 12 y luego al regulador de presión 4 donde se dosifica la cantidad de gas que consume el motor en función de la carga. Antes que el gas ingrese al mezclador aire/gas 2, se mide la presión de suministro con el manómetro en “U” 9, y el caudal de gas con el flujómetro 8. El biogás ingresa al motor gracias a la succión que provoca el descenso de los pistones del motor durante la carrera de admisión, vacío que se incrementa cuando el aire, proveniente del filtro 3, pasa por la garganta del mezclador 2. Este vacío sirve también para succionar al diafragma del regulador 14 con lo que se abre el obturador 15. Para regular la cantidad de gas que ingresa al motor en el régimen de potencia máxima se utiliza el tornillo 7. Durante el arranque en frío del motor se abre la electroválvula 5 para derivar directamente el gas a la zona de alto vacío, delante de la válvula de mariposa 13. La velocidad del motor se controla con el regulador centrífugo 10, el cual actúa sobre la válvula de mariposa 13 a través de un sistema de palancas. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE BIOGÁS

Regulador-dosificador.- El regulador-dosificador de biogás es el componente más importante del sistema de alimentación. Es un dispositivo neumático, que se encuentra ubicado entre la línea de suministro y el mezclador. Su función es regular con precisión la cantidad de biogás que ingresa al motor en función de la carga. Debido a la baja presión manométrica de suministro del biogás, que no supera 20 mbar, este regulador es de una sola etapa. Con el objeto de reducir costos se modificó el regulador original del motor, de marca Impco, modelo 200, para gas natural y GLP, al cual se le eliminó la primera etapa (etapa de alta presión) y el calentador-vaporizador del gas, de tal forma que el biogás llega al reductor directamente, sin ninguna pérdida de presión. Para aumentar la sensibilidad de la regulación del caudal de gas se utilizó un resorte más blando (de 0,8 mm de diámetro del alambre).

Tabla 2. Parámetros del regulador-dosificador.

Parámetro Símbolo Valor Diámetro del

diafragma, mm. Ddiaf 145

Diámetro del surtidor, mm d0 15,3

Rigidez del resorte, N/m kr 324

Brazo de palanca del diafragma, mm b 53

Brazo de palanca del obturador, mm c 13

Brazo de palanca del resorte, mm a 22

Levantamiento máximo del obturador, mm h0 4,5

Este dispositivo, como todos los reguladores de presión, consta de los siguientes elementos básicos:

Un diafragma de acrilo nitrilo, material resistente a la acción diluyente del gas.

Un resorte calibrado antagonista. Un balancín con su obturador.

Para determinar si era necesario hacer modificaciones al modelo original fue necesario hacer la modelación matemática del sistema (desde la línea de suministro hasta el mezclador inclusive, en la Fig. 1). En los párrafos siguientes se muestran los fundamentos teóricos de esta modelación. En general, para garantizar el trabajo normal de un motor, los reductores se diseñan o seleccionan para el régimen nominal del motor [Ref.1,5], es decir, para el máximo caudal de gas (con la mínima presión de suministro). Los caudales de

gas ( gV

) y aire ( aV

), en m3/s, están relacionados con el caudal de la mezcla

aire combustible ( mzV

) mediante las siguientes expresiones [Ref.1,3,4]:

01 L

VV mz

g

y 0/11 L

VV mz

a

(1)

donde es el coeficiente de exceso de aire, y L0 es la relación aire combustible, en m3/m3.

El caudal de la mezcla mzV

es directamente proporcional a la cilindrada del motor (VH) (en litros), a la máxima velocidad del motor (n) (en rpm), y a la eficiencia volumétrica del motor ( v ) [Ref.1,3,4,5]:

vH

mz

nVV

1201000 (2)

La eficiencia volumétrica del motor es función, principalmente, de la velocidad del

motor (en este caso la velocidad es constante e igual a 1.800 rpm) y de la apertura de la válvula de mariposa del motor. La eficiencia volumétrica se puede determinar experimentalmente o con un algoritmo de cálculo [Ref.5]. En general, para reductores-reguladores convencionales para GLP o GNV, con presiones de alimentación mucho mayores que la presión de suministro del biogás, es recomendable que la presión del gas en un compartimiento (etapa) tenga un valor que, en lo posible, produzca una caída de presión en el obturador de cada etapa que ocasione un flujo con régimen supercrítico (con velocidad igual a la del sonido) en los diferentes regímenes del motor [Ref.1,5]. Esta condición es particularmente importante para garantizar una presión de suministro al mezclador lo más estable posible. Sin embargo, en nuestro caso, esta recomendación no se puede llevar a cabo debido a la pequeña presión de suministro del biogás. Flujo másico que ingresa al regulador.- Dada la presión tan baja de suministro del biogás (máx. 20 mbar), el régimen del flujo a través del obturador siempre es subcrítico. La fórmula general para el cálculo del flujo másico (en kg/s) de un fluido compresible a través de un agujero en régimen subcrítico es [Ref.2, 5]:

k

k

a

rk

a

r

a

arg

p

p

k

k

p

p

RT

pAm

1(

lim

1

limlim

lim 11

2 (3)

donde Ar es el área de paso efectiva equivalente del flujo a través del tubito surtidor y del obturador; palim es la presión de ingreso al reductor (ver figura 2); Talim se considera aproximadamente igual a la temperatura atmosférica. k es el exponente adiabático del gas; para el biogás, se puede asumir k=1,285. La fórmula (3) también puede ser escrita como [Ref.2]:

5,0

lim )(2 ragrg ppAm (4)

donde la función está dada por [Ref.2]:

2

1

lim

)1(

lim

2

lim

1

1

a

r

k

k

a

rk

a

r

p

p

p

p

p

p

k

k

(5)

En nuestro caso, como la presión de suministro limap es muy pequeña (no supera 1 mbar), entonces se cumple que

1,0/)( limlim ara ppp y 1 , por lo que al fluido se lo puede considerar prácticamente incompresible [Ref.2]. Para calcular el área de la sección de paso del obturador (válvula) del reductor, hay que tomar en cuenta que realmente hay dos obstrucciones hidráulicas en serie: el agujero surtidor y el área lateral del anillo imaginario que se forma entre el obturador y el pico del surtidor (ver Fig. 2).

Fig. 2. Variación del coeficiente de descarga del pico surtidor y del área efectiva equivalente relativa en función de levantamiento relativo hv/d0. El área efectiva equivalente se calcula con la siguiente fórmula [Ref.3,5]:

201

1

KhdCA vdr

(7)

donde K es factor que relaciona a las dos secciones en serie antes mencionadas, y se calcula con:

4

2

0

0

d

hdCK vd

(8)

Equilibrio de momentos en el balancín del obturador.- Para el balancín del reductor, la ecuación de equilibrio de momentos es (ver Figs. 3 y 4):

Nm.b–Pv.a+ Qr.c=0 (9) donde Nm, Qr y Pv (=[Ref.palim-pr].A0) son las fuerzas que ejercen el diafragma, el resorte y el obturador sobre el balancín, respectivamente.

Fig. 3. Esquema del regulador dosificador.

Desarrollando esta ecuación, obtenemos:

varammr AppuApp )()( lim10

0)( 2,0 uykQ rr (10) donde pr, palim y p0 son las presiones dentro del reductor, de suministro y atmosférica, respectivamente; kr es la constante de rigidez del resorte del reductor; Q0,r es la compresión previa del resorte; Am y Aa son las áreas del diafragma del reductor y del tubito surtidor, respectivamente; u1 (=b/a) y u2 (=c/a) y son las relaciones de los brazos de palanca respectivos; y (=hvu2) es la contracción que sufre el resorte del regulador; m y v son coeficientes empíricos del diafragma y del obturador, respectivamente (ver Fig. 4). Cuando el motor no funciona, el reductor está normalmente cerrado (por acción del resorte), lo cual es particularmente importante cuando el motor está apagado (por razones de seguridad). Mezclador.- Es el elemento encargado de combinar el gas con el aire en la proporción adecuada, en cualquier régimen de funcionamiento del motor. El perfil de la tobera debe ser tal que produzcan las menores pérdidas de presión en el flujo, por lo que éste debe ser lo más aerodinámico posible. El mezclador tiene, básicamente, el mismo principio que un

carburador convencional [Ref.2,4,5,6], es decir, el flujo de aire, que ingresa al motor durante la admisión, origina una depresión en la garganta del mezclador donde se ubican los agujeros por donde sale el

biogás hacia el motor. La depresión en la garganta del mezclador varía en función de la posición de la válvula de mariposa del carburador y de la velocidad del motor.

Fig. 4. Fuerzas y momentos que actúan sobre el balancín del reductor.

El diseño del mezclador permite obtener las principales medidas de éste, tales como: los diámetros de ingreso y salida de la tobera, el diámetro de la garganta, la longitud y el perfil óptimos de la tobera. La modelación también permite determinar el número y diámetro de los agujeros de alimentación de biogás, de manera que se obtenga una mezcla homogénea y con un coeficiente de exceso de aire adecuado. También se consideró la inclinación del eje de los agujeros (=15º) del biogás con respecto al plano perpendicular al eje de la tobera (ver figura 5), de tal manera que aumente el valor del coeficiente de descarga de los mismos.

Fig.5. Esquema del mezclador de biogás.

Las dimensiones principales del mezclador de biogás utilizado se muestran en la figura 6.

Fig. 6. Dimensiones principales del

mezclador. Para obtener el perfil de la tobera del mezclador se usó dos curvas polinómicas de tercer grado [Ref.4], del tipo:

3

3

2

210 zazazaay (11)

Los valores numéricos de los coeficientes de los polinomios se obtienen a partir de las condiciones de contorno del perfil y de recomendaciones bibliográficas4,6. Las características del mezclador utilizado se muestran en la tabla 3.

Tabla 3. Características del mezclador.

Parámetro Símb.

Valor

Diámetros de entrada y salida, mm D 60,4

Diámetro de la garganta, mm gd 22,0

Longitud, mm L 100 Longitud de parte convergente, mm L1 25

Nº de agujeros Nº 10 Diámetro de agujeros, mm daguj 4 Angulo de entrada 45º Angulo de salida 20º

El flujo másico de gas, calculado a través de la fórmula 4, también se puede determinar a partir de:

ggg Vm (6)

donde

gV y g son el caudal de gas suministrado al motor y la densidad del gas (a las condiciones de suministro), respectivamente. El caudal de gas suministrado al motor también se calcula con la siguiente fórmula:

gr

g

g ppV

2Asal (12)

donde salA es el área efectiva equivalente entre el regulador-dosificador y el mezclador, y se calcula con la siguiente fórmula [Ref.3]:

2

,

2

1,1

sal

)(

1

)(

1

1A

agujdagujd CACA

(13)

donde A1Cd,1 y agujdagujCA , son las áreas efectivas de la salida del reductor y los agujeros del mezclador, respectivamente. La caída de presión que produce el flujo de mezcla aire-gas al pasar por la garganta del mezclador es:

2

,

2

0)(

1

2

1

gmzd

adAC

Vp

(14)

donde gA es el área de la garganta del mezclador. Por lo que la presión absoluta en la garganta del mezclador es:

dg ppp 0 (15) El coeficiente de descarga del mezclador, se puede considerar constante e igual a 0,98 dada la forma aerodinámica del mezclador. Regulador de velocidad.- No hubo necesidad de realizar modificaciones ni cambiar el regulador original del motor, el cual es un mecanismo centrífugo (tipo regulador de Watt), cuya función es mantener constante la velocidad de rotación, interactuando para esto con la válvula de mariposa del motor a través de un sistema de palancas. Cabe indicar que la presencia del regulador es imprescindible para mantener constantes el voltaje y la frecuencia de la corriente del grupo electrógeno.

LA MODELACION MATEMATICA DEL REDUCTOR Y MEZCLADOR

La modelación matemática del sistema está basada en la solución simultánea de las ecuaciones de conservación de la masa a través de las diferentes secciones de paso del flujo de gas y de equilibrio de fuerzas en el balancín del obturador del reductor. La modelación del sistema permitió obtener las principales medidas y parámetros del reductor de presión (presiones en las cavidades y diámetros de los agujeros de los conductos) así como las dimensiones básicas del mezclador, tales como: los diámetros de los agujeros y de la garganta del mezclador. El diagrama de flujo del programa de cálculo se muestra en la Fig.7. A partir de este diagrama de flujo se desarrolló el programa de cálculo en Matlab (versión R2009a).

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Para demostrar la funcionalidad y confiabilidad del sistema de alimentación de biogás, así como para obtener las características de carga del grupo electrógeno con este combustible (ver Fig.

8) se realizaron pruebas de campo. Estas pruebas también sirvieron para validar al modelo matemático del regulador dosificador y del mezclador. Las especificaciones del motor son: Grupo Electrógeno Minneapolis-Moline. Modelo: HD504A-6A.

Tipo de motor: E.CH., a gas natural y GLP, 4 tiempos, 06 cilindros.

Relación de compresión: 9,2/1. Diámetro x carrera: 117,5x127 mm2. Cilindrada: 8.259 cm3. Potencia nominal: 58 kW @ 1800 rpm

(con gas natural). Velocidad de ralentí: 600 rpm

Fig.7. Diagrama de flujo del modelo matemático.

Fig.8. Grupo electrógeno con sistema de

alimentación de biogás. En la figura 9 se puede apreciar la variación del consumo específico de combustible en función de la potencia generada. El menor valor del consumo específico del motor es de 0,73-0,76 m3/(kW.h) para una potencia eléctrica de 45 a 47 kW. Tomando en cuenta que la potencia mecánica desarrollada por el motor es mayor que la potencia eléctrica (de 5 a 8%) entonces el consumo específico sería menor (de 0,70 a 0,72 m3/kW.h. Estos valores se encuentran en el rango que indica Mitzlaff 4,6 (0,65–1,0 m3/(kW.h)) para motores E.CH. modificados.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 10 20 30 40 50Ne, kW

ge

, m

^3

/kW

.h

1.00

1.02

1.04

1.06

1.08

1.10geLambda

Fig. 9. Variación del consumo específico de biogás y en función de la potencia eléctrica generada (kW). El consumo horario de biogás varía de 24,8 a 34,8 m3/h cuando la carga aumenta de 0 a 47,3 kW. La determinación del consumo horario de biogás es importante para el dimensionamiento de las plantas de biogás, del mezclador y de otros accesorios [Ref.4,6]. El coeficiente de exceso de aire experimental, en todo el rango de variación

de la carga, fue ligeramente mayor que 1 (ver Fig. 10), es decir, el motor siempre trabajó con mezclas casi estequiométricas. La tendencia de la curva denota un ligero enriquecimiento a medida que la carga del motor aumenta. También se puede notar que el valor de obtenido con el modelo matemático no sólo tiene la misma tendencia decreciente sino también que la diferencia entre los valores de es menor a 2%, lo que valida al modelo desarrollado. Es importante mencionar que la tendencia casi constante de se debe exclusivamente a la acción del regulador-dosificador desarrollado (ver Fig.11). En caso que no se hubiera instalado este dispositivo, la tendencia de la curva sería totalmente distinta, enriqueciéndose notablemente la mezcla al disminuir la carga [Ref.4], lo que hubiese ocasionado el aumento no sólo del consumo específico de combustible a bajas cargas sino también el aumento de las emisiones de CO y HC y el trabajo inestable del motor con estas cargas.

0.95

1.00

1.05

1.10

1.15

0 10 20 30 40 50Ne, kW

La

mb

da

Experim.Modelo

Fig. 10. Variación de en función de la carga del motor.

Fig.11. Regulador-dosificador con

mezclador.

En la figura 12 se muestran los niveles de CO (%) e hidrocarburos HC (ppm) en función de la carga del motor. Las bajas emisiones de CO (menores al 1%) se deben tanto a la mezcla homogénea aire combustible que proporciona el biogás como al hecho que el coeficiente es prácticamente igual a 1. Los valores de los hidrocarburos HC sólo se elevan por encima de los valores admisibles (300 ppm) en los regímenes de bajas cargas debido a la disminución de la temperatura del motor con estas cargas.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50Ne, kW

CO

, %

0

200

400

600

800

1000

HC

, p

pm

CO, %HC, ppm

Fig.12. Emisiones de CO (%) e hidrocarburos HC (ppm) en función de la potencia eléctrica generada.

RECONOCIMIENTO

A la empresa Maros Green S.A.C. por ser la impulsora y auspiciadora de este proyecto.

CONCLUSIONES

1. La realización de este proyecto ha

permitido el desarrollo de un sistema sencillo y original de regulación automática de la alimentación de biogás a un motor de combustión interna de relativa alta potencia, lo cual hizo posible hacer funcionar de manera adecuada (confiable y segura) al grupo electrógeno con un combustible no especificado por el fabricante en todo el rango de cargas ensayado, lo que permite vislumbrar la posibilidad de electrificación de muchas comunidades rurales agropecuarias dispersas que no tengan acceso a la energía eléctrica.

2. La modelación matemática del sistema de alimentación de biogás resultó ser fundamental para poder realizar las modificaciones que fueron necesarias realizar al sistema original.

3. Las modificaciones realizadas permitieron no sólo controlar el consumo de gas y , en el régimen de máxima potencia, sino regular automáticamente el consumo para cargas menores manteniendo prácticamente estequiométrica la mezcla aire-gas.

4. La potencia máxima desarrollada por el motor con biogás es 47 kW, la cual es aproximadamente 19% menor que la potencia nominal del motor (58 kW) trabajando con gas natural.

5. Los resultados de las pruebas con biogás arrojaron un consumo específico de aproximadamente 0,73–0,76 m3/(kW.h) a plena carga.

6. Las emisiones tóxicas de CO y HC son relativamente pequeñas tratándose de un grupo estacionario a biogás.

REFERENCIAS

1. Grigoriev, B.G., “Gasoballonnie

Avtomobili”, Editorial Mashinostroienie, Moscú, 1989 (en ruso).

2. Heywood, J.B., “Internal Combustion Engine Fundamentals”, McGraw Hill Inc, USA, 1988.

3. Jóvaj, M.S., “Motores de Automóvil”, Editorial MIR, Moscú, 1982.

4. Lira Cacho, J.G., Oliveros Donohue, A., Barrera, J., “Sistema de Alimentación de Biogás para un motor de Combustión Interna”, Revista TECNIA, Vol.13, Nº1, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, 2003.

5. Lira Cacho, J.G., Condori Antezana, J.C., “Un Sistema de Alimentación dual GLP/gasolina de bajo costo para Motores Automotrices de pequeña cilindrada”, Revista TECNIA, Vol.15, N°2, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, diciembre, 2005.

6. Mitzlaff, K. Von, “Engines for biogas”. GATE. Deutsches Zentrum fur Entwicklungstechnologien. Germany, 1988.