PROYECTO: PROYECTO:

“MEJORA EN PROCESO DE COMBUSTIÓN (INCREMENTO DE PERFORMANCE)

Y CONTROL DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN MOTORES MARINOS” Equipo Compuesto:

Catalizador Broquet – Flujómetro Kral. (Ingreso de Combustible)

Equipo Simple: Flujómetro Kral (Retorno Combustible).

Actualmente el avance científico y tecnológico se ha desarrollado de manera progresiva con crecimiento exponencial, dotándonos de un sin número de alternativas prácticas y accesibles que mejoran y optimizan nuestros Procesos Industriales.

Tales alternativas vienen acopladas a mecanismos muy atractivos, que al ser aplicados contribuyen a nuestro Crecimiento Económico, simplifican nuestros procesos y favorecen positivamente la reducción de los efectos por Impacto Ambiental, ratificando así nuestra Responsabilidad Social.

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

I. OBJETIVOS:

•Mejorar el proceso de Combustión: Elevar la eficiencia del motor de explosión interna.•Controlar la emisión de Gases Tóxicos: Eliminar progresiva y proporcionalmente la emisión de gases contaminantes y también de aquellos gases que no participan en el proceso de combustión.•Prolongar el tiempo de vida útil del Motor: Al controlar las reacciones químicas indeseadas, es decir; aquellas que forman precipitados (partículas sólidas) y gases corrosivos.•Incorporar un Sistema para controlar el consumo de Combustible: Con esperanza de ahorro y monitoreo de eficiencia.

II. APLICACIONES:

•Motores marinos de Explosión Interna.•Sistema de Alimentación o Surtidores de Fluidos.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO:

III.1 CATALIZADOR BROQUET (THE FUEL CATALYST): Diseñado y elaborado por Broquet, empresa británica con más de 20 años en el mercado.Broquet ha centrado sus investigaciones en los procesos de combustión, en motores de explosión interna (naval, automotriz y aeronáutica), desarrollando dispositivos catalíticos que incorporan elementos químicos antioxidantes. Estos elementos favorecen a controlar las reacciones químicas de combustión y eliminan, en proporción, los agentes que no participan de la reacción y que por el contrario forman precipitados que oxidan las cámaras de combustión.Además, mejora el rendimiento del proceso al lograr incrementar la eficiencia del motor hasta en un 6%.Reduce las emisiones de gases nocivos y contaminantes, orientando de manera positiva los riesgos por impacto ambiental.

www.broquet.co.uk

Fig. 1

III.2 FLUJÓMETRO KRAL(OME): Diseñado y Elaborado por Kral, empresa alemana de reconocida trayectoria.El Contómetro de Caudal Kral, es un dispositivo que nos ayuda a determinar medidas de caudal, de manera exacta, ya que en la ingeniería de este dispositivo se utilizan componentes de precisión determinando lecturas más aproximadas al valor real en cada toma de datos.El Flujómetro Kral incorpora una interfaz lógica programable, ajustable a la realidad física del sistema en análisis, dejando a criterio del programador la adquisición y registro de valores deseados.Actualmente son aplicados a sistemas que experimentan fenómenos de transporte, principalmente aquellos en los cuales existe un régimen transitorio con pérdida de masa y variación de las variables termodinámicas (Presión, volumen y temperatura). Para la obtención de datos se requiere la implementación de diagramas de medición, los cuales pueden ser: Línea Singular o por Medida Diferencial.

www.kral.at

Fig. 2

Fig. 3

III.3 MEDIDA DE LÍNEA SINGULAR:

Esta implementación normalmente es aplicada a Sistemas, en los cuales no es muy importante medir el consumo de combustible de manera tan precisa y/o exacta.

En la industria es muy aplicado a controladores de combustible en sistemas no retroalimentados.Esta implementación consta de un (01) solo Flujómetro Kral, además de su interface Lógica programable. En este proceso de medición, se registra todo el caudal de ingreso (llenado), sin necesidad de medir un consumo efectivo.Esta etapa de control es muy económica , debido que; la implementación es mas sencilla y requiere de menos dispositivos electrónicos.

El valor de medición de ingreso de combustible, esta determinado por la suma total de todos los valores de caudal, registrados en cada lectura, esto puede ser representado mediante la siguiente ecuación:

III.4 IMPLEMENTACIÓN DE MEDIDA DIFERENCIAL:

El sistema de medición a modo diferencial , se implementa para medir el consumo efectivo. Es aplicado a máquinas de combustión interna, en donde se desea controlar el caudal y el volumen del combustible que se consume.

Este método de control, consta de dos (02) Flujómetros Kral OME, con sus respectivas interfaces, instalados en la línea de ingreso (antes de la bomba de inyección) y línea de retorno de combustible (salida cercana al motor).Los valores de caudal son registrados y almacenados en el Controlador Lógico Programable (PLC), para posteriormente ser restados (diferenciados), obteniendo así; el consumo en unidades de caudal.Este valor deseado, puede ser representado mediante la siguiente ecuación:

Fig. 4

III.5 COMPENSACIÓN DE MEDICIÓN POR EFECTO DE VARIACIÓN EN LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS (P, V, T):

Para un sistema Físico en régimen transitorio, los fenómenos de transporte siempre experimentan variaciones en los parámetros termodinámicos, estos parámetros son:Presión, Volumen y Temperatura.

Para nuestro caso, se desea controlar el consumo de combustible en Motores marinos de explosión Interna. Es por esta razón que la implementación Mecano-Electrónica que más se adecúa a nuestra situación Física real, está basada principalmente en Mediciones Diferenciales.

Dado que las variables Termodinámicas que intervienen en nuestro sistema, son funcionalmente dependientes unas de otras, trataremos de controlarlas en la medida posible y para ello observaremos cuales son aquellas que introducirían errores en la adquisición de datos

1.Efecto en variación del Volumen del Sistema: Para nuestro caso despreciaremos los efectos producidos por la variación del volumen (V) del sistema, dado que el diseño de nuestra implementación, en todo su recorrido, no se expande o contrae. Por lo tanto definimos esta variación en términos matemáticos, de la siguiente manera:

2. Efecto de variación en la Presión (P) del Sistema: En el recorrido de todo el sistema, que se ha implementado, existen bombas centrífugas que aportan presión al fluido en tránsito, logrando elevar su velocidad en un sistema continuo. Esto es beneficioso ya que al incrementar la velocidad del fluido se reducen los riesgos de obstrucciones por contrapresión o disminución de velocidad.

3. Efecto de variación en la Temperatura (T) del Fluido: En función al combustible que usemos, para funcionamiento de nuestra máquina de combustión LFO o HFO, debemos tomar en cuenta las expansiones del fluido por efectos del incremento en la temperatura. Tab.[1]

Tab.[1]

III.6 CÁLCULO DE VOLUMEN (V) Y MASA (m) MEDIANTE USO DEL FLUJÓMETRO KRAL OME:

La implementación con uso de Flujómetros Kral, viene equipado con una interface Lógica, en la cual se puede tomar lectura del valor de caudal para un instante de tiempo (t) determinado, estas lecturas son registradas de manera discreta y almacenadas en el PLC (Programmable logic controller).

Este proceso recursivo, de lectura de datos, sólo puede ser interpretado si se conocen algunos parámetros Físicos:

CAUDAL (K): Magnitud Física Escalar que establece una razón geométrica entre el Volumen del fluido y el tiempo (t) que transcurre durante su desplazamiento.Matemáticamente:

Para nuestro caso, la lectura del Flujómetro Kral, en la línea de ingreso y retorno de combustible se efectúa de manera discreta, con intervalos de tiempo (∆t) muy pequeños, entonces de manera práctica formularemos una transición del caso discreto al caso continuo aprovechando nuestra ecuación (i), en el límite infinitesimal del tiempo.

De nuestra ecuación anterior podemos obtener el Volumen V(t), integrando definidamente la ecuación (ii).

A partir de la determinación Funcional del Volumen V(t), en función del Caudal K(t) podemos determinar la masa (m) del Fluido en Transito, en una cavidad diferenciada.Para nuestro diseño, el fluido es un combustible que experimenta variación de densidad por efecto de la temperatura (T). Tab.[1]Sabemos que: La Densidad () es una propiedad intensiva que establece una relación de proporcionalidad entre la masa (m) y el volumen (V) de una sustancia material. Se define matemáticamente:

Luego, combinando la ecuación (iii) y (iv) podemos determinar la masa (m) del Fluido, de una (01) Cavidad diferenciada, en función del Caudal (K).

De la ecuación (v), nótese que la masa m(t, T) del fluido en transito, depende funcionalmente del tiempo (t) y de la Temperatura (T).

III.7 DETERMINACIÓN DEL CONSUMO (C) PARA IMPLEMENTACIÓN DE MEDIDA DIFERENCIAL:

Supongamos que el Flujómetro de ingreso (F1), registra valores de Caudal K1i en un tiempo t i, análogamente el Flujómetro de Retorno (F2) registra valores K2i en el mismo instante de tiempo t i.

Fig. 5

Los valores de las lecturas de ambos Flujómetros (F1 y F2), para cada instante de tiempo (t) son registrados e interpretados mediante la siguiente tabla tabular:

La sumatoria del producto de las diferencias de caudales (K1i – K2i) y el tiempo, mostrados e la tabla Tab. 2, nos determina el Consumo (C) de combustible de nuestro motor, para el intervalo: t [t1 ; tn].Matemáticamente el Consumo (C) se expresa mediante la siguiente ecuación:

Tab.[2]

Además con ayuda del Algebra Lineal; podemos representar:Todas las diferencias de caudales (K1i - K2i), que registra el PLC, mediante un vector columna [K1i – K2i]nx1 y todos los registros de tiempo ti, mediante un vector fila [ti]1xn.De esta manera nuestro Consumo (C), viene determinado como el producto escalar de estos dos vectores.

Estos valores de mediciones, determinados matemática y físicamente, son interpretados de manera muy práctica y a la vez sencilla por la implementación de Control Kral, evitando cálculos engorrosos, obteniendo de manera visual y automática la adquisición de datos, con la información deseada.Es ahí donde radica la importancia de su uso y el conocimiento de su manejo.Los cálculos se encuentran pre-programados en la interface (PLC) mediante algoritmos computacionales; además, su sistema de compensación por variación de Temperaturas, logra captar medidas precisas que nos llevan a un control cuasi-exacto del sistema.

Fig. 6

La Fig. 6 nos muestra como el sistema de control Kral puede determinar el Caudal de Consumo (C/t) de manera directa y visual, con un valor de lectura en incertidumbre minimal (Bajo margen de error en las lecturas).Nosotros podemos determinar el Volumen de Consumo (C) simplemente multiplicando el Caudal de Consumo (C/t) por el tiempo (∆t) de funcionamiento del motor.

IV. COMPOSICIÓN EN DIAGRAMA Y DISEÑO DE EQUIPOS:

Requerimientos del Diseño:• Diseño Compacto para transporte de Fluidos con viscosidad y temperatura Variable. Conclusión: Tuberías Rígidas SCH40 en Paquete de Composición.

• Diseño Liviano y con control de restricción de flujo.Conclusión: Incorporación de Válvulas Esféricas (Según diámetro de Conexión). De preferencia en las marcas SUN o F.I.V. (Mango Amarillo).

• Diseño libre de operatividad (Autonomía en disposición de equipos catalizador y Flujómetro). Conclusión: Incorporación de Elementos Hidráulicos de Rosca Simple NPT, NPS, BSSP, JIC (Normado Estandarizado).

• Diseño con elementos de seguridad (Para desmontaje independiente de Catalizador Broquet y/o Flujómetro Kral). C/libre Tránsito de Flujo. Conclusión: Incorporación de Bypass con válvula de Restricción.

• Diseño que incorpore, en su fabricación, elementos estandarizados y con materiales inertes al paso de combustibles o fluidos oleoginosos.Conclusión: Elementos Hidráulicos Mixtos (Prensados, de sujeción, por soldeo y roscados). Por ningún motivo utilizar conectores Galvanizados.

V. DIAGRAMA EXPERIMENTAL:

Fig. 7

FABRICACIÓN DEL EQUIPO COMPUESTO: “PAQUETE DE FABRICACIÓN DEL EQUIPO COMPUESTO: “PAQUETE DE INTERCONEXIÓN CATALIZADOR - FLUJÓMETRO” INTERCONEXIÓN CATALIZADOR - FLUJÓMETRO”

Instalación MecánicaEquipo de referencia:

Operado por Motorista o Ingeniero de Máquinas.

Fig. 8

Base de Sujeción: Compuesta de ángulos y platinas. Se logra obtener excentricidad entre ejes de unidades Catalizador – Flujómetro.

Flujómetro de Retorno:Componentes Hidráulicos.

Materiales Empleados:1.03 Válvula ½” F.I.V. P/Combustible. 2.06 Conector Recto NPT 8.3.04 Conector M-NPT H-NPS. Asegura la desmontabilidad de los componentes al poseer una (01) tuerca hidráulica dinámica.4.02 Reducción 1” x ½” Hidráulica.5.02 Copla ½” Hidráulica6.02 Codo ½” x 90° FN.7.02 Tee ½” FN.

Fig. 9

Fig. 10

Paquete Integrador: Catalizador Broquet – Flujómetro Kral.Línea de Ingreso de Combustible.

Disposición de equipos con funcionamiento autónomo, y dispositivos de seguridad.

Materiales Empleados:1.01 Tubo ½” x 3.0m SCH40 modificado geométricamente en función a necesidad.2.06 Válvula x”Ø Esférica en marcas F.I.V. o SUN (Diámetro x”Ø ½”, ¾” ó 1” según medida de conexión.3.01 Tee x”Ø con tapón Macho. Para purga o cebado de sistema.4.08 Conector Recto M-NPT 12 Hidráulico. Inerte a corrosión por fluidos oleaginosos.5.04 Conector M-NPT H-NPS 12 Hidráulico.6.04 Conector BSSP H-NPS 12 Hidráulico.7.02 Reducción 1” x ½” Hidráulico.8.02 Reducción ¾” x ½” Hidráulico.9.02 Codo ½” x 90° SCH40 FN.

Fig. 11

Tubería Interconexión (Paquete - Tuben) 15mm x [2.50 ; 3.50m]: Tubería Aleación de baja densidad, Resistente a altas presiones y temperaturas.

Materiales Empleados:1.Cañería de Aleación de alta presión, asegura la flexibilidad al momento de efectuar doblez por esfuerzo mecánico, debido a su alta maleabilidad.2.04 Copla ½” Mixta LAME Alta Presión.3.06 Abrazadera ½” x ¼” Ubol C/Base (Metálico a completitud).

Nota:• Evitar en lo posible que la longitud máxima en recorrido de tubería de interconexión sea mayor a 3.50m.• Todas las conexiones son selladas con Loctite teflón Liquido 565.

Fig. 12

Stuben de 15mm (Interconexión a Motor Principal): Cañería de aleación que soporta Bypass Simple y asegura el ingreso de combustible al paquete (para ser filtrado y controlar su volumen de ingreso). La longitud y geometría de recorrido dependen del motor.

Materiales Empleados:1.01 Tubo 15mm x ≈ 1.50m, compuesto de Bypass y coplas para interconexión.2.03 Válvulas ½” esféricas (01 Para bypass y 02 para restricción posterior a flexibles metálicos).3.06 Conector Recto M-NPT 12 Hidráulico.4.03 Conector M-NPT H-NPS Hidráulico.5.02 Tuerca M15 C/Cono Hidráulico.6. 02 Copla ½” Hidráulica.

Fig. 13

Tuberías flexibles: Con interior de Tubería de Teflón sólido, con cubierta Metálica Tramada Flexible.

Objetivo de Uso: Material de transporte de combustible, ignifugo y absorbente de Vibración.

Materiales Empleados:1.02 Mangueras de Teflón alta Presión C/revestimiento metálico tramado.2.02 Conector ½” BSSP M-NPT Hidráulico.3. 02 Conector ½” BSSP H-NPS Hidráulico.

Fig. 14

Según Diseño, se obtiene:1.Diseño libre de Curvas cerradas, para diámetros mayores a ½”, no existe restricción para flujos laminares o turbulentos que transportan fluidos con viscosidades bajas y poco variables (no implica que no exista variación).2.No experimenta riesgos por amagos de incendio, debido que todos los componentes son metálicos, soportan altas temperaturas y altas presiones.3.La manipulación del sistema es de carácter sencillo, logrando beneficios en ahorro económico y reduciendo el impacto ambiental.

Fig. 15

VI. PREGUNTAS FRECUENTES:

•¿Es importante utilizar Catalizadores Broquet en los motores de combustión interna?

Es importante utilizar cualquier tipo de catalizador que favorezca en sentido positivo (+) la reacción química de combustión. Sin embargo; Broquet ha desarrollado una tecnología que es superior a las tecnologías que usan otros catalizadores, logrando un rendimiento de hasta 6% en la elevación de la Performance del Motor.

El Filtro Catalizador Broquet ataca químicamente aquellos reactantes que no participan de la reacción de combustión. Además inhibe aquellos agentes que oxidan la cámara de combustión prolongando así el tiempo de vida del motor.

•¿Por qué es importante diseñar y elaborar un Sistema de Control?

Al adicionar catalizadores a nuestra línea de abastecimiento de combustible, debemos cuantificar en qué proporción ha variado el rendimiento de nuestra máquina de combustión. Pero esto no seria posible si es que no se cuenta con un sistema de medición del consumo de combustible, es por ello que debemos diseñar de manera óptima y elaborar eficazmente un Sistema de Control, el cual nos permita monitorear en qué medida se dan las variaciones; respecto al rendimiento de nuestra máquina de combustión.

• ¿Por qué debemos aplicar el Sistema de Medición Diferencial para medir el Consumo de Combustible?

A diferencia de un Sistema de Medición por Línea Singular, que sólo nos informa qué cantidad de combustible ha ingresado a una máquina de combustión, ya que posee un solo Flujómetro, el Sistema de Medición Diferencial sí nos transmite información del consumo real; ya que incorpora, en su diseño, el uso y manejo de dos Flujómetros. Obteniendo la correcta información de cuánto combustible ingresa al motor y cuánto combustible sale del motor, luego por diferencia aritmética obtenemos el consumo de la máquina de combustión.

• ¿Por qué debemos utilizar la tecnología Kral?

Normalmente los flujómetros que encontramos en el mercado miden el caudal de consumo sin importar los efectos que causan las variaciones de los parámetros termodinámicos. Es allí donde destaca la Tecnología Kral que considera, dentro de su implementación modular, las variaciones de los parámetros termodinámicos. Estas consideraciones disminuyen de manera notable el margen de error en cada adquisición de datos y también la propagación de incertidumbres por algoritmia.

• ¿La incorrecta implementación mecánica, puede afectar o introducir

errores en la adquisición de datos?

Sí. La incorrecta instalación mecánica no sólo puede afectar el mapeo de datos, sino también puede originar daños físicos en las unidades electromecánicas. El instalador mecánico debe tener un claro conocimiento del equipo a instalar, del sistema electrónico (para no dañarlo), de las variables termodinámicas que participan y sobre todo del proceso de transferencia de calor y masa del sistema.

• ¿La incorrecta implementación electrónica, puede afectar o introducir errores en la adquisición de datos?

Sí. La incorrecta implementación electrónica puede establecer cruces de circuitos que ocasionen daños en los equipos electromecánicos o en su defecto; originar descalibraciones que arrojen lecturas incorrectas e indeseadas.Comúnmente el riesgo de cometer errores, en implementación electrónica, es poco probable dado que; Kral proporciona un Kit de ensamble sencillo.

• ¿Qué factores externos pueden afectar el funcionamiento de los equipos electro-mecánicos (Flujómetros - Catalizadores).

El desconocimiento en el uso y manejo de las unidades contribuye negativamente al funcionamiento de los equipos.

Las impurezas que puedan existir en las líneas que transportan el fluido. La incorrecta manipulación de los dispositivos auxiliares, como son; las

válvulas de restricción de flujo, conectores y desarme de unidades. El sometimiento a esfuerzo físico de los equipos electromecánicos. El deterioro, por envejecimiento, de las líneas que transportan los fluidos.

• ¿Qué factores externos pueden mejorar el funcionamiento del Sistema?

El correcto uso y manejo de los dispositivos electromecánicos. La correcta implementación electromecánica. La correcta identificación y control de las variables termodinámicas que participan

del proceso. La eliminación de residuos y precipitados sólidos en la línea que transporta el fluido. El conocimiento del sentido de flujo del combustible y la correcta operatividad de

sus válvulas de ingreso y restricción de flujo. El monitoreo del desempeño eficiente de los filtros en las líneas de abastecimiento. El mantener los tanques, de combustible, limpios con eliminación de sedimentos por

decantación. El reemplazo de las líneas, envejecidas, que transportan los fluidos.

• ¿La implementación del Sistema de Control y uso de Catalizador contribuyen a contrarrestar los fenómenos de impacto ambiental?

El Sistema de Control no causa efectos de impacto ambiental, Sin embargo el Catalizador Broquet, tiene como una de sus funciones: La eliminación de gases contaminantes contribuyendo, de manera positiva a la reducción de la Contaminación Ambiental.

• ¿Quienes pueden operar el Sistema de Control?

Cualquier persona que tenga un conocimiento adecuado en el uso y manejo de los equipos electromecánicos, las máquinas de combustión y sobre todo de los componentes, que se encuentran agrupados, en la implementación mecánica y electrónica.

VII. CONCLUSIONES:

Durante las etapas de elaboración, diseño, factibilidad, experimentación y ejecución se concluye que: 1.La aplicación del método científico es el más adecuado y autoajustable a la realidad planteada y esperanza deseada.

2.La implementación y adición de Catalizadores Broquet, favorecen en sentido positivo la reacción química por combustión. Consiguiendo optimizar el rendimiento de la máquina de combustión y contribuyendo a la disminución en la emisión de gases contaminantes.

3. La implementación del Sistema de Control de Combustible, por Medida Diferencial, es la única que nos permite obtener información y registro de datos confiables.

4.Sólo la correcta implementación mecánica, puede establecer un control de variables aleatorias, que causan defectos en los equipos electro-mecánicos, reduciendo las pérdidas económicas y la lectura errónea de datos.

FIN