CALCULOS PARA CONVERSION A GAS

TRABAJO ENCARGADO

1. OBJETIVO :

Lograr hacer una conversión eficiente de gases tales como: GLP, GNC y BIOGAS, a vehículos y lograr así abaratar costos de funcionamiento y a la vez aprovechar la existencia de estos hidrocarburos en nuestro país.

Diseñar un mezclador para una conversión de un motor Gasolinero a Gas Natural, Gas Licuado de petróleo y Biogás.

Entender y diseñar dimensiones de la acometida de gas natural para un sistema de generación de energía eléctrica (motor diesel) que funciona en la actualidad con petróleo residual R6, que debido a su alto costo, no es rentable.

2. CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES :

CONCEPTOS BÁSICOS DEL GAS NATURAL

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos, compuesta principalmente por metano (CH4), el cual es el primer miembro de la familia de los alcanos, que en condiciones atmosféricas se presenta en forma gaseosa. Es un gas incoloro e inodoro, y se encuentra principalmente en las cavidades rocosas de las formaciones geológicas y en las cavidades microscópicas o intersticiales, las cuales unidas pueden formar grandes acumulaciones de gas.Generalmente, se encuentra en la misma formación geológica que el petróleo crudo, pero también puede ser encontrado solo.El metano, principal componente del gas natural, tiene una gravedad específica con relación al aire mucho menor, razón por la cual, el gas natural presenta esta característica básica de menor peso que el aire, por lo que en la atmósfera se dispersa rápidamente.Tomando en cuenta las propiedades físico-químicas del gas natural, se pueden considerar algunas ventajas de su uso, entre las cuales las más importantes pueden ser las que a continuación se expresan:1. Es un combustible relativamente barato.2. Presenta una combustión completa y limpia.3. Seguridad en la operación, debido a que en caso de fugas, al ser más

ligero que el aire, se disipa rápidamente en la atmósfera. Únicamente, se requiere tener buena ventilación.

4. Asegura una eficiencia en la operación.

VENTAJAS Y DESVENTAJASEl kit de conversión Bi-fuel tradicional no permite desarrollar todas las ventajas que el gas naturalpuede ofrecer como un combustible para motores de combustión interna.Las desventajas incluyen una pérdida de potencia máxima de aproximadamente del 10 al 15 %,

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una reducción de la eficiencia del combustible como resultado de una menor eficiencia del ciclo y además un menor nivel de emisiones contaminantes. Sin embargo, la tecnología de conversiones de gasolina a gas natural ha logrado grandes avances en los últimos años.Las conversiones modernas tienen la capacidad de interactuar con los sistemas de control electrónico para adelantar el tiempo de chispa y lograr incrementar el tiempo de la combustión del gas. Los carburadores o mezcladores están siendo abandonados en favor de los sistemas de inyección, que son en el concepto similar a los utilizados en los motores modernos a gasolina. El proveer un control de combustible de mayor precisión conduce a un mejor desempeño, economía de combustible y reducción de emisiones. Esto puede ser aplicado tanto a motores Bi-fuel (gas natural/gasolina) como a motores "dedicados" a gas natural.Un motor que se diseña específicamente para operar con gas natural ofrece una potencia y un desempeño igual que el de un motor a gasolina, con mejor eficiencia en la conversión del combustible y con la ventaja de la reducción de emisiones de escape. Una gran ventaja que tiene el uso del gas natural como combustible, es que los motores no requieren grandes modificaciones; el sistema de suministro está constituido por cilindros de almacenamiento de aproximadamente 90 cm de longitud por 20 cm de diámetro, construidos de acero, aluminio o grafito, con espesores de pared de 3/4" a 1" (existe una gran variedad de capacidades adecuadas a cada tipo de vehículo), en los cuales se almacena el gas natural comprimiéndolo a presiones de 20.6 MPa o superiores; de aquí, el gas es conducido a través de una línea de alta presión a un regulador que provoca una caída en la presión para, posteriormente pasar por una válvula solenoide la cual impide el paso del gas al dejar de funcionar el motor, por medio de un inyector el gas es admitido en la corriente de aire del puerto de admisión o del cuerpo de aceleración, mezclándose con éste; en los vehículos que así se hayan diseñado existe la alternativa de poder utilizar gas o gasolina, para lo cual se instala un switch selector de combustible en el tablero del vehículo.El sistema de conversiones permite reutilizar los equipos de gas natural en los vehículos nuevos al sustituir las unidades antiguas, ya que no modifica las características de los motores.En cuanto a la operación y mantenimiento de los vehículos que consumen gas natural, se puede afirmar que existe un gran ahorro por estos conceptos. El gas natural tiene un octanaje de 130, característica que permite incrementar la potencia de los motores, propiciando que trabajen con mayor eficiencia, evitando dejar residuos de la combustión, y por lo tanto desgastando menos losmotores, los costos de mantenimiento se ven reducidos al poder espaciar los cambios de aceite y bujías a cada 20,000 y 120,000 km respectivamente.En los nuevos motores de inyección electrónica de combustible el gas natural ofrece mayores ventajas, ya que el sistema permite controlar eficientemente la dosificación del combustible, mejorando la operación de los vehículos, sin modificar sus características originales.Para los motores a diesel, se han desarrollado sistemas en los cuales se utiliza una mezcla de gas natural y diesel en diferentes proporciones y

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que puede llegar hasta un 80 ó 90% de gas natural por un 20 ó 10% de diesel, al igual que en los motores de gasolina, la instalación de los equipos de gas natural comprimido, no modifica las características originales de éstos, en ellos la inyección de combustible es controlada por un microprocesador y una válvula solenoide de alta velocidad. En cuanto a las emisiones contaminantes, estas son reducidas considerablemente, pudiendo eliminar en gran medida el característico humo negro (principalmente hollín). 10 Uno de los obstáculos que se tienen que salvar a fin de que el uso del GNC sea atractivo, es la creación de una infraestructura de estaciones de servicio, que puedan proporcionar una amplia disponibilidad de combustible, esta situación se puede resolver inicialmente al instalar un sistema que opere con ambos combustibles (GNC-gasolina o GNC-diesel), esto evita el riesgo de no encontrar una estación de servicio de GNC cuando se agota alguno de los combustibles.La capacidad de la red de líneas de gas (gasoductos) para manejar la distribución del gas natural adicional para uso vehicular aún esta limitada, además el precio del gas natural con el significante costo de la conversión del vehículo.

GAS LICUADO DE PETRÓLEO

CONCEPTO

-Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos a temperatura y presión ambiental, mantenida en estado líquido por aumento de presión y/o descenso de temperatura. Está compuesto principalmente por propano, butano y puede contener propileno y butileno.

PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS

Es incoloro, no tiene color

No es toxico, ni venenoso.

Es inodoro, no tiene olor, se le añade un odorante para percibir su presencia en el ambiente, Mercaptanos (Compuestos de azufre con la formula general R_SH, incoloros con olor fuerte y repulsivo).

Al entrar en contacto con la piel en su fase líquida, produce quemaduras, cuya gravedad dependerá del tiempo de exposición y la superficie afectada.Para una mezcla 70% Propano y 30 % Butano un litro líquido produce 262 litros de vapor.

Estado líquido:Propano 0,507 Kg./L.Butano 0,580 Kg./L.El peso del agua es 1,000 Kg./L.El GLP es más liviano que el agua.

Estado de Vapor :

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Propano 1,522 Kg./L.Butano 2,000 Kg./L.El peso del Aire es 1,000 Kg./L.El GLP es más pesado que el Aire. Cuando hay una fuga de GLP este se concentrará en el piso.

El Gas Licuado de Petroleo es un combustible de alta calidad, por lo tanto su contenido de impurezas es casi inexistente lo cual le ofrece un ambiente menos contaminado.

BIOGÁS.

Se llama biogás al gas que se produce mediante un proceso metabólico de descomposición de la materia orgánica sin la presencia del oxigeno del aire. Este biogás es combustible , tiene un alto valor calórico de 4 700 a 5 500 kcal/m3 y puede ser utilizado en la cocción de alimentos, para la iluminación de naves y viviendas, así como para la alimentación de motores de combustión interna que accionan, máquinas herramientas, molinos de granos, generadores eléctricos, bombas de agua y vehículos agrícolas o de cualquier otro tipo. La generación natural de biogás es una parte importante del ciclo biogeoquímico del carbono.  El metano producido por bacterias es el último eslabón en una cadena de microorganismos que degradan material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al medio ambiente. 

El biogás esta compuesto por:

1. Metano (CH4) 55 a 70 %.

2. Anhídrido carbónico (CO2) 35 a 40 %.

3. Nitrógeno (N2) 0.5 a 5 %.

4. Sulfuro de hidrógeno (SH2) 0.1 %.

5. Hidrógeno (H2) 1 a 3 %.

6. Vapor de agua Trazas.

3. CALCULO:

A.) Cantidad de aire teórico para GNC considerar un 25 % de exceso de aire de combustión para determinar las ecuaciones reales

A.1) El GNC esta conformado:

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Relación Aire Combustible

Datos:

Calculo de la relación aire combustible

A.2) Cantidad de aire teórico para el GLP

El GLP esta formado por: C3H8 = 60% (Propano)C4H10 = 40% (Butano)

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Calculo de la relación aire combustible

Cantidad de aire teorico para el Biogas

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B.) Determinar las características y dimensiones del mezclador.

B.1.)Calculo para el GNC

Potencia: 4 Hp = 2.942 KwRpm: 3600Eficiencia: 29%Cilindrada: 118 cm3

Calculo para la unidad mezcladora

Difusor:

Calculo de la potencia primaria

Donde:

= Potencia del motor

Calculo de la potencia primaria

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Cantidad de flujo volumétrico de aire y de metano que se necesita para desarrollar una potencia de 4HP.

Calculo del flujo másico.

Donde: Poder calorífico del gas natural Cp = 3100 KJ/M3

Reemplazando en la ecuación:

Cantidad de flujo volumétrico de aire y de metano que se necesita que se necesite para desarrollar una potencia de 4HP.

Consumo Volumétrico del motor se obtiene de la siguiente Formula:

Donde:= Volumen de trabajo del cilindro = 118 cm3

= Coeficiente de llenado: 0.9

= Frecuencia de rotación = 3600 rpm

= Numero de cilindros = 1

= Numero de tiempos = 4

Reemplazando en la ecuación de consumo volumétrico.

Calculo del área de la sección del paso

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Donde:= Consumo volumétrico de la mezcla= Coeficiente de consumo del difusor= Caída de presión en el difusor= Densidad del aire atmosférico

Trabajo el motor a nivel de mar a 0 m.s.n.m. del GNC

Trabajando a 0 msnm se tiene

= 0.003186 m3/s=0.95

= 11 KPa= 1.19 Kg/m3

Reemplazando en la ecuación.

Calculo del diámetro del difusor

Dimensionamiento del difusor para su fabricación

B.2.) Calculo para la unidad mezcladora de GLP

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Difusor:

Calculo de la Potencia Primaria

Donde: = Eficiencia

Calculo del flujo volumétrico

Donde: Poder calorífico del gas natural Cp = 3.45MJ/m3

Reemplazando en la ecuación:

Análisis del consumo volumétrico de mezcla en el motor

Donde:= Volumen de trabajo del cilindro

= Coeficiente de llenado: 0.9

= Frecuencia de rotación

= Numero de cilindros = 1

= Numero de tiempos = 4

Reemplazando en la ecuación de consumo volumétrico.

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Calculo del área de la sección del paso

Donde:= Consumo volumétrico de la mezcla= Coeficiente de consumo del difusor= Caída de presión en el difusor= Densidad del aire atmosférico

Trabajando a nivel del mar a 0 msnm del GLP

= 0.003186 m3/s=0.95

= 11 KPa= 1.2804 Kg/m3

Reemplazando en la ecuación.

Calculo del diámetro del difusor

Dimensionamiento del difusor para su fabricación

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B.3) Calculo para la unidad mezcladora de Biogas

Difusor:

Calculo de la Potencia Primaria

Donde: = Eficiencia

Calculo del flujo volumétrico

Donde: Poder calorífico del gas natural Cp = 3.45MJ/m3

Reemplazando en la ecuación:

Análisis del consumo volumétrico de mezcla en el motor

Donde:= Volumen de trabajo del cilindro 118cm3

= Coeficiente de llenado = 0.9

= Frecuencia de rotación = 3600

= Numero de cilindros = 1

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= Numero de tiempos = 4

Reemplazando en la ecuación de consumo volumétrico.

Calculo del área de la sección del paso

Donde:= Consumo volumétrico de la mezcla= Coeficiente de consumo del difusor= Caída de presión en el difusor= Densidad del aire atmosférico

Trabajando a nivel del mar a 0 msnm del Biogas

= 0.003186 m3/s=0.95

= 11 KPa= 1.22 Kg/m3

Reemplazando en la ecuación.

Calculo del diámetro del difusor

Dimensionamiento del difusor para su fabricación

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Trabajando al nivel de 4000 msnm

Para los tres casos anteriores (GNC, GLP y Biogás) a 4000 msnm se considera colocar un turbo alimentador para que no disminuya el flujo masico de 0.00388692 Kg/s

Diagrama de SANKEY

SEGUNDA PARTE

a) Datos Generales:

Motor Diesel Wartsila 6.4 Mw,18 cilindros en V Rendimiento térmico de 42%

P = 6400 Kw = 1.13 (coeficiente de exceso de aire)V = 720 RPMNº = 4 tiemposE = 12.5 (Relacion de comprensión)D = 320mmS = 310mm

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Turboalimentado y con intercooler Altitud 700 msnm

b) Diseño de acometida de gas natural:

Parámetros de diseñoFlujo Volumétrico de gas

Qb =

=Potencia Primaria

= (Potencia Nominal del motor)

PC: Poder calorífico de la mezcla 36400

= = 15.238 Mw = 1523.09

Qb = 0.4186

Qb = 0.4186 x x x

Qb = 1370 369,146 SCFDQb = 1.37 MMSCFD

Características Físicas y Químicas del GN

P. minimo = 60 barP. diseño = 100 bar =1440 psiV. max = 20m/sT. máx = 50 ºC

Calculo del diámetro de diseño por V. máx.

D =

D =

D = 0.8808 pulg.

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Cálculo del Diámetro de tubería por velocidad máxima

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00

Flujo Volúmetrico (MMSCFD)

Diá

met

ro (

pu

lg.)

Cálculo del Diámetro de tubería

De= 1.4 (Por tabla)

Calculo del espesor de diseño

T = =0.031 pulg

c) EVALUACION ECONOMICA DE LA SUSTITUCION POR EL METODO GASODIESEL

Produciendo energía eléctrica con gas natural se consigue una sensible disminución de las emisiones contaminantes que provocan los sistemas convencionales.

Se puede lograr modificación de la estructura de consumo energético en la producción de electricidad, al desplazar el gas natural a otros combustibles.

Los motores se adaptan muy rápidamente a variaciones de la demanda, lo que les capacita para trabajar en régimen continuo separados de la red de suministro eléctrico, con usuarios cuya demanda de potencia sea variable.

Amplio rango de potencias en las gamas bajas.Los motores con gas cubren una gama de potencias unitarias entre 75 y 7,500 kW y tienen unas claras ventajas económicas de instalación y explotación.

Disminución de inversionesAhorro de la inversión en almacenamiento de combustible.Ahorro en grupos de emergencia.Posibilidad de ahorro en instalaciones eléctricas.

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Menores gastos de mantenimiento. Mayor duración.Se produce una combustión ajustada y perfecta, lo que implica que los gastos de mantenimiento sean menores que con los combustibles líquidos.También la degradación y ensuciamiento del aceite es menor y la vida del motor se alarga considerablemente.Los costos de mantenimiento consisten básicamente en la reposición de aceite, bujías y filtros, según secuencias preestablecidas y fáciles de acomodar a los usuariosNo requieren suministro de gas a alta presión.Pueden funcionar con suministro de gas natural a baja presión: de 500 mm. c.a., si son motores de aspiración natural; de 1.5 bares relativos si son sobrealimentados.

De la combustión del gas natural se recuperan:Agua para calefacción: procedente del circuito de refrigeración del motor donde el agua puede alcanzar los 90-95°C.Vapor: generado directamente por el aprovechamiento de los gases de escape del motor.Agua sobrecalentada o vapor a baja presión, si se combinan los anteriores.Eventualmente agua caliente a 45-50°C, recuperada del circuito de refrigeración.

El uso del gas natural como energía primaria en los sistemas de cogeneración proporciona al usuario independencia de la red eléctrica, ya que garantiza la continuidad del suministro eléctrico para equipos y maquinaria.Además en muchos casos, hace innecesaria la presencia de grupos electrógenos de emergencia, evitando la inversión que su adquisición o sustitución pueda suponer.El gas mezclado con aire en la proporción adecuada y a una presión y temperatura establecidas provoca, mediante un foco de ignición una fuerte reacción exotérmica, cuya energía liberada genera una fuerza motriz que acciona un generador eléctrico. El nivel de temperatura que es posible recuperar del calor residual de los motores los hace particularmente indicados para su aplicación en sistemas de climatización de locales en el sector servicios.

ANEXOS

TABLA : PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS Y EXPLOTACIONALES DE COMBUSTIBLES DE GAS Y COMPARACIÓN DE ELLOS CON COMBUSTIBLES

LIQUIDOS

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PROPIEDAD GASOLINA PETROLEODIESEL

GAS LICUADO

DE PETROLEO

GAS NATURAL

HIDRÓGENO(H2)

Densidad g/cm30.71 – 0.76 0.82 – 0.87 0.54 0.68x10-3

(0.415)*0.09x10-3

(0.07)*

Temperatura ebullición (°C) 35 - 195 180 - 360 -42 -162 -252.7Presión deVapor, KPa. 65-92 0.3-0.35 -- -- --Calor latente de vaporización,KJ./Kg.

289-306 210-150 412 -- --

RelaciónEstequiométrica,Kg./Kg.

14.5 - 15.0 14.1 - 14.3 15.2 16.8-17.4 34.8

PoderCalorífico,MJ./Kg, Hu

44.0 42.5 46.0 48.9 - 50.1 120

PoderCalorífico,MJ./Kg, Hvu

32.56 36.55 24.3 (33.3 – 34.1)(20.9)*

(10.8)***(8.52)*

Poder caloríficomezcla airecombustibleMJ./m3,Hum

3.5 3.4 3.4-3.5 3.1 2.99

Número deOctano** 72.85 -- 90 - 100 105 - 110 30-40Número deCetano 8-14 45-55 10 --ConcentraciónMáximaPermisibleVapores en aire,Mg./m3

100 300 -- -- --

Condicionesalmacenamiento Normales Normales 1.6 MPa.

20-40 MPa(-163 °C)

20-40 MPa.(254°C)

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