Medio ambiente, el desarrollo sostenible e influencia de la eficiencia de la combustión (página 2)

CAPITULO 3

Análisis del efecto de los factores que más influyen en el consumo de combustible.

Uno de los objetivos que se plantearon al comienzo del presente trabajo, fue el de establecer la influencia de diferentes factores en el consumo de combustible. Es por ello que para el análisis del efecto de los factores, se empleará los resultados obtenidos en la aplicación del metodología de cálculo, y en específico se valorará el comportamiento de los 3 factores que más influyen según los expertos.

Para lograr los resultados esperados se emplea un diseño experimental factorial a 2 niveles completo, con 3 variables. Las condiciones para el desarrollo del experimento serán las mismas que se tuvieron en cuenta en la determinación de los factores que influyen en la eficiencia de la combustión en los cálculos antes realizados.

DISEÑO FACTORIAL A DOS NIVELES COMPLETO

Pasos a seguir: [7, 9 y 16]

1-Selección de los niveles de los factores y su simbología.

2-Ejecución y codificación de los experimentos.

3-Diseño de los experimentos: Matriz (D).

Existen 3 factores que son cuantitativos. Este será un diseño 23 por lo que se realizan 8 corridas.

4-Con la matriz D se procede a ejecutar los experimentos de forma aleatoria.

5-El modelo matemático a obtener en este diseño, es un modelo de Regresión Múltiple. Se procesarán los datos con la ayuda del sistema estadístico STATGRAPHICS PLUS para windows versión 2.1.

6-Prueba de significación de los coeficientes.

Para la determinación de los coeficientes significativos, se empleará el método de Fisher. En primer orden se determina la varianza del error puro en cada corrida por la expresión:

7-Prueba de adecuación del modelo.

7-Prueba de adecuación del modelo.

Se aplicará el criterio de Fisher basado en la comparación de las varianzas de los errores por efecto de error puro y error por falta de ajuste.

Este diseño fue el que se tuvo en cuenta para ver la influencia de determinados factores en el consumo de combustible. Se analizaron tres combustibles, que fueron:

Crudo ligero de bajo contenido de azufre

Combustible fuel –oil

Combustible diesel

1-Crudo ligero de bajo contenido de azufre

1.1-Selección de los niveles de los factores y su simbología

Tabla: 3.1 .Selección de los niveles de los factores.

Estos niveles nos representan las variables independientes.

1.2-Ejecución y codificación de los experimentos:

Corridas del diseño experimental 23=8.

Tabla3.2

Codificación de los factores.

Tabla: 3.3

1.3-Diseño de los experimentos:

Matriz (D)

Por tanto la planificación de los experimentos para plan factorial 23, en forma codificada, se expresaría así:

Tabla: 3.4

1.4-Con la matriz D se procede a ejecutar los experimentos de forma aleatoria:

Tabla 3.5: Aleatorización del experimento

1.5-El modelo matemático a seleccionar.

Los resultados se obtuvieron mediante el analizador de gases: [anexo.19] Tabla3.6:

Rendimiento en (%).

Tabla: 3.6

A esto le llamaremos columna o vector columna de los rendimientos o de las respuestas(Y), que representa la variable dependiente

Tabla 3.7: Datos de entrada

Primer análisis

Con los valores obtenidos de los coeficientes se puede representar el modelo matemático:

Efectuando los cálculos tenemos: Tabla:3.8

Tabla 3.8: Prueba de significación de los coeficientes(F-Fisher)

p- level :es la probabilidad asociada a la prueba F-fisher

*:los coeficientes que son significativos

Prueba de significación de la adecuación del modelo

Segundo análisis.

Efectuando los cálculos tenemos: Tabla 3.9:

Tabla: 3.9

p- level :es la probabilidad asociada a la prueba F-fisher

*:Los coeficientes que son significativos

de explicación ——–78,79

Para este combustible el modelo más adecuado resulto el obtenido en el segundo análisis, puesto que tenia un mayor por ciento de explicación que el primero y además todos los coeficientes son significativos.

Conclusión:

Podemos decir que no solo para modelar el rendimiento se tuvieron en cuenta las variables independientes, sino también las interacciones. La variable independiente de mayor interés fue la temperatura del combustible a la cual se inyecta el mismo. De las interacciones de mayor interés resultaron:

• exceso de aire y temperatura del combustible

• exceso de aire y presión a la cual se suministra el combustible

• temperatura del combustible y presión a la cual se suministra el combustible

El mejor modelo que resulto fue:

2-Combustible Fuel -oil

2.1-Selección de los niveles de los factores y su simbología (tabla:4.1 .

Tabla:4.1 .Selección de los niveles de los factores.

Estos niveles nos representan las variables independientes.

2.2-Ejecución y codificación de los experimentos:

Corridas del diseño experimental 23=8.

Tabla4.2

Tabla: 4.3. Codificación de los factores.

2.3-Diseño de los experimentos: Matriz (D)

Como se puede observar existen 3 factores que son cuantitativos. Este será un diseño 23 con 8 corridas, las cuales son las que se muestran en la tabla: 2.3.

Por tanto la planificación de los experimentos para plan factorial 23, en forma codificada, se expresaría así:

Tabla: 4.4

2.4-Con la matriz D se procede a ejecutar los experimentos de forma aleatoria: Tabla 4.5

Aleatorización del experimento

Tabla 4.5:

2.5-El modelo matemático

Rendimiento en (%).

Las mediciones se realizaron. ver:[anexo 19]

Tabla: 4.6

A esto le llamaremos columna o vector columna de los rendimientos o de las respuestas(Y), que representa la variable dependiente

Tabla 4.7: Datos de entrada

Primer análisis

Con los valores obtenidos de los coeficientes se puede representar el modelo matemático:

Efectuando los cálculos tenemos: Tabla:4.8

Tabla 4.8: Prueba de significación de los coeficientes (F-Fisher)

Segundo análisis.

Efectuando los cálculos tenemos: Tabla 4.9:

Tabla: 4.9

Para este combustible el modelo más adecuado resulto el obtenido en el segundo análisis, puesto que tenia un mayor por ciento de explicación que el primero a pesar que algunos coeficientes no son significativa muy significativa, pero el modelo responde proceso de la combustión.

Podemos decir que no solo para modelar el rendimiento se tuvieron en cuenta las variables independientes, sino también las interacciones. La variable independiente de mayor interés fue la del exceso de aire y la presión a la que se inyecta el combustible. De las interacciones de mayor interés resultaron:

Temperatura del combustible y exceso de aire.

Temperatura del combustible y presión a la cual se suministra.

Por lo que se observa las interacciones entre los factores analizados influyen en la eficiencia de la combustión.

Por lo tanto el modelo matemático puede suponerse igual a :

Por los resultados obtenidos en la realización de las pruebas se observa que:

En los diferentes tipos de combustible son todos los rendimientos adecuado al experimento siendo los valores de mejor significación los de los combustibles diesel donde explica 96,79 % siendo las variables de mayor interés la del exceso de aire y la presión a la que se inyecta el combustible.

Las interacciones de mayor interés resultaron:

Temperatura del combustible y exceso de aire.

Temperatura del combustible y presión a la cual se suministra.

Por lo que se observa las interacciones entre los factores analizados influyen en la eficiencia de la combustión.

Por lo tanto el modelo matemático puede suponerse igual a:

Conclusión:

X3, X1 y las interacciones X1X2, X2X3 son la de mayor significación, por lo cual se puede afirmar que la combustión responde a las normas establecidas donde se evita que el CO este por encima lo permisible [56]

Los valores obtenidos de rendimiento por tipos de combustible seleccionado, se diferencian en su nivel de explicación y significación con un nivel de confianza del 90% a pesar de las variaciones de rendimientos entre los combustible, dado su análisis físico químico y naturaleza. Esto demuestra que los diferentes poderes caloríficos responden al análisis físico químico de los combustibles. Por los resultados obtenidos se demostró que los factores que mayor incidencia tienen en el rendimiento son: el exceso de aire, temperatura del combustible y la presión a la cual se inyectan. Esto no quiere decir que el tipo de quemador y su estado técnico no influyan en la combustión.

Se propone entonces, una metodología para la determinación de los parámetros del rendimiento de la combustión de los generadores de vapor y propuestas de normas de emisión de gases para los vehículos de acuerdo al de fabricación con el fin de disminuir la emisión en los niveles de concentración de partículas de polvo, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, ozono troposférico y monóxido de carbono y que depende de la exigencia y control del hombre.

Valoración económica y aporte social

Debe aparecer el cálculo de los costos y la utilidad de los materiales empleados y si sustituyen importaciones; si eleva la calidad, la productividad del trabajo o los demás indicadores en el campo de la eficiencia, si incrementa los fondos exportables y si reporta beneficios de carácter social.

La calidad de la combustión todo es indicativo, efectivo del rendimiento sin embargo el humo excesivo es indicativo de perdidas económicas, en casos extremos pueden significar perdidas del 15 % y en los normales la perdida es del 5% en combustibles.

Se ha podido comprobar que producto a la mala combustión se incrementa la capa de hollín si esta representa el 3.2 mm de espesor, el incremento en el consumo llega 9% del combustible.

• Para un generador que tenga un consumo de combustible de 125 lts/h.

• Para una hora de trabajo seria 6.25 lt/h más.

• Para una jornada de trabajo de 14 horas seria 84 lts/h más.

• Para un mes de 24 días laborables serian 2016 lts.

• Para un año: 24192 lts.

Por incremento de de la capa de hollín. 2mm de espesor.

• Para una hora de trabajo: 1 lts serian 11. 25 lts más.

• Para un generador que tenga un consumo de combustible de 125 lts/h.

• Para una hora de trabajo seria 6.25 lt/h más.

• Para una jornada de trabajo de 14 horas seria 157.2 más.

• Para un mes de 24 días laborables serian 3768 lts.

• Para un año: 45216 lts.

Sumando ambas afectaciones nos daría:

Una perdida por la mala de combustión de 69408 lts para el generador utilizado en la realización del experimento, también en gran medida se disminuye la contaminación del medio.

Dada la variación de los precios en el mercado internacional no realizamos el estimado en moneda convertible.

Recomendaciones

El tema tratado en la presente trabajo debe continuarse desarrollando, teniendo en cuenta el imparto social del medio ambiente y la importancia que el mismo en tiene en el desarrollo sostenible.

El óptimo aprovechamiento de la energía que nos posibilitan los combustibles en el desarrollo de la economía en nuestro país hay que prestarle una mayor atención. La generalización del dominio de los parámetros principales de la combustión, al resto de las entidades y en especial a las grandes industrias seria de vital importancia y todo el transporte que circula en el país, continuar paulatinamente la instalación de nuevos motores de mayor eficiencia, que los vehículos a ser importado cumple con las normas de emisiones establecidas en el país de origen.

Que los certificados emitidos por los fabricantes o los importadores tengan de validez y acreditado, y que reflejan resultados de pruebas específicas de homologación.

Que se importen y fabriquen quemadores de mayor eficiencia y de posibilidad de regulación de los parámetros de la combustión.

Llevar a la gran industria y aquellas de explotación continua analizadores gases que los operadores puedan controlar los parámetros del proceso de combustión.

Consideramos que la propuesta de metodología tiene que ser perfeccionada en lo referente a otros factores que también influyan en el proceso, que no pudieron ser valoradas.

Se debe continuar el estudio sobre la influencia de diferentes factores en el consumo de combustible y que tengan en cuenta el estado técnico de los vehículos, así como las interacciones de los factores.

Simbología

Bibliografía

1.Arguimbau Francisco. Combustibles y Combustión. Editora: José Monesó, Barcelona. Buenos Aires 1950.

2.Byron Bird R. Fenómenos del Transporte, Editorial, Pueblo y Revolución.

Cárdenas Garnier Miguel. Evaluación y prueba e los automóviles, Editorial, ISPJAE, 1986

3.Fernández Conde Emilio Termodinámica Técnica: Tomo, II y II Editorial. Félix Várela.1994.

4.Freudo John E Frank J. Willams. Elemento Moderno de la Estadística Empresarial, Editorial: Prentice/Hall Internacional.

5.Herrera Martínez , O Blanco Rolando, A, Equipos de transferencia de calor, Editorial ISPJAE, Ciudad de la Habana, Cuba, Mayo de 1985

6. Jrupalo I., Bucreer Victor V. Uría, Peña Ana María García González Luis Química Libro de Datos, Editorial: Pueblo y Educación

Isachenko Osipova V. Sukomel A., Trnsmisón del calor, Editorial Marcombo-S.A. Barcelona, 1973.

7. Linares Fleites. Gladys. Martínez Crespo Camilo. Hernández Pérez Nidia, Probabilidades y Estadísticas.

8. Kern Donald Q. Procesos de transferencia de calor, Editorial revolucionaría, 1969.

9. López Planes R. Diseño estadístico de experimentos, Editorial Científico Técnico, La Habana.1993.

10. Kirillin V. A. Sichev. V. V. Sheindlin A.E. Termodinámica Técnica, Editorial, MIR.

11.Krasnoschiokov A, E: Problemas de termotransferencia, Editorial MIR, Moscú,1979.

12. Martí Miguel, C: Práctica de los fluidos térmicos, Editores Marcombo Boixarense, Barcelona, España, 1979.

13. Faire Virgil M. Termodinámica Técnica, Edición Revolucionaría.1979.

14. Pérez Garay, L. Generadores de vapor, Editorial del ministerio de Educación Superior, Cuba; 1979.

15. Shields Carl. D. Calderas Tipos características y sus funciones, Editorial: Pueblo y Educación 1975.

16.Suarez Canet Haydée , Cabaña Gómez Gladys, López Realfonso Juan. Estadística Matemática. Editorial MINFAR.

17. Tanquero Diaz, N. Guía Metodológica para proyecto de curso de generadores de vapor, Editorial ISPJAE, 1987.

18. Tanquero Diaz, N. Curso de Fluido térmico. Carbonorca, Venezuela, 1995.

19. Welfrid Francis. Los Combustible y su Tecnología. Edición. URNO. Espartero, 10 Bilbao 1969.

20. Rásina M. G. Rudin M.G: .N. Erij. Química y Tecnología del Petróleo y del gas Editorial: MIR 1985.

21.Riukin S.L. Propiedades Termodinámica de los Gases, Editorial. MIR.

Revistas y artículos:

22. Boletín: Cálculo rápido de eficiencia en la combustión. Primer vento provincial de eficiencia de la energía.

23. Boletín. Documento de las desventajas de los generadores frente a las ventajas de las calderas de fluido térmico.

24. Granma. Martes 23 de Febrero de 1999-05-18 (35/38).

25.-Granma. Martes 23 de Febrero 1999. 05-18 (35/38)

26.Revista. Comité Estatal de Estadística (R185/90).

27.Revista. Compendio Estadístico de Energía de Cuba, R 185-90.

28.Revista. Energía 2/90.

29.Reglamento.Explotación segura de las Calderas de Vapor. Editorial: MINFAR 1982.

30. Pirobloc. El Fluido Térmico Barcelona España-1995.

31. Pirobloc. S.A. P.I. La Ferreira C. Del vapor s/n 08110 Reixas Barcelona.

Normas y Catálogos

32. UNE Catalogo 1997. 01.040.23 Sistemas de Fluidos y componentes de uso general.

33. UNE 100210 (100) Ventiladores 1989.

34. UNE- EN 736-1:1996 –Válvulas.

35. UNE- EN 764 1996 – Aparatos a presión Calderas.

36. UNE. 9001:1987- Calderas Térmicas y definiciones.

37. UNE 9006 : 1992 Hogares para calderas.

38. UNE 9011- 1985 Requisitos técnicos de funcionamiento.

39. UNE- EN V 247 – 1993. Intercambiadores de calor.

40. UNE- EN. ISO 7345: 1996. Aislamiento Térmico y propiedades de los materiales.

41. UNE- EN. ISO 9251 (1996) Aislamiento Térmico magnitudes físicas.

42. UNE- EN ISO 9288- 1996. Aislamiento térmico

43. UNE_ EN. ISO 9346. 1996-92. Transferencia de masa magnitudes físicas.

44. UNE 51006-1 . 1978 CTN- 51.

45. UNE 51006-2 . 1980 CTN- 51.

46. UNE 9008 –1992. Características de los combustibles líquidos.

47. UNE -ENU 305: 1993- 124 . Intercambiadores. Rendimiento.

48. UNE 9-205- 1987. Cálculos relativos a la combustión

49. UNE 51-022 Productos del petrolíferos y lubricantes. Determinación del punto de inflamación.

50. UNE 51-026 Combustibles líquidos. Determinación de las cenizas.

51. UNE 51-108 Viscosidad cinemática, y viscocidad dinámica.

52U NE 51-116 Petróleos crudos y productos del petróleo líquidos.

53. UNE 51-123 Calor de combustión.

54. UNE 9-008-92. Análisis ( agua, cenizas, carbono, hidrogeno, oxigeno, azufre, nitrógeno y vanadio).

55. UNE, EN. 304. Calderas, reglas de ensayo para las calderas con quemadores de combustibles líquidos por pulverización, 1994.

56. UNE, EN.267 Quemadores de combustible líquido por pulverización de tipo compacto, 1993.

57. NC. 18-18/83. Respecto a la humedad relativa.

Anexos

anexo:5. Producción de Petróleo Crudo Cubano.

Anexo:6. Importación de Petróleo

Anxo:16: Perdidas de combustibles por salideros de vapor de acuerdo a las dimensiones de las fugas.

Anexo.20. Propiedades del Therminol 66.

Anexo: 21. Propiedades del Alquilbenceno

Anexo:23. Propiedades del Pirobloc 300-H

Anexo:23a. Propiedades del Asterm 800.

Anexo: 29. Propiedades del AT-DM 300.

Anexos capitulo 2

Tabla: 2.1: Composición del aire atmosférico:

Anexo:11

Composición según análisis físico-químico crudo ligero.

• Carbono——————— 87.00– (C)

• Hidrogeno——————-10,60%–(H)

• Oxigeno———————- 1,08%–(O)

• Nitrógeno———————0,10%–(N)

• Azufre————————-0,60%–(S)

• Humedad——————–0,20%—(w)

• Cenizas———————–0,42%.-(A)

Dentro los parámetros físicos químicos dados en el certificado de calidad del CENTRO DE INVESTIGACIONES DEL PÉTROLEO (C.E.I.N.P.E.T.), se encuentran:

1-Densidad a 200C (0,9287(gm/cm3(= 928,7(kg/m3(

2-Viscosidad cinemática a 500C (36,93(cSt(

Anexo:11a

Composición según análisis fisíco-químico fuel-oil

Propiedades Físico-Química del Fuel-oil

• Carbono———————- 85.00%

• Hidrogeno——————— 9,0%

• Oxigeno———————- 2,5%

• Nitrógeno——————- 0,25%

• Azufre———————– 2,2%

• Humedad—————— — 1,05%

• Cenizas———————— 0%

• Densidad a [NC: 8433-28]

• (29 0C =923(kg/m3(

• d1515=928(kg/m3(

• 0API=20,978

Viscosidad cinemática [EN:IB:1014-103-81]

50 0C cSt 49,1

800C cSt 23,8

Anexo: 29. Composición según análisis fisíco-químico. Del combustible diesel.

Anexo.8

Tabla: 1.3 Pérdidas de vapor según las dimensiones de salideros

• Anexo.9

• Pérdidas de combustible por cada metro de tubería conductora de vapor sin aislar térmicamente.

• Diámetro 25mm, longitud de 30 m.

• 0,0239 L/h

• 0,1436 L/h

• 4,308 L/mes

• 51,7 L/año

• Diámetro 50 mm longitud 30 m.

• 0,0598 L/h

• 0,359 L/h

• 10,77 L/mes

• 129,24 L/año

Anexo.8

Tabla: 1.3 Pérdidas de vapor según las dimensiones de salideros

Anexo:23b.

Propiedades del AT-DM 300.

Anexos.33

Tabla: 2.1: Composición del aire atmosférico:

GRÁFICO DE INCREMENTO DE COMBUSTIBLE

Autor:

Dianela Zayas González