1.1 Definició

El motor alternatiu és una màquina de combustió interna capaç de transformar l'energia despresa en una reacció de combustió en energia mecànica.

La característica tècnica més important d'un motor alternatiu és la seva eficiència mecànica a causa dels estalvis que s'obtenen en la facturació de l'energia elèctrica.

Una altra característica destacable dels motors alternatius és l'alta eficiència a càrregues parcials, és a dir, existeix la possibilitat de regular la càrrega del motor sense perdre proporcionalment l'eficiència mecànica de la màquina.

Com a valor aproximat es pot considerar que un motor alternatiu a un 50% de la càrrega té una reducció d'eficiència mecànica del 10% sobre la nominal amb l’increment consegüent de l'energia tèrmica recuperable.

2.1 Combustibles gasosos

Els combustibles gasosos de major aplicació en la indústria són el gas natural i el propà comercial:

El gas natural es compon principalment de metà amb petites quantitats d’età i altres hidrocarburs. Pràcticament no conté gas incombustible ni residus sòlids. El seu poder calorífic oscil·la entre 8000 kcal/Nm3 i 10.500 kcal/Nm3.

El propà comercial està compost en la seva majoria per propà amb petites quantitats d’età i de butà. S'obté de les primeres fraccions de destil·lació del petroli i és fàcilment liquable per emmagatzemar-lo en ampolles a pressió.

2.2 Cicle Otto i cicle Dièsel

En funció de les condicions de pressió i de temperatura que provoquin la reacció del combustible en el motor, en els motors alternatius es poden distingir els dos cicles següents:

• Cicle OTTO, el combustible introduït en el motor reacciona per la ignició d'una espurna.
• Cicle DIESEL, el combustible introduït en el motor reacciona en ser sotmès a alta pressió i a temperatura.

Es pot utilitzar gas com a combustible principal en els motors amb qualsevol dels dos cicles.

Segons quin sigui el rang de potències, per a la combustió de gas s'utilitza un dels motors o l’altre. Sovint s’utilitzen els de cicle Otto fins a potències unitàries de 5.000 kW i entre 3.500 i 15.000 kW els de cicle dièsel.

Dependiendo del rango de potencias, para la combustión de gas se utiliza uno u otro de los motores. Frecuentemente son utilizados los de ciclo otto hasta potencias unitarias de 5.000 kW y entre 3.500 y 15.000 kW los de ciclo diesel.

2.3 Motors de dos temps i de quatre temps

Motor de quatre temps

S'anomena cicle o motor de quatre temps el que necessita quatre desplaçaments del pistó o de l’èmbol (dues voltes completes del cigonyal) per completar el cicle termodinàmic. Aquests quatre temps són:

Motor de dos temps

Amb un disseny adequat es pot aconseguir que un motor Otto o dièsel funcioni a dos temps, amb un temps de potència per cada dues fases en lloc de per cada quatre fases. L'eficiència d'aquest tipus de motors és menor que la dels motors de quatre temps, el que implica que la potència que produeixen es troba per sota de la meitat de la que produeix un motor de quatre temps de mida similar.

2.4 Tipus de mescla

Els motors alternatius d'ignició poden treballar amb mescles variables d'aire-gas. Es diferencien dos tipus de motors en funció de la riquesa de la mescla: els estequiomètrics i els de mescla pobra.

Els motors que utilitzen un excés d'aire elevat (mescla pobra) obtenen com a resultat una disminució de la temperatura dels gasos de combustió i de les emissions de NOx. El factor d'excés d'aire requerit per obtenir baixes emissions de NOx_¹, CO i C_mH_n oscil·la entre 1,7 y 1,6.

La mida més gran i les condicions de funcionament d'aquest tipus de motors determinen l'ús de turbocompressors que augmenten la pressió de l'aire d'alimentació amb els avantatges següents:

• Increment de potència en el mateix volum de cilindre.
• Major homogeneïtzació de la mescla aire-gas.
• Major precisió del control de la proporció aire-gas a la mescla.
• Menor possibilitat que es produeixin detonacions, a causa de la menor velocitat de la combustió.

2.5 Recuperació de calor

El motor alternatiu, tant en cicle Otto com en cicle Dièsel, genera una quantitat de calor aprofitable. Aquesta calor prové de les fonts següents:

Circuit de refrigeració

En un motor alternatiu cal refrigerar les camises dels cilindres, l’oli i la mescla gas-aire abans d’entrar als cilindres.

Aquesta refrigeració es realitza directament amb aigua, com en el cas de la refrigeració de les camises dels cilindres, o a través d'intercanviadors aigua-oli per a la refrigeració de l'oli, o intercanviadors aire-aigua per a la refrigeració de la mescla gas-aire.

Gasos de combustió

Els gasos de la combustió produïts en cada cilindre es recullen en un col·lector de gasos d'escapament des d'on es condueixen al turbocompressor. Posteriorment aquests gasos es poden utilitzar directament com a aire calent a alta temperatura entre 400º C i 550º C o bé introduir-se en una caldera de recuperació.

Reben el nom de motor alternatiu aquells motors tèrmics el mecanisme de funcionament dels quals es basa en el moviment d'un pistó dins d'un cilindre. Aquest èmbol comunica el seu moviment a la biela. Aquesta té forma de recta, amb dues articulacions als extrems. L’extrem superior s'articula en l'èmbol i l'inferior en el cigonyal (que és l'eix amb què es comunica amb l'exterior).

En un motor alternatiu es distingeixen:

1. Elements de suport: constitueixen l'esquelet del motor. S’hi recolzen altres elements. Transmeten forces a l'exterior.
2. Elements línia: transmeten forces i moments:
3. Sistemes de distribució: regulen el tancament i l’obertura de les vàlvules.
4. Sistema d'alimentació: aporten el combustible i el dosifiquen en les proporcions adequades (carburació i injecció).
5. Sistema d'encesa: només en motors de cicle Otto d'ignició forçada (bugies).
6. Sistema de lubricació: garanteix la disminució de resistència i proporciona una certa refrigeració.
7. Sistema de refrigeració: evacuen la calor a un ritme suficient perquè el motor operi correctament.
8. Sistema d'arrencada: en els motors Otto o d'ignició forçada, la combustió s'inicia mitjançant una espurna (bugia), mentre que en els motors dièsel, la compressió de la mescla és suficient per provocar-ne l’autoinflamació.

Els principals combustibles utilitzats en els motors alternatius són el gas, el gasoil i el fuel.

Els avantatges que presenta la utilització de motors alternatius de gas són els següents:

1. Recuperació de calor

• La relació entre la calor teòrica aprofitable en els gasos d'escapament i els circuits de refrigeració és molt semblant per als motors de gas d'alt rendiment i els motors dièsel que operen amb fuel o gasoil.
• L'absència d'òxids de sofre en els gasos de combustió del gas natural determina un aprofitament més elevat de la calor en la producció de calor, aigua calenta o aigua sobreescalfada.
• En els casos d'assecatge, quan s'utilitza gas és habitual l'ús directe dels gasos d'escapament, sense necessitat d'utilitzar intercanviadors gasos/aire.

2.Inversió i rendibilitat

• La rendibilitat de la inversió en les plantes de cogeneració depèn de la inversió inicial (similar en plantes amb motors de gas i motors de fuel) i dels costos de combustible, el cost de manteniment i l'eficiència en l'aprofitament de la calor, que sol ser òptima a les instal·lacions que operen amb combustibles gasosos.

3. Vida útil

• Les plantes de cogeneració amb motor de gas tenen una vida útil que oscil·la entre 50.000 i 80.000 hores, enfront de les de cogeneració amb motor de gasoil que tenen una vida útil que oscil·la entre 20.000 i 40.000 hores.

4. Manteniment

• El cost de manteniment de les plantes de cogeneració basades en motor de gas és menor que el cost de manteniment de les plantes de cogeneració amb motors dièsel de gasoil o de fuel.

5. Impacte ambiental

• Les plantes de cogeneració amb motor de gas tenen els avantatges següents:

El gas té continguts inapreciables de sofrei, per tant, amb motors de gas no es produeixen emissions de SO2 ni de SO3.

En les últimes generacions de motors de gas, basats en el principi de mescla pobra, les emissions de NOx s'han reduït substancialment i el percentatge d'incremats és pràcticament nul.

Un dels sistemes de cogeneració de major difusió, a causa del seu ampli camp d'aplicació, és el que es basa en un motor alternatiu. El mateix motor produeix simultàniament energia mecànica, que fa girar el cigonyal, i energia tèrmica, que recupera la calor de refrigeració i la dels gasos d'escapament.

L'aprofitament de l'energia mecànica i de l'energia tèrmica dóna com a resultat un rendiment global del sistema de l'ordre del 90% respecte a l'energia primària subministrada.

Els sectors industrials en què existeix una major facilitat i interès d'aplicació de sistemes de cogeneració basats en motors de gas són els següents:

1. Sector ceràmic: aire calent d'assecatge i preforns, vapor o aigua calenta per a preparació i emmotllament. En fàbriques de rajoles de mida mitjana, aprofitament en atomitzadors i en assecadors.
2. Sector químic: assecatge i, en general, producció combinada de vapor i d’aigua o d’aire calent.
3. Sector tèxtil: assecadors, producció combinada de vapor i aigua calenta, per a banys, termofixació.
4. Sector alimentació: preparació i neteja d'aliments, esterilització, envasat. Procés d'assecatge. Producció de fred. Escalfament d'aigua en piscifactories.
5. Sector de la fusta: basses de bullida, assecadors, vapor per a autoclaus.
6. Sector paperer: assecatge i producció de vapor.

En general, la cogeneració amb motor alternatiu és recomanable en aquelles indústries que requereixen calor a una temperatura no gaire alta. També és interessant utilitzar-los en aquells llocs on es necessiti un grup electrogen autònom.

Per optimitzar l'eficiència energètica de la crema de combustibles gasosos i la utilització del combustible, cal:

1) Mantingueu l'estabilitat de la flama, les característiques de la qual han de ser les apropiades a les condicions requerides. Per a això és necessari:

• Procureu que la velocitat de sortida de la mescla del cremador no doni lloc a cap despreniment ni a un retrocés de la flama.
• Controleu la velocitat de propagació de la flama perquè no s'apagui.

2) Adapteu la forma i la dimensió de la flama a les condicions de treball:

• Acobleu les característiques tèrmiques de la cambra de combustió i de la càrrega.
• Instal·leu i ajusteu reflectors i turbuladors.
• Reposeu les peces de refractari.

3) Aporteu l’aire de combustió òptim mantenint:

• El mínim coeficient d’excés d’aire (elevada proporció de CO2 en els gasos).
• Els límits d’inflamabilitat de la mescla.
• Controleu:
  • Temperatures de mescla i de combustió.
  • Pressió de gas i d’aire a l’entrada del cremador.
  • Pressió a la cambra de combustió.

4) Cremeu totalment el combustible per:

• Evitar la producció d’incremats.
• Impedir fuites de combustible.
• Obtenir el màxim rendiment en la combustió.
• Evitar brutícia o incrustacions en el cremador.

5) Disminuïu les pèrdues per conducció, radiació i convecció:

• Cal tenir un bon aïllament.
• Substituïu l’aïllament deteriorat.
• Recupereu la calor sensible dels gasos.

6) Analitzeu diàriament la composició i l’opacitat dels gasos.

7) Instal·leu una regulació automàtica i ajusteu-la en funció de les anàlisis de gasos.