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Motores Alternativos a Gas

  • 1. Descripción

    1.1 Definición

    Esquema de un motor alternativo a gas

    El motor alternativo es una máquina de combustión interna capaz de transformar la energía desprendida en una reacción de combustión en energía mecánica.

    La característica técnica más importante de un motor alternativo es su eficiencia mecánica debido a los ahorros que se obtienen en la facturación de la energía eléctrica.

    Otra característica destacable de los motores alternativos es la alta eficiencia a cargas parciales, es decir, existe la posibilidad de regular la carga del motor sin perder proporcionalmente la eficiencia mecánica de la máquina.

    Como valor aproximado se puede considerar que un motor alternativo a un 50% de la carga tiene una reducción de eficiencia mecánica del 10% sobre la nominal con el consiguiente incremento de la energía térmica recuperable.

  • 2. Conceptos básicos

    2.1 Combustibles gaseosos

    Los combustibles gaseosos de mayor aplicación en la industria son el gas natural y el propano comercial:

    El gas natural se compone principalmente de metano con pequeñas cantidades de etano y otros hidrocarburos. Carece prácticamente de gas incombustible y residuos sólidos. Su poder calorífico oscila entre 8000 kcal/Nm3 y 10.500 kcal/Nm3.

    El propano comercial está compuesto en su mayoría por propano con pequeñas cantidades de etano y butano. Se obtiene de las primeras fracciones de destilación del petróleo y es fácilmente licuable para su almacenamiento en botellas a presión.

    2.2 Ciclo Otto y ciclo Diesel

    Dependiendo de las condiciones de presión y temperatura que provoquen la reacción del combustible en el motor, se pueden distinguir los dos siguientes ciclos en los motores alternativos:

    • Ciclo OTTO, el combustible introducido en el motor reacciona por la ignición de una chispa.
    • Ciclo DIESEL, el combustible introducido en el motor reacciona al ser sometido a alta presión y temperatura.

    El gas puede ser utilizado como combustible principal en los motores con cualquiera de los dos ciclos.

    En los motores diesel que utilizan como combustible gas natural, es necesaria la adición de una pequeña cantidad de fueloil gasoil, aproximadamente un 5% del combustible total, para que faciliten la explosión de la mezcla de combustible-aire. Estos motores son denominados duales.

    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 Motores de dos tiempos y cuatro tiempos

    Motor cuatro tiempos

    Se denomina ciclo o motor de cuatro tiempos el que precisa cuatro carreras del pistón o émbolo (dos vueltas completas del cigúeñal) para completar el ciclo termodinámico. Estos cuatro tiempos son:

    Esquema de funcionamiento de un motor de cuatro tiempos

    Motor de dos tiempos

    Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diesel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, lo que implica que la potencia que producen es menor que la mitad de la que produce un motor de cuatro tiempos de tamaño similar.

    2.4 Tipo de mezcla

    Los motores alternativos de ignición pueden trabajar con mezclas variables de aire-gas, diferenciándose dos tipos de motores en función de la riqueza de la mezcla: los estequiométricos y los de mezcla pobre.

    Los motores que utilizan un exceso de aire elevado (mezcla pobre) obtienen como resultado una disminución de la temperatura de los gases de combustión y de las emisiones de NOx. El factor de exceso de aire requerido para obtener bajas emisiones de NOx¹, CO y CmHn oscila entre 1,7 y 1,6.

    El mayor tamaño y las condiciones de funcionamiento de este tipo de motores determinan el uso de turbocompresores que aumentan las presión el aire de alimentación con las siguientes ventajas:

    • Incremento de potencia en el mismo volumen de cilindro.
    • Mayor homogeneización de la mezcla aire-gas.
    • Mayor precisión del control de la proporción aire-gas en la mezcla.
    • Menor posibilidad de que se produzcan detonaciones, debido a la menor velocidad de la combustión.

    2.5 Recuperación de calor

    El motor alternativo, tanto en ciclo Otto como en ciclo Diesel, genera una cantidad de calor aprovechable. Este calor proviene de las siguientes fuentes:

    Instalación de cogeneración con motor alternativo turboalimentado

    Circuito de refrigeración

    En un motor alternativo es necesario refrigerar las camisas de los cilindros, el aceite y la mezcla gas-aire antes de entrar en los cilindros.

    Esta refrigeración se realiza directamente con agua, como es en el caso de la refrigeración de las camisas de los cilindros o a través de intercambiadores agua-aceite para la refrigeración del aceite o intercambiadores aire-agua para la refrigeración de la mezcla gas-aire.

    Gases de combustión

    Los gases de la combustión producidos en cada cilindro son recogidos en un colector de gases de escape desde donde se conducen al turbocompresor. Posteriormente estos gases pueden ser utilizados directamente como aire caliente a alta temperatura entre 400ºC y 550ºC o bien introducirse en una caldera de recuperación.

    Diagrama de flujo en la recuperación de la energía calorífica procedente de la refrigeración de un motor

  • 3. Componentes

    Motor alternativo

    Reciben el nombre de motor alternativo aquellos motores térmicos cuyo mecanismo de funcionamiento se basa en el movimiento de un pistón dentro de un cilindro. Este émbolo comunica su movimiento a la biela. Esta tiene forma de recta, con dos articulaciones en sus extremos. El superior se articula en el émbolo y el inferior en el cigüeñal (que es el eje con el que se comunica con el exterior).

    En un motor alternativo se distinguen:

    1. Elementos de soporte: constituyen el esqueleto del motor. Sobre ellos se apoyan otros elementos. Transmiten fuerzas al exterior.
    2. Elementos línea: transmiten fuerzas y momentos.
    3. Sistemas de distribución: regulan el cierre y apertura de las válvulas.
    4. Sistema de alimentación: aportan el combustible y lo dosifican en las proporciones adecuadas (carburación e inyección).
    5. Sistema de encendido: sólo en motores de Ciclo Otto de ignición forzada (bujías).
    6. Sistema de lubricación: garantiza disminución de resistencia y proporciona una cierta refrigeración.
    7. Sistema de refrigeración: evacuan el calor a un ritmo suficiente como para que el motor opere correctamente.
    8. Sistema de arranque: en los motores Otto o de ignición forzada, la combustión se inicia mediante una chispa (bujía), mientras que en los motores Diesel, la compresión de la mezcla es suficiente para provocar su autoinflamación.
  • 4. Ventajas e inconvenientes

    Los principales combustibles utilizados en los motores alternativos son el gas, el gasoil y el fueloil.

    Las ventajas que presenta la utilización de motores alternativos de gas son las siguientes:

    1. Recuperación de calor
    • La relación entre el calor teórico aprovechable en los gases de escape y los circuitos de refrigeración es muy parecida para los motores de gas de alto rendimiento y los motores diesel que operan con fueloil o gasóleo.
    • La ausencia de óxidos de azufre en los gases de combustión del gas natural determina un aprovechamiento más elevado del calor en la producción de calor, agua caliente o agua sobrecalentada.
    • En los casos de secado, cuando se emplea gas es habitual el empleo directo de los gases de escape, sin necesidad de utilizar intercambiadores gases/aire.
    2. Inversión y rentabilidad
    • La rentabilidad de la inversión en las plantas de cogeneración depende de la inversión inicial (similar en plantas con motores de gas y motores de fueloil) y de los costes de combustible, el coste de mantenimiento y la eficiencia en el aprovechamiento del calor, que suele ser óptima en las instalaciones que operan con combustibles gaseosos.
    3. Vida útil
    • Las plantas de cogeneración con motor de gas tienen una vida útil que oscila entre 50.000 y 80.000 horas, frente a las de cogeneración con motor de gasoil que tienen una vida útil que oscila entre 20.000 y 40.000 horas.
    4. Mantenimiento
    • El coste de mantenimiento de las plantas de cogeneración basadas en motor de gas es menor que el coste de mantenimiento de las plantas de cogeneración con motores diesel de gasoil o fueloil.
    5. Impacto ambiental
    • Las plantas de cogeneración con motor de gas tiene las siguientes ventajas:

    El gas tiene contenidos inapreciables de azufre, por lo que con motores de gas no se producen emisiones de SO2 ni SO3

    En las últimas generaciones de motores de gas, basados en el principio de mezcla pobre, las emisiones de NOx se han reducido sustancialmente y el porcentaje de inquemados es prácticamente nulo.

    CO2 producido en la combustión de combustibles fósiles

    Emisiones en función del tipo de combustible empleado por el motor
    Emisiones Motor de fuelóleo nº1 Motor de gas
    SO2 (700-900) ppmv -
    HC (20-50) ppmv (40-60) ppmv
    Partículas (50-100) mg/Nm3 -
    CO (50-200) ppmv (260-310) ppmv
    NO3 (900-1.500) ppmv (100-500) ppmv
  • 4. Ventajas e inconvenientes

    Los principales combustibles utilizados en los motores alternativos son el gas, el gasoil y el fueloil.

    Las ventajas que presenta la utilización de motores alternativos de gas son las siguientes:

    1. Recuperación de calor
    • La relación entre el calor teórico aprovechable en los gases de escape y los circuitos de refrigeración es muy parecida para los motores de gas de alto rendimiento y los motores diesel que operan con fueloil o gasóleo.
    • La ausencia de óxidos de azufre en los gases de combustión del gas natural determina un aprovechamiento más elevado del calor en la producción de calor, agua caliente o agua sobrecalentada.
    • En los casos de secado, cuando se emplea gas es habitual el empleo directo de los gases de escape, sin necesidad de utilizar intercambiadores gases/aire.
    2. Inversión y rentabilidad
    • La rentabilidad de la inversión en las plantas de cogeneración depende de la inversión inicial (similar en plantas con motores de gas y motores de fueloil) y de los costes de combustible, el coste de mantenimiento y la eficiencia en el aprovechamiento del calor, que suele ser óptima en las instalaciones que operan con combustibles gaseosos.
    3. Vida útil
    • Las plantas de cogeneración con motor de gas tienen una vida útil que oscila entre 50.000 y 80.000 horas, frente a las de cogeneración con motor de gasoil que tienen una vida útil que oscila entre 20.000 y 40.000 horas.
    4. Mantenimiento
    • El coste de mantenimiento de las plantas de cogeneración basadas en motor de gas es menor que el coste de mantenimiento de las plantas de cogeneración con motores diesel de gasoil o fueloil.
    5. Impacto ambiental
    • Las plantas de cogeneración con motor de gas tiene las siguientes ventajas:

    El gas tiene contenidos inapreciables de azufre, por lo que con motores de gas no se producen emisiones de SO2 ni SO3

    En las últimas generaciones de motores de gas, basados en el principio de mezcla pobre, las emisiones de NOx se han reducido sustancialmente y el porcentaje de inquemados es prácticamente nulo.

    CO2 producido en la combustión de combustibles fósiles

    Emisiones en función del tipo de combustible empleado por el motor
    Emisiones Motor de fuelóleo nº1 Motor de gas
    SO2 (700-900) ppmv -
    HC (20-50) ppmv (40-60) ppmv
    Partículas (50-100) mg/Nm3 -
    CO (50-200) ppmv (260-310) ppmv
    NO3 (900-1.500) ppmv (100-500) ppmv
  • 5. Aplicaciones

    Central convencional

    Cogeneración con motor de gas

    Uno de los sistemas de cogeneración de mayor difusión, debido a su amplio campo de aplicación, es el basado en un motor alternativo. El propio motor es el que produce simultáneamente energía mecánica, haciendo girar el cigüeñal, y energía térmica, recuperando el calor de refrigeración y el de los gases de escape.

    El aprovechamiento de la energía mecánica y de la energía térmica da como resultado un rendimiento global del sistema del orden del 90% respecto a la energía primaria suministrada.

    Los sectores industriales en los que existe una mayor facilidad e interés de aplicación de sistemas de cogeneración basados en motores de gas son los siguientes:

    1. Sector cerámico: aire caliente para secado y prehornos, vapor o agua caliente para preparación y moldeo. En fábricas azulejeras de tamaño medio, aprovechamiento en atomizadores y secaderos.
    2. Sector químico: secado y, en general, producción combinada de vapor y agua o aire caliente.
    3. Sector textil: secaderos, producción combinada de vapor y agua caliente, para baños, termofijado.
    4. Sector alimentación: preparación y limpieza de alimentos, esterilización, envasado. Proceso de secado Producción de frío. Calentamiento de agua en piscifactorías.
    5. Sector maderero: balsas de cocido, secaderos, vapor para autoclaves.
    6. Sector papelero: secado y producción de vapor.

    En general, la cogeneración con motor alternativo es recomendable en aquellas industrias que requieran calor a no muy alta temperatura. También es interesante su empleo en aquellos lugares en los que se necesite un grupo electrógeno autónomo.

  • 6. Medidas de eficiencia

    Para optimizar la eficiencia energética de la quema de combustibles gaseosos y la utilización del combustible, es necesario:

    1) Mantener la estabilidad de la llama, cuyas características serán las apropiadas a las condiciones requeridas. Para ello es necesario:

    • Procurar que la velocidad de salida de la mezcla del quemador no dé lugar a despegue ni retroceso de llama.
    • Controlar la velocidad de propagación de la llama para que no se apague.

    2) Adaptar la forma y dimensión de la llama a las condiciones de trabajo:

    • Acoplar las características térmicas de la cámara de combustión y de la carga.
    • Instalar y ajustar reflectores y turbuladores.
    • Reponer las piezas de refractario.

    3) Aportar el aire de combustión óptimo manteniendo:

    • El mínimo coeficiente de exceso de aire (elevada proporción de CO2 en los gases).
    • Los límites de inflamabilidad de la mezcla.
    • Controlar:
      • Temperaturas de mezcla y combustión.
      • Presión de gas y aire a la entrada del quemador.
      • Presión en la cámara de combustión.

    4) Quemar totalmente el combustible de forma que:

    • Evitar la producción de inquemados.
    • Impedir fugas de combustible.
    • Obtener el máximo rendimiento en la combustión.
    • Evitar suciedad o incrustaciones en el quemador.

    5) Disminuir pérdidas por conducción, radiación y convección:

    • Disponer de buen aislamiento.
    • Reponer el aislamiento deteriorado.
    • Recuperar el calor sensible de los gases.

    6) Analizar diariamente la composición y opacidad de los gases.

    7) Instalar una regulación automática y ajustarla en función de los análisis de gases.

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