Figura 2.1. Esquema de un gasógeno de gas pobre
Al tratar estos temas resulta evidente ame existen todavía fuertes limitaciones para la
introducción de los sistemas de gasificación. Sin embargo, se demuestra también que
dentro del estado actual de la tecnología de gasificación existen varias posibilidades
técnica y económicamente razonables.
Con el fin de ayudar a los usuarios y diseñadores de equipos de gasificación, se dan
en el Apéndice I ejemplos de la potencia desarrollada por un motor de combustión
interna alimentado con gas pobre; también se presenta en el Apéndice II el diseño de
una instalación sencilla de gasificación de tiro invertido, alimentada con tarugos de
madera.
2.1. Aprovisionamiento de motores con gas pobre
2.1.1. Posibilidades de utilización del gas pobre con diferentes tipos de motores
2.1.2. Potencia del motor cuando se utiliza gas pobre
2.1.3. Obtención del máximo de potencia cuando se funciona con gas pobre
2.1.4. Potencia resultante
2.1.5. Requisitos de calidad del gas para un funcionamiento sin averías
2.1.6. Empleo de motores Stirling o de turbinas de gas con gas pobre
El gas pobre, que se produce al gasificar la madera, el carbón vegetal o el carbón
mineral, con el aire, consiste en un 40% aproximadamente de gases combustibles,
principalmente monóxido de carbono, hidrógeno y algo de metano. El resto no es
combustible y consiste sobre todo en hidrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua.
El gas contiene también alquitrán condensable, ácidos y polvo. Estas impurezas
pueden ocasionar problemas operativos y un desgaste anormal del motor. El principal
problema del diseño de una instalación de gasificador es generar un gas con una
elevada proporción de componentes combustibles y un mínimo de impurezas. Más
adelante se verá cómo puede lograrse. En primer término, se van a discutir las
peculiaridades de los motores de gas pobre desde un punto de vista teórico y
operativo.
2.1.1. Posibilidades de utilización del gas pobre con diferentes tipos de
motores
Los motores de encendido por chispa, normalmente utilizados con gasolina o
queroseno, pueden funcionar con gas pobre únicamente. Los motores diesel se
pueden adaptar para funcionar con gas pobre disminuyendo el índice de compresión e
instalando un sistema de encendido por chispa. Otra posibilidad es hacer funcionar un
motor diesel normal, sin transformar, con el sistema de "doble combustible", mediante
el cual el motor proporciona del 0 al 90 por ciento de potencia, a base de gas pobre
(17), siendo necesario el resto de gasoil para el encendido de la mezcla combustible
gas/aire. La ventaja de este último sistema está en su flexibilidad: en caso de un niel
funcionamiento del gasificador o de falta de combustible de biomasa, generalmente es
posible un cambio inmediato, operando totalmente con diesel.
No obstante, no todos los tipos de motores diesel pueden adaptarse al sistema
expuesto de funcionamiento. Los índices de compresión de los motores diesel con
antecámara y cámara de turbulencia, son demasiado elevados para un funcionamiento
adecuado con doble combustible y el empleo del gas pobre en tales motores origina
detonaciones, ocasionadas por presiones demasiado altas y el retraso del encendido
(20). Los motores diesel de inyección directa tienen menores índices de compresión y
pueden generalmente transformarse con éxito.
2.1.2. Potencia del motor cuando se utiliza gas pobre
La potencia de un motor que funciona con gas pobre vendrá determinada por los
mismos factores que en el caso de los motores que funcionan con combustibles
líquidos, es decir:
- el valor calorífico de la mezcla combustible de gas pobre y aire que entra en el motor
en cada golpe de combustión;
- la cantidad de mezcla combustible que entra en el motor durante cada golpe de
combustión;
- la eficiencia con que el motor transforma la energía térmica de la mezcla combustible
en energía mecánica (potencia en el eje);
- el número de golpes de combustión (número de revoluciones por minuto: rpm);
La adaptación de un motor para funcionar con gas pobre o con doble combustible lleva
generalmente a una reducción de la potencia. A continuación se analizan las razones
así como las posibilidades de reducir al mínimo la pérdida de potencia.
(a) Valor calorífico de la mezcla
El valor calorífico del gas pobre depende de las cantidades relativas de los diferentes
componentes combustibles: monóxido de carbono, hidrógeno y metano.
El valor calorífico de estos tres gases se presenta en el Cuadro 2.1.
Sin embargo, a fin de conseguir la combustión, el gas pobre tiene que mezclarse con
una cantidad apropiada de aire. La mezcla combustible tendrá un menor valor
calorífico, por unidad de volumen, que el gas pobre solo.
Las cantidades de oxigeno necesarias para una combustión completa (combustión
estequiométrica) de cada uno de los componentes del combustible, se presentan
también en el cuadro 2.1.
Cuadro 2.1. Valores caloríficos y demandas estequiométricas de oxigeno de los
componentes combustibles del gas pobre
Gas
monóxido de
carbono
hidrógeno
Valor calorífico
efectivo
kJ/mol
283 660
Valor
kJ/m³ 1/
241 300
10 770 0,5
12 655 0,5
Demanda estequiométrica de
oxígeno
(m³/m³)
metano
801 505
35 825 2,0
Si no se especifica lo contrario en toda la publicación el volumen del gas se da en m³
en estado normal.
1/
El valor calorífico de tal mezcla estequiométrica puede calcularse mediante la fórmula
siguiente:
donde:
Hig es el valor calorífico de una mezcla estequiométrica de gas pobre y aire en kJ/m³.
VCO fracción de volumen de monóxido de carbono en el gas (antes de mezclarlo con
aire)
VH2 fracción de volumen de hidrógeno en el gas (antes de mezclarlo con aire)
VCH4 fracción de volumen de metano en el gas (antes de mezclarlo con aire).
Los valores caloríficos del gas pobre y de las mezclas con aire son alrededor de 2 500
kJ/m³. Cuando se compara este valor con el valor calorífico de una mezcla
estequiométrica de gasolina y aire (alrededor de 3 800 kJ/m³), resulta evidente la
diferencia de potencia de salida entre un motor determinado alimentado con gasolina y
con gas pobre. Puede esperarse una pérdida de potencia de alrededor del 35% como
resultado del menor valor calorífico de la mezcla de gas pobre y aire.
(b) Cantidad de mezcla combustible suministrada al cilindro
La cantidad de mezcla combustible que entra realmente en el cilindro de un motor
viene determinada por el volumen del cilindro y la presión del gas en éste en el
momento del cierre de la válvula de entrada.
El volumen del cilindro es una constante para un motor dado. La presión real de la
mezcla combustible al comienzo de la carrera de compresión depende, sin embargo,
de las características del motor (especialmente el diseño de la tubuladura de admisión
y el paso de admisión de aire), de la velocidad del motor (mayores velocidades tienden
a traducirse en menores presiones) y de la presión del gas que entra en la tubuladura
de admisión de aire. Los dos primeros factores están incorporados en la denominada
"eficiencia volumétrica" del motor, que se define como la relación entre la presión real
del gas en el cilindro y la presión normal (1 atmósfera). Normalmente, cuando los
motores funcionan a las velocidades de diseño, muestran eficiencias volumétricas que
varían entre 0,7 y 0,9.
La presión del gas en la tubuladura de admisión de aire depende de la caída de
presión en todo el sistema de gasificación, es decir, gasificador, refrigerador/depurador
y carburador gas/aire. Esta caída reduce de nuevo la presión de entrada con un factor
de 0,9.
En resumen, hay que llegar a la conclusión de que la cantidad real de gas combustible
disponible en el cilindro será sólo del 0,65 al 0,80 del valor máximo teórico, debido a
las pérdidas de presión en el recorrido hasta el cilindro. Esto reducirá lógicamente la
potencia máxima de salida del motor.
(c) Eficiencia del motor
La eficiencia con que un motor puede transformar la energía térmica del combustible
en potencia mecánica (eje) depende en primer lagar del índice de compresión del
motor.
La influencia del incremento del índice de compresión de un motor se puede calcular
mediante la siguiente fórmula.
En la cual:
1 = eficiencia térmica del motor con el índice de compresión en situación 1.
0 = eficiencia térmica del motor con el índice de compresión en situación 0.
1 = índice de compresión del motor en situación 1.
1 = índice de compresión del motor en situación 0.
k = constante igual a 1, 3 en el caso del gas pobre.
Figura 2.2. Relación entre el índice de compresión y la eficiencia térmica de un
motor (7)
Figura 2.2. Relación entre el índice de compresión y la eficiencia térmica de un
motor (34)
En el caso de los motores alimentados con gasolina, el índice posible de compresión
está limitado por el numero de "octanos" del combustible, que es una medida del
índice de compresión en que tiene lugar la detonación o "golpeteo" (que puede
ocasionar serios daños al motor). Las mezclas de gas pobre y aire presentan unos
números de octanos superiores a los de las mezclas de gasolina y aire.
Por este motivo, pueden emplearse unos índices de compresión superiores (hasta
1:11) con el gas pobre, lo que se traduce en una mejor eficiencia térmica del motor y
en un aumento relativo de la potencia de salida en el eje del motor.
(d) Velocidad del motor
Como la potencia del motor se define por unidad de tiempo, dicha potencia depende
de la velocidad.
Para motores diesel, la potencia de salida está en relación aproximadamente lineal
con las rpm. Para motores con encendido de chispa el incremento de potencia es
inferior al lineal debido a los cambios de los diferentes factores de eficiencia.
La Figura 2.2. muestra la influencia del índice de compresión sobre la máxima
potencia de salida del motor.
Cuando se calcula la potencia de salida de un motor de 4 tiempos, hay que dejar un
margen por el hech
0
