CAPÍTULO I
El
problema
1.1TEMA.
"CONSTRUCCIÓN DE UNA CELDA ELECTROLÍTICA
PARA PRODUCIR HIDROGENO COMO COMBUSTIBLE ALTERNATIVO PARA UN
MOTOR MARCA MITSUBISHI DE 2,2 LITROS A GASOLINA USANDO AGUA COMO
ELECTROLITO"
1.2 Planteamiento del problema.
Históricamente los combustibles fósiles
como el carbón, petróleo y gas natural se han
utilizado para impulsar el desarrollo industrial y las
comodidades de la vida moderna, pero ha sido imposible evitar
efectos colaterales indeseables. Desde la tierra para el cultivo,
el agua para consumo humano, el aire que respiramos, y al
ambiente lo hemos afectado.
La fuente más grande de contaminación del
aire son los motores de los vehículos, los cuales liberan
contaminantes como el esmog que está formado por polvo y
hollín a más de ello tenemos los gases como
hidrocarburos (HC), óxidos de nitrógeno (Nox) y
monóxido de carbono (CO) que al estar descargados al
ambiente produce la lluvia acida, cada día se incrementan
estos volúmenes de gases producidos por la
combustión de los vehículos opacando el cielo dando
como consecuencia el calentamiento global y se relaciona con el
cambio climático. (Cengel, Y. 2012)
Como resultado de la contaminación del aire se
han producido enfermedades respiratorias. En las áreas
urbanas los niños pequeños que juegan en las
calles, respiran a la altura de los tubos de escape por lo que
pueden estar expuestos a hidrocarburos no quemados,
monóxido de carbono, óxidos de azufre y de
nitrógeno y otros tóxicos, que se suman a las
concentraciones de material particulado, cenizas y plomo en las
áreas donde aun se usa gasolina con plomo. contaminantes
dañinos que afectan su función pulmonar, su
desarrollo y bienestar (GAVIDIA et al.)
En los últimos años, los estudios de
investigación experimentales en animales y
epidemiológicos en humanos han evidenciado relación
entre población expuesta en forma crónica a niveles
medios y bajos de monóxido de carbono en aire respirable y
la aparición de efectos adversos en la salud humana
especialmente en órganos de alto consumo de oxígeno
como cerebro y corazón. Se han documentado efectos nocivos
cardiovasculares y neuropsicológicos en presencia de
concentraciones de monóxido de carbono en aire inferiores
a 25 partes por millón y a niveles de carboxihemoglobina
en sangre inferiores a 10 %. (Tallez et al. 2006)
El Calentamiento global es causado por el
dióxido de carbono, el metano, él óxido
nitroso, los halo carburos y el ozono también denominados
gases invernaderos (siendo el principal causante el
dióxido de carbono), produciéndose así el
calentamiento de la Tierra y de la capa atmosférica que
recibe el nombre de efecto invernadero. (Tallez et al.
2006)
1.2.1. Contextualización.
Contextualización macro.
La humanidad ha logrado maravillas gracias a los
combustibles fósiles no renovables (carbón,
petróleo y gas natural), pero con un costo medioambiental
muy alto. También, el uso acelerado de estos,
fundamentalmente por los países desarrollados, que
constituyen alrededor de 30 % de la población
mundial, ha llevado a la disminución de los rendimientos
de las minas y los pozos más asequibles. Por otra parte,
la demanda crece debido al incremento de la población
mundial y al necesario desarrollo del restante 70 % de
la población.
En este contexto, el hidrógeno se presenta como
el portador energético ideal, porque se obtiene del agua y
su combustión produce agua. O sea, es un ciclo que no
introduce desbalance en la naturaleza. (Taracido Trunk et al.
1999)
El hidrógeno puede ser producido mediante las
tres formas convencionales de suministro energético:
hidrocarburos (carbón, gas natural, petróleo,
etc.), reactores nucleares y energías renovables tales
como solar, eólica, térmica, hídrica,
biomasa, etc. Como se aprecia en la figura 1,
actualmente el 96% de la producción mundial de
hidrógeno se realiza mediante combustibles fósiles,
mientras que el 4% restante se lleva a cabo a través de
electrólisis de agua. Gran parte del hidrógeno es
producido mediante reformado de gas natural (el cual es
principalmente metano) y otros combustibles. Para realizar un
análisis completo de las diversas posibilidades
energéticas y alternativas de producción de
hidrógeno es necesario analizar los aspectos positivos y
negativos de éstas. Son necesarias nuevas formas de
producir hidrógeno sin emitir dióxido de carbono
para poder hacer frente al cambio climático y reducir las
emisiones de gases de efecto invernadero. Es por lo tanto
importante considerar la cadena
Fig. 1: Distribución
mundial de materias primas para la producción
de
Hidrógeno (Richa Kothari,
D.Buddhi, R.L Sawhney.)
Contextualización meso.
Países en América Latina tienen
participación en el desarrollo de tecnologías de
hidrógeno (Posso, F,2013) Brasil constituye el
líder en programas de I&D sobre la energía del
H2,Programa de Ciencia, Tecnología e Innovación
para la Economía del Hidrógeno (ProH2), que abarca
todas las fases del SESH: producción, almacenamiento,
transporte y usos finales, aunque su énfasis está
en las pilas de combustible para generación distribuida en
sistemas aislados y en vehículos para transporte colectivo
urbano; también han priorizado el proceso de
obtención de H2 a partir de etanol y glicerol.
En el año 2009, en fase de prueba empieza a
recorrer las calles de Sao Paulo, el primer autobús movido
por H2, el Eco Bús, con una autonomía de 300
km, transportando 63 pasajeros, y en el cual el H2 se produce por
electrólisis.
Argentina, en la cual los primeros estudios sobre el H2
como vector energético datan de la década del 80.
Con un fuerte repunte en el año 2005. Su centro bandera es
la Planta Experimental de Hidrógeno de Pico Truncado, en
el extremo sur del país, en elemento el cual este se
obtiene a partir de energía eólica. Concebida como
una escuela/fábrica, consta de dos módulos, el
primero destinado a la capacitación
teórico-práctica, y el segundo destinado a la
producción, almacenamiento, laboratorio, taller y ensayos
de prototipos para las diversas aplicaciones del H2 como
combustible.
En el ámbito legislativo, en agosto de 2006 el
Congreso de la Nación Argentina aprobó la ley 26123
sobre "Régimen para el desarrollo de la tecnología,
producción, uso y aplicaciones del hidrógeno como
combustible y vector de energía",
México constituye el tercer país de la
región en avanzar hacia la economía del H2, dentro
de sus acciones principales se ubica la Red Nacional del
Hidrógeno, asociación civil sin fines de lucro, que
propicia la investigación y desarrollo de proyectos en:
celdas de combustible tipo MCFC (aplicaciones industriales,
comerciales y residenciales) y generación distribuida,
celdas de energía de tipo PEM (aplicaciones
móviles), reactores biológicos para
producción de biogás e H2, plataformas motrices
híbridas, reformadores de combustibles, sistemas de
almacenamiento, materiales funcionales para celdas
y nano-coatings. Un proyecto demostrativo
interesante es un vehículo monoplaza, primero de su tipo
en México, totalmente impulsado por H2 y celdas de
combustible.
Dentro de las iniciativas colaborativas se encuentran la
"Red Iberoamericana de Pilas de Combustible e Hidrógeno",
creada en el año 2005 y la "Red Iberoamericana Hidrogeno:
producción y purificación; almacenamiento y
transporte", en el año 2007, ésta última con
la participación de más de 200 investigadores de 11
países de la región; ambas iniciativas patrocinadas
por la cooperación española. Finalmente en
referencia a las asociaciones orientadas al fomento de la
energía del H2, pueden nombrarse la Asociación
Argentina del Hidrógeno, la Sociedad Mexicana del
Hidrógeno y la Asociación Colombiana del
Hidrógeno. (Posso, F.2013)
Los vehículos automotores son la principal fuente
de material particulado emitido a la atmósfera. Su
contribución se ubica entre un 25% y un 75% del total de
emisiones antropogénicas de PM10 (QUARG, 1993 [16]), este
último en centros urbanos. El principal contribuyente de
las emisiones de material particulado es el parque automotor a
diésel.
Contextualización micro.
El desarrollo urbano experimentado por la ciudad de
Quito en los últimos años, ha provocado la
degradación de la calidad del aire, causada por los
contaminantes del aire emitidos principalmente como productos de
la quema de combustibles fósiles en la
transportación pública, en la generación de
energía eléctrica y en los procesos industriales,
adicionalmente la deforestación del bosque protector
causada por asentamientos marginales que provocan erosión
del suelo, contribuyendo al deterioro mencionado. (Skoog
1994)
En el año 2000 el registro de vehículos
fue de 290 752 para el 2011 se tenía 620 393 de acuerdo a
un estudio realizado por el municipio de Guayaquil en el 2011
dice la totalidad de automotores que ruedan en la ciudad es
responsable del 60% de la contaminación de su aire,
aportan un promedio de 16 556 toneladas de óxido de
nitrógeno (Nox), 52 213 toneladas de monóxido de
carbono (CO) por año. (Darío Bernal
2011)
En nuestro país la empresa HidroxiEcuador
recientemente creada por el Ing. Cesar Torres dice Tiene
aquí la oportunidad de conocer nuestros generadores de
hidrógeno, con los cuales y empleando únicamente
AGUA, Usted podrá reducir el consumo de combustible hasta
un 40% en su vehículo o en todo tipo de motores de
combustión interna.
1.2.2 Análisis
crítico.
Grafico 1 Árbol de
Problemas
El consumo energético del sector transporte es
elevado, siendo los vehículos propulsados por motor
térmico una de las principales fuentes de
contaminación atmosférica. Las emisiones
contaminantes son CO2, CO, NOx, SO2, O3 y partículas de
hollín. Estas emisiones son superiores en el transporte
por carretera. El CO monóxido de carbono se produce
durante la combustión incompleta de carburante y aire.
Esta combustión incompleta tiene lugar cuando la
atmósfera es pobre en oxígeno.
Son necesarias nuevas formas de producir
hidrógeno sin emitir dióxido de carbono para poder
hacer frente al cambio climático y reducir las emisiones
de gases de efecto invernadero. Si se obtiene el hidrógeno
a través de energías renovables y la
electrólisis, la producción sería sostenible
en el tiempo y en recursos. (Rivero. Eguez Jorge, Pérez.
Bravo Angel 2013)
Con la disminución de la contaminación
producida por los vehículos que consumen combustibles
fósiles con un aditamento que genere hidrogeno y oxigeno
se tratara de detener en algo el calentamiento global
Cambiar los motores de combustión interna por
motores eléctricos o de consumo de hidrogeno puede ser una
alternativa a largo plazo, Se podrá utilizar los
biocombustibles más su costo social demostrara efectos a
mediano plazo
La salud de la población a futuro será
afectada por lo que es la oportunidad de poner en práctica
nuevas alternativas de combustibles limpios que minimicen o no
generen contaminación.
1.2.3 Prognosis.
Al no realizar este estudio y no tomar en
consideración la propuesta, la contaminación
ambiental se incrementara cada día, aumentando el
calentamiento global
1.2.4 Formulación del
problema.
¿Cómo influirá la
adición de hidrógeno en la combustión del
vehículo, su rendimiento, la cantidad de CO2 que podemos
disminuir?
1.2.5 Interrogantes.
Se disminuirá la contaminación
ambiental con la celda de hidrógeno en un
vehículo de 2200 cm3?Cual es mejor tratamiento en el electrolito para
obtener más hidrógeno?Cuál es la potencia máxima para
generar hidrogeno con nuestra celda?En qué porcentaje se incrementará la
potencia a la salida del vehículo?En cuanto disminuirá la contaminación
en los gases por la combustión?
1.2.6 Delimitación del objeto de
investigación.
Campo: automotriz.
Área: Transporte.
Aspecto Específico: Elaboración de
una celda de hidrogeno para un vehículo de 2200
centímetros cúbicos.
Delimitación Temporal: Enero del 2014
hasta Abril de 2014.
Delimitación Espacial: Talleres
CENMEC.
1.3 Justificación
La sociedad ecuatoriana en la actualidad tiene una plena
conciencia sobre la necesidad y obligación de mantener y
conservar la calidad del aire que respiramos. Causada por los
contaminantes del aire emitidos principalmente como productos de
la quema de combustibles fósiles en la
transportación.
El generador de hidrógeno es un dispositivo que
se instala en motores de gasolina o diésel que por el
proceso de electrolisis obtenemos este elemento el
hidrógeno es un gas tres veces más potente que la
gasolina y se quema 10 veces más rápido. Tabla 1
anexo "Al hacer la mezcla de gasolina e hidrógeno tenemos
un combustible repotenciado".
Julio Verne en su libro viaje al fondo del mar dice
"creo que el agua algún día será una fuente
inagotable fuente de luz y calor por tanto el agua será el
carbón del futuro"
1.3.1 JUSTIFICACIÓN
PRÁCTICA
Con la generación de hidrógeno se pretende
utilizar una energía más limpia y eficiente que los
combustibles tradicionales. Mediante la construcción y
puesta en marcha a nivel experimental, del generador de
hidrógeno en el taller CENMEC, permitirá confirmar
el beneficio de la celda electrolítica.
1.4 Objetivos.
1.4.1 General.
"Construcción de una celda electrolítica
para producir hidrogeno como combustible alternativo en motor de
combustión interna usando agua como
electrolito"
1.4.2 Específicos.
Determinar los parámetros de diseño de
una celda electrolítica para producir hidrógeno
utilizando agua potable como electrolitoDeterminarla la intensidad de corriente necesaria
para que funcione el sistema vehicular normal y la celda
electrolítica simultáneamente usando
dispositivos electrónicos.Acoplar la celda electrolítica a un
automóvil de 2 200 cm3 de cilindrada marca Dodge
modelo 1984 transmisión automática motor
MitsubishiDeterminar la cantidad de CO2 en ppm en condiciones
normales del motor utilizado y luego con la
instalación del sistema electrolítico de
producción de hidrogeno.
CAPÍTULO II
Marco
teórico
2.1 Antecedentes investigativos.
Con relación a la Construcción de una
celda electrolítica para producir hidrogeno como
combustible el trabajo de investigación se
fundamentó en la bibliografía reportada en el
Journal of Dairy Science y se tomó el trabajo de tres
tesis de universidades Ecuatorianas; Manabí,
Técnica del Norte y Espoch sobre el hidrogeno como
combustible alternativo.
También se conoció que en Bogotá
Colombia realizan la adaptación de celda
electrolítica en forma empírica, y en Lima
Perú los vehículos utilizan GLP y los sensores son
alterados para su funcionamiento lo cual puede ser un buen
referente para el desarrollo de esta tesis.
2.2 Fundamentación
filosófica.
La finalidad de la investigación es
crítico positivo ya que existe comprensión,
identificación de potenciales y acción social
emancipadora y el análisis bibliográfica como
herramientas metodológicas básicas; las mismas que
permitirán obtener resultados cuya interpretación
servirán para validar la hipótesis
Se tiene conocimiento que la empresa HidroxiEcuador,
ubicada en la ciudad de Quito, representada por el Ing.
Raúl Torres, produce generadores de hidrógeno para
motos, vehículos con motores de combustión interna,
ya sea de carburador o inyección electrónica de
combustible de gas, diésel y gasolina con diferente
cilindrada.
En Colombia Bogotá existen dos empresas que se
dedican a la instalación de celdas de hidrogeno pero de
forma artesanal y cuentan con tecnología aceptable y lo
instalan en cualquier tipo de vehículo.
En Perú el consumo de GLP y gas natural ha hecho
que en sus vehículos modifiquen el CPU (modulo
electrónico del automóvil) para invalidar ciertos
comandos con el fin de que no se altere su funcionamiento y
sería la oportunidad de realizar dicha rutina para nuestro
generador de hidrógeno en los automóviles a
inyección.
0Para determinar el consumo de combustible durante un
ciclo de prueba se lo realizara en el trayecto de una hora como
también:
Evaluación mecánica del
vehículo seleccionado. Marca, modelo
cilindradaInstalación de equipos a
usarse.se utilizara una celda tipo secaMedición en campo:
Emisión de gases
Evaluación de torque
Consumo de combustible
Relación potencia vs
torque
2.3 Fundamentación legal.
NORMAS TÉCNICAS DE CALIDAD AMBIENTAL Art.
4 Norma Técnica de Calidad del Aire Ambiente.
Libro VI. Norma de Calidad Ambiental, Norma de Calidad del
Aire Ambiente, numerales 4.1.1 y 4.1.2.INEN 2 204:2002 Límites Permitidos De
Emisiones Producidas Por Fuentes Móviles Terrestres De
Gasolina.INEN 2 203:2000 Gestión Ambiental. Aire.
Vehículos automotores. Determinación de la
concentración de emisiones de escape en Condiciones de
marcha mínima o "ralentí". Prueba
estática.HOJA DE SEGURIDAD DEL MATERIAL (SDS)
hidrógeno linde ecuador s.a. 2012CAS HIDRÓGENO #1333-74-0
CAS GASOLINA # 8006-61-9
2.4 Categorías
fundamentales.
Gráfico 2. Organizador
lógico de variables.
Elaborado: Fernando
Sánchez.
2.5 FUNDAMENTACIÓN
TEÓRICA
Variable independiente
2.5.1 Celda
electrolítica.
Conocido como hidrolizador, celda de hidrógeno o
Generador de Hidrógeno, es un dispositivo que se emplea
para mejorar el rendimiento de los motores de combustión
interna de gas, gasolina, diésel, biodiesel o turbosina.
fig. 3
Un Generador de Hidrógeno, utiliza como materia
prima agua y 12 voltios, por medio de un proceso de
electrólisis, el Generador de Hidrógeno nos
proporciona por separado hidrógeno y oxígeno, estos
gases altamente combustibles son enviados a la entrada de aire
del motor donde se mezclan con el combustible utilizado. La
energía del hidrógeno mejora la combustión,
proporciona mayor potencia, reduce el consumo de combustible y al
quemarse mejor disminuye los contaminantes.
Figura 2 Generador de
Hidrógeno
Fuente: www.Amazon.com Shop hidrogeno
para vehículos 2014
Básicamente, un generador de hidrógeno es
un dispositivo que separa el hidrógeno y el oxígeno
del agua, de manera que el gas de hidrógeno puede ser
utilizado en diversas aplicaciones y pueden ser en los motores
de: Motos, camiones, plantas de Luz, excavadoras, trenes, barcos
y aviones y más en el campo automotriz, puesto que puede
aportar con la reducción de gases contaminantes producto
de la combustión. Está compuesto por varias placas
y láminas en donde se comunican con el electrólito
que es suministrado por un conducto proveniente del
depósito de agua destilada, cuando al generador se le
aplica un voltaje la corriente que por el electrolito circula
hace que se separe el hidrógeno y el oxígeno del
agua en forma de gas mediante un proceso llamado
electrólisis. Para ello utilizan energía
eléctrica de la batería del auto o bien de
baterías adicionales. Ambos elementos resultantes
desplazan parte de la gasolina y el aceite en los cilindros. Esta
mezcla favorece la combustión y el rendimiento y reduce
los consumos y las emisiones.
Un generador de hidrógeno implica que se usa la
energía eléctrica del vehículo, en este caso
la batería de 12 voltios de corriente directa y un
alternador de diferente potencia en amperios hora, para fracturar
(electrolizar) el agua y producir el plasma H2O, lo cual
implicaría que necesitaríamos sacar el 200% a este
sistema eléctrico, para alcanzar lo óptimo en todo
el sistema. Hay muchos tipos de generadores de hidrógeno
H2O,en general tienen sumergido en agua (húmedos o secos)
placas de diferentes metales desde acero hasta platino,
dependiendo del presupuesto, con electrolitos (que permiten o
facilitan el paso de la corriente eléctrica en el
baño electrolítico), para finalmente producir
plasma de aguaH2O que se conduce por tuberías y sistemas
de seguridad, etc. a diferentes entradas que alimentan de
combustible el vehículo, siendo la más común
el filtro del aire aunque no la más eficiente, el carro
requerirá de ajuste en el tiempo, es decir hay que
sincronizarlo para la alta velocidad de combustión que
tiene el hidrógeno.(Duque et al 2013)
El hidrógeno es el elemento más abundante
en el Universo (75%), pero también es el combustible con
mayor energía que existe. El hidrógeno contiene
(119,3 KJ/Kg) casi tres veces más capacidad
energética que la gasolina (46 KJ/Kg).
La combustión del hidrógeno nos
proporciona energía y agua. Por su abundancia, capacidad
energética y no contaminación, es la forma
energética más conveniente para el humano y el
planeta.
2.5.2 Dimensionamiento de la celda
electrolítica.
(Duque, Mazaquiza 2011)
realiza su cálculo y dimensionamiento de placas utilizando
las siguientes ecuaciones y formulas el cual se tomara como
referente para pruebas de este trabajo.
Figura 3. Dimensión de placas del
Generador de Hidrógeno para celda
electrolítica
Fuente: "GENERADOR DE HIDRÓGENO"
DUQUE, E. & MASAQUIZA, J. 2013
2.5.3 Electrolisis
Diccionario de lengua española, 2011.pags; 12-23)
"La electrolisis es el proceso que separa los elementos de un
compuesto por medio de la electricidad Proceso se aplica una
corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos
conectados a una fuente de alimentaciones eléctricas y
sumergidas en la disolución. El electrodo conectado al
polo positivo se conoce como ánodo, y el conectado al
negativo como cátodo.
Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta.
Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y
se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras
que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se
desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo).
El electrodo es el camino por el que van los electrones.
Cátodo es el camino por donde caen los electrones.
Ánodo es el camino por el que ascienden los electrones.
Ion significa caminante. Anión se dirige al
ánodo y catión se dirige al cátodo. La
nomenclatura se utiliza también en pilas. En el
ánodo se produce la oxidación y en el cátodo
la reducción
La energía necesaria para separar a los iones e
incrementar su concentración en los electrodos es aportada
por la fuente de alimentación eléctrica. Fig. 2 En
los electrodos se produce una transferencia de electrones entre
éstos y los iones, produciéndose nuevas sustancias.
Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo
(+) y los iones positivos o cationes toman electrones del
cátodo (-). En definitiva lo que ocurre es una
reacción de oxidación-reducción, donde la
fuente de alimentación eléctrica se encarga de
aportar la energía necesaria.
2.5.4 Electrólisis del
agua
Si el agua no es destilada, la electrólisis no
sólo separa el oxígeno y el hidrógeno, sino
los demás componentes que estén presentes como
sales, metales y algunos otros minerales (lo que hace que el agua
conduzca la electricidad no es el puro H2O, sino que son los
minerales. Si el agua estuviera destilada y fuera 100% pura, no
tendría conductividad.)
2.5.5 Electroquímica
Es una rama de la química que estudia la
transformación entre la energía eléctrica y
la energía química. En otras palabras, las
reacciones química que se dan en la interface de un
conductor eléctrico (llamado electrodo que puede ser un
metal o un semiconductor) y un conductor iónico (el
electrolito) pudiendo ser una disolución. Chang Raymond
(2007)
2.5.6 Electricidad
(Gran diccionario enciclopédico siglo XXI, 2001,
pags; 35-76) "La electricidad es un fenómeno físico
cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya
energía se manifiesta en fenómenos
mecánicos, térmicos, luminosos y químicos,
entre otros. Se puede observar de forma natural en
fenómenos atmosféricos, por ejemplo los rayos, que
son descargas eléctricas producidas por la transferencia
de energía entre la ionósfera y la superficie
terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una
parte). Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos
encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento
del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas
máquinas, desde pequeños electrodomésticos
hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta
velocidad, y de todos los dispositivos electrónicos.
Además es esencial para la producción de sustancias
químicas como el aluminio y el cloro.
2.5.7 El Alternador
Es el elemento del circuito
eléctrico del automóvil que tiene como
misión transformar la energía mecánica en
energía eléctrica, proporcionando así un
suministro eléctrico durante la marcha del
vehículo. El alternador en un vehículo debe estar
diseñado para proporcionar corriente eléctrica
necesaria para la carga de la batería así como para
suministrar corriente a todos los demandantes eléctricos
que lo requieran. Professional automotive. (2012)
2.5.8 Acero inoxidable
(Glosario del acero) "En metalurgia, el acero inoxidable
se define como una aleación de acero con un mínimo
de 10% de cromo contenido en masa. El acero inoxidable es un
acero de elevada pureza y resistente a la corrosión, dado
que el cromo, u otros metales que contiene, posee gran afinidad
por el oxígeno y reacciona con él formando una capa
pasivadora, evitando así la corrosión del hierro
(los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con
oxígenos son oro y platino, y de menor pureza se llaman
resistentes a la corrosión, como los que contienen
fósforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por
algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y
oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas.
Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros
elementos aleantes; los principales son el níquel y el
molibdeno siendo el mejor el 316 Para nuestros procesos
utilizaremos el 304
VARIABLES DEPENDIENTES
2.5.9 El hidrógeno combustible
limpio
El hidrógeno fue descubierto a
finales del siglo XVII por Henry Cavendish. Es un elemento
químico representado por el símbolo H y con un
número atómico de 1.
En condiciones normales de presión y temperatura,
es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro,
insípido, no metálico y altamente inflamable. Con
una masa atómica de 1,00794u, el hidrógeno es el
elemento químico más ligero y es, también,
el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente
el 75% de la materia visible del universo
El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra
y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como,
por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno
elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el
momento en el que se necesita. El hidrógeno puede
obtenerse a partir del agua por un proceso de
electrólisis, pero resulta un método mucho
más caro que la obtención a partir del gas natural.
H. Schultz, G. B. (2005).
En la actualidad las principales armadoras automotrices
como BMW, Mercedes, VW, Ford, Toyota y Honda tienen autos que
funcionan únicamente con Hidrógeno con una Ggran
autonomía, potencia y con cero contaminantes.
2.5.10 El hidrógeno como
combustible.
El hidrógeno se ha dado a llamar el "combustible
del futuro" debido a sus muchas virtudes: Entra en
combustión a muy alta temperatura, contiene mucha
más energía que una cantidad de petróleo de
igual peso, produce mucha menos polución
atmosférica pues condensando el vapor se transforma en un
líquido que puede beberse, ya que combinado con el
oxígeno de la atmósfera produce agua. No existe
sobre la Tierra hidrógeno libre (no combinado) y
sólo se puede encontrar en la atmósfera y en muy
escasa proporción. Pero en cambio no hay
escasez de la materia prima necesaria para producirlo.
Todo lo que hace falta es agua y alguna otra forma de
energía.
2.5.11 Ventajas del hidrógeno como
combustible.
En un motor de Hidrógeno, se reduce la
polución notablemente. No se despiden hidrocarburos sin
quemar, pero en el calor producido por la reacción del
hidrógeno puede combinarse algo de nitrógeno del
aire con el oxígeno produciendo óxidos de
nitrógeno. Una solución a este problema consiste en
inyectar agua, que se vaporiza en el cilindro cuando el
hidrógeno entra en combustión y reduce la
temperatura hasta un nivel en el que se detienen las reacciones
del hidrógeno. Al mismo tiempo, el vapor de agua aumenta
el volumen del gas en expansión en el pistón: en
realidad contribuye a que el motor transmita su energía de
un amanera más eficaz. En los primeros vehículos de
este tipo se hacía necesario agregar un tanque de agua y
rellenarlo con frecuencia. En diseños posteriores, el agua
se recuperaba a partir de los gases originados en la
combustión. Al despedir sólo un contaminador
potencial, el hidrógeno supera con mucho al
petróleo que produce varios cuya eliminación
resulta costosa.
En otras de las soluciones posibles a estos problemas,
el motor no tiene carburador. En cada golpe afluye el mismo
volumen de aire y se inyecta un volumen medido de
hidrógeno cuya cantidad real se controla mediante el pedal
del acelerador.
La organización de investigaciones aeroespaciales
DFVLR (Alemania) afirmó haber resuelto las dificultades de
almacenamiento del hidrógeno líquido con su invento
de un depósito construido como un recipiente de
vacío que mantiene al hidrógeno por debajo de su
punto de ebullición (-253 ºC), estrenado en su primer
coche experimental propulsado por hidrógeno líquido
en 1980. BOSCH. Manual de la técnica del
automóvil
2.5.12 Producción de
hidrógeno.
Se pueden plantear diferentes alternativas para la
producción del H. Uno de tantos y bastante prometedor,
consiste en una planta de producción de metano, proceso
llevado a cabo en Chicago, donde el H es una etapa intermedia. En
dicho proceso, el H debería resultar más barato que
el metano. En la actualidad, el H se produce en grandes
cantidades sobre todo por el proceso inverso: a partir de gas
natural. Dos fábricas situadas en Los Ángeles son
capaces de producir 30 Tm/día quemando metano en presencia
de agua, descomponiéndola por ese medio para liberar H. El
O se combina con el C del metano formando CO2, destinado a la
fabricación de bebidas gaseosas (Vigil, E.
2011)
La electrólisis es una manera eficaz de obtener
H. Este, en el proceso, no se produce en su forma molecular
normal (H2) sino como átomos aislados (H) que pueden
atacar a una gran gama de materiales. Los electrodos en
particular están expuestos a una rápida
corrosión de modo que se hacen necesarios metales nobles
muy costosos, como el oro o el platino. Pero recientemente se ha
llegado a un electrólito polímero sólido que
permite pasar fuertes corrientes a través de delgadas
membranas de plástico haciendo sólo una
pequeña inversión en platino dividido finamente.
Como resultado de ello el costo de capital ha descendido hasta un
nivel que, aun cuando la planta sólo se usara un tercio
del tiempo, haría que el proceso fuese rentable. El
proceso es reversible: en la misma célula se
recombinarán el oxígeno y el hidrógeno para
volver a producir electricidad de una manera muy eficaz. En los
coches podrían dar como resultado el necesario aumento de
autonomía. (http://www.econovedades.eu)
HIDRÓXIDO DE POTASIO. Es una sal utiliza
en la preparación de electrolito la cual al diluirla con
agua hace que esta tenga conductividad eléctrica, esto nos
ayuda a obtener mayores beneficios de la electrolisis y por ende
vamos a tener mayor cantidad de hidrogeno que es nuestro objetivo
para lograr aumentar la eficiencia de nuestro motor. H. Schultz,
G. B. (2005).
Hay que tener muy en cuenta las normas de seguridad al
manipular este elemento ya que es un producto corrosivo, destruye
tejidos vivos y otros materiales, provoca graves quemaduras, hay
que evitar el contacto con la piel y los ojos, no inhalar y para
total seguridad hay que usar la debida proyección que
cuenta de guantes y mascara.
2.5.13 Sistemas de carburación
El carburador es el dispositivo que se
encarga de preparar la mezcla de aire-combustible en
los motores de gasolina. A fin de que el motor funcione
más económicamente y obtenga la
mayor potencia de salida, es importante que
la gasolina esté mezclada con el aire en las
proporciones óptimas. Estas proporciones,
denominadas factor lambda, son de 14,7 partes de aire en
peso, por cada 1 parte de gasolina; es lo que se llama "mezcla
estequiométrica"; pero en ocasiones se necesitan otras
dosificaciones, lo que se llama mezcla rica (factor
lambda menor de 1)
La relación de aire-combustible es
determinante en el funcionamiento del motor. Esta mezcla, llamada
también factor lambda, indicada en el párrafo
anterior no debe ser menor de unas 10 partes de aire por cada
parte de gasolina, ni mayor de 17 a 1; en el primer caso hablamos
de "mezcla rica" y en el segundo de "mezcla pobre".1 Por
debajo o por encima de esos límites el motor no funciona
bien, llegando a "calarse", en un caso "ahogando" las
bujías y en el otro calentándose en exceso, con
fallos al acelerar y explosiones de retorno.
2.6 Hipótesis
General:
La producción de hidrogeno a partir de una celda
electrolítica seca disminuirá la
contaminación en los motores de combustión
reduciendo el consumo de combustible fósil
Específicas:
H0 = El hidrogeno no influye sobre el rendimiento
de fuerza y contaminación ambiental en un motor a
gasolina
H1 = La cantidad de Hidrogeno generado por una
celda electrolítica influye en la potencia de un
vehículo y disminuye el porcentaje de contaminación
del aire por combustible
2.6 Señalamiento de variables de la
hipótesis
El uso controlado de hidrogeno producido por una celda
electrolítica que utiliza agua potable como electrolito
incidirá en la contaminación atmosférica
emanada por un motor marca Mitsubishi de 2200 cm3
Variable independiente:
Generación de Hidrogeno por una celda
electrolítica a partir del agua potable
Variable dependiente:
Contaminación atmosférica emanada por un
motor marca Mitsubishi de 2200 cm3
Respuesta Experimental:
Diseño y construcción de la celda seca de
hidrogeno
Producción de hidrógeno
Rendimiento del vehículo torque
Contaminación ambiental
CAPÍTULO III
Metodología
3.1 Modalidad básica de la
investigación.
La presente investigación es de tipo documental,
de campo y experimental las cuales nos ayudará a
recolectar la información necesaria para poder desarrollar
en forma correcta y adecuada el proyecto práctico de
investigación.
Argumentativa (exploratoria). Pues trata de probar que
algo es correcto o no y que requiere solución. Se discute
consecuencias y soluciones alternas, para llegar a una
conclusión crítica después de evaluar los
datos investigados. La presente investigación es de tipo
práctico ya que este proyecto será utilizado en un
vehículo de propiedad del investigador.
3.2 Nivel o tipo de
investigación
Empíricos:
Recolección de información Para
la recolección de información nos basaremos en
varios manuales, libros de mecánica e internet, ya que
estas serán nuestras fuentes de
información.
Teóricos:
Científico Este método es el
conjunto de reglas que señalan el procedimiento para
llevar a cabo nuestra investigación cuyos resultados
sean aceptados como válidos por la comunidad
científica.Analítico Este método
servirá en la medida que realizaremos el
análisis no solamente de aspectos teóricos,
científicos, sino también de los resultados o
productos que se lograrán en el proceso investigativo
de este proyecto.Sintético La gran variedad de
información teórica que obtendremos
necesariamente se deberá sintetizar, sin que por ello
pierda su valor, calidad y didáctica.Inductivo Este método nos
permitirá llegar a conclusiones de carácter
general y así dar validez a la
hipótesisDeductivo Este método aplicamos
partiendo de hechos generales, luego de realizar un proceso
investigativo, llegando a determinar, evaluar y emitir
juicios de valor de aspectos particulares al aplicar las
conclusiones sobre nuestro tema de
investigación.
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