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