LUMBRERAS DEL CILINDRO Definición

Texto adaptado del artículo publicado en https://diccionario.motorgiga.com/diccionario/lumbreras-del-cilindro-definicion-significado/gmx-niv15-con194700.htm  

En el cilindro del motor que funciona según el ciclo de 2 tiempos, se denominan lumbreras a las aberturas que tienen la finalidad de permitir la admisión del aire fresco o mezcla aire-combustible y la expulsión de los gases quemados. El pistón, establece las fases, es decir el instante y la duración de la apertura y del cierre de ambas lumbreras.

Las lumbreras de admisión se abren cuando el pistón las deja al descubierto durante un breve instante durante el cual el aire fresco debe ingresar al cilindro. Las lumbreras de escape se abren al final de la expansión, con un ligero avance respecto a las lumbreras de admisión, cuando el escape ya se ha producido en parte y ha disminuido la presión en el cilindro, de manera que se evite que los gases quemados se escapen por las lumbreras de admisión; efectivamente, la apertura de las lumbreras de barrido debe producirse sólo cuando la presión de alimentación es superior a la que existe en el cilindro.
Este proceso en los motores diesel medianos y grandes se realiza por lo general con la ayuda de una bomba de barrido.
En los motores chicos y de ciclo Otto, se realiza mediante un conducto de transferencia que trabaja con la compresión de la mezcla aire-combustible que se realiza en el cárter del mismo motor cuando el pistón baja.

Bomba de Barrido en un motor Diesel de 2 tiempos.

Motor de ciclo Otto de 2 tiempos con barrido por compresión en el cárter.

Funcionamiento del conducto de transferencia.

Las lumbreras deben ser poco altas para no disminuir excesivamente la fase útil del pistón y la compresión; esta última comienza cuando la lumbrera de escape está completamente cerrada, por lo cual la relación de compresión real es bastante inferior que la de compresión geométrica (mucho más de lo que ocurre con un motor de 4 tiempos). Por tanto, las dimensiones de las lumbreras se estudian casi exclusivamente en función del momento y de la duración de apertura, mientras que para la obtención de las secciones de paso y, por consiguiente, los caudales necesarios hay que modificar el desarrollo de las mismas.

La anchura (la circunferencia de una abertura en el cilindro) no debe ser excesiva, para evitar la eventualidad de un bloqueo de los aros de pistón en correspondencia con la misma; en el caso de lumbreras de grandes dimensiones se recurre a la realización de «ventanas», es decir, a dividir la lumbrera en dos o más aberturas de amplitud reducida mediante paredes situadas en la dirección del movimiento del pistón. Respecto al estudio de la altura y las dimensiones de las lumbreras, deben tenerse en cuenta, además de las características de funcionamiento del motor (régimen de potencia y velocidad del pistón), también las dimensiones, puesto que, como todos los motores alternativos, el movimiento del pistón está influido por la relación biela-manivela.

Muchas veces, en pequeñas series se efectúa la mecanización de los conductos con el fin de reducir las pérdidas de carga que puedan producirse; al efectuar dichas mecanizaciones es necesario mantener la altura de las lumbreras, puesto que, si por un lado elevar las lumbreras, equivale a avanzar y prolongar las fases de escape y de barrido (durante la carrera descendente del pistón), por otro lado aún se retrasa más el cierre (durante la carrera ascendente), con la consiguiente reducción del rendimiento volumétrico (pues entra un volumen de fluido menor).

FUENTES:

MJD

https://diccionario.motorgiga.com/diccionario/lumbreras-del-cilindro-definicion-significado/gmx-niv15-con194700.htm

https://www.apuca.com.ar/NOTAS/Motores4.htm

Transesterificación

La obtención de biodiesel y de glicerina, como producto secundario, se produce gracias a la reacción de transesterificación o alcohólisis a partir de un aceite vegetal con un alcohol de cadena corta (metanol principalmente, aunque puede ser realizado también con etanol, propanol o butanol), mediante la presencia de un catalizador.

Los aceites vegetales y grasas animales están constituidos fundamentalmente por triglicéridos y, junto al alcohol adecuado (metanol generalmente), se obtiene la glicerina como subproducto y el éster (metiléster o éster metílico al emplearse metanol), que ya puede utilizarse como biocarburante. Se tiene la particularidad que la glicerina y el éster no son miscibles, no se agrupan, por lo que el rendimiento de la reacción comentada es cercano al 100 %.

Pero dicha reacción de transesterificación, que se lleva a cabo por la presencia de un catalizador, no se produce toda a la vez, sino que está formada por un conjunto de tres reacciones reversibles y seguidas, que esquemáticamente son:

1- Triglicérido + metanol <-> éster metílico + diglicérido
2- Diglicérido + metanol <-> éster metílico + monoglicérido
3- Monoglicérido + metanol <-> éster metílico + Glicerina

👉Catalizadores
La reacción de transesterificación precisa de catalizadores, y estos pueden ser de varios tipos:

1- Desde ácidos homogéneos (caso del ácido sulfúrico, el ácido clorhídrico o el ácido fosfórico)
2- Hasta ácidos heterogéneos (zeolitas, resinas sulfónicas, etc.)
3- Básicos homogéneos (hidróxido sódico o potásico)
4- Básicos heterogéneos (óxidos de calcio o magnesio, entre otros)
5- Incluso enzimáticos del tipo lipasas.

De todos los comentados, los que más se usan a nivel comercial son los catalizadores homogéneos básicos, por ser los más eficientes y los que permiten operar en las condiciones mejores, ya que si se emplearan catalizadores ácidos serían necesarias temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos.

La única particularidad de los catalizadores básicos empleados es que obligan a que los triglicéridos tengan la menor cantidad posible de ácidos grasos libres para que con ellos no se formen jabones (por reacción de saponificación) bajo la presencia imprescindible del agua que pueda llevar el aceite, disminuyendo la cantidad de éster metílico producido y, por tanto, el rendimiento de la reacción de transesterificación.

Por este motivo, se recomienda, antes de comenzar con dicha reacción, evaporar todo el agua que pueda contener el aceite y eliminar los posibles ácidos grasos libres mediante una reacción de saponificación (en la que se haga reaccionar el ácido graso con el catalizador básico en presencia de agua, formándose también jabón), o una reacción de esterificación (en la que el ácido graso, bajo la presencia de un catalizador ácido, forma el éster metílico correspondiente).
Por tanto, las dos reacciones comentadas tienen la siguiente expresión:

Reacción de saponificación (en presencia de agua): Ácido graso + hidróxido potásico --> jabón potásico + agua
Reacción de neutralización (en presencia de catalizador ácido): Ácido graso + metanol --> Éster metílico + Agua

👉Variables
A la transesterificación, como reacción química que está condicionada por la presencia de un catalizador, le determinan una serie de variables:

1- Acidez y humedad: la cantidad de ácidos grasos y de humedad en la muestra inicial son dos parámetros que determinan la viabilidad del proceso de transesterificación. Como máximo, el contenido de ácidos grasos no debe superar el 3 %. Por lo que respecta al contenido en agua de la muestra inicial, esta reacciona con los catalizadores formando jabones. En el caso de empleo aceites vegetales de bajo coste, estos pueden contener una cantidad importante de ácidos grasos.
2- Tipo de catalizador y concentración: hay varios tipos de catalizadores. En función del tipo de materia prima a partir de la cual se quiera obtener ésteres metílicos, el tipo de catalizador será uno u otro. Es el caso, por ejemplo, del uso de catalizadores ácidos para cuando haya una cantidad importante de ácidos grasos libres y de alta humedad. Aceites con un 1 % de catalizador han dado muy buenos resultados.
3- Relación molar de alcohol/aceite y tipo de alcohol: afectan de forma directa sobre la eficiencia de la reacción química. Para que en la reacción de transesterificación, el equilibrio se encuentre desplazado totalmente a la derecha, es preciso que haya un exceso de alcohol (del orden de 6:1 para que haya conversión total). La existencia de etanol en lugar de metanol dificulta la reacción, y mientras que se lleva a cabo la reacción, se forma una emulsión que es inestable para el primer caso y estable para el segundo.
4- Efecto del tiempo de reacción y temperatura: la conversión aumenta conforme lo hace el tiempo de reacción y la temperatura.

👉Procesos
La reacción de transesterificación que tiene lugar se produce desglosada en tres reacciones, debido a que la materia prima inicial está formada por triglicéridos que se van transformando a diglicéridos, monoglicéridos, etc., hasta llegar a glicerina.

De manera general, los sistemas discontinuos se realizan en aquellas plantas en las que la producción de biodiesel es pequeña, mientras que los sistemas continuos se tendrán en las plantas industriales de gran capacidad:

1- Transesterificación en régimen discontinuo: se trata del método más sencillo por el que se produce biodiesel. Tiene lugar en reactores con agitación, en los que las temperaturas del proceso más habituales son 65 ºC, aunque también se puede llevar a cabo desde los 25 ºC hasta los 85 ºC.
2- Transesterificación en régimen continuo: se pueden emplear reactores del tipo “tanque agitado”, que permiten mayores tiempos de residencia y mejoran los resultados finales de la reacción. Es preciso que se tenga una mezcla lo más adecuada posible, para que así la composición en el reactor sea constante.
3- Esterificación: en el caso de suministros de aceites con hasta un 30 % de ácidos grasos libres, el proceso más común de tratamiento es la esterificación con un catalizador ácido del tipo ácido sulfúrico, de tal manera que se puede reducir el porcentaje anteriormente mencionado hasta el 1 %.
4-Proceso combinado de esterificación-transesterificación: consiste en refinar los ácidos grasos mediante la adición del catalizador ácido, de tal manera que el producto resultante se separa mediante centrifugación. Los aceites que se han refinado son secados y se someten posteriormente a transesterificación.

FUENTE:

https://www.ceupe.com/blog/que-es-la-transesterificacion.html

Biocombustibles Proceso de Elaboración de Biodiesel

PROCESO DE ELABORACION DE BIODIESEL

Información que ha sido provista por Oil – Fox S.A.

👉El proceso de elaboración del biodiesel esta basado en la llamada transesterificación de los glicéridos, utilizando catalizadores.

Desde el punto de vista químico, los aceites vegetales son triglicéridos, es decir tres cadenas moleculares largas de ácidos grasos unidas a un alcohol trivalente, el glicerol. Si el glicerol es reemplazado por metanol, se obtienen tres moléculas más cortas del ácido graso metiléster. El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción.

Por lo tanto en la reacción de transesterificación, una molécula de un triglicérido reacciona con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerina.

Los procesos de transesterificación pueden adaptarse para usar una gran variedad de aceites, pudiendo ser procesados además, aceites brutos muy ácidos. El particular interés en los aceites muy ácidos, reside en que generalmente, están fuera de las normas de comercialización y son frecuentemente rechazados por los compradores

El aceite es inicialmente calentado a la temperatura de proceso óptima, y son agregados cantidades necesarias de metanol y catalizador. Luego de ser mezclado, el producto es transportado hacia dos columnas conectadas en serie. La transesterificación tiene lugar en esas columnas y la glicerina pura es liberada mediante decantación.

Los ésteres son lavados dos veces con agua acidificada. La glicerina obtenida es separada de los ésteres en pocos segundos, de ese modo es posible obtener biodiesel de muy alta calidad, el cual cumple con todos los requerimientos de las normas estándar americanas. El glicerol para ser utilizado debe ser refinado.

👉ESQUEMA DE LA PLANTA
La descripción de cada módulo de la planta es la siguiente:

a) Molino de aceite.

Los productos obtenidos son:

• Aceite vegetal crudo.
• Harina de alto contenido proteico (soja).

El aceite crudo es posteriormente procesado, transformado en BIODIESEL y glicerol, y la harina se vende como alimento para animales, eventualmente después de un proceso de estabilización de enzimas y acondicionamiento.

b) Unidad de refinamiento y transesterificación.
Esta unidad produce el filtrado y remoción, catalítica o por destilación, de ácidos grasos libres. El producto es aceite vegetal refinado y sin ácidos, que constituye el material de alimentación para la Unidad de transesterificación.
En esta etapa del proceso el aceite es transformado catalíticamente, mediante agregado de metanol o etanol con el catalizador previamente mezclado, en metil o etiléster y glicerol.

c) Unidad de purificación y concentración de glicerol.
Consiste en una etapa de filtrado y purificación química, un equipo de concentración del glicerol, y el posterior almacenamiento del glicerol puro.
➤Transesterificación
El aceite con ácidos y gomas eliminados (parte refinada) se transforma en metil o etiléster por medio de un proceso catalítico de etapas múltiples, utilizando metanol o etanol (10% de la cantidad de aceite a ser procesado). El metiléster crudo se refina posteriormente en un lavador en cascada.
Si el producto se utiliza como combustible para motores, no necesita el proceso de destilación pero puede ser fácilmente integrado en el esquema de proceso si se desea un metiléster de calidad química.

➤Refinamiento del glicerol
El proceso de transesterificación produce como subproducto derivado aproximadamente 10 % de glicerol. Este glicerol en bruto contiene impurezas del aceite en bruto, fracciones del catalizador, mono y diglicéridos y restos de metanol.
Con el objeto de venderlo en el mercado internacional debe ser refinado para llegar a la calidad del glicerol técnico o, con una posterior destilación, a la del glicerol medicinal (99,8%).

➤Descripción de la Tecnología de la Planta
La unidad de transesterificación incluye contenedores operativos de pre – almacenamiento para la materia prima, productos intermedios y fínales. El metanol/etanol, glicerol, producto derivado, y el metiléster terminados, son almacenados en el patio de tanques fuera de la planta.
La estructura principal del complejo comprende un edificio múltiple, que alberga el material operativo y las instalaciones de distribución de energía, ventilación central, laboratorio de producción, sala de monitoreo, instalaciones para el personal, etc.
Para cada tamaño de planta de producción, se deben satisfacer precondiciones específicas de infraestructura, dependientes de la localización real.
Por lo tanto, y adicionalmente al esquema de planta delineado, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

• Conexión de energía eléctrica adecuada.
• Agua potable y conexiones cloacales.
• Suministro de vapor de proceso.
• Provisión de agua de enfriamiento.
• Conexiones telefónicas.Administración, flota de vehículos, posible capacidad de almacenamiento adicional requerida para repuestos, así como también para materiales auxiliares.
• Instalación para seguridad del trabajo e industria.
• Conexión con caminos y/o ferrocarriles.

Además, las capacidades estimadas de almacenamiento para:

• Aceite de soja.
• Metanol.
• Metiléster.
• Glicerol y otros productos.

Estas capacidades de almacenamiento, deben ser computadas de acuerdo a los propósitos del futuro operador, y dependiendo de los ciclos de entrega y comercialización.
👉Planta de transesterificación con proceso integrado de eliminación de gomas y ácidos.

Para grandes unidades y en el caso donde se procesen semillas oleaginosas que tengan un alto contenido de ácidos grasos libres, se utilizan procesos convencionales de eliminación por destilación de gomas y ácidos. Los ácidos grasos separados pueden ser vendidos en el mercado internacional.
Con plantas más pequeñas se utiliza una unidad integrada donde la eliminación de gomas y ácidos tiene lugar por medio de un intercambio catalítico y un proceso de extracción por solventes.
La planta de transesterificación comprende aparatos y componentes convencionales utilizados en la ingeniería química. Debido a su categorización como líquido inflamable Clase B, el metanol requerido para la reacción se almacena en un tanque subterráneo. Desde aquí es bombeado a través de una tubería al reservorio de proceso en la planta. El aceite crudo es almacenado en tanques de procesamiento.
Después que se han calentado los dos componentes de la reacción, estos son suministrados a una columna de lecho fijo en la que tiene lugar la pre-esterificación a temperatura elevada. Siguiendo a la separación de la mezcla metanol/agua del aceite pre-esterificado en el separador, este es transesterificado con un catalizador homogéneo y un componente adicional de metanol en un proceso multietapa mediante un mezclador – sedimentador en cascada. Después de la transesterificación, el exceso de metanol es separado por evaporación y el calor de condensación del metanol es utilizado para calentar los conductos.
La mezcla de metiléster-glicerol se separa del glicerol crudo en un separador, antes de la posterior limpieza del metiléster adicional.
El metiléster limpio (Biodiesel) se recolecta como producto terminado en contenedores de fraccionamiento. Después de los análisis y aprobación, una bomba entrega el producto a un tanque de producto terminado fuera de la planta.
El metanol en exceso de la etapa de pre-esterificación se deshidrata en vacío y, como el metanol separado luego de la etapa de transesterificación, puede ser reprocesado para su reutilización en la reacción. El vacío operativo requerido para las etapas de proceso se genera en una estación de vacío anexo a la planta.
Se deben establecer zonas a prueba de incendios en determinadas partes de la planta de transesterificación debido a la presencia de metanol; al respecto se deben respetar las reglamentaciones pertinentes. El grado de riesgo se reduce eficientemente asegurando una relación de intercambio de aire de aproximadamente 8 en la sección de la planta correspondiente. Se proveen aparatos locales de limpieza de partículas por aspiración. El sistema de ventilación central se instala en el anexo de mantenimiento.

👉Descripción general de las Instalaciones
La sección de transesterificación se emplaza en un sector parcialmente abierto del galpón, que es la medida más adecuada para minimizar riesgos operacionales.
Las estructuras de acero se erigen en galpones como elementos básicos de una configuración de almacenamiento múltiple que permita un flujo de producción por gravedad. Esta disposición en planta provee beneficios en lo relativo a ensamblado de máquinas, suspensión de elementos de ciertos aparatos, mejor adaptación diferentes condiciones de carga y flexibilidad en el caso de alteraciones en la instalación.
Además crea las precondiciones para el mejoramiento de la ventilación general evitando la formación de bolsones de aire mediante pisos de acero abiertos, especialmente en la sección de transesterificación. Adicionalmente las plataformas de acero permiten ampliar visualmente el panorama de las instalaciones. En las plataformas existen caminos de paso.
La disposición de los pisos se realiza de acuerdo a los materiales tratados en cada emplazamiento específico, teniendo en cuenta además la facilidad de limpieza. Los requerimientos son más rigurosos en la sección de transesterificación, porque aquí se realizan procesos químicos húmedos con distintas sustancias. Por esto se utilizan en esta área pisos con baldosas.
Como protección contra perdidas y para evitar riesgos de contaminación del suministro de agua, en algunos casos los componentes de la planta deben ser instalados en adecuados depósitos colectores herméticos.
La planta debe estar provista de un depósito de homogenización y recolección, de forma tal que puedan ser desarrollados análisis de toxicidad antes de realizar la descarga a las cloacas públicas o propias de la planta.
El patio de tanques para depósito de líquidos inflamables y biodiesel se ubican fuera del edificio principal. En el área subterránea para los tanques de almacenamiento de metanol y etanol, debido al riesgo de incendio, y a nivel del terreno los tanques para el metil o etiléster.
La estación de bombeo para el llenado y las bombas de alimentación de la planta se anexan al patio de tanques.

FUENTES:

https://estrucplan.com.ar/articulos/biocombustibles-2/

https://tecnoblogsanmartin.wordpress.com/tag/biodiesel/

Tabla de Constantes Termodinámicas del Vapor de Agua Húmedo

FUENTE:

Central termica2 # 1. II.- TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS http://libros.redsauce.net/ II.1-

Tabla de conversión de Unidades de Torque

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Tabla de conversión Pulgadas / Milímetros

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DIAGRAMA DE LA DISTRIBUCIÓN

DIAGRAMA DE LA DISTRIBUCIÓN DE UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS

Gráfico donde se representan los ángulos de apertura y cierre de las válvulas de un motor de 4 tiempos. Se trata generalmente de un diagrama circular donde se representan los arcos de tiempo, referidos a los puntos muertos del pistón, durante los cuales las válvulas permanecen abiertas o cerradas.

En un ciclo ideal de funcionamiento puede suponerse que las fases de apertura y cierre de las válvulas coinciden con la llegada del pistón a los puntos muertos. En la práctica, esta coincidencia se produce muy pocas veces y sólo a regímenes bajos. En efecto, es necesario un cierto tiempo para que la válvula pueda abrirse o cerrarse completamente; por tanto, las fases de apertura y cierre deberán iniciarse poco antes o después de los puntos muertos.

El diagrama de apertura de la válvula de admisión se estudia siempre para que permita el máximo llenado del cilindro a una cierta velocidad. Por ello es necesario anticipar el inicio de la fase de apertura respecto al punto muerto superior, de manera que la válvula se encuentre suficientemente abierta cuando el pistón, descendiendo, inicia la aspiración de la mezcla. En cambio, el cierre de la válvula es retrasado respecto al punto muerto inferior, con objeto de aprovechar la inercia de la mezcla (que continúa entrando incluso cuando el pistón comienza a subir). Cuanto más deprisa gira el motor, tanto más grande es la inercia de la mezcla y tanto mayor debe ser el retraso de cierre de la válvula.

Del mismo modo, la válvula de escape empieza a abrirse antes que el pistón haya llegado al punto muerto inferior. Este avance determina la disminución de la presión en el cilindro y permite al pistón expulsar con mayor facilidad los gases quemados. La evacuación está además favorecida por el hecho de que la válvula, cuando se inicia la fase de escape, se encuentra ya completamente abierta. La propia válvula, finalmente, se cierra con retraso respecto al punto muerto superior, y esto permite aprovechar del todo la inercia de los gases quemados. Por tanto, alrededor del punto muerto superior existe un breve espacio de tiempo en el cual ambas válvulas están abiertas. En este breve tiempo la depresión existente en el colector de escape favorece la evacuación de los gases quemados y facilita la entrada de la mezcla fresca por el conducto de admisión. El ángulo correspondiente al arco de tiempo en cuestión se define como ángulo de cruce de válvulas.

Los valores de avance y de retraso en la apertura y el cierre de las válvulas dependen del tipo de motor y del uso a que va destinado. Un motor de competición, estudiado para regímenes altos, exigirá un ángulo de cruce más bien grande. Para conseguir un llenado de la cámara de explosión con la mayor cantidad de aire fresco (es decir, pera un mayor rendimiento del motor), es esencial el estudio de un ángulo de cruce apropiado. Una distribución muy cruzada permite un funcionamiento regular a regímenes altos, pero determina el reflujo parcial del aire en el conducto de admisión a regímenes bajos. Además, uno apertura prolongada de la válvula de admisión provoca, a regímenes bajos, pérdidas de potencia por bombeo, turbulencia reducida en la cámara y baja velocidad del flujo de aire.

Disco para puesta a punto de la distribución.

Los ángulos de apertura y cierre de las válvulas dependen del propio calado de la distribución, de la conformación de las levas e incluso de los juegos entre empujadores y balancines. Los diagramas suministrados por las empresas constructoras son los que se obtienen con el motor frío, con los juegos prescritos para la puesta a punto (que no son generalmente iguales a los que existen durante el funcionamiento).

FUENTES:

https://diccionario.motorgiga.com/diccionario/diagrama-de-la-distribucion-definicion-significado/gmx-niv15-con193843.htm


https://www.academia.edu/9312464/CICLOS_TE%C3%93RICOS_Y_REALES_DE_LOS_MOTORES_DE_COMBUSTI%C3%93N_INTERNA