Comentario del Dr. Ing. en Tribología Manuel Rojas Nadal

Después de publicar ayer el post sobre corrosión producida por Vanadio utilizando combustible pesado recibí desde México una observación muy interesante de un amigo y especialista en temas de Tribología, el Dr. Ing. en Tribología Manuel Rojas Nadal, que la publico a continuación y que nos aclara mucho el tema.
Gracias Manuel por tu colaboración.

“Estimado Norberto. como siempre muy interesante tu articulo..solamente considero necesario una observación:

Realmente considero que debe realizarse un balance técnico económico en la utilización de fuel-oil con alto contenido de azufre y vanadio..valorar cuanto me ahorro vs cuanto gasto en reparación ( mas lo que dejo de ganar en el tiempo de reparación)...hay determinados tipos de aditivos y sistemas que ayudan a disminuir estos efectos negativos..un armador me decía ..yo utilizo fuel-oil pesado y me ahorro mucho dinero...le pregunte..cúal es la velocidad de desgaste de las camisas en mm/1000 horas..y no supo contestarme...le indique..preocúpese por obtener esa información tan vital para un Jefe de Maquinas...esto pasa con mucha frecuencia..en un congreso de ahorro de energía se planteaba el ahorro por utilizar igualmente un fuel-oil pesado en 4 Plantas Generadoras con Motores BAZAN ..y realice la misma pregunta? y la velocidad de desgaste de las camisas?...¿Cual va a ser el desgaste a las 10,000 horas?..sin respuesta?
Trabajando en una Flota Naval Pesquera se compraron 10 super-arratreros por la popa con Maquinas Principales SKL ( muy fiables) y pregunto a fabrica ..que cual era la durabilidad de las camisas en condiciones normales de operación (al 85% de la potencia máxima)..respuesta 3 mm máximo a 30,000 horas..o sea una velocidad de desgaste de 1 mm/10,000 horas o 0.100 mm/1000 horas?con fuel-oil pesado..pues utilice mezclas de fueol-oil pesado con Diesel + aditivos +Tratamiento Magnético + Aceite TBN 75 con aditivo antidesgaste..y pude obtener un desgaste de camisas de 1.05 mm a las 30,000 horas sin fallas o sea una velocidad de desgaste de 0.5 mm / 10,000 horas..sin válvulas quemadas ,sin corrosión..un análisis integral debe realizarse al determinar cual es el combustible mas adecuado a utilizar??

En Tribología, lo barato, sale muy caro!!”

Dr. Ing. Manuel Rojas Nadal
tribologomrojas@yahoo.com.mx

Motores Diesel. La Corrosión por Vanadio Utilizando Fuel-Oil (combustible pesado)

Antes de 1970, la mayoría de los fabricantes de motores diésel de media a alta velocidad los diseñaban para operar con combustibles muy refinados (combustibles "destilados").

La operación económica y eficiente de estos motores dependía de la calidad del combustible que consumían. El costo del combustible no se consideraba un factor importante. El combustible representaba típicamente menos del 30% de los gastos de operación de un motor. Hoy, este porcentaje representa a menudo entre el 60 y el 90%.

Por esta razón, en la actualidad la tendencia es utilizar fuel oil en motores de bajas y medias RPM.
Como ejemplo puedo citar a la naviera BALEARIA, donde el Súper Fast Ferry Federico García Lorca, un proyecto de 10 años de antigüedad, utiliza 4 motores Caterpillar 3618 consumiendo combustible liviano y en la actualidad incorpora el Martin i Soler con motores Mak consumiendo combustible pesado.

Este combustible está compuesto por los elementos residuales del petróleo crudo después del proceso de refinación y de haber obtenido combustible diésel, gasolina o aceites lubricantes, etc. Los elementos restantes (que contienen sustancias abrasivas y corrosivas) pueden combinarse o diluirse con un combustible más ligero (combustible de 'dilución') de modo que puedan fluir. Estos combustibles se denominan mezclas de combustibles o combustibles pesados.

En un post anterior comenté los problemas causados por el azufre contenido en el combustible.
Este post lo dedicaremos a los problemas de corrosión causados por el Vanadio que forma parte de compuestos inorgánicos y minerales que se encuentran en muy pequeñas proporciones en el petróleo (inferiores a 0.05%).
Estos compuestos son generalmente: Cloruros, silicatos, sulfatos de sodio, calcio, magnesio, Hierro y metales pesados.
Algunos tienen un notable efecto catalítico para ciertas reacciones de craking (plomo, vanadio, arsénico).

Corrosión debida a compuestos de vanadio. Efectos en el motor.

En general podemos decir que:

El fuel oil siempre contiene impurezas, aunque en proporciones variables según su procedencia.

El vanadio es un metal presente en ciertos combustibles pesados.

Los combustibles destilados no contienen vanadio.

No es práctico eliminar o reducir el contenido de este elemento en la refinería.

Se producen corrosiones en las válvulas de escape, colectores de gases de escape y turbocompresores de los motores (donde la temperatura es en estos puntos elevada) directamente proporcionales al contenido de vanadio del fuel-oil y de calcio (TBN) en el aceite del motor.

El vanadio forma compuestos muy corrosivos durante la combustión. Estos compuestos se adhieren a las superficies metálicas calientes, como las caras de las válvulas de escape.
Se pueden formar canales de fugas en la cara de la válvula. Se reduce el contacto del asiento de las válvulas y se dificulta más el enfriamiento. Cuando aumenta la temperatura de las válvulas, el vanadio corroe el metal aún más rápidamente. Las válvulas se pueden desgastar en unos pocos cientos de horas cuando el contenido de vanadio en el combustible es alto.

Las cenizas de las sales metálicas que se forman en la combustión al quemar combustibles pesados, son corrosivas en función de la temperatura y el grado de humedad. Salen con los gases de combustión y se incrustan parcialmente en el circuito de escape y en las turbinas de los turbocompresores.
El vanadio también puede dañar las boquillas de los inyectores de combustible.

Medidas para tratar de evitar averías por corrosión causada por el vanadio

En lo posible, utilizar un combustible de bajo contenido de vanadio reducirá los efectos causados por corrosión.

Los compuestos de vanadio deben alcanzar su punto de fusión para activarse. La mejor manera de controlar la corrosión o cuando menos minimizar los problemas de corrosión es limitar la temperatura de la válvula de escape, que, recordemos, es el punto donde la temperatura es más crítica en relación a las posibles sales fundidas presentes.

Reducir la temperatura de las válvulas de escape disminuyendo la potencia del motor.

Utilización de materiales especiales resistentes al calor.

Controlar la rotación de las válvulas de escape.

Enfriamiento especial de piezas a altas temperaturas.

La calidad del combustible puede afectar de forma significativa el rendimiento y mantenimiento de cualquier motor diésel. Es importante entender las propiedades básicas de los combustibles para poder juzgar la calidad de los mismos.

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

Motores Diesel. Por qué sobrealimentar

La obtencion de la energia mecánica en un motor de combustión interna se logra como resultado del proceso de combustión del combustible que inyectamos dentro del cilindro con el aire que logramos introducir dentro del mismo.

Algunas definiciones

La reacción de combustión de una molécula de combustible requiere de varias moléculas de oxígeno, en función del número de carbonos e hidrógenos de que esté compuesta.
Cada dos hidrógenos que haya en el combustible, requieren un átomo de oxígeno, para formar una molécula de agua; y cada carbono requiere dos átomos de oxígeno, para formar una molécula de dióxido de carbono. Con esa forma, se obtiene una combustión completa.

Recordemos que el aire tiene, más o menos, un 21% de moléculas de oxígeno y un 79% de nitrógeno.

A la proporción de 14.7 gramos de aire por cada gramo de combustible (combustión completa), se la llama estequiométrica, y λ (lambda) al cociente entre la masa de aire y la masa de combustible de una mezcla.
Se llama lambda relativa (λR) al cociente entre la lambda y la lambda estequiométrica, luego una λR mayor que 1 indica que la mezcla es pobre, con exceso de aire, y si es menor que uno, que la mezcla es rica, con exceso de combustible.
Por necesidades técnicas, para que la combustión sea realmente completa, hay que aportar más aire del que, teóricamente, según la estequiometría es necesario; o sea, que en la práctica, con la cantidad teórica de aire no se logra una combustión completa, se requiere un exceso de oxígeno que, aunque quede sin reaccionar, tiene que estar presente.

El volumen de un cilindro limita la cantidad de aire que puede penetrar en él, de modo que si su volumen es de 1000 cm3, la cantidad teórica de aire que puede tener cabida en él, será de 1000 cm3.
De acuerdo con esta cantidad de aire tendremos que calcular la cantidad máxima de combustible a inyectar para que se produzca una combustión completa.

En general, no resulta un problema ir introduciendo mayores cantidades de combustible al cilindro. Sin embargo, el introducir más aire para poder quemar bien ese exceso de combustible, solo puede lograrse comprimiéndolo previamente, es decir, introduciendo el aire a mayor presión al cilindro.

El principal objetivo de la sobrealimentación es el de aumentar el rendimiento volumétrico del motor.
Se denomina rendimiento volumétrico al porcentaje de presión de llenado de un cilindro. Por ejemplo, si la presión barométrica es de 1.000 milibares, el motor tendrá un 80% de rendimiento volumétrico cuando los gases en sus cilindros alcanzan una presión de 800 milibares, antes de comenzar la carrera de compresión. Entre dos motores iguales, el que tiene mayor rendimiento volumétrico genera más potencia, puesto que dispone de mayor número de moléculas de oxígeno que le permiten quemar mayor cantidad de combustible.
De ese modo, aunque la cilindrada es la misma, es como si fuera mayor, pues permite introducir en el cilindro y quemar mayor cantidad de combustible con lo que se consigue aumentar la potencia desarrollada por el motor.

Resumiendo lo dicho anteriormente, la sobrealimentación nace en un intento por aumentar la potencia efectiva del motor sin aumentar la cilindrada.

El problema del aumento de la temperatura del aire a la salida del compresor se soluciona colocando un enfriador (intercooler) entre el turbo y la entrada a los cilindros.
Este enfría el aire produciendo un aumento de su densidad, con lo que la masa de aire aumenta en relacion al volumen y permite quemar más combustible.

¿Cómo funciona la turboalimentación?

Existen distintas formas de sobrealimentar un motor, pero en la actualidad, en los grandes motores diesel de 2 y 4 tiempos, se utliza los turbocompresores.
Estos suministran al motor aire a una presión elevada, forzando la entrada en los cilindros de una cantidad mayor de aire, que queda disponible para la combustión.

Un turboalimentador de gas de escape está impulsado, como su nombre indica, por el gas de escape del motor (2). Este gas, a una temperatura próxima a los 600°C, es dirigido a alta velocidad hacia los álabes de una turbina (3) que impulsa un rotor del compresor (4) instalado en el mismo eje. Cuando gira, el rotor aspira el aire ambiente a través de un filtro-silenciador, lo comprime y, a través de un posenfriador (5), lo envía a la entrada de aire del motor (6), desde donde pasa a los cilindros.

Uno de los problemas del turbo es el funcionamiento a bajo régimen del motor.
El turbocompresor, responderá a las exigencias de carga del motor reaccionando al flujo de gases de escape. Al aumentar el rendimiento del motor, aumenta el flujo de gases y con ello la velocidad y el rendimiento del conjunto rotatorio, aumentando la capacidad del compresor.

Para solucionarlo, se están aplicando turbinas de admisián variable, con lo que mejoran los valores de par y potencia y la respuesta a cualquier régimen del motor.

Con la turboalimentación se puede aumenta hasta cuatro veces la potencia del motor. Por consiguiente, el 75 por ciento de la potencia del motor depende de que el turbocompresor funcione eficientemente.

Leer también: Turbocompresores. Un poco de historia.

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

Barcos Ecológicos

Con la esperanza de reducir los costos de combustible y las emisiones de distintos gases a la atmósfera por el consumo de combustibles fósiles en el transporte marítimo, la naviera Nippon Yusen K.K. y la distribuidora de petróleo Nippon Oil Corp., se unieron en el desarrollo de un proyecto para construir un barco más ecológico utilizando, para generar parte de la potencia necesaria para su funcionamiento, paneles solares. El pasado mes de diciembre el “AURIGA LEADER” zarpó de un astillero de la ciudad de Kobe, en el oeste de Japón, en su viaje inaugural.

Algunas estimaciones indican que el transporte marítimo es responsable por entre el 1.4 y el 4.5% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. Sin embargo, la industria continúa mayormente no regulada, debido a su naturaleza internacional.

El sector naviero está bajo creciente presión para que tome parte en los esfuerzos para reducir el calentamiento global, que es atribuido a las emisiones de carbono.

NYK está comprometida en la investigación y desarrollo de la nueva generación de buques ecológicos (no perjudiciales para el medio ambiente), incluyendo tecnologías para utilizar energías renovables para todos los aspectos del transporte marítimo. Por su parte, Nippon Oil, ha estado desarrollando sistemas de generación de energía solar fotovoltaica y continúa con la investigación de productos relacionados.

El nuevo buque es un transportador de coches, que tendrá una capacidad de carga de 6.400 unidades y está equipado con 328 paneles solares y un generador de energía solar con un costo de 1.37 millones de dólares.

El buque transportará inicialmente vehículos de exportación de Toyota Motor Corp, la mayor automotriz de Japón que además, como parte de la estrategia corporativa de reducir la carga medioambiental causada por el ciclo de vida de los vehículos, acordó apoyar la iniciativa como exportador para reducir las emisiones de CO2 para el transporte marítimo de coches.

Los representantes de las empresas dijeron que el buque – de 200 metros de eslora y 60.213 toneladas – es el primero de gran porte del mundo con un sistema de propulsión basado en energía solar.

El sistema de energía solar puede generar 40 kilowatts, lo que cubriría inicialmente un 0.2% de la energía consumida por el buque para su propulsión. Hasta el momento, el uso de ésta se había limitado a la iluminación y alimentación de sectores de alojamientos de la tripulación, debido al duro entorno del barco que está sujeto al daño por agua salada y por constantes vibraciones. Sin embargo, este nuevo proyecto comenzará a testear el sistema de generación solar de 40 kW y conectándolo a la red eléctrica de 440V.
Las empresas confían, sin embargo, en incrementar ese porcentaje.

NYK afirma que los paneles solares ayudarán a conservar hasta un 6,5% del combustible utilizado en suministrar energía a los generadores diesel, mientras que según Nippon Oil, el sistema debería ser capaz de reducir la emisión de CO2 entre un 1 y 2% o unas 20 toneladas por año.

El propósito de las pruebas es la de analizar la durabilidad de los módulos solares fotovoltaicos operando a bordo en un entorno duro y el de recolectar datos sobre la generación de energía fotovoltaica y redes eléctricas a bordo, con el objeto de optimizar la implementación de sistemas de generación a gran escala. También aspiran en demostrar la habilidad del sistema en reducir las emisiones de CO2 y el objetivo a largo plazo es la comercialización completa del sistema en los próximos tres a cinco años.

Nipón Yusen, la mayor empresa naviera del Japón, se ha fijado como objetivo para el 2010, reducir a la mitad su consumo de combustible y sus emisiones de CO2 actuales.

Fuente: The Motor Ship