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GUA DE APLICACIN E INSTALACIN

COMBUSTIBLES GASEOSOS

G3600 G3500 G3400 G3300

ContenidoCombustibles Gaseosos ................................................................ 1 Propiedades del combustible......................................................... 3 Hidrocarburos............................................................................ 3 Condicin estndar de un gas................................................... 4 Gravedad especfica y densidad ............................................... 5 Gravedad especfica (relativa al aire) ................................... 5 Densidad .............................................................................. 5 Propiedades de las mezclas de gas.......................................... 6 Moles y peso molecular ............................................................ 6 Valor trmico ............................................................................. 7 Caractersticas del combustible ..................................................... 9 Estequiometra .......................................................................... 9 Nmero de metano ................................................................. 10 Impacto de la calidad del combustible en el rendimiento del motor ..................................................................................................... 12 LHV, aire requerido para la combustin y potencia del motor 12 Capacidad de potencia relativa e ndice de Wobbe ................ 13 Capacidad de potencia relativa .......................................... 13 ndice de Wobbe................................................................. 15 Dimensionamiento del sistema de combustible y dosificacin de combustible ........................................................................ 15 Nmero de metano, detonacin y potencia del motor............. 16 Detonacin y pre-encendido............................................... 16 Guas de uso del combustible ............................................ 19 Contaminantes............................................................................. 21

Compuestos de azufre ............................................................ 21 Compuestos de haluros .......................................................... 23 Compuestos de amoniaco ...................................................... 26 Agua........................................................................................ 27 Silicio....................................................................................... 27 Cristales de silicio............................................................... 28 Gases que contienen silicio ................................................ 28 Pautas para gases corrosivos ................................................. 31 Contaminantes y condiciones mximos ............................. 33 Conversiones tiles ................................................................. 34 Combustibles comunes................................................................ 35 Gas natural (gasoducto).......................................................... 35 Gas de campo......................................................................... 35 Tratamiento del combustible .............................................. 36 Material de referencia .................................................................. 37 Nmeros de publicacin.......................................................... 37 Definiciones............................................................................. 38 Tabla A: Propiedad fsicas de los gases (unidades inglesas) . 39 Tabla B: Propiedad fsicas de los gases (unidades mtricas). 40 Tabla C: Componentes del gas por volumen .......................... 41

PrlogoEsta seccin de la Gua de Aplicacin e Instalacin describe en trminos generales los combustibles gaseosos para los motores Caterpillar indicados en la cubierta de esta seccin. Otros sistemas de motores, componentes y principios se tratan en otras secciones de esta Gua de Aplicacin e Instalacin. La informacin y los datos especficos de cada motor se pueden obtener de diferentes fuentes. Consulte la seccin Introduccin de esta gua para obtener referencias adicionales. Los sistemas y los componentes descritos en esta gua pueden no estar disponibles o no aplicar a todos los motores.

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Gua de Aplicacin e Instalacin

Combustibles Gaseosos

Combustibles GaseososActualmente, la mayora de los motores de combustin interna usan combustibles derivados del petrleo que contienen fundamentalmente compuestos de hidrocarburos. Los combustibles de hidrocarburos ms comunes son los usados en aplicaciones automotrices y aeroespaciales y, generalmente, se encuentran en estado lquido antes del proceso de combustin (por ejemplo, gasolina, combustible diesel y queroseno). Otra clase de combustibles de hidrocarburos se encuentra en estado gaseoso bajo condiciones normales. Los ejemplos ms comunes de estos combustibles gaseosos son el gas natural, el propano y el butano. Aunque la mayora de los ejemplos ms comunes de combustibles de hidrocarburos gaseosos se derivan del petrleo, dichos gases pueden obtenerse de otras fuentes menos comunes. Los gases de hidrocarburos son un derivado natural de los procesos de rellenos sanitarios y digestores orgnicos. Tambin, pueden fabricarse mediante la conversin de materiales constituidos por carbono, como carbn o madera. Cada uno de estos combustibles de hidrocarburos gaseosos tiene caractersticas nicas que afectan su rendimiento cuando se usan como combustible de motores de combustin interna. Esta gua presenta el concepto de los combustibles gaseosos y su comportamiento cuando se usan como combustibles del motor.

CONTENIDO DE LA SECCINPropiedades de los combustibles .......................... 2 Hidrocarburos Condicin estndar de un gas Gravedad especfica y densidad Propiedades de las mezclas de gas Moles y peso molecular Valor trmico Caractersticas del combustible ............................ 8 Estequiometra Nmero de metano Impacto de la calidad del combustible en el rendimiento del motor ............................... 11 LHV, aire requerido para la combustin y potencia del motor2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

Capacidad de potencia relativa e ndice de Wobbe Dimensionamiento del sistema de combustible y dosificacin de combustible Nmero de metano, detonacin y potencia del motor

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Contaminantes...................... 19 Compuestos de azufre Compuestos de haluros Compuestos de amonaco Agua Silicio Pautas para los gases corrosivos Conversiones tiles Combustibles comunes ....... 33 Gas natural (gasoducto)

Gas de campo Material de referencia ...........35 Nmeros de publicacin Definiciones Tabla A - Propiedades fsicas del gas (sistema ingls) Tabla B - Propiedades fsicas del gas (sistema mtrico) Tabla C Componentes del gas por volumen



Propiedades del combustibleHidrocarburosLos hidrocarburos se clasifican en tres grupos de acuerdo con su estructura molecular: Parafinas - CnH2n+2 Naftenos - CnH2n ms cortas parecen ser parte de las cadenas ms largas, los diferentes compuestos de hidrocarburos de la serie algunas veces son llamados "fracciones de hidrocarburos". Cuando las cadenas son lo suficientemente largas pueden adquirir diferentes formas. Algunas mantienen la forma de "cadena recta" mostrada arriba y otras forman ramificaciones. Estas versiones diferentes de la misma molcula se conocen como ismeros, el nombre de los compuestos qumicos que tienen la misma frmula pero diferente estructura molecular. La versin de cadena recta de estos compuestos es llamada "normal" y con frecuencia se muestra con el prefijo "n-" o "nor-". Las versiones con ramificaciones pueden indicarse con los prefjos "iso-" o "neo", diferenciadas por el lugar en que se encuentra la molcula en la ramificacin. A medida que aumenta el nmero de tomos en la molcula, aumenta su masa. Las fracciones ms grandes de hidrocarburos son "ms pesadas". El mayor tamao de cada molcula sucesiva modifica las propiedades caractersticas que definen su compartimiento. La forma de la molcula tambin altera estas propiedades, de modo que varios ismeros de una fraccin dada tendrn tambin propiedades diferentes. Las Tablas A y B de las Pginas 39 y 40 comparan las propiedades fsicas de las fracciones de hidrocarburos parafnicos encontrados comnmente en los combustibles gaseosos, junto con algunos otros compuestos no

Aromticos - CnH2n-6 Los gases de hidrocarburos usados como combustibles del motor son casi exclusivamente parafinas (tambin conocidas como alcanos). Esta familia de compuestos tiene molculas formadas como una cadena de tomos de carbono, con tomos de hidrgeno en los enlaces restantes. La serie comienza con el metano (CH4), y cada miembro siguiente aade otro tomo de carbono (C) y el correspondiente nmero de tomos de hidrgeno (H). Grficamente, abajo se muestran los primeros cuatro miembros de la serie de parafina.

Metano (CH4)

Etano (C2H6)

Propano (C3H8)

Butano (C4H10)

Observe la similitud en la forma en que cada grupo adicional de tomos de carbono e hidrgeno se aade a la cadena. Debido a que las cadenas2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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hidrocarburos que tambin son comunes en estos gases.

Condicin estndar de un gasCuando se trabaja con combustibles gaseosos es importante poder medir la cantidad de gas presente en una muestra dada. El nmero de tomos en cada molcula y el nmero de molculas presentes determina la masa de la muestra, pero puede ser difcil pesar una muestra de gas para determinar su masa. El volumen es la medicin ms prctica de una muestra de gas, pero el volumen ocupado por un gas depende de su temperatura y presin. Temperaturas altas y presiones bajas pueden hacer que un gas ocupe mayor espacio (mayor volumen). Para poder comparar las muestras de gas, se han establecido condiciones de referencia relacionadas con la temperatura y la presin, llamadas condiciones "estndar" o "normales", dependiendo de la fuente. Las definiciones de "estndar" y "normal" usadas en los documentos publicados por Caterpillar son las siguientes: Condiciones estndar Usadas generalmente con unidades de medicin inglesas, las condiciones estndar de presin y temperatura se establecen como 14,696 psia (psi = lb/pulg) (101,31 kPaa) y 15,55 C (60 F). Condiciones normales Usadas generalmente con unidades mtricas, las condiciones normales de presin y temperatura se establecen como 101,31 kPaa (14,696 psia) (psi = lb/pulg) y 0 C (32 F). Observe en cada caso que las unidades de presin ("psi") o kilopascales ("kPa") estn seguidas

por la letra "a". La "a" significa "absoluto", indicando que la medicin tiene en cuenta la presin baromtrica ambiente. Una medicin de referencia que no tiene en cuenta esta presin atmosfrica se conoce como "manomtrica" y se indica con la letra minscula "g". De forma similar, las unidades de volumen llevan una marca especial cuando se miden en estas condiciones de referencia. Los pies cbicos medidos en condiciones estndar se consideran "pies cbicos estndar" y, con frecuencia, se abrevian como "SCF" (por sus siglas en ingls). Los metros cbicos medidos en condiciones normales se conocen como "metros cbicos normales" y, con frecuencia, se abrevian como Nm3. Algunas veces deben usarse otras abreviaturas o condiciones de referencia, de modo que es importante conocer la terminologa y las referencias usadas en cada trabajo. Las abreviaturas y condiciones indicadas arriba son las referencias usadas en esta gua. Conversin de las condiciones de referencia Debido a que las mediciones se gas rara vez se realizan cuando la temperatura y la presin ambiente son iguales a las condiciones de referencia descritas arriba, es importante poder convertir las mediciones de un grupo de condiciones a otras. Esta conversin se hace usando la Ley de los Gases Ideales, un principio qumico que resume las relaciones entre temperatura, presin, volumen y cantidad de gas, mediante una ecuacin simple. Debido a que estamos comparando una muestra en condiciones de "antes" y "despus", la ecuacin se simplifica an ms, siendo:2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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Volumen2 = Volumen1 x

Temperatura2 x Presin1 Temperatura1 x Presin2

IMPORTANTE: Esta ecuacin slo es vlida si las mediciones de temperatura y presin se expresan en una escala absoluta. Para la presin, las mediciones deben tener en cuenta la presin atmosfrica y expresarse como "psia" (lb/pulg absolutas) o "kPaa". Para la temperatura, las unidades usadas deben medir la temperatura relativa al cero absoluto. Las escalas de temperatura que permiten hacer esto son las de Rankine (R) y Kelvin (K). Las temperaturas en grados Fahrenheit o Celsius se pueden convertir fcilmente a grados Rankine o Kelvin usando las siguientes relaciones: R =F + 460 K =C + 273 Como ejemplo del uso de estas ecuaciones y conversiones, considere una medicin de flujo de gas de 255 metros cbicos por hora. Si las condiciones en el momento de la medicin fueran una presin de 152 kPaa y una temperatura de 35 C, podemos convertir la tasa de flujo a condiciones normales, as:

de flujo puede convertirse a una condicin estndar, as: (60+460 R) x (22 psia) Volumen2 = 150 (95+460 R) x (14,696 pies3min x psia) Volumen2 = 210 scfm Estos tipos de conversiones se hacen comnmente para proporcionar informacin de los gases en trminos de las condiciones de referencia.

Gravedad especfica y densidadGravedad especfica (relativa al aire) La gravedad especfica es la relacin del peso molecular de un gas con el peso molecular del aire. Es til para la conversin entre unidades de masa y volumen. Los valores de gravedad especfica de gases comunes pueden encontrarse en diferentes libros de ingeniera. Esta gua incluye una tabla de propiedades de gases (Tabla A de la pgina 39). Densidad Al multiplicar la gravedad especfica de un gas por la densidad del aire, dada una serie de condiciones (temperatura y presin), se obtiene la densidad del gas en las mismas condiciones.

Volumen2 = 255 m3hora x

(0+273 K) x (152 kPa) (35+273 K) x (101,3 kPa)

Volumen2 = 339Nm3hora

La medicin expresada en unidades inglesas tendra una tasa de flujo de 150 pies cbicos por minuto a 95 F y 22 psia (lb/pulg absolutas). Esta tasa2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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Ejemplo Dados los siguientes valores, calcule la densidad de metano en condiciones normales. Gravedad especfica del metano = 0,5539 Densidad de aire en condiciones normales (0 C, 101,31 kPa) = 1,290 kg/Nm3(Densidad del metano en condiciones normales = gravedad especfica del metano) x (densidad del aire en condiciones normales) 0,5539 x 1,290 kg/Nm3 = 0,7145 kg/Nm3

Propiedades de las mezclas de gasLa mayora de combustibles para motores de gas natural son una mezcla de hidrocarburos y gases inertes. Las propiedades de cada componente deben ponderarse para determinar las propiedades de la mezcla. Esta ponderacin se realiza basada en el volumen. Por ejemplo, para hallar la gravedad especfica de una mezcla que tiene 80% de metano, 15% de etano y 5% de dixido de carbono, se multiplicara las propiedades de cada gas por su % de volumen o por la "fraccin molar" de la Tabla A de la pgina 39.Gravedad especfica 0,5539 1,0382 1,5196

Gas Metano Etano Dixido de

Frmula CH4 C2H6 C7H16

Gravedad especfica de la mezcla de combustible = (0,8 x 0,5539) + (0,15 x 1,0382) + (0,05 x 1,5196) = 0,6748

Moles y peso molecularUna mol es una medicin del nmero de molculas de una sustancia, y es una forma til de medir

qu cantidad de esa sustancia est presente en un volumen dado, que depende de la temperatura y de la presin en el momento de la medicin. Esta medicin proporciona una cantidad de referencia usada como punto de partida para el anlisis relacionado con las cantidades medidas de sustancias qumicas, por ejemplo, las cantidades de cada fraccin de hidrocarburo que componen una mezcla de combustible gaseoso. Es una propiedad til el hecho de que una mol de cualquier gas ideal ocupa bsicamente el mismo volumen bajo las mismas condiciones de temperatura y presin. Esto hace que sea simple calcular la cantidad en moles de una sustancia relacionndola con su volumen. De hecho, el trmino "fraccin molar" se usa comnmente para la medicin proporcional de los componentes que conforman una muestra de gas. Las cantidades de fraccin molar equivalen a los valores de porcentaje de volumen divididos entre 100. La suma de todas las fracciones molares para las sustancias de una mezcla de gas dada ser igual a 1 (uno), de igual forma que la suma de todas las mediciones de porcentaje de volumen ser igual a 100%. El peso molecular de una sustancia proporciona la relacin entre el nmero de molculas y la masa de una muestra. Dadas cantidades iguales de dos sustancias, una muestra de una sustancia con un peso molecular de 12 tendr dos veces la masa de una muestra de otra sustancia de igual tamao con un peso molecular de 6. Esto, junto con la Ley de los Gases Ideales descrita anteriormente, indica que el peso2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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molecular es la herramienta para convertir directamente la medicin de volumen a la medicin de masa de cualquier gas ideal.

Valor trmicoLa combustin es la combinacin del gas combustible con oxgeno para producir energa calrica. Debido a que la cantidad de energa producida se relaciona directamente con la potencia producida en el motor, es importante conocer el potencial de cada gas combustible para producir calor durante la combustin. Este potencial se conoce como el valor trmico (o valor calorfico) del gas y se define como la cantidad de energa trmica producida durante la combustin completa del gas. El valor trmico puede medirse usando un calormetro, un dispositivo que mide el calor producido durante una reaccin qumica (como la combustin). Dado que la combustin de los hidrocarburos es una combinacin de hidrgeno y oxgeno, un subproducto alto de esta reaccin es el agua. Adems, debido a las temperaturas altas de la reaccin de combustin tpica, el agua producida durante la combustin est como vapor de agua. Este cambio de estado lquido a gaseoso, consume energa trmica (conocida como calor latente de vaporizacin), lo que significa que una parte de la energa terica de la combustin no est disponible para la produccin de potencia mecnica en el motor. As, para los combustibles gaseosos, documentamos dos valores trmicos: El valor trmico alto (HHV), que corresponde al potencial de energa terica total del gas

El valor trmico bajo (LHV), que corresponde al valor trmico alto menos el calor latente de vaporizacin del gas en el escape. Una revisin de la ecuacin de combustin usando metano puro (CH4), el principal componente del gas natural, ilustrar mejor este punto. La ecuacin de la combustin del metano es: CH4 + 2O2 = 2H2O + CO2 Para determinar la cantidad de agua formada durante la combustin, obtengamos primero el peso molecular de cada gas. CH 2O2 2H2O CO2 + = + 4 16 64 36 44 Cuando una mol de metano (16 kg o 16 lb) se combina durante la combustin con dos moles de oxgeno (64 kg o 64 lb), se formarn dos moles de agua (36 kg o 36 lb) y una mol de CO2 (44 kg o 44 lb). Por tanto, para cada masa unitaria de CH4 quemada: 36/16 = 2,25 kg (lb) de agua se forman por cada kg (lb) de CH4. Para determinar la cantidad de agua formada por cada SCM (SCF) de CH4 quemado, divida 2,25 kg (lb) entre el volumen especfico (m3/kg o pies3/lb) de gas en condiciones estndar de temperatura y presin. El metano es: 1 kg = 1,4738 SCM (1 lb = 23,61 SCF)

Por tanto: 2,25 1,4738 SCM CH4

= 1,526 kg H2O


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2,25 23,61 SCF CH4

= 0,09529 lb H2O

Y la cantidad de agua formada por cada SCM (SCF) de propano quemado es: 1,636 kg H2O/kg C3H8 = 3,0937 kg H2O 1,636 kg H2O/kg = C3H8 0,5288 SCM/kg C3H8 1,636 lb H2O/lb C3H8 = 8,471 SCF/lb C3H8 3,0937 kg H2O SCM C3H8 0,1931 lb H2O SCF C3H8

1,526 kg de H2O (0,09529 lb de H2O) es la cantidad de agua formada por cada SCM (SCF) de metano quemado. La diferencia entre el valor trmico alto y el valor trmico bajo para CH4 es el calor requerido para convertir 1,526 kg/SCM (0,09529 lb/SCF) de agua en vapor en condiciones estndar. El calor latente de vaporizacin por cada kg (lb) de agua a 15,55 C (60 F) de las tablas de vapor es 2,4653 MJ/SCM (1.059,9 Btu/SCF). Por tanto, la diferencia entre los valores HHV y LHV de CH4 es: 3,763 MJ/SCM (0,09529 x 1.059,9 = 101 Btu/SCF). Observe que las Tablas A y B (Pginas 39 y 40) reflejan esta diferencia en valores HHV y LHV para CH4. Como se indic anteriormente, la cantidad de agua formada depende de los hidrocarburos que estn siendo quemados. A manera de comparacin, considere los productos de combustin del propano (C3H8). C3H8

+

5O2 160

=

3CO2 132

+

4H2O 72

44

La cantidad de agua formada por cada kg (lb) de propano quemado es: 72/44 = 1,6363 kg (lb) H2O/kg (lb) C3H8

Cuando se quema un SCM (SCF) de cada metano y propano, el metano forma 1,526 kg/SCM (0.09529 lb/SCF) de agua y el propano forma 3,0937 kg/SCM (0,1931 lb/SCF) de agua. Para avanzar en este primer paso, la cantidad de prdida de calor en el motor para convertir esta agua en vapor a 15,55C (60F) para el propano es: La energa perdida por cada SCM (SCF) C3H8 quemado es 7,6 MJ/SCM C3H8 (0,1931 x 1.059,9 = 204 Btu/SCF C3H8) La revisin de las Tablas A y B (pginas 39 y 40) confirma que sta es la diferencia entre los valores HHV y LVH del propano. Como se indic antes, la prdida de energa trmica por la formacin de agua se pierde tambin para la produccin de potencia del motor. Por esta razn, el valor LHV es la propiedad del combustible usada cuando se determina el potencial de produccin de potencia de un gas combustible.

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Caractersticas del combustibleCuando se habl de la composicin y estructura de los combustibles gaseosos en las secciones anteriores, se hizo referencia a las caractersticas variadas de los diferentes gases. Conocer las caractersticas de cada gas es muy importante para configurar correctamente un motor para el uso de un gas combustible particular. aire se necesita para quemar completamente una cantidad dada de gas; informacin fundamental cuando se configura un motor para el uso de gas como combustible. De la ecuacin anterior, un volumen de metano requiere dos veces un volumen de oxgeno para quemarse completamente. Sabiendo que el aire tiene slo 21% de oxgeno, podemos calcular la cantidad proporcional de aire, as: 2 = 9,53 0,21 As, se requiere de 9,53 volmenes de aire para quemar completamente un volumen de metano. Esta relacin de volmenes, 9,53:1, es una caracterstica del metano conocida como su relacin estequiomtrica de aire/combustible. Las ecuaciones de combustin estequiomtricas para el resto de fracciones de combustible de hidrocarburos se encuentran de forma diferente, de modo que la relacin estequiomtrica de aire/combustible para cada gas ser diferente. Estas relaciones de aire/combustible se muestran en las Tablas A y B de las pginas 39 y 40. La mayora de los combustibles no existen como un compuesto simple, sino como una mezcla de varios compuestos. Un gas natural de gasoducto tpico contendr bsicamente metano, pero tambin tendr cantidades menores de otras fracciones de hidrocarburos y otros componentes como nitrgeno y dixido de carbono. La cantidad de aire requerida para quemar dicha mezcla de gas esta determinada por la

EstequiometraLa estequiometra simplemente se refiere a las cantidades relativas de los elementos en una molcula o las cantidades relativas de reactantes y productos en una reaccin qumica. En Caterpillar usamos la estequiometra en lo relacionado con las cantidades de combustible y aire involucradas en la combustin. La combustin estequiomtrica ocurre cuando el combustible y el aire estn en proporciones correctas, de modo que no hay oxgeno o combustible sobrante cuando la combustin termina. Esta proporcin se encuentra balanceando la ecuacin qumica de la combustin, que es diferente para cada gas. La ecuacin de la combustin estequiomtrica del metano es la siguiente: CH4 + 2O2 = 2H2O + CO2 Esta ecuacin indica que el metano y el oxgeno se combinan para formar agua y dixido de carbono. Esta ecuacin tambin indica que se necesitan dos molculas de oxgeno para producir una molcula de metano. Podemos usar esta informacin para determinar cunto2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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suma porcentual de la cantidad requerida de cada componente en la mezcla total. Esta suma ponderada aparecera como:Componente del gas Metano CH4 Etano C2H6 Propano C3H8 Dixido de carbono CO2 Porcentaje Relacin estequiomtrica de aire/combustible 9,53 16,67 23,83 0,00

90% 5% 3% 2%

Para encontrar la suma ponderada de esta mezcla, los porcentajes y las relaciones aire/combustible se multiplican y suman, as: CH4: 0,90 x 9,53 = 8,58 C2H6: 0,05 x 16,67 = 0,83 C3H8: 0,03 x 23,82 = 0,71 CO2: 0,02 x 0,0 = 0,00 Total m3 (pies3) Aire requerido = 10,12 As, la relacin estequiomtrica de aire/combustible para esta mezcla es 10,12:1, lo que quiere decir que se requieren 10,12 volmenes de aire para quemar completamente un volumen de este gas. Esta tcnica de suma ponderada es til para determinar el valor de "gas mezclado" para varias de las propiedades caractersticas del gas.

Nmero de metanoLos motores Caterpillar pueden funcionar con combustibles gaseosos de una amplia gama de fuentes, desde gas de campo, gas natural procesado para gasoductos hasta gas de procesos de rellenos

sanitarios/digestor. Sin embargo, la calidad de la combustin del gas de estas fuentes vara mucho, lo que afecta los ajustes del motor, como la sincronizacin de encendido o incluso limita la potencia del motor. La propiedad clave relacionada es la capacidad del gas combustible de resistir la detonacin, una combustin no controlada del gas en el motor. Si no se tiene en cuenta esta propiedad, la detonacin puede causar dao significativo al motor. Por esta razn, la propiedad de resistencia a la detonacin es una herramienta valiosa para evaluar si el gas es apropiado para usarlo como combustible del motor. El primer intento de Caterpillar para determinar una escala de resistencia a la detonacin fue usar el mtodo de octanaje, una herramienta bien establecida usada en los motores de gasolina. El mtodo de octanaje usa un motor de prueba especial con relacin de compresin variable para establecer la relacin de compresin crtica para un combustible, la relacin de compresin en que ocurre la detonacin. Los combustibles desconocidos se prueban en este motor y sus resultados se comparan con un grupo de resultados de referencia para mezclas de isooctanos y n-heptanos normales. El octanaje representa el porcentaje de iso-octano en la mezcla de referencia. El problema con el uso del octanaje es que el octano no es un punto de referencia para el gas natural. El gas natural generalmente contiene un alto porcentaje de metano, la fraccin de parafina ms pequea y liviana. El octano es una molcula de la serie parafnica mucho ms pesada, con diferentes propiedades de combustin,2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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incluyendo la tendencia a existir en estado lquido bajo condiciones normales, lo que es adecuado para motores de gasolina, pero no as para motores de gas natural. Para usar el octanaje en motores de gas, cada fraccin de hidrocarburo (metano, etano, propano, etc.) debe probarse para establecer su octanaje. Estos valores luego se usan para calcular un octanaje promedio ponderado para cada mezcla de gas evaluada. Este mtodo tiene dos desventajas significativas. Primero, asume una contribucin lineal de cada fraccin al resultado promedio total. De hecho, las fracciones ms pesadas tienden a tener ms impacto que las livianas en el compartimiento del gas mezclado. Segundo, el sistema de octanaje no permite tener en cuenta los efectos beneficiosos de los gases inertes, como el dixido de carbono o el nitrgeno. En ciertas mezclas, estos gases pueden ayudar a enfriar la combustin, lo que permite una pequea mejora de la resistencia a la detonacin. El mtodo de octanaje era aceptable cuando se usaba gas natural procesado para gasoductos, pero esta utilidad queda limitada cuando se aplica a una amplia gama de composiciones de gas de pozo. Estas aplicaciones necesitan un mtodo de clasificacin ms fiable. El mtodo de clasificacin por "nmero de metano" fue desarrollado en Austria a mediados de 1960. En lugar del octano, se usa el nmero de metano como referencia para establecer la resistencia a la detonacin. La escala del nmero de metano establece un valor de 100 para el metano puro y usa el hidrgeno, con un valor de 0, como referencia, para un gas de combustin2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

muy rpida con tendencia a la detonacin. Caterpillar adopt este mtodo en la dcada de 1980 y continu perfeccionando el sistema mediante investigacin y pruebas exhaustivas en una amplia gama de combustibles desde gas de campo hasta gas de rellenos sanitarios. El clculo del nmero de metano requiere varios pasos complicados, por tanto, Caterpillar desarroll un programa de computadora para facilitar estos clculos y permitir la determinacin en el campo del nmero de metano. Este programa hace que sea simple la tarea de ingresar los valores de composicin del gas y obtener un informe completo de las propiedades esperadas del gas, incluyendo no slo el nmero de metano, sino tambin los valores trmicos alto y bajo, la gravedad especfica, la relacin estequiomtrica de aire/combustible y otras propiedades, como el ndice de Wobbe. Los nmeros de metano de algunos gases componentes individuales son: Metano (CH4) 100 46.6 Etano (C2H6) Propano (C3H8) 33 Butano (comercial) 15 n-Butano (C4H10) 10 Despus de calcular el nmero de metano y de medir la temperatura del agua del posenfriador (temperatura de posenfriamiento aire a aire) disponible, la clasificacin del motor puede determinarse a partir de las guas de uso de combustible publicadas por Caterpillar. Las guias muestran la potencia y la sincronizacin del motor para gamas especficas de nmero de metano para cada temperatura de agua del posenfriador.

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Impacto de la calidad del combustible en el rendimiento del motorLHV, aire requerido para la combustin y potencia del motorUn motor es un dispositivo de conversin. ste toma la energa qumica almacenada en el combustible, libera esa energa como calor durante la combustin y, luego, convierte la energa trmica en trabajo mecnico. Entonces, parte del trabajo del motor es hacer que cierta cantidad suficiente de combustible ingrese en el cilindro para permitir que el motor alcance su salida de potencia nominal plena. Pero, como vimos anteriormente, la combustin requiere combustible y aire, de modo que la entrada de aire suficiente en el cilindro es tan importante como la entrada apropiada de combustible. La trayectoria del aire, desde que ingresa al filtro de aire hasta que llega al cilindro, implica una restriccin para el flujo de aire. sta es una caracterstica de diseo del motor, de modo que es una propiedad que vara entre modelos de motores. Tambin es caracterstico del diseo del motor el tener o no un dispositivo que ayude a que el aire llegue al cilindro para aumentar el potencial de produccin de potencia del motor. Estos dispositivos se conocen como compresores, y el tipo ms comn se encuentra en motores grandes y se conoce como turbocompresor debido a que la potencia usada para bombear el aire al motor proviene de una turbina ubicada en el flujo de escape del motor. El diseo bsico de entrada de aire del motor no usa un compresor, y para aspirar el aire depende slo del vaco producido por el movimiento del pistn en su carrera descendente en el cilindro. Este diseo se conoce como "aspiracin natural" (abreviado "NA" por su nombre en ingls). Un motor NA ser sensible a cualquier factor que restrinja el flujo de aire, y algunos de estos factores son la altitud y la temperatura ambiente de la instalacin donde el motor est en uso. La mayor altitud o temperatura de aire ambiente hace que el aire sea menos denso, haciendo ms difcil que entre aire al motor para la combustin. La composicin del gas combustible determina la cantidad de aire requerido para la combustin y est determinada por los requerimientos de aire del combustible, como lo muestra la relacin estequiomtrica de aire/combustible. Instalar un turbocompresor en un motor es una forma efectiva de compensar este problema de aprovisionamiento de aire. El turbocompresor impulsa con fuerza el aire en el motor, lo que permite contrarrestar los efectos de la disminucin de la densidad del aire ambiente. Pero, aumentar la presin del aire de admisin para aumentar la densidad aumenta tambin la temperatura del aire, y las temperaturas altas significan menor densidad del aire. Por esta razn, muchas instalaciones de turbocompresores tambin incluyen un interenfriador o un posenfriador, que es en su forma simple un intercambiador de calor diseado para2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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enfriar el aire de admisin y aumentar su densidad. El diseo de motor con turbocompresin y posenfriamiento proporciona mayor capacidad de entrada de aire al motor, lo que refuerza la produccin de potencia. El sistema de combustible tiene un papel similar en lo relacionado con la produccin de potencia nominal del motor. El combustible tambin tiene una restriccin de flujo en el motor que es crtica en el diseo del motor. El sistema tambin se ve afectado por la presin de entrada del suministro de combustible, de forma similar que el sistema de aire se ve afectado por la altitud y la temperatura ambiente locales. Pero, a diferencia del sistema de aire, el sistema de combustible tambin puede verse afectado por el valor LHV del gas combustible. Un contenido muy alto de energa puede hacer que el sistema de combustible no pueda mezclar el aire y el combustible en las proporciones correctas, lo que resulta en combustin deficiente y reduccin de potencia. Reducir el valor LHV priva al motor de la energa combustible necesaria para producir potencia.

suficiente combustible para llevar la energa del combustible al cilindro. Capacidad de potencia relativa La capacidad de potencia relativa de un gas combustible es una relacin del valor LHV de la mezcla combustible-aire para la instalacin del motor con el valor LHV de la mezcla combustible-aire usada para desarrollar la clasificacin de potencia del motor. Si la mezcla combustibleaire contiene menos energa que la mezcla combustible-aire de referencia, la capacidad de potencia relativa ser menor que 100%, lo que representa la restriccin terica de capacidad de produccin de potencia del motor. Para determinar la capacidad de potencia relativa para un combustible, se debe empezar calculando el valor LHV de la mezcla combustible-aire. Composicin del combustible: CH4 = 55% CO2 = 35% N2 = 10% El valor LHV de esta mezcla, que se calcula usando el mtodo de suma ponderado descrito anteriormente, es 501 Btu/SCF (19,69 MJ/Nm3). La relacin estequiomtrica de aire/combustible para este combustible es 5,24:1, que se determina tambin usando el mtodo de suma ponderada. Para determinar el valor LHV de la mezcla combustible-aire, debemos dividir el contenido de combustible de un volumen de combustible entre el volumen total de una mezcla estequiomtrica de aire-combustible, que es la suma de 1 ms la relacin estequiomtrica. Con esto se obtiene:

Capacidad de potencia relativa e ndice de WobbeSe crearon dos propiedades del gas combustible para ayudar a evaluar los problemas de restriccin del sistema de aire y del sistema de combustible en la produccin de potencia. La capacidad de potencia relativa documenta el impacto combinado del sistema de aire y de la calidad del combustible en la capacidad de proporcionar energa del combustible al cilindro. El ndice Wobbe sirve como herramienta para ayudar a medir si el sistema podr hacer que fluya2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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501 1 + 5,24 19,69 1 + 5,24

= 80,29 Btu/SCF

= 3,16 MJ/Nm3

El valor LHV de la mezcla combustible-aire de referencia se calcula de la misma forma. Usemos el valor LHV y la informacin de la relacin de aire/combustible del gas natural para gasoductos usado en el desarrollo de la clasificacin: 905 = 86,6 Btu/SCF 1 + 9,45

35,64 1 + 9,45

= 3,41 MJ/Nm3

La Capacidad de Potencia Relativa (RPC) es la relacin de los dos. RPC = 3,16/3,14 = 0,93, o usando valores en unidades inglesas: RPC = 80,29/86,6 = 0,93 De modo que la mezcla estequiomtrica de aire-combustible de este combustible entregara al motor slo 93% de la energa contenida en el mismo volumen de una mezcla estequiomtrica del gas natural de gasoducto. Este factor es especialmente importante cuando se determina la clasificacin de un motor de aspiracin natural (NA). Sin un turbocompresor, el motor no tiene la forma de aumentar la densidad de la mezcla de airecombustible entrante, y el factor RPC del combustible determinar la clasificacin del motor.

Incluso un motor con turbocompresin tiene sus lmites. Aunque el turbocompresor y el posenfriador ayudan a compensar la menor densidad del aire en altitudes y temperaturas ambiente altas locales, su capacidad de hacerlo tambin tiene lmites. Despus que la contribucin del turbocompresor alcanza su lmite, el motor TA est sujeto a los mismos lmites RPC mostrados para el motor NA. Adicionalmente, la cada de la densidad del aire entregada a los cilindros crea una segunda fuente de reduccin de potencia que debe tenerse en cuenta. Para determinar los lmites del sistema de aire en un motor de aspiracin TA debe tenerse en cuenta tanto el factor de reduccin de potencia por altitud (proporcionado en la Hoja de Datos Tcnicos del motor) como el RPC del combustible. Estas reducciones de potencia son acumulativas. Por ejemplo, considere un motor G3516LE clasificado en 809 bkW a 1.200 rpm en un sitio a 2.000 metros de altitud y 30 C (86 F) de temperatura ambiente con el combustible de energa baja del ejemplo anterior. Factor de reduccin de potencia por ambiente/altitud = 0,92 (encontrado en la Tabla de Reduccin de Potencia con la Hoja de Datos Tcnicos) Factor de capacidad de potencia relativa = 0,93 Reduccin de potencia total del sistema de aire = (1 - 0,92) + (1 - 0,93) =0,8 + 0,7 =0,15 Reduccin de potencia total = 15%

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El factor de reduccin de potencia total puede hallarse multiplicando los dos factores: (0,92)(0,93) = 0,85 La clasificacin de potencia en el sitio est limitada por la capacidad del sistema de aire (condiciones del sitio y RPC) y es: 809 bkW x 0,85 = 688 bkW ndice de Wobbe Los cambios en la composicin del combustible no slo afectan el contenido de energa del combustible, sino tambin su gravedad especfica (SG). El impacto de los cambios del valor LHV es claro; menos energa en el combustible significa potencialmente menos energa entregada al cilindro. El impacto de la gravedad especfica es igualmente importante. La gravedad especfica del combustible es la propiedad que determina la eficacia del combustible para fluir por espacios reducidos del sistema de combustible Un gas combustible de gravedad especfica alta tendr mayor dificultad de fluir a travs de un sistema de combustible dado que un gas combustible con una gravedad especfica menor. Mayor restriccin en el flujo de combustible a travs del sistema de combustible significa que fluye, potencialmente, menos energa al cilindro y, por tanto, habr menor potencia. Esta capacidad de flujo de un gas combustible se mide usando el ndice Wobbe. El ndice Wobbe toma estas dos propiedades crticas del combustible LHV y SG - y las une para crear una medicin directa de la energa del combustible que fluye en el sistema. El valor LHV es una medicin de la cantidad de energa que hay en el gas. El flujo de un gas en el sistema2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

de combustible es proporcional a 1 dividido por la raz cuadrada de SG. Poniendo estos valores juntos, el flujo de energa en el sistema de combustible es proporcional al valor LHV dividido por la raz cuadrada de SG. Esta es la definicin del ndice de Wobbe.

Dimensionamiento del sistema de combustible y dosificacin de combustibleEl sistema de combustible de cualquier motor debe poder entregar una tasa de flujo de combustible que permita al motor lograr su potencia nominal plena. Como se indic en el tema de Capacidad de Potencia Relativa y del ndice de Wobbe, la capacidad de hacer sto depende del valor LHV y de la gravedad especfica del combustible, lo que convierte en un reto de diseo adaptar exitosamente la amplia gama de gases que pueden usarse como combustibles del motor. Afortunadamente, ciertos diseos de sistemas de combustible pueden adaptarse relativamente fcil para hacer posible su funcionamiento con diferentes gases. Como ejemplo, considere la amplia gama de categoras de gas combustible descritas en la Tabla 1. Un sistema de combustible con carburador frecuentemente puede adaptarse a las diferentes gamas de valor LHV de los combustibles, cambiando las piezas internas que establecen la relacin aire/combustible caracterstica para el carburador. Los cambios de estos sistemas de combustible deben considerarse cuando el sistema de combustible estndar no pueda disearse para su funcionamiento con un gas combustible dado.

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Valores trmicos del gas Gas de energa alta Gas natural Gas natural de energa baja Biogs Gas de relleno sanitario 55,0 94,3 MJ/Nm3 (1.400 2.400 Btu/SCF) 31,4 55,0 MJ/Nm3 (800 1.400 Btu/SCF) 23,6 31,4 MJ/Nm3 (600 800 Btu/SCF) 17,7 25,5 MJ/Nm3 (450 650 Btu/SCF) 15,7 23,6 MJ/Nm3 (400 600 Btu/SCF)

Tabla 1

Nmero de metano, detonacin y potencia del motorHablamos antes de la creacin de una escala de clasificacin basada en las caractersticas de resistencia a la detonacin del metano y el hidrgeno. Esta escala de Nmero de Metano sirve como base para la clasificacin de las mezclas de combustible en su capacidad relativa para resistir la detonacin. Para entender cmo se usa esta informacin, debemos conocer el concepto de detonacin. Detonacin y pre-encendido La detonacin y el pre-encendido son dos formas de combustin anormal que involucran la combustin no controlada de la mezcla de combustible-aire en el cilindro. El preencendido es el trmino usado para describir el encendido prematuro de la mezcla combustible-aire antes de que la buja se encienda. La detonacin describe el evento en que la mezcla de combustible-aire se enciende en el momento apropiado por la buja y ocurre un segundo evento de encendido en la mezcla combustibleaire sin quemar antes de que se

complete la secuencia de combustin normal. La detonacin y el preencendido son potencialmente dainos para el motor debido a su potencial de producir temperaturas localizadas y aumentos bruscos de presin. El pre-encendido es tpicamente resultado de un "punto de sobrecalentamiento" en la cmara de combustin. Dichos puntos de sobrecalentamiento pueden ocurrir en bordes afilados de las piezas del motor (como vlvulas o bujas) si se sobrecalientan o por depsitos de carbono en la cmara de combustin. Si estos puntos de recalentamiento no pueden enfriarse entre los ciclos de combustin, pueden alcanzar temperaturas de ignicin y disminuirn la carga de la mezcla de combustibleaire antes de que sea encendida por la buja. La detonacin es el resultado de un conjunto ms complejo de circunstancias, lo que involucra la influencia combinada de la calidad del combustible, el diseo y configuracin del motor, la construccin del sitio del motor, las condiciones ambiente y la carga del motor. Si ms de una de estas circunstancias se sale de las gamas apropiadas durante la operacin del motor, la combustin normal puede cambiar repentinamente haciendo que una parte del gas sin quemar se encienda antes de ser alcanzado por el frente de llama primario. Los frentes de llama de estas dos fuentes de combustin finalmente se encuentran, lo que crea un sonido metlico agudo que es la evidencia audible de la detonacin. La detonacin es el evento que con frecuencia se conoce como "golpeteo" en los motores de gasolina.2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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Las siguientes descripciones ilustran la combustin normal y la detonacin. Combustin normal La combustin de la mezcla combustible-aire es iniciada por la buja. El frente de llama progresa uniformemente en la cmara de combustin hasta que toda la carga de combustible-aire se quema. El calor liberado por la combustin produce un aumento en la presin que empuja el pistn en el cilindro, lo que produce trabajo til en el cigeal. Vea la Figura 1.

Figura 2 Como se describi anteriormente, la detonacin resulta de uno de varios factores que estn fuera de gama, ya sea al inicio o durante la secuencia de combustin. El factor bsico para la detonacin es la temperatura del gas sin quemar o del "gas final", antes de que sea encendido por el frente de llama. Debido a esto, la lista de causas directas para la detonacin puede definirse muy bien (aunque las causas principales para estas condiciones algunas veces pueden ser difciles de establecer). Las causas directas de la detonacin incluyen: Temperatura muy alta de la carga combustible-aire: Una temperatura inicial alta de la mezcla combustible-aire resulta en aumento de temperatura del gas ms all del umbral de autoencendido. Presin muy alta de la carga de combustible-aire: Una presin inicial de la mezcla de combustible-aire resulta en un

Figura 1 Detonacin El frente de llama adelantado comprime la mezcla combustible-aire sin quemar, llevando la temperatura ms all del punto de autoencendido. La parte sin quemar de la mezcla se enciende por s sola, creando un aumento brusco de presin y temperaturas altas localizadas. Vea la Figura 2.


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aumento de temperatura del gas final ms all del umbral de autoencendido. Nmero de metano bajo del combustible: El gas combustible no tiene suficiente resistencia a la detonacin. La temperatura de autoencendido del combustible es baja comparada con el combustible estndar resultante del autoencendido, bajo condiciones de aumento de presin en la combustin normal. Esta lista breve de causas directas puede aumentar a una lista muy larga de causas principales si se tienen en cuenta todos los factores de diseo y ambientales que pueden causar una de estas condiciones. Cuando se tienen en cuenta slo los atributos del motor que influyen directamente en la sensibilidad a la detonacin, surgen cuatro aspectos de diseo. Relacin de compresin Sincronizacin de encendido Temperatura del posenfriador

detonacin. Los combustibles de nmero de metano bajo se queman ms rpido que los combustibles de nmeros de metano ms altos, lo que crea tasas de aumento de presin pronunciadas que no se ajustan muy bien a las relaciones de compresin altas. En general, los combustibles de nmero de metano bajo requieren motores con relacin de compresin baja. Sincronizacin de encendido La sincronizacin de encendido tambin se relaciona directamente con el nmero de metano y con la tasa de aumento de presin del combustible. Lograr la presin de combustin mxima en el momento apropiado del movimiento del pistn en el cilindro requiere que la buja se encienda en el momento justo antes de ese punto. La sincronizacin del "avance de chispa" depende principalmente de la tasa de combustin del combustible y se relaciona directamente con el nmero de metano del combustible. Los combustibles de nmero de metano ms bajo requieren el uso de menos avance de la sincronizacin de la chispa. Temperatura del posenfriador El posenfriador sirve como control final de la temperatura inicial de la carga de combustible-aire. Debido a que el posenfriador influye directamente en el riesgo de detonacin, cualquier asunto de diseo o instalacin que pueda comprometer la capacidad de lograr la temperatura apropiada en la carga de entrada es un factor de riesgo crtico para la detonacin. Es posible que el posenfriador no pueda proporcionar el enfriamiento adecuado del aire de2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

Clasificacin de potencia. A medida que examinemos estos atributos, veremos cmo se relacionan directamente entre s varios de ellos. Relacin de compresin La relacin de compresin del motor y el nmero de metano del combustible se relacionan cuando se busca el motor apropiado para un combustible dado. Las relaciones de compresin altas tienden a aumentar las presiones en el cilindro, lo que hace que los factores sean sensibles al aumento de presin crtico en la

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admisin si no es lo suficientemente grande para manejar la demanda de eliminacin de calor o tienen una alimentacin de agua de temperatura muy alta. Las temperaturas altas del agua del posenfriador puede ser resultado de la seleccin inapropiada del punto de control del termostato del agua del posenfriador, o un radiador de tamao inadecuado, o por temperaturas ambiente altas que reducen las capacidades de enfriamiento del radiador. Clasificacin de potencia La salida de potencia del motor es el factor ms crtico en lo relacionado con la contribucin a la detonacin, debido a que involucra el movimiento del pistn. La operacin normal del motor usa el aumento de presin del cilindro para empujar el pistn y, finalmente, impulsar la carga unida al cigeal. Si la carga impulsada en el cigeal aumenta demasiado, se restringe el movimiento del pistn. Cuando se restringe el movimiento del pistn, se produce un aumento pronunciado de presin en el cilindro, que finalmente produce la detonacin.

Guas de uso del combustible Para usar exitosamente los combustibles con mayor tendencia a la detonacin, las temperaturas y las presiones del cilindro deben estar limitadas a las capacidades y sincronizacin del sistema de combustible, que deben optimizarse. Para ajustar la capacidad del combustible a las caractersticas del motor, Caterpillar publica una Gua de Uso de Combustible con cada hoja de datos tcnicos del Motor. La Gua de Uso de Combustible es una tabla que indica la gama de valores de nmero de metano y proporciona el factor de reduccin de potencia requerido para el motor y la sincronizacin del motor recomendada para cada uno. El factor de reduccin de potencia, cuando se multiplica por la clasificacin estndar del motor encontrada en los datos tcnicos, indica la potencia mxima del motor cuando usa un combustible con el nmero de metano indicado. La sincronizacin de encendido es el ajuste de avance de chispa recomendado para ese combustible.


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Ejemplo de la Gua de Uso de Combustible

Figura 3

Un ejemplo de una gua de uso de combustible se muestra en la Figura 3. Esta gua de ejemplo sugiere que con un gas combustible de MN=46, este motor podra operar a clasificacin plena publicada (factor de reduccin de potencia = 1,0), y la sincronizacin recomendada sera 23

grados BTDC ("antes del punto muerto superior"). Sin embargo, si el MN del combustible cayera a 40, la clasificacin sera 90% de la clasificacin publicada (factor de reduccin de potencia = 0,9) y la sincronizacin de encendido debera ajustarse a 22 grados BTDC.

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ContaminantesMs adelante en la Tabla 4 de esta gua se muestra la concentracin mxima de contaminantes de gas para las configuraciones de motor estndar. Otras configuraciones de motores, como las diseadas para operar con gas de relleno sanitario, toleran diferentes niveles de contaminantes. Tenga en cuenta que algunos lmites varan de acuerdo con el valor trmico del combustible y que otros dependen de la configuracin del motor. Incluso cantidades mnimas de azufre pueden causar gran dao a los componentes del motor. Las presiones altas del mltiple de los motores de alto rendimiento, como los G3500B, G3500C y G3500E, resultan en niveles ms altos de condensacin en el posenfriador. Para estos motores, se recomienda un ncleo de acero inoxidable para el posenfriador cuando el contenido de azufre, medido como H2S, en el combustible sea mayor que 3 ppm. Para todos los modelos, el gas debe tratarse como corrosivo cuando el contenido de azufre, medido como H2S, en el combustible sea mayor que 10 ppm. Deben tomarse medidas especiales para permitir que un motor sea ms tolerante al azufre y a otros compuestos corrosivos contenidos en el combustible. Estas medidas se describen en las pautas de Gas Corrosivo de las que se hablar mas adelante en esta seccin. Cuando se siguen estas pautas, el nivel de azufre del combustible puede aumentarse hasta 1.000 ppm, dependiendo del valor trmico bajo (LHV) del combustible. El nivel mximo de compuestos de azufre, en trminos de ppm comparado con el valor LHV se indica en la Figura 4. Cuando se determina el nivel de azufre en un combustible, debe considerarse el nmero de tomos de azufre. Como un estimado, esto puede hacerse contando los tomos de azufre en el compuesto. Los componentes con dos elementos de azufre, como el bisulfuro de carbono (CS2), deben contarse como el doble de su nivel de ppm.

Compuestos de azufreLos compuestos de azufre se forman durante la descomposicin de residuos orgnicos. El compuesto principal relacionado es el sulfuro de hidrgeno (H2S), aunque cualquier compuesto que contenga azufre debe tenerse en cuenta cuando se considera la entrada de azufre en el motor. La Tabla 2 proporciona una lista tpica de compuestos de azufre. Los compuestos de azufre que se condensan en la combustin son altamente corrosivos y daarn rpidamente los componentes metlicos del motor. La condensacin de la mezcla airecombustible en el posenfriador producir una falla en el ncleo del posenfriador. Algo an ms significativo, es que los compuestos de azufre disueltos en el aceite del motor provenientes del gas que escapa de la cmara de combustin al crter corroern el enfriador de aceite, los bujes y cojinetes de cobre y de aleacin de cobre y cinc y cualquier componente del motor fabricado en cobre.2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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Por ejemplo, 20 ppm de H2S y 15 ppm de CS2 son equivalentes a compuestos de azufre de 50 ppm: 1 x 20 ppm (H2S) + 2 x 15 ppm (CS2) = 50 ppm

Consulte la Tabla 2 para el nmero de tomos de azufre en una variedad de compuestos de azufre.

Nivel mximo de compuestos de azufre

Figura 4

Compuestos de azufre tpicosNombre del compuestoBisulfuro de carbono Sulfuro de carbonilo Bisulfuro de dimetilo Sulfuro de dimetilo Mercaptanetilo (etanetiol) Sulfuro de hidrgeno Mercaptan de i-propileno Sulfuro de etil metilo Metil mercaptano (Metanetiol) Mercaptano de n-propileno (Propanetiol)

Qumicos FrmulaCS2 COS C2H6S2 C2H6S C2H6S H2S C3H8S C3H8S CH4S C3H8S

tomos de azufre2 l 1 2 1 1 1 1 1 1 1

Tabla 2

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Compuestos de halurosEl gas de relleno sanitario puede contener hidrocarburos halogenados, que contienen cloro, flor, bromo o alguna combinacin de los tres. Los hidrocarburos halogenados ms comunes se conocen como clorofluorocarbonos (CFC) y se usan ampliamente en la industria de refrigerantes. El refrigerante 12, el refrigerante ms comn, tiene como nombre qumico diclorodifluorometano (CCl2F2) y su nombre comercial es Fren-12. Los refrigerantes 11 y 22 tambin tienen una composicin similar y se usan ampliamente. Disolventes de pinturas, desengrasantes, aerosoles, refrigeradores y sistemas de aire acondicionado son fuentes de CFC y otros hidrocarburos. Muy poco hidrocarburos halogenados se forman por la descomposicin de plsticos y otros materiales a base de petrleo. Cuando los CFC se queman dentro del motor, se libera cloro y flor durante el proceso de combustin, que reaccionan con agua y, finalmente, forman cido clorhdrico (HCl) y cido fluorhdrico (HF). Estos cidos son muy corrosivos para los componentes internos del motor. Niveles excesivos de HCl o HF resultan en desgaste acelerado de los anillos del pistn, camisas de cilindro, vstagos de vlvulas de escape y guas de vlvula. Estos hidrocarburos son molculas ms pesadas que el metano y el CO2. Estos tienden a permanecer en el

relleno sanitario hasta que se extrae el gas de relleno sanitario. Una vez el gas se extrae del campo, los hidrocarburos se evaporan en el flujo de gas en movimiento hasta que se agotan. Las mediciones de la produccin de los rellenos sanitarios indican que los hidrocarburos voltiles disminuyen entre 10% y 25% sus niveles originales despus de uno o dos aos de produccin de gas. Nota: La configuracin estndar del motor no puede tolerar ningn haluro ya que estos pueden ocasionar daos serios al motor. Sin embargo, configuraciones especiales del sistema de combustible para aplicaciones de rellenos sanitarios proporcionan alguna proteccin contra los haluros. La Tabla 3 proporciona niveles aceptables de haluros para las configuraciones especiales. Estas configuraciones especiales tienen un lmite de haluros de 20 g/Btu (19 mg/MJ) para haluros como el CI. El nivel de haluros se determina por la masa dividida entre el contenido de energa del combustible, o microgramos de cloro y flor por el valor trmico bajo del gas. sta es la cantidad total de cloro y flor presente en todos los componentes que pueden tener haluros. Vea la Figura 5 para obtener el nivel aceptable mximo. Nota: Si este nivel se excede en cualquier momento durante la vida til del proyecto, puede causar daos serios al motor.


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Figura 5

Cuando se determina el nivel de haluros en un combustible, debe considerarse el nmero de tomos de Cl, F y Br. Como un estimado, sto puede hacerse contando estos tomos en el compuesto. Los componentes con elementos de cloro, como el cloruro de vinilo (C2H3Cl), deben contarse una vez, mientras que los componentes con dos elementos de cloro y dos elementos de flor, como el Diclorodiflorometano(CCl2F2), deben

contarse cuatro veces, dos para cada uno de los elementos constituyentes. Los compuestos haluros tpicos se muestran en la Tabla 3. Por ejemplo, 10 ppm C2H3Cl y 20 ppm CCl2F2 son equivalentes a compuestos haluros de 90 ppm: 1 x 10 ppm C2H3Cl + 4 x 20 ppm CCl2F2 = 90 ppm Consulte la Tabla 3 para el nmero de elementos de cloro en una variedad de compuestos de haluros.

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Compuestos haluros tpicosNombre del compuesto1,1,1-Tricloroetano 1,1,1-Tricloropropano 1,1,1,2-Tetracloroetano 1,1,2,2-Tetracloroetano 1,1,2-Tricloroetano 1,1-Dicloroetano 1,1-Dicloroeteno 1,2-Dicloroetano 1,2-Dicloropropano 1,2,3-Tricloropropano 2-Cloroetilvinileter (Cloroetoxietanol) Bromodiclorometano Bromofluorobenceno Bromoformo (Tribromometano) Bromometano (Bromuro de metilo) Tetracloruro de carbono Clorobenceno (Cloruro de fenilo) Clorodifluorometano (Fren-22) Cloroetano (Cloruro de etileno) Cloroformo (Triclorometano) Clorometano (Cloruro de metilo) Cloropropano (Cloruro de n-Propilo) Clorotolueno (Cloruro de bencilo) cis-1,3-Dicloropropano Dibromoclorometano Diclorodifluorometano (Fren-12) Diclorometano (Cloruro de metileno) Pentacloroetano Tetracloroetano (Tetracloroetileno) Total 1,2-Dicloroetanos cis-1,2-Dicloroetano trans-1,2-Dicloroetano Diclorobencenos totales o-Diclorobenceno m-Diclorobenceno p-Diclorobenceno Triclorobenceno total 1,2,3-Triclorobenceno 1,2,4-Triclorobenceno 1,3,5-Triclorobenceno Trans-1,3-Dicloropropano Tricloroeteno (Tricloroetileno) Triclorofluorometano (Fren-11) Cloruro de vinilo (Cloroeteno) C3H6Cl2 C2HCl3 CCl3F C2H3Cl 2 3 4 1 C6H3Cl3 3 C6H4Cl2 2

Qumicos FrmulaC2H3Cl3 C3H5Cl3 C2H2Cl4 C2H2Cl4 C2H3Cl3 C2H4Cl2 C2H2Cl2 C2H4Cl2 C3H6Cl2 C3H5Cl3 C4H9ClO2 CHBrCl2 C6H4BrF CHBr3 CH3Br CCl4 C6H5Cl CHClF2 C2H5Cl CHCl3 CH3Cl C3H7Cl C7H7Cl C3H6Cl2 CHBr2Cl CCl2F2 CH2Cl2 C2HCl5 C2Cl4 C2H2Cl2

Cl, F & Br tomos en el compuesto3 3 4 4 3 2 2 2 2 3 1 3 2 3 1 4 1 3 1 3 1 1 1 2 3 4 2 5 4 2

Tabla 3


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Los hidrocarburos clorinados y los clorofluorocarburos estn en concentraciones relativamente bajas en el gas de relleno sanitario; sin embargo, su efecto puede ser grande. La prueba usada ms ampliamente para determinar la concentracin de gas es la EPA624 para hidrocarburos voltiles. Esta prueba estndar EPA ha sido adaptada para mediciones de gases. La prueba EPA624 es aceptable para determinar el nivel de cloro que proporcione el umbral mnimo de capacidad de deteccin de 5 ppmv. Esta prueba ha mostrado variabilidad entre laboratorios. Caterpillar ha desarrollado una prueba de laboratorio para medir los niveles de halgenos en una muestra de gas de relleno sanitario. La muestra, que incluye compuestos orgnicos halogenados, se oxida en una atmsfera de CO2 y O2. El haluro de hidrgeno subproducto de la pirlisis se mide elctricamente usando titulacin microcoulomtrica. La precisin de este equipo es 0,002%, sin incluir la inexactitud introducida en la extraccin y deposicin de la muestra. Caterpillar recomienda el siguiente laboratorio para la prueba de sulfuro de halgeno e hidrgeno: Core Laboratories- Houston Atencin: Gas Analysis Chemist 6310 Rothway Drive Houston, TX 77040 (713)Telfono 690-4444 (713)Fax 690-5646

Si el nivel de cloro, flor o bromo excede el mximo mostrado en la Figura 5, se requiere el tratamiento del combustible. El cloro y el flor son solubles en agua y son transportados frecuentemente en el vapor de agua. Quitar el vapor del agua secando el combustible reducir los niveles de halgenos. Para ms informacin, consulte la seccin de diseo del sistema de combustible en este manual.

Compuestos de amoniacoEl combustible de gas natural puede contener compuestos de nitrgeno, que en presencia de hidrgeno, pueden combinarse para formar compuestos llamados bases. Los dos compuestos en cuestin son el amoniaco (NH3) y el acrilonitrilo (C3H3N) que fcilmente pueden convertirse en amoniaco en los combustibles gaseosos. Nota: La configuracin estndar del motor no puede tolerar el amoniaco ya que ste puede ocasionar daos serios al sistema hidrulico. Sin embargo, las configuraciones especiales del sistema de combustible se desarrollaron para aplicaciones de rellenos sanitarios que proporcionan alguna proteccin contra el amoniaco. Estas configuraciones especiales tienen un lmite de amoniaco de 2,96 g/Btu (2,81 mg/MJ) de NH3.

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Figura 6

El nivel mximo de compuestos de nitrgeno en trminos de ppm comparado con el valor LHV se indica en la Figura 6. Cuando se determina el nivel de amoniaco en un combustible, el amoniaco (NH3) y el acrilonitrilo (C3H3N) deben contarse slo una vez. Por ejemplo, 50 ppm NH3 y 10 ppm C3H3N son equivalentes a compuestos con amoniaco de 60 ppm: 1 x 50 ppm (NH3) + 1 x 10 ppm (C3H3N) = 60 ppm Cualquier combustible de la regin C de la Figura 6 debe tratarse para quitar el exceso de amoniaco.

se evale un flujo de gas potencial como combustible del motor. El vapor de agua puede combinarse con compuestos orgnicos o con dixido de carbono para formar cidos que pueden ser muy corrosivos para el equipo de manipulacin de gas y para el motor. La condensacin del agua no es permitida en el motor y debe evitarse en todos los puntos del sistema de alimentacin de combustible. Si el riesgo de condensacin es muy grande, el combustible debe tratarse para reducir su contenido de agua.

SilicioEl silicio, el segundo elemento ms abundante en la tierra, se encuentra comnmente en la arena, el cuarzo, slice, granito, vidrio, arcilla y mica. Si compuestos de silicio ingresan al motor, partes microscpicas de estos compuestos pueden causar desgaste abrasivo que con el tiempo resultar

AguaEl agua puede ser daina para el motor en cualquier forma: lquida o vapor. El vapor de agua es un componente muy comn de los gases y debe tenerse en cuenta siempre que2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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en dao significativo. Los compuestos gaseosos que contienen silicio son sintticos y pueden formar depsitos en la cmara de combustin y en el sistema de escape del motor. Los dos tipos de ingestin de silicio se analizan a continuacin. Cristales de silicio Dependiendo del material de recubrimiento del relleno sanitario, del clima y de la velocidad del gas dentro del relleno, niveles significativos de cristales microscpicos de silicio pueden ser arrastrados por el gas. Generalmente, el silicio tiene un tamao menor a un micrn. Las partculas generalmente son muy pequeas para causar desgaste abrasivo significativo dentro del motor. Sin embargo, en el proceso de combustin, si las partculas de silicio tienen una densidad suficientemente alta, pueden combinarse con otros elementos, incluyendo los aditivos de aceite, para formar partculas ms grandes. Estas partculas ms grandes pueden resultar en desgaste abrasivo de la cara y del asiento de la vlvula de escape. Las partculas de silicio compuesto tambin pueden formar indentaciones en la cara y el asiento de la vlvula de escape si quedan atrapadas entre estas superficies durante el cierre de la vlvula. Estas indentaciones o picaduras en la cara y el asiento de la vlvula pueden resultar en fugas o acanalado eventual de la vlvula. Debe analizarse el silicio en el aceite del motor. Se recomienda la filtracin para controlar el silicio. Se recomiendan filtros con efectividad de 100% para partculas de tamao mayor o igual a un micrn (1 micrn es igual a 10-6 metros) Incluso con este equipo dePgina 28

filtracin pueden entrar cantidades significativas de silicio al motor. Si hay silicio, ste se informar en los resultados de anlisis de aceite. Consulte la seccin 'Lubricacin' de esta gua para obtener informacin adicional. Gases que contienen silicio El silicio ms difcil de manejar ingresa al motor en compuestos gaseosos que contienen silicio. Los compuestos de silicio gaseosos ms comunes encontrados en los rellenos sanitarios y en el gas de relleno sanitario son los siloxanos. Los siloxanos son compuestos orgnicos que contienen silicio, oxgeno y grupos de metileno con unidades estructurales de -(CH3)2SiO, y pesos moleculares en la gama de 150 a 600. La solubilidad disminuye a medida que el peso molecular aumenta. Los siloxanos pueden ser voltiles o no voltiles. En los EE.UU, los siloxanos no son regulados por la agencia de proteccin ambiental (EPA) como un compuesto orgnico voltil (VOC), debido a que se ha demostrado que los siloxanos no contribuyen a la formacin del ozono terrestre. Los siloxanos son componentes comunes en productos como champ, cosmticos, detergentes, productos farmacuticos, tintas, lubricantes y adhesivos. Un desodorante slido puede contener 50% de siloxanos. Los siloxanos se forman en los depsitos de basuras domsticas y en las aguas residuales. Durante la combustin, las molculas de siloxano se descomponen, liberando molculas de silicio y oxgeno en estado monoatmico inestables. stos pueden formar depsitos al2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.



combinarse con otros elementos presentes en el cilindro durante la combustin. La difraccin de rayos X de los depsitos muestra una composicin generalmente amorfa de slice (SiO2) y silicatos. La composicin elemental de un depsito tiene un alto nivel de silicio adems de elementos que se encuentran comnmente en los aditivos de aceite y en los materiales de desgaste del motor, como calcio, sodio, azufre, cinc, hierro, cobre y otros. Los depsitos causados por siloxanos tienden a ser de color caf claro o gris, de naturaleza granular o laminar, y pueden ser densos. Los depsitos son muy duros y no pueden quitarse fcilmente por medios qumicos o fsicos. Los depsitos pueden aparecer en la cmara de combustin, el mltiple de escape, la turbina, el tubo de escape, e incluso en el equipo catalizador. En la cmara de combustin, los depsitos pueden estar en las caras de la vlvula. Esto llevar a un desgaste excesivo de la vlvula debido a la accin abrasiva del silicio en la vlvula y en el asiento de vlvula. Los depsitos tambin pueden ocasionar el acanalado de la vlvula. Esto ocurre cuando una porcin del depsito espeso de la cara de la vlvula se desprende. Esto deja una trayectoria para que los gases de combustin pasen cuando la vlvula se cierra, creando un efecto antorcha que literalmente disuelve una parte de la vlvula. Se ha mostrado que las ocurrencias de acanalado en los motores con depsitos puede disminuirse al cargar el motor lentamente durante 20 a 30 minutos. Esto da tiempo para que la temperatura de los depsitos2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

aumente, cambiando su consistencia de quebradiza a plstica. Los depsitos en la turbina pueden causar fallas en los cojinetes debido a la descompensacin de peso y puede hacer que se forme erosin en la rueda de la turbina entre la rueda y la caja. Los depsitos tambin pueden enmascarar el catalizador o el equipo de recuperacin de calor en el flujo de escape. La cantidad mxima de silicio permitido en el gas para motores estndar se muestra en la Tabla 4. Para combustibles de energa baja, los lmites son 0,56 mg Si/MJ (0.60 g Si/Btu). Si el nivel de silicio en el gas excede esta cantidad, puede ocurrir un dao serio en el motor. Los niveles de silicio pueden variar durante la vida til del proyecto del relleno sanitario. Se recomienda realizar pruebas al comienzo del proyecto y despus cada 6 meses hasta que se estabilice el nivel de silicio. Despus de que el nivel de silicio se estabiliza, se recomiendan pruebas si se acumulan depsitos en el escape o en la cmara de combustin. Probar los compuestos de silicio requiere equipo especializado. La siguiente seccin describe el procedimiento para determinar el nivel de silicio en el gas de relleno sanitario. Las muestras de gas para anlisis de trazas de silicio deben tomarse con cuidado debido a la presencia comn de silicio en el ambiente. La muestra debe tomarse justo antes de suministrar el gas al motor. Se recomienda el mtodo de Absorcin de Metanol Enfriado para tomar las muestras de gas. En este proceso, una cantidad fija de gas pasa por el agente de absorcin, generalmente metanol (CH3OH) o un hidrocarburoPgina 29



similar. El metanol expuesto debe analizarse luego por cromatografa de gases o espectrometra de masas para calcular la cantidad total de compuestos de siloxano. El contenido total de silicio en la muestra debe determinarse con un cromatgrafo de lquidos con espectroscopia de emisin atmica de plasma inductivo. Caterpillar ha desarrollado equipo de toma de muestras de gas para mediciones de siloxanos y halgenos. Este juego est disponible a travs de Bio-Engineering Services (vea la direccin abajo). ste puede usarse para recolectar y medir el gas de forma precisa para la tcnica de Absorcin de Metanol Enfriado. El juego contiene tres contenedores de metanol y un sistema para pasar una cantidad de gas a travs del metanol. El metanol expuesto luego se enva a un laboratorio para su anlisis. Este juego tambin recolecta el gas en una bolsa para realizar pruebas de contenido de sulfuro de halgeno y de hidrgeno. Caterpillar recomienda los siguientes laboratorios para el anlisis del siloxano. Bio-Engineering Services 36 Virginia Street Southport, PR8 6RU England Telfono: 44 (0) 1704 539094 Fax 44 (0) 1704 501660 Jet-Care International Inc. 3 Saddle Road Cedar Knoll, NJ 07927-1902 Telfono (201)-292-9597 Fax (201)-292-3030 Si el nivel total de silicio de la muestra excede el lmite mostrado en la Tabla 4, se requiere el tratamiento del gas. Los sistemas de filtradoPgina 30

convencionales no eliminarn el siloxano del gas de relleno sanitario. Los siloxanos son solubles en disolventes, pero slo son solubles en agua hasta un punto limitado. sta es la razn por la que el secado del agua del gas slo quitar una parte del siloxano que puede estar presente en el flujo de gas. Sin embargo, la refrigeracin del gas reducir el nivel de siloxanos en el gas. Para los siloxanos ms comunes, el D4 y D5, la reduccin de la temperatura del gas de 43,3 C (110 F) a 4,4 C (40 F) debe producir una disminucin aproximada de 95% del nivel de siloxano. Un nmero limitado de sitios ha empleado la refrigeracin como medio para controlar los siloxanos y esta tcnica parece ser efectiva. Pasar el gas por un disolvente (metanol, queroseno, tolueno, etc.) har que las molculas de siloxano absorban el disolvente. Puede usarse un lecho de absorcin de lquido del gas a contraflujo para reducir significativamente el nivel de siloxano, cloro y flor en el gas. Sin embargo, la instalacin y operacin de este sistema generalmente est limitada por el costo. Pngase en contacto con Caterpillar para obtener detalles adicionales y recomendaciones del proveedor para un sistema de este tipo. No existen mtodos de tratamiento de combustible adicionales en este momento para reducir el siloxano en los combustibles gaseosos. En motores G3500, un lavado con agua o inyeccin de agua en el motor, ha demostrado que reduce los depsitos causados por los siloxanos. Se rocea agua en el sistema de admisin. El agua aadida se vaporiza en el proceso de combustin,2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.



limpiando los depsitos de la cmara de combustin. La inyeccin de agua se ha usado para limpiar depsitos existentes y para controlar depsitos adicionales. Las tasas de inyeccin varan de 4 a 16 litros (1 a 4 galones) de agua por hora de operacin del motor. Un vapor de aspersin de agua se inyecta corriente abajo del turbocompresor. El agua debe ser el producto de una limpieza por smosis inversa. El agua sin tratar puede producir depsitos severos de calcio en el motor. Debe tenerse precaucin si la inyeccin de agua se usa para limpiar las acumulaciones existentes. Pedazos del depsito pueden desprenderse, acanalando las vlvulas y daando los turbocompresores. Use tasas bajas de inyeccin de agua hasta eliminar los depsitos. La fbrica puede proporcionar pautas relacionadas con el lavado con agua. La siguiente compaa disea y vende sistemas de inyeccin de agua: Bio-Engineering Services 36 Virginia Street Southport, PR8 6RU England Telfono: 44 (0) 1704 539094 Fax 44 (0) 1704 501660

F), y es deseable un aumento de 5,6C (10F). El agua y los xidos de azufre se forman durante la combustin y se condensan en las paredes de los cilindros a temperaturas bajas. La temperatura ms alta del agua de las camisas minimizar la cantidad de condensacin. Los motores equipados con sistemas de enfriamiento de control de entrada mantendrn las temperaturas de salida en la gama de 110 C (230 F). Los motores con sistemas de enfriamiento de control de salida pueden requerir controles externos adicionales para mantener las temperaturas de salida en 110C (230F). Es posible que el aumentar la temperatura del refrigerante no sea una opcin en todos los modelos de motores, como en el caso de los G33/3400. Pngase en contacto con Caterpillar antes de realizar dichos cambios. Mantenga la temperatura del aceite en el sumidero lo suficientemente alta para evitar que el agua se condense en el aceite. Esto generalmente se logra manteniendo la temperatura de salida del agua de las camisas a una temperatura mnima de 93 C (200 F). Es posible que el aumentar la temperatura del aceite no sea una opcin en todos los modelos de motores, como en el caso de los G33/3400. Pngase en contacto con Caterpillar antes de realizar dichos cambios.

Pautas para gases corrosivosLas siguientes modificaciones a las prcticas de operacin y mantenimiento y los accesorios del motor aumentarn significativamente su tolerancia a los elementos corrosivos que pueden estar en el combustible. Mantener la temperatura de salida del refrigerante en 110 C (230 F). El aumento de temperatura en el motor no debe se mayor que 8,3 C (15


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Cuando sea posible arrancar el motor con gas dulce, deje que el motor alcance la temperatura de operacin con el gas dulce y luego cambie a un gas cido; invierta el proceso cuando pare el motor. Establezca un programa de anlisis de aceite para asegurarse de que los perodos de cambio de aceite no excedan los lmites seguros y no pase por alto otros problemas. Los distribuidores Caterpillar pueden establecer y realizar dichos programas. Use un aceite para motores de gas diseado para aplicaciones de rellenos sanitarios. Estos aceites incluyen un paquete de aditivos especializados apropiados para aplicaciones de gas corrosivo. Consulte las publicaciones de servicio de Fluidos Caterpillar indicadas en el material de referencia de esta seccin para obtener ms

informacin de las recomendaciones de aceite de Caterpillar. No se conoce un aditivo de aceite que pueda proteger los componentes metlicos internos del motor del ataque del H2S. La ventilacin adecuada del crter ha probado reducir el ataque del H2S en los componentes internos. El sistema de ventilacin debe extraer el humo del crter y permitir que aire filtrado entre al crter para diluir los niveles de H2S. En la seccin 'Ventilacin del Crter' de la Gua de Aplicacin e Instalacin se proporcionan las pautas para los sistemas de ventilacin del crter. Cuando se usa una configuracin del motor que mezcle el aire y el combustible antes del posenfriador, debe usarse un ncleo de acero inoxidable para el posenfriador.

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Contaminantes y condiciones mximos (A menos que se indique de otro modo, los lmites de contaminantes y condiciones aplican al combustible y al aire de combustin. Vea el pie de pgina 1)Niveles de contaminantes para configuraciones de motores estndarContaminante Compuestos de azufre como el H2S Vea los pies de pgina (1, 2)* Compuestos de haluros como el Cl Vea los pies de pgina (1, 3)* Amoniaco Contenido de aceite Partculas en el combustible Vea los pies de pgina (1, 4)* Tamao de partculas en el combustible: Silicio en el combustible Vea los pies de pgina (1, 4)* Temperatura mxima Temperatura mnima Fluctuacin de presin del combustible ppm mg Cl/MJ g Cl/Btu mg NH3 /MJ g NH3/Btu mg/MJ g/Btu mg/MJ g/Btu micrones mg Si/MJ g Si/Btu C F C F kPa psig Lmite 10 0 0 0 0 1,19 1,25 0,80 0,84 1 0,1 0,1 60 140 10 50 1,7 0,25 El combustible o el aire saturado es aceptable. La condensacin de agua en las tuberas de combustible o en el motor no son aceptables. Se recomienda limitar la humedad relativa a 80% en la temperatura mnima de operacin del combustible.

Contenido de agua

Notas al pie de pgina 1. Tenga presente que los lmites dados tambin cubren los contaminantes que pueden entrar en el suministro de aire de combustin. Por ejemplo, si el cloro entra al motor a travs del combustible y el aire, la cantidad total no puede exceder 20,0 g Cl/Btu en el combustible en un motor equipado con un sistema de combustible de energa baja. Si el combustible es: 50% metano, 40% dixido de carbono, 8% nitrgeno y 2% oxgeno, el Valor Trmico Bajo (LHV) es 456 Btu/SCF y la relacin estequiomtrica de aire/combustible es 4,76:1, de acuerdo con el clculo del Programa del nmero de metano de Caterpillar. Ahora, la cantidad mxima de cloro es: (lmite para Cl)(LHV) = cantidad de Cl en el combustible, en este ejemplo (20 g/Btu)(456 Btu/SCF) = 9.120 g Cl/SCF en el combustible, asumiendo que no hay cloro en el aire. Si hay cloro en el aire, resulta til el siguiente ejemplo. Asuma que el combustible tiene 2,2 g Cl/Btu y que el motor opera a un lambda de 1,5. Cul es la mxima cantidad de cloro permitido en el aire? Por cada pie cbico estndar de combustible quemado hay: Relacin estequiomtrica de aire/combustible (lambda), en este ejemplo: (4,76)(1,5) = 7,14 SCF de aire por cada SCF de combustible. El cloro presente en el aire es: (concentracin de Cl)(LHV) = Cl en el combustible, en este ejemplo (2,2 g/Btu)(456 Btu/SCF de combustible) = 1000 g Cl/ SCF en el combustible y la cantidad de cloro permitida en el aire es: (Cl mximo permitido - Cl en el combustible)/(SCF de aire quemado por cada SCF de combustible), (9.120-1.000)/(7,14) =1.137 g Cl/SCF en el aire. Si no hubiera cloro en el combustible, la cantidad mxima de cloro permitido en el aire sera: (9.120-0)/(7,14)=1.277 g Cl/SCF en el aire. 2. Los compuestos azufrados son aquellos que contienen azufre. El nivel total de azufre debe tener en cuenta todo el azufre y expresarse como sulfuro de hidrgeno (H2S). Vea las siguientes conversiones. Consulte la seccin 'Lubricacin' de la Gua de Aplicacin e Instalacin para obtener informacin de lubricacin y de toma de muestras apropiada cuando el combustible o el aire contienen azufre. 3. Los compuestos de haluro son aquellos que contienen cloro, flor, yodo o bromo. El nivel de haluro total debe tener en cuenta todos los haluros y expresarse como cloro. Vea las siguientes conversiones. Consulte la seccin 'Lubricacin' de la Gua de Aplicacin e Instalacin para obtener informacin de lubricacin y de toma de muestras apropiada cuando el combustible o el aire contienen compuestos de haluro. 4 El nivel de partculas totales debe incluir el silicio inorgnico. El lmite mostrado para el silicio debe tener en cuenta el contenido total de silicio orgnico (siloxanos, etc.) e inorgnico. 5. A bajas temperaturas, los combustibles de hidrocarburos pueden condensarse en el motor. No se permiten lquidos en el combustible. Si hay lquidos, el cliente debe eliminarlos aumentando la temperatura del combustible, usando un filtro coalescente u otro medio. Pueden ocurrir daos serios en el motor si se permite la entrada de lquidos al motor.

Tabla 4


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Conversiones tilesPara determinar la cantidad de un tomo particular contenido en un compuesto, como Cl en un compuesto clorado especfico, % Cl = (MW de Cl)(nmero de tomos de Cl en el compuesto)(100)/(MW del compuesto) g Cl/L= (concentracin del compuesto g/L)(% Cl)/100 El mismo procedimiento puede usarse para otros tomos y compuestos. Para mostrar el nivel de un contaminante en funcin de otro, por ejemplo, g F como g Cl, (para uso con niveles totales de halgeno): g F como Cl = (g F/L)(MW de Cl)/(MW de F) Para convertir g/Btu a g/L: (g/Btu)(LHV Btu/scf)/(28,3 L/scf)=g/L

Para convertir g/L a ppmv: ppmv = (g/L) (23,67)/(MW) Donde: ppmv = volumen en partes por milln 1 mol de gas contiene 22,4 litros a 0 C, 101,3 kPa 1 mol de gas contiene 23,67 litros a 15,5C, 101,3 kPa MW (peso molecular): flor =19 cloro =35.5 bromo =79,9 yodo =126,9 azufre =32 hidrgeno =1 1 pie3 = 28,3 L 1 m3 = 35,31 pies3

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Combustibles comunesGas natural (gasoducto)Por definicin, el gas natural es cualquier gas orgnico en la tierra y, con frecuencia, se encuentra cerca de las reservas de petrleo y/o produccin de petrleo. En esta Gua de Aplicacin e Instalacin, se asume que el gas natural tiene ciertas propiedades. En esta gua, el gas natural es gas de gasoducto o gas de campo tratado, limpio y seco. El gas de campo tratado es un gas que ha sido tratado para quitar los siguientes elementos. Material particulado Agua Gases inertes como el dixido de carbono (CO2) y el nitrgeno (N2) de ser comercializado a travs de gasoductos de distribucin de gas, los extremos hmedos se eliminan para proporcionar lo que con frecuencia se conoce como gas de gasoducto seco. La composicin del gas natural que sale de la boca del pozo vara de un rea, o de un campo de gas, a otro. En cada caso, es una mezcla de gases compuestos en su mayora de metano (CH4), con porcentajes variables de etano (C2H6), propano (C3H8), butano (C4H10) y, generalmente, cantidades pequeas de helio (He), dixido de carbono (CO2), nitrgeno (N2), y en algunos campos, sulfuro de hidrgeno (H2S). La Tabla 5 ilustra la variacin en la composicin de los gases naturales de diferentes campos, incluyendo un anlisis de un gas de gasoducto seco tpico. Observe que la calidad del gas de campo nunca es constante. Los gases de campo no slo variarn de sitio a sitio, sino tambin minuto a minuto en un campo o pozo. Debido a que los sistemas de la mezcla combustibleaire del motor generalmente se disean para un combustible de entrada especfico, las variaciones ms grandes pueden tener efectos negativos en el motor. Cualquier fuente de gas combustible de aplicacin que tenga una cantidad inaceptable de lquidos o hidrocarburos ms pesados, o que muestre cambios notables en la composicin del combustible, puede ser un candidato para tratamiento del combustible.

Hidrocarburos ms pesados Al eliminar estos elementos del gas de campo se obtiene un gas uniforme de alta calidad con un valor mnimo de 905 BTU y un nmero de metano de 80 MN. Este gas generalmente se emplea en sistemas de calefaccin y cocinas domsticas y se compra a una compaa de servicios pblicos. ste es tambin el gas de valor BTU usado en todas las hojas de clasificacin y de datos tcnicos de los motores de gas natural Caterpillar.

Gas de campoEl gas natural en su estado original con frecuencia se conoce como gas de campo, gas de boca de pozo o gas hmedo. En la industria del gas, la designacin de hmedo o seco no se refiere a que tenga o no agua, sino al contenido de hidrocarburos lquidos como el butano, el pentano, etc. Antes2006 Caterpillar Todos los derechos reservados.

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Tratamiento del combustible La presencia de agua, hidrocarburos pesados o contaminantes no necesariamente hacen que un flujo de gas no sirva como combustible del motor. Hay disponibles muchos mtodos de tratamiento del gas que pueden solucionar uno o ms de estos problemas, y a diferentes costos. Algunos, como los filtros de carbono y depuradores retienen el exceso de agua y son relativamente econmicos y fciles de implementar. Otras formas de manejar ciertos compuestos

contaminantes pueden ser muy complejas y costosas. El reto de reducir el contenido de hidrocarburos pesados en un flujo de gas con frecuencia es inversamente proporcional a la presin del flujo. Las presiones ms altas pueden permitir soluciones ms simples y menos costosas. La opcin apropiada en cada caso depender del dinero destinado en el proyecto para determinar si la tcnica de tratamiento de combustible requerida justifica la inversin.

Anlisis de gas natural - Porcentaje por volumen Ejemplo A (Gas de campo) de metano (CH4 Etano, C2H6 Propano, C3H8 Butano, C4H10 Pentano, C5H12 Hexano, C6H14 Heptano, C7H16 Nitrgeno, N2 Dixido de carbono CO2 Otros HHV (valor trmico alto) Btu/SCF LHV (valor trmico alto) Btu/SCF Nmero de metano 75,23 12,56 7,11 3,38 0,69 0,40 0,43 0,20 100,00 1.323,00 1.202,00 44,20 Ejemplo B (Gas de campo) 76,00 6,40 3,50 0,67 0,30 12,33 0,40 0,40 100,00 1.005,00 909,00 65,00 Ejemplo C (Gas de campo) 89,78 4,61 2,04 0,89 0,26 0,21 2,13 0,08 100,00 1.092,00 986,00 67,90 Ejemplo D (seco, gasoducto) 92,20 5,50 0,30 1,60 0,40 100,00 1.038,00 936,00 83,50

Tabla 5

Pgi