Efecto del tratamiento magnético en el comportamiento reológico del diésel

Effect of magnetic treatment on the rheological behavior of diesel

El petróleo es uno de los recursos naturales más utilizados por el hombre, por la capacidad que tiene de transformarse en energía, así como por ser el soporte de la poderosa y amplia industria petroquímica. ¹ La industria petroquímica es aquella dedicada a obtener derivados químicos del petróleo y los gases asociados. El petróleo es una de las sustancias más consumidas en las sociedades modernas. Esto se debe a que, además de proporcionar materias primas para plásticos, gomas, cauchos, ceras, fibras sintéticas y otros muchos productos, los combustibles derivados del petróleo suplen casi la mitad de las necesidades energéticas mundiales. ²⁾ La industria petroquímica produce un gran número de productos refinados, entre los que se destacan el fuel oíl, la gasolina y el diésel, por su elevado consumo en la sociedad actual.

El diésel, también conocido como gasóleo o petrodiésel, es un derivado refinado del petróleo, constituido por una mezcla de compuestos parafínicos, naftalénicos y aromáticos, con puntos de ebullición que oscilan entre los 149 y 371 °C. Por lo que respecta a la longitud de las cadenas carbonadas, el diésel suele incluir compuestos con cadenas de 8 a 22 átomos de carbono y de carácter parafínico. ³ El principal uso del diésel es su aplicación como combustible en los procesos de combustión, tanto de motores de combustión interna (MCI) como de calderas industriales.

Los sectores públicos y privados se han empeñado en encontrar soluciones a mediano plazo para lograr hacer frente al encarecimiento y la escasez de los derivados del petróleo como el diésel. ⁴ Por otra parte, el uso, generación y transportación de la energía proveniente de los combustibles fósiles ha provocado grandes problemas ambientales; por ejemplo: la contaminación del aire, el cambio climático, la deposición ácida, el agujero de la capa de ozono, entre otros.

El estudio e implementación de nuevos métodos que permitan el ahorro de combustibles y la disminución de las emisiones de gases contaminantes es de vital importancia en la sociedad actual. Algunos de los métodos estudiados en la actualidad para contribuir al ahorro de combustibles y a la reducción de las emisiones de gases de escape en los MCI son: la optimización de la cámara de combustión, la optimización del sistema de ignición, la activación catalítica del combustible, el uso de mezclas de combustibles, la recirculación de los gases de escape y el tratamiento magnético (TM) del combustible. ⁵

Estudios recientes sugieren que el tratamiento magnético tiene un efecto positivo en el comportamiento de los MCI. Para los vehículos de motor y las calderas industriales ⁶ se reportan tanto la disminución del consumo de combustible como la reducción de las emisiones de gases de escape. ¹⁴

También se reportan variaciones en las propiedades físico-químicas de los combustibles tratados magnéticamente. Las más estudiadas son: la viscosidad, la tensión superficial y la temperatura de flasheo. Sin embargo, no se han encontrado reportes de investigaciones que determinen los efectos del tratamiento magnético en las propiedades reológicas de los combustibles derivados del petróleo, específicamente del diésel.

La reología es la ciencia que estudia el flujo y la deformación de la materia bajo la influencia de una fuerza mecánica. Es una rama de la física y de la química-física, sus variables más importantes provienen del campo de la mecánica: fuerzas, deflexiones y velocidades. El término "reología" se origina del griego: "rhein" que significa "fluir". Así, la reología es literalmente "la ciencia del flujo". Sin embargo, los experimentos reológicos no sólo revelan información sobre el comportamiento del flujo de líquidos, sino también sobre el comportamiento de deformación de los sólidos. El objetivo de los reólogos es medir la deformación y el comportamiento de flujo de una gran variedad de materias, presentar los resultados obtenidos claramente y explicarlos. ¹⁵

Sólidos y líquidos presentan toda una gama de comportamientos que dependen tanto de sus características físico-químicas intrínsecas, como del tamaño y modo del esfuerzo al que son sometidos. Los sólidos pueden someterse a esfuerzos de tracción normal a su superficie y a esfuerzos cortantes o de cizalladura tangentes a su superficie. Los líquidos que adquieren la forma de su recipiente, sólo pueden ser sometidos a esfuerzos cortantes. ²

La principal clasificación agrupa a los fluidos en dos grandes grupos: los fluidos cuyas características reológicas dependen del tiempo y los que no. Los modelos independientes del tiempo son los más estudiados (figura 1). De manera general existen varios modelos matemáticos que analizan la relación entre los esfuerzos cortantes y los gradientes de velocidad.

Fig. 1
Modelos reológicos independientes del tiempo. ^16,17

La figura 1 muestra los modelos reológicos independientes del tiempo que más se utilizan y sus respectivas ecuaciones matemáticas.

Donde:

τ: esfuerzo cortante (Pa)

γ: gradiente de velocidad (s^-1)

μ: viscosidad dinámica (Pa s)

η_P: viscosidad plástica (Pa s)

Κ: índice de consistencia (Pa sⁿ)

n: índice de flujo (adimensional)

La caracterización del comportamiento reológico se emplea en las evaluaciones de fenómenos de transporte de cantidad movimiento, calor y materia. La caracterización reológica permite predecir comportamientos en el uso y aplicación de sustancias líquidas o semilíquidas. ³

La combustión es un proceso en el que la deformación y las características de flujo de los combustibles juegan un papel muy importante, por lo tanto, el objetivo de este trabajo es determinar el efecto del tratamiento magnético en el comportamiento reológico del diesel.

En la investigación se empleó una muestra del diésel comercializado en Cuba en todos los depósitos de ventas de este tipo de combustible. En la tabla 1 se exponen algunas de las características de este producto que constituyen normas nacionales.

Tabla
1- Especificaciones del diésel utilizado

Como se observa en la tabla 1 las propiedades del diésel utilizado cumplen con los valores normados, el índice de cetano no se pudo realizar.

Acondicionador magnético

Para el tratamiento magnético se utilizó un acondicionador magnético a base de imanes permanentes de neodimio-hierro-boro. La inducción magnética promedio de este acondicionador es de 0,36 T con una desviación estándar de 0,005 T. La simulación del circuito magnético del acondicionador magnético empleado en la investigación se presenta en la figura 2.

Fig. 2
Patrón de distribución de campo magnético en una tubería diamagnética (B-inducción magnética, Bmáx.- inducción máxima, Bmín.- inducción mínima).

Para garantizar que las líneas de inducción del campo se distribuyan uniformemente por toda el área de flujo del combustible se utilizó una configuración dipolar.

Metodología para el tratamiento magnético

Para la aplicación del tratamiento magnético se empleó una instalación experimental como se muestra en la figura 3. Está compuesta por un acondicionador magnético a imanes permanentes, una tubería diamagnética, dos recipientes y dos válvulas. Para mantener la velocidad del fluido se mantuvo el recipiente principal con un volumen de muestra constante.

Fig. 3
Esquema del tratamiento magnético del combustible.

Entre las dos caras polares del acondicionador magnético se colocó la tubería diamagnética (silicona) de 0,008 m de diámetro, a través de la cual se hizo fluir el diésel.

El tiempo de exposición del diésel al tratamiento magnético se determinó según la metodología planteada por Sofía, M. C., y Árias G. Ramón ^16;17. Para un volumen de diésel de 0,5 L y las condiciones de este sistema de tratamiento, la velocidad promedio fue de 2 m/s y el tiempo de exposición de 0,025 s.

Reómetro utilizado

Para analizar el comportamiento reológico del diésel antes y después del tratamiento magnético se empleó un reómetro Anton Paar Physica MCR 301 (figura 4). Las curvas de flujo de las muestras se ajustaron a los modelos reológicos a partir de los valores de esfuerzos cortantes y gradientes de velocidad brindados por este equipo.

Fig. 4
Reómetro Anton Paar Physica MCR 301 utilizado en la experimentación (1- Vista general, 2- Vista del sensor).

Para determinar el comportamiento reológico de las muestras se analizaron las variaciones de los esfuerzos cortantes respecto a los gradientes de velocidad (curvas de flujo). La comparación de las curvas de flujo de las muestras con los modelos reológicos y los ajustes obtenidos se muestran en la figura 5 y en la tabla 2, respectivamente.

Fig. 5
Curvas de flujo de las muestras de diésel sin tratamiento magnético (D) y de diésel tratado magnéticamente (DTM).

Tabla 2
Ecuaciones y coeficientes de ajuste de los modelos reológicos

Los datos obtenidos se ajustaron a los modelos Newtonianos y Ostwald de Waele, para gradientes de velocidad desde 0 hasta 1000 s^-1, con un coeficiente R² mayor de 0,95; lo que se considera aceptable para ambos modelos. Con el modelo reológico Ostwald de Waele (mejor ajuste), el diésel se comportó como un fluido pseudoplástico antes del TM y como dilatante después del TM. Es importante destacar que a pesar de los elevados valores de R², a gradientes de velocidades mayores de 500 s^-1, los valores de esfuerzos cortantes se incrementan notablemente y no coinciden con las curvas de los modelos matemáticos analizados. Esto no ocurre a gradientes de velocidad menores de 500 s^-1 donde τ aumenta gradualmente y todos los puntos de la curva se ajustan al modelo. Por lo que se pueden identificar dos zonas en el comportamiento reológico de las muestras de diésel que dependen del gradiente de velocidad. Según Chhabra y colaboradores, los materiales reales a menudo pueden exhibir una combinación de dos o tres tipos de comportamientos reológicos. ⁽¹⁸

El punto de inflexión de la curva puede haberse producido a partir de un cambio en el régimen de flujo. Los estudios de la reología de los fluidos generalmente se realizan en régimen de flujo laminar, el cambio de régimen ocurre cuando el gradiente de velocidad excede cierto valor crítico, que depende de la naturaleza de los fluidos. En el flujo turbulento la viscosidad muestra un aparente aumento con el incremento del gradiente de velocidad, de forma similar a los fluidos dilatantes. ¹⁹

Por lo explicado anteriormente, se dividieron las curvas de flujo en dos zonas para corroborar el efecto observado. Estas zonas se analizaron de forma independiente para definir que modelos reológicos las caracterizan. Se le llamó zona 1 a la parte de la curva de flujo con valores de gradientes de velocidad desde 0 hasta 500 s^-1 y zona 2 al resto de la curva hasta 1000 s^-1. Estos análisis se muestran en la figura 6.

Fig. 6
Curvas de flujo de las muestras de diésel sin tratamiento magnético (D) y de diésel tratado magnéticamente (DTM), analizadas por zonas.

Para las dos muestras de diésel analizadas (D y DTM) la mejor correlación para la zona 1 es de una línea recta. Las muestras se ajustan perfectamente al modelo Newtoniano a gradientes de velocidad por debajo de 500 s^-1 con coeficientes R² de 0,997 y 0,998; respectivamente (tabla 3). Estos resultados se corresponden con lo obtenido por Santos y colaboradores en 2011 ²⁰, para gradientes de velocidad por debajo de 300 s^-1.

Al analizar la zona 2, las muestras se comportaron como fluidos dilatantes, según el modelo Ostwald de Waele (R²= 0,997) para ambas muestras (tabla 3), lo que coincide con lo planteado por Capelli en 2012. ²¹ En la tabla 3 se muestra un resumen de los modelos, las ecuaciones y los coeficientes de ajuste de ambas muestras. Los ajustes obtenidos y la distribución de los puntos alrededor de la línea de tendencia, muestran que hay una mayor correspondencia si se analiza la curva por zonas que al analizarla de manera general.

Tabla 3
Ajuste de los modelos reológicos por zonas

En esta tabla 3, se subrayan los mejores ajustes y sus modelos matemáticos característicos. A partir de los resultados obtenidos por zonas, se puede afirmar que en la zona 1 ambas muestras (diésel antes y después del tratamiento magnético) se caracterizan por tener un comportamiento newtoniano. Para las dos muestras la ecuación del modelo reológico es la misma (ecuaciones 10 y 14).

En la zona 2, el diésel antes y después del TM se comportó como fluido dilatante según el ajuste al modelo Ostwald de Waele (ecuaciones 13 y 17). Los coeficientes que describen el modelo matemático dilatante para el diésel antes y después del tratamiento magnético son diferentes. Esta información se muestra resumida en la tabla 4.

Tabla 4
Parámetros del modelo reológico de las muestras de diésel analizadas antes (D) y después del tratamiento magnético (DTM) en la zona 2

Como se puede observar, existen diferencias entre los parámetros del modelo reológico dilatante del diésel antes y después del TM. El índice de consistencia disminuyó un 20 % y el índice de flujo aumentó un 1,26 %, lo que evidencia que ocurrieron cambios estructurales en el diésel después del tratamiento magnético. Estos cambios se manifiestan a elevados gradientes de velocidad.

Los gradientes de velocidad típicos que se presentan en el proceso de atomización del combustible en los MCI van desde 1000 hasta 10 000 s^-1.^₍₂₂) En estos valores de gradientes de velocidad el diésel se comporta como un fluido dilatante, si sigue el mismo comportamiento que se muestra en la figura 6. Por lo tanto, con las ecuaciones de los modelos reológicos obtenidos en la zona 2 se puede determinar la viscosidad que tendría el diésel en las condiciones reales del proceso de atomización.

La viscosidad no newtoniana para los fluidos dilatantes (modelo Ostwald de Waele) se define por la siguiente ecuación según Díaz García, A etal.²³

En la ecuación 18 se puede observar que la viscosidad en los fluidos dilatantes es directamente proporcional al índice de consistencia y al gradiente de velocidad. Utilizando los valores de la tabla 4 y un gradiente de velocidad de 1000 s^-1, típico de los procesos de atomización de combustible; se obtuvo que la viscosidad del diésel sin tratamiento magnético fue de 7,18 mPa s y la del diésel tratado magnéticamente fue de 6,68 mPa s. Esto indica que la viscosidad del diésel, en las condiciones del proceso de atomización, disminuyó en un 6,96 % con el tratamiento magnético aplicado.

Lo anterior puede ser explicado si se considera que el tratamiento magnético provocó cambios en las interacciones físicas y químicas de los componentes del diésel. Estos cambios pueden ser a nivel molecular o estructural, pero inducen modificaciones en las asociaciones que forman los hidrocarburos en este tipo de compuestos (los llamados clústeres), disminuyendo sus tamaños.

Estas modificaciones, incluyendo los cambios en los modelos reológicos del diésel, también alteran los procesos de combustión en los que participan estos combustibles tratados magnéticamente, fundamentalmente en los MCI. Ejemplos positivos de estas modificaciones son: la reducción de las emisiones de gases contaminantes como el CO₂, los NO_x y el CO ^17,24,25,26, la disminución de los índices de consumo y el aumento de la eficiencia térmica, ^14;27 entre otros.

1. 1. Para definir los modelos reológicos que caracterizan al diésel con y sin tratamiento magnético fue necesario realizar los ajustes en dos zonas de las curvas de flujo, el punto de inflexión entre las dos zonas, en el que ocurre un cambio de comportamiento reológico en el diésel fue 500 s^-1.
2. 2. Las muestras de diésel antes y después del tratamiento magnético se comportaron como fluidos newtonianos hasta 500 s^-1 y las ecuaciones de los modelos matemáticos de ambas muestras son iguales.
3. 3. A partir de 500 y hasta 1000 s^-1 las muestras se comportaron como fluidos dilatantes, la ecuación del modelo matemático del diésel después del tratamiento magnético es diferente a la del diésel sin tratar.
4. 4. El tratamiento magnético a partir de 500 y hasta 1000 s^-1 disminuyó un 20 % el índice de consistencia y aumentó un 1,26 % el índice de flujo de la ecuación del modelo dilatante del diésel. El tratamiento magnético provocó una disminución de un 6,96 % en la viscosidad no newtoniana del diésel en las condiciones en que se desarrolla el proceso de atomización de los motores de combustión interna (1000 s^-1).

B: inducción magnética (T)

Bmáx.: inducción magnética máxima (T)

Bmín.: inducción magnética mínima (T)

CO: monóxido de carbono

CO₂: dióxido de carbono

CNEA: Centro Nacional de Electromagnetismo Aplicado

CEINPET: Centro de Investigaciones del Petróleo

D: diésel sin tratamiento magnético

DTM: diésel tratado magnéticamente

K: índice de consistencia

MCI: motores de combustión interna

n: índice de flujo

NOx: óxidos de nitrógeno

R²: coeficiente d ajuste de las curvas a los modelos matemáticos

T: Tesla, unidad del Sistema internacional de Unidades de la inducción magnética

TM: tratamiento magnético

γ: gradiente de velocidad (s^-1)

τ: esfuerzo cortante (Pa)

η_P: viscosidad plástica (Pa s)

η: viscosidad no newtoniana (Pa.s)