Determinación de la estabilidad en mezclas de gasolina y alcohol

Stability Determination in Gasoline and Alcohol Mixtures

 

Juan Cruz Arencibia 1
Juan J. Llovera González 1
Ramón Piloto 2
1 Laboratorio de Física de Sistemas Dispersos (FISDILAB), Departamento de Física, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (ISPJAE), La Habana , Cuba.
2 Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (ISPJAE), La Habana , Cuba.
e-mail: bjuan@electrica.cujae.edu.cu

 

Resumen
Las mezclas de gasolina y alcohol se están utilizando cada vez más en la actualidad;
sin embargo, se reportan pocos estudios acerca de su estabilidad.

En el trabajo se presentan los estudios preliminares de dicha estabilidad aplicando la técnica dielectrométrica en el rango desde 5 % de alcohol hasta 35 % de este combustible mostrándose resultados aceptables hasta 15 % máximo. Se prueba además la no necesidad de emulsionar la mezcla en estos relativamente bajos porcentajes de alcohol.
Palabras clave: Mezclas de gasolina y alcohol, estabilidad.

Abstract
Gasoline and alcohol mixtures are increasingly used today, however, few studies refer to their stability. Preliminary studies are here presented of this stability, applying the dielectric metrical technique in the range of 5% of alcohol until 35 % of this fuel, showing acceptable results reaching a maximum of 15 %. The need to emulsify the mixture is shown in these relatively low percentages of alcohol.
Key words: Gasoline and alcohol mixtures, stability.

Introducción
Actualmente, y cada vez con mayor frecuencia, se utilizan alcoholes mezclados con diésel o gasolina en diferentes proporciones como combustibles alternativos.

Aunque las mezclas de etanol con gasolina son aparentemente homogéneas, la práctica demuestra que su estabilidad influye apreciablemente en el proceso de combustión y por tanto en los parámetros de operación de los motores; este hecho experimental, así como la necesidad de evaluar la influencia de la proporción de etanol en la estabilidad de la mezcla, justifican un estudio básico de este fenómeno a escala de laboratorio.

Las mezclas moleculares de dieléctricos modifican la permitividad y a partir de su medición se pueden sacar conclusiones acerca de su estabilidad [Hill y Vaughan, 1969] .

En este trabajo se resumen los resultados experimentales de la evaluación de la estabilidad de mezclas de etanol en gasolina entre 5 y 35 % de éste, aplicando el método dielectrométrico.

Materiales y métodos
Se prepararon muestras de mezclas de etanol absoluto (pureza de 99 %) en gasolina en cantidades de 20 mL cada una. La mezcla se logró por simple agitación manual a fin de reproducir la forma de mezclado que usualmente se utiliza en la práctica. Para realizar el estudio de permitividad se aplicó la técnica dielectrométrica implementada por uno de los autores [Llovera, 1998].

Diseño, calibración y evaluación de la celda de medición
En los capacitores reales debe considerarse que la capacitancia medida es la resultante de la capacitancia característica de la región de medición más cierta capacitancia adicional propia de la estructura de la celda, Cad . En virtud de lo anterior, el cálculo de la permitividad responde a la ecuación:

 
(1)

Donde:
C0: Capacitancia de la celda vacía.
Cx: Correspondiente a la celda llena con el dieléctrico a evaluar.
Cad: Constante característica de la celda que debe ser evaluada, ya que introduce una corrección sustractiva en la medición.

Para el diseño de la celda se escogió la variante de diseño correspondiente a un capacitor de placas planas y paralelas en forma de disco dispuestas aisladas, dejando entre ambas una holgura de espesor 0,5 mm , en la que queda encapsulada la muestra, la armadura exterior se cierra con una tapa removible de rosca, que tiene un pequeño orificio
de rebose destinado a garantizar el llenado uniforme de la cavidad por el líquido
[Llovera, 1996] (Fig. 1).


Fig. 1. Capacitor de placas planas y paralelas.

Para la evaluación y calibración de la celda ésta se acopló a un capacímetro que opera con una frecuencia de 1 MHz y capaz de apreciar 0,5 pF.

La calibración de la celda se hizo con etanol como sustancia patrón y se determinó
= 17 pF con error de ± 0,25 pF.

Posteriormente se midió (capacitancia de la celda con éter dietílico como patrón) y con el valor conocido de la permitividad del éter se calculó ; para la capacitancia adicional obtuvo el valor = 7 ± 0,25 pF.

La medición de la capacitancia de la celda vacía y sin cerrar C0 permitió obtener el valor
C0 = 17 ± 0,25 pF.

El estudio del error en la medición es el siguiente: Diferenciando la ecuación (1)
y aproximando a incrementos finitos se obtiene:

donde se ha considerado , de lo cual resulta que para la celda diseñada donde para un valor de permitividad de 8,9 (límite máximo medido en los experimentos) para el cual Cx =71 pF resulta

Resultados y discusión
Los resultados obtenidos se muestran en la figura 2.


Fig. 2. Comportamiento de la permitividad
con el tiempo para mezclar de etanol-gasolina.

En el mismo se aprecia que las mezclas correspondientes a 5, 10 15 y hasta 20 % mantienen una estabilidad relativamente buena particularmente la de 5 %, en la cual la permitividad aumenta ligeramente respecto a la de la gasolina pura y se mantiene inalterable en el tiempo, como se evidencia mejor en la tabla 1. Tabla 1. Permitividad

 Etanol (%)

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

t(s)

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

0

2,14

2,57

3,43

3,71

4,43

4,86

6,14

10

2,14

2,57

3,36

3,64

4,43

5,43

6,57

20

2,14

2,57

3,21

3,71

4,43

5,86

7,00

30

2,14

2,43

3,21

3,71

4,57

6,57

7,57

40

2,14

2,43

3,21

3,71

4,71

6,71

7,71

50

2,14

2,43

3,14

3,71

4,86

6,86

7,86

60

2,14

2,29

3,14

3,71

4,86

6,86

8,00

90

2,14

2,29

3,14

3,71

4,86

7,00

8,29

120

2,14

2,14

3,00

3,71

5,00

7,14

8,57

150

2,14

2,00

2,86

3,57

5,00

7,14

8,86

180

2,14

2,00

2,71

3,57

5,00

7,21

8,71

210

2,14

2,00

2,71

3,57

5,07

7,43

8,57

240

2,14

2,00

2,71

3,57

5,07

7,50

8,36

270

2,14

2,00

2,64

3,43

5,00

7,57

8,14

300

2,14

2,00

2,57

3,43

5,00

7,71

8,00

330

2,14

2,00

2,57

3,43

4,86

7,71

7,86

360

2,14

2,00

2,43

3,29

4,79

7,71

7,71

390

2,14

2,00

2,36

3,29

4,71

7,71

7,57

420

2,14

2,00

2,29

3,29

4,64

7,57

7,50

450

2,14

2,00

2,29

3,21

4,57

7,57

7,43

480

2,14

2,00

2,29

3,14

4,57

7,50

7,21

510

2,14

2,00

2,14

3,14

4,43

7,50

7,14

540

2,14

2,00

2,14

3,00

4,29

7,50

7,00

570

2,14

2,00

2,14

2,86

4,14

7,50

7,00

600

2,14

2,00

2,14

2,86

4,14

7,50

7,00


Las mezclas de porcentajes superiores muestran un comportamiento variable con un incremento inicial de la permitividad y su posterior reducción paulatina, a excepción de la de 30 % en la cual después de aumentar durante los primeros cinco minutos permanece ligeramente estable.

Del resultado se puede apreciar que aún sin haberse emulsionado el etanol, las mezclas simples resultan suficientemente estables como para permitir su utilización sin que influyan apreciablemente en los parámetros de operación del motor.

Es de resaltar que de acuerdo con los resultados obtenidos puede recomendarse en particular que si se desean usar mezclas de fracciones de etanol superiores a 15 % se utilice de 30 % por la mejor estabilidad reportada después de los cinco primeros minutos aproximadamente de su preparación.

Conclusiones
1. El método dielectrométrico se puede recomendar para estudiar la estabilidad de las mezclas de etanol en gasolina, pudiéndose extender el estudio a tiempos superiores.
2. Las emulsiones con fracciones de etanol inferiores a 15 % son recomendables por su relativamente alta estabilidad.
3. Si se desea utilizar mezclas de alto porcentaje de etanol en gasolina, pero inferiores a 35 %, se recomienda la de 30 % por su relativamente alta estabilidad después de los primeros cinco minutos de mezclada.

Bibliografía
Hill, N. E. y W. E. Vaughan. «Dielectric Properties and Molecular Behaviour». Londres: Van Nostrand Reinhold Co., 1969.
Llovera, J. J. «Métodos experimentales para el estudio de la estabilidad y la microexplosión de combustibles emulsionados». Tesis de Grado de Doctor. La Habana : 1998.
______. «Sistema de asesoramiento científico-técnico para el desarrollo de los combustibles emulsionados». Informe técnico. Ponencia XI Fórum Nacional de Ciencia y Técnica. Ciudad de La Habana : 1996.