universitatea din craiova facultatea de inginerie … · evalua performanțele motoarelor și este...

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ

TEZĂ DE DOCTORAT

REZUMAT

ASPECTE PRIVIND UTILIZAREA

BIOCOMBUSTIBILILOR ÎN MOTOARELE CU

ARDERE INTERNĂ

Coordonator științific

Prof. univ. dr. ing. Marin Bică

Autor

Fazal Um Min Allah

CRAIOVA, 2016

1

PREFAȚĂ

Fluctuațiile în ceea ce privește prețul și furnizarea de combustibili convenționali au împins cercetătorii să exploateze potențialul combustibililor alternativi. Utilizarea combustibililor convenționali și alternativi impune amenințări la adresa mediului. Cu toate acestea, pentru utilizarea biocombustibililor durabili și ecologici este nevoie de o oră pentru a face față provocării schimbărilor climatice. Biocarburanții au fost folosiți încă din cele mai vechi timpuri. Aspecte privind producția și utilizarea acestor biocombustibili sunt acoperite în lucrarea mea. Analiza comparativă este dată prin evaluarea performanțelor motoarelor diesel pentru diferite tipuri de combustibili. Acești combustibili și-au dovedit avantajele față de combustibilii convenționali.

Biocarburanții ar trebui să îndeplinească standardele europene și ASTM pentru a fi utilizați în motoarele cu ardere internă. Producția de biodiesel implică mai multe etape. Proprietățile fizice și chimice sunt afectate de procese de producție. Producția eficientă de biodiesel se poate realiza prin dezvoltarea și optimizarea acestor procese.

Tehnicile optice sunt utile în proiectarea motoarelor moderne. Performanța unui motor poate fi analizată prin utilizarea acestor tehnici. Dinamica fluidelor ajută la analiza proceselor de ardere și de emisie prin utilizarea software-ului. Diferite tipuri de amestecuri de combustibil sunt utilizate în motor diesel pentru a evalua performanțele motoarelor și este dată o analiză comparativă a parametrilor de performanță. Standardele de durabilitate și certificări sunt, de asemenea, discutate.

Sunt recunoscător Prof. Marin Bică pentru sugestiile și îndrumările oferite și personalului de laborator de la Universitatea din Craiova. De asemenea, sunt recunoscător familiei mele pentru furnizarea de asistență financiară în timpul studiilor de doctorat.

Fazal Um Min Allah

2

CUPRINS

1 RESURSE DE ENERGIE .......................................................................................................... 04

1.1 Resursele de energie neregenerabilă ............................................................................................. 04

1.2 Resursele de energie regenerabile ................................................................................................. 05

1.3 Resursele de energie din România ................................................................................................ 06

1.4 Energie și Mediu ........................................................................................................................... 06

1.5 Concluzii ........................................................................................................................................ 06

2 CARACTERISTICI FIZICE ȘI CHIMICE BIOCARBURANȚILOR ................................. 08

2.1 Biocombustibili durabili ............................................................................................................... 08

2.2 Biocombustibili convenționali ....................................................................................................... 12

2.3 Biocombustibili avansați ............................................................................................................... 13

2.4 Analiza termică ............................................................................................................................. 13

2.5 Concluzii ....................................................................................................................................... 19

3 PRODUCȚIA BIODIESELULUI ............................................................................................. 21

3.1 Biodieselul Jatropha ...................................................................................................................... 21

3.2 Factori care influențează procesul de transesterificare ................................................................. 24

3.3 Producerea de biodiesel Microalgae ............................................................................................. 25

3.4 Tehnologii de producție a biodieselului ........................................................................................ 25

3.5 Purificarea biodieselulului ........................................................................................................... 26

3.6 Glicerina ........................................................................................................................................ 26

3.7 Producția de biodiesel în România ................................................................................................ 26

3.8 Concluzii ........................................................................................................................................ 26

4 CARACTERISTICILE DE PULVERIZARE ȘI ARDERE A COMBUSTIBILILOR

DIESEL ȘI BIODIESEL ................................................................................................................... 28

4.1 Diagnosticare optică ...................................................................................................................... 28

4.2 Spray Modelarea pulverizării diesel ............................................................................................. 28

4.3 Arderea în motoarele diesel .......................................................................................................... 28

4.4 Arderea biodieselului .................................................................................................................... 28

4.5 Calcule de ardere............................................................................................................................ 28

4.6 Concluzii ........................................................................................................................................ 32

5 SIMULAREA ȘI MODELAREA MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ ................... 34

5.1 Introducere ..................................................................................................................................... 34

5.2 Programe de simulare pentru motoarele cu ardere internă ............................................................ 34

5.3 Concluzii ........................................................................................................................................ 38

3

6 EVALUAREA PERFORMANȚELOR MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ ........... 39

6.1 Formarea poluanților ...................................................................................................................... 39

6.2 Obiective și standarde de emisie în cadrul UE ............................................................................. 39

6.3 Formarea emisiilor ........................................................................................................................ 39

6.4 Modificări ale motorului pentru emisii ......................................................................................... 39

6.5 Reforma de combustibil ................................................................................................................ 39

6.6 Evacuare după tratament pentru motor diesel ............................................................................... 59

6.7 Concluzii ........................................................................................................................................ 59

7 PROVOCĂRILE DURABILITĂȚII ȘI LUCRĂRI VIITOARE ........................................... 62

7.1 Perspectivele mediul înconjurător ................................................................................................. 62

7.2 Economie ...................................................................................................................................... 63

7.3 Produse alimentare vs. combustibil .............................................................................................. 63

7.4 Social Aspects ................................................................................................................................ 63

7.5 Standarde și certificări de durabilitate ........................................................................................... 64

7.6 Concluzii ........................................................................................................................................ 64

7.7 Lucrări viitoare și recomandări ...................................................................................................... 64

4

Capitolul I

1. RESURSE DE ENERGIE

Energia este definită ca fiind capacitatea de munci. Este prezentă în diferite forme, cum ar fi căldura,

electricitatea, mișcarea etc. Oferă baza pentru economia și creșterea unei țări. Sectoarele care implică

fluxul de energie și de utilizare includ electrocasnicele, transportul, agricultura și sectoarele industriale.

Clasificarea și unitățile de energie depind de limitele și granițele domeniilor științelor naturale [1], [2].

Resursele de energie neregenerabilă și regenerabilă sunt discutate în acest capitol.

1.1 Resursele de energie neregenerabile

O resursă neregenerabilă poate fi definită ca resursă naturală, care nu poate fi reprodusă la scară

comparabilă cu consumul său. Aceste resurse includ combustibili fosili și resurse de energie nucleară. O

descriere a acestor resurse este dată în acest capitol.

1.1.1 Energie nucleară

Istoria energiei nucleare pornește de la descoperirea atomilor. Energia este eliberată prin divizarea unui

atom sau prin combinarea a doi atomi. Uraniul este materialul care apare numai în mod natural, care este

utilizat în reacția de fisiune. Atomul de uraniu este bombardat cu un neutron și se desparte în continuare

în doi atomi mai mici, [3]. Reacția fisiunii poate fi reprezentată prin următoarea ecuație [4].

U92235 + n0

1 ⟶ Kr3692 + Ba56

142 + 2n01 + Energie

1.1.2 Cărbunele

Esteun material negru lucios solid care conține carbon, hidrogen, oxigen, sulf, azot și apă. Acesta a fost

utilizat pe scară largă în industria oțelului și fierului drept combustibil în timpul revoluției industriale. Un

conținut mai ridicat de carbon al cărbunelui reprezintă un conținut mai ridicat de energie. Lignitul,

bituminosul și antracitul sunt principalele tipuri de cărbune prezente în natură. Proprietățile acestor tipuri

de cărbune sunt prezentate pe scurt în fig 1.1.

Figura 1.1 – Clasificarea și proprietățile cărbunelui [5]

5

1.1.3 Petrolul

Grăsimi și plante de animale au fost îngropate la mii de picioare sub ocean, cu multe milioane de ani în

urmă. Apoi au fost transformate în hidrocarburi, sub o presiune imensă și căldură. Această transformare

necesită anumite condiții care trebuie îndeplinite. Utilizarea petrolului pentru deschiderea culorii este la

fel de veche ca civilizatiile egiptene și chinezești. Uleiul brut este format din alcani, cicloalcani și

hidrocarburi aromatice [1].

1.1.4 Gaz natural

Este combustibil neregenerabil format din alcani, azot, dioxid de carbon, hidrogen sulfurat, heliu și

conținutul de apă. Arderea gazului natural este mai curat și are mai puține emisii decât cea a benzinei și

motorinei [6].

1.2 Resursele de energie regenerabilă

Securitatea energetică și schimbările climatice au motivat oamenii de știință să găsească soluții alternative

de energie. Resursele regenerabile apar în natură și se alimentează ele însele. Soarele este principala sursă

de energie regenerabilă. Energiile eoliană, solară, a valurilor și bioenergia își au originea de la soare.

Fluxurile chimice de energie sunt responsabile pentru reproducerea energiei din surse regenerabile.

1.2.1 Bioenergia

Este un tip de energie, care este produsă din biomasă. Materia primă pentru bioenergie include materii

organice din resurse biologice, cum ar fi copaci, plante, culturi și deșeuri (gunoi de grajd, lemn, comunale

și industriale). Culturile alimentare pot genera energie și acestea includ porumbul, rapița, soia și trestia de

zahăr. Utilizarea acestor culturi ca energie poate provoca probleme de securitate alimentară. Culturile

comestibile, cum ar fi Jatropha, Ceiba și sterculia pot fi utilizate ca potențiale materii prime pentru

producția de combustibil [7].

1.2.2 Hidroenergia

Sursa acestei energii este apa în mișcare, a cărei mișcare este cauzată de radiațiile solare. Acest lucru este

generat printr-un proces ciclic. Energia solară este responsabilă pentru evaporarea apei. Acești vapori

călătoresc sub formă de nori și apoi cad sub formă de precipitații. Fluxul de apă spre ocean creează

imensa cantitate de energie care poate fi transformată în energie electrică prin utilizarea turbinelor și a

generatoarelor [8].

1.2.3 Energia geotermală

Acest tip de energie se obține din energia termică a pământului. Utilizarea energiei geotermale pe scară

largă poate reduce emisiile de gaze de seră. Rezervorul de energie geotermală depinde de poziția

geografică [9].

1.2.4 Energia eoliană

Distribuția neuniformă a radiației solare pe pământ antrenează sistemul de convecție. Acest sistem de

convecție produce o mișcare de vânt care poate fi convertită în altă formă de energie [10].

1.2.5 Energia oceanelor

Oceanul are energie sub formă de valuri, căldură, curent și maree. Conversia energiei termice a oceanului

(OTEC) poate fi utilizată pentru a genera energie electrică, care este prezentă sub forma gradientului

6

termic natural. Căldura este folosită pentru producerea de abur și apoi aburul este folosit pentru a rula

turbine [11].

1.2.6 Energia termală

Energia produsă de radiațiile solare este numită energie solară. Această energie poate fi utilizată pentru

încălzirea spațiului, răcire și producerea de energie electrică. Radiațiile solare pot fi împărțite în fascicul

și iradianță difuză. Iradianța fasciculului vine direct pe pământ, în timp ce iradianța difuză este radiație

reflectată. Suma ambelor iradiații este numită iradianță solară globală [12].

1.3 Resursele de energie din România

România este situată în Europa de Est, cu 41 de județe și capitala București. Ministerul Economiei,

Comerțului si de afaceri este responsabil pentru producerea de energie, transport și utilizare. Strategia

națională în domeniul energiei 2015-2035 dictează obiectivele politicii energetice [13].

1.4 Energie și mediu

Schimbările de mediu aduc consecințe ecologice. Aceste consecințe includ efectele asupra producției

agricole, migrația sau dispariția unor specii și a sănătății umane. Cea mai mare problemă legată de

consumul de energie este legată de schimbările climatice și încălzirea globală. Această problemă nu a

afectat numai activitățile științifice, ci și deciziile politice. Creșterea concentrației de CO2 în atmosferă

implică schimbări climatice. Arderea combustibililor fosili este cauza concentrației mai mari de gaze cu

efect de seră în atmosferă. Nevoile de energie sunt puternic dependente de utilizarea combustibililor

fosili. Creșterea cu 40% a concentrației de CO2 în atmosferă este înregistrată în 1750AD. Această creștere

a concentrației a adus schimbări vitale în sistemele ecologic și de mediu. Sistemul complex al planetei

Pământ poate fi afectat de mici schimbări climatice [14].

1.5 Concluzii

Creșterea consumului de combustibili convenționali a scăzut securitatea energetică. Oamenii de știință

caută soluții alternative cu scopul de a obține beneficii din resurse ieftine și abundente de energie din

surse regenerabile. Utilizarea resurselor energetice convenționale este una dintre cauzele schimbării

climatice și a emisiilor de gaze cu efect de seră. Consumul surselor de energie regenerabilă asigură

beneficii de securitate a mediului și energiei. Biomasa este o resursă importantă de energie din surse

regenerabile, care poate fi exploatată pentru a satisface cererile de energie. România are un mare potențial

de resurse regenerabile de energie. 16% din cererile de energie din România sunt îndeplinite de către

resursele de biomasă. Cercetarea și dezvoltarea în sectorul bioenergiei poate crește ponderea energiei din

surse regenerabile. Creșterea cotei de bioenergie poate reduce dependența de combustibilii fosili, ceea ce

este benefic pentru mediu.

Referințe

[1] Demirel, Y. 2012: Energy Production, Conversion, Storage, Conservation and Coupling, Springer.

London, United Kingdom.

[2] Cassedy, E. S. Grossman, P. Z. 1998: Introduction to Energy: Resource, Technology and Society,

Second Edition, Cambridge University Press. London, United Kingdom.

[3] United States Department of Energy, The History of nuclear Energy, Washington D.C., DOE/NE0088

7

[4] Murty, K. L. Charit, I. 2013: An Introduction to Nuclear Materials: Fundamentals and Applications,

First Edition, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, Germany.

[5] Information available on: http://www.ems.psu.edu/~radovic/Chapter7.pdf. Accessed on 27/07/2015

[6] Demirbas, A. 2010: Methane Gas Hydrate, Springer-Verlag. London, United Kingdom.

[7] U.S. Environmental Protection Agency, 2009: State Bioenergy Primier, National Renewable Energy

Laboratory, USA

[8] Kumar, A., T. Schei, A. Ahenkorah, R. Caceres Rodriguez, J.-M. Devernay, M. Freitas, D. Hall, Å.

Killingtveit, Z. Liu, 2011: Hydropower. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and

Climate Change Mitigation [O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, K. Seyboth, P. Matschoss, S.

Kadner, T. Zwickel, P. Eickemeier, G. Hansen, S. Schlömer, C. von Stechow (eds)], Cambridge

University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA

[9] Goldstein, B., G. Hiriart, R. Bertani, C. Bromley, L. Gutiérrez-Negrín, E. Huenges, H. Muraoka, A.

Ragnarsson, J. Tester, V. Zui, 2011: Geothermal Energy. In IPCC Special Report on Renewable Energy

Sources and Climate Change Mitigation [O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, K. Seyboth, P.

Matschoss, S. Kadner, T. Zwickel, P. Eickemeier, G. Hansen, S. Schlömer, C. von Stechow (eds)],

Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA

[10] Wiser, R., Z. Yang, M. Hand, O. Hohmeyer, D. Infield, P. H. Jensen, V. Nikolaev, M. O’Malley, G.

Sinden,A. Zervos, 2011: Wind Energy. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and

Climate ChangeMitigation [O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, K. Seyboth, P. Matschoss, S.

Kadner, T. Zwickel,P. Eickemeier, G. Hansen, S. Schlömer, C. von Stechow (eds)], Cambridge

University Press, Cambridge, UnitedKingdom and New York, NY, USA

[11] Pelc, R. Fujita, R.M. 2002: Renewable Energy from the Ocean, Marine policy. 26, pp. 471-479.

[12] Arvizu, D., P. Balaya, L. Cabeza, T. Hollands, A. Jäger-Waldau, M. Kondo, C. Konseibo, V.

Meleshko,W. Stein, Y. Tamaura, H. Xu, R. Zilles, 2011: Direct Solar Energy. In IPCC Special Report on

RenewableEnergy Sources and Climate Change Mitigation [O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y.

Sokona,K. Seyboth, P. Matschoss, S. Kadner, T. Zwickel, P. Eickemeier, G. Hansen, S. Schlömer, C. von

Stechow (eds)],Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA

[13] Information available on: http://www.enercee.net/. Accessed on: 27/07/2015

[14] Michaelides, E. E. 2012: Alternative Energy Resources, Green Energy Technology, Springer.

Heidelberg Dordrecht London New York

http://www.ems.psu.edu/~radovic/Chapter7.pdf

http://www.enercee.net/

8

Capitolul II

2. PROPRIETĂȚI FIZICE ȘI CHIMICE ALE BIOCARBURANȚILOR

Biocombustibilul este un tip de energie derivată din resurse sau materiale biologice. Aceste resurse includ

toate tipurile de lichide, solide și combustibili gazoși, care provin din resurse regenerabile organice sau

anorganice. Mai mult decât atât, acesta poate fi împărțit în biocombustibili durabili, convenționali și

avansați. Caracteristicile fizice și chimice ale acestor biocombustibili sunt discutate în acest capitol. De

asemenea, resursele de energie neregenerabilă și regenerabilă sunt discutate în acest capitol.

2.1 Biocombustibilii durabili

Biocombustibilii lichizi, care sunt obținuți direct din materiale vegetale, pot fi utilizați drept combustibil

datorită creșterii prețurilor la energie, dar criticați din cauza problemellor de mediu, securitatea alimentară

și utilizarea terenurilor. Zahărul, amidonul, lignoceluloza, coprodusele rezultate din producția de cereale,

ierburile perene, lemnul, uleiurile vegetale, resursele marine, agricultura, deșeurile forestiere și deșeurile

comunale sunt potențiale stocuri de materie primă pentru producția de biocombustibili durabili [1].

2.1.1 Jatropha

Face parte din familia Euphorbiaceae-lor. Aceasta crește în condiții tropicale și subtropicale. Planta

jatropha și semințele ei pot fi văzute în figura 2.1 [2], [3]. Uleiul obținut din aceasta este utilizat pentru

producerea de biodiesel. Semințele de jatropha au fost importate din Thailanda în scopuri experimentale.

Proprietățile combustibilului sunt importante în determinarea calității acestuia. Uleiul de jatropha este

extras prin metoda de extracție cu solvent. Proprietățile fizice și chimice ale uleiului de jatropha sunt

determinate la Departamentul de Chimie, Craiova [4].

Figure 2.1 – Planta jatropha și semințele ei

Densitatea uleiului de jatropha se măsoară cu ajutorul picnometrului conform standardului SR 145-3:

2009. După cântărirea picnometrului gol, acesta este umplut cu apă distilată și în final cu uleiul de

jatropha. Densitatea se determină prin următoarea expresie.

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑡𝑒𝑎 = 𝑚2−𝑚1

𝑉+ 𝜌𝑎𝑒𝑟 𝑔/𝑐𝑚3 (2.1)

9

Unde,

m2 = masa picnometrului cu probă în grame

m1 = masa picnometrului gol în grame

𝑉 = volumul picnometrului în cm3

𝜌𝑎𝑒𝑟 = 0.0012g/cm3 la temperatura camerei și presiune

Vâscozitatea cinematică este definită ca rezistența internă a unui fluid împotriva deformării sub tensiunea

de forfecare. Vâscozitatea cinematică a uleiului de jatropha se determină cu ajutorul metrului de

vâscozitate Ubbelohde. Valoarea determinată este 40.1 cSt la 40°C. Picnometrul și vâscozimetrul

Ubbelohde, care sunt utilizate în experimente, sunt prezentate în figura 2.2.

Figure 2.2 – Picnometrul și vâscozimetrul Ubbelohde

Indicele iodului este utilizat pentru a determina gradul de nesaturare a acizilor grași. Valoarea iodului este

determinată în conformitate cu standardul SR EN ISO 3961. 0,25 ml de jatropha a fost luată drept probă.

10 cm3 de cloroform a fost amestecat în eșantion. Apoi a fost adăugată 25 cm

3 de soluție Hanus. Titrarea a

fost realizată cu tiosulfat de sodiu până când soluția a devenit gălbuie. Apoi, titrarea a fost realizată cu

ajutorul soluției de amidon până când acesta a devenit albastră. Între timp, testele martor au fost realizate

cu aceeași cantitate de soluție de solvent și Hanus în aceleași condiții. Valoarea iodului se calculează prin

următoarea expresie.

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑖𝑜𝑑𝑢𝑙𝑢𝑖 = 0.129 𝑉2−𝑉1 ×𝑛×100

𝑚𝑔𝐼𝑜𝑑/100𝑔 (2.2)

În cazul în care 𝑉2 reprezintă volumul tiosulfatului utilizat în timpul titrării testului martor, 𝑉1 reprezintă

volumul tiosulfatului utilizat în timpul titrării, fără grăsimi, 𝑛 este normalitatea tiosulfatului și m este

masa probei. Valoarea iodului pentru uleiul de Jatropha este determinat ca 103 mgIod/g. O valoare mai

mare de iod indică gradul mai ridicat de nesaturare pentru soluție. Aceasta crește odată cu creșterea

numărului de legături duble prezente în soluție.

Intervalul de timp dintre începutul conductibilității și creșterea bruscă a soluției în formarea acizilor

volatili este numit indicele de stabilitate la oxidare (OSI). O instalație este utilizată pentru a măsura OSI a

uleiului de jatropha. Temperatura de funcționare a instalației este de 110°C. OSI pentru uleiul de jatropha

este de 179 de minute. Auto-oxidarea uleiului poate reduce calitatea uleiului. Prezența prafului, a căldurii

și umidității poate afecta OSI. Uleiul oxidat are vâscozitate mai mare, ceea ce cauzează probleme în

sistemul de injecție a motorului. Diferența dintre uleiul de jatropha oxidat și uleiul de jatropha proaspăt

extras poate fi observată în figura 2.3.

10

Aciditatea este un alt parametru pentru determinarea calității uleiului. 5 ml de probă de ulei jatropha este

luat în sticlă Erlenmayer. 500 cm3 de solvent a fost adăugat în ea. Titrarea se face cu o soluție de NaOH

până când devine roz. Numărul de aciditate poate fi calculat prin următoarea expresie.

𝐴 = 56.11×𝑉𝑠×𝑛

𝑚𝑚𝑔𝐾𝑂𝐻/𝑔 (2.3)

Figura 2.3 - ulei de jatropha proaspăt extras (stânga) și ulei de jatropha oxidat (dreapta) [4]

Unde Vs reprezintă volumul de hidroxid de sodiu utilizat în titrare, n este normalitatea de hidroxid de

sodiu, m este masa probei și A este valoarea acidității. Cea mai mică valoare a temperaturii la care

combustibilul devine inflamabil este numit punct de aprindere. Punctul de inflamabilitate pentru uleiul de

jatropha este măsurat în conformitate cu standardul SR EN 5489-2009.

𝑡760 = 𝑡𝑝− 𝑝−760

30 (2.4)

Figura 2.4 - Tester punct de aprindere și Abbe-Zeiss refractometru

Unde t760 reprezintă punctul de aprindere la o presiune de 760 torr, tp este punctul de aprindere la

presiunea p și p reprezintă presiunea la care se efectuează experimentul. Punctul de aprindere a uleiului de

jatropha este de 149°C. Indicele de refracție al jatropha este determinat prin utilizarea refractometrului

Abbe-Zeiss și valoarea sa este 1.4961. Valoarea de saponificare poate fi definită ca număr de hidroxid de

potasiu necesar pentru a neutraliza acizii liberi și saponifica esterii pe fond. Valoarea de saponificare se

determină în conformitate cu standardul SR EN ISO 3657: 2013, prin ecuația 2.5.

Indicele de peroxid determină stabilitatea uleiurilor vegetale. Indicele de peroxid al uleiului de jatropha

este determinat cu ajutorul metodei Hara-Totani. 20 ml de probă de ulei jatropha a fost luată și apoi 10 ml

de chloroform a fost au fost dizolvați în soluție. Apoi s-au adăugat 15 ml de acid acetic glacial. 0,3 ml de

11

soluție saturată de Kl s-a adăugat apoi, după înlocuirea aerului cu dioxid de carbon. Soluția a fost apoi

răcită, punând-o în baie de gheață. 100 ml de apă distilată rece s-a adăugat la soluție. Titrarea este apoi

realizată cu tiosulfat de sodiu, menținând soluția în baie rece. O schimbare la punctul de echivalență a fost

observat în timpul efectuării testului martor. Valoarea se calculează cu următoarea formulă. V1 și V2

reprezintă volume de soluție de tiosulfat de sodiu 0,001 N pentru titrarea probei și, respectiv, a probei

martor. Masa probei de ulei jatropha este reprezentat de m. N și F sunt normalitatea și, respectiv, factorul

de soluție de tiosulfat de sodiu 0,001 N. Valoarea calculată este 13.1 mEO2/kg [5].

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑜𝑥𝑖𝑑𝑢𝑙𝑢𝑖 = 𝑉1−𝑉2 ×𝐹×𝑁×1000

𝑚𝑚𝐸𝑂2/𝑘𝑔 (2.5)

𝑃𝑢𝑛𝑐𝑡𝑢𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑝𝑜𝑛𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑟𝑒 = 𝑉3−𝑉4 ×𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝐻𝐶𝐿 ×𝑇.𝐾𝑂𝐻

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑖 î𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑒𝑚𝑔𝐾𝑂𝐻/𝑔 (2.6)

Unde V3 reprezintă volumul de acid clorhidric consumat în timpul testului martor și V4 reprezintă volumul

de acid clorhidric utilizat în timpul titrării soluției. Valoarea de saponificare a uleiului jatropha este

determinată ca 107 mgKOH/g. Uleiul de jatropha poate fi folosit direct combustibil la motoare diesel.

Uleiul de jatropha preîncălzit are o eficiență mai mare deoarece este mult mai potrivit pentru sistemul de

injecție. Uleiul de jatropha poate fi transformat în ester metilic biodiesel sau acizi grași prin

transesterificarea dată în procesul următor.

𝑈𝑙𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝑗𝑎𝑡𝑟𝑜𝑝𝑕𝑎 + 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙𝐶𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐵𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝐺𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛ă

O comparație a proprietăților fizice și chimice între uleiul de jatropha, biodiesel și standardul european

este prezentat în tabelul 2.1. Utilizarea directă a uleiului de jatropha sau biodiesel depinde de mai mulți

factori, inclusiv consumul de energie, specificarea generatorului, condițiile climatice, perioada de timp și

resursele financiare. Finanțele folosirii acestuia nu sunt încă justificate, dar îmbunătățiri pot fi făcute cu

ajutorul guvernului și a parteneriatului privat.

Tabelul 2.1 - Proprietățile uleiului de jatropha și biodiesel jatropha [4]

Proprietăți Metodă de test Ulei de jatropha Biodiesel jatropha EN 14214

Densitate (kg/m3) SR 145-3: 2009 921 881.6 860-900

Viscozitate

cinematică (cSt)

ASTM D-445 40.1 4.46 3.5-5

Valoarea iodului

(mgIod/g)

SR EN ISO

3961

103 96.7 <120

Oxidation stability

(minute)

179

Punct de aprindere

(°C)

SR EN 5489-

2009

149 188 ˃101

Valoarea de

saponificare

(mgKOH/g)

SR EN ISO

3657:2013

170 186.9

Indicele de refracție SR EN ISO

6320: 2002

1.4961

2.1.2 Algele

Acestea sunt fabrici de celule derivate din microalge în prezența luminii solare. Un bioreactor de

fotografie este utilizat pentru producerea de biodiesel de alge [6].

12

2.2 Biocombustibilii convenționali

Aceste tipuri de biocombustibili sunt produși din uleiuri vegetale, zahăr, amidon și grăsimi animale.

Acești biocombustibili includ uleiuri vegetale drepte (SVOs), biodiesel, bioalcohols și biogaz. Utilizarea

acestor tipuri de biocombustibili în motoarele cu ardere internă depinde de proprietățile lor fizice și

chimice. Această secțiune oferă o trecere în revistă a proprietăților biocombustibililor din prima generație.

O comparație a proprietăților lor sunt oferite pentru a evalua caracterul adecvat al acestora drept

combustibil.

2.2.1 Uleiurile vegetale

Utilizarea uleiurilor vegetale într-un motor diesel depinde de proprietățile sale fizice, cum ar fi vâscozitate

și densitate. Valori mai mari ale vâscozității și densității pentru uleiurile vegetale face injecția și

atomizarea dificile în motoare cu ardere internă [7].

2.2.2 Biodieselul

Este un tip de combustibil care se obține dintr-o resursă biologică ce urmărește să înlocuiască motorina.

Denumirea chimică pentru biodiesel este ester metilic al acidului gras. Vâscozitatea cinematică este un

factor important pentru determinarea caracteristicilor de injectare, de ardere și de emisie a unui

combustibil. Pentru biodiesel, aceasta variază de la 3.3 mm2/s la 5.5 mm

2/s la 40°C. De obicei, este mai

mare pentru biodiesel comparativ cu cea a motorinei. Pentru combustibilul biodiesel variază de la 860

kg/m3 la 894 kg/m

3 la 15°C. Densitatea de biodiesel este mai mare decât densitatea motorinei petroliere.

Densitatea biodieselului depinde de lungimea lanțului, compoziția și puritatea esterului metilic. Lungimea

mai mare a lanțului conduce la o densitate mai mică a biodieselului. Punct de nor (CP) pentru biodiesel

este în intervalul de la -3 la +12°C și punctul de curgere (PP) este cuprins între -15°C și 10°C. Atât PC,

cât și PP sunt mai mari pentru biodiesel decât pentru motorină. Punctul de aprindere (FP) este în

intervalul de la 100 la 170°C. FP este un factor important pentru a determina stabilitatea și securitatea

combustibilului în timpul depozitării și transportului. Caracterul adecvat al combustibilului biodieselului

pentru motorul diesel ca alternativă poate fi determinat prin valoarea calorifică. Este mai mic pentru

combustibilul biodiesel decât cel al motorinei. Lubricitatea biodieselului este mai mare la combustibilul

diesel și rezultatele se văd în mai puțină uzură a motorului. Pentru a fi stabil precum un combustibil ar

trebui să aibă oxidant, stabilitate termică și depozitare. Biodieselul cu catenă scurtă este cu FP și CP mai

mici, ceea ce cauzează proprietăți de curgere reduse. Pentru a fi utilizat drept combustibil pentru

transportul rutier, numărul cetanic pentru biodiesel ar trebui să fie de cel puțin 40. Numărul cetanic (CN)

pentru biodiesel este cuprins în intervalul 48-65 [8], [9]. O comparație între standardul european EN

14214 și standardul ASTM american 6751 pentru biodiesel este dată în tabelul 2.2.

Tabelul 2.2 - Standardul european EN 14214 și ASTM 6751 pentru biodiesel [8]

Proprietăți Unități EN 14214 ASTM 6751

Densitatea la 15°C kg/m3 860-900 -

Vâscozitatea

cinematică la 40°C

mm2/s 3.5-5 1.9-6

Punct de aprindere °C 101min 130 min

Numărul cetanic 51min 47 min

Stabilitatea la oxidare Ore 6 la 110°C 3

Conținutul de fosfor 0.001 max

Numărul acidului mgKOH/g 0.5 0.80

13

2.2.3 Bioetanolul

Acesta este produs prin fermentarea materiei prime de zahăr, din conversia amidonului obținut din

biomasă în bioetanol și prin hidratarea etilenei obținută din combustibili fosili. Utilizarea bioetanolului

drept combustibil necesită modificări ale motorului astfel încât sunt utilizate amestecurile sale cu

biodiesel și motorină [10].

2.2.4 Biogazul

Acesta poate fi obținut prin digestia anaerobă a biomasei și apoi modernizat pentru a-l folosi drept

combustibil. Biogazul este compus din metan (50 ~ 70%), hidrogen (1 ~ 5%), azot (0,3 ~ 3%) și sulfuri de

hidrogen. Biogazul (cu 60% CH4, 38% CO2 și gazele reziduale 2%) are o valoare de încălzire de 6kW/m3,

densitatea de 1.2 kg/m2 și temperatura de aprindere de 700°C. Biogazul are o valoare mai mare de cifră

octanică decât cea a benzinei, dar utilizarea sa în motorul pe benzină implică o eficiență termică mai mică

[11].

2.3 Biocombustibilii avansați

Acești biocombustibili sunt, de asemenea, cunoscuți ca biocombustibili de a doua generație. Aceștia sunt

fabricați din diferite tipuri de biomasă. Limitările în producția de biocombustibili din prima generație au

condus pe piața de combustibil spre producția de biocombustibili de a doua generație. Aceste produse

sunt biocombustibili din materiale lingo-celulozice. Printre tehnologiile pentru producerea acestor

biocombustibili includ gazeificarea, lichefierea, piroliza, tratarea hidro și metoda Fischer-Tropsch.

2.3.1 Bio-eterii

Dimetil eterul este un tip de bio-eter utilizat cu combustibil diesel pentru motor diesel, pentru a reduce

funinginea, dar are problema de a nu se amestecarea cu combustibil diesel în mod corespunzător. Această

problemă poate fi depășită prin utilizarea eterilor dimetil oxigenați [12].

2.3.2 Combustibilii Biosyngas și Fischer-Tropsch

Biosyngas-ul poate fi obținut prin aplicarea tehnicii de gazeificare a biomasei derivate din diferite tipuri

de materie primă. Se compune din azot (50 ~ 54%), monoxid de carbon (17 ~ 22%), dioxid de carbon (9 ~

15%), hidrogen (12 ~ 20%) și metan (2 ~ 3%). Valoarea calorică variază de la 5 la 5.9 MJ/Nm3 [13].

2.3.3 Biometanolul

De asemenea, este cunoscut sub numele de alcool de lemn. Este produs din biogaz și utilizat în motoarele

cu ardere internă. Datorită caracterului instabil al biometanolului și valoarea cetanică mai mică, nu se

amestecă în mod corespunzător cu motorină. Câteva tehnici de depozitare și transport pot fi utilizate

pentru biometanol, deoarece este similar în natură cu combustibilii fosili [14].

2.3.4 Biohidrogenul

Biohidrogenul are un mare potențial pentru a înlocui biocombustibilii convenționali. Utilizarea acestuia

poate reduce poluarea în sectorul transporturilor. Acesta poate fi obținut din biomasă prin aplicarea

metodei de piroliză la temperaturi cuprinse între 600-1000°C [15].

2.4 Analiza termică

Analiza termică este o tehnică din știința materialelor în care proprietățile materialelor sunt studiate sub

schimbarea temperaturii. Proprietățile fizice și chimice ale substanțelor se determină în funcție de

14

temperatură [16]. Biodieselul produs din ulei de gătit uzat este achiziționat de la distribuitorul local.

Mostre de B20, B50 și B100 sunt prezentate în figura 2.13. Aceste probe sunt utilizate pentru a efectua o

analiză termo-gravimetrică. Analiza este efectuată în prezența azotului, cu un debit de 150 ml/min la

30°C/min viteză de încălzire. Rezultatele obținute din analiza gravimetrică termică sunt prezentate în

figurile 2.7, 2.8, 2.9, 2.10 și 2.11.

Figura 2.5 - Analizor termic cu diamant TG / DTA Perkin-Elmer

Figura 2.6 – Eșantioane B20, B50 și B100

15

Figura 2.7 – Analiza termică a B20

Figure 2.8 – Analiza termică a B50

Figura 2.9 – Analiza termică a B100

16

Figura 2.10 – Comparație între curbele TG pentru B20, B50 și B100

Figura 2.11 - Comparație între curbele DTG pentru B20, B50 și B100

Studiul termo gravimetric realizat de Tutunea a ajuns la concluzia că amestecurile cu o concentrație mai

mare de biodiesel din semințe de rapiță au o stabilitate termică mai mare. Motorina a demonstrat o

stabilitate termică mai mică, care se datorează prezenței unor compuși foarte volatili [17]. Analiza termică

a amestecurilor de biodiesel din uleiul de gătit uzat au arătat rezultate similare. Stabilitatea termică a

amestecurilor crește odată cu creșterea concentrației de biodiesel. Curba DTG arată temperatura cu

pierderea de masă maximă pentru combustibilii de test. Cea mai mare temperatură pentru pierderea

maximă de masă a fost înregistrată pentru biodiesel pur. Biomotorina pură a arătat cea mai bună

stabilitate termică între combustibilii test, așa cum se arată prin comparație în figurile 2.10 și 2.11.

Calorimetria diferențială este utilizată pentru determinarea proprietăților termice ale unei substanțe care

sunt asociate cu tranziția de fază prin modificarea temperaturii [18]. Trei probe de B20, B50 și B100 au

fost analizate prin utilizarea acestei tehnici. Eșantionul a fost plasat în vase de platină, sigilat și încălzit la

o rată de 30°C/min cu purjare cu azot de 150 ml/min. Rezultatele DSC și dDSC sunt prezentate în

următoarele figuri și rezumate în tabelul 2.3

17

Figura 2.12 - Curbe DSC și dDSC pentru B20



18

Figura 2.15 - Comparație între curbele DSC pentru B20, B50 și B100

Figura 2.16 - Comparație între curbele dDSC pentru B20, B50 și B100

Figura 2.17 - Diferiți parametri de DSC pentru B20, B50 și B100

19

Tabelul 2.3 - Comparație între parametrii pentru curbele DSC ale B20, B50 și B100

Combustibil test Vârful endotermic (°C) Aria (mJ) H (J/g)

B20 192.46 14417.565 781.6161

B50 152.53 10702.996 1119.1155

B100 295.84 16957.153 1077.5444

2.5 Concluzii

Jatropha ca plantă necomestibilă este o materie primă pentru producerea de biocombustibil.

Semințele de jatropha au fost importate din Thailanda, în scopul de a evalua potențialul său drept

combustibil în conformitate cu standardele locale ale pieței de combustibil. Proprietățile uleiului

de jatropha au fost determinate având în vedere standardele combustibilului local. Densitatea,

vâscozitatea, stabilitatea la oxidare, indicele de iod, indicele de saponificare, punctul de

aprindere și indicele de refracție ale uleiului de jatropha se găsesc competitive cu uleiurile

vegetale comestibile, existente pe piață. O analiză comparativă între proprietățile fizice și

chimice ale biocombustibililor convenționale avansate și durabile a demonstrat caracterul

adecvat al acestor biocombustibili pentru motoarele cu ardere internă. Mai mult, analiza termică

a B20, B50 și B100 a fost realizată utilizând diamantul Perkin-Elmer analizor termic. Analiza

termogravimetrică a arătat cea mai mare stabilitate termică pentru biodiesel pură reprezentată de

B100. Stabilitatea termică crește odată cu creșterea concentrației de biodiesel din amestec.

Rezultatele de la calorimetrie cu scanare diferențială au arătat rezultate similare în ceea ce

privește stabilitatea termică.

Referințe

[1] Roland, A. L. Lavoie, J. M. 2013: From first- to third-generation biofuels: challenges of producing a

commodity from a biomass of increasing complexity, Animal Frontiers. 3(2), pp. 6-11

[2] Um Min Allah, F. 2016: Opportunities, challenges and future prospects of production and usage of

jatropha biodiesel as road transport fuel in Romania, Applied Mechanics and Materials. 822, pp. 230-234

[3] Brittaine, R. Lutaladio, N. 2010: A smallholder bioenergy crop, Integrated Crop Management. 8,

FAO, Rome.

[4] Um Min Allah, F. 2015: Comparative analysis of physical and chemical properties of jatropha oil,

Bulletin of Transilvania University of Brasov. 8(57), pp. 37-42

[5] Allah, F. U. M.2015: Determining the moisture content of jatropha seeds, iodine value and peroxide

value for its suitability as fuel in agricultural machinery, International Conference Geography,

Environment and GIS for Students and Young Researchers, 21-23 May, Targoviste, Romania

[6] Chisti, Y. 2007: Biodiesel from microalgae, Biotechnology Advances. 25, pp. 294-306

[7] Dwivedi, G. Sharma, M. P. 2014: Potential and limitation of straight vegetable oils as engine fuel –

An Indian perspective, Renewable and Sustainable Energy reviews. 33, pp. 316-322

[8] Dwivedi, G. Sharma, M. P. 2014: Impact of cold flow properties on engine performance, Renewable

and Sustainable Energy Reviews. 31, pp. 650-656

[9] Martinez, G. Sanchez, N. Encinar, J. M. Gonzalez, J. F. 2014: Fuel properties of biodiesel from

vegetable oils and oil mixtures. Influence of methyl esters distribution, Biomass and Bioenergy. Article in

Press

20

[10] Park, S. H. Cha, J. Lee, C. S. 2012: Impact of biodiesel in bioethanol blended diesel on the engine

performance and emissions characteristics in compression ignition engine, Applied Energy. 99, pp. 334-

343

[11] Mihic, S. 2004. Biogas fuel for internal combustion engines, Annals of the faculty of Engineering

Hunedoara. II(3), pp. 179-190

[12] Rakopoulos, D. C. Rakopoulos, C. D. Giakoumis, E. G. Dimaratos, A. M. 2012. Characteristics of

performance and emissions in high-speed direct injection diesel engine fueled with diethyl ether/diesel

fuel blends, Energy. 43, pp. 214-224

[13] Hu, J. Yu, F. Lu, Y. 2012: Application of Fischer-Tropsch synthesis in biomass to liquid conversion,

Ctalysts. 2, pp. 303-326

[14] Hasegawa, F. Yokoyama, S. Imou, K. 2010: Methanol or ethanol produced from woody biomass:

which is more advantageous, Bioresource Technology. 101, pp. S109-S111

[15] Armugam, S. Zinoviev, S. Foransiero, P. Miertus, S. Muller-Langer, F. Kaltschmitt, M. Vogel, A.

Thraen, D. 2007: Biofuels Technology status and future trends, technology assessment and decision

support tools. International Centre for science and High technology, United Nation Industrial

Development Organization. Pure and Applied Chemistry Area

[16] Khopkar, S. M. 1998: Basic concepts of analytical chemistry, New Age International (P)

Publications. New Delhi, India

[17] Tutunea, D. 2013: Thermal investigation of biodiesel blends derived from rapeseed oil, Journal of

Thermal Analysis and Calorimetry. 111, pp. 869-875

[18] Gabbott, P. 2008: Principles and applications of thermal analysis, Black Well Publishing. Oxford,

UK

21

Capitolul III 2. PRODUCŢIA BIODIESELULUI

Biodieselul poate fi produs din diferite materii prime. Printre acestea se numără algele, babassu, seu de

vită, borago, camelina, rapița, ricin, grăsime, nucă de cocos, cafea, porumb, pește, Jatropha, semințe de in,

muștar, neem, palmier, Perilla, grăsime de pasăre, tărâțe de orez, soia, stillingia, floarea-soarelui și uleiul

de gătit uzat.

3.1 Jatropha Biodiesel

Jatropha este materia primă de bază non-comestibilă utilizată pentru producția biocombustibilului [1].

Semințele de jatropha sunt importate din Thailanda în scopuri experimentale. Unele dintre aceste

experimente sunt efectuate și la Universitatea din Craiova. Aceste experimente sunt explicate detaliat în

acest capitol.

3.1.1 Conținutul de umiditate

Conținutul de ulei din semințe este un parametru important în extracția petrolului. Soldul de umiditate

MX-50 este utilizat pentru a determina conținutul de umiditate al semințelor jatropha. Procentul

conținutului de umiditate în semințele de jatropha este de 6,4%. Soldul de umiditate MX-50 este prezentat

în figura 3.2.

Figura 3.1 – Semințe de jatropha, cântar electronic și cuptor Memmert la Universitatea din Craiova

Figura 3.2 – Determinarea conținutului de umiditate a semințelor jatropha cu MX-50 balanță de umiditate

22

Există diferite tipuri de metode utilizate pentru a extrage uleiul din semințe. Printre acestea se numără

extracția mecanică, subcritică a solventului. Tehnica de extracție a solventului este utilizată pentru a

extrage uleiul din semințe de jatropha pentru experimentele noastre.

3.1.2 Extracția mecanică

Acest tip de extracție este utilizat în zonele rurale. Subroto et. al a folosit o presă hidraulică pentru a

extrage uleiul din semințe de jatropha. Rezultate compresiei cu viteza mai lentă în conținut ridicat de

umiditate. Aplicarea presiunii 15MP la 90 ° C permite obținerea conținutului de ulei de înaltă calitate de

86,1% [2].

3.1.3 Extracția solventului (SR EN ISO 659: 2009)

Aparatul Soxhlet este utilizat pentru extragerea uleiului așa cum se arată în figura 3.3. Pulberea uscată de

semințe de jatropha este ambalată într-un degetar și montată pe aparat. Eterul de petrol este utilizat ca

solvent. Ansamblul a fost făcut să merargă timp de opt ore. Sulfatul de sodiu (anhidru) este utilizat pentru

îndepărtarea umidității în timp ce solventul se îndepărtează prin distilare cu ajutorul evaporatorului

rotativ. Diagramele schematice ale aparatului Soxhlet și evaporatorul rotativ sunt prezentate în figura 3.4

Figura 3.3 – Pulbere uscată de semințe de jatropha și aparatura Solvent Soxhlet la Universitatea din

Craiova

Figura 3.4 – Soxhlet apparatus (1. Distillation flask 2. Extractor 3. Cartridge material 4. Vapor circulation

tube, 5. Liquid circulation tube 6. Condenser) and Rotary evaporator (1. Pot 2. Speed controller 3.

Condenser 4. Reservoir 5. Water bath temperature control 6. Vacuum)

23

Procentul conținutului de ulei poate fi calculat cu ajutorul următoarei expresii. Diferiți parametri de

extracție cu solvent din ulei de jatropha sunt prezentate pe scurt în tabelul 3.1.

𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑙 𝑐𝑜𝑛ț𝑖𝑛𝑢𝑡𝑢𝑙𝑢𝑖 𝑑𝑒 𝑢𝑙𝑒𝑖 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑙𝑒𝑖 î𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑒

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑛 ț𝑒 î𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑒× 100

(3.1)

Tabelul 3.1 – Diferiți parametri privind extracția cu solvent a uleiului jatropha

Parametru Extracția solventului

Mărimea mostrei 100g de semințe de jatropha

Solvent Eter de petrol

Temperatura de extracție 45°C

Conținut de ulei 32.5%

Timpul total de extracție 8 ore

Uleiurile vegetale sunt compuse din diferite tipuri de acizi grași saturați și nesaturați. Acești acizi grași

includ lauric, palmitic, palmitoleic, miristic, stearic, oleic, linoleic, linolenic, archidic, behenic. O

comparație a compoziției uleiurilor vegetale diferite am prezentat în figura de mai jos.

Figura 3.5 – Compoziție de uleiuri vegetale diferite [3]

Utilizarea directă a acestor uleiuri vegetale în motoarele cu ardere internă depinde de proprietățile lor

fizice și chimice. Ele au valori de densitate și viscozitate mai mare decât combustibilul diesel. Acest lucru

poate cauza probleme în sistemul de injecție a motorului. Pentru a rezolva această problemă sunt necesare

operațiile suplimentare. Transesterificarea uleiurilor vegetale le poate ajuta la îmbunătățirea proprietăților

lor fizice și chimice ca să le putem folosi în motoarele diesel [3], [4].

3.1.4 Procesul de transesterificare

Transesterificarea este, de asemenea, numită ca alcoolizarea acizilor carboxilici. Este un proces de

amestecare a reactanților în prezența catalizatorilor. Reacția are loc între gliceride și alcool în prezența

unui catalizator pentru a obține ester și glicerină [5].

24

3.1.5 Cinetica chimică a procesului de transesterificare

Viteza de reacție este descrisă de cinetica sa chimică. Procesul reversibil de transesterificare a uleiului de

jatropha a fost descris de către Okullu et al.[6].

3.2 Factorii care influențează proucția biodieselului 3.2.1 Conținut de Apă

Randamentul de biodiesel este afectat de prezența apei în timpul procesului de transesterificare.

Rezultatele prezenței apei în rata de conversie mai mică. Este esențial să îndepărtăm apa înainte de reacția

de transesterificare [7].

3.2.2 Tipul de alcool

Vermaet et al a concluzionat că există un efect semnificativ al tipului de alcool asupra producției de

biodiesel. Cu ajutorul biobutanolului se poate îmbunătăți proprietățile de curgere la rece, cum ar fi

punctual de curgere, punctul de turbitate, punctul de colmatare a filtrului la rece. Reacția necesită mai

mult etanol în comparație cu cea cu metanol [8].

3.2.3 Tipul de catalizator

Tipurile comune de catalizatori de bază includ hidroxid de potasiu (KOH), hidroxid de sodiu (NaOH),

metoxid de sodiu (NaOCH3) și etoxid de sodiu (NaOCH3). Catalizatorii solizi eterogeni cum ar fi zeoliții,

oxizii metalici și γ-alumina sunt utilizați din cauza dezavantajelor catalizatorilor omogeni de bază.

Lipazele sunt folosite drept catalizatori de enzime pentru producția biodieselului [9], [10].

3.2.4 Concentrațiea catalizatorului

Concentrația catalizatorului joacă un rol semnificativ asupra randamentului de biodiesel [9].

3.2.5 Acizi graşi liberi (AGL)

Un conținut mai ridicat de AGL determină formarea de apă și săpun. Materiile prime cu un conținut

ridicat de AGL sunt supuse esterificării cu acid sulfuric tare drept catalizator, pentru pre-tratament și apoi

urmat de procesul de transesterificare în prezența unui catalizator alcalin pentru a produce biodiesel [11].

3.2.6 Temperatura

În general, reacția de transesterificare este efectuată la temperaturi aproape de punctul de fierbere al

alcoolului. Acesta nu trebuie să depășească această limită pentru a se evita fierberea alcoolului.

Temperatura de reacție depinde și de tipul de ulei vegetal [12].

3.2.7 pH

pH nu este un factor major în timp ce se utilizează catalizatori acizi sau de bază, ci este un parametru

important atunci când lipaza este utilizată drept catalizator. Catalizatorul enzimatic se descompune la

anumită valoare a pH-ului.

3.2.8 Intensitatea de amestecare

Amestecarea adecvată a reactanților se poate realiza numai prin reglarea vitezei de agitare adecvată pentru

a atinge un randament optim. Este necesar să existe contact între catalizator și substraturi [13].

25

3.2.9 Timpul reacției

Timpul reacției depinde de disponibilitatea reactanților și 99% de randament poate fi obținut în cazul în

care reacția este efectuată pentru perioada mai lungă. Timpul reacției are un impact asupra proprietăților

de biodiesel.

3.2.10 Alcoolul în raport cu ulei

Trei moli de alcool și un mol de trigliceride sunt necesare pentru a produce trei moli de esteri alchilici.

Rata de formare a produsului crește odată cu creșterea concentrației de reactant [7].

3.3 Producția Biodieselului din Microalge

Microalgele sunt nişte organisme care cresc cu ajutorul luminii și al dioxidului de carbon, în anumite

condiții de mediu. Cercetătorii din intreaga lume au recoltat diferite specii de microalge. Există multe

avantaje din producția biodieselului din microalge decât din alte materii prime convenționale. Aceasta

este o resursă regenerabilă deoarece se reproduce prin utilizarea fotosintezei.

3.4 Tehnologii de producție a biodieselului 3.4.1 Piroliza

Este un proces de conversie a unei substanțe în fracțiuni cu ajutorul căldurii și al catalizatorului. Esterii

metilici ai acizilor grași, uleiuri vegetale și grăsimi de animale pot fi utilizate în acest proces. Cracarea

termică a acestor componente rezultă din produsul lichid, care are proprietăți fizice și chimice mult mai

asemănătoare cu cele ale motorinei [14].

3.4.2 Tehnica de fluid supercritic

Tehnicile catalitice implică diferite etape ale reacțiilor, consumul catalizatorului, procesul de îndepărtare a

catalizatorului, producerea apei reziduale și de puritate scăzută de glicerină. Aceste probleme pot fi

evitate prin adoptarea unei tehnici non-catalitice. Producția fluidă şi supercritică a biodieselului se poate

face în condiții supercritice, evitând dezavantajele asociate cu tehnica catalitică a producției [15].

3.4.3 Transesterificarea enzimă catalitică

Folosind enzime ca un catalizator pentru transesterificare este benefic pentru mediu. Lipazele aparțin

grupei de enzime utilizate ca mediatori pentru biocatalizatori și se obțin din microorganisme, animale și

plante. Procesul enzimatic are numeroase avantaje față de procese chimice care includ economisirea

energiei, rata ridicată de conversie de acizi grași liberi la esteri alchilici și recuperarea mai ușoară a

glicerinei. Procesul implică un cost ridicat iar alegerea lipazelor este foarte importantă.

3.4.4 Transesterificarea asistată cu ultrasunete

Aplicarea teoriei de ultrasonare furnizează energie mecanică pentru amestecare, care este necesar pentru

inițierea procesului. Se creează cavitație de-a lungul limitei de fază între fazele de ulei și alcool, care

conduce spre o amestecare intensă în timpul transesterificării. Ultrasonarea crește intensitatea reacției și

randamentului biodieselului.

3.4.5 Tehnologia de distilare reactivă

Separarea termodinamică și reacțiile chimice pot fi combinate într-un singur reactor. Procesul de

producere poate fi intensificat prin metoda de distilare reactivă. Materia primă cu un conținut ridicat de

acizi grași liberi poate fi procesată prin această tehnologie. Eliminarea continuă a subprodusului reduce

26

utilizarea metanolului. Coloană de distilare reactivă conține secțiuni non-reactive, reactive și secțiuni de

stripare în partea de sus, de mijloc și respectiv, în partea de jos [15].

3.5 Purificarea biodieselului

Obiectivul de bază al purificării biodieselului este de a îndepărta catalizatorul rezidual, glicerol, excesul

de alcool și săpun. Este recomandată efectuarea procesului de uscare pentru a atinge limitele specifice ale

conținutului de apă pentru specificațiile biodieselului. Transesterificarea este o metodă care este utilizată

pe scară largă pentru producția biodieselului. Recuperarea alcoolului și separarea glicerinei ca produse

secundare sunt necesare pentru obținerea unor produse utile.

3.6 Glicerina

Glicerina este de obicei numită ca 1, 2, 3-propantriol, glicerol sau pur și simplu alcool trihidroxilic. Este

lichid inodor, incolor, transparent, care este foarte vâscos, cu zahăr ca gust. Este o substanță polară care

poate fi amestecată cu alcool și apă. Punctul de fierbere pentru glicerină este ~ 554 ° F și punctul de

congelare este de ~ 64,4 ° F. Glicerina este obținută din industria biodieselului și săpunului [16].

3.7 Producția Biodieselului în România

România este o țară din Europa de Est, care are o capacitate de producție de 407,000 de tone de biodiesel

în fiecare an. România are o suprafață totală de 237500 km² din care 43% este teren arabil. Culturile

oleaginoase sunt cultivate pe 9% din terenurile agricole [17].

3.8 Concluzii

Conținutul de umiditate al semințelor jatropha importate a fost determinat cu ajutorul MX-50 balanță de

umiditate ca 6,5%. Metoda de extracție cu solvent a fost utilizată pentru a extrage uleiul din aceste

semințe. Procentul conținutului de ulei a fost relativ mai mic decât cel al tehnicii de extracție mecanică

aplicată de Subroto et al. Prezența unui număr mai mare de acizi grași nesaturați în uleiul de jatropha îl

face dificilă utilizarea directă drept carburant la motoarele cu ardere internă. Transesterificarea uleiului

Jatropha este necesară pentru combustibil pentru a fi competitiv pe piață. Revizuirea literaturii de

specialitate și studiul comparativ au fost necesare pentru producția biodieselului cu ajutorul biomasei

algale și tehnicilor de producția biodieselului. Există diferite parametri care influențează producția

biodieselului. Acești parametri trebuie să fie optimizați pentru a obține un randament maxim de biodiesel.

Algele pot fi combustibil regenerabil futurist al căror producție este posibilă pe scară industrială și mică,

în cazul în care este furnizat un sprijin economic și guvernamental. România are șanse, precum și

infrastructura existentă pentru a crește cota de surse regenerabile sub formă de biodiesel obținut din

materii prime de bază non-comestibile, cum ar fi Jatropha, ulei de gătit uzat și alge.

Referințe

[1] Brittaine, R. Lutaladio, N. 2010: A smallholder bioenergy crop, Integrated Crop Management. 8,

FAO, Rome

[2] Subroto, E. Manurung, R.Heeres, H. J. Broekhuis, A. A. 2015: Optimization of mechanical oil

extraction from jatrophacurcus L. kernel using response surface method, Industrial Crops and Products.

63, pp. 294-302

[3] Allah, F. U. M. 2015: Solvent extraction of jatropha oil and determining its saponification value and

refractive index, in: World renewable Energy Congress XIV, 8-12 June, Bucharest (Romania)

27

[4] Agarwal, D. Agarwal, A. K. 2007: Performance and emission characteristics of jatropha oil (Preheated

and blends) in direct injection compression ignition engine, Applied Thermal Engineering. 27, pp. 2314-

2323

[5] Stanescu, R. C. 2012: Research concerning production technologies and properties of biofuels for

vehicles, Doctoral Thesis, Transilvania University of Brasov. Romania

[6] Okullo, A. A. Temu, A. K. 2015: Modelling the kinetics of jatropha oil transesterification, Energy and

Power Engineering. 7, pp. 135-143

[7] Gnanaprakasam, A. Sivakumar, V. M. Surendhar, A. 2013: Thirumarimurugan, M. Kannadasan, T.

2013: Recent strategy of biodiesel production from waste cooking oil and process influencing parameters:

A Review, Journal of Energy. Hindawi Publications

[8] Verma, P. Sharma, M. P. Dwivedi, G.2016: Impact of alcohol on biodiesel production and properties,

Renewable and Sustainable Energy Reviews. 56, pp. 319-333

[9] Thanh, L. T. Okitsu, K. Boi, L. V. Maeda, Y. 2012: Catalytic technologies for biodiesel fuel

production and utilization of glycerol, Catalysts. 2, pp. 191-222

[10] Narasimharao, K. Lee, A. Wilson, K. 2007: Catalysts in production of biodiesel: A review, Journal

of Biobased Materials and Bioenergy. 1, pp. 1-12

[11] Bouaid, A. Vazquez, R. Martinez, M.Aracil, J. 2016: Effect of free fatty acids contents on biodiesel

quality. Pilot plant studies, Fuel. 174, pp. 54-62

[12] Ferrari, R. A.Pighinelli, A. L. M. T.Park, K. J. 2011: Biodiesel production and quality, Biofuel’s

Engineering Process Technology

[13] Nandi, S. Bhattacharyya, R. 2015: Production of biodiesel from jatropha curcas oil with recycling of

enzyme, International Journal on Applications in Civil and Environmental Engineering. 1 (1), pp. 1-5

[14] Maher, K. D. Bressler, D. C. 2007:Pyrolysis of triglyceride materials for production of renewable

fuels and chemials, Bioresource Technology. 98, pp. 2351-2368

[15] Aransiola, E. F. Ojumu, T. V. Oyekola, O. O. Madzimbamuto, T. F. Ikhu-Omoregbe, D. I. O. 2014:

A review of current technology for biodiesel production: State of the art, Biomass and Bioenergy. 61, pp.

276-297

[16] Romano, S. D. Sorichetti, P. A. 2011: Chapter 2, Introduction to biodiesel production, in: Green

Energy and Technology. Springer-Verlag, London, United Kingdom

[17] Olteanu, A. P. 2011: Particulates of investment projects in the Romanian biodiesel industry, Review

of International Comparative Management. 12(5), pp. 977-985.

28

Capitolul IV 4 SPRAY ȘI CARACTERISTICILE DE ARDERE A DIESELULUI

ȘI BIODIESELULUI COMBUSTIBIL

4.1 Diagnostic optic

Combustia și sistemele multifazice care implică fluxul de fluid au probleme complexe legate de mecanica

fluidelor. Ştiința actual este încă incapabilă de a găsi soluții exacte la aceste probleme, în unele zone.

Informații privind mărimea și mișcarea particulelor, energiei și transportului în masă, concentrarea

speciilor și compoziția chimică sunt importante în ceea ce privește studiul în continuare în acest domeniu.

Progresele tehnologice în domeniile, cum ar fi optica, electronica si tehnologia informației au făcut

posibilă măsurarea parametrilor fizici ai fluidelor care asigură baza pentru dezvoltarea tehnicilor optice în

mecanica fluidelor [1], [2].

4.1.1 Motoare optice

Scopul principal al construirii motoarelor optice este de a obține acces vizual la camera de ardere prin

confecționarea părților de perete cu material transparent. Safirul și cuarțul sunt folosite mai ales în acest

scop [1].

4.2 Modelarea Dieselului cu Spray

Diferite tipuri de mecanisme de rupere guvernează jetul lichid de rupere. Aceasta depinde de gazul din

jur, viteza relativă și proprietățile lichidului. Mărimea picăturilor, lungimea de rupere, formarea mai întâi

a picăturilor, distanța dintre duză și punctul de formare de picături sunt importante în definirea unor

mecanisme diferite [2].

4.3 Combustie în motoarele diesel

Aronsson a descris fenomenul de ardere în teza sa de doctorat. Combustibilul este introdus mai târziu, la

cursa de compresie la motoarele diesel. Cantitatea de combustibil injectat în timp ce controlează sarcina

momentului de injecție a combustibilului este controlată prin eliminarea progresivă a arderii. Injecția

directă sau indirectă se poate face în motoarele diesel [1].

4.4 Combustie de Biodiesel

Agarwal et al. (2015) a evaluat performanța de ardere a amestecurilor de biodiesel-diesel prin utilizarea

tehnicii optice de endoscopie [3].

4.5 Calculul arderii

Arderea combustibilului este un procesul de oxidare, care nu poate fi descris prin ecuații simple.

Combustibilii pot fi în stări solide, lichide sau gazoase. Acești combustibili sunt, în general, utilizați în

scopuri energetice. Elementele de combustibili lichizi și solide sunt date în ecuația 4.1.

𝑋𝐶 + 𝑋𝐻 + 𝑋𝑆𝐶 + 𝑋𝑂 + 𝑋𝑁 + 𝑋𝐴 + 𝑋𝑊 = 100 (4.1)

XC, XH, XSC, XO, XN, XA şi XW reprezintă conținutul % de carbon, hidrogen, sulf, oxigen, azot, cenușă și

apă. Compoziția fluidelor la sfârșitul arderii depinde de coeficientul de exces de aer λ. Pentru λ ≥ 1

combustie este completă și produsele sunt dioxidul de carbon, apă, oxigen și azot. Arderea completă

necesită un volum mare de aer. Este un proces exoterm care eliberează energie sub formă de lumină și

căldură. Arderea completă este în general caracterizată prin flacără albastră. Pentru λ <1 ardere

29

incompletă și produse sunt dioxidul de carbon, monoxidul de carbon, apă, hidrogen și azot. Produsele

rezultate din arderea incompletă conțin, de asemenea energie chimică. Ardere incompletă se produce în

absența alimentării cu oxigen suficient. Rezultatele de combustie incompletă în funingine nedorite. O

flacără de culoare portocalie caracterizează arderea incompletă. Ca urmare a ceea ce reprezintă cantitatea

minimă de aer necesară pentru arderea completă [4].

Vair° =

Ȯ2

0.21

mN3

kg.comb (4.2)

Ȯ2 = 22.414

100(

c

12+

h

4+

s

32−

o

32) (4.3)

Arderea incompletă are un efect negativ asupra climei. Combustia poate fi denumită incompletă în cazul

în care o parte a combustibilului rămâne nearsă sau produsele de combustie conțin componente

combustibile. Lipsa de oxigen, distribuția neuniformă a aerului, răcirea bruscă a camerei de ardere și

amestecarea necorespunzătoare a combustibilului și a aerului sunt principalele cauze pentru arderea

incompletă. Următoarea diagramă schematică indică ardere perfectă, bună și incompletă.

Figura 4.1 – Procesele de combustie completă, incompletă şi bună [5]

Cantitatea de aer necesară arderii poate fi calculată. Tabelul 4.1 conține compoziția elementară a uleiului

de rapiță, motorină și FAME.

Tabelul 4.1 – Compoziție elementară de combustibil diesel, biodiesel de rapiță și FAME

Elemente Biodiesel de rapiță [4] Diesel [4] FAME [6]

Carbon (%) 76 86.8 76.2

Hidrogen (%) 14.5 12.6 12.6

Oxigen (%) 6.3 0 11.2

Nitrogen (%) 3.2 0 0

4.5.1 Calculele de ardere complete pentru biodiesel din semințe de rapiță

Ȯ2 = 22.414

100

76

12+

14.5

4+

0

32−

6.3

32 (4.4)

Ȯ2 = 2.1873mN

3 oxygen

kg.comb (4.5)

Vair° =

Ȯ2

0.21

mN3

kg.comb (4.6)

30

Vair =Ȯ2

0.21λ𝑘𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑜𝑓 𝑎𝑖𝑟

kg.comb (4.7)

𝑉𝑖 = 𝜆. Vair° 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑜𝑓 𝑎𝑖𝑟

kg.comb (4.8)

𝑉𝐶𝑂2=

22.414

12𝑐

mN3 CO2

kg.comb (4.9)

𝑉𝐻2𝑂 = 22.414

2𝑕

mN3 H2O

kg.comb (4.10)

𝑉𝑁2=

𝑛

28+ 0.79𝜆𝑉𝑎𝑖𝑟

° mN3 𝑁2

kg.comb (4.11)

𝑉𝑔 = 𝑉𝐶𝑂2+ 𝑉𝐻2𝑂 + 𝑉𝑁2

+ (𝜆 − 1)𝑉𝑎𝑖𝑟° mN

3

kg.comb (4.12)

În cazul în care V_ai reprezintă cantitate minimă de aer necesară pentru o ardere completă și valoarea sa

este de 10.415 (m_N ^ 3) / (kg.comb), V_i reprezintă numărul de kilomoli de substanță, care au participat

inițial la o reacție chimică și Vg reprezintă numărul total de kilomoli produs din ardere .

Tabelul 4.2 – Valorile 𝑉𝑎𝑖𝑟 , 𝑉𝑖 şi 𝑉𝑂2 pentru arderea completă de biodiesel de rapiță

𝜆 𝑉𝑎𝑖𝑟 [kmol air/kg.comb]

𝑉𝑖 [kmol/kg.comb]

𝑉𝑂2

[kmol/kg.comb]

1.2 12.489 12.495 0.437

1.4 14.518 14.524 0.874

1.6 16.664 16.67 1.31

1.8 18.74 18.7468 1.75

2 20.83 20.8368 2.18

Tabelul 4.3 – Valorile 𝑉𝐶𝑂2, 𝑉𝐻2𝑂, 𝑉𝑁2

and 𝑉𝑔 pentru arderea completă de biodiesel de rapiță

𝜆 𝑉𝐶𝑂2 𝑉𝐻2𝑂 𝑉𝑁2

𝑉𝑔

1.2 1.42 1.62 9.987 15.11

1.4 1.42 1.62 11.63 18.836

1.6 1.42 1.62 13.16 22.449

1.8 1.42 1.62 14.924 26.296

2 1.42 1.62 16.569 30.024

4.5.2 Calculele de ardere completă pentru combustibil diesel

Ȯ2 = 22.414

100

86.8

12+

12.6

4 (4.13)

Ȯ2 = 2.32mN

3 oxygen

kg.comb (4.14)

Vair° = 11.08

mN3

kg.comb (4.15)

31

Table 4.4 – Valorile 𝑉𝑎𝑖𝑟 , 𝑉𝑖 şi 𝑉𝑂2 pentru arderea completă a combustibilului diesel

𝜆 𝑉𝑎𝑖𝑟 [kmol air/kg.comb]


𝑉𝑂2

[kmol/kg.comb]

1.2 13.296 13.30 0.465

1.4 15.512 15.517 0.93

1.6 17.728 17.733 1.396

1.8 19.944 19.95 1.86

2 22.16 22.165 2.326

Tabelul 4.5 – Valorile 𝑉𝐶𝑂2,𝑉𝐻2𝑂, 𝑉𝑁2

and 𝑉𝑔 pentru arderea completă a combustibilului diesel


𝑉𝑔

1.2 1.62 1.41 10.5 15.746

1.4 1.62 1.41 12.25 19.702

1.6 1.62 1.41 14.005 23.673

1.8 1.62 1.41 15.75 27.634

2 1.62 1.41 17.506 31.606

4.5.3 Calculele complete de ardere pentru FAME

Ȯ2 = 22.414

100

76.2

12+

12.6

4−

11.2

32 (4.16)

Ȯ2 = 2.05mN

3 oxygen

kg.comb (4.17)

Vair° = 9.766

mN3

kg.comb (4.18)

Tabelul 4.6 – Valorile 𝑉𝑎𝑖𝑟 , 𝑉𝑖 şi 𝑉𝑂2 pentru arderea completă a FAME

𝜆 𝑉𝑎𝑖𝑟 [kmolair/kg.comb]


𝑉𝑂2

[kmol/kg.comb]

1.2 11.719 11.722 0.41

1.4 13.67 13.6734 0.82

1.6 15.62 15.6234 1.23

1.8 17.5788 17.58 1.64

2 19.532 19.53 2.05

Tabelul 4.7 – Valorile 𝑉𝐶𝑂2

, 𝑉𝐻2𝑂, 𝑉𝑁2şi 𝑉𝑔 pentru arderea completă a FAME


𝑉𝑔

1.2 1.42 1.41 9.25 14.033

1.4 1.42 1.41 10.80 17.5364

1.6 1.42 1.41 12.344 21.0336

1.8 1.42 1.41 13.887 24.5298

2 1.42 1.41 15.43 28.026

32

Figura 4.2 – Cantitatea de aer necesar pentru ardere (mN

3

kg.comb)

Figura 4.3 – Diagrama comparativă între λ și numărul de kilomoli de substanță care au participat la

reacție

4.6 Concluzii

Motoarele moderne pot fi proiectate mai sofisticat, prin utilizarea de diagnosticare optică. O analiză

comparativă a fost realizată utilizând analiza literaturii de specialitate, a caracteristicilor de ardere și de

pulverizare a diferitelor tipuri de combustibili. Aceste caracteristici s-au dovedit a fi diferite pentru

biodiesel. Agarwal et al. a sugerat redesenarea bolului cu piston pentru combustibil biodiesel. În plus,

calculele de ardere pentru combustibili diferiți au arătat că cantitatea minimă de aer necesară pentru

arderea completă a biodieselului din rapiță și FAME a fost mai mică decât cea a motorinei. A fost, poate,

datorită conținutului ridicat de oxigen al FAME și de combustibili biodiesel din rapiță.

11

13

15

17

19

21

23

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

Vair

λ

Rapeseed biodiesel

Diesel Fuel

FAME

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

Vi

λ

Rapeseed biodiesel

Diesel Fuel

FAME

33

Referințe

[1] Aronsson, U. 2011: Processes in optical diesel engines, Doctoral Thesis, Lund University. Sweden

[2] Baumgarten, C. 2006: Mixture formation in internal combustion engines, Springer. Hannover,

Germany

[3] Agarwal, A. K. Agarwal, A. Singh, A. P. 2015: Time resolved in-situ biodiesel combustion

visualization using engine endoscopy, Measurement. 69, 236-249

[4] Tutunea, D. 2013: Thermal investigation of biodiesel blends derived from rapeseed oil, Journal of

Thermal Analysis and Calorimetry. 111, pp. 869-875

[5] Informații disponibile la:

http://www.combustiontechnology.co.za/training/incomplete_combustion.htm. Accessed on 31/01/2016

[6] Hoekman, S. K.Broch, A. Robbins, C. Ceniceros, E. Natarajan, M. 2012: Review of biodiesel

composition properties and specifications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp. 143-169

http://www.combustiontechnology.co.za/training/incomplete_combustion.htm

34

Capitolul V 5. SIMULAREA & MODELAREA MOTOARELOR CU ARDERE

INTERNĂ 5.1 Introducere

Dinamica computerizată a fluidelor (CFD) este o ramură a mecanicii fluidelor care se ocupă cu analiza

numerică a ecuațiilor diferențiale privind fluxul de masă, impulsul și energia în mișcare fluidă.

Preprocessor-ul constă în introducerea unei probleme în programul CFD cu ajutorul interfeței prietenoase

a operatorului. Aceasta transformă de asemenea intrarea într-o formă potrivită pentru Solver. Această

etapă implică domeniu de calcul, crearea de grilă, selectarea procesului necesar pentru a fi modelat,

definind proprietăți de fluid și specificând condițiile de limită. Soluția unei probleme care implică

temperatura, viteza și presiunea este definită la nodurile din fiecare celulă. Numărul de celule dintr-o grilă

guvernează acuratețea soluției CFD. Elementul finit, diferența finită și metodele spectrale sunt trei moduri

de a găsi soluții numerice pentru problemele de curgere [1], [2].

5.2 Programe de simulare pentru motoarele cuardere internă 5.2.1 ANSYS Fluent

Software-ul are capacitățile de modelare a turbulenței, a transferului de căldură și a reacțiilor de aplicații

în industrie. Companiile de design din intreaga lume folosesc acest software. Cercetarea și dezvoltarea

acestui program au deschis noi oportunități pentru proiectarea, fabricarea și optimizarea proceselor.

Aplicatiile CFD printre motoarele cu ardere internă sunt de curgere în cilindru, evacuare, încărcare turbo,

injecție de combustibil, manta de răcire și randamentul motorului.

5.2.2 KIVA

KIVA se bazează pe FORTRAN software-ul dinamicii computerizate a fluidelor dezvoltat de laboratorul

național de Lsalmos (LANL). Software-ul este utilizat pentru ardere, aprindere și procesele de formare a

poluanților, precum și pentru fluxuri complexe de combustibil și aer.

5.2.3 STAR CD

Acest software este produs de CD-adapco. Acesta oferă soluții pentru problemele legate de proiectarea

motoarelor cu ardere internă. Software-ul este dezvoltat cu ajutorul diferitelor modele pentru a simula

procesele de ardere, , injecție de combustibil, EGR, evacuare și cuplare cu rezolvitorii cinetici chimici,

cum ar fi CHEMIKIN.

5.2.4 OpenFOAM

OpenFOAM este o sursă deschisă a CFD sursă creată de OpenCFD ltd. Ea oferă soluții în domeniul

ingineriei și ştiinței pentru organizațiile acadamice și comerciale. Capabilitățile sale de rezolvatorului

includ fluxurile incompresibile, fluxurile multifazice, arderea, fluxurile compresibile, turbulențele și

transfer de căldură. De asemenea, ea discretizează uneltele pentru a genera grilă din geometria CAD.

5.2.5 AVL tools

AVL oferă soluții de simulare a sistemului de componente multi-fizice, care permit în continuare

inginerilor să dezvolte concepte de economisire a energiei și a energiei curate pentru procesul de

dezvoltare. AVL FIRE și AVL BOOST sunt instrumentele utilizate pentru a simula posttratare a gazelor

de eșapament, ardere, emisii și injecție.

35

5.2.6 VECTIS

Este un program care se ocupă cu probleme complexe, care implică simulări de curgere a fluidului în

industriile motorului. Ea are capabilități de creare a ochiurilor de plasă automatizate și furnizarea de

analize CFD. Acesta este utilizat pe scară largă în proiectarea de motoare și în cilindri aplicații.

Caracteristicile sale cheie includ simulări cu intrare minimă, intrare maximă pentru a proiecta procesul,

modelarea discretă a picăturilor pentru spray-uri, interacțiunea cu picături, defacerea modelelor primare și

secundare, modelarea configurații definite de utilizator injectoarelor, capabilități statice și dinamice de

film perete, modele cu aprindere prin scânteie și cu aprindere automată.

5.2.7 DIESEL-RK

Diesel-RK este programul de simulare dezvoltat de Universitatea Tehnică de Stat din Moscova.

Programul poate fi folosit pentru modelarea motorului diesel cu injecție directă, scânteie motor pe

benzină cu aprindere, scânteie de aprindere a motoarelor cu gaz, motoare în doi timpi și a motoarelor cu

combustibil dual. Parametrii de performanță și de emisie ale motorului sunt determinate pentru

amestecurile de B5 ester metilic de soia, B20, B40, B100 și ester metilic de rapiță [3].

Figura 5.1 – Variația de căldură a vitezei de eliberare cu un unghi de rotire de ester metilic de rapiță

Figura 5.2 – Variația de căldură a vitezei de eliberare cu un unghi de rotire de ester metilic de soia 05

36



Figura 5.5 – Variația de căldură a vitezei de eliberare cu un unghi de rotire de ester metilic de soia

37

Figura 5.6 – Variația formării de NOx cu un unghi de rotire de ester metilic de rapiță

Figura 5.7 – Variația formării de NOx cu un unghi de rotire de ester metilic de soia 05


38


Figura 5.10 – Variația formării de NOx cu un unghi de rotire de ester metilic de soia

5.3 Concluzii

Dinamica fluidelor a devenit o parte integrantă a motorului de proiectare. Programele CFD includ

ANSYS Fluent, KIVA, STAR CD, OpenFOAM, AVL, VECTIS si DIESEL-RK. Revizuirea literaturii de

specialitate cu privire la utilizarea acestor programe a demonstrat caracterul adecvat al acestora pentru

analiza de calcul. Rata de eliberare a căldurii și a emisiilor de NOx în ceea ce privește unghiul de

manivelă a fost stabilită pentru diferite tipuri de amestecuri de motorină cu biodiesel folosind software-ul

DIESEL-RK. Reducerea vitezei de eliberare de căldură poate fi observată odată cu creșterea concentrației

de ester metilic. Creșterea NOx a fost observată prin creșterea concentrației de esteri metilici. Creșterea

concentrației de NOx este în conformitate cu literatura.

Referințe

[1] Versteeg, H. K. Malalasekera, W. 1995: An introduction to computational fluid dynamics the finite

volume method, Longman Group Ltd, England

[2] Dima, A. M. 2013: Aspecte privind influenta arhitecturii camerelor de ardere asupra performantelor

motoarelor cu ardere in ternasiemisiilor poluante, Doctoral Thesis, University of Craiova, Romania

[3] Informații disponibile la adresa: http://www.diesel-rk.bmstu.ru/. Accessed on 22/08/2016

http://www.diesel-rk.bmstu.ru/

39

Capitolul VI 6. EVALUAREA PERFORMANȚELOR MOTOARELOR CU

ARDERE INTERNĂ 6.1 Formarea Poluanților

Poluarea aerului poate fi definită ca prezența izolărilor suficiente în atmosferă pentru a provoca daune pe

termen scurt sau lung asupra oamenilor, plantelor, animalelor sau mediului. Acestea sunt împărțite în

două categorii de poluanți: primari și secundari [1].

6.2 Obiectivele și standardele de emisie în cadrul UE

Legislația pentru reducerea poluării a dus la noi tehnologii de reducere a emisiilor. UE se angajează să

reducă emisiile cu 80% până în 2050 din nivelurile din 1990. Toate sectoarele, inclusiv transportul,

generarea de energie electrică, industria, agricultura, clădirile şi construcțiile sunt responsabile pentru

reducerea acestor emisii. Obiective sunt realizabile prin investițiile și inovarea în domeniul tehnologiilor

de reducere a emisiilor [2].

6.3 Formarea de emisie

Reducerea emisiilor a fost realizată prin modificări de proiectare a motorului, presiunea de injecție mai

mare și o întârziere de sincronizare. România împreună cu alte state membre ale UE s-a angajat să publice

angajamentele Protocoluui de la Kyoto 2012 privind reducerea emisiilor. Modificările motorului, tratarea

gazelor de eșapament și combinațiile de combustibil sunt principalele provocări tehnice pentru formularea

tehnicilor de reducere a emisiilor. Toate motoarele cu ardere internă au o operație de bază aproape

similară. Cei mai mulți dintre poluanți din motoarele de ardere internă (IC) se emit prin evacuare. Unele

dintre componentele organice sunt evaporate prin rezervorul de combustibil și carter. Poluanții primari

includ oxizi de azot (NOx), hidrocarburi (HC), compuși organici totale, monoxid de carbon (CO), pulberi

în suspensie și fum. Formarea NOx este legată de temperaturi și presiuni de ardere și conținutul nitrogen

de combustibil. Aditivii metalici și de cenușă, contribuie, de asemenea la emisii. Alți poluanți CO și HC

sunt formați din cauza arderii incomplete. Oxidul de sulf apare în eșapament și acest lucru este legat de

compoziția combustibilului [3].

6.4 Modificări ale motorului pentru emisii

Modificările motorului sunt legate de schimbarea în procesul de ardere în sine. Modificările de reducere a

NOx pot duce la creșterea emisiilor PM. Scăderea temperaturii maxime în timpul arderii poate reduce

emisiile de NOx, dar crește emisiile PM. Acest fenomen este numit NOx-PM trade off care prezintă

provocarea critică pentru tehnologiile de reducere a emisiilor.

6.5 Reformarea combustibilului

Caracteristicile de performanță și de emisie ale motorului diesel sunt afectate de proprietățile fizice și

chimice ale combustibililor. O scurtă descriere a caracteristicilor combustibililor este prezentată în

capitolul 02. Biodieselul și amestecurile sale sunt folosite în motoarele diesel, în scopul de a reduce

emisiile de GES. PM, CO, emisiile de CO2 și HC sunt semnificativ reduse prin utilizarea de amestecuri

de biodiesel [4], [5], [6].

6.5.1 KDE 6500E Generatorul diesel

Experimentele au fost efectuate pentru a evalua performanța de emisie a unui motor diesel off-road. KDE

6500E motorul diesel off-road a fost selectat pentru experimente ale căror specificații sunt prezentate în

40

tabelul 6.1. ASchema experimentului poate fi văzută în figura 6.1. VLT 4588 tester de emisie este utilizat

pentru a analiza CO, O2, CO2 și emisiile de hidrocarburi nearse. Specificațiile analizorului de gaze de

eșapament sunt prezentate în tabelul 6.2.

Tabelul 6.1 – Specificațiile KDE 6500E generator diesel

Kipor Diesel Engine KM186FA

Rated Speed 3000rpm

Engine Type Single cylinder, vertical, four stroke, direct

injection

Cooling system With air

Compression ratio 19:1

Electromotor capacity 2V/0.88kW

Rated frequency 50Hz

Rated voltage 230V

Rated current 39.2A

Maximum power output 5kVA

Rated power 50Hz

Bore × Stroke (mm) 86×72

Displacement 0.418L

Fuel consumption rate 275.1g/kWh

Fuel tank capacity 15L

Figura 6.1 – Schema experimentală (1- Schimbător de căldură 2- Ventilator, 3 şi 4-Conducta de curgere,

5- Rezervor de ulei, 6-Pompă de ulei, 7-Rezistențe electrice, 8-Panou de control, 9- Transformator auto

ajustabil, 10- Voltmetru si ampermetru, 11-Cablu de alimentare, 12- Baterie, 13- Generator electric, 14-

Rezervor de combustibil, 15- Transmisie, 16- Motor diesel, 17-Ţavă de eşapament, 18-Cablu de

măsurare, 19- Cablu, 20- sondă de gaze de eșapament, 21- Senzor de temperatură a uleiului şi 22-

Analizor de gaze de eșapament) [7], [8]

41

Figura 6.2 – KDE 6500E generator diesel

Figure 6.3 – VLT 4588 exhaust gas analyzer

42

Tabelul 6.2 – Specificațiile VLT 4588

Model VLT 4588

Debit nominal 8 l/min

Debit minim 6 l/min

CO 0-9.9%

HC 0-9999ppm

O2 0-25%

CO2 0-19.9%

Proprietățile de biodiesel sunt în conformitate cu standardul european EN 14214. Emisiile de noxe sunt

înregistrate și descrise în următoarele figuri ca funcție a puterii de frânare. Biodieselul derivat din ulei de

floarea-soarelui este utilizat cu motorină pentru a forma B10, B20 și B30 amestecuri. Următoarele

concluzii pot fi trase din rezultatele de emisie.

- Emisiile de dioxid de carbon sunt înregistrate mai mici pentru toate tipurile de amestecuri și cresc odată

cu sarcinile mai mari ale motorului.

- Emisiile de hidrocarburi au fost mai mici pentru toate tipurile de amestecuri. Aceste emisii au fost

înregistrate mai mari pentru sarcini mai mari.

- Emisiile de oxygen au fost înregistraet mai mari pentru toate tipurile de amestecuri de biodiesel în timp

ce mai mici au fost înregistrate la sarcinile mai mari. Valorile mai mari ale emisiilor de oxigen se

datorează conținutului ridicat de oxigen de biodiesel.

- Biodieselul poate fi utilizat drept combustibilul îm amestec în motorul diesel, fără modificarea ulterioară

a generatorului diesel KDE 6500E.

Figura 6.4 – Emisiile de dioxid de carbon pentru biodiesel produs din ulei de floarea-soarelui

43

Figura 6.5 – Emisiile de hidrocarburi pentru biodiesel produs din ulei de floarea-soarelui

Figura 6.6 – Emisiile de oxigen pentru biodiesel produs din ulei de floarea-soarelui

Bioetanolul este un combustibil regenerabil care nu poate fi utilizat direct în motorul diesel. Oamenii de

știință au investigat compatibilitatea acestor amestecuri cu motoarele diesel. Instabilitatea temperaturii

scăzute și miscibilitatea de amestecuri scăzută sunt principalele probleme pentru aceste amestecuri.

Amestecarea acestor combustibili chiar înainte de injectare poate rezolva această problemă, fără a

modifica motorul diesel [9], [10]. Efectul etanolului asupra proprietăților cheie de combustibil de

amestecuri biodiesel-diesel este investigată de către Barabas și Todorut. Ei au ajuns la concluzia că

amestecurile investigate au valori similare de vâscozitate și densitate cu cele ale motorinei. Aceste

amestecuri au punctul de aprindere mai mic decât cel al motorinei. Prin urmare, ar trebui luate măsuri

suplimentare de siguranță în manipularea acestor amestecuri [11].

El et al. a efectuat o investigație asupra performanței emisiei de amestecuri etanol-biodiesel-motorină prin

utilizarea lor drept combustibil în motorul diesel Cummins-4B. Ei au ajuns la concluzia că emisiile PM au

fost mai mici în timp ce emisiile de NOx s-au înregistrat mai ridicate pentru aceste amestecuri [12].

Barabas et al. a investigat efectul adăugării de etanol de până la 5% în amestecuri de diesel-biodiesel

asupra performanțelor de emisie și de ardere a motorului diesel agricol. Au inregistrat emisiile mai mici

de CO, HC și fum în timp ce emisiile de NOx și CO2 au fost înregistrate mai mari [13]. Amestecurile de

13

13.5

14

14.5

15

15.5

16

16.5

17

17.5

18

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Oxygen

(%

)

Brake power (kW)

D100 B10 B20 B30

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Hyd

roca

rbon

s (p

pm

)

Brake Power (kW)

D100 B10 B20 B30

44

biodiesel-bioetanol-diesel au fost testate pentru a evalua performanța emisiilor ale motorului diesel CRDI

de Kim și Choi. Ei au ajuns la concluzia că emisiile de HC și CO au fost reduse și NOx au fost mărite

prin utilizarea acestor amestecuri. BD15E5 a fost găsită cea mai eficientă în reducerea acestor emisii [14].

Revizuirea amestecurilor de biodiesel-etanol și bioetanol a fost realizată de Mofijur et al. și au ajuns la

concluzia că emisiile motoarelor depind de condițiile de funcționare și concentrația de amestecuri.

Rezultatele contrare au fost găsite în ceea ce privește utilizarea amestecurilor de bioetanol-biodiesel-

diesel [15].

Bioethanolul, biodieselul din semințe de rapiță și dieselul sunt achiziționate de la distribuitorii locali.

Performanță privind emisiile de amestecuri D70BD25E, D45BD45E10 și D55BD30E15 a fost evaluată

prin utilizarea schemei experimentale prezentată în figura 6.8. Rezultatele sunt prezentate în figurile

următoare [8].

Figura 6.7 – Emisiile de monoxid de carbon pentru amestecurile de diesel-biodiesel-bioetanol

Figura 6.8 – Emisiile de dioxid de carbon pentru amestecurile de diesel-biodiesel-bioetanol

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Car

bon M

onoxid

e (%

)

Brake Power (kW)

D100

B25E5

B45E10

B30E15

1.4

1.9

2.4

2.9

3.4

3.9

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Car

bo

n D

ioxid

e(%

)

Brake Power (kW)

D100

B25E5

B30E10

B45E15

45

Figura 6.9 – Emisiile de oxigen pentru amestecurile de diesel-biodiesel-bioetanol

Figura 6.10 – Emisiile de hidrocarburi pentru amestecurile de diesel-biodiesel-bioetanol

Emisiile de monoxid de carbon au scăzut odată cu creșterea concentrației de bioetanol și de sarcină.

Scăderea emisiilor de dioxid de carbon, se observă, pentru toate tipurile de amestecuri. Creșterea emisiilor

de dioxid de carbon se înregistrează odată cu creșterea sarcinii. Nicio schimbare semnificativă a emisiilor

de oxigen nu este înregistrată. Emisiile de HC au crescut odată cu creșterea concentrației de bioetanol.

Emisiile de hidrocarburi au scăzut odată cu sarcinile mai mari din cauza arderii corespunzătoare.

6.5.2 DEUTZ F4L912 Motorul diesel

DEUTZ F4L912 este un motor diesel cu patru cilindri, echipat cu sisteme de injecție avansate și ardere

directă potrivit pentru aplicații agricole. Consumul redus, ușurința de întreținere și îndeplinirea

standardelor de emisie il fac profitabil din punct de vedere financiar și pentru mediu. Specificații tehnice

pentru motorul DEUTZ F4L912 sunt prezentate în tabelul 6.3.

12

13

14

15

16

17

18

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Oxygem

(%

)

Brake Power (kW)

D100 B25E5 B45E10 B30E15

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Hydro

carb

ons

(ppm

)

Brake Power (kW)

D100 B25E5 B45E10 B30E15

46

Tabelul 6.3 – Specificațiile DEUTZ F4L912 motor diesel

DEUTZ F4L912 diesel engine Specifications

Number of cylinders 4

Bore/stroke (mm) 100/120

Displacement (l) 3.770

Compression ratio 19

Maximum rated speed (rpm) 2500

Mean piston speed (m/s) 10

Power (kW) @ 2350rpm 51

Mean effective pressure (bar) 6.9

Maximum torque (Nm) @ 1450rpm 238

Minimum idle speed (rpm) 650

Specific fuel consumption (g/kWh) 220

Weight (kg) 320

Suportul motorului este prezentat în figura 6.11. Suportul motorului este montat pe un șasiu care este

conectat la afișaj electronic și rezervor de combustibil. Precizia sistemului de măsurare este dată în tabelul

6.4.

Tabelul 6.4 – Precizia parametrilor prin sistemul de măsurare

Parametru Valoarea preciziei

Viteză (rpm) 0……..6000±2%

Cuplul (Nm) 0…..…1000±2%

Temperatura aerului de admisie (kg/h) 0………...50±2%

(°C) 0...……....50 ±5%

Presiune de admisie (kPa) -50……….300±5%

Temperatura de evecuare (°C) 0…………...800±5

Specificațiile motorului electric și precizia sistemului de măsurare sunt prezentate mai jos.

Viteza maximă: 6000rpm

Cuplul maxim: 1000nm

Putere maximă: 110kW

Alimentare cu energie electrica: 3 x 380V, 50Hz, 165kWA

Înălțimea axei: h = 685mm

47

Figura 6.11 – Configurarea experimentală la Universitatea din Craiova (a. Rezervor de combustibil, b. de

măsurare a combustibilului cu cântar electronic, c. robinete de combustibil și conducte și d. display

electronic)

48

Figura 6.12 – Standul de testare a motorului (a. motor diesel Deutz F4L912, b. motor electric, c. senzor

pentru măsurarea vitezei, d. mecanism pentru maneta de oprire a motorului și e. mecanismul de control al

sarcinii motorului)

Figura 6.13 – Senzori de admisie și de evacuare de temperatură și presiune

49

Figura 6.14 – Diferiți parametri ai motorului pe ecran pentru standul de testare a motorului

Uleiul de gătit uzat a fost achiziționat de la distribuitorul local, şi este în conformitate cu standardul

european EN 14214. Amestecurile de biodiesel-diesel au fost folosite pentru a evalua performanța

motorului. Caracteristicile de performanță ale motorului Deutz pentru B10, B20, B30, B40 și B50

amestecuri de biodiesel-diesel sunt descrise de graficele următoare.

50

Figura 6.15 – Variațiile de temperatură a lichidului de răcire, temperatura uleiului si temperatura gazelor

de evacuare pentru B10

Figura 6.16 – Variațiile de presiune de evacuare din spate, temperatura de admisie a lichidului de răcire și

temperatura de evacuare pentru B10

51

Figura 6.17 – Variații ale puterii de frânare, turația motorului și temperatura de intrare pentru B10



52

Figura 6.19 – Variațiile de presiune din spate de evacuare, temperatura la intrare și temperatura lichidului

de răcire pentru B20

Figura 6.20 – Variații ale puterii de frânare, turația motorului și temperatura de intrare pentru B20

53

Figura 6.21 – Variațiile de consum de combustibil, puterea de frânare și a turației motorului pentru B20



54

Figura 6.23 – Variațiile de temperatură la intrare, temperatura lichidului de răcire și temperatura uleiului

pentru B30



55




56


pentru B40



57




pentru B50

58




59

6.6 Evacuare post-tratare pentru motoarele diesel

Motoarele eficiente şi curate sunt o prioritate în lumea de astăzi deoarece au în vedere problemele de

mediu. Modificările motorului sau reformațiunile de combustibil nu sunt suficiente pentru a îndeplini

cerințele standardelor de emisie. Evacuarea după tehnologia de tratare este utilizată pentru tratamentul

post-ardere a gazelor de eșapament înainte de emisiile de la țeava de eşapament pentru reducerea

emisiilor.

6.7 Concluzii

Utilizarea biodieselului ca și combustibil în motoarele cu ardere internă este în atenția specialiștilor de la

începutul secolului al XX-lea. În anul 1900 Rudolf Diesel, la Expozitia Mondială de la Paris, a folosit

ulei de arahide pentru motorul cu aprindere prin comprimare prezentat ca prototip. Biodieselul s-a dovedit

a fi o alternativă pentru combustibilii obținuți din țiței. Se poate folosi numai biodieselul ca și combustibil

sau în amestec cu motorina în diferite proporții. Se produce din uleiuri vegetale sau din grăsimi de

animale, este biodegradabil și nu este toxic. În practica utilizării tractoarelor în agricultură se folosește

direct ulei de floarea soarelui sau ulei uzat din bucătărie.

Determinările efectuate în Laboratoarele Facultății de Chimie și pe standurile Facultății de Mecanică ale

Universității din Craiova au pus în evidență avantajele folosirii acestor combustibili dar și diferențele față

de motorină:

-arderea nu prezintă diferențe importante față de motorină decât dacă se are în vedere mirosul

răspândit de gazele de ardere (miros domestic de bucătărie);

-biodieselul este mai vâscos decât motorina;detrminările de laborator indică valori de peste 10

orimai mari. La temperaturi scăzute se produce cristalizare fapt ce face imposibilă utilizarea în motoare.

La Facultatea de Mecanică s-au efectuat încercări cu biodiesel preîncălzit pentru corectarea vâscozității;

-studiile cercetate în timpul elaborării acestei teze prcizează faptul că durabilitatea motoarelor

crește?, în cercetările efectuate în Laboratoarele Facultății de Chimie s-a constatat că aciditatea acestui tip

de combustibil este mai mare, urmare- coroziune maimare;

-datorită vâscozității șiconținutului ridicat de impurități apare înfundarea duzelor injectoarele,

uneori chiar blocarea;

Din punct de vedere economic, cu referire numai la folosirea biodieselului, avantajele sunt evidente:

-mai ieftin decât motorina;

-nu sunt necesare modificări constructive (din literatura de specialitate se recomandă prudență la

motoarele cu sisteme common-rail sau pompă-duză );

-este mai puțin poluant și este biodegradabil;

-la utilizarea biodieselului obținut din uleiuri de rapiță sau floarea soarelui se constată depuneri

importante în motor și coroziuni semnificative.

În timpul testelor efectuate pe standul de la INCESA, Universitatea din Craiova s-a constatat ardere

incompletă la pornirea motorului și la regimuri cu încărcare termică redusă. Pe supapele de evacuare, pe

cilindrii și camera de ardere din chiulasă crește cantitatea depunerilor.

Însezonul rece se înfundă filtrele de combustibil datorită vâscozității crescute. Această problemă se

rezolvă prin preîncălzirea biodieselului.

Deși în literatura de specialitate se semnalează diminuarea puterii, încercările pe stand nu au pus în

evidență scăderi de putere comparativ cu folosirea motorinei. Considerăm că sunt difernțe semnificative

între funcționarea pe stand și funcționarea în trafic sau munci agricole.

Compararea rezultatelor testelor folosind B10 pentru diferite regimuri de funcționare ale motoarului nu

relevă diferențe față de funcționarea cu motorină. Întimpul testelor s-a constatat intrarea în sarcină a

motorului în același mod ca la funcționarea cu motorină. Nu sunt necesare modificări constructive pentru

funcționarea motoarelor cu B10. Parametrii motorului s-au încadrat în limitele normale prescrise de cartea

tehnică.

60

Utilizarea biodieselului B20 mărește performanțele arderii în motoare. Cercetările efectuate în

laboratoarele de specialitate indică o ușoară creștere a cifrei cetanice. Ca și în cazul biodieselului B10 nu

au fost necesare modificări constructive.

Utilizarea biodieselului obținut din ulei e rapiță și de floarea soarelui a permis compararea cu proprietățile

biodieselului obținut din ulei de Jatropa. Proprietățile fizico-chimice sunt apropiate ca valori ceea ce

recomandă în egală măsură combustibilii obținuți din aceste uleiuri. Comportarea motorului pe standul de

încercări nu scoate în evidență diferențe de luat în considerare pentru cele trei tipuri de biodiesel utilizate

în Laboratorul de Temotehnică și Motoare de la Facultatea de Mecanică din Craiova [16].

Referințe

[1] Hickey, N. Boscarato, I. Kaspar, J. 2014: Air pollution from mobile resources: Formation and effects

and abatement technologies, Current Environmental Challenges and Issues. Springer, Netherlands

[2] Informații disponibile la adresa: http://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2050/index_en.htm

Accessed on 15/01/2016

[3] Informații disponibile la adresa: https://www.dieselnet.com. Accessed on 21/01/2016

[4] Xue, J. Grift, T. E. Hansen, A. C. 2011: Effect of biodiesel on engine performances and emissions,


[5] Jaichandar, S. Annamalai, K. 2011: The status of biodiesel as an alternative fuel for diesel engine-An

overview, Journal of Sustainable Energy and Environment. 2, pp. 71-75

[6] Tesfa, B. Gu, F. Mishra, R. Ball, A. 2014: Emission characteristics of a CI engine running with a

range of biodiesel feedstocks, Energies. 7, pp. 334-350

[7] Tutunea, D. 2009: Folosirea combustibililor neconventionali la motoarele cu ardere interna, Teza de

Doctorat. University of Craiova, Romania

[8] Um Min Allah, F. Alexandru, G. 2016: Experimental investigation on the effect of bioethanol on

emission performance of diesel engine for rapeseed biodiesel-diesel blends, Applied Mechanics and

Materials. 823, pp. 319-322

[9] Shahir, S. A. Masjuki, H. H. Kalam, M. A. Imran, A. Fattah, I. M. R. Sanjid, A. 2014: Feasibility of

diesel-biodiesel-ethanol/bioethanol blend as existing CI engine fuel: An assessment of properties, material

compatibility, safety and combustion, Renewable and Sustainable Energy Reviews. 32, pp. 379-395

[10] Shahir, S. A. Masjuki, H. H. Kalam, M. A. Imran, A. Ashraful, A. M. 2015: Performance and

emission assessment of diesel-biodiesel-ethanol/bioethanol blend as fuel in diesel engines: A review,


[11] Barabas, I. Todorut, A. 2009: Key fuel properties of biodiesel-diesel fuel –ethanol blends, SAE

Technical Paper 2009-01-1810

[12] Shi, X. Pang, X. Mu, Y. He, H. Shuai, S. Wang, J. Chen, H. Li, R. 2006: Emission reduction

potential of using ethanol-biodiesel-diesel fuel blend on heavy-duty diesel engine, Atmospheric

Environment. 40, pp. 2567-2574

[13] Barabas, I. Todorut, A. Baldean, D. 2010: Performance and emission characteristics of an CI engine

fueled with diesel-biodiesel-bioethanol blends, Fuel. 89, pp. 3827-3832

[14] Kim, H. Choi, B. 2010: The effect of biodiesel and bioethanol blended diesel fuel on nanoparticles

on exhaust emissions from CRDI diesel engine, Renewable energy. 35, pp. 157-163

[15] Yilmaz, N. 2012: Comparative analysis of biodiesel-ethanol-diesel and biodiesel-methanol-diesel

blends in a diesel engine, Energy. 40, pp. 210-213

http://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2050/index_en.htm

https://www.dieselnet.com/

61

[16] Um Min Allah, F. Bica. M, Tutunea, D. Dima, A. 2016: Performances of engines fueled with

biodiesel of rapeseed and jatropha biodiesel, 12th International Congress of Automotive and Transport

Engineering. Brasov, Romania

62

Capitolul VII 7. PROVOCAREA DE DURABIILITATE ŞI MUNCA PE VIITOR

Durabilitatea este o stare ideală a cărei definiție variază în funcție de orientarea rezultatelor. Durabilitatea

poate fi definită ca menținerea nevoilor actuale de zi cu zi, fără a compromite să vină nevoile pentru

generațiile viitoare. Biocombustibilii sunt considerați ca fiind energia regenerabilă pentru a satisface

nevoile actuale ale pieței de combustibil, precum și îndeplinirea sarcinii de dezvoltare durabilă.

Biocombustibilii au o abordare multidimensională spre durabilitate, și anume de mediu, financiară și

socială [1], [2]. Criteriile de durabilitate de biodiesel sunt discutate prin prezentarea unor indicatori

diferiți în acest capitol.

7.1 Perspectivele de mediu

Este posibil să se producă biodieselul durabil, reducând la minimum poluarea mediului din diverse

materii prime [3]. Indicatorii de mediu pentru durabilitate sunt descrise de Ackem et al. Consumul de

energie, emisiile de GES, terenurile și utilizarea apei sunt principalele criterii în stabilirea unui mediu

durabil în ceea ce privește producția de biocombustibili și utilizarea acestuia [4].

7.1.1 Echilibrul energetic

Echilibrul net de energie poate fi descris ca fiind raportul dintre producția totală de energie şi cantitatea

totală de energie de intrare prezentată de ecuația 7.1. Valoarea sa este diferită în funcție de localizare, de

producție și de materii prime [5]. Este considerat doar un consum de combustibil fosil în aport de energie.

Capacitatea biocombustibilului de a încetini procesul de schimbările climatice poate fi determinată prin

echilibrul energetic fosil. Valoarea sa poate fi crescută prin creșterea ponderii energiei regenerabile pentru

producerea de biocombustibili.

𝐸𝑐𝑕𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑢𝑙 𝑛𝑒𝑡 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑛𝑒𝑡 ă

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑓𝑜𝑙𝑜𝑠𝑖𝑡 ă 𝑝𝑒𝑛𝑡𝑟𝑢 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠

(7.1)

7.1.2 Eisiile de GES

Uniunea Europeană a aprobat utilizarea energiei din surse regenerabile în sectorul transporturilor cu 10%,

în cadrul UE, până în 2020, în vederea atingerii obiectivelor de reducere a emisiilor de GES [6]. Emisiile

de GES de biocombustibili pot fi calculate prin punerea în aplicare a analizei ciclului de viață în

conformitate cu standardele ISO 14040. Un studiu comparativ al ciclurilor de viață realizat de soluții

durabile de transport Ltd a ajuns la concluzia că biodieselul produs din ulei de gătit uzat poate contribui la

reducerea emisiilor de GES cu 85% [7]. Experimentele noastre, de asemenea, au arătat o reducere

semnificativă a emisiilor de CO2 prin utilizarea drept combustibil într-un motor diesel off-road [8].

Limitele de sistem pentru ciclul de viață al produselor biodiesel din ulei de gătit uzat sunt prezentate în

figura 7.1.

Figura 7.1 – Diagrama debitului pentru producerea și utilizarea de biodiesel din WCO în România

63

Producția și utilizarea biodieselului din WCO oferă avantaje de mediu în ceea ce privește emisiile de gaze

cu efect de seră. GES pot fi reduse prin proiectarea unui mecanism eficient de colectare și distribuție de

biodiesel WCO. Am cumpărat biodieselul din Deveselu pentru efectuarea experimentelor noastre la

Facultatea de Inginerie Mecanică. Craiova poate produce biodieselul la nivel local din WCO care poatefi

colectat de la restaurante și gospodării în scopul salvării emisiilor de transport.

Figura 7.2 – Distanța dintre centrul de distribuție a biodieselului și Facultatea de Inginerie Mecanică

7.1.3 Utilizarea terenurilor

Directiva UE privind energia regenerabilă definește criteriile de schimbare a destinației terenurilor pentru

producerea biocombustibilului din materie primă [6]. Schimbările indirectăe a utilizării terenurilor pentru

creșterea emisiilor din producția de biocombustibil. Au fost propuse diferite soluții pentru a minimiza

efectele indirecte ale producției de biocarburanți.

7.1.4 Utilizarea apei

Tu et al. a estimat consumul de apă pentru producerea de biodiesel din soia. Ei au ajuns la concluzia că

ponderea majoră a consumului de apă a fost în timpul irigării culturilor [9].

7.2 Economii

Biodieselul produs din ulei de gătit uzat are nu numai avantaje ecologice față de biodieselul produs din

alte materii prime, dar este şi competitiv din punct de vedere economic. Prețul variază între 3,5 ~ 4,5 lei /

litru în România, care este mai mic decât cel al motorinei.

7.3 Mâncare vs. Combustibil

Securitatea alimentară este o problemă importantă care este discutată în mass-media în mod regulat.

Aceasta implică, de asemenea, politică și opinia publică, care trag cu ușurință concluzii pe bază

emoțională. Biodieselul obținut din materii prime comestibile va scădea securitatea alimentară. Cu toate

acestea, utilizarea de biodiesel obținut din materii prime de bază non-comestibile poate fi benefică în

menținerea nivelului ridicat de securitate alimentară și energetică simultan [10].

7.4 Perspectivele sociale

Perspectivele pozitive în ceea ce privește durabilitatea socială a biodieselului sunt crearea de locuri de

muncă și îmbunătățirea mijloacelor de trai. Creșterea produselor agricole va crește în cota de produse

agricole în ansamblu.

64

7.5 Certificatele şi Standardle de Durabilitate

Uniunea Europeană a executat mai multe inițiative pentru promovarea și utilizarea biocombustibililor.

Directiva privind energia regenerabilă (RED) se ocupă de impactul asupra mediului din producția și

utilizarea biocombustibililor. Producția de biocombustibili va fi finanțată numai în cazul în care

îndeplinește criteriile de durabilitate stabilite de RED. Programele de voluntaiat sunt stabilite pentru a

certifica durabilitatea biocombustibililor care lucrează cu guvernele. Aceste programe trebuie să fie

independente de influența din industrie. Aceste atestate sunt diferite pentru diferite materii prime [11].

7.6 Concluzii

Guvernul român s-angajat la obiectivele de reducere a emisiilor stabilite prin protocolul de la Kyoto și

UE. Recent, au apărut probleme de durabilitate prin promovarea și utilizarea biocombustibililor. Aceste

probleme pot fi soluționate prin stabilirea unor criterii economice, de mediu și sociale pentru producția și

utilizarea biocombustibililor. Biodieselul produs în România are costuri competitive în comparație cu

biodieselul produs în alte țări. Diferite tipuri de standarde și atestate durabile sunt dezvoltate prin

păstrarea în vedere a nevoilor naționale și internaționale. Mai mult decât atât, aceste sisteme pot asigura

producția durabilă de biocombustibili. România poate beneficia, de asemenea, de aceste programe de

voluntariat pentru producția de biomasă durabilă.

7.7 Munca viitoare şi recomandări

Biocarburanții pot juca un rol important în asigurarea securității energetice. Cu toate acestea, utilizarea lor

ar trebui reglementată prin impunerea unor standarde de combustibil și de emisii, cu ajutorul unor agenții

independente. Biocombustibilii durabili au potențialul de a reduce dependența de combustibilii

convenționali și biocombustibili. Biodieselul produs din ulei de gătit uzat și Jatropha este considerat a fi

durabil, care este utilizat în experimentele mele. Potențialul acestor resurse poate fi exploatat pentru a

îndeplini limitele obiectivelor UE 2020 și ale Protocolului de la Kyoto.

REvizuirea diagnosticii optice pentru motoare a fost furnizată în capitolul 4. Proiectarea eficientă a

motorului se poate realiza prin utilizarea tehnicilor optice de diagnosticare. O mare varietate a

programelor software este disponibilă pentru a efectua analiza de calcul a dinamicii fluidelor.

Parteneriatul industrie-mediul academic poate oferi o platformă pentru a rezolva probleme complexe în

dezvoltarea motorului pentru combustibilii alternativi. Lucrarea mea experimentală a demonstrat

reducerea emisiilor pentru biocombustibili durabili. Aditivii pentru combustibil ar trebui dezvoltați pentru

utilizarea eficientă a amestecurilor de combustibili alternativi pentru o mai bună performanță de ardere.

Producătorii de biodiesel trebuie să respecte standarde de durabilitate în scopul obținerii unor beneficii

sociale și de mediu.

Referințe

[1] Elbehri, A. Segersted, A. Liu, P. 2013: Biofuels and sustainability challenge: A global assessment of

sustainability issues, trends and policies for biofuels and related feedstocks, Food and Agricultural

Organization of the United Nations. Rome, Italy

[2] Lee, H. Clark, W. C. Devereaux, D. 2008: Biofuels and sustainable development, Summary Report,

San Servolo Island, Venice, Italy

[3] Gude, V. G. Patil, P. D. Grant, G. E. Deng, S. 2012: Sustainable biodiesel production, 2nd

World

Sustainability Forum

[4] Ackom, E. Mabee, W. Saddler, J. 2010: Backgrounder: Major environmental criteria of biofuel

sustainability, A report to the IEA bioenergy task 39

65

[5] Randelli, F. 2009: An integrated analysis of production costs and net energy balance of biofuels,

Regional Environmental Change. 9, pp. 221-229

[6] Informații disponibile la adresa: https://ec.europa.eu/energy/en. Accessed on 22/08/2016

[7] Sustainable Transport Solutions, 2008: Life cycle analysis of road transport biofuels, Final Report,

London, United Kingdom

[8] Um Min Allah, F. Alexandru, G. 2016: Waste cooking oil as renewable fuel in Romania, The 7th

International Conference on Advanced Conepts in Mechanical Engineering. Iasi, Romania

[9] Tu, Q. Lu, M. Yang, Y. J. Scott, D. 2016: Water consumption estimates of biodiesel process in the

US, Clean Technologies and Environmental Policy. 18, pp. 507-516

[10] Policy Discussion Paper, 2008: Biofuel production, trade and sustainable development, International

Centre for Trade and Development. Geneva, Switzerland

[11] Scarlat, N. Dallemand, J. 2016, Recent Developments of biofuels/bioenergy sustainability

certification: A global overview, Energy Policy. 39, pp. 1630-1646

https://ec.europa.eu/energy/en

universitatea din craiova facultatea de inginerie … · evalua performanțele motoarelor și este...

Documents