septiembre 30, 2020

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Universitarios desarrollan tecnología para disminuir emisiones contaminantes

Universitarios desarrollan tecnología para disminuir emisiones contaminantes
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Para minimizar la generación de contaminantes de fuentes móviles, como los autos, estudiantes de posgrado de la Facultad (FI) y del Instituto de Ingeniería (II) de la UNAM aplican la atomización ultrasónica en combustibles, para dispersarlos en gotas muy pequeñas, lo que permitiría su quema de forma más eficiente.

Gasolina o diésel podrían convertirse en una especie de neblina o aerosol, así se sustituirían los inyectores y carburadores convencionales y se disminuiría la contaminación, afirmaron Rubén Carlos Esquivel Hernández y José Eduardo Ramírez Pérez.

Los alumnos forman parte de la Unidad de Investigación y Control de Emisiones –que surge a partir del extinto Laboratorio de Control de Emisiones, formado por académicos y alumnos de ambas entidades–, y analizan la problemática relacionada con las emisiones contaminantes, principalmente de fuentes móviles.

Uno de sus proyectos consiste en determinar cómo ocurre la combustión, el proceso de generación de contaminantes y cómo éstos se pueden minimizar.

Esquivel Hernández recordó que la mayoría de los vehículos que circulan utilizan combustibles líquidos, y para quemarlos se deben “romper” en partículas pequeñas; este proceso está a cargo de inyectores y carburadores que generan partículas de tamaños dispersos, en ocasiones muy grandes, por lo que no se consumen en su totalidad, quedan de manera sólida (carbono negro, altamente contaminante) y no se obtiene la mayor cantidad de energía de la combustión.

Neblina de combustible

La atomización ultrasónica es una tecnología que existe desde hace tiempo, pero que sólo recientemente ha podido ser estudiada y nunca se ha utilizado en combustibles: a través de vibraciones de altas intensidad y frecuencia (ondas acústicas) se producen inestabilidades en la gasolina o el diésel, que terminan rompiendo la capa líquida y generan una neblina formada por partículas sumamente pequeñas, incluso de tamaños submicrométricos, que facilitan una combustión más eficiente, a mayor velocidad y con menos emisiones contaminantes.

A diferencia de los inyectores que utilizan una bomba de alta presión para hacer pasar el líquido a través de un orificio pequeño, desde donde sale disparado a altas velocidades, produciendo partículas de tamaños dispares que propician combustión incompleta; o de carburadores que mediante un flujo de aire arrastran al combustible a la cámara de combustión, produciendo partículas de tamaños más grandes, la atomización ultrasónica las genera a bajas velocidades.

De ese modo, añadió Eduardo Ramírez, disminuye el choque de partículas entre sí y se mantiene la calidad del aerosol. “Cuando ocurre esa coalescencia (unión), se forman gotas más grandes y es lo que tratamos de evitar. La atomización ultrasónica, que se produce a una velocidad menor, impide ese efecto”.

Al respecto, Esquivel Hernández explicó que la atomización ocurre cuando se producen ondas de vibración de alta frecuencia e intensidad que se dirigen a una superficie líquida. “En ella aparecerá la llamada inestabilidad de Faraday: pequeñas ondas en la superficie que crecen cada vez más hasta que de sus crestas se comienzan a desprender partículas”.

Como las ondas tienen tamaños muy similares entre sí, las partículas que desprenden también son parecidas.

Las ondas se producen con transductores piezoeléctricos, es decir, cristales de cuarzo a los que se suministra una corriente eléctrica de voltaje alterno, para que se expandan y contraigan. Ello ocurre a frecuencias muy elevadas y de ese modo se produce el campo acústico, ondas de vibración que permiten la atomización.

Esos cristales, refirieron los universitarios, son los mismos que se encuentran en los atomizadores que se usan en equipo médico, como humidificadores comerciales, y son de bajo costo.

En el proceso también interviene un segundo mecanismo llamado cavitación, que consiste en dirigir ondas acústicas de alta intensidad en la superficie, que producirán periodos de alta y baja presión en el líquido. Estos últimos provocan evaporación de burbujas en el combustible, cerca de la superficie, que implotan (explotan, pero su onda expansiva es hacia adentro) y generan ondas de choque y emisión de partículas de tamaños dispares, unas grandes y otras más pequeñas. Se busca minimizar ese efecto controlando el flujo que se atomiza.

Antes del diseño de un atomizador de combustible, los jóvenes, dirigidos por William Vicente y Rodríguez, investigador del II, se propusieron desarrollar una herramienta que permita conocer las características del aerosol que se atomizará a partir de las propiedades del combustible, como la tensión superficial, densidad, viscosidad y propiedades con las que se realizará la atomización: gasto volumétrico, intensidad y frecuencia.

La herramienta está en su fase final y luego comenzarán el diseño del dispositivo que se probará dentro de un motor, para validar si mejora la combustión y disminuyen las emisiones contaminantes.

Hasta el momento, los resultados son alentadores, y debido a que el fenómeno se estudia a nivel básico, los modelos en desarrollo, además de emplearse en la atomización de hidrocarburos, se podrán utilizar para cualquier líquido y eso permitirá su uso en otras áreas industriales (aplicación de recubrimientos) y médicas (suministro de medicamentos inhalados).

Para este plan, los jóvenes han contado con el respaldo del Laboratorio de Dinámica de Fluidos Computacional del Instituto de Ingeniería para los análisis numéricos; del Taller de Hidrodinámica y Turbulencia de la Facultad de Ciencias para los análisis experimentales, y con el financiamiento de la FI y el II, así como de los programas de apoyo a proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica y para Innovar y Mejorar la Educación de la UNAM.

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