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Investigación y Vinculación
2020-08-03
Tecnología para disminuir contaminantes
Alumnos del posgrado de Ingeniería buscan hacer más eficiente la combustión de fuentes móviles como los autos.
Por: Laura Romero/DGCS
Fotografía: Cortesía DGCS
Comunicafi
Detalle del proceso de atomización ultrasónica

Para minimizar la generación de contaminantes de fuentes móviles, como los autos, alumnos de posgrado de la Facultad y del Instituto de Ingeniería aplican la atomización ultrasónica en combustibles, para dispersarlos en gotas muy pequeñas, lo que permitiría su quema 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 polución, afirmaron Rubén Carlos Esquivel Hernández y José Eduardo Ramírez Pérez.

Los estudiantes son parte de la Unidad de Investigación y Control de Emisiones -que surge a partir del extinto Laboratorio de Control de Emisiones, integrado por académicos y alumnos de ambas entidades-, y analizan la problemática referida, principalmente originada por 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 usan combustibles líquidos, y para quemarlos se deben romper en partículas pequeñas; este proceso está a cargo de inyectores y carburadores que forman partículas de tamaños dispersos, a veces 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 ya tiene tiempo, pero sólo recientemente ha podido ser estudiada y nunca se ha usado en combustibles: a través de vibraciones de altas intensidad y frecuencia (ondas acústicas) se producen inestabilidades en la gasolina o diésel, que terminan rompiendo la capa líquida y generan una neblina compuesta por partículas sumamente pequeñas, incluso submicrométricas, 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, originando 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, formando partículas de tamaños más grandes, la atomización ultrasónica las genera a bajas velocidades.

De este modo, añadió Eduardo Ramírez, disminuye el choque de partículas entre sí y se mantiene la calidad del aerosol. "Cuando se da esa coalescencia (unión), surgen gotas más grandes y es lo que tratamos de evitar. La atomización ultrasónica impide ese efecto".

Al respecto, Esquivel Hernández explicó que la atomización es 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 tienen tamaños muy similares entre sí, las partículas que se separan también son parecidas.

Las ondas se crean 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. Lo anterior sucede a frecuencias muy elevadas y así se origina 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 causan 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 Instituto de Ingeniería, se propusieron desarrollar una herramienta que posibilite conocer las características del aerosol a partir de las propiedades del combustible, como tensión superficial, densidad, viscosidad y propiedades con las que se realizará la atomización: gasto volumétrico, intensidad y frecuencia.

Fase final

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

Hasta ahora, 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 esto permitirá su uso en otras áreas industriales (aplicación de recubrimientos) y médicas (suministro de medicamentos inhalados).

Para esta iniciativa, 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 la parte experimental, y con el financiamiento de la Facultad y el Instituto, así como de los programas de apoyo a proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica y para Innovar y Mejorar la Educación de la UNAM.