INTRODUCTION

The agricultural sector carries out daily activities that pollute the environment, mainly because the machinery used expels greenhouse gases. Likewise, another challenge faced is that the fuel used is non-renewable. The imminent climate change and the effects on nature require the search for viable energy sources. Vieira (2020)VIEIRA, F.; ROMERO-LUNA, C.M.; ARCE, G.L.; ÁVILA, I.: “Optimization of slow pyrolysis process parameters using a fixed bed reactor for biochar yield from rice husk”, Biomass and Bioenergy, 132: 105-112, Publisher: Elsevier, 2020, ISSN: 0961-9534. states that the increase in energy consumption and the imminent depletion of fossil fuels has encouraged countries to seek innovative and clean energy sources.

Biomass does not require a formation process of thousands of years as is the case with fossil fuel, which is why it is considered a renewable energy. It can be used directly by burning firewood or by transforming it to produce biofuel. However, it must be taken into account that the indiscriminate use of this resource has a negative impact on the agricultural sector. The largest productions are made with agricultural materials (corn, soybeans, sugar cane, African palm, etc.), directly affecting food security (Gonzales et al., 2017). For this reason, there are many divergent criteria regarding whether obtaining biofuels provides protection of the rights of nature.

Many authors (Trejo, 2007TREJO, E.: Estudio de Derecho Comparado y Marco Jurídico Internacional sobre Biocombustibles, Inst. Bioenergéticos, México: Congreso de la Unión, México, 2007.; López and De los Santos, 2012LÓPEZ-RAMIREZ, N.; DE LOS SANTOS-REYES, I.; JIMÉNEZ-DÍAZ, A. de J.; PALACIOS-SILVA, R.: “Biodiesel la historia detrás de la moda”, Gaceta Nas Jomé, 6-7, 2012, Disponible en: https://xdoc.mx/documents/biodiesel-la-historia-detrás-de-la-moda.; Rey, 2014REY, M.: Estado del arte de la producción de biocombustibles avanzados en la Unión Europea, [en línea], Inst. Universidad de Sevilla, España, Sevilla, España, 2014, Disponible en: http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/70579/fichero/Estado+del+arte+de+la+producci%C3%B3n+de+biocombustibles+avanzados+en+la+Uni%-C3%B3n+Europea.pdf.) agree that obtaining them affects the ecological and environmental system, in addition to putting rights such as food at risk due to the use of large areas of land and the raw material used for its production. On the other hand, we can cite (Ramos et al., 2016 and Gonzales et al., 2017) who propose that the approach to not have a negative impact on the environment must be directed to the production method and the material from which are obtained. For greater sustainable or sustainable development, the most viable option is second generation biofuel (G2). It is because they can be acquired from crops grown in marginal and unproductive areas not intended for food, which require little water and fertilizer. In addition, environmentally friendly and mostly economical technologies are used. Its manufacturing depends largely on the national availability of energy crops (Díaz and Pérez, 2021DÍAZ-BARRIOS, S.; PÉREZ-ACOSTA, O.: “Uso del biodiesel en motores de combustión interna destinados a actividades ganaderas”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(1): 69-81, 2021, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054.).

Currently, Cuba needs to reduce imports and increase the energy sector with clean and renewable energy. The 2030 Agenda allows the focus as individuals, state and institutions on the development of sustainability. The National Economic and Social Development Plan until 2030 states that the Government will promote energy efficiency and the development of renewable energy sources, promoting their participation in the national energy matrix, with emphasis on biomass, wind and photovoltaics (Verdejo et al., 2020VERDEJO-ESPINOSA, M.A.; LEYVA-CÉSPEDES, A.; ROQUE-DOVAL, Y.: “La Agenda 2030, las estrategias energéticas en España y Cuba. Calidad de vida de los adultos mayores”, Novedades en Población, 16(Especial), 2020, ISSN: 1817-4078, Disponible en: http://www.novpob.uh.cu.).

In the case of biomass, specifically the production of biodiesel, progress is being made towards the generalization of the technology and its greatest production in Cuba is obtained from Jatropha curcas (Piloto, 2021PILOTO-RODRÍGUEZ, R.: “Un acercamiento al desarrollo del biodiesel en Cuba”, Revista Cubana de Ingeniería, 12(2): 285, 2021, ISSN: 2223-1781.). This plant is known in tropical and semi-tropical countries for its potential for obtaining this biofuel. Its resistance to drought, high oil content, adaptation to different conditions and rapid growth characterize it. In sandy soils, they can reach heights of 1 to 8 m (Bárzaga et al., 2015BÁRZAGA-QUESADA, J.; RODRÍGUEZ-PONCE, Y.; MENA-MENA, E.; BELTRÁN-REYNA, R.; LORENTE-LEYVA, L.: “Utilización de la planta Jatropha Curcas como energía renovable para el desarrollo ambiental y sostenible de una finca en la provincia Granma, Cuba”, Infociencia, 9(1): 67-71, 2015, ISSN: 1390-339X.).

The use of diesel-biodiesel mixtures is the worldwide solution to the use of fossil fuel in machinery. By using them, it is possible to reduce dependence on petroleum derivatives and reduce polluting gases. Researchers such as (García et al., 2018GARCÍA, M.S.A.; SÁNCHEZ, A.E.; LABRADA, V.B.; LAFARGUE, P.F.; DÍAZ, V.M.: “Cinética de la reacción de transesterificación para la producción de biodiesel a partir del aceite de J atropha curcas L., en la provincia de Manabí, Ecuador”, Tecnología Química, 38(2): 281-297, 2018, ISSN: 2224-6185., Piloto et al., 2018), propose that the biodiesel obtained from Jatropha curcas can be used in ICMs, because it presents similarities in the viscosity and density properties with the diesel which are the main characteristics to take into account. However, these differences in properties have an impact on the engine parameters, such as viscosity, which has a direct influence on the fuel injection and atomization process (Riba et al., 2010RIBA, J.R.; ESTEBAN, B.; BAQUERO, G.; PUIG, R.; RIUS, A.: “Characterization of physical properties of vegetable oils to be used as fuel in diesel engines”, Afinidad, 67(546): 100-106, 2010, ISSN: 0001-9704, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2013.02.018.).

For all the reasons stated above, it is necessary to determine the percentage of biodiesel that can be added without affecting the operation of the MWM International engine coupled to a Worthington brand deep well vertical pump. In addition, know the operation of the engine parameters, as well as the economic behavior of the mixtures when using this fuel.

MATERIALS AND METHODS

The experiment was carried out in the Department of Engineering and Environment, of the Institute of Animal Science (ICA). The pumping system used to supply water to the institute and the community was evaluated. Three pumpings are carried out a day; the tank is mushroom-shaped with a volume of 283.91 m³. The engine used is an International MWM; model 6.10T and a Worthington brand vertical deep well pump. The head is Italian, Roto Pompe brand with a maximum rotation frequency of 1760 min^-1 and a capacity of 5.5 L.

Through the “Indio Hatuey” Experimental Station (EEPF-IH) and LABIOFAM in Guantánamo, it was possible to obtain the Jatropha curcas biodiesel that was used in the experiment, while the diesel used came from the ICA supply track. The first step was to define the percentage to add to the mixture (0%; 5%; 10%; 15%; 20%; 25% and 30% biodiesel) and identify the rotation frequency to work (1350, 1550, 1750 min^-1). To measure the test time, a digital stopwatch is used, with a precision of ± 0.01s, and the digital tachometer is used to identify the rotating frequency.

To calculate the engine parameters, the following expressions were used:

Where:

Pbe: braking effort, N;

kgf; ß: distance, m;

Gc: fuel consumption, L;

t: time in which the supplied fuel is consumed, h.

The experiment engine is not used on a test bench. Instead, it is coupled to a hydraulic pump, so some modifications are made to the methodology for calculating Ne and Me.

From what is stated above, we have the following mathematical expressions:

By multiplying ρ*g we obtain γ, so the equation becomes:

Where:

ρ: is the density of the fluid (1,000 kg/m³ in the case of water);

g: is the acceleration of gravity (generally adopted: 9.81 m/s2);

γ: is the specific weight of the fluid

Q: is the flow rate, m³/s;

h: is the head gain in the pump, or in other terms, dynamic head of the pump, m.

Where:

k: resistance coefficient per accessory

v: fluid velocity in the pipe, m²/s;

g: acceleration of gravity, m/s².

In the economic analysis, the cost of the fuel consumed is fundamentally considered. It is determined based on the hourly fuel consumption (Gh) during the experiment period, with respect to its price (EP PETROECUADOR., 2020EP PETROECUADOR: Observatorio de Energía y Minas, Inst. Boletín Estadístico del Sector de Hidrocarburos, Ecuador, Ecuador, 2020.). For the determination, the expression is used:

Where:

Gh: Hourly fuel consumption, L/h;

Pc: Fuel price, weight/L

RESULT AND DISCUSSION

From the data collected, it was possible to obtain the following engine parameters: hourly consumption (Gh), specific fuel consumption (ge), effective power (Ne) and the torque (Mt) of the engine when coupled to a pump of the water. An analysis of variance was performed on the results of the Gh and ge according to a simple Classification model with factorial arrangement 7 (mixtures) x 3 (min^-1) Duncan. (1995) DUNCAN, D.B.: “Multiple range and multiple F tests”, biometrics, 11(1): 1-42, Publisher: JSTOR, 1995, ISSN: 0006-341X.. Where Duncan's test was applied for P<0.05 and the statistical package used was Infostat Di Rienzo et al., (2012)DI RIENZO, J.; CASANOVES, F.; BALZARINI, M.; GONZÁLEZ, L.; TABLADA, M.; ROBLEDO, C.: InfoStat versión 2012., [en línea], Inst. Universidad Nacional de Córdoba: Grupo InfoStat, FCA; 2012, Córdoba, Argentina, 2012, Disponible en: http://www.infostat.com.ar.. In addition, an economic feasibility analysis is carried out based on Gh when working at 1750 min^-1. The following Table 1, shows the statistical analysis of hourly consumption at frequencies 1350, 1550 and 1750 min^-1.

When analyzing the evaluated mixtures, it is evident that the rotation frequencies 1550 min^-1 and 1350 min^-1 do not present statistically significant differences between them. This result is due to the low power at which the motor is working with respect to its rotation frequency. In the case of 1750 min^-1, statistically significant differences are evident between the diesel-biodiesel concentrations, where an increase in consumption is evident compared to 1550 and 1350. If each of the mixtures is observed at 1750 min^-1, it can be concluded that the Greater fuel consumption is in B-30 due to the lower calorific value of the fuel used. This is due to the engine's need to consume more fuel to achieve the same power. Dinza et al., (2020)DINZA-VERDECIA, D.; ARIAS-GILART, R.; ALFARO-RODRÍGUEZ, C.; SILVEIRA-FONT, Y.; MENADIER-GAINZA, R.; SOTO-FERNÁNDEZ, K.: “Evaluación de una mezcla aceite de jatropha-diésel bajo la acción de un campo magnético”, Ingeniería Energética, 41(1): 1-10, Publisher: Facultad de Ing. Eléctrica Universidad Tecnológica de La Habana, CUJAE, 2020, ISSN: 1815-5901. agree with this result, since they express that Gh increases with the increase in engine loads because vegetable oils and therefore their mixtures with traditional fuels have lower caloric value than conventional diesel.

The following Table 2, shows the statistical analysis of the specific fuel consumption at frequencies 1350, 1550 and 1750 min^-1. These results show that at 1550 min^-1 there are no statistically significant differences. On the other hand, at 1750 min^-1 there are only differences in the B-30 mixture, which is due to the greater hourly consumption of the engine and the lower calorific value of the fuel. Similar results have been reported by Piloto et al. (2013)PILOTO, R.; SIEREN, R.; VERHELST, S.; FERRER FRONTELA, N.: “Caracterización de un motor diésel trabajando con mezclas de aceite de Jatropha y combustible diésel”, Revista Ingeniería Energética, 34(3): 198-207, 2013, ISSN: 1815 - 5901. where the increase in biodiesel content in the mixture is evident, by increasing the specific fuel consumption, (García et al., 2019GARCÍA, H.; SAAVEDRA, R.; SÁNCHEZ DE PINTO, M.; PAPPALARDO, L.: “Producción de biodiesel a diferentes tiempos y temperaturas de reacción y consumo en motor”, En: II Simposio de residuos agropecuarios y agroindustriales del Noa Y Cuyo. San Juan, Argentina 2018, Argentina, pp. 68-72, 2019, ISBN: 978-987-521-982-3.) coincides with these results.

Regarding the frequency of 1350 min^-1 of the mixtures, it shows that there are no statistically significant differences; only in the case of B-5 and B-30 are the highest values ​​of specific fuel consumption reached.

The non-existence of significant differences in most of the values ​​presented in the table is due to the better combustion of the mixture and engine efficiency. The recoil of the fuel and the turbocharger that the MCI presents causes this.

Regarding the engine power and the torque, three values ​​were obtained respectively for each of the rotation frequencies. The data is represented in graphs for better analysis. In the Figure 1 shows the values ​​obtained based on the three rotation frequencies (1350, 1550 and 1750 min^-1).

When analyzing the values, a decrease in the parameters is seen at the lower motor frequencies. This is because it is being underused since its nominal rotation frequency is 2,600 min^-1; however, it was worked with lower frequencies. The use of lower revolutions depends on the fact that the pump to which the motor is coupled has a head that only supports up to 1770 maximum rpm. Regarding the torsional moment, their results are similar due to the exceptional conditions under which they worked.

Table 3, shows the price of fuel from 2015 to 2020. After obtaining the Gh of all the mixtures, the economic feasibility analysis is carried out using expression 1. The hourly consumption values ​​used are at 1750 min^-1. Since the rotation, frequency is closest to the nominal of the motor.

The following Table 4, shows the economic feasibility analysis of the fuel mixtures in the years 2018, 2019 and 2020. In addition, the cost of fuel consumed in the engine after 1,000 hours of operation can be seen with respect to the price of diesel in 2018.

When analyzing the data presented above, it can be observed that the lowest fuel consumption expense is obtained in the year 2020. REN21 (2020)REN21: Renewables 2020 global status report, Ed. Paris: REN21 Secretariat, 2020, ISBN: 978-3-948393-00-7. reports that this is a year in which fuel consumption decreased and therefore its price caused by the special situation experienced with the pandemic (COVID-19). The B-25 mixture is where the lowest values ​​of consumption expenditure are reached in the three years analyzed; it is due to the increase in the percentage of biodiesel in the mixture without presenting significant differences in Gh. B-20 prices are also satisfactory when compared to pure diesel. Therefore, it can be concluded that there is a decrease in fuel consumption expenditure by increasing the percentage of biodiesel in the mixture. In the case of B-30, an increase is evident in all years since it has the highest hourly consumption.

By analyzing all the values ​​of the studies carried out, it can be concluded that mixtures B-20 and B-25 are the most suitable to use without affecting the engine, due to their similar behavior with respect to B-0. However, it is necessary to point out that it is vitally important to know the behavior of the greenhouse gases that are expelled into the atmosphere through combustion; this is because these mixtures would not necessarily be the most suitable if the environmental component is analyzed. The polluting gases expelled into the atmosphere are harmful to the environment and human health. Its reduction makes it possible to counteract the climate change that is currently causing so much damage in the world. In addition, it is necessary to know the durability of the engine parts when using this specific biodiesel, which has lower calorific value and different viscosity and density properties than pure diesel.

CONCLUSIONS

INTRODUCCIÓN

El sector agrícola realiza actividades diarias que contaminan el medio ambiente, se debe principalmente a que las maquinarias que se utilizan expulsan gases de efectos invernaderos. Además, otro de los retos al que se enfrenta es que el combustible que se utiliza es de carácter no renovable. El inminente cambio climático y las afectaciones en la naturaleza requieren la búsqueda de fuentes energéticas viables. Vieira et al. (2020)VIEIRA, F.; ROMERO-LUNA, C.M.; ARCE, G.L.; ÁVILA, I.: “Optimization of slow pyrolysis process parameters using a fixed bed reactor for biochar yield from rice husk”, Biomass and Bioenergy, 132: 105-112, Publisher: Elsevier, 2020, ISSN: 0961-9534. expresa que el aumento del consumo de energía y el eminente agotamiento de los combustibles fósiles ha incentivado a los países a buscar fuentes de energía innovadoras y limpias.

La biomasa no requiere de un proceso de formación de miles de años como es el caso del combustible fósil, por lo que se considera una energía renovable. Se puede utilizar directamente a través de la quema de la leña o al transformarla para producir biocombustible. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el uso indiscriminado de este recurso repercute negativamente en el sector agrícola. Las mayores producciones se realizan con materia agrícola (maíz, soya, caña de azúcar, palma africana, etc.) afectando directamente la seguridad alimentaria (Gonzales et al., 2017). Por esta razón existes muchos criterios divergentes respecto a si la obtención de los biocombustibles proporciona protección a los derechos de la naturaleza.

Muchos autores Trejo (2007TREJO, E.: Estudio de Derecho Comparado y Marco Jurídico Internacional sobre Biocombustibles, Inst. Bioenergéticos, México: Congreso de la Unión, México, 2007.); López-Ramirez et al. (2012)LÓPEZ-RAMIREZ, N.; DE LOS SANTOS-REYES, I.; JIMÉNEZ-DÍAZ, A. de J.; PALACIOS-SILVA, R.: “Biodiesel la historia detrás de la moda”, Gaceta Nas Jomé, 6-7, 2012, Disponible en: https://xdoc.mx/documents/biodiesel-la-historia-detrás-de-la-moda.; Rey (2014)REY, M.: Estado del arte de la producción de biocombustibles avanzados en la Unión Europea, [en línea], Inst. Universidad de Sevilla, España, Sevilla, España, 2014, Disponible en: http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/70579/fichero/Estado+del+arte+de+la+producci%C3%B3n+de+biocombustibles+avanzados+en+la+Uni%-C3%B3n+Europea.pdf., coinciden en que su obtención afecta al sistema ecológico y ambientalista, además de poner en riesgo derechos como la alimentación por el uso de grandes extensiones de tierra y la materia prima que se utiliza para su producción. En cambio se puede citar a (Díaz-Barrios y Pérez-Acosta, 2021DÍAZ-BARRIOS, S.; PÉREZ-ACOSTA, O.: “Uso del biodiesel en motores de combustión interna destinados a actividades ganaderas”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(1): 69-81, 2021, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054.) que plantean que el enfoque para no repercutir de forma negativa en el medio ambiente debe de estar dirigido al método de producción y la materia de la que se obtienen. Para un mayor desarrollo sostenible o sustentable la opción más viable es la del biocombustible de segunda generación (G2). Se debe a que se pueden adquirir de cultivos sembrados en áreas marginales e improductivas no destinadas a la alimentación, que requieran poca agua y fertilizante. Además, se utilizan tecnologías amigables con el medio ambiente y en su mayoría económicas. La fabricación del mismo depende en gran medida de la disponibilidad nacional de cultivos energéticos (Díaz-Barrios y Pérez-Acosta, 2021DÍAZ-BARRIOS, S.; PÉREZ-ACOSTA, O.: “Uso del biodiesel en motores de combustión interna destinados a actividades ganaderas”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(1): 69-81, 2021, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054.).

Actualmente Cuba se encuentra necesitando reducir importaciones y potenciar el sector energético con energías limpias y renovables. La Agenda 2030 permite el enfoque como individuos, estado e instituciones en el desarrollo de la sostenibilidad. El Plan nacional de desarrollo económico y social hasta el 2030 plantea que el Estado promoverá la eficiencia energética y el desarrollo de fuentes renovables de energía potenciando su participación en la matriz energética nacional, con énfasis en la biomasa, la eólica y fotovoltaica (Verdejo-Espinosa et al., 2020VERDEJO-ESPINOSA, M.A.; LEYVA-CÉSPEDES, A.; ROQUE-DOVAL, Y.: “La Agenda 2030, las estrategias energéticas en España y Cuba. Calidad de vida de los adultos mayores”, Novedades en Población, 16(Especial), 2020, ISSN: 1817-4078, Disponible en: http://www.novpob.uh.cu.).

En el caso de la biomasa, en específico la producción del biodiesel, se avanza hacia la generalización de la tecnología y su mayor producción en Cuba se obtiene de la Jatropha curcas (Piloto-Rodríguez, 2021PILOTO-RODRÍGUEZ, R.: “Un acercamiento al desarrollo del biodiesel en Cuba”, Revista Cubana de Ingeniería, 12(2): 285, 2021, ISSN: 2223-1781.). Esta planta es conocida en países tropicales y semi-tropicales por su potencial para la obtención de este biocombustible. Se caracteriza por su resistencia a la sequía, el alto contenido de aceite, adaptación a diferentes condiciones y crecimiento rápido. En suelos arenosos pueden llegar a alcanzar alturas de 1 a 8 m (Bárzaga-Quesada et al., 2015BÁRZAGA-QUESADA, J.; RODRÍGUEZ-PONCE, Y.; MENA-MENA, E.; BELTRÁN-REYNA, R.; LORENTE-LEYVA, L.: “Utilización de la planta Jatropha Curcas como energía renovable para el desarrollo ambiental y sostenible de una finca en la provincia Granma, Cuba”, Infociencia, 9(1): 67-71, 2015, ISSN: 1390-339X.).

El empleo de mezclas de diésel-biodiesel es la solución a nivel mundial que se le da al uso del combustible fósil en las maquinarias. Al utilizarlas se logra disminuir la dependencia de los derivados del petróleo y reducir los gases contaminantes. Investigadores como García-Muentes et al. (2018GARCÍA-MUENTES, S.; SÁNCHEZ DEL CAMPO-LAFITA, A.E.; LABRADA-VÁZQUEZ, B.; LAFARGUE-PÉREZ, F.; DÍAZ-VELÁZQUEZ, M.: “Cinética de la reacción de transesterificación para la producción de biodiesel a partir del aceite de J atropha curcas L., en la provincia de Manabí, Ecuador”, Tecnología Química, 38(2): 281-297, Publisher: Departamento de ediciones Universidad de Oriente, 2018, ISSN: 2224-6185.; Piloto-Rodríguez (2021)PILOTO-RODRÍGUEZ, R.: “Un acercamiento al desarrollo del biodiesel en Cuba”, Revista Cubana de Ingeniería, 12(2): 285, 2021, ISSN: 2223-1781. García et al. (2018)GARCÍA, M.S.A.; SÁNCHEZ, A.E.; LABRADA, V.B.; LAFARGUE, P.F.; DÍAZ, V.M.: “Cinética de la reacción de transesterificación para la producción de biodiesel a partir del aceite de J atropha curcas L., en la provincia de Manabí, Ecuador”, Tecnología Química, 38(2): 281-297, 2018, ISSN: 2224-6185., Piloto et al. (2018), plantean que el biodiesel obtenido de la Jatropha curcas se puede utilizar en los MCI, se debe a que presenta similitudes en las propiedades de viscosidad y densidad con el diésel que son las principales características a tener en cuenta. Sin embargo, esas diferencias en las propiedades repercuten en los parámetros del motor como es el caso la viscosidad que tiene una influencia directa sobre el proceso de inyección y atomización del combustible (Riba et al., 2010RIBA, J.R.; ESTEBAN, B.; BAQUERO, G.; PUIG, R.; RIUS, A.: “Characterization of physical properties of vegetable oils to be used as fuel in diesel engines”, Afinidad, 67(546): 100-106, 2010, ISSN: 0001-9704, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2013.02.018.).

Por todo lo planteado anteriormente se requiere determinar el porcentaje de biodiesel que se puede añadir sin afectar el funcionamiento del motor MWM Internacional acoplado a una bomba vertical de pozo profundo marca Worthington. Además, conocer el funcionamiento de los parámetros del motor, así como el comportamiento económico de las mezclas al utilizar este combustible.

MATERIALES Y MÉTODOS

El experimento se realizó en el Departamento de Ingeniería y Medio ambiente, del Instituto de Ciencia Animal (ICA). Se evaluó el sistema de bombeo que se usa en el abastecimiento del agua para el instituto y la comunidad. Se realizan tres bombeos al día, el tanque es en forma de hongo con un volumen de 283, 91 m³. El motor que se utiliza es un MWM Internacional; modelo 6.10T y una bomba vertical de pozo profundo marca Worthington. El cabezal es italiano, marca Roto Pompe con una frecuencia de rotación máxima de 1760 min^-1 y con una capacidad de 5,5 L.

Por medio de la Estación Experimental “Indio Hatuey” (EEPF-IH) y LABIOFAM de Guantánamo se logró obtener el biodiesel de Jatropha curcas que se utilizó en el experimento, mientras que el diésel utilizado provino de la pista de abastecimiento del ICA. El primer paso fue definir el porcentaje a añadir a la mezcla (0%; 5%; 10%; 15%; 20%; 25% y 30% biodiesel) e identificar la frecuencia de rotación a trabajar (1350, 1550, 1750 min^-1). Para medir el tiempo de la prueba se emplea un cronómetro digital, con grado de precisión de ± 0,01s y el tacómetro digital para identificar la frecuencia rotativa.

Para el cálculo de los parámetros del motor se utilizó las siguientes expresiones:

donde:

Pbe: esfuerzo de frenado, N;

kgf; ß: distancia, m;

Gc: gasto de combustible, L;

t: tiempo en el que se consume el combustible suministrado, h.

El motor del experimento no se utiliza en un banco de prueba. En cambio; está acoplado a una bomba hidráulica, por lo que la metodología del cálculo de la Ne y Me se le realizan algunas modificaciones.

A partir de lo que se plantea anteriormente se tiene las siguientes expresiones matemáticas:

De la multiplicación de ρ*g se obtiene γ por lo que la ecuación se transforma en:

donde:

ρ: es la densidad del fluido (1 000 kg/m³ en el caso del agua);

g: es la aceleración de la gravedad (generalmente se adopta: 9.81 m/s²);

γ: es el peso específico del fluido

Q: es el caudal, m³/s;

h: es la ganancia de carga en la bomba, o en otros términos, altura dinámica de la bomba, m.

donde:

k: coeficiente de resistencia por accesorio

v: velocidad del fluido en la tubería, m²/s;

g: aceleración de la gravedad, m/s².

En el análisis económico se considera fundamentalmente, el costo del combustible consumido. El mismo, se determina en función del consumo horario de combustible (Gh) durante el período de experimentación, respecto al precio del mismo (EP Petroecuador, 2020EP PETROECUADOR: Observatorio de Energía y Minas, Inst. Boletín Estadístico del Sector de Hidrocarburos, Ecuador, Ecuador, 2020.). Para la determinación, se utiliza la expresión:

donde:

Gh: Consumo horario de combustible, L/h;

Pc: Precio del combustible, peso/ L

RESULTADO Y DISCUSIÓN

A partir de los datos reunidos se logró obtener los siguientes parámetros del motor: consumo horario (Gh), consumo específico de combustible (ge), potencia efectiva (Ne) y el momento torsor (Mt) del motor al estar acoplado a una bomba del agua. Los resultados del Gh y ge se le realizó un análisis de varianza según modelo de Clasificación simple con arreglo factorial 7(mezclas) x 3(min^-1) (Duncan, 1995DUNCAN, D.B.: “Multiple range and multiple F tests”, biometrics, 11(1): 1-42, Publisher: JSTOR, 1995, ISSN: 0006-341X.). Donde se aplicó la dócima de Duncan para P<0,05 y el paquete estadístico utilizado fue Infostat (Di Rienzo et al., 2012DI RIENZO, J.; CASANOVES, F.; BALZARINI, M.; GONZÁLEZ, L.; TABLADA, M.; ROBLEDO, C.: InfoStat versión 2012., [en línea], Inst. Universidad Nacional de Córdoba: Grupo InfoStat, FCA; 2012, Córdoba, Argentina, 2012, Disponible en: http://www.infostat.com.ar.). Además, se realiza un análisis de factibilidad económica a partir del Gh al trabajar a 1750 min^-1. En la Tabla 1, se muestra el análisis estadístico del consumo horario a las frecuencias de rotación 1350, 1550 y 1750 min^-1.

Al analizar las mezclas evaluadas se evidencia que las frecuencias de rotación 1550 min^-1 y 1350 min^-1 no presentan diferencias estadísticamente significativas entre las mismas. Este resultado se debe a la baja potencia en que está trabajando el motor respecto a su frecuencia de rotación. En el caso de 1750 min^-1 si se evidencia diferencias estadísticamente significativas entre las concentraciones de diésel-biodiesel, donde se evidencia un aumento del consumo en comparación con 1550 y 1350. Si se observa cada una de las mezclas a 1750 min^-1 se puede concluir que el mayor consumo de combustible es en B-30 debido al menor poder calorífico del combustible utilizado. Esto se debe a la necesidad que requiere el motor de consumir más combustible para lograr la misma potencia. Dinza-Verdecia et al. (2020)DINZA-VERDECIA, D.; ARIAS-GILART, R.; ALFARO-RODRÍGUEZ, C.; SILVEIRA-FONT, Y.; MENADIER-GAINZA, R.; SOTO-FERNÁNDEZ, K.: “Evaluación de una mezcla aceite de jatropha-diésel bajo la acción de un campo magnético”, Ingeniería Energética, 41(1): 1-10, Publisher: Facultad de Ing. Eléctrica Universidad Tecnológica de La Habana, CUJAE, 2020, ISSN: 1815-5901. coinciden con este resultado, ya que expresan que el Gh aumenta con el incremento de las cargas del motor debido a que los aceites vegetales y por ende sus mezclas con combustibles tradicionales presentan menor poder calórico que el diésel convencional.

En la Tabla 2, se expresa el análisis estadístico del consumo específico de combustible a las frecuencias de rotación 1350, 1550 y 1750 min^-1. En estos resultados se aprecia que a 1550 min^-1 no existen diferencias estadísticamente significativas. En cambio, a 1750 min^-1 solo hay diferencias en la mezcla B-30 la cual se debe al mayor consumo horario del motor y menor poder calorífico del combustible. Se han reportado resultados similares por Piloto et al. (2013)PILOTO, R.; SIEREN, R.; VERHELST, S.; FERRER FRONTELA, N.: “Caracterización de un motor diésel trabajando con mezclas de aceite de Jatropha y combustible diésel”, Revista Ingeniería Energética, 34(3): 198-207, 2013, ISSN: 1815 - 5901. donde se evidencia el incremento del contenido de biodiesel en la mezcla, al aumentar el consumo específico de combustible, García et al. (2019)GARCÍA, H.; SAAVEDRA, R.; SÁNCHEZ DE PINTO, M.; PAPPALARDO, L.: “Producción de biodiesel a diferentes tiempos y temperaturas de reacción y consumo en motor”, En: II Simposio de residuos agropecuarios y agroindustriales del Noa Y Cuyo. San Juan, Argentina 2018, Argentina, pp. 68-72, 2019, ISBN: 978-987-521-982-3. coincide con estos resultado.

En cuanto a la frecuencia de 1350 min^-1 las mezclas que evidencia que no existen diferencias estadísticamente significativas, solo en el caso de B-5 y B-30 se alcanzan los mayores valores del consumo específico de combustible.

La no existencia de diferencias significativas en la mayoría de los valores que se presentan en la Tabla 2 se debe a la mejor combustión de la mezcla y eficiencia del motor. Esta es causada por el retroceso del combustible y el turbocompresor que presenta el MCI.

En lo referente a la potencia del motor y el momento torsor se obtuvo tres valores de forma respectiva para cada una de las frecuencias de rotación. Los datos se representan en gráficos para un mejor análisis de los mismos. En la Figura 1 se observan los valores obtenidos en función de las tres frecuencias de rotación (1350, 1550 y 1750 min^-1).

Al analizar los valores se aprecia una disminución de los parámetros en las menores frecuencias del motor. Esto se debe a que está siendo subutilizado pues su frecuencia de rotación nominal es de 2 600 min^-1 sin embargo se trabajó con frecuencias inferiores. El uso de menores revoluciones depende de que la bomba a la que está acoplado el motor posee un cabezal que admite solo hasta 1770 min^-1 máxima. En cuanto al momento torsor sus resultados son similares debido a las condiciones excepcionales con las que se trabajó.

En la Tabla 3, se muestran el precio del combustible desde el 2015 al 2020, después de obtener el Gh de todas las mezclas se realiza el análisis de factibilidad económico al utilizar la expresión 1. Los valores del consumo horario que se utilizan son a 1750 min^-1 ya que es la frecuencia de rotación que más se acerca a la nominal del motor.

En la Tabla 4, se muestra el análisis de factibilidad económico de las mezclas de combustible en los años 2018, 2019 y 2020. Además, se aprecia el costo del combustible consumido en el motor al transcurrir 1 000 h de explotación respecto al precio del diésel en el 2018.

Al realizar el análisis de los datos expuestos anteriormente, se puede observar, que el menor gasto por consumo de combustible se obtiene en el año 2020. REN21 (2020)REN21: Renewables 2020 global status report, Ed. Paris: REN21 Secretariat, 2020, ISBN: 978-3-948393-00-7. reporta que este es un año en el que disminuyó el consumo de combustible y por ende el precio del mismo causado por la situación especial que se vivió con la pandemia (COVID-19). La mezcla B-25 es donde se alcanzan los menores valores del gasto por consumo en los tres años analizados, se debe al aumento del porcentaje de biodiesel a la mezcla sin presentar diferencias significativas en el Gh. Los precios de B-20 también son satisfactorios al compararlo con el diésel puro. Por lo que se puede concluir que existe una disminución del gasto por consumo de combustible al aumentar el porcentaje de biodiesel a la mezcla. En el caso de B-30 se evidencia un aumento en todos los años ya que presenta el mayor consumo horario.

Al analizar todos los valores de los estudios realizados se puede concluir que las mezclas B-20 y B-25 son las más adecuadas para utilizar sin afectar al motor, debido a su comportamiento similar respecto a B-0. Sin embargo, se necesita señalar que es de vital importancia conocer el comportamiento de los gases de efecto invernadero que se expulsan a la atmósfera mediante la combustión, esto se debe a que no necesariamente estas mezclas serían las más idóneas si se analiza el componente ambiental. Los gases contaminantes expulsados a la atmósfera son perjudiciales para el medio ambiente y la salud del hombre. Su disminución permite contrarrestar el cambio climático que tanto daño está causando actualmente en el mundo. Además, se requiere conocer la durabilidad de las piezas del motor al utilizar este biodiesel en específico, el cual presenta menor poder calorífico y propiedades de viscosidad y densidad diferentes al diésel puro.

CONCLUSIONES