Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química

Taller I:

Problemas cotidianos y soluciones

Integrantes: Kassandra Rivera Javier Rodríguez Geraldine Ruiz Ignacio Sandoval Franco Soto Camila Soto

Grupo: 6Coordinación: G-6

Asignatura: Introducción a la Ingeniería

Profesor: Luis Ríos Sepúlveda

Ayudante: Jacque Jonathan (¿)

Unidad:

Fecha: 25-03-2015

Índice

3)1. Introducción………………………………………………………………….32. Problema……………………………………………………………………...42.1 Gases que emiten los tubos de escape……………………………….63. Funcionamiento del motor y su relación con el tubo de escape…..84. Soluciones…………………………………………………………………...94.1 Soluciones directas………………………………………………………104.2 Soluciones indirectas…………………………………………………….145. Conclusión…………………………………………………………………..176. Bibliografía…………………………………………………………………..18

Grupo: 6Coordinación: G-6

Asignatura: Introducción a la Ingeniería

Profesor: Luis Ríos Sepúlveda

Ayudante: Jacque Jonathan (¿)

Unidad:

Fecha: 25-03-2015

1) Introducción   

¿Hace cuánto la vida humana ya no se pregunta cómo será ver realmente un cielo despejado? O una pregunta más simple como ¿Qué está respirando? Muchas veces uno, luego de estar encerrado en algún lugar, sale a la calle para “por fin respirar aire puro”, pero ¿es realmente cierto aquello? Van más de 500 años desde que ya no es lo mismo ver una estrella en el campo que en la ciudad, es más, hoy en día, el respirar en el campo no tiene demasiada diferencia entre respirar en una ciudad pequeña. Gracias a la modernización y todos aquellos inventos que le facilitan la vida al hombre el vivir el día se ha convertido en algo sucio, e inclusive, peligroso para la salud.

En el siguiente informe, se discutirá sobre una de las problemáticas sociales que más nos acongojan en el día a día, es decir, la contaminación atmosférica. Específicamente, sobre aquellos gases dañinos tanto para el medio ambiente, como para el ser humano emitidos por los tubos de escape de los automóviles   En primer lugar, se planteará el problema y las razones para que éste genere una necesidad, es decir, las explicaciones de los daños producidos por los gases que se mostrarán a continuación. Después de esto, se explicará el funcionamiento del motor y su relación con el tubo de escape, para finalmente identificar las posibles soluciones, tanto directas como indirectas (que afecten centralmente al tubo de escape o que afecten al coche, así disminuyendo parcial o completamente las emanaciones tóxicas y peligrosas para la biósfera) y realizar un análisis de cada una de ellas. En último lugar, se concluirá si las resoluciones presentadas resuelven el conflicto presentado con anterioridad.

Además como último objetivo de este informe, es representar que la Ingeniería es una rama que puede resolver sucesos de la vida cotidiana, que avanza a pasos agigantados.

2) PROBLEMA

Para elegir un problema cotidiano, como grupo, se decidió que cada persona iba a aportar con un problema que encontrara, los cuales fueron:

Solucionar el mal olor de los refrigeradores. Regular la temperatura del metro. Problemas medioambientales.

Luego de una conversación, se llegó al consenso de buscarle una solución a los problemas medioambientales debido a la alta importancia que están viviendo hoy en día, además de la constante exposición ante ellos. Al ser un concepto tan amplio, se rebuscó agentes contaminadores, decidiendo finalmente exponer y buscar soluciones específicas a la problemática que originan los tubos de escape y la emisión de gases tóxicos que se producen, como el monóxido de carbono. Debido a que este no solo origina moléculas dañinas tanto para el ser humano como para el ambiente (por ejemplo el CO2). En primer lugar, se ha visto que nanopartículas emitidas por los tubos generan radicales libres que dañan el cuerpo (1). Por otro lado, el dióxido de carbono absorbe radiación, lo que provoca el efecto invernadero (2). Además, compuestos como dióxido de azufre y óxido de nitrógeno se activan con la luz del Sol y la humedad produciendo ácidos sulfúricos y nítricos que precipitan en la tierra, bajando su pH (3).

Por lo tanto, la necesidad sería disminuir las emisiones de gases tóxicos producidos por los tubos de escape de los automóviles

Contaminación atmosférica de Santiago Foto tomada al frontis de un departamento ubicado en la Calle Dresdén, Comuna San Miguel el día 23 de marzo de 2015 a las 21:58 pm.

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Problema deacondicionamiento al interior del vagón. Foto tomada en vagón de Metro, Línea 1, Estación República el día 23 de marzo de 2015 a las 19:05

Problema del mal olor generado al interior de un refrigeradorFoto tomada el 21 de marzo de 2015 a las 15.53 pm

2.1) Gases que emiten los tubos de escape de los automóviles:

Dióxido de carbono (CO 2): Contaminante primario. Este gas en sí mismo no es tóxico para el ser humano. Su efecto contaminante reside en que éste, al tener una sobre-emisión, se retiene en la atmósfera propiciando el llamado

“efecto invernadero” Dióxido de azufre (SO 2): Contaminante primario. Gas incoloro e inflamable.

A pesar de su corta vida media (dura alrededor de 2 a 4 días en la atmósfera terrestre) es un importante factor en la lluvia ácida, debido a que

aquellas partículas que no fueron devueltas a la superficie, quedan en el aire en forma de ión sulfato (SO4 2- ).

Hidrocarburos sin quemar: Mayores productores del llamado “smog”, reconocido por ser perjudicial y tóxico para la vida humana. Es posible que cause daños a órganos como el hígado, llegando incluso al cáncer si se está constantemente a su exposición.

Monóxido de carbono (CO): Contaminante primario. Gas incoloro e insípido, tóxico tanto para el ser humano como para el resto de la biósfera, ya que envenena la sangre impidiendo el transporte de oxígeno. Es el gas con mayor emisión no natural después del anhídrido carbónico (CO2)

Óxidos de Nitrógeno (NO yNO 2): El primer gas emanado es incoloro e inodoro, además de ser él que más se produce. En cambio, el segundo, es un gas venenoso de aspecto rojizo y olor profundo, este puede causar irritaciones en la membrana pituitaria. (3)

Congestión vehicular en la acera Norte

Foto tomada en Estación Central, Avenida Libertador Bernardo O’Higgins durante las 18:49 pm.

Sujeto con malestares producto de los gases tóxicosFoto tomada el día 24 de marzo de 2015 a las 20:56 pm

Persona con problemas de congestión nasal producto de la contaminaciónFoto tomada el día 24 de marzo de 2015 a las 21:04 pm

3) FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR Y SU RELACIÓN CON EL TUBO DE ESCAPE

El motor de un automóvil, también conocido Motor de Otto se encarga de transformar la energía química del combustible en energía cinética. Este aparato contiene un carburador, el cual efectúa la labor de fusionar aire y combustible (llamado Tiempo de Admisión). Luego de que los cilindros cierran, debido a que se ha alcanzado el mayor volumen, el pistón se encarga de comprimir la mezcla (Tiempo de Compresión). Después la bujía provoca la combustión de la solución (Tiempo de Combustión). Finalmente, se abre la válvula de escape, provocando que los gases que se encuentran a alta presión salgan del cilindro (Tiempo de Escape). Por consiguiente, el pistón retira los residuos. (3)

¿Cómo funciona el motor de cuatro tiempos? Diagrama que muestra las cuatro etapas que realiza un motor para generar la energía cinética. (4)

Transporte público que utiliza motor OttoFoto tomada en Av. Libertador Bernardo O’Higgins el día 24 de marzo de 2015 a las 18:47

4)SOLUCIONES

El problema de la gran cantidad de contaminación producida por los medios de transporte es cada vez más preocupante. Debido a esto se planea plantear algunas soluciones que permitan ayudar al medio ambiente, ahorrar en consumo y gastos energéticos.

Sin embargo, se deben separar las soluciones directas de las indirectas, donde las primeras afectan al funcionamiento específico del tubo de escape, al contrario de las segundas, que requieren un cambio más allá de él.

Las soluciones directas son:1) Crear un filtro que aminore las emisiones2) Utilizar una bacteria que ingiera CO2

Por otro lado, las soluciones indirectas son:3) Cambiar la gasolina por un combustible alternativo4) Inventar coches híbridos

Autobuses estacionados en el Terminal de BusesFoto tomada en Estación Central el día 24 de marzo de 2015 a las 18:52 pm

4.1) Soluciones directas

La primera alternativa afirma que se puede crear un filtro que acompañe al tubo de escape, que se encargue de purificar el aire expulsado. Sin embargo, esta opción ya fue originada, recibe el nombre de ‘’Sistema de recirculación de los gases de escape’’, por lo tanto, se explicará a continuación. Este equipo controla más certeramente la inyección de aire, recuperando el gas de escape, que provoca una disminución de la temperatura, lo que implica una reducción de los óxidos nitrosos. Este sistema utiliza un catalizador, donde el aire introducido produce una reacción que libera energía, produciendo una combustión entre el HC y el CO. Por otro lado, la válvula se cierra evitando el paso de los gases. (5)

Recirculación de gases de escapeDiagrama que muestra el paso de los gases por las diferentes partes del sistema.

(6)

Tubo de escape de Auto marca Toyota Corolla año 2010Foto tomada el día 23 de marzo de 2015 a las 20:48

Motor de Auto Marca Toyota Corolla año 2010Foto tomada el día 23 de marzo de 2015 a las 20:30 pm

La segunda solución directa a este problema es utilizar una bacteria que ingiera o degrade gases tóxicos como el CO y el CO2.

Un ejemplo de este tipo de bacteria podría ser la Archaea la cual absorbe CO2

para formar agua. Las Archaeas puedes soportar temperaturas mayores a 100°C con soluciones salinas altas y pH extremo. Dentro de esta clasificación, se encuentran los Homoacetogenos que realizan la siguiente reacción

2CO2 + 8H2 => CH3COOH + 2H2O

De esta forma se podría recrear una cápsula donde la bacteria tenga condiciones ideales para vivir. Además, en esta cápsula debería entrar el dióxido de carbono y por consiguiente se le debe agregar un filtro que libere el acetato y el agua.(7)

También ha surgido interés por estudiar este tipo de bacterias debido a que presentan enzimas que no se desnaturalizan en presencia de altas temperaturas o pH muy ácidos o básicos, por lo que su metabolismo podría ser utilizado en variadas aplicaciones, además de la reducción de gases tóxicos. Finalmente, esta opción no se vuelve factible debido al costo de producción que genera.(8)

Papel tornasol utilizado para cuantificar pHFoto tomada el día 22 de marzo de 2015 a las 16:37 pm

Ejemplo de una medición básica utilizando la herramienta de papel tornasolFoto tomada el día 22 de marzo a las 17:23 pm

Panorámica de precipitación ácidaFoto tomada el día 24 de marzo a las 9:37 am.

4.2) Soluciones indirectas

Entre las opciones indirectas, se encuentra en primer lugar, el cambio de la gasolina por un combustible alternativo.

CAMBIAR GASOLINA POR

ASPECTO POSITIVO ASPECTO NEGATIVO

Etanol Utiliza materiales renovables.Provoca una disminución de la emisión de gases.

Alza en los precios de los productos a utilizar, tales como el trigo, la cebada, o el maíz

Gas natural Combustible que quema limpio.

La combustión genera metano (CH4), considerado 21 veces peor que el CO2

Electricidad generada en celdas que necesitan de reactivos el hidrogeno y el oxígeno

No producen combustión, por lo tanto, no expulsan gases tóxicos.

La electricidad se genera del carbono y gas natural, lo que genera una gran huella de carbono.

Hidrogeno y gas natural No produce emisiones dañinas

Requiere una alta inversión

Propano (Es un subproducto del procesamiento natural del gas y la refinación del petróleo.)

Produce menos contaminación que la gasolina

Emisión de metano, que genera la producción del gas natural.

Metanol o alcohol de madera

Es inflamable, por lo tanto, para la combustión no se puede utilizar en forma pura.

Ya no se producen vehículos que utilicen metanol

Combustible PSerie (Son una mezcla de etanol, liquido del gas natural y metiltetrahidrofurano, solvente derivado de biomasa.)

Los combustibles PSeries pueden ser usados solos o mezclados con gasolina en cualquier proporción

Ya no se producen vehículos que utilicen este tipo de combustible.

Biodiesel (Basado en grasa vegetal o animal)

Es seguro, biodegradable y reduce las emisiones vehiculares

Los lugares en los que se produce son limitados al igual que su distribución. (9)

Aceite que podría ser utilizado para combustionarFoto tomada el día 23 de marzo de 2015 a las 21:26.

Representación gráfica de la electricidadFoto tomada el día 23 de marzo de 2015 a las 12:05 am.

Finalmente, también existe la posibilidad de cambiar el auto convencional que funcione con gasolina por uno híbrido o uno eléctrico

Existen los coches híbridos convencionales que se caracterizan por poseer una combinación de dos o más motores alimentados por diferente energía. En general se habla de un motor de combustión interna, ya sea de gasolina, diésel o gas y de un motor eléctrico. En este caso, el motor eléctrico utiliza un método para separar el CO2 utilizando la energía solar para producir CO y O.

Este método utiliza un semiconductor y dos capas de catalizadores, se necesitan 3 pasos para producir el CO y O:

Primero se capturan fotones por el semiconductor, el cual convierte la energía solar en energía eléctrica, luego se aplica la energía eléctrica a los catalizadores, quienes se encargan de convertir el CO2 en CO y O. (10)

Aunque el CO es venenoso, tiene muchos usos. Se emplean muchísimas toneladas de él en cada año para fabricar productos químicos, incluyendo detergentes y plásticos. También puede convertirse en combustible líquido.(11)

Estos coches poseen varias ventajas y desventajas entre las que se encuentran las siguientes:

Ventajas:

Frente a otros sistemas de propulsión alternativa el hibrido posee la ventaja de funcionar con combustibles que se encuentran en cualquier gasolina no así los autos eléctricos. Además son eficientes y no producen contaminación acústica. Además distribuyen mucho menos gases contaminantes en comparación a un vehículo normal. Por otro lado, rinde de manera más eficiente en trayectos cortos, por lo que funcionaría aún mejor en lugares urbanos. Asimismo, utiliza menor cantidad de combustible en relación a los vehículos convencionales. (11)

Desventajas:

En primer lugar, el precio es muy alto para la mayoría de las personas. En segundo lugar, si una pieza falla o se daña existe un déficit de talleres que se encarguen de este tipo de autos. Lo que además provoca que su mantención y reparación también sea caro. Otro problema que se ocasionaría al implementar estos vehículos, es que las baterías afectarían al medio ambiente si no existe un método de reciclaje para ellas. (12)

5) Conclusión.-

Después de haber planteado el problema, y haber realizado la búsqueda de las soluciones posibles para la resolución de este, se llegó a la conclusión de que cada alternativa trae consigo su lado negativo, es decir, cada vez que se encontraba una solución al problema (en este caso de la gran contaminación emitida por medios de transporte), se descubría que ésta a su vez generaba otro problema, o en algunos casos más contaminación, como ocurría con la conversión de la gasolina hacia el gas natural. Por otro lado, las opciones que reducían casi por completo la emisión resultan costosas para ser implementadas en este sistema.

Lo que, ante la reflexión y análisis de los datos que se pudieron obtener, se demostró que las soluciones no resolvían el problema por completo, sino que solo aminoran el efecto que este puede tener sobre el ambiente y los seres que vivimos día a día frente a este problema de emisión de gases. No existen soluciones 100% efectivas aún, que eliminen las emisiones producidas por los vehículos, transporte público, etc. Por lo tanto el problema sigue abierto a nuevas soluciones futuras.

También, se determinó que la labor de la Ingeniería es primordial para el desarrollo humano, ya que se necesita en prácticamente todos los aspectos de la vida que se generen y se creen nuevas tecnologías acompañadas de innovación para poder encontrar soluciones efectivas y definitivas a los problemas de la vida diaria.

6) BIBIOGRAFÍA

(1) ‘’Muy Interesante’’: La contaminación de los tubos de escape daña tu corazón. Edición 287/Julio2011.Fecha de consulta: 22/03/2015 http://www.muyinteresante.es/salud/articulo/la-contaminacion-de-los-tubos-de-escape-dana-tu-corazon

(2) Erazo, Cárdenas ‘’Ecología: Impacto de la problemática ambiental actual sobre la salud y medio ambiente’’ Ediciones Ecoe, Primera edición, año 2013, 153p.

(3) BOSCH, ‘’Técnicas de los gases de escape para motores de gasolina’’ Serie Amarilla Edición 2003, año 2003, 44p.

(4) Moto y Casco ¿Cómo funciona el motor de cuatro tiempos? Fecha de consulta: 24/03/2015 – 10.23am.http://motoycasco.com/como-funciona-motor-cuatro-tiempos

(5) Heinz ‘’Manual de la Técnica del automóvil’’ BOSCH Innovación para tu vida, 4°Edición, año 2005, 541p.

(6) ‘’Sistema de recirculación de los gases de escape’’Fecha de consulta: 24/03/15 – 01:27 am.http://passofttouran.blogspot.com/2011/10/recirculacion-de-gases-de-escape.html

(7) Ventanas al universo ‘’ Archaea’’ Fecha de consulta: 23/03/2015 – 10:14 pm.http://www.windows2universe.org/earth/Life/archaea.html&lang=sp

(8) Curtis, Schnek ‘’Invitación a la Biología’’ Sexta edición, Editorial Médica Panamericana, año 2006, 457p.

(9) Freno Motor ‘’Las ventajas y desventajas de los coches eléctricos”Fecha de consulta:22/03/2015-17:16pm.http://frenomotor.com/opinion/ventajas-inconvenientes-vehiculos-electricos

(11) Motor Pasión ‘’Características de los coches híbridos’’Fecha de consulta: 22/03/2015-19:07pmhttp://www.motorpasion.com/coches-hibridos-alternativos/que-es-un-coche-hibrido

(10) Xataka: apasionados por la tecnología ‘’Coche eléctrico vs hibrido enchufable: las tendencias del futuro’’Fecha de consulta: 22/03/2015-18:26pm.

http://www.xataka.com/gadgets-y-coches/coche-electrico-vs-hibrido-enchufable-las-dos-tendencias-del-coche-del-futuro

(11) De Perú ‘’Ventajas y desventajas de los coches híbridos’’Fecha de consulta: 22/03/2015-19:36pmhttp://www.deperu.com/autos/ventajas-y-desventajas-de-un-vehiculo-hibrido-1224

(12) Quenergía “Los ocho mejores combustibles alternativos’’Fecha de consulta: 22/03/2015 – 21:32 pm.http://quenergia.com/energias-renovables/los-ocho-mejores-combustibles-alternativos/