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8/18/2019 ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS
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CEDIT IMF 1
“ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS DEPETROLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, ALGODON Y
GIRASOL COCINAS NO CONVENCIONALES”
AUTORESMARCOS HUATUCO, Rubén [email protected]
SIVIPAUCAR GOMEZ, Clodoaldo Marcos [email protected] CUBAS CUBAS, Jhoan Miguel [email protected]
OLIVERA MACEDO, Lorena Luz [email protected]
ASESORIng. Andrés Valderrama Romero; Ph.D. avalderramar @unmsm.edu.pe
ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOSFACULTAD DE CIENCIAS FÍSICA
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSTelef: 6197000-3819/ 3806 / [email protected] C.U. Av. Venezuela Cdra. 34 - Lima 1
RESUMENEn el presente articulo se muestran las ecuaciones del proceso de combustión de las mezclas de petróleo diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón, el análisis del proceso de combustión se realizará considerando los parámetros
de diámetro del pulverizador, relación C/H/O de cada participante en la mezcla, color de la llama, forma de la llama,formación de dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos libres en forma de vapor (CH). Los ensayos se realizaron en
el Laboratorio de Termofluidos de la Escuela de Ingeniería Mecánica de Fluidos de la Universidad Nacional Mayor
de San Marcos; se trabajaron con mezclas en volumen de diesel 2 con 10%, 20%, 30% y 50% de biodiesel de soya,
girasol y algodón. Los resultados preliminares del análisis cualitativo y cuantitativo del proceso de combustión de
las mezclas, tomando en cuenta la relación estequiométrica (alfa=1), para mezclas enriquecidas (alfa1); este calculo se ejecutara para cada mezcla de biodiesel con petróleo diesel 2, lo que
permite establecer que es posible reemplazar parcialmente al petróleo diesel 2 por biodiesel, alcanzando condiciones
de desprendimiento y aprovechamiento de calor, y se demuestra que los niveles de producción de CO2 , N2 y vaporde agua son menores que el producido por el diesel 2; se calculara la temperatura de la flama adiabática para el
diesel 2 y para las mezclas y finalmente se construye el ábaco de los colores de la llama durante el proceso de
combustión, para cada mezcla.
ABSTRACTIn the present I articulate are the equations of the process of combustion of the diesel petroleum mixtures 2 with
biodiesel of soya, sunflower and cotton, the analysis of the combustion process will be made considering the
parameters of diameter of the sprayer, relation C/H/O of each participant in the mixture, color of the flame, forms of
the flame, formation of carbon dioxide (CO2), free hydrocarbons in steam form (CH). The tests were made in theLaboratory of Termofluidos of the Flowed School of Mechanical Engineering of of the Greater National University
of San Marcos; they worked with mixtures in volume of diesel engine 2 with 10%, 20%, 30% and 50% of biodieselof soya, sunflower and cotton. The preliminary results of the qualitative and quantitative analysis of the process of
combustion of the mixtures, taking into account the stoichiometric relation (alfa=1), for enriched mixtures (alfa1); this I calculate was executed for each mixture of biodiesel with diesel
petroleum 2, which allows to establish that it is possible to replace partially to diesel petroleum 2 by biodiesel,reaching conditions of loosening and heat advantage, and it demonstrates that the levels of CO2 production, water
N2 and steam are minors who the produced one by diesel engine 2; the temperature of the adiabatic flame for diesel
engine 2 calculated and for the mixtures and finally the abacus of the colors of the flame is constructed during the
combustion process, for each mixture.
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INTRODUCCIÓNEn la actualidad, el mundo esta viviendo los efectos
del impacto ambiental, producido en mayor medida
por la quema de combustibles denominados fósiles o
tradicionales. Con el objetivo de mejorar la calidad
del medio ambiente, se busca el empleo de nuevasfuentes de energía, cuyo proceso de combustión
permitan reducir los gases contaminantes, como CO,
NOx, CH, SOx y CO2, que son causantes delcalentamiento global, efecto invernadero, lluvia ácida,
y otros.
En el presente trabajo se busca establecer que laemisión de los gases contaminantes de la combustión
de la mezcla de biodiesel y petróleo diesel 2 son
menores en comparación de los gases contaminantes
emitidos en la combustión del petróleo diesel 2 puro.
La combustión es un proceso que se realiza para
utilizar la energía química liberada tanto por la
reacción del H2 hacia el H2O, como por la reacción
del C hacia CO2. El H2 por su gran afinidad con el O2 reacciona totalmente hacia H2O; en cambio, el C
reacciona hacia CO2 y CO. Cuando un kmol de Creacciona totalmente hacia CO2, libera 3.5 veces mas
energía que cuando el kmol de C reacciona totalmente
hacia CO. Esto justifica la tendencia a reducir al
mínimo la formación de CO para lograr la
combustión completa. En este contexto, el análisisrefiere a las reacciones de combustión de la mezcla
biodiesel y petróleo diesel 2, incluyendo la
combustión completa e incompleta para cada caso
específico.
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIOEl estudio se realiza en las siguientes etapas:
Primera etapa, determinación de la composición
C/H/0/S/ de los biodiesel de soya, girasol y algodón
Segunda etapa, calculo de las reacciones de
combustión de la mezcla del petróleo diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón; se considerara
los limites de inflamabilidad para cada caso, para lo
cual será necesario analizar las mezclas ricas, mezclaestequiometrica y mezcla pobre.
Tercera etapa, calculo del número de Wobbe, y de la
temperatura de flama adiabática y construcción delábaco de colores de la combustión.
DELINEACIÓN DE OBJETIVOS1- Objetivos Generales:
Análisis del proceso de combustión de lasmezclas de diesel 2 con biodiesel de soya,
girasol y algodón.
2- Objetivos específicos:Análisis de la relación C/H/O, H/C, numero de
Wobbe, temperatura de flama adiabática, color
de la llama, forma de la llama, formación de
dióxido de carbono(CO2), hidrocarburos libresen forma de vapor (CH), para cada mezcla de
diesel 2 con biodiesel de soya girasol y algodón
DESARROLLO DE TRABAJO
Índice de Wobbe: Cociente entre el poder caloríficoy la raíz cuadrada de la densidad relativa del gas bajo
las mismas condiciones de temperatura y presión. El
índice de Wobbe es una medida de la cantidad de
energía disponible en un sistema de combustión através de un orificio inyector. La cantidad de energía
disponible está en función lineal del índice de Wobbe.
Temperatura de la flama adiabática Es latemperatura que se obtendría en una combustiónestequiométrica con mezcla perfectamente
homogénea y en un tanque que nos permita evitarcualquier pérdida de calor al exterior.
Relación H/C: es la relación de densidadenergética de un combustible; se establece que
un combustible deberá tener un valor mayorigual a 0.12.
TIPOS DE COMBUSTIÓN
2.1. Combustión idealReacción que queda definida por un simple ecuación
química equilibrada. Se le denomina también
combustión teórica.
5.2. Combustión ideal con aire
Para la combustión ideal con aire consideraremos que
el H2 se oxida hasta formar H2O y el C se oxida hasta
formar CO2. Si existiera azufre, este se oxida hasta
formar SO2 (puede reaccionar también hasta formar
SO2, el cual en presencia del H2O líquido, dará ácidosulfúrico, compuesto altamente corrosivo).
Sea la combustión de un hidrocarburo de la forma Cx
Hy, la ecuación de la reacción será de la forma:
Cx H8 + bo2 +CN2 → d Co2 + e H2 O + f N2 …(1)
Cx H8 + b [ O2 + c/b N2 ]→ dC2 + e H2 O + f N2
..(2)
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CEDIT IMF 3
5.3. Combustión ideal con exceso de aire
Si en la combustión se utilizara únicamente la
cantidad teórica de aire, el combustible no se quemara
completamente, pues algunas moléculas delcombustible no se encontrarán con el oxigeno. Para la
oxidación completa del combustible, se necesitará
exceso de aire.
Para las reacciones con exceso de aire se define:
Aire real (ar). Es la cantidad de aire que ingresa a un
proceso de combustión.
Exceso de aire (εa). Se define por:
100 xa
at ar x
t
−=l ……(3)
Exceso de aire teórico. Se define por:
100% xa
ar at
t
= …….(4)
Mezcla rica. Es la que contiene una cantidad de aire
menor que la estequiometria (aire en defecto)
Mezcla pobre. Es la que contiene una cantidad de
aire mayor que la estequiometria (aire en exceso).
Cuando decimos que en una combustión se estautilizando 180% de aire teórico, se esta utilizando
80% de exceso de aire. Si la mezcla fuera
estiqueométrica, se estaría utilizando 100% de aire
teórico. Si el % de aire teórico utilizado es menor del
100%, se tratará de una mezcla rica, es decir, con
deficiencia de aire.
• Si la combustión es completa, el oxigeno en
exceso, aparecerá en los productos y la ecuación de la
reacción tendrá la siguiente forma.
Cx Hy + B [ O2 + 3.76 N2 ] → d C O2 + e H2 O
+ f N2 + g O2 ….(5)
2.2. Combustión completa
Es la combustión en cuyo producto no se encuentra
CO (monóxido de carbono). En este caso el carbono
del combustible se oxida totalmente para formar CO2.
2.3. Combustión incompleta
Es aquella donde entre los productos se encuentra
CO. En estos procesos, el carbono reacciona
formando CO y CO2 en proporciones desconocidas,que dependen de la cantidad de oxigeno utilizado y
del procedimiento empleado para mezclar el
combustible con el aire La temperatura influyetambién. Si es muy alta puede haber disociación.
METODOLOGÍA1. Combustión de la mezcla Diesel 2 y Biodiesel
de Soya al 30%
C H OBIODISEL DE SOYA 0.77 0.12 0.11
DIESEL 2 0.87 0.126 0.004
Ecuación de la Combustión Completa con excesode aire
Exceso de aire: 125% aire teórico
0.7 *(7.25 C + 6.3 H2 + 0.0125 O2)+0.3 *(6.417C+ 6 H2 + 0.34375 O2) + 1.25B ( O2 + 3.76 N2)
= d CO2 + eH2O + fN2 + gO2
7.000 C + 6.21 H2 + 0.119 O2 + 1.5 B (O2 +3.76 N2) = d CO2 + e H2O + f N2 + gO2
Balanceando:
d ( CO 2) = 7e (H2O) = 6.21
2 g (O2) = 19.9863 – 2.5 B
f (N2) = 46.9677
Ecuación Estequiometria
7.000 C + 6.21 H2 + 0.119 O2 + 1.5 B (O2 +
3.76 N2) = d´ CO2 + e´ H2O + f ´ N2 + g ´ O2
B (aire) = 9.9931
d´ (CO 2) = 7
e´ (H2O) = 6.21Entonces g (O2) = 2.4983
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Ecuación Balanceada
7.000 C + 6.21 H2 + 0.119 O2 + 14.9897 (O2 +
3.76 N2) = d CO2 + e H2O + f N2 + gO
Masa de aire Real
100)28*76.332(5.1)( 7
+= Br L ca …..(6)
Masa de aire teórico
100
)28*76.332()( 7
+= B
t L ca ….(7)
Análisis gravimétrico de los gases de combustión
Peso de CO2 = 7* (12+32) = 308
Peso de N2 = 46.9677* (28) = 1315.0953
Peso de H2O = 6.21 * (2+16) = 111.78Peso de O2 = 2.4983* (32) = 79.9450
Total = 1814.8203
Porcentaje de CO2:
% CO 2 = 308/1814.8203 = 0.1697
Peso de C = 7* (12) = 84
Peso de H2 = 6.21 * (2+16) = 12.42Peso de O2 = 0.119* (32) = 3.58
Peso de aire = 14.9897 * (32+3.76*28) =
2027.7843Total =
2157.7843
Relación H / C:
H / C = 12.42 / 84 = 0.1479
ANALISIS DE RESULTADOS1. Se construyen los gráficos con la variación de
los parámetros proceso de combustión de un
combustible líquido como son las mezclas de
diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y
algodón, que se muestran continuación:
VARIACION DEL PODER
CALORIFICO
42400
42900
43400
43900
44400
44900
B 1 0
B 3 0
B 5 0
% DE BIODIESEL
H u M J / k g
SOYA
GRIRAS
OL
ALGODÓN
Fig. Nº1 Variación del poder calorífico de las mezcla Diesel 2 y
Biodiesel de soya, girasol, algodón.
DENSIDAD ENERG TICA DEUN COMBUSTIBLE H/C
0,13
0,15
0,17
0,19
0,21
0,23
B
1 0
B 2 0
B
3 0
B
4 0
B
5 0
% MEZCLA
H / C
SOYA
GIRASOL
ALGODÓN
Fig.N2. Variación de la relación de H/C (densidad energética de un
combustible) para las mezclas de Diesel 2 y Biodiesel de soya,
girasol, y algodón considerando que:
mezcla
mezcla HuWoobe N ρ
=º ……..(8)
El número de Wobbe es la cantidad de energía
disponible en la combustión a través del inyector
(pulverizador). Entonces la mezcla que muestre un
mayor Nº de Wobbe tendrá una mayor energíadisponible en la combustión de la mezcla.
Entiéndase que
)(%)2(%2 biodiesel D biodiesel Dmezcla ρ ρ ρ += .(9)
100
)28*76.332()( 7
+= B
t L ca …..(10)
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ENERGIA DISPONIBLE ENLA COMBUSTION (Nº
WOBBE)
1435,001455,501476,001496,501517,001537,501558,001578,50
B 1 0
B 3 0
B 5 0
% MEZCLA
N º W O B B E
SOYA
GIRASOL
ALGODÓN
Fig.Nº3 Variación del Nº de Wobbe (energía disponible en la
combustión) para Diesel las mezclas de Diesel 2 y Biodiesel desoya, algodón, girasol.
EXCESO DE AIRE 50 %
13
14
15
16
17
18
% MEZCLA
SOYA
GIRASOL
ALGODÓN
SOYA 17,2953 17,1337 16,9714 16,8063 16,6445
GIRASOL 16,9895 16,5218 16,053 15,5832 15,1124
ALGODÓN 16,9761 16,495 16,0128 15,5294 15,0449
B10 B20 B30 B40 B50
Fig.Nº 4 Variación de la concentración del dióxido de carbono
(CO2) en las mezclas de Diesel 2 y Biodiesel de soya, girasol,
algodón.
2. Combustión de la mezcla Diesel 2 yBiodiesel de Girasol al 20%
Porcentaje de CO2 producto de la combustión
del Diesel 2 y biodiesel trabajando con el
pulverizador 1 y 2
PULVERIZADOR 1 Y 2
% AIRE
TEORICO%CO2 %CO2 %CO2
B30 SOYA B20 GIRASOL B30 ALGODÓN1.25 16.9714 16.2859 15.7739
1.35 15.7786 15.1401 14.6642
1.45 14.7425 14.145 13.7004
1.55 13.8341 13.2726 12.85555
1.65 13.0312 12.5016 12.1087
Figura 1. Porcentaje de CO2 producido en la combustión dela mezcla disel 2 y biodisel de soya, girasol y algodón para
los que se ha obtenido mayor aprovechamiento del calor
desprendido, trabajando con el pulverizador del 1 y 2
Porcentaje de CO2 producto de la combustión
del Diesel 2 y biodiesel trabajando con el
pulverizador 3 y 4
PULVERIZADOR 3 Y 4
% AIRETEORIC
O%CO2 %CO2 %CO2
B20 SOYA B30 GIRASOL B50 ALGODÓN
1.25 17.1734 15.8062 14.7864
1.35 15.9665 14.6942 13.7461
1.45 14.918 13.7284 12.8426
1.55 13.999 12.8817 12.0506
1.65 13.187 12.1334 11.3506
Figura 1. Porcentaje de CO2 producido en la combustión dela mezcla disel 2 y biodisel de soya, girasol y algodón para
los que se ha obtenido mayor aprovechamiento del calor
desprendido, trabajando con el pulverizador del 3 y 4
3. CALOR APROVECHADO Y CALORPERDIDO
Se calcula a partir de las fórmulas siguientes:
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3.1. Calor aprovechado durante el proceso decombustión
Para evaluar la cantidad de calor aprovechado por las
mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y
algodón, se deberá considerar la relación siguiente:
121 rad convconvoaprovechad QQQQ ++= ..(11)
En dónde:
Q aprovechado: calor aprovechado durante la combustión
Q convección 1: calor aprovechado por convección a
través del área libreQ convección 2: calor aprovechado por convección a
través del área de contacto con la tetera
Q radiación 1: calor aprovechado por radiación
3.2 Calor Perdido
Para evaluar la cantidad de calor perdido durante lacombustión por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel
de soya, girasol y algodón, se deberá considerar larelación siguiente
32 radiaciónradiación perdido QQQ += ..(12)
En dónde:
Q perdido: calor perdido durante la combustiónQ radiación 3 : calor perdido por radiación al aire
Q radiación 2: calor perdido por radiación
CALORAPROVECHADO YCALORPERDIDO
0
1.5
3
4.5
67.5
%MEZCLA
F
L
U
J O
D
E
C
A
L
O
R
K
W
CALOR
PERDIDO
CALOR
APROVECHADO
CALORPERDIDO 1.178 2.237 1.0012 0.9941 1.5296 0.956 0.8182 2.1813 1.1955
CALORAPROVECHADO 2.1342 3.9358 1.9094 1.975 2.675 1.7945 1.4343 3.0318 2.3417
S OYAB2 0 GIRASOL B2 0 ALGODÓNB2 0 S OYA B3 0 GIRASOL B3 0 ALGODÓN B30 S OYA B5 0 GIRASOL B5 0 ALGODÓN B5 0
Fig1. Calor perdido y calor aprovechado
3.3 Eficiencia de la combustion La eficiencia en la Combustión de la mezcla deDiesel 2 con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón,
se determina empleando la fórmula siguiente:
100×+
=
perdidocalor oaprovechad Calor
oaprovechad Calor η ..(13)
Eficiencia de la combustión
505560
6570
B20 B30 B50
% MEZCLA
E f i c i e n c i a ( % ) SOYA
GIRASO
LALGODÓN
Fig 2.Eficiencia de la combustión eficiencia vs mezcla
CONCLUSIONES1. Se demuestra que las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón tienen similar
comportamiento de un combustible dieselconvencional proveniente de un hidrocarburo.
2. La cantidad de energía disponible en lacombustión a través del inyector (pulverizador),determinado con el número Wobbe, disminuye
con el incremento del porcentaje de biodiesel en la
mezcla
3. La densidad energética de un combustible,determinada a través de la Variación de la relaciónde H/C, para las mezclas de Diesel 2 y biodiesel
de soya, girasol, y algodón se incrementa
conforme se incrementa el porcentaje de biodieseln la mezcla
4. La eficiencia máxima se alcanza con el 30% de lasmezclas de diesel 2 con biodiesel de soya y
algodón.5. La eficiencia máxima se alcanza con el 50% de lasmezclas de diesel 2 con biodiesel de girasol.
6. La concentración del dióxido de carbono en losgases de la combustión disminuye drásticamente
en comparación al diese 2 solo, lograndodisminuir el impacto ambiental.
BIBLIOGRAFIA
1.Postigo, J; Cruz, J; “Termodinámica Aplicada”;
editorial UNI, Lima1985.
2.Morán, M; Shapiro, H; “Fundamentos deTermodinámica”; editorial LIMUSA, México 1992.
3.Incropera, F.; “Fundamentos de TransferenciadeCalor”; editorial Prentice Hall, USA 1998
4.Marks, “Manual del Ingeniero Mecánico”, editorialLimusa, Mexico 1992
AGRADECIMENTO, los autores comprometen suagradecimiento al Programa de Iniciación Científica
(PIC) que dirige el vicerecorado Académico de la
UNMSM.
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ANEXO
Porcentaje de CO2
% C0 2
% Biodiselen lamezcla
SOYA GIRASOL ALGODÓN
B10 17.2953 16.9895 16.9761B20 17.1337 16.5218 16.495
B30 16.9714 16.053 16.0128B40 16.8063 15.5832 15.5294
B50 16.6445 15.1124 15.0449
Relación H / CH/C
% Biodisel
en lamezcla SOYA GIRASOL ALGODÓN
B10 0.1458 0.158 0.1583B20 0.1468 0.1719 0.1726
B30 0.1479 0.1866 0.1879B40 0.1489 0.2023 0.204
B50 0.15 0.219 0.2213
Número WobbeNº WOOBE
% Biodiselen la
mezclaSOYA GIRASOL ALGODÓN
B10 1556.413 1562.277 1560.591B20 1529.939 1541.386 1538.136B30 1504.008 1520.770 1516.073B40 1478.606 1500.422 1494.392B50 1453.718 1480.338 1473.085
Temperatura de la flama
Mezcla Diesel 2 y biodiesel de soya
24 PSI 32 PSID2 + BSOYA PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2
% biodiesel
soya
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
20 655 832 942 770 880 1000 791 858 1019 744 981 1041
30 580 828 931 660 870 895 610 843 965 810 880 950
50 805 961 976 740 860 970 877 975 1026 785 928 1070
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24 PSI 32 PSID2 + B SOYA
PULVERIZADOR 4 PULVERIZADOR 4
% biodiesel soya T corona T media T nucleo T corona T media T nucleo
20 616 816 959 625 830 990
30 700 885 968 831 935 1013
50 670 850 925 740 870 952
Mezcla Diesel 2 y biodiesel de algodón
24 PSI 32 PSID2 + BALGODÓN PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2% biodiesel
algodón
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
20 593 845 907 625 895 975 701 894 995 695 880 93530 565 800 926 680 880 945 580 693 950 787 880 992
50 544 760 885 700 885 975 565 793 910 740 940 996
24 PSI 32 PSID2 + BALGODÓN PULVERIZADOR 3 PULVERIZADOR 4 PULVERIZADOR 3 PULVERIZADOR 4
% biodieselalgodón
Tcorona
Tmedia
Tnucleo
Tcorona
Tmedia
Tnucleo
Tcorona
Tmedia
Tnucleo
Tcorona
Tmedia
Tnucleo
20 650 880 985 610 705 850 830 970 1005 632 790 885
30 755 847 988 622 748 890 778 858 994 648 755 916
50 755 968 1026 545 704 864 805 987 1034 550 771 880
Mezcla Diesel 2 y biodiesel de girasol
24 PSI 32 PSID2 + BGIRASOL PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2
% biodiesel
girasol
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
20 705 922 957 870 975 1000 585 825 920 845 955 1028
30 562 794 832 675 830 960 622 814 1010 650 940 975
50 634 814 955 670 870 900 665 895 996 784 880 933
24 PSI 32 PSID2 + BGIRASOL PULVERIZADOR 3 PULVERIZADOR 4 PULVERIZADOR 3 PULVERIZADOR 4
% biodieselgirasol
Tcorona
Tmedia
Tnucleo
Tcorona
Tmedia
Tnucleo
Tcorona
Tmedia
Tnucleo
Tcorona
Tmedia
Tnucleo
20 672 824 930 686 940 966 772 835 982 739 942 1006
30 803 845 972 707 956 1005 815 893 992 740 985 1022
50 815 938 997 800 942 1000 847 942 1006 815 974 1023