práctica 8 lab. máquinas térmicas,unam fi, el motor encendido por compresión y su balance...

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de ingeniería

REPORTE 8: EL MOTOR ENCENDIDO POR COMPRESIÓN Y SU BALANCE TÉRMICO

NOMBRE: LEGAZPI ASCENCIO AXHEL

GRUPO: 8

LAB. DE MÁQUINAS TÉRMICAS

Fecha de realización: 13/10/2016

Fecha de entrega: 20/10/2016

LAB. DE MÁQUINAS TÉRMICAS. EL MOTOR ENCENDIDO POR COMPRESIÓN Y SU BALANCE TÉRMICO. Legazpi Ascencio Axhel

1. Describa paso a paso, como se transforma la energía en un motor encendido por compresión de 2 y 4 tiempos o carreras. Mínimo una cuartilla para cada uno de los motores.

De 2 tiempos Fase de admisión-compresión.

El pistón al subir por el cilindro descubre el conducto por el que se introduce mezcla de gasolina/aceite y aire directamente al cárter. Al mismo tiempo la cara superior del pistón comprime la mezcla (previamente trasvasada desde el cárter a través de las lumbreras de admisión) contra la culata. En este caso el cárter el hermético ya que al volver a bajar el pistón, este provoca una cierta presión (pre compresión) que empuja los gases del cárter a través de los conductos de carga (lumbreras de transferencia o tránsfers) que permiten volver a llenar la parte superior del cilindro con mezcla fresca.Aquí se puede ver que en un solo tiempo se genera el trabajo transmitido a la flecha, además de la energía gastada en eliminar la humedad del combustible y el aire, la energía perdida por la formación de agua al reaccionar el aire con el hidrógeno del combustible. En la combustión se queda la energía por el combustible no quemado y a la hora del escape se va parte de la energía con los gases calientes de combustión.

Fase de explosión- escape.

El pistón al llegar al punto inferior de su recorrido reinicia su camino hacia arriba con lo que cierra de nuevo la lumbrera de transferencia e inicia la compresión de los gases frescos.

El segundo tiempo corresponde a la carrera de retorno del pistón al P.M.S. La primera parte está todavía dedicada a la fase de barrido y admisión, pero la segunda, a la fase de compresión. Antes de que la carrera esté terminada, el borde inferior del pistón deja libre la lumbrera B de entrada del fluido en el cárter; éste penetra por efecto de la depresión creada a causa del movimiento del pistón y es luego comprimido durante la carrera siguiente.

Como quiera que se tenga una carrera útil por cada giro del eje cigüeñal, la frecuencia de la carrera útil y, por consiguiente, la potencia obtenida, resulta teóricamente doble de la de un motor de 4 tiempos de igual cilindrada. El aumento de la frecuencia de la carrera útil un calentamiento excesivo de las partes tiende, sin embargo, a causar del motor y, por ello, a producir una rotura de la película de aceite lubricante con peligro de averías en el pistón y en el cilindro. La velocidad del motor de 2 tiempos debe, por ello, ser en general un poco inferior a la necesaria para realizar el doble de la potencia.


De 4 tiempos ADMISIÓN: En esta fase el descenso del pistón aspira el aire en motores de

encendido por compresión. En el primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.En la cámara de combustión se abre, a su debido tiempo, la válvula de aspiración para permitir la entrada del aire o de la mezcla gaseosa combustible. La válvula empieza a abrirse antes de iniciarse la carrera y se cierra después de realizada la carrera.

COMPRESIÓN: Cerrada la válvula de aspiración durante la carrera de retorno del pistón, la carga es comprimida en la cámara de combustión hasta un valor máximo, que se alcanza al final de dicha carrera. En este instante, el volumen de la carga queda reducido a una fracción del volumen que tenía al principio de la carrera; esta fracción es la inversa de la relación volumétrica de compresión.En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente.

COMBUSTIÓN y EXPANSIÓN: Poco después del final de la carrera de compresión se produce el encendido espontáneo del combustible inyectado en la cámara de combustión. en los motores diésel, se inyecta a través del inyector el combustible muy pulverizado, que se auto-inflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro.El valor alcanzado por la presión después del encendido es, aproximadamente 2 a 4 veces superior al que tenía inicialmente, por lo que el pistón es empujado hacia abajo. Antes de que la carrera de trabajo se complete, comienza a abrirse la válvula de escape y los gases de la combustión, que están todavía bajo cierta presión, empiezan a salir.Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas gira 90º respectivamente, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente.

ESCAPE: Durante la siguiente carrera de retorno hacia el PMS, el pistón expulsa los gases de la combustión a través de la válvula de escape. Al final de la carrera, o poco después, se cierra la válvula de escape; entretanto permanece abierta la válvula de aspiración y comienza un nuevo ciclo, que se repite con regularidad.

También se debe tomar en cuenta el sistema de enfriamiento que hace que el


motor no eleve tanto su temperatura, por lo que le quita energía calorífica al sistema y se la transfiere al agua de enfriamiento.

2. Alternativas de cogeneración (trigeneración) con motores Diésel. Proponer arreglos con motores diésel, describir oportunidades de ahorro de energía, equipos componentes, variantes, etc.

Normalmente, las plantas de cogeneración suelen ser para autoconsumo (generación solo para uso propio), aunque también pueden vender el calor producido a alguna industria cercana a la planta de cogeneración y la electricidad generada se puede verter a la red de distribución. Las plantas de cogeneración tienen una alta eficiencia energética, mientras la eficiencia media de generación de electricidad es menos del 50%, las plantas de cogeneración presentan eficiencias superiores al 75%.

Usualmente los motores de combustión interna se implementan en sistemas de cogeneración para la generación de electricidad y las principales ventajas son:

Menor impacto ambiental Confiabilidad y seguridad energética Tecnología probada Buen desempeño ante fluctuaciones de carga Permite la reducción de pérdidas asociadas a la red de transmisión y distribución

Arreglos propuestos con motor diésel


El calor contenido en los humos de escape del motor se recupera en una caldera de recuperación, produciendo vapor que es utilizado en una turbina de vapor para producir más energía eléctrica o energía mecánica. El circuito de refrigeración de alta temperatura del motor se recupera en intercambiadores, y el calor recuperado se utiliza directamente en la industria asociada a la planta de cogeneración.

Motor diésel Eficiencia eléctrica :30%-50% Costo instalado: MXN 16´172.1- 30´440/Kw Costo operación y mantenimiento: MXN 0.13-0.19 /Kw h Disponibilidad: 90% - 95% Espacio requerido: 0.021 m2/ kw

Gases a alta temperatura


Motor a gas Eficiencia eléctrica :25%-45% Costo instalado: MXN 16´172.1- 30´440/Kw Costo operación y mantenimiento: MXN 0.17-0,34 /Kw h Disponibilidad: 92% - 97% Espacio requerido: 0.029 m2/ kw

Los elementos comunes de cualquier planta de cogeneración

1. Fuente de energía primaria. Suele ser gas natural, gasóleo o fuelóleo.

2. El elemento motor. Es el elemento encargado de convertir energía térmica en mecánica.

3. El sistema de aprovechamiento de energía mecánica. En general suele estar formado por un alternador que la transforma en eléctrica, muy versátil y fácil de aprovechar, pero también puede tratarse de compresores, bombas, etc, donde la energía mecánica se aprovecha directamente.

4. El sistema de aprovechamiento de calor. Puede tratarse de calderas recuperadoras de calor de gases de escape, secaderos o intercambiadores de calor, o incluso unidades de absorción que producen frío a partir de este calor de bajo rango.

5. Sistemas de refrigeración. Al final, siempre una parte de la energía térmica contenida en el combustible no será aprovechada en la planta y debe ser evacuada. Las torres de refrigeración. Los aerocondensadores o los intercambiadores suelen ser elementos habituales de estos sistemas. Un objetivo muy importante del diseño de una planta de cogeneración es minimizar esta cantidad de calor desaprovechada y evacuada a la atmósfera.

6. Sistema de tratamiento de agua. Tanto el sistema de refrigeración como el de aprovechamiento de calor requieren unas especificaciones en las características físico-químicas del fluido que utilizan (generalmente agua) que requiere de una serie de sistemas para su tratamiento y control.

7. Sistema de control, que se encarga del gobierno de las instalaciones, normalmente muy automatizadas.

8. Sistema eléctrico, que permite tanto la alimentación de los equipos auxiliares de la planta, como la exportación/importación de energía eléctrica necesaria para cumplir el balance. La fiabilidad de esta instalación es muy importante, así como la posibilidad de trabajo en isla, lo que permite alimentar la fábrica en situación de deficiencia de la red externa y estar disponible inmediatamente en el momento que se restablezcan las condiciones del servicio.


2. Cálculos del balance térmico y grafico de barras (elaborado en computadora).

a) Instalación y su balance térmico

b) Cálculos1. Energía suministrada E1[W ]

E1=GC (PCA )

Datos:

PCA=44,942( kJkg )GC=0.00168780( kgcomb

s )

Sustituyendo:

E1=(0.00168780( kgs ))(44 942 000( Jkg ))=75853.4944 [W ]

2. Gasto de combustible GC( kgs )GC=

A yC

tCρDIESEL

Datos

dC=0.093m

yC=0.05m

tC=163 s


ρDIESEL=810( kgm3 )A=π (d¿¿c)2

4=

π (0.093m)2

4=0.0067929m2 ¿

Sustituyendo

GC=(0.00679292m2) (0.05m )

163 s (810( kgm3 ))=0.00168780( kgs )3. Energía aprovechada (en la flecha salida motor diésel) E2[W ]

E2=W f

ηT

Dato

ηT=0.85

Sustituyendo

E2=W f

ηT=

16404.7543(W )0.85

=19299.711[W ]

4. Potencial al freno W f [W ]

W f=T ω=F d 2πN60

Datos

F=11.4 (kg f )=111.7958 [ N ]

d=0.475m

N=2950RPM

Sustituyendo

W f=(111.7958 (N ) ) (0.475m )(2 π (2950rpm )60 )=16404.7543[W ]

5. Energía perdida por la humedad del combustible (perdidas de energía debido a la humedad del combustible)

E3=GC μ Δh

Datos


μ=0.008( kgH 2O

kgcomb)

T 1=19 °C (Temp .ambiente )

T 2=325 °C (Temp gases)

T SAT=93 ° C

CpL=4.186( kJkgK )

Cpv=1.922( kJkgK )

GC=0.00168780( kgcomb

s )Donde

Δ h=CpL (T SAT−T1 )+hfg+Cpv (T 2−T SAT)

De tablas de agua saturada con P=0.796( kgcm2 )=78.06(kPa)

P(kPa) h f ( kJkg ) hg( kJkg )75 384.44 2662.478.06 hf hg100 417.5 2675.0

Interpolando

h f=388.48 ( kJkg )

hg=2663.94( kJkg )h fg=2275.45( kJkg )Sustituyendo


Δ h=(4.186( kJkgK ))( 93° C−19 °C )+2275.45( kJkg )+(1.922( kJ

kg K ))(325° C−93 °C )

Δ h=3031.118 ( kJkg )Y sustituyendo para E3

E3=(0.00168780( kgcomb

s ))(0.008( kgH2O

kgcomb ))(3031118.0( Jkg ))=40.9276[W ]

6. Pérdidas de energía debido a la formación de agua a partir del hidrógeno que contiene el combustible E4[W ]

E4=9 (HC−OC

8 )GC Δ h

Datos

HC=0.07( kgH

kgcomb)

OC=0.03( kgO

kgcomb)

Δ h=3031.128( kJkg )GC=0.00168780( kgcomb

s )Sustituyendo

E4=9 (0.07−0.038 )(0.00168780( kgs ))(3031118( J

kg ))=3050.3834(W )

7. Energía perdida por la humedad del aire de admisión E5[W ]E5=Ga γ Cpv ΔT

Donde

Ga=28 N 2

12 (CO+CO2 )(0.768)GC C


Datos

CO2=8.6 %

CO=1.4 %

O2=10%

C=0.8( kgC

kgcomb)

GC=0.00168780( kgcomb

s )ΔT=T 2−T 1=325 °C−19 °C=306 °C

N 2=100 %−(CO2+CO+O2 )=100 %−8.6 %∧−1.4 %−10%=80%

Sustituyendo

Ga=28 (80 )(kga)

12 (1.4+8.6 ) (0.768 )(kgC) (0.8( kgC

kgcomb))(0.00168780( kgcomb

s ))=0.032818( kga

s )

De la carta psicrométrica para P=78.06 (kPa)

Temperaturadebulbo secoT 1=19 ° C

ϕ=71%

Relación de humedad

γ=0.013( kg H 2OKg Aire )

Sustituimos

E5=(0.032818( kga

s ))(0.013 ( kgv

kga ))(1922( Jkgv K )) (325 °C−19 ° C )=250.921[W ]

8. Energía perdida por los gases producto de la combustión. E6 [W ]

E6=CpgsG gs ΔT

Datos

CO2=8.6 %


CO=1.4 %

O2=10%

C=0.8( kgC

kgcomb)

N 2=80%

GC=0.00168780( kgcomb

s )Cpgs=1.004( kJ

kg K )ΔT=306 ° C

Sustituyendo datos

Ggs=28 N2+28CO+32O2+44CO2

12 (CO+CO2 )GCC

Ggs=28 (80 )+28 (1.4 )+32 (10 )+44 (8.6 )(kggs)

12 (1.4+8.6 )(kg¿¿C)(0.00168780( kgcomb

s ))(0.8( kgC

kgcomb ))¿Ggs=0.033504( kggs

s )Sustituyendo datos para obtener E6

E6=(1 004 ( JkggsK ))(0.033504 ( kggs

s )) (306 °C )=10293.2716 [W ]

9. Energía perdida por el combustible no quemado E7 [W ]E7=Gcnq(P .C )

Datos

CO2=8.6 %


CO=1.4 %

C=0.8( kgC

kgcomb)

GC=0.00168780( kgcomb

s )P .C .=P .C .CO−P .C .CO 2=23.659( MJ

kgcnq )Sustituyendo datos para el gasto másico de combustibles de quemados

Gcnq=CO

(CO+CO2)GCC

Gcnq=1.4 (kgcnq)

(1.4+8.6 )(kgC)(0.00168780( kgcomb

s ))(0.8( kgC

kgcomb ))=0.0001890345( kgcnq

s )Sustituyendo datos para obtener E7

E7=(0.0001890345( kgcnq

s ))(23659000( Jkgcnq

))=4472.368749[W ]

10. Energía perdida por el agua de enfriamiento E8 [W ]E8=(M Cp∆T )H 2O

Datos

(∆T )H2O=Ta2−Ta1=60° C−50 °C=10 °C

Cp=4.186( kJkgK )

Para obtener M

M=V H 2O

taρH 2O=

π ra2 y a

t aρH 2O

da=8 =0.2032 m

ya=0.302m


t a=14 s

ρH 2O=1000(kg/m3)

M=π (0.1016 m)2 (0.302m)

14 s (1000( kgm3 ))=0.69954 ( kgs )Sustituyendo datos correspondientes para obtener E8

E8=(0.69954( kgs ))(4186 ( JkgK )) (10 °C )=29292.99004[W ]

11. Perdidas no calculablesE9=E1−∑

i=2

8

E i

E9=75853.4944−19299.71−40.9276−3050.3834−250.921−10293.2716−4472.368749−29292.99004

E9=9152.92201 [W ]

Eficiencia térmica total η=

E2

E1= 19299.71

75853.4944=0.254434

η=25.44343 %

c) Gráfica de barras de las Ei ' s

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E90

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

Chart Title

4. Comentarios y fuentes consultadas


Referencias

Obert. Motores de combustión interna. Giacosa. Motores endotérmicos Heywood J. Internal Combustion engine Fundamentals. ED. Mc. Graw

Hill. USA. 1988. Manual del Ingeniero Mecánico. Marx. Manual del Ingeniero Químico.

Perry. Termodinámica. Cengel-Boles. https://www.estrucplan.com.ar/Producciones/imprimir.asp?IdEntrega=2773 http://www.cogeneramexico.org.mx

https://www.estrucplan.com.ar/Producciones/imprimir.asp?IdEntrega=2773

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