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Cálculo del ciclo de trabajo de los motores de combustión interna de la generación distribuida de energía eléctrica

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Academic year: 2020

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(1)Facultad de Ingeniería Mecánica. Trabajo de Diploma Título: “Cálculo del ciclo de trabajo de los motores de combustión interna de la generación distribuida de energía eléctrica”. Autor: David Rivera Martínez. Tutores: MSc. Reinaldo Martínez Martínez Ing. Eduardo Miguel Fírvida Donéstevez. 2013-2014.

(2) PENSAMIENTO. Pensamiento Puesto que a vivir viene el hombre, la educación ha de prepararlo para la vida. José Martí.

(3) DEDICATORIA. Dedicatoria A la vida. A mi familia, que constituyen mi mayor fuente de inspiración. Al Msc. Reinaldo Martínez Martínez y al Ingeniero Eduardo Miguel Fírvida Donéstevez, por sus conocimientos, y dedicación a mi desarrollo profesional..

(4) AGRADECIMIENTOS. Agradecimientos A la revolución, por la oportunidad que me ha dado de ser protagonista de su obra formadora y por darme la oportunidad de estudiar y superarme. A los tutores Msc. Reinaldo Martínez Martínez y al Ingeniero Eduardo Miguel Fírvida Donéstevez, quienes dedicaron tiempo y esfuerzos para orientarme en la realización de la tesis y ofrecerme valiosos conocimientos que posibilitaron mi desarrollo en este trabajo. A mi familia de quienes siempre he recibido el apoyo material y espiritual para llevar a feliz término este trabajo. A todas aquellas personas de que de una forma u otra han colaborado y contribuido en la realización de esta tesis..

(5) RESUMEN. Resumen. En este trabajo se hace un análisis de la generación distribuida de energía eléctrica. Se determinan los principales motores utilizados, se describen y se dan sus principales características entre ellas a los motores que a continuación se relacionan: motor Hyundai IMSEN H21/32, motor MAN-V28/32S, motor MAN B & W 16 V 32/40, motor MAN B & W 18 V 48/60, motor MAN B & W 18 V 32/40, motor MTU Serie 4000 modelo 16 V 4000 G81 y motor de Gas GE Jenbacher tipo J 620 F 111. Posteriormente se determinan los ciclos de trabajo de estos motores. Se desarrolla el análisis teórico para los motores de encendido por chispa y para los motores diesel. Utilizando el Matlab se confecciona un software para realizar el cálculo de los parámetros del ciclo y la confección del diagrama indicado de presión versus volumen. Los resultados obtenidos se validaron con los valores de las referencias bibliográficas. Los valores de los parámetros principales de los motores y de su diagrama indicado permitirán hacer comparaciones con los dados en el diagnóstico técnico de estos equipos..

(6) SUMMARY. Summary. In this work an analysis of the distributed generation of electric power is made. The main utilized motors are determined, they are described and their main ones are given characteristic among them to the motors that next are related, motor Hyundai IMSEN H21/32, the motor MAN-V28/32S, motor MAN B & W 16 V 32/40, motor MAN B & W 18 V 48/60 and the motor MAN B & W 18 V 32/40, the motor MTU Series 4000 model 16 V 4000 G81 with 16,4 rhyme of weight and motor of Gas GE Jenbacher type J 620 F 111. Later on the operation cycles of these motors are determined. The theoretical analysis is developed for the motors of having lit by spark and for the motors diesel. Using the Matlab a software is made to carry out the calculation of the cycle and their making in the diagram of pressure versus volume. The obtaining of the main parameters of the motors and of their suitable diagram that allows to make comparisons with the securities given in the diagnose technician..

(7) INDICE. ÍNDICE Introducción ....................................................................................................................................... 1 Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica ..................................................................... 5 1.1. Generación distribuida de energía eléctrica. .................................................................................... 5 1.1.1. Fuentes de energía distribuida ............................................................................................ 8 1.1.2. La generación distribuida y las redes de distribución. ......................................................... 9 1.1.3. Ventajas y Desventajas. ..................................................................................................... 10 1.1.4. Generación distribuida: Fortaleza del sistema eléctrico cubano. ...................................... 10 1.1.5. La Generación distribuida en Cuba .................................................................................... 11 1.2. Descripción de Motores utilizados en la generación distribuida. ................................................... 12 1.2.1. Motor Hyundai IMSEN H21/32 ......................................................................................... 13 1.2.2. Características del motor MAN -V28/32S. ......................................................................... 14 1.2.3. Características del motor MAN B & W 18 V 48/60. ........................................................... 17 1.2.4. Características del motor MAN B & W 16 V 32/40 ............................................................ 17 1.2.5. Características del motor MAN B & W 18 V 51/60. ........................................................... 19 1.2.6. Grupos electrógenos con motores de combustión interna de gas GE. ............................. 20 1.2.7. Características de los motores MTU. ................................................................................ 21 Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor. .......................................................................... 23 2.1 Parámetros iniciales. ........................................................................................................................ 24 2.1.1. Combustible líquido. .......................................................................................................... 24 2.1.2. Combustible gaseoso. ........................................................................................................ 27 2.2. Parámetros del Proceso de admisión ............................................................................................. 29 2.3 Parámetros del proceso de compresión: ......................................................................................... 31 2.4. Parámetros al final del proceso de combustión. ............................................................................ 31 2.5. Parámetros del proceso de expansión. ........................................................................................... 35 2.6. Proceso de escape........................................................................................................................... 36 2.7. Parámetros principales del ciclo. .................................................................................................... 39.

(8) INDICE 2.8. Cálculo del ciclo de trabajo utilizando el Matlab. ........................................................................... 44 Conclusiones .................................................................................................................................... 49 Recomendaciones: ........................................................................................................................... 50 Bibliografía ....................................................................................................................................... 51 Anexos .............................................................................................................................................. 53 Anexo 1: Tabla 6. .................................................................................................................................... 53 Anexo 2: Tabla 7. .................................................................................................................................... 54 Anexo 3: Tabla 8. .................................................................................................................................... 55 Anexo 4: Tabla 9. .................................................................................................................................... 56 Anexo 5: Tabla 17. .................................................................................................................................. 57.

(9) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN En la actualidad la energía eléctrica en Cuba, al igual que en el resto del mundo se genera fundamentalmente a partir de combustibles fósiles. Hasta hace pocos años en el país las centrales termoeléctricas llevaban todo el peso de esta generación, solo una pequeña parte le correspondía a la generación eólica e hidroeléctrica. El sistema usado hoy en día fue el ideado fundamentalmente por Nicola Tesla quien fue el que descubrió la corriente alterna y la forma de producirla en los alternadores. Se han realizado innumerables actividades tecnológicas para llevar la energía eléctrica a todos los lugares habitados del planeta, por lo que, junto a la construcción de grandes y variadas centrales eléctricas, se han construido sofisticadas redes de transporte y sistemas de distribución. En la actualidad la generación en nuestro país está centrada en ocho grandes plantas termoeléctricas que generan la electricidad a partir de la quema de fuel oil, estas abarcan el 64% del consumo del país, un 15% se cubre en la empresa mixta ENERGAS que genera la electricidad a partir del gas acompañante asociado al petróleo cubano, un 10%. con grupos de electrógenos Fuel y otro grupo de. electrógenos diesel. Años atrás el sistema activo era proporcionado mediante las centrales eléctricas, las cuales se ubicaron a grandes distancias de los usuarios, asumiendo casi toda la carga, pues las fuentes de energía renovable como la hidráulica y eólica eran tan poco significativas que no lograban apoyar el circuito eléctrico a las distintas regiones del país que contaran con estos recursos siendo enorme las pérdidas energéticas. Ante esta situación se determinó suprimir el fluido eléctrico a usuarios en virtud de lograr la estabilidad en determinados sectores, siendo este hecho más intenso en horarios pico o sea de mayor demanda, lo que provocó gran inconformidad en la población y en los diferentes sectores y empresas. Por lo que fue necesario apoyarse en los grupos de electrógenos y en la aplicación de motores de combustión interna, dando paso a la propagación de pequeñas fuentes que fueran nombradas posteriormente como generación distribuida. La Generación Distribuida es uno de los pasos más significativos en el desarrollo de los sistemas eléctricos. Las plantas pequeñas no están sujetas a grandes pérdidas en la transmisión que tiene lugar en el proceso de llegar a los usuarios finales por lo que se hacen competitivas económicamente. Pueden ofrecer calidad de energía 1.

(10) INTRODUCCIÓN. claves en los sistemas productivos modernos, donde una interrupción leve o una variación de voltaje pueden tener costos muy altos para empresas que funcionan con tecnologías sofisticadas. Posteriormente se comenzó a instalar emplazamientos de fuel oil como combustible, reduciendo así su costo de explotación y mantenimiento. En Villa Clara existen un gran número de emplazamientos de generación distribuida, uno de los más importantes es en Cayo Santa María encargado de producir la energía que demanda la red hotelera con un sistema aislado donde no existen otras fuentes de energía para la sustitución de estos. Además en la actualidad se cuenta con un total de cuatro instalaciones distribuidas de la siguiente forma: Santa. Clara 110: Cuenta con 3 baterías de 4 motores cada una, Santa. Clara Industrial: Cuenta con 3 baterías de 4 motores cada una, Calabazar de Sagua: Cuenta con 2 baterías de 4 motores cada una. Cayo Santa María: Cuenta con 3 baterías de 4 motores cada una. Dentro de las tecnologías más disponibles en. el mundo tenemos los generadores fotovoltaicos, generadores. eólicos de combustibles, micro turbinas, turbinas de gas, grupos electrógenos, pequeñas centrales hidroeléctricas y los motores de combustión interna. Comúnmente utilizados en los motores generadores. Con este fin se utiliza motores ciclo diesel cuyo combustible es FUEL –OIL siendo este portador más económico en comparación con otro en cuanto a explotación. Los motores que se abordaran en este trabajo son motor Hyundai IMSEN H21/32, el motor MAN-V28/32S, motor MAN B & W 16 V 32/40, motor MAN B & W 18 V 48/60 y el motor MAN B & W 18 V 32/40, el motor MTU Serie 4000 modelo 16 V 4000 G81 con 16,4 ton de peso y motor de Gas GE Jenbacher tipo J 620 F 111. El grupo motor-generador está compuesto por un motor diesel MTU 16V4000 G81, el generador eléctrico Marelli 1.7 MW. El motor diesel 16V4000 está diseñado para trabajar seis horas al día, tiene una potencia mecánica de 1800 kW, 16 cilindros en V y 1800 rpm de velocidad nominal. El generador eléctrico Marelli es trifásico sincrónico, con una potencia nominal de 2345 kW, un voltaje nominal de 480 kV, corriente nominal de 295.1 A y una frecuencia de 60 Hz. Una de las organizaciones encargadas de los servicios, es la Empresa de Mantenimiento a Grupos. Electrógenos de Fuel Oil (EMGEF) la cual es una. 2.

(11) INTRODUCCIÓN. Organización. Empresarial. para. los. Servicios. Técnicos. Especializados. de. Mantenimiento y Reparaciones. Se encuentran distribuidas por todo el país. Con la puesta en marcha de los grupos electrógenos trae aparejada la necesidad de recurrir al diagnóstico del estado técnico y a su posterior mantenimiento. El diagnóstico es un método que aporta información sobre el estado técnico de los equipos y sus accesorios sin necesitar recurrir a desarmes. Con el surgimiento de nuevas tecnologías y materiales se ha facilitado la implementación de modernos equipos para la obtención de parámetros técnicos en motores. En el caso de los motores de la generación distribuida fuel-oil existen dispositivos y métodos de análisis que son capaces de aportar una gran cantidad de información en virtud de lograr un diagnóstico lo más completo posible, pudiendo detectar posibles fallas y predecir la ocurrencia de similares manifestaciones en un determinado intervalo. El diagnóstico técnico de motores Diesel ha evolucionado enormemente en los últimos años. Existen diversos métodos, entre ellos, análisis de gases mediante el Tempest 100, revisión de estado de camisa utilizando el Endoscopio, medición de presión mediante el indicador de presión DPI Leuter, medición de presión máxima en el Carter, para lo que se emplea un dispositivo creado por los técnicos cuya escala es en. y análisis de lubricante. [1]. En el caso de los diagramas indicados obtenidos por el Indicador de presión DPI Leuter el EMGEF no tiene a su disposición el suficiente número de variantes de diagrama para comparar con los dados por este equipo, por lo que será de gran utilidad para ellos al menos tener diagramas calculados para diferentes condiciones de operación.. Objetivo general: Desarrollar el cálculo automatizado de los ciclos de trabajo de los motores de combustión interna utilizados en la generación distribuida de electricidad mediante el software Matlab para en un futuro establecer comparaciones con los resultados del diagnóstico técnico que se lleva a cabo en estos motores.. 3.

(12) INTRODUCCIÓN. Objetivos específicos:. 1. Estudiar el estado del arte de la generación distribuida de electricidad en Cuba y en Brasil con el propósito de determinar las tecnologías con mayor presencia y sus características. 3. Establecer un modelo que permita el cálculo automatizado de los parámetros del ciclo de los motores de combustión interna de la generación distribuida de electricidad utilizando la bibliografía existente. 4. Elaborar un software en Matlab que además de los parámetros del ciclo calcule y construya el diagrama indicado de los ciclos de los motores para en un futuro compararlos con los diagramas indicados obtenidos por el diagnostico técnico que se lleva a cabo en la generación distribuida de electricidad.. 4.

(13) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. CAPÍTULO I. GENERACIÓN DISTRIBUIDA DE ENERGÍA ELÉCTRICA 1.1. Generación distribuida de energía eléctrica.. Figura. 1.1 Emplazamiento de generación distribuida. [2]. La generación distribuida (GD) ha surgido en los últimos años debido a la evolución que ha tenido el sistema eléctrico. Su definición se puede aproximar a la de generación de energía eléctrica a pequeña escala y próxima al consumidor. No obstante, el empleo de este tipo de generación no es nuevo. Los primeros sistemas y redes eléctricas operaban con corriente continua, esto limitaba tanto la tensión de suministro como la distancia entre el generador y los puntos de consumo. Las centrales de generación solamente suministraban energía eléctrica a los clientes en las cercanías de la planta. Se utilizaban dispositivos de almacenamiento, como baterías, para conseguir un cierto equilibrio entre la producción y la demanda de energía eléctrica. La aparición de la corriente alterna permitió transportar la energía eléctrica en alta tensión y a grandes distancias, lo que provocó un fuerte incremento en la potencia de generación. Los sistemas eléctricos evolucionaron de forma considerable, estaban formados por enormes centrales de generación y grandes redes de transporte y distribución con el fin de abaratar los costos de producción y distribución. El equilibrio entre la demanda y el suministro se realizaba mediante la combinación de grandes cantidades de consumo que variaban instantáneamente. Se aumentó la seguridad del suministro eléctrico ya que la interrupción de una 5.

(14) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. central eléctrica se compensaba mediante otra central interconectada en el sistema. De hecho este sistema interconectado de alta tensión hizo posible la economía de escala en la generación de energía eléctrica. [3] La generación distribuida, también conocida como generación in-situ, generación embebida, generación descentralizada, generación dispersa o energía distribuida, consiste básicamente en la generación de energía eléctrica por medio de muchas pequeñas fuentes de energía en lugares lo más próximos posibles a las cargas. [3] La definición más global de la generación distribuida vendría a decir que es aquella que se conecta a la red de distribución de energía eléctrica y que se caracteriza por encontrarse instalada en puntos cercanos al consumo. Sus características generales son: . Reducen pérdidas en la red, al reducir los flujos de energía por la misma.. . Su energía vertida no revierte flujos hacia la red de transporte.. . Suelen tener potencias inferiores a 3 kW aunque en general se suele decir que no sobrepasan 10 kW de potencia instalada.. La generación distribuida aparece como alternativa al modelo centralizado tradicional, el cual presenta una fuerte dependencia energética. A través de sistemas con tecnologías cada vez más eficientes energéticamente hablando y de la incorporación de fuentes renovables de producción de energía, entra en juego la generación distribuida, desplazando los centros de generación de energía a los puntos de consumo de ésta. Este sistema de generación aporta una serie de beneficios respecto al modelo centralizado destacando la reducción de costos inherentes al transporte de la energía, a los que también hay que sumar la mayor eficiencia energética de los equipos de generación, como los nuevos equipos compactos de cogeneración que presentan un rendimiento muy superior a los equipos de las plantas convencionales ya que la antigüedad de estos equipos se pueden establecer en una medida de entre 20 y 50 años.. 6.

(15) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. A todo esto hay que añadir que dichos equipos están cada vez más automatizados, necesitándose así una menor intervención humana para su manejo y motorización. Este hecho permite tener un mayor control de la gestión. de la demanda. favoreciendo al autoconsumo y el balance neto. Actualmente, los países industrializados generan la mayoría de su electricidad en grandes instalaciones centralizadas, tales como centrales de combustible fósil (carbón, gas natural) nuclear o hidroeléctrica. Estas centrales son excelentes a escala de rendimientos económicos, pero transmiten la electricidad normalmente a muy grandes distancias y el rendimiento energético y medioambiental es bajo. Las centrales eléctricas se ubican en lugares determinados en función de ciertos factores económicos, de seguridad, logísticos o medioambientales, entre otros, que provocan que la mayoría de las veces la energía se genere muy lejos de donde se consume. Por ejemplo las centrales térmicas se construyen lejos de las ciudades por motivos de contaminación atmosférica e incluso lo más cerca posible de las zonas de obtención de los combustibles fósiles. Otro ejemplo son las centrales hidroeléctricas que han de colocarse en los curso de agua. La generación distribuida da otro enfoque, reduce la cantidad de energía que se pierde en la red de transporte de energía eléctrica ya que la electricidad se genera muy cerca de donde se consume, a veces incluso en el mismo edificio. Esto hace que también se reduzcan el tamaño y número de las líneas eléctricas que deben construirse y mantenerse en óptimas condiciones. Las fuentes de energía con un plan de tarifa regulada (FIT) tienen bajo mantenimiento, baja contaminación y alta eficiencia. En el pasado, estas características requerían de ingenieros de operación y complejas plantas para reducir la contaminación. Sin embargo, los modernos sistemas embebidos pueden proporcionar estas características con operaciones automatizadas y energía renovable no contaminante, tales como la solar, eólica y la geotérmica. Esto reduce el tamaño de las plantas mejorándose la rentabilidad económica. [3]. 7.

(16) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. 1.1.1. Fuentes de energía distribuida Los sistemas empleados como fuentes de energía distribuida (FED) son plantas de generación de energía a pequeña escala (normalmente entre el rango de 3 kW a 10.000 kW) usadas para proporcionar una alternativa o una ayuda a las tradicionales centrales de generación eléctricas. El problema radica en que estos generadores distribuidos son bastantes caros de instalar y poner en marcha. [4, 5] Una popular fuente de energía distribuida son los paneles solares en los tejados de edificaciones. El coste de producción está entre 0,99 € a 2,00 € por vatio (2007) más la instalación y los equipos de suministro. Sin embargo la Energía Nuclear está por encima de 2,2€ a 6,00€ por W (2007). Algunas células solares (las del tipo "película delgada") presentan problemas al final de su vida útil, ya que poseen metales pesados, tales como teluro de cadmio (CdTe) y CIGS (CuInGaSe), materiales que necesitan ser reciclados. El lado positivo es que a diferencia del carbón y la nuclear, no hay coste de combustible o materias primas, ni contaminación, y requieren de mínima seguridad en su funcionamiento. La Solar también tiene un bajo ciclo de trabajo, produciendo picos de potencia en periodos diarios. El ciclo de trabajo medio típico es del 20%. [4, 5] Otra. fuente. son. los. pequeños. generadores. eólicos,. estos. tienen. bajo. mantenimiento, y baja contaminación. El coste de su instalación es ($0.80/W, 2007) mayor por vatio que la centrales tradicionales, excepto en las áreas con mucho viento donde los ratios de producción aumentan considerablemente. Las torres y generadores eólicos exigen de mayor coste en seguros causado por el hecho del viento y la soledad de las instalaciones, pero poseen una buena fiabilidad en el funcionamiento. La eólica suele ser complementaria a la solar; en los días cuando no hay sol suele hacer viento y viceversa] Algunos emplazamientos de generación distribuida combinan energía eólica con energía solar como por ejemplo Slippery Rock University, la cual puede ser monitorizada online. Las fuentes de cogeneración distribuida usan micro turbina de gas natural como combustible o motores de explosión para activar los generadores. El calor generado es aprovechado para calentar aire o agua, o para activar un refrigerador por absorción para aire acondicionado. El fuel limpio genera poca polución. Estas plantas combinadas de 8.

(17) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. generación eléctrica y calor normalmente tienen una irregular fiabilidad, aun así poseen excelentes coste de mantenimiento, aunque otros costes son inaceptables. Los cogeneradores son además más caros por vatio que las centrales generadoras. Estas instalaciones han experimentado un auge porque las industrias consumen combustibles, y la cogeneración puede extraer un valor añadido a este fuel. Algunas grandes instalaciones utilizan generación de ciclo combinado. Normalmente estas consisten en una turbina de gas que hierve agua para actuar sobre una turbina de vapor en un ciclo de Rankine. El condensador del ciclo de vapor proporciona el calor para calentar el aire o un refrigerado por absorción. Las plantas de ciclo combinado tienen grandes eficiencias térmicas, a menudo sobrepasando el 85%. Una futura generación de vehículos eléctricos será capaz de entregar energía de su batería a la red de suministro de electricidad cuando se necesite. Esto podría ser una importante fuente de generación distribuida en el futuro. 1.1.2. La generación distribuida y las redes de distribución. Debido a que la generación distribuida (GD) se conecta a la red de distribución, cada vez se están dedicando más esfuerzos al estudio del impacto que ocasiona la generación distribuida en las redes de distribución a las cuales se conecta. Los estudios más importantes se centran en [4, 5]: 1. Incentivos a las tecnologías de GD para su desarrollo (mecanismos regulatorios: primas, tarifas, certificados verdes etc.) 2. Las nuevas inversiones y la planificación de la distribución teniendo en cuenta la GD 3. Las potencias de cortocircuito en la red con GD 4. Los servicios complementarios en la red con GD (regulación frecuencia potencia, Black Star, control tensión - reactiva) 5. Las pérdidas en la red con GD 6. La operación y explotación de red con GD. 9.

(18) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica.. 1.1.3. Ventajas y Desventajas. Ventajas . Ayuda a la conservación del medio ambiente al utilizar fuentes de energía renovables. . Descongestionan los sistemas de transporte de energía.. . Aplazan la necesidad de readecuación de los sistemas de transmisión.. . Ayuda al suministro de energía en periodos de gran demanda.. . Mejora la fiabilidad del sistema.. . Mejora la calidad del servicio eléctrico.. . Evita costos de inversión en transmisión y distribución. Desventajas . Existe aspectos relacionados con las fluctuaciones de voltaje que afecta a los consumidores vecinos. . Requiere un sistema de adquisición de datos más complejo.. . Alto costo de inversión inicial.. . La falta de estándares para la conexión de pequeños generadores impide su desarrollo.. 1.1.4. Generación distribuida: Fortaleza del sistema eléctrico cubano. Gracias a su existencia puede reducirse significativamente el tiempo de interrupción en los circuitos ante las afectaciones provocadas por los fuertes vientos y la persistente lluvia. [6] La llegada de la temporada ciclónica 2011, hace pensar a no pocos en las consecuencias siempre galopantes del paso de un huracán por cualquier parte del territorio nacional. En tal sentido, el servicio eléctrico cuenta hoy con una fortaleza: la generación distribuida. Gracias a su existencia puede reducirse significativamente el tiempo de interrupción en los circuitos ante las afectaciones provocadas por los fuertes vientos y la. 10.

(19) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. persistente lluvia, debido a que en estos momentos es menor la dependencia de los territorios del país del Sistema Electro energético Nacional (SEN).[6] Por ejemplo, en la central provincia de Cienfuegos, una de las de menor extensión territorial,. están. en. funcionamiento. 20. microsistemas. formados. por. los. emplazamientos de grupos electrógenos y las mini hidroeléctricas ubicadas en el macizo montañoso Guamuhaya. En conjunto garantizan el servicio estable a cerca de 120 mil clientes en condiciones normales. Las “mini” del Escambray cienfueguero abastecen a más de dos mil personas en trece comunidades rurales. En el lomerío funcionan 16 plantas generadoras, tres de ellas conectadas al SEN. En períodos de más precipitaciones, como el actual, generan cerca de 120 megawatts cada mes, lo que posibilita brindar un servicio eléctrico estable a la población, las empresas y centros de la serranía. Especialistas de la Organización Básica Eléctrica, explicaron que gracias a la generación distribuida existen instalaciones en todos los municipios, las que son monitoreadas de manera constante en el Despacho Provincial de Carga. [6] Desde ese puesto de mando es posible abrir los circuitos y retirar el servicio cuando los vientos alcancen y sobrepasen los 60 kilómetros por hora, a fin de evitar daños en las líneas y los transformadores y la ocurrencia de accidentes, muchas veces fatales. Varios territorios del país, entre los que figura el cienfueguero, han sufrido el embate de los vientos huracanados y muchas jornadas sin servicio eléctrico, a pesar del enorme esfuerzo que siempre han desarrollado los trabajadores de ese sector en el restablecimiento de los daños. 1.1.5. La Generación distribuida en Cuba Con la entrada en funcionamiento, en 1973, de las dos primeras líneas de Transmisión a 220, kilovoltios, con una longitud total de 275 km, se inauguró el. 11.

(20) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. Sistema electroenergético Nacional (SEN). Estaba destinado a interconectar la generalidad de las plantas eléctricas importantes del país, entre ellas, las de todos los centrales azucareros de la isla. La capacidad total interconectada llegó en 1980 a 2 212 MW, y en 1992 a 3 676 MW. En el 2004 el SEN tenía una capacidad instalada de 4 048 MW, de estos, el 79% era generado por unidades de la UNE, aumentando el % de energía eléctrica obtenida por cogeneración. De estos 4 048 MW solo el 1,58% era aportado por generación distribuida, el 10,12% por ENERGAS y el resto por las centrales térmicas del país. Dada la situación crítica que se llegó en los años 2004 y 2005 con relación al servicio eléctrico, las continuas interrupciones del servicio eléctrico (falta del fluido eléctrico) y la mala calidad del servicio, en el marco de la Revolución Energética se decidió realizar una importante inversión para poner freno a esta situación y rescatar los niveles de generación de forma rápida, sustituyendo las grandes centrales térmicas por numerosos Grupos Electrógenos (GE). [7] La 1ra etapa consistió en la instalación de baterías de grupos electrógenos, de alta calidad y eficiencia suministrados por firmas prestigiosas. En menos de dos años de intenso trabajo, se instalaron más de 1 400 MW que son generados de forma distribuida por Grupos Electrógenos Diesel MTU en 116 de los 156 municipios del país, además de los instalados en puestos claves como hospitales y fábricas. Posteriormente se dio paso a la 2da etapa del proceso con la instalación de grupos de mayores potencias de fuel oil, tecnologías HYUNDAI y MAN, hasta cubrir una capacidad instalada de alrededor 1 752 MW (fuel oil). [7]. 1.2. Descripción de Motores utilizados en la generación distribuida. En encuestas realizadas al personal calificado en esta temática se determinó que los principales motores utilizados en la generación distribuida son:       . Motor Hyundai IMSEN H21/32. Motor MAN-V28/32S. Motor MTU Serie 4000 modelo 16 V 4000 G81 con 16,4 ton de peso. Motor MAN B & W 18 V 48/60. Motor MAN B & W 16 V 32/40. MAN B & W 18 V 51/60 Motor de GAS GE Jenbacher tipo J 620 F 111.. 12.

(21) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. 1.2.1. Motor Hyundai IMSEN H21/32 El motor Hyundai está formado por: un block seccionado, el cual no es refrigerado por agua. La camisa del cilindro es húmeda, hecha de una aleación especial de hierro fundido, con pasajes de aceite para su lubricación. Los pistones son el extremo movible de la cámara de combustión, tienen una carrera de 254 mm y un diámetro de 210 mm, fabricadas de un acero aleado especial forjado. El juego de aros está formado por 2 anillos de compresión con recubrimiento cerámico del anillo superior y un anillo raspador de aceite. La biela del motor IMSEN H21/32 Hyundai está fabricada de un acero especial forjado en troquel. El árbol de cigüeñal se encuentra apoyado en el bloque por cojinetes de aluminio bimetálicos con una gran área de rodamiento. La estructura del motor Hyundai se muestra en la figura1.2 [8, 9]. Fig. 1.2 Vista frontal del Motor Hyundai [8]. Tabla 1.1. Datos del motor Hyundai [8] Tipo de Combustible Fuel- Oil Potencia Mecánica 1800 kW Cilindros en línea 9 Velocidad nominal 900 rpm Carrera del pistón 254 mm Diámetro del pistón 210 mm. 13.

(22) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. 1.2.2. Características del motor MAN -V28/32S. El grupo MAN es una empresa europea líder en la fabricación de motores y vehículos, con un total de ventas anuales de 16 billones de Euros.. MAN, fue. nombrado con las primeras iniciales de la compañía predecesora llamada MzschiNenfabrukAugsburg- Nurnberg (Augsburg-Nurnbergmachineryplant). En su mayor parte de las áreas centrales, no sólo los aspectos técnicos sino la parte comercial, el grupo MAN está en una posición líder y produce motores MAN con una garantía de calidad globalmente uniforme y un servicio excelente en una amplia red nacional. Esta compañía está relacionada con muchas industrias, ya que grupo MAN es reconocido por ser el primero en inventar el motor diesel en el mundo. [10] Por otra parte los motores MAN instalados en el país, son máquinas de 4 tiempos cuya configuración es en V con una disposición de cilindros de 12-16-18 y gama de potencia de 2700 a 4230 kW, velocidad de rotación: 720-750 rpm, diámetro interior de los pistones 280 mm y una carrera de 320 mm, por cada cilindro con una cilindrada de 19,7 litros, relación de compresión de 13.9:1, presión de compresión máxima de 145 bar son motores sobrealimentado, cuyo principio de turbo es Sistema de presión constante con enfriador intermedio, aceptan una calidad del combustible hasta 700 cSt/50° C según (BSMA 100-M9), las potencias por cilindros van desde 225-235kW y la velocidad de los cilindros desde 7.7-8m/s. [11] El block o bastidor es la porción principal del motor, está hecho en hierro fundido nodular y está diseñado de manera que el espacio vacío entre los dos bancos de cilindros se utiliza como un receptor de aire de carga. Los dos bancos de cilindros en forma de una V están arriostrados en la cima por una plancha pesada encima, y en el fondo por una brida y dos paredes laterales longitudinales ensamblados en forma de caja donde se localiza el circuito de alta temperatura (AT), dentro del cual se encuentran unos tubos huecos denominados camisas de cilindros, en los que los pistones se deslizan alternativamente de arriba hacia abajo,. fabricadas. de. fundición perlítica de grano fino. Entre la camisa y la culata de cilindro y entre la camisa y el bastidor hay anillos de estanqueidad reemplazables hechos de fundición, permitiendo el sellaje del líquido refrigerante, el cual debe ser tratado para evitar posibles fenómenos de corrosión, si no se puede obtener agua deionizada, destilada o agua potable cuya dureza no exceda los 9° dH (grados 14.

(23) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. alemanes de dureza) el aceite lubricante es conducido por aberturas que llegan a las partes móviles, propiciando la lubricación de las mismas. El pistón es de enfriamiento con aceite y de tipo monobloque, hechos de hierro fundido nodular, están equipados con 3 anillos de compresión y 1 aro rascador, logrando sellar los gases en combustión y aprovechar la mayor cantidad de energía que sea posible, además de controlar el consumo de aceite. La biela es estampada a presión, en su cabeza tiene una junta inclinada para facilitar la extracción el bloque de pistón y biela a través de la camisa de cilindro. Las superficies de unión en la biela y tapa del cojinete están melladas para asegurar su posición precisa y prevenir un movimiento relativo de las piezas, tiene canales taladrados para suministrar aceite al ojo del pie de biela, el cojinete de la cabeza es de tipo trimetálico revestido de una cobertura de rodamiento. El árbol de levas A y B, uno para cada banco de cilindros, se contienen en casquillos de cojinetes, los cuales están fijados en orificios del bastidor del motor, encontrándose bloqueado cada cojinete por medio de un tornillo que está insertado en el bastidor del motor, están montados en secciones, una para cada cilindro, y las secciones están ensambladas por medio de pernos. Cada sección está equipada con levas fijas para la operación de la bomba de inyección de combustible, válvula de admisión de aire y válvula de escape respectivamente. Los engranes de sincronización o intermedios se emplean en la unión del conjunto eje del cigüeñal, árbol de levas, los sistemas de encendido y otros accesorios, de manera que todos los sucesos ocurran al mismo tiempo. El cigüeñal tiene la función cambiar el movimiento lineal del pistón en movimiento giratorio, es de forja en una sola pieza, está suspendido de soportes colgantes. Los cojinetes principales son de tipo trimetálico y están cubiertos de una capa de rodamiento. Para lograr una presión y un nivel de vibración, los que sean apropiados,. está dotado de. contrapesos, los cuales se sujetan al cigüeñal por medio de acoplamientos en cola de milano y están asegurados con un tornillo situado al medio. Sirve como distribuidor de lubricante al transportar por sus agujeros aceite proveniente de las aberturas en los cojinetes principales descargarlo por medio de los muñones hacia otros componentes. El volante almacena la energía y suaviza los pulsos de fuerza de los pistones. Mediante él se puede transmitir fuerza a otro equipo, en este caso al generador. El amortiguador de vibraciones consiste fundamentalmente en un volante pesado encapsulado en una funda ligera. Se admite una pequeña holgura 15.

(24) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. entre la funda y el volante y este espacio se llena de un líquido de alta viscosidad. La funda está rígidamente unida al extremo delantero del cigüeñal del motor y la única conexión entre el cigüeñal y el volante del amortiguador se realiza por medio del líquido. En caso de altas vibraciones la funda se desplaza exponiendo la película de líquido viscoso a una acción de cizallamiento, siendo la energía de vibraciones absorbida y manifestándose como calor. El Bastidor de Base: El motor y el alternador están montados sobre un bastidor de base común. La estructura rígida del bastidor de base está empotrada en el alojamiento del motor mediante soportes resilientes. El interior del bastidor de base forma un depósito para el aceite lubricante del motor. La estructura del motor MAN se muestra en la figura 1.3. [11]. Figura. 1.3 Vista frontal del Motor MAN [11] Tabla 1.2. Datos del motor MAN [11] Gama de Potencia 2700 a 4230 kW Velocidad de rotación 720-750 rpm Diámetro de Pistones 280 mm Carrera el pistón 320 mm Cilindrada 19,7 litros Combustible Diesel 700 cSt/ 50 0 C (BSMA 100M9) 16.

(25) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. 1.2.3. Características del motor MAN B & W 18 V 48/60. Los grupos electrógenos diesel de 18 cilindros, cuatro tiempos, para instalación fija, el turbo cargado y se enfría por los cilindros de suministro de aire para ver, la rotación de las agujas del reloj: Fabricante: MAN B & W Tipo de motor: 18 V 48/60 Diámetro del cilindro: 480 mm Carrera: 600 mm Potencia continua (placa de características): 18.428 kWe Velocidad nominal: 514 rpm Tensión nominal: 13,8 kV Frecuencia nominal: 60 Hz Nominal Factor de potencia: 0,8 Temperatura mínima: 19 ° C Temperatura máxima: 38 ° C Altitud: 30 m Presión barométrica nominal: 1,010 mbar Combustible: Fuel Oil (OC). 1.2.4. Características del motor MAN B & W 16 V 32/40 Motor de grupo electrógeno diesel de 16 cilindros, cuatro tiempos, para la instalación estacionaria, turbo cargado y enfriado por aire, la rotación es en dirección de las agujas del reloj [11]: Fabricante: MAN B & W Tipo de motor: 16 V 32/40 Diámetro del cilindro: 320 mm. 17.

(26) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. Carrera: 400 mm Potencia continua (placa de características): 7,457 kWe Velocidad nominal: 720 rpm Tensión nominal: 13,8 kV Frecuencia nominal: 60 Hz Nominal Factor de potencia: 0,8 Temperatura mínima: 19 ° C Temperatura máxima: 38 ° C Altitud: 30 m Presión barométrica nominal: 1,010 mbar Combustible: Fuel oil (OC). 18.

(27) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. 1.2.5. Características del motor MAN B & W 18 V 51/60. Este motor utiliza dos combustibles, tiene 18 cilindros, es de cuatro tiempos, para instalación estacionaria, turbo cargado y enfriado por aire, su giro es a la derecha [11]: Fabricante: MAN B & W Tipo de motor: 18 V 51/60 Diámetro del cilindro: 510 mm Carrera: 600 mm Potencia continua (placa de características): 17,560 kWe Velocidad nominal: 514 rpm Tensión nominal: 13,8 kV Frecuencia nominal: 60 Hz Nominal Factor de potencia: 0,8 Baja Temperatura: 19 oC Temperatura máxima: 38 ° C Altitud: 30 m Presión barométrica nominal: 1,010 mbar Combustible: Gas Natural / Fuel oil. 19.

(28) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. 1.2.6. Grupos electrógenos con motores de combustión interna de gas GE. Tabla 1.3. Datos técnicos del motor [22] Fabricante. GE Jenbacher. Tipo de motor J 620 F 111 Principio de trabajo. 4 tiempos. Configuración. V 60⁰. Número de cilindros. 20. Diámetro. mm. 190. Carrera. mm. 220. lit. 124,75. Velocidad nominal. rpm. 1500. Velocidad media del pistón. m/s. 11,00. Longitud. mm. 5.542. Ancho. mm. 1900. Altura. mm. 2540. peso en seco. kg. 12000. El peso máximo. kg. 13000. Kgm2. 69,21. Cilindrada. Momento de inercia Sentido de rotación. left. Manguito de acoplamiento Interferencias de radio Nivel por VDE0875 Salida para motor de arranque Tensión del arrancador. SAE 24'' N kW. 20. V. 24. 20.

(29) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. 1.2.7. Características de los motores MTU. Los motores diesel MTU están diseñados para suministrar energía eléctrica al sistema eléctrico, alimentándolo parcialmente o entregando toda la energía a la red. Realizan dicha función utilizando, entre otros componentes, los grupos motorgenerador. Son del tipo MTU Serie 4000 modelo 16 V 4000 G81 con 16,4 ton de peso. El nombre Motor de Velocidad Media de Alta Tecnología y corresponde a la fábrica que diseñó este motor perteneciente a la compañía MTU. La designación del modelo 16 V 4000 G81 que posee cilindros que trabajan en V, el diámetro de los cilindros es 19 cm, la carrera del pistón es 4,06 litros y que es un motor estacionario. Cuentan con un diseño contenedorizado, son capaces de trabajar a una temperatura que oscila entre -54 °C (219K) y 80 °C (353K). En Cuba estos motores laboran a una temperatura promedio de 32 °C (305K) y a una humedad promedio del 80 %. En cuanto a las características principales de este motor se puede afirmar que su potencia de salida es de 1 900 kW y su velocidad nominal de 1 800 rpm. Son altamente económicos y ecológicos debido a que tienen una alta relación de carrera contra diámetro del cilindro, una alta relación de compresión y una alta presión de inyección de combustible. Este motor posee una estructura simple y robusta en cuanto a número de componentes del motor y al acceso fácil y directo de los dispositivos para el mantenimiento. Su sistema de alimentación es completamente modularizado con accesibilidad directa. Se le inserta el concepto del mantenimiento “Cada Parte” y “Unidad del Cilindro” por lo que hace que sean prácticos y confiables. [12] La posición de los cilindros es en V, el volumen de barrido por el cilindro es de 4,06 a 4,69 litros (m3) y la relación de compresión es de 15,5. La dirección de rotación del motor es a favor de las manecillas del reloj visto desde el lado del volante. Su sistema de distribución está compuesto por un árbol de levas, un engrane libre, dos bombas de agua de alta y baja temperatura acopladas al cigüeñal y por último una bomba de lubricación. La cantidad de cilindros es 16, 150 kW de potencia y 22 bar (2200 kPa) de presión efectiva. El aire caliente por el funcionamiento del motor es obligado a salir a la atmósfera por 3 ventiladores de tiro inducido de una capacidad de 10 200 m3/h de flujo de aire cada uno, sumando entre ambos un caudal de 30. 21.

(30) Capítulo I. Generación distribuida de energía eléctrica. 600 m3/h de aire y el turbo compresor consume parte del aire de admisión del motor. [12]. Partes principales del motor.. Figura 1.4: Partes principales del motor. [12]. Tabla 1.4. Datos del motor MTU [12] Serie 4000 Modelo 16 V 4000 G81 Toneladas 16,4 Diámetro de los cilindros 19 cm Carrera del pistón 4,06 litros Combustible Diesel. 22.

(31) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. CAPÍTULO 2. CÁLCULO DEL CICLO DE TRABAJO DEL MOTOR. Los motores de combustión interna estacionarios para la generación eléctrica trabajan en una restringida zona de variación del régimen de velocidad pues la frecuencia de rotación debe ser: 720, 900 o 1200 para mantener una frecuencia eléctrica de 50 a 60 Hz. [13-15] Los ciclos que se aplican a estos motores son: . Ciclo a volumen constante.. . Ciclo mixto. Los combustibles utilizados son: . Combustible diesel. . Fuel oil. . Gas y combustible diesel para iniciar combustión. . Gas. El ciclo de trabajo del motor está compuesto por una serie de procesos. En el motor de 4 tiempos, estos procesos ocurren bien definidos. Los procesos que se realizan en el motor son los siguientes: 1. Proceso de admisión. 2. Proceso de compresión. 3. Proceso de combustión. 4. Proceso de expansión. 5. Escape. En los motores de combustión interna el oxígeno necesario para la combustión se encuentra en el aire que se introduce al cilindro durante el proceso de admisión. Considerando que el contenido masa de oxígeno en el aire es aproximadamente 23% y en volumen 21% obtendremos respectivamente la cantidad teórica de aire necesaria para la combustión 1 kg de combustible, en kg:. 23.

(32) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. 2.1 Parámetros iniciales. 2.1.1. Combustible líquido. El cálculo se realiza en base a 1 kg de combustible líquido La cantidad teórica de aire necesaria para la combustión de 1 kg de combustible l0 en kg se halla mediante la ecuación (1). l0 =. 1 8   C + 8H  Oc  0.23  3 . = kg. (1).. Donde: l0 - Cantidad teórica de aire necesaria C – Carbono H – Hidrógeno Oc – oxígeno O en kmol.. L0 =. 1  C H Oc   +   0.209  12 4 32 . = kmol. (2).. Donde:. L0− Cantidad teórica de aire necesaria La masa molecular aparente del aire es  a por lo tanto. l0 =  a * L0. (3).. Donde: µa – Masa molecular aparente del aire. 24.

(33) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. Para comprobar este resultado, se aplica la ecuación (4), obtenemos:. L0 =. l0. (4).. a. La cantidad real de aire que participa en la combustión de 1 kg de combustible para. α=. l de acuerdo a la ecuación (5). l0. α *l0 = kg. (5).. Donde:. a− Coeficiente de exceso de aire. O por la ecuación (6). α=. L Despejando quedaría αL0 = kmol L0. (6).. La cantidad total de mezcla fresca, conforme a la expresión (7). Que dice que para cualquier combustible la masa de la mezcla (en: kg) es. G1 = 1+ αl0 = kg. (7). Donde: G1 : Es la cantidad total de mezcla fresca.. La mezcla carburante y composición de los productos de combustión para a>1 (combustión completa). En el motor de encendido por chispa. el aire y el. combustible, en forma de una mezcla carburante (en kmol), constituida por vapores de combustible y aire, en caso de combustión completa de 1kg de carburante es:. M1 =. 1 + αL0 = kmol μc. (8). Donde: M1- Cantidad total de aire µc – Masa molecular del combustible La cantidad de cada uno de los componentes de los productos de combustión y su suma, asumiendo que K = 0.5, de acuerdo a las expresiones (9……13), constituyen. 25.

(34) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. Donde: M CO = 0.42. 1 α L0 1+ K. C  M CO 12 = KM CO. M CO = 2. MH. 2.  kmol. (9.10.11.12.13). H MH O = MH 2 2 2 M N = 0.79 αL0 2. La cantidad total de los productos de combustión son: M 2 = M CO + M CO 2 + M H 2 + M H 2O  M N 2 = kmol. El incremento de volumen es: Donde: - Es el incremento de volumen:. ΔM = M2  M1 = kmol. (14). El cambio de volumen durante la combustión se ha adaptado expresarlo por una magnitud relativa – el coeficiente teórico de variación molecular se determina mediante la ecuación (15). Donde:. μ0 - Coeficiente teórico de variación molecular. M2 - Cantidad total de los productos de combustión. M1 - Cantidad total de aire. Se determina:. μ0 =. M2 M1. = kmol. (15). 26.

(35) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. 2.1.2. Combustible gaseoso. El cálculo para los combustibles gaseosos se hace en base a un m3 de gas. La cantidad teórica de aire (mol o m3) de combustible gaseoso compuesto por una serie de elementos de tipo CnHmOr se determina por:. Lo . 1 m r   n     CnHmOr  0.21  4 2. (m3). (16). Donde: CnHmOr - Es la fracción volumétrica de cada componente en la mezcla. L0 - Cantidad teórica de aire necesaria. La cantidad total de mezcla fresca que ingresa el cilindro en m3 se determina por la expresión: M 1  1    Lo. (m3). (27). Donde α representa la relación entre la cantidad de aire real que ingresa al cilindro y la cantidad necesaria para la combustión teórica. De esta forma se considera α=1 cuando se igualan la cantidad de aire real y teórica para la combustión.. El. coeficiente α puede tomar valores menores que la unidad cuando se forman las llamadas mezclas ricas con las cuales se alcanzan las mayores velocidades de frente de llama. (α =0.85… 0.9). Puede tomar también valores mayores que la. unidad (α =1.1… 1.3) para formar las mezclas pobres que garantizan en funcionamiento económico del motor. El cálculo del ciclo de trabajo se realiza para las condiciones de máxima potencia, por lo que se toman los valores en el rango. (α =0.85… 0.9) No obstante, al emplear un combustible gaseoso, donde se puede alcanzar un mejor mezclado es posible trabajar con la mezcla estequiométrica considerando se realice la combustión completa.. Para el caso del cálculo del ciclo empleando como. combustible biogás se puede tomar α =1. Determinación de la cantidad de productos de la combustión. Cuando se quema 1 mol o m3 de combustible gaseoso, los productos individuales pueden determinarse a partir de las siguientes expresiones:. 27.

(36) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. M CO 2   n  CnHmOr. (m3). (18). (m3). (19). M O 2  0.21  1 Lo. (m3). (20). M N 2  0.79    Lo  N 2. (m3). (21). M H 2O  . m  CnHmOr 2. Para la determinación de los productos totales de la combustión hay que considerar el nitrógeno presente en el aire, para ello:. M N 2  0.79   Lo. (m3). (22). Los productos totales se determinan por la suma de cada uno de los productos individuales según la ecuación:. M 2  M CO 2  M H 2O  M O 2  M H 2  M N 2. (m3). (23). En la siguiente figura se ilustra el incremento de volumen que experimentan el aire y el combustible durante la combustión cuando el motor trabaja con biogás. 1 m3 de biogás. 5.5 m3 de aire. MCI. 10,9 m3 de productos. Figura 2.1. Incremento de volumen durante el proceso de combustión en el MCI trabajando con biogás. Calculando el incremento de volumen de los productos de la combustión. M  M 2  M 1. (m3). (24). Donde: - Es el incremento de volumen Calculando el coeficiente teórico de variación molecular como índice del cambio de volumen durante la combustión. 28.

(37) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. 0 . M2 M1. (25). Donde: µo - Coeficiente teórico de variación molecular M2 - Cantidad total de los productos de combustión M1 - Cantidad total de aire 2.2. Parámetros del Proceso de admisión La densidad de la carga en la admisión. ρ0 = p0 /RT0 , para el aire. Ra = 8314 / μa. Adoptando que wk = 0, las alturas de nivel Zk = Za, y despresiando la variación de la densidad de la carga fresca durante su movimiento en el sistema de admisión (pk =pa), obtendremos:. . . pk pa w2 ad 2 = = β +ξ k a 2. . pa = pk  pa = β + ξ ad 2. (26). . w 2 ad *k 2. (27). Donde: – Coeficiente de resistencia del sistema de admisión. Presión del aire de carga. Presión al inicio de la admisión – Coeficiente de amortiguación de la velocidad de la carga.. w 2 ad - La velocidad de la carga en la sección de la válvula de admisión Para el caso del motor de cuatro tiempo si sobre alimentación pk = p0 y k = 0 La presión al final de la admisión, siendo. pk = p0. , de acuerdo a la expresión (28). resulta. pa = p0.  β. w ad +ξ ρx10 2 2. 2. 6. = MPa. (28). Donde: Presión al final de la admisión. 29.

(38) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor. – Coeficiente de amortiguación de la velocidad de la carga. – Coeficiente de resistencia del sistema de admisión. Wad - La velocidad de la carga en la sección de la válvula de admisión [m/s] El coeficiente de gases residuales, para TK = T0 , se halla de la ecuación (29).. T0 + ΔT Pr x Tr εp a  pr. γr =. (29).. Donde:. γ r - Coeficiente de gases residuales T0. -Temperatura del aire de carga. Diferencial de temperatura en el intercambiador. Temperatura de los gases residuales.. La temperatura final de la admisión, para T k = T 0 , se determina mediante la expresión (30) asumiendo que. Tα =. T0 + ΔT + γr Tr =K 1 + γr.  =1. (30).. El rendimiento Volumétrico, de acuerdo a la expresión (31), siendo T k = T 0 , pk = p0 y asumiendo que. ηv =.  =  1 =  s = 1 , es. p T0 ε x a x ε  1 p0 Tα 1 + γr . Ecuación (31).. Donde:. ηv - Rendimiento volumétrico O según la ecuación (32) para los motores de cuatro tiempos. ηv =. T0 p 1  pa  ε x  r T0 + ΔT0 ε  1  p0 p0.   . (32). Cuando el motor se alimenta con gas se puede asumir introduciendo un error muy pequeño que la carga que ingresa al cilindro está formada solamente por aire.. 30.

(39) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. 2.3 Parámetros del proceso de compresión: Adaptamos el exponente politrópico de compresión n1 . La presión al final de la compresión, según la ecuación (33), es:. pc = p. αε. n1. = MPa. (33).. La temperatura al final de la compresión se halla de (34). Tc = T αε. n1. 1 = K. (34).. 2.4. Parámetros al final del proceso de combustión. En caso de motores de encendido por chispa se supone que la combustión se efectúa instantáneamente a volumen constante de la cámara de combustión V c, es decir, la curva real de la elevación de presión en el diagrama indicado durante el proceso de combustión es reemplazada por la isócora cz (fig.2.2). Al hacer esto los gases no efectúan trabajo exterior en el período de la combustión y todo el calor desprendido se consume solamente en incrementar su energía interna. [16]. Figura. 2.2. Líneas de combustión en los diagramas indicados de un motor de encendido por chispa. Para los motores Diesel, en los cuales la combustión al principio se desarrolla rápidamente, pero luego decelera velozmente, la curva compleja de variación de la presión en el diagrama indicado durante el período de combustión, se sustituye por dos rectas: la isócora cz’ y la isobárica z’z (fig.2.3), es decir, se analiza el ciclo con suministro mixto de calor. Aquí durante el período de la combustión visible (tramo z’z) se efectúa el trabajo lcz = pz (Vz— Vc).. 31.

(40) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. Figura. 2.3. Líneas de combustión en los diagramas indicados de un motor Diesel: Líneas llenas — proceso real; líneas de trazos — ciclo con suministro mixto de calor. En cualquier caso (siendo la combustión a V = constante o en el ciclo mixto) las pérdidas totales de calor, debidas a la combustión incompleta e inoportuna, así como a la disociación y a la emisión de calor a las paredes son consideradas por el coeficiente de aprovechamiento del calor de combustión z, determinado experimentalmente. El cálculo se realiza para un 1 kg de combustible. Para el caso del ciclo con suministro mixto de calor el resultado es: = kJ/kmol. (35). Donde: z  Coeficiente de aprovechamiento del calor de combustión; Hu  Bajo valor calórico del combustible; r  Coeficiente de gases residuales; Uc  Energía interna de la mezcla fresca en el punto c; Uc  Energía interna de los productos de la combustión en el punto c;   Coeficiente de elevación de la presión; 32.

(41) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor. Tc  Temperatura en el punto c; r  Coeficiente real de variación molecular; Uz  Energía interna de los gases en z; y Tz  Temperatura de los gases en z... En caso de motores a gasolina y a gas de encendido por chispa, para los cuales se supone que la combustión se realiza a V = constante, y, consiguientemente, l z’z = 0, la ecuación adquiere una forma más simple kJ kmol (36) Siendo  < 1 (el motor funciona con una mezcla enriquecida), parte del calor al quemar el combustible no se utiliza debido a que por falta de oxígeno la combustión será incompleta. Para este caso, en lugar de Hu en la ecuación es necesario poner Hu — (Hu) quím, después de lo cual la ecuación de combustión a V = const adquiere la siguiente forma:. z. (37) A partir de estas ecuaciones se calcula Tz En el ciclo con suministro mixto de calor, para calcular T z es necesario fijar el grado de elevación de la presión  = pz/pc, partiendo del valor máximo tolerable de pz. La ecuación característica de los gases ideales da la posibilidad de expresar la relación entre los parámetros del fluido operante al principio y al final de la combustión tomando en consideración la variación del número de moles: (38). 33.

(42) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. Donde: M2  moles de los productos de la combustión; M1  moles de la mezcla fresca; Mr  moles de gases residuales. El coeficiente de aprovechamiento del calor z se fija basándose en los resultados experimentales en correspondencia con el tipo de motor, su rapidez, condiciones de refrigeración y particularidades estructurales de las cámaras de combustión. Este coeficiente depende de los regímenes de carga y velocidad del motor. Los valores bajos de z indican no sólo una fuerte emisión de calor a las paredes, sino también un considerable tiempo que abarca la extinción de la combustión en el proceso de expansión. A continuación vienen expuestos los límites de variación del coeficiente z cuando los motores funcionan a plena carga: Motores de carburador 0,85—0,90 Motores Diesel. 0,70—0,85. Motores a gas. 0,80—0,85. Los valores reales de las presiones máximas en los cilindros de los motores a gasolina y a gas son necesarios para poder realizar los cálculos dinámicos y de resistencia mecánica y se determinan multiplicando los valores calculados de p z cal obtenidos por un coeficiente empírico de disminución de la presión pz, que toma en consideración el aumento del volumen de la cámara de combustión en el instante en que se alcanza la máxima presión, es decir, pz r = z pz. (39). En coeficiente z generalmente se adopta igual a 0,85. La presión máxima en el ciclo con suministro mixto de calor queda definida por la magnitud del grado de elevación de la presión, que generalmente se encuentra entre los límites de 1,4— 2,2. Los mayores valores de  son propios para los motores con cámaras de combustión no separadas; los valores menores corresponden a los motores con cámaras separadas.. 34.

(43) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. 2.5. Parámetros del proceso de expansión. Proceso de expansión En el proceso de expansión (carrera de trabajo), se produce el trabajo mecánico a cuenta de la energía térmica que se desprende durante la combustión del carburante. En el ciclo real la carrera de trabajo empieza durante la combustión (punto c’, fig.2.4) y termina cuando comienza el proceso de escape de los gases quemados. Al calcular el ciclo se admite que el proceso de expansión comienza en el punto z siendo máximos los valores calculados de p zy Tz (en el motor de encendido por chispa Vz = VC, en el Diesel Vz= Vz’). Se considera que en el ciclo de cuatro tiempos el proceso termina en el P.M.I. (punto b, si no se tiene en cuenta la previa apertura de la válvula de escape).. Figura. 2.4. Proceso de expansión de un motor de encendido por chispa. Al principio del proceso de expansión continúa la intensa combustión del carburante. La temperatura del gas, calculada a partir del diagrama indicado, alcanza su mayor valor en el proceso de expansión a la derecha del punto p máx. Esto indica que en dicho período (en el tramo estudiado del diagrama hasta el punto T máx) se desprende calor intensamente. Simultáneamente, a consecuencia de la gran diferencia de temperaturas T — Tm.p (Tm.p es la temperatura media de la superficie que limita el volumen de trabajo del cilindro), así como de la gran velocidad de movimiento de los gases, se transmite intensamente calor desde el gas a las paredes de la culata, cilindro y cara del 35.

(44) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. pistón. En vista de las dificultades que aparecen al determinar los valores variables del exponente n2, que sirvan para calcular los parámetros al final del proceso de expansión, se utilizan valores promedios. Para el proceso politrópico, siendo el exponente medio n 2 en el motor Diesel, la presión y temperatura al final de la expansión en el punto b se determinan acorde con las fórmulas MPa. (40). K. (41). Para el caso de un motor de encendido por chispa  =, por lo tanto (42). (43). Los valores de los parámetros del proceso de expansión para los motores de cuatro y dos tiempos (para la carga nominal) se exponen a continuación: n2 Motor. pb, (MPa). Tb, (°K). de 1,23 - 1,30. 0,35 – 0,50. 1200 - 1500. 1,18 – 1,28. 0,20 – 0,40. carburador Motor Diesel. 1000- 1200. 2.6. Proceso de escape. En el motor de cuatro tiempos desde el instante de apertura de la válvula de escape en el punto 1 hasta cierto valor de la presión, igual al crítico p cr, el escape de los 36.

(45) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. gases quemados tiene lugar a velocidad crítica (600—700 m/s) y va acompañado de un ruido estridente. Durante este período, que acaba cerca del P.M.I., se expulsa del cilindro del motor el 60—70 % de los gases quemados, disminuyendo la presión en el mismo. Cuando el émbolo se desplaza hacia el P.M.S. los gases quemados siguen expulsándose, pero a una velocidad que constituye de 200 a 250 m/s. El trabajo consumido para expulsar los gases quemados, así como también el grado de barrido del cilindro, dependen de las fases del proceso de escape. Del diagrama indicado mostrado en la (fig.2.5) se desprende que, siendo la apertura de la válvula (punto 1’) excesivamente temprana, el trabajo de expansión perdido, determinado por el área l’bb’, resulta excesivamente grande y no se compensará por la disminución del trabajo absoluto gastado para la expulsión.. Figura. 2.5. Tramo del diagrama indicado que caracteriza el proceso de escape en un motor de cuatro tiempos. La apertura de la válvula de escape en el punto 1” resulta retardada. Aunque en este caso las pérdidas del trabajo de expansión (área l”bb”) son menores, sin embargo, para empujar los gases quemados en el tramo b”r” se consume un gran trabajo y el barrido de ellos del cilindro empeora. El instante de apertura de la válvula de escape (punto l) se elige experimentalmente. En la fig. 2.5 se muestra con línea llena un tramo del diagrama indicado para las fases en las cuales se consiguen los mejores índices del motor.. 37.

(46) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. La calidad de soplado del cilindro se puede elevar utilizando el movimiento ondulatorio de los gases en el tubo de escape o mediante el barrido del cilindro en el período de traslapo de válvulas (en los motores sobrealimentados). El cambio de presión en el cilindro durante el escape depende de las condiciones que tenga el proceso de intercambio de gases. Cuando el motor funciona sin sobrealimentación el diagrama indicado tiene la forma que se muestra en la fig. 2.5, a. La línea que caracteriza el proceso de escape está situada por encima de la línea del proceso de admisión y el primer período del escape a velocidad crítica de salida del flujo termina cerca del P.M.I. Al haber sobrealimentación, en función de la relación pk/pp (pp es la presión en el sistema de escape), son posibles los casos cuando el período del escape a velocidad crítica continúa cierto tiempo durante el movimiento del pistón hacia el P.M.S. y la línea de admisión (fig. 2.5, b) estará situada para la mayor parte de la carrera del pistón por encima de la línea de escape.. Figura. 2.6. Desarrollo del proceso de escape en un motor de cuatro tiempos: a — cuando prpa, b  cuando pr  pa Al disminuir la carga del motor reduciendo la sección de paso de la mariposa, en el instante en que se abre la válvula de escape la presión será menor. Esto influye sobre el desarrollo del escape durante el primer período. Cuando el émbolo se desplaza hacia el P.M.S. la tendencia de cambio de la presión y su valor, bajo el cual transcurre el proceso de escape, prácticamente no varían. 38.

(47) Capítulo 2. Cálculo del ciclo de trabajo del motor.. La temperatura de los gases quemados depende de la carga y del régimen de velocidad del motor. Al elevar la frecuencia de rotación y la carga sube la temperatura de los gases quemados. Para disminuir el ruido en los motores de automóviles, en el sistema de escape se monta un silenciador que crea resistencias adicionales en la salida. La estructura del silenciador y de todo el sistema de escape deberá elegirse de tal manera que durante la supresión del ruido las pérdidas hidráulicas sean mínimas. En ciertos casos la estructura del sistema de escape se elige tomando en consideración la obtención de una carga adicional en el cilindro al utilizar la sobrealimentación inercial. 1. Asumimos que el exponente politrópico de expansión n2= 1 .24 . La presión. al. final de la expansión Pb se halla mediante la ecuación (44).. Pb =. Pz ε. n2. = MPa .. (44). La temperatura al final de la expansión según (45).. Tb =. ε. Tz =K n2 1. (45). 2.7. Parámetros principales del ciclo. La magnitud pi se denomina presión media indicada del ciclo, que es la presión manométrica convencional de acción constante con la cual el trabajo realizado por los gases durante una carrera del pistón es igual al trabajo indicado correspondiente al ciclo. Para el ciclo estudiado, obtendremos. (46) 2. Para el ciclo donde el calor se suministra solamente a volumen constante (motores de encendido por chispa), la presión media indicada para el diagrama 39.

Figure

Fig. 1.2  Vista frontal del Motor Hyundai [8]
Tabla 1.2. Datos del motor MAN [11]
Tabla 1.3. Datos técnicos del motor [22]
Figura 1.4: Partes principales del motor. [12]
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Referencias

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