Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Industrial
VENTAJAS DE UN CICLO MILLER FRENTE A UN CICLO DIESEL, EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA, EN SISTEMAS ELECTRÓGENOS ESTACIONARIOS DE BAJA VELOCIDAD
Virgilio Antonio Elis Revolorio Asesorado por el Ing. Elder Armando Morales Solís
Guatemala, junio de 2010
I
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERÍA
VENTAJAS DE UN CICLO MILLER FRENTE A UN CICLO DIESEL, EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA, EN SISTEMAS ELECTRÓGENOS ESTACIONARIOS DE BAJA VELOCIDAD TRABAJO DE GRADUACIÓN
PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA POR:
VIRGILIO ANTONIO ELIS REVOLORIO ASESORADO POR EL ING. ELDER ARMANDO MORALES SOLÍS AL CONFERÍRSELE EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO GUATEMALA, JUNIO DE 2010
I
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA
NÓMINA DE JUNTA DIRECTIVA DECANO
Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
VOCAL I
Inga. Glenda Patricia García Soria
VOCAL II
Inga. Alba Maritza Guerrero Spínola de López
VOCAL III
Ing. Miguel Ángel Dávila Calderón
VOCAL IV
Br. Luis Pedro Ortíz de León
VOCAL V
Br. José Alfredo Ortíz Herincx
SECRETARIA
Inga. Marcia Ivónne Véliz Vargas
TRIBUNAL QUE PRACTICÓ EL EXAMEN GENERAL PRIVADO DECANO
Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
EXAMINADOR
Ing. Victor Manuel Ruíz Hernández
EXAMINADOR
Ing. Esdras Feliciano Miranda Orozco
EXAMINADOR
Ing. Sergio Torres Hernández
SECRETARIA
Inga. Marcia Ivónne Véliz Vargas
I
HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR
Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala, presento a su consideración mi trabajo de graduación titulado:
VENTAJAS DE UN CICLO MILLER FRENTE A UN CICLO DIESEL, EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA, EN SISTEMAS ELECTRÓGENOS ESTACIONARIOS DE BAJA VELOCIDAD,
tema que me fuera asignado por la Dirección de la Escuela de Ingeniería Mecánica Industrial, el 13 de junio de 2008.
Virgilio Antonio Elis Revolorio
I
AGRADECIMIENTOS A:
DIOS
Autor y consumador de todas las cosas, de Él provienen la sabiduría y la inteligencia, la vida y la salvación. Gracias por permitirme llegar hasta aquí.
MI ESPOSA
Por tu paciencia y compresión, por tu inagotable amor y sacrificio.
MIS PADRES
Por darme su apoyo, amor y sus virtudes que siempre estarán en mi vida.
MI FAMILIA
Por ser como son y enseñarme con sus vidas lo que es correcto, por estar conmigo siempre.
I
I
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V GLOSARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII SIMBOLOGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI RESUMEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII
1.
MARCO TEÓRICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1 Teoría básica de los motores de combustión interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Elementos principales de los motores de combustión interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.2 Combustibles utilizados en los motores de combustión interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1.3 Ciclos principales de los motores de combustión interna. . . . . . . . . . . . 17 1.1.4 Aplicaciones de los motores de combustión interna. . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Teoría sobre Emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.1 Métodos más utilizados para el análisis de emisiones. . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.2 Niveles de emisiones del Banco Mundial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.3 Método utilizado en los motores de ciclo Diesel y Miller. . . . . . . . . . . . . 24
2.
DESCRIPCIONES DEL CICLO DIESEL Y EL CICLO MILLER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
27
2.1 Descripción del ciclo Diesel Standard. . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.1 Descripción mecánica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.1.1 Necesidades del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
2.1.1.2 Relación de compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.1.3 Turbocargadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.2 Descripción termodinámica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.2.1 Gráficas presión-volumen (p-v) y temperatura-entropía (T-s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.2.2 Eficiencia térmica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.1.3 Emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.1.3.1 Métodos utilizados para la determinación de emisiones. . . . . . . . . . . . 41 2.1.3.2 Resultados del análisis de emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2 Descripción del ciclo Miller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2.1 Descripción mecánica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2.1.1 Necesidades del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
2.2.1.2 Relación de compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.2.1.3 Turbocargadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.2 Descripción termodinámica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.2.1 Gráficas presión-volumen (p-v) y temperatura-entropía (T-s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.2.2 Eficiencia térmica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.2.3 Emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.2.3.1 Métodos utilizados para la determinación de emisiones. . . . . . . . . . . 62 2.2.3.2 Resultados del análisis de emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.
ESTABELCIMIENTO DE DIFERENCIAS Y VENTAJAS DEL CICLO DIESEL Y EL CICLO MILLER. . . . . . . . . . . . . . . . . 65 II
3.1 Establecer las diferencias principales. . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.1.1 Relación de compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.1.2 Turbocargadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.1.3 Tiempo de inyección de cada ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2 Establecer diferencias termodinámicas. . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.2.1 Gráficas de presión-volumen (p-v) y temperatura-entropía (T-s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.2.2 Eficiencia térmica de los ciclos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3 Ventajas del ciclo Miller contra el ciclo Diesel. . . . . . . . . .
81
3.3.1 Ventajas termodinámicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
3.3.2 Ventajas ambientales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.3.3 Tabla comparativa del ciclo Diesel y Miller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.
83
ELABORACIÓN DE UN SOFTWARE QUE PUEDA MOSTRAR LAS DIFERENCIAS DE LOS CICLOS Y PUEDA CALCULAR LA EFICIENCIA Y POTENCIA DE LOS CICLOS DIESEL Y MILLER. . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 RECOMENDACIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
III
IV
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES FIGURAS 1. Ciclo de cuatro tiempos, representa las cuatro carreras de un motor típico de cuatro tiempos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2. Inyección directa. esquema que presenta la inyección directa en un motor Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3. Inyección indirecta o con cámara de pre-combustión. Esquema de la inyección indirecta en un motor Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
4. Sistema de lubricación. Sistema de lubricación típico de un motor Wärtsila 18V46, éste muestra el recorrido del lubricante en las partes internas del motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
5. Diagrama Polar de un ciclo Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 6. Relación de compresión de 14:1 en un motor con ciclo Diesel. . . . . . . . . . . 33 7. Turbocargador tipo Roots impulsado por engranajes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 8. Turbocargadores impulsados por gases de escape del motor. . . . . . . . . . . 36 9. Turbocargador VTR del fabricante ABB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 10. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 11. Número mínimo de puntos transversos para velocidad y partículas. . . . . 43 12. Diagrama de equipo de medición de velocidad (tubo Pitot tipo S). . . . . . . 44 13. Condensadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 14. Pesaje de condensadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 15. Diagrama de flujo y equipos para Método 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 16. Diagrama Polar de un ciclo Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 17. Relación de compresión de 16:1 en un motor con ciclo Miller. . . . . . . . . . 56 18. Arreglo turbocargadores impulsados por gases de escape del motor. . . . 58 19. Turbocargador TPL A del fabricante ABB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 20. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 V
21. Biela completa de un motor Wärtsila 18V46. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 22. Diferencia en los cojinetes del turbocargador VTR y el TPL, forma en que se lubrican los mismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 23. Curvas de los turbocargadores VTR y TPL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 24. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 25. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
TABLAS I. Descripción del equipo utilizado para material particulado. . . . . . . . . . . . . . 41 II. Descripción del equipo para determinar gases de combustión y peso molecular de los mismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 III. Descripción de equipo para cálculo de material particulado . . . . . . . . . . . 48 IV. Diferencias entre el ciclo Diesel y Miller por el aumento de la Relación de Compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 V. Diferencias entre el Turbocompresores VTR564 P32 y el TPL77-A30, utilizados en motores Wärtsila 18V46, ciclo Diesel y ciclo Miller. . . . . . 68 VI. Tabla de resultados de las mediciones de los gases de escape de la Chimenea 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 VII. Tabla de resultados de las mediciones de los gases de escape de la Chimenea 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 VIII. Tabla de comparativa entre el ciclo Diesel y ciclo Miller. . . . . . . . . . . . . . 83
VI
GLOSARIO Anillo antipulimiento.
Aro metálico que se encuentra en la parte superior de la camisa del cilindro, su principal función consiste en botar el carbón que se forma en la corona del pistón.
Bujía.
Es el equipo que se utiliza para hacer que la mezcla sea quemada dentro de la cámara de combustión en los motores a gasolina.
Cámara de combustión.
Compuesta por la parte superior del pistón, conocida como corona del pistón, la culata del cilindro y la pequeña proporción del cilindro en su parte superior.
Ciclo de cuatro tiempos.
Es el ciclo en el cual se necesitan dos
vueltas
cigüeñal
para
completas completar
del
eje
cuatro
carreras distintas dentro del cilindro, la primera viajando de arriba abajo se llama admisión,
la segunda
viajando de abajo a arriba se llama compresión, la tercera viajando de arriba abajo se llama expansión o fuerza y la cuarta viajando de abajo VII
a arriba se llama escape, con esto se consiguen cuatro carreras o tiempos en dos vueltas del cigüeñal.
Ciclo de dos tiempos.
Es el ciclo en el cual se necesita una vuelta para completar las cuatro carreras básicas del ciclo, viajando de abajo
arriba las carreras de
admisión-compresión y viajando de arriba abajo expansión o fuerza y escape, así se completan los ciclos en una vuelta del cigüeñal.
Cilindrada.
Es la suma de los volúmenes de cada cilindro del motor.
Compresión, relación.
Es la cantidad de veces que se reduce el volumen en el cilindro desde el punto muerto inferior hasta llegar al punto muerto superior.
Eficiencia térmica.
Es la medición en porcentaje de la cantidad de energía térmica que es aprovechada
en
un
motor
de
combustión interna.
Eficiencia volumétrica.
Es la cantidad de aire en peso dentro del cilindro al inicio de la carrera de compresión. VIII
EPA.
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos.
La Mezcla.
Consiste en la combinación de combustible con aire del ambiente, esta mezcla es introducida a la cama de combustión de un motor para ser quemada y liberar la energía que contiene el combustible.
PMS.
Siglas de punto muerto superior, que
es
cuando
el
pistón
se
encuentra en la parte más alta del cilindro.
PMI.
Siglas de punto muerto inferior, que es cuando el pistón se encuentra en la parte más baja del cilindro.
SAE.
Son las siglas de la sociedad de ingenieros siglas
en
automotrices ingles
por
(Society
sus of
Automotive Engineers).
Wärtsila.
Nombre del fabricante finlandés de motores de gran caballaje y bajas velocidades.
IX
X
SIMBOLOGÍA m³
Metro cúbico.
°
Grado en sentido de ángulos.
°K
Grado Kelvin, es un símbolo de temperatura.
°C
Grado Centígrado, es un símbolo de temperatura.
kg
Kilogramo.
BTU Unidad Térmica Británica, por sus siglas en ingles. J
Joule unidad de medida de energía.
kJ
Kilojoule.
mg
Miligramo.
Nm³
Metro cúbico normal
m
Metro.
s
Segundo, Entalpía.
h
Hora.
N/A
No aplica.
NOx Óxidos de Nitrógeno. SOx Óxidos de Azufre.
ηt
Eficiencia Térmica.
P
Presión.
T
Temperatura.
V
Volumen.
kPa
Kilopascal, unidad de presión.
R
Constante universal de los gases.
k
Constante del aire.
°F
Grado Fahrenheit, medida de temperatura.
lb
Libra.
plg²
pulgada cuadrada, medida de área.
%
Porcentaje. XI
XII
RESUMEN Este trabajo de graduación se centra en la comparación de dos motores de combustión interna, uno con ciclo Diesel y el otro con ciclo Miller, cada uno de ellos ofrece sus propios beneficios, independientemente con que ciclo trabaje. Veremos los beneficios de cada ciclo y los compararemos para poder determinar las ventajas de un ciclo respecto del otro.
Se compararán todos los datos obtenidos, desde las emisiones, los turbocargadores, la potencia, la eficiencia térmica, las gráficas termodinámicas, etc., también veremos las fórmulas aplicadas a cada ciclo con las cuales obtuvimos los resultados de eficiencia.
Tendremos tablas, fotografías, figuras y un video que nos explicará algunas de las partes más importantes de estos motores.
XIII
XIV
OBJETIVOS GENERAL: Establecer las diferencias entre un ciclo Diesel y un ciclo Miller, en motores de combustión interna, haciendo un programa de computación que nos muestre las diferencias entre los dos ciclos y que podamos realizar cálculos de eficiencia y potencia de ambos ciclos.
ESPECÍFICOS: 1. Describir las características principales de los motores de combustión interna, ciclos de cuatro tiempos, tipo de combustible y las aplicaciones de los motores de combustión.
2. Comparar el ciclo Diesel y el ciclo Miller, diferencias térmicas y eficiencia. 3. Establecer ventajas del ciclo Miller contra el ciclo Diesel.
4. Realizar un programa de computación para el calcula de eficiencia y potencia de ambos ciclos.
XV
XVI
INTRODUCCIÓN
En la búsqueda de la eficiencia de los motores de combustión interna se han hecho muchas modificaciones en los materiales y ciclos de combustión, con esto han llevado a los materiales a resistencias superiores a lo tradicional. Desde la aparición de los primeros motores de combustión se ha buscado la forma de volverlos más eficiente y aprovechar al máximo la energía liberada de los combustibles, poder calorífico del combustible, y volverla energía mecánica en un motor de combustión interna.
El uso de los motores de combustión interna es sin duda de gran importancia, se utilizan en todo tipo de transporte terrestre e incluso algunos de transporte aéreo utilizan este tipo de motores, además también su uso en el campo de la generación de energía eléctrica con motores estacionarios de gran potencia. En este caso en particular es necesario llegar a la máxima eficiencia para obtener mayor cantidad de energía del combustible y transformarla en energía eléctrica.
Veremos el ciclo más utilizado en nuestro medio, ciclo Diesel, y uno nuevo que está dando grandes resultados, el ciclo Miller, después de ver a cada uno de ellos también veremos los resultados del análisis de los gases de escape y podremos comparar cual de los dos ciclos es el más eficiente térmicamente y menos nocivo al ambiente.
También se tiene un video que nos presentará a las diferencias principales de los dos motores debido a su ciclo, el Diesel y el Miller.
XVII
XVIII
1. MARCO TEÓRICO
1.1. Teoría básica de los motores de combustión interna Durante algunos años los motores han experimentado cambios en su forma y capacidades, en cuanto a potencia, los cuales dan como resultado un mejor aprovechamiento de la energía del combustible que es inyectado al mismo.
Existen varios diseños de los motores pero durante muchos años a prevalecido el diseño en línea del motor, éste fue el arreglo más generalizado de los motores, sin embargo en la actualidad existe otro diseño que está tomando cada vez más fuerza y es el diseño en V, este logra tener la misma capacidad, es decir la misma potencia, que uno en línea de la misma cantidad de cilindros, sin embargo utiliza menor cantidad de espacio y es por el arreglo de los cilindros, podemos decir que un motor en V ocupa poco más del 50% del espacio, en longitud, que uno en línea.
En general, los motores en línea son más económicos de producir que los motores en V, pero cada uno de ellos tienen características que los hacen útiles dependiendo de la aplicación para cual se necesitan, por ejemplo en estaciones de energía los motores más utilizados son los en V por razones de espacio y longitud de los motores, la mayoría de los sistemas de emergencia de energía son unidades estacionarias y el arreglo del motor es en V, sin embargo para transporte pesado o de pasajeros el arreglo es en línea, vemos pues que para la aplicación de potencia en transporte se utiliza con más frecuencia el arreglo en línea y para aplicaciones de gran potencia el arreglo en V. 1
En los motores de combustión interna prevalecen dos ciclos principales, que son el Ciclo Otto y el Ciclo Diesel, las diferencias principales radican en el combustible que se utiliza y la forma en que este se quema dentro de la cámara de combustión, enfocaremos más al ciclo Diesel, pero haremos una breve explicación del ciclo Otto.
El ciclo Otto se distingue porque el combustible que utiliza es la gasolina, ésta, a diferencia del Ciclo Diesel, entra a la cámara de combustión mezclada con el aire de admisión, lo que se conoce como La Mezcla, y para que la combustión ocurra es necesario una bujía que provee la chispa para que el combustible se queme por completo, además también la relación de compresión entre estos ciclos es distinta, en el ciclo Otto la relación de compresión es desde 6 a 10 y en el ciclo Diesel es de 12 hasta 18, estas son las diferencias fundamentales entre el ciclo Otto y el Diesel.
Tanto el ciclo Otto como el Diesel se presentan en dos divisiones más que son los tiempos en que desarrollan el trabajo para lo cual están diseñados, éstos entonces se dividen en ciclos de dos o cuatro tiempos, pasaremos a describir el ciclo Diesel de cuatro tiempos.
Carrera de Admisión: Durante ésta carrera se cierran las válvulas de escape y se abren las de admisión para permitir la entrada de aire a la cámara de combustión, ver figura 1, ésta entrada de aire se induce por el movimiento del pistón hacia el punto muerto inferior, esta presión es inferior a la presión atmosférica si el motor es de aspiración natural, o mayor si el motor tiene turbocargador o una turbina para poder proveer de más aire al motor para la combustión. En esta carrera se recorre media vuelta del cigüeñal, es decir 180° aproximadamente constituyéndolo en el primer tiempo del ciclo. La cantidad de aire que se retiene en el cilindro durante esta carrera, es decir el volumen de 2
aire en el cilindro como consecuencia de esta carrera se conoce como eficiencia volumétrica, en los motores de aspiración natural, ésta eficiencia puede llegar a ser entre 85% y 90% pero en los que tienen turbocargador o Figura 1. Ciclo de cuatro tiempos. Representa las cuatro carreras de un motor típico de cuatro tiempos.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.
turbina la eficiencia es de 120% ó 200%, la potencia de salida del cilindro depende directamente de la cantidad de aire en el cilindro. En el ciclo Diesel la admisión es solamente de aire mientras que en el ciclo Otto la admisión es la mezcla de aire y combustible.
Carrera de compresión: Durante ésta carrera las válvulas de admisión y escape se encuentran cerradas y el pistón se mueve hacia arriba hasta el punto muerto superior, ver figura 1. Este movimiento hacia arriba hace que el aire atrapado en el cilindro se comprima y, como consecuencia de esto, aumente la presión y temperatura hasta niveles muy altos de hasta las 550 lb/plg² y los 1200°F, esto depende del diseño del motor en partic ular, por ejemplo si es de 3
aspiración natural o turbocargado, la relación de compresión del motor, etc. Con este movimiento el cigüeñal alcanza la primera vuelta completa y la segunda carrera constituyéndose en el segundo tiempo.
Carrera de potencia o expansión: Estando el pistón en el punto muerto superior o muy cerca de él, se produce la combustión la cual libera la energía que hay en el combustible que obliga al pistón a volver al punto muerto inferior, ver figura 1, sin embargo, en el punto muerto superior, ocurre la inyección de combustible, en el caso del Ciclo Otto ocurre la chispa para que la combustión ocurra, la explosión provoca que el pistón recorra el largo del cilindro hacia el punto muerto inferior, logrando la carrera de potencia, la presión que se alcanzan en este punto pueden llegar a ser de hasta 2300 lb/plg² y 4000°F, con este movimiento se agregan 180° más al movimiento d e cigoñal por lo tanto el mismo ya tiene 540° lo que es equivalente a una vue lta y media, con esto se tiene el tercer tiempo.
Carrera de escape: Ahora se abren las válvulas de escape para permitir la salida de los gases producto de la combustión, ver figura 1, el pistón hace su movimiento hacia arriba para lograr la salida de todos los gases de escape, esto son otros 180° más al movimiento del cigüeñal lo qu e los 720° que es equivalente a 2 vueltas del mismo.
Como podemos ver el ciclo de cuatro tiempos implica dos vueltas completas del cigüeñal para que el mismo se lleve a cabo, las diferencias con el Ciclo Otto se hicieron ver durante la descripción de los cuatro tiempos.
El ciclo de dos tiempos combina dos carreras para que el ciclo se complete en una sola vuelta del cigüeñal en lugar de dos vueltas, la combinación es admisión-compresión y fuera-escape, en este tipo de motores se dispone de tal 4
manera que la admisión del aire permite el barrido de los gases de escape, al momento de llegar al punto muerto inferior permite la admisión de aire que provoca la salida de los gases de escape, en su viaje hacia arriba al punto muerto superior se logra la carrera de compresión, al estar en el punto muerto superior se da la combustión y se inicia la carrera de potencia o expansión y al finalizar la misma salen los gases producto de la combustión.
Sistema de inyección de combustible: El sistema de inyección se encarga de llevar el combustible de forma adecuada para que dentro del cilindro la combustión ocurra en lo que llamamos cámara de combustión y con ello la liberación de la energía del
combustible,
éste sistema tiene varios
componentes, entre los más importantes están las bombas de inyección y los inyectores.
Cada uno de estos elementos es importante para el buen funcionamiento de los motores, las bombas de combustible se encargan de elevar la presión del combustible al mismo tiempo que es dosificado de acuerdo a los requerimientos de potencia del motor, las bombas de inyección funcionan por medio de émbolos que son girados por un cremallera para permitir la regulación de la cantidad de combustible necesaria. El exceso de combustible es drenado a un sistema que recolecta todo el combustible en exceso y lo lleva de retorno al depósito de combustible, el combustible efectivo es el que es empujado por el émbolo hasta los inyectores estos últimos son los que se encargan de que el combustible entre a la cámara de combustión en forma de nube o atomizado para lograr la buena mezcla del combustible y el aire que está presente en la cámara de combustión, se puede decir que el inyector es el elemento más importante del sistema, puesto que de este depende, en gran parte, la buena combustión dentro del cilindro.
En algunos lugares se les conoce como
válvulas de inyección, pues al fin actúan como tal, cuando la presión de 5
apertura se logra entonces este abre y deja salir el combustible, otro aspecto importante del inyector es el ángulo de los agujeros de la boquilla, este es muy importante puesto que ellos direccional la entrada de combustible a la cámara de combustión, si el ángulo no es el correcto el combustible puede ir a dar a la cabeza del pistón o corona o bien a las paredes del cilindro, lo cual ninguno de los dos casos es el deseado sino más bien que el combustible se quede en el espacio libre de la cámara de combustión para que se mezcle con el aire y no se deposite en la corona del pistón o en las paredes de la cámara.
Los tipos de inyección más utilizados son dos: la inyección directa y la inyección indirecta o con cámara de pre-combustión, en la inyección directa la misma es inyectar el combustible directamente a la cámara de combustión, como se muestra en la figura 2, en ella vemos como está dispuesto el inyector y la forma de la corona del pistón para que el combustible forme la niebla deseada para la combustión. Figura 2. Inyección directa. Esquema que presenta la inyección directa en un motor Diesel.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.
La inyección indirecta, se diseñó para que en una pre-cámara ocurra la inyección del combustible y este inicie su proceso de combustión en ella en
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lugar de ser directamente en la cámara de combustión, el arreglo de la inyección indirecta se ve en la figura 3. Figura 3. Inyección indirecta o con cámara de pre-combustión. Esquema de la inyección indirecta en un motor Diesel.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.
Sistema de lubricación: Es muy importante que todas las partes del motor estén lubricados debido a que todos los componentes del mismo están en contacto unos con otros y en movimiento, este sistema se encarga de llevar el lubricante a todos los componentes del motor, este sistema tiene varios equipos para poder funcionar, entre ellos está la bomba de lubricación, los filtros y las tuberías para llevar el lubricante por todo el motor.
La lubricación de todos los componentes del motor es muy importante, tanto que los lubricantes se han mejorado en gran manera, el lubricante no solo debe evitar la fricción sino también contribuir al enfriamiento de todo el conjunto del motor. Además debe de controlar la formación de ácidos provenientes de los gases de combustión, el aceite debe de estar en la capacidad de neutralizar estos ácidos que de no hacerlo, tarde o temprano nos dará problemas en los diferentes componentes del motor, para lograr este objetivo se tiene una gama 7
muy amplia de lubricantes para diferentes aplicaciones, para esto la SAE ha establecido calidades de los lubricantes y aditivos para mejorar la capacidad de los lubricantes de poder hacer frente a las exigencias del mercado de los motores.
Así que, el sistema de lubricación es muy importante para poder garantizar que todo el motor está libre de daños por la falta de lubricante, la bomba debe de ser capaz de llevar todo el lubricante necesario a todas las partes del motor y no solo llevarlo sino también de mantener la presión en todo el sistema para garantizar la llegada del lubricante y la cantidad necesaria a cada lugar del motor. Los filtros como partes de este sistema son los encargados de atrapar cualquier partícula que sea capaz de hacer daño a los componentes del motor.
En la figura 4 se no muestra el recorrido del lubricante dentro de las partes del motor, este esquema es de un motor Wärtsila 18V46, es decir que es un motor de 18 cilindros, con un arreglo de los cilindros en V y que el diámetro de cada cilindro es de 46cm, según vemos el lubricante entra por un conducto en el fondo del cárter del motor, sube por una serie de gatos hidráulicos, llega hasta los cojinetes principales del cigüeñal y después de esto recorre todo el cigüeñal entregando lubricante a los cojinetes de las bielas, después de esto sube por la biela hasta el pasador o bulón de donde pasa al pistón y su corona para luego salir a lubricar la camisa y caer nuevamente al cárter.
Sistema de gases de escape: Este inicia en la culata puesto que en ella están las válvulas de escape después es llevado al exterior por medio de tuberías, en ocasiones antes de llevarlo totalmente al exterior se instala un sistema de turbocargadores con el cual se logra llevar una cantidad mayor de aire al cilindro con el fin de mejorar combustión y aumentar la potencia del motor. 8
Figura 4. Sistema de lubricación. Sistema de lubricación típico de un motor Wärtsila 18V46, este muestra el recorrido del lubricante en las partes internas del motor.
Fuente: Manual de Wärtsila.
El sistema de escape juega un papel importante, sobre todo en aquellos motores que se utiliza turbocargadores, el gas de escape es el propulsor de estos, y no solo por eso sino que le escape debe ser lo suficientemente capaz para poder desalojar todos los gases de la combustión producidos por el motor y llevarlos hasta fuera del mismo, puede ser que estos gases se utilicen para el calentamiento de agua y producir vapor, y el sistema debe de ser capaz de llevar los gases a donde sea necesario llevarlos para su utilización, o para su tratamiento, o ser desechado a la atmósfera.
Sistema de enfriamiento: La mayoría de los motores de combustión interna necesitan agua dentro de su sistema de radiadores para evitar que el motor se 9
sobrecaliente, estudios han demostrado que más del 40% de los problemas de los motores están directa o indirectamente relacionados con el sistema de enfriamiento de los motores.
La función principal de este sistema es disipar parte del calor que se genera en la cámara de combustión del motor, el calor que absorben los pistones, los anillos, las camisas, dependiendo el tamaño del motor también el sistema de lubricación es enfriado por este sistema, y el block mientras el motor está en servicio y que no se convierte en potencia útil, debe ser manejado por el sistema de enfriamiento para su adecuada disipación.
Las temperaturas
normales de funcionamiento son controladas por una o más válvulas reguladoras lo que hace que el motor siempre este en las condiciones óptimas de temperatura para la combustión adecuada y evitar daños en el motor.
1.1.1 Elementos principales de los motores de combustión interna
Los elementos más importantes de los motores de combustión interna son: el bloque del motor, el eje cigüeñal, el eje de levas, la biela, el pistón, las camisas, las culatas y los turbocargadores; cada uno de ellos tiene una participación importante en el funcionamiento del motor de combustión.
El bloque del motor: este alberga a todos los componentes del motor, todos los componentes funcionan dentro de él y este permite que las demás piezas del motor se muevan en el sentido y dirección correctos.
En este
elemento se encuentra el cilindro y este sufre el mayor estrés de los elementos puesto que es en el donde ocurre la explosión del combustible y este debe resistir el cambio de presión que ocurre debido a la explosión y la temperatura que se alcanza en ese momento es muy alta.
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En algunos de los casos en el que los motores son muy grandes los Bloques son en partes, esto sucede cuando los motores son de alto caballaje y baja velocidad y su aplicación en para impulsar a barcos, generalmente estos motores son de uso estacionario para propulsar barcos o para sistemas de potencia industrial, energía eléctrica.
Los bloques de motores de gran caballaje son fabricados con acero nodular con bajos porcentajes de azufre y fósforo, también se le agrega magnesio, cerio o ambos para que las escamas gráficas típicas de los hierros grises fundidos en esferoides de grafito, estos metales son conocidos como hierros esferoides o nodulares.
Eje cigüeñal: es uno de los elementos más importantes del motor puesto que este es el encargado de transformar el movimiento rectilíneo reciprocante en un movimiento circular, podemos decir que este es el elemento que más esfuerzos resiste puesto que la transformación de movimiento es lo importante para este tipo de maquinas.
El cigüeñal es la parte giratoria más grande de un motor de combustión interna, en los motores pequeños y de alta velocidad los hacen de una pieza, de hierro fundido nodular moldeado a la forma deseada, sin embargo en los motores de alto caballaje y de gran tamaño, los cigüeñales son hechos en partes pre fundidas de acero forjado que luego se unen para formar una sola pieza.
Eje de levas o árbol de levas: Consiste en unas levas dispuestas de tal manera que ellas son las encargadas de abrir o cerrar las válvulas de admisión y escape y también el momento preciso del la inyección del combustible. Este
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eje da media vuelta mientras el eje cigüeñal da una, ambos sincronizados a la perfección con los demás elementos del motor.
El eje de levas consta de un eje
flecha con una serie de rodetes, o
proyecciones, o levas a todo lo largo del eje que generalmente se conocen como lóbulos de leva.
La biela: Este elemento es el que sirve de conexión entre el pistón y el eje cigüeñal, este transmite el movimiento reciprocante del pistón para ser transformado en movimiento circular por el cigüeñal.
Las bielas de motores grandes por lo general tienen conductos donde es llevado el aceite hasta el pasador que une la biela con el pistón, todo esto es con fines de lubricación del pasador y también de la corona del pistón de donde sale el lubricante para aceitar las paredes del cilindro.
Las bielas están
sometidas a esfuerzos de compresión, estiramiento y dobles debido al movimiento de subir y bajar dentro del cilindro pero también debido al movimiento giratorio del cigüeñal.
El pistón: Este componente se encuentra dentro del cilindro y junto con la camisa forman una cámara lo suficientemente cerrada para que en ella se de la liberación de energía del combustible, en el Pistón también se encuentran unos elementos llamados anillos, estos están alojados en la parte superior del pistón llamada corona, el pistón junto con los anillos y el cilindro forman la cámara de combustión.
El quemado del combustible crea dentro del cilindro una cantidad de gases calientes, a muy alta presión, producto de la combustión, esta cantidad de
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gases obligan al pistón a moverse hacia el punto muerto inferior logrando así el movimiento reciprocante para transformarlo en circular en el cigüeñal.
La corona del pistón, generalmente son huecas, para que puedan ser enfriadas por el lubricante, y en ellas están alojados los anillos, estos últimos sirven para mantener cerrada la cámara de combustión y evitar que los gases de escape salgan de la cámara y lleguen al cárter donde se encuentra el aceite.
Las camisas: La función de las camisas es proporcionar una superficie de carrera al pistón y los anillos, tanto el pistón con la corona, los anillos y la camisa forman la cámara de combustión, estos retienen los gases de la combustión dentro de su diámetro, parte del calor generado la camisa lo transfiere al sistema de refrigeración del motor, existen tres tipos de camisas básicas: la camisa seca, ésta no tiene contacto con ningún refrigerante simplemente esta transfiere el calor a través del material del que está hecha la misma camisa y lo transfiere al block del motor el cual si esta refrigerado, el otro tipo es la camisa húmeda, éste tipo de camisa está en contacto directo con el refrigerante del motor, algunas tienen contacto con el refrigerante en la mitad del largo de la camisa, generalmente la parte superior que es la más caliente del cilindro, la camisa de tipo integral, es una camisa que es enfriada por el sistema de enfriamiento, pero es distinta a la húmeda por que en la húmeda la parte de la camisa que está en contacto con el refrigerante es completamente sumergida en el refrigerante, la integral es una camisa de pared gruesa que esta perforada en la parte superior de la misma para que por estos conductos pase el refrigerante y logre el enfriamiento de la misma.
Las culatas: La culata es otro de los componentes que junto al pistón y el cilindro forman la cámara de combustión, ésta tiene otros elementos que también son importantes; las válvulas de escape y las de admisión, cada una de 13
ellas tienen un trabajo importante, las de escape dejan salir los gases del resultado de la combustión y las de admisión dejan entrar el aire necesario para la combustión, también esta aloja al inyector del sistema de inyección de combustible.
Otro elemento que se encuentra en la culata son los balancines, el trabajo de estos es hacer que las válvulas de admisión y escape abran y cierren en el momento preciso para poder garantizar la entrada de aire y salida de gases.
Los turbocargadores: El factor clave para aumentar la potencia de salida de un motor se encuentra en los turbocargadores, esto es porque a mayor desplazamiento de aire hacia el cilindro mayor será la eficiencia volumétrica del mismo, lo que se traduce en mayor cantidad de oxígeno en masa disponible para la combustión, mientras más alta sea la eficiencia volumétrica más combustible que fue inyectado será quemado, todo esto resulta en una mayor eficiencia térmica, aumento en la potencia de salida y aumento en el par de torsión del motor.
Uno de los métodos más utilizados para los turbocargadores es el arreglo de turbina-compresor montado sobre un mismo eje, la turbina es impulsada por los gases de escape que tienen a su disposición una gran cantidad de energía para poder hacer este trabajo, el gas de escape mueve la turbina y esta a su vez mueve el compresor, esto resulta ser muy conveniente puesto que mientras existan los gases de escape la turbina se seguirá moviendo y seguirá proveyendo aire a presión para el motor.
Cualquier forma de hacer que entre aire al cilindro a más alta presión que la atmosférica se dirá que es un turbocargado, la cantidad de aire que entre al cilindro depende del tiempo de apertura y cierre de las válvulas de admisión del 14
cilindro, mientras más tiempo pasen abiertas mayor posibilidad de entre aire al cilindro habrá.
1.1.2. Combustibles utilizados en los motores de combustión interna
Los combustibles son una parte importante de proceso en los motores de combustión, ellos son los que se ven obligados a liberar su energía para que el motor lo transforme en energía mecánica y esta pueda ser utilizada.
Sin embargo, para que esto suceda, el combustible debe ser el adecuado para el tipo de motor con el que contamos, el combustible debe ser tratado para que el mismo pueda liberar la energía que tiene y poder aprovecharla al máximo.
En los motores pequeños los combustible son puestos en las
estaciones de venta de tal manera que estos no necesitan ningún acondicionamiento extra para poder ser utilizados en los motores no así en los motores más grandes, estos necesitan que el combustible sea acondicionado en limpieza, temperatura, densidad, etc.
Casi todos los combustibles utilizados en motores de combustión son derivados de fuentes fósiles, principalmente se obtienen del procesamiento del petróleo, aunque en la actualidad se están utilizando algunos combustibles de desechos industriales y municipales, aunque en menor cantidad pero con gran auge hoy en día, productos como el etanol, el biodiesel o el biocombustible son algunos de los que en la actualidad están tomando cada vez más fuerza, todo con el fin de reducir las emisiones y ser amigable con el ambiente.
Los combustibles de origen fósil son el resultado de la destilación de la materia prima conocida como petróleo, este tienen su origen en la descomposición de materia orgánica que después de mucho tiempo forma 15
compuestos de hidrógeno, carbono, oxígeno, estos forman los carbohidratos, y agua, después de largo tiempo se pierde el oxígeno y el agua dando como resultado los hidrocarburos, dependiendo del grado de carbonificación todavía se conservan algunos restos de oxígeno y agua, además de estos componentes casi todos los combustible líquidos y sólidos tienen residuos de azufre, plomo, vanadio, nitrógeno, etc., que son necesario reducirlos para poder satisfacer las especificaciones de los usuarios.
Las características físicas de los combustibles líquidos, entre otros, son: La densidad, la viscosidad, el poder calorífico y punto de inflamación. La densidad es básicamente la masa por unidad de volumen, en este caso se debe tener cuidado puesto la variación de temperatura provoca una variación del volumen del combustible con lo cual se modifica el valor de la densidad, por tal razón la medida se realiza a un temperatura estándar de 15°C o 60°F. La viscosidad, es la resistencia al desplazamiento interno o flujo, esta se debe a las fuerzas de atracción molecular que cada fluido tiene, de esta cuenta los líquidos tienen viscosidades mayores a las de los gases por las fuerzas de atracción que existen en sus moléculas. La viscosidad cinemática es la más utilizada en el caso de los combustibles esta se define como el tiempo que se tarda un líquido en pasar a través de un capilar debido a su propia carga hidrostática, la viscosidad prácticamente no depende la de presión sino de la temperatura del fluido, de tal manera que al igual que la densidad la medición de la viscosidad se hace en un medio controlado a temperatura constante.
Los combustible tienen almacenada energía y conocer cuanta energía hay en ellos es muy importante, esta se puede medir por peso del combustible o por su volumen, es decir la cantidad de energía que hay en una unidad de peso o de volumen, a esta propiedad del combustible se le llama poder calorífico se trata de saber cuánta energía hay en el combustible por unidad de peso o de 16
volumen, la unidad más utilizada es el BTU que no es más que 1/180 la cantidad de energía necesitada para elevar la temperatura de 1 libra de agua de 32°F a 212°F.
Punto de inflamación, este es muy importante debido que nos
dice la temperatura a la cual el combustible se auto inflama, este es en particular muy importante para el almacenamiento y transporte de combustible, sin embargo, este punto puede ser modificado agregando al combustible presión, esto particularmente se logra en sistema de tuberías donde se transporta el combustible de un lugar a otro. Sin embargo el punto de inflamación es también necesario saberlo puesto que para que se logre una buena combustión es necesario elevar la temperatura del mismo y llevarlo a la temperatura cercana a la que quema.
Los combustibles más utilizados en el mercado, en los motores pequeños, son: la Gasolina, en los niveles de octanaje que están disponibles, el Diesel y, en los más grandes, Diesel, HFO o Bunker.
1.1.3. Ciclos principales de los motores de combustión interna
Todos los motores tienen su origen en algún concepto de ciclo termodinámico, de lo cual es una serie de eventos en los que se aprovecha la mayor cantidad de energía y el resto es entregado al ambiente.
De los ciclos de combustión interna los dos más conocidos son el Ciclo Otto o Gasolina y el Ciclo Diesel, además estos mismos se vuelven a dividir en ciclos de dos y cuatro tiempos, pero el que nos interesa es el ciclo de cuatro tiempos que a continuación se describe.
Ciclo Otto se compone de cuatro procesos reversibles de aire en un sistema cerrado, compresión adiabática, adición de calor a volumen constante, 17
expansión adiabática y liberación de calor a volumen constante, es como conocemos la carrera de compresión, chispa, carrera de fuerza, carrera de escape y carrera de admisión, según vemos en la figura la carrera de admisión tiene como fin llenar la cámara de combustión con una mezcla de aire y combustible para ser quemada dentro de la cámara de combustión, en la carrera de compresión lo que sucede es que todo el aire con combustible que se encuentra en la cama de combustión es, como lo dice el nombre de la carrera, comprimido hasta tener una relación de compresión de 10:1, es decir que el volumen original cuando el pistón está en su punto muerto inferior se reduce 10 veces, entonces se produce la chispa que es la que se encarga de hacer que el combustible se queme de forma inmediata, en la carrera de fuerza lo que sucede es la expansión de todos los gases de la combustión, esto lo que provoca es un aumento del volumen llevando al pistón hasta el punto muerto inferior, después vuelve el pistón a viajar hasta el punto muerto superior expulsando así los gases de la combustión, a esta se le conoce como carrera de escape.
Con lo anterior no solo describimos un ciclo Otto sino también un ciclo de cuatro tiempos, con este ciclo el motor debe completar dos vueltas de su eje cigüeñal para completar las cuatro etapas del ciclo.
El ciclo Diesel presenta variaciones con respecto al ciclo Otto, básicamente son las mismas cuatro carreras, admisión, compresión, fuerza y escape, sin embargo las diferencias radican que en la carrera de admisión solamente entra aire a la cámara de combustión y cuando el pistón esta en el punto muerto superior, o cerca de él, es inyectado el combustible a gran presión y la temperatura que se encuentra es muy alta debido a la compresión cuya relación llega a ser de 14:1 o incluso 18:1, al entrar el combustible a la cámara inmediatamente se quema logrando la combustión. Como podemos ver este 18
ciclo no necesita una fuente de ignición del combustible sino la combustión se logra debido a la temperatura a la que se encuentra el aire y la entrada a gran presión del combustible.
De estos dos ciclos se han originado una variedad de arreglos en la disposición de los cilindros, los hay lineales, en V, radiales, rotativos, de cilindros opuestos, en X, etc., pero todos responden a uno de estos dos ciclos termodinámicos.
Cada uno de los ciclos de combustión que se conocen fue diseñado para poder obtener el mayor rendimiento en los motores, para esto se hacen modificaciones en la disposición de los cilindros, sistema de inyección, sistemas de aire, etc., por esta razón se ha realizado una modificación al Ciclo Diesel a dado origen a un ciclo llamado Miller en honor a Ralph Miller que desarrollo esta modificación que ha resultado en una mejora considerable en eficiencia, potencia y reducción de emisiones del motor.
Esta modificación es
perfectamente aplicable a ambos ciclos, tanto al Otto como al Diesel.
1.1.4. Aplicaciones de los motores de combustión interna
Las aplicaciones de los motores de combustión son muy variadas, las más conocidas son en los automóviles en los cuales se utilizan de ambos ciclos, pero sus aplicaciones no solamente se limitan a los automóviles, en la agricultura, en la aviación, en la industria marítima, etc., existen aplicaciones de los motores de combustión interna.
En los automóviles los motores pequeños de 4 y 6 cilindros en línea han dominado la industria pero los de 8 cilindros en V también forman parte de este grupo de motores que se encuentran en los automóviles de ciudad y el campo, 19
en estos casos lo motores son de ciclo Otto o Diesel tanto para el campo como para la ciudad, sin embargo los vehículos de gran potencia, como los autos deportivos o para carreras, son motores de hasta 12 cilindros en V, estos desarrollan velocidades de más de 300 Km/Hr y algunos, como los de carreras, no utilizan combustibles tradicionales sino otros especialmente diseñados para este tipo de motores.
En la agricultura, la construcción y el transporte se utilizan predominante mente motores Diesel, los usan en tractores, cortadoras, retroexcavadoras, cargadores frontales, moto niveladoras, aplanadoras, en camiones de transporte de materiales, en autobuses, etc., logrando con ellos una mejora considerable para poder realizar sus actividades.
En la aviación motores de hasta 12 cilindros en línea o radiales eran utilizados con frecuencia para poder darle el impulso necesario a los aeroplanos de combate o transporte de personas o suministros, con el tiempo estos motores fueron sustituidos por turbinas que resultaron más eficientes y de mayor potencia para poder que aviones tan grandes como los cargueros o de pasajeros alzaran vuelo o los aviones de combate fueran más rápidos y maniobrables con este tipo de motores.
En los barcos los motores de combustión interna mantienen su predilección para impulsar los grandes buques cargueros o de pasajeros, los motores de gran tamaño y potencia son los utilizados en estos barcos, en algunos casos para poder impulsar al barco directamente, es decir que las propelas están acopladas a los motores y estos son de velocidad variable para poder responder a las necesidades de velocidad del barco, los motores son de 6, 8 y 10 cilindros en línea pero también los hay de hasta 18 cilindros en V,
20
proporcionando así la potencia necesaria para que estos barcos sean impulsados.
Este tipo de motores son los utilizados en la industria de la generación de energía eléctrica, se han hecho arreglos para que estos motores estén acoplados a generadores que pueden producir energía eléctrica desde 0.5 Mw, en Guatemala, hasta 17.05 Mw, estos son motores de gran capacidad acomodados para que sean estacionarios cuyo fin es la generación de energía eléctrica.
1.2. Teoría de emisiones Todos los procesos de combustión tienen como resultado gases de combustión conocidos como gases de escape, en ellos tenemos partículas de gases y sólidos conocidos como emisiones.
Normalmente los componentes de que se vigilan son: Dióxido y Monóxido de Carbono, este se forma de la unión del carbono del combustible y el oxígeno del aire, aunque el dióxido de carbono contribuye al calentamiento global, perjudicándonos a largo plazo, el más peligroso es el monóxido de carbono este en un concentración de 0.3% y exponernos durante 30 minutos nos produce la muerte, es por esas razones que es necesario vigilarlo, otro elemento son los Óxido de Nitrógeno, tanto como monóxido o dióxido de nitrógeno, se estudia como NOx, este gas es muy venoso capaz de destruir el tejido de los pulmones y causarnos la muerte, y por último el Material Particulado, esto son pequeñas partículas de ceniza, carbón o incluso combustible.
21
Todos estos elementos son parte de los gases de escape y su efecto en el ambiente o nuestra salud las hacen importantes para tenerlas en vigilancia en todos los sistemas en donde se quema un combustible.
1.2.1. Métodos más utilizados para el análisis de emisiones
Existe una variedad de métodos analíticos para muestras del aire, que van desde métodos experimentales, hasta los oficiales que deben ser certificados y aceptados, sin embargo para fines de seguimiento y cumplimiento los métodos de la Emvironmental Protection Agency (EPA) de los Estados Unidos de Norteamérica son los únicos métodos aceptables disponibles.
Además de la EPA también existen otras agencias como el Code of Federal Regulations (CFR) y el Emission Measurement Technical Imformation Center (EMTIC) todas tienen que ver con las regulaciones y el control de la emisiones y todas son de los Estados Unidos de Norteamérica y son las utilizados para el monitoreo y seguimiento de las emisiones.
La tabla del anexo 1 nos muestran los métodos aprobados por la EPA y la tabla del anexo 2 muestra los métodos aprobados por la CFR, de momento diremos que los métodos utilizados para las mediciones en motores Diesel y Miller son: el Método 5: Determinación de Emisiones de Material Particulado de Fuentes Estacionarias, Método 6: Determinación de Emisiones de dióxido de azufre para Fuentes Estacionarias, Método 7C: Determinación de Emisiones de óxido
de
nitrógeno
de
Fuentes
Colorimétrico/Permanganato Alcalino).
22
Estacionarias
(Método
1.2.2 Niveles de emisiones del Banco Mundial
Los productos principales de la combustión son, dióxido de carbono y agua, sin embargo sabemos que tenemos nitrógeno, monóxido de carbono, oxígeno e hidrógeno sin reaccionar, también se tiene algunas combinaciones de los elementos antes mencionados, como por ejemplo los óxidos de nitrógeno conocidos como NOx, que encierra tanto al óxido como al dióxido de nitrógeno. El monóxido de carbono es un veneno reconocido que junto a los hidrocarburos no quemados y los óxidos de nitrógeno dan origen al “smog”. Los niveles de hollín son causados por la imperfección de la mezcla de combustible, esto produce la formación de material carbonoso conocido como hollín, esto se puede corregir al mejorar la mezcla y también mejorar la combustión, el hollín da como resultado uno más de los componentes de contaminación, el humo.
También dentro de la gama de contaminantes esta el azufre, que al momento de la combustión, es liberado en su totalidad, éste forma los compuesto de óxido de azufre que la mezclarse con el agua forman el ácido sulfúrico, este es el responsable de la lluvia ácida que es necesario evitarla, además de la lluvia ácida este compuesto provoca serios daños a las partes de los motores provocando depósitos juntamente con el hollín que al final termina en daños a las maquinas.
Todos estos componentes de los gases de escape es necesario evitarlos, aunque sabemos que esto es imposible lo que se trata es de regularizar estas emisiones para tener menos impacto al medio ambiente, es por eso que el Banco Mundial ha establecido límites a todas la emisiones que se realicen dentro de cualquier proceso.
23
1.2.3. Método utilizado en los motores de ciclo Diesel y Miller
Los métodos utilizados para la determinación de las emisiones, tanto en los motores Diesel y Miller son los mismos según vemos en el anexo 1 y 2 los métodos son: “Método 5: Determinación de Emisiones de Material Particulado de Fuentes Estacionarias” “Método 6: Determinación de Emisiones de dióxido de azufre para Fuentes Estacionarias” “Método 7C: Determinación de Emisiones de óxido de nitrógeno de Fuentes Estacionarias (Método Colorimétrico/Permanganato Alcalino)” métodos desarrollados por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (EPA).
Método 5: Determinación de Emisiones de Material Particulado de Fuentes Estacionarias, consiste en recolectar la materia en partículas en un paño de lana de vidrio manteniendo la temperatura en un rango de 120 ± 14°C (248 ± 25°F). La masa de material particulado, que incluy e cualquier material que se haya condensado a la temperatura de filtración o arriba de la misma, se determina gravimétricamente después de la remoción de humedad.
El procedimiento en laboratorio es el siguiente: el material recolectado en el contenedor 1, en éste está el filtro de fibra de vidrio, se debe de poner en un recipiente previamente tarado, deje secar a temperatura ambiente por 24 horas en secador que contiene sulfato de calcio anhidro, pese hasta tener un peso constante e informe el resultado con exactitud de 0.1mg. En el Contenedor 2, Verifique el nivel de líquido en el contenedor y confirme que no hay fugas, si existieran fugas es necesario anular la muestra o utilizar un método aprobado para
corregir
los
resultados
finales,
mida
el
contenido
del
líquido
volumétricamente a una precisión de ±1 ml o gravimétricamente con precisión de ±0.5 g, evapore en un recipiente de 250ml, previamente tarado, a temperatura y presión del ambiente, seque por 24 horas hasta alcanzar un peso 24
constante.
En el contenedor 3, pese el gel de sílice agotado hasta una
precisión de 0.5g. contenedor del “blanco de acetona” mida la acetona en este contenedor ya sea volumétrica o gravimétricamente, pase la acetona a un recipiente de 250 ml, previamente tarado, evapore hasta que seque a temperatura y presión ambiental por 24 horas y pese el contenido, anote el resultado con una precisión de 0.1 mg.
Método 6: Determinación de las emisiones SO2 de fuentes estacionarias, consiste en extraer una muestra de gas del punto de muestreo de la chimenea, la niebla de ácido sulfúrico (incluyendo trióxido de azufre) y el dióxido de azufre (SO2) se separa, la fracción de SO2 se mide por el Método de Titulación de Bario-Torina.
El procedimiento de laboratorio es el siguiente: Verifique que no se haya perdido parte de la muestra, si la pérdida es de cantidad apreciable anule la muestra o utilice un método aprobado de corrección para resultados finales, transfiera el contenido del contenedor a un matraz de 100 ml y diluya con agua a exactamente 100 ml, con una pipeta tome 20 ml de la muestra y llévela a un matraz de 250 ml agregue 80 ml de isopropanol al 100% y dos a cuatro gotas de indicador de torina y titule a un punto final rosa utilizando solución estándar de bario 0.0100 N.
Repita el proceso y saque el promedio de los dos
volúmenes de titulación, las titulaciones deben coincidir con una diferencia de 1% o de 0.2 ml, lo que sea mayor.
Método 7C: Determinación de Emisiones de Óxido de Nitrógeno de Fuentes Estacionarias (Método Colorimétrico/Permanganato Alcalino), una muestra de gas se recolecta en una solución de permanganato de potasio, las emisiones de NOx, (NO y NO2) son oxidadas a NO2- y NO3-, entonces los NO3- se reducen a NO2- con cadmio, y los NO2- se analizan colorimétricamente. 25
En el laboratorio con una pipeta coloque 10 ml de muestra en un tubo de cultivo, con una pipeta coloque 10 ml de solución de sulfanilamida y 1.4 ml de solución de NEDA, cubra el tubo de cultivo con una película protectora y mezcle la solución, prepare un blanco de la misma forma utilizando la muestra del tratamiento de la solución no expuesta de KMnO4/NaOH, también prepare un estándar para comprobar la pendiente de la curva de calibración, después de 10 minutos mida la absorbancia a 540 nm contra agua y lea los µg NO2-/ml en la curva de calibración, si el resultado es mayor que el de la curva de calibración vuelva a hacer la prueba solo que con menos de 10 ml de muestra y repita el mismo proceso.
26
2.
COMPARACIÓN DEL CICLO DIESEL Y EL CICLO MILLER
2.1. Descripción del ciclo Diesel Standard 2.1.1. Descripción mecánica del ciclo
El motor de combustión interna es una máquina diseñada para poder aprovechar la energía liberada por la combustión de un combustible dentro de una cámara cerrada conocida como cilindro.
El motor está constituido por un bloque que contiene o sostiene cada uno de los elementos necesarios para que el motor pueda funcionar adecuadamente, un eje cigüeñal, bielas, pistones, eje de levas, inyectores, culata, etc., todo con el fin de que funcione a la perfección, en este caso veremos un motor Wärtsila 18V46, 18 cilindros en V de 46cm de diámetro, de 514 RPM y 1728L de cilindrada.
Sabiendo que básicamente los motores de combustión de encendido a compresión (Ciclo Diesel) tiene la misma estructura básica de cualquier motor de combustión, es decir tienen los mismos elementos y funcionan de la misma forma, veremos cómo funcionan sus ciclos termodinámicos y todos los elementos externos que necesitan para funcionar adecuadamente.
27
2.1.1.1 Necesidades del ciclo
Cada ciclo en particular necesita condiciones mínimas de funcionamiento para que pueda desarrollar el trabajo para el que está diseñado, veremos esto en un diagrama polar del ciclo.
En la figura 5 vemos un diagrama polar de un ciclo Diesel podemos ver en él los distintos ángulos en los que actúan las válvulas de admisión y escape, el tiempo en el que es necesario hacer que el aire para la combustión entre a la cámara de combustión, el tiempo de inyección, el tiempo de escape, etc., todo se muestra en el diagrama polar, además con este diagrama podemos establecer algunas diferencias entre los distintos ciclos existentes.
Podemos ver que en este diagrama cada uno de los tiempos del ciclo, iniciando con el tiempo de admisión a los 50° antes del PMS y termina a los 26° después del PMI, esto es 256°, en tiempo esto es 0. 083 segundos, puesto que el motor es de 514 RPM, el tiempo de compresión es el que inicia al terminar la admisión, 26° después del PMI y 12° antes del PMS, esto es 142°, en tiempo son 0.046 segundos, la inyección se realiza faltando 12° al PMS, en el momento de la inyección se realiza la combustión y con ello inicia el tiempo de la potencia, esto es a los 12° antes del PMS y termina 53° antes del PMI, esto es 139°, en tiempo son 0.045 segundos, después es vien e el último tiempo, el de escape, que inicia a los 53° antes del PMI y termin a a los 44° después del PMS, esto es 277°, en tiempo son 0.089 segundos.
Con esto vemos que en estos motores los tiempos son muy pequeños por esto es importante crear las condiciones para que funcione, todo debe estar correctamente para que ésta máquina funcione correctamente, iniciemos con la admisión. 28
La admisión en los motores Diesel es solamente aire a determinada temperatura y esto es por la necesidad de oxígeno para la combustión, recordemos que el tiempo que dura la admisión es de tan solo 0.083 segundos, la cantidad de aire es muy importante para que el proceso de combustión se lleve a cabo, por esto en los motores de alto rendimiento están provistos de un equipo que se llama turbocargador, que veremos más adelante, el aire, como sabemos, tiene el 21% de oxígeno y éste es el que se necesita para la combustión, entonces debemos tener una relación de aire combustible apropiada para que ocurra la combustión, por lo regular se calcula que se tenga el 20% de aire en exceso para que la combustión se lleve a cabo de forma satisfactoria. Figura 5. Diagrama polar de un ciclo Diesel.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.
29
El trabajo del oxígeno es oxidar al combustible por esta razón es muy importante que esté en la correcta relación con la cantidad de combustible, para saber esto se ha desarrollado una forma de calcular la cantidad de oxígeno necesario, por ejemplo, para calcular la cantidad de oxígeno de un combustible como C8H18 la fórmula siguiente es la que se llamaría una mezcla perfecta:
C8H18 + (12.5)O2 + 12.5(3.71N2)
Combustible
8CO2 + 9H2O + 12.5(3.71N2)
Aire
Productos
Sabiendo que el aire está compuesto por el 21% de oxígeno, 78% de nitrógeno y un 1% de otros gases como argón, hidrógeno, etc., esto nos dice que por cada partícula o molécula de O2 hay 3.71 de N2, en general la ecuación debe de tener un equilibrio químico, es decir la misma cantidad de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno debe de haber en cada lado de la ecuación, si vemos en el lado izquierdo tenemos 8 Carbonos, 18 Hidrógenos y 25 Oxígenos; en el lado derecho tenemos la misma cantidad de cada uno de los elementos, entonces tenemos: C8H18 + (12.5)O2 + 12.5(3.71N2)
Combustible
Aire
1
+ 46.375
+ 12.5
114 + 400
8CO2 + 9H2O + 12.5(3.71N2)
Productos 8
+ 1299.12
+ 9
+ 46.375 en moles
352 + 162 + 1299.12 en peso
Dividiendo todo por 114 1
+ 3.51
+ 11.40
3.09 + 1.42 + 11.40
en peso
Al ver la ecuación de ésta forma tenemos que la suma de 3.51 y 11.40 es la cantidad de aire que se necesita para el combustible, así tenemos que para 30
cada kilogramo de combustible se necesitan 14.91 kilogramos de aire haciendo así la relación aire-combustible 1:14.91.
Si componemos la ecuación para tener el 20% de aire en exceso, tenemos la ecuación de la siguiente manera: C8H18 + 1.2(12.5)O2 + 1.2(46.375N2)
Combustible
8CO2 + 9H2O + 1.2(46.375N2) + 2.5O2
Aire
114 + 480 + 1558.94
Productos 352 + 162 + 1558.94 + 38.4 en peso
Dividiendo por 114 tenemos: 1
+ 4.21 + 13.67
3.09 + 1.42 + 13.67
+ 0.34 en peso
Ahora vemos que la cantidad de aire para un kilogramo de combustible es de 17.88 kilogramos, entonces tenemos que la relación aire-combustible es 1:17.88 con el 20% de aire en exceso.
Además de esto también es necesario que el combustible tenga ciertas características algunas de ellas ya se describieron en el inciso “1.1.2, Combustibles utilizados en los motores de combustión interna”, pero aquí veremos las características que el fabricante, Wärtsila, exige para que los motores funcionen adecuadamente, iniciamos con la densidad esta es la relación de la masa con el volumen, además ésta varía inversamente proporcional con la temperatura, es decir a más temperatura la densidad baja y a menos temperatura aumenta la densidad, los motores de alto caballaje deben tener el combustible a niveles de densidad adecuados esto es a 0.98 kg/dm³ a 15°C o 0.91 kg/dm³ a 135°C, para éste motor en part icular, otro parámetro es la Viscosidad, la viscosidad es la resistencia al flujo, también es inversamente proporcional a la temperatura, la viscosidad adecuada para este tipo de motor es de 730 cSt/50°C o 55 cSt/100°C, la viscosidad es una muestra de la calidad 31
de combustible y define la complejidad del sistema de manejo y calentamiento del combustible, también debe de tener un poder calorífico adecuado para que el motor pueda desarrollar la potencia para la cual fue diseñado, las características del combustible son especificas para cada motor en particular, si esto no es así el motor no desarrollará la potencia de diseño.
La potencia puede ser afectada por muchos factores, entre ellos la calidad del combustible, la cantidad de combustible, la cantidad de aire para la combustión, la temperatura del aire, sin embargo también hay formas de aumentar la potencia de salida de un motor, una de estas formas es el aumento en la Relación de Compresión que a continuación veremos.
2.1.1.2 Relación de compresión
La relación de compresión en un motor es de mucha importancia, con esta podemos aumentar la potencia de salida de un motor, la relación de compresión es la cantidad de veces que el volumen del cilindro estando el pistón en el punto muerto inferior se reduce hasta llegar al punto muerto superior, de esta cuenta es que encontramos motores con diferentes relaciones de compresión, por ejemplo una relación de compresión 8:1 quiere decir que el volumen del cilindro cuando el pistón esta en el punto muerto superior se ha reducido 8 veces. La mayoría de los motores gasolina funcionan con relaciones de compresión de 8:1 a 10.5:1, no así los motores a Diesel, estos funcionan con relaciones de compresión mayores en el rango de 14:1 a 17.5:1, esto los vuelve mucho más eficientes térmicamente que los motores de gasolina, la razón es que a mayor relación de compresión también implica mayor expansión de los gases dentro del cilindro y esto se traduce en mayor aprovechamiento de la energía del combustible transformada en trabajo, al aumentar el trabajo se aumenta la potencia de un motor. 32
Otra de las razones por la cual es beneficiosa la alta relación de compresión es la alta temperatura del aire cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior proporcionando la atmósfera correcta para que el combustible se queme sin la necesidad de utilizar una bujía, como en los motores a gasolina, la temperatura del aire en este punto es mucho mayor que la temperatura de autoencendido del combustible y esto provoca que el mismo se queme por completo dentro del cilindro.
En los motores Wärtsila 18V46 Diesel, la relación de compresión es de 14:1, que es el motor de Ciclo Diesel que estamos considerando para el estudio, en la figura 6 vemos gráficamente la relación de compresión de este motor. Figura 6. Relación de compresión de 14:1 en un motor con ciclo Diesel.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.
La relación de compresión en los motores aumenta o disminuye la eficiencia térmica del motor, también hace lo mismo con la potencia es decir que a mayor relación de compresión mayor será la potencia del motor por esta razón es muy importante conocer la relación de compresión en un motor.
33
En términos generales, un motor con alta relación de compresión es un motor más robusto, es decir que tiene que tener la capacidad de soportar este aumento de presión en el cilindro sin que sufra daños, por esto vemos que el motor de ciclo Diesel son más grandes que los de gasolina, también el aumento de relación de compresión aumenta el par torsor de salida del motor.
2.1.1.3
Turbocargadores
Estos equipos son de suma importancia en los motores, ellos proveen el aire necesario para que la combustión ocurra adecuadamente, los turbocargadores son equipos de alta revoluciones y alta presión.
Este componente es un factor clave para aumentar la salida de potencia de un motor, al atrapar una cantidad de aire, aumentando la presión, aumentamos la densidad del aire, con esto introducimos más oxígeno en los cilindros y como resultado tenemos el aumento de la eficiencia volumétrica del motor, al hacerlo aumenta la capacidad de quemar el combustible en su totalidad y con esto aumentamos la eficiencia térmica, con ello tenemos más potencia, más torsión, etc., esto hace más atractivo a los motores turbocargados que los de aspiración natural.
El concepto de aspiración natural es el resultado del movimiento del pistón hacia el puno muerto inferior, esto crea la succión de aire hacia la cámara de combustión, estando las válvulas de admisión abiertas, dentro del motor, este método es el más utilizada en los motores de combustión, sin embargo la introducción del turbocargador a estos ha hecho los motores sean más eficientes.
34
Existen varias formas de hacer que el aire entre con más densidad a los cilindros del motor, uno es un conjunto de engranajes, parecido a una turbina Roots, como vemos en la figura 7, pero esto demanda potencia del motor para poder impulsar la turbina Roots, decimos que este tipo de turbocargadores demanda más energía del motor porque su impulso lo obtiene directamente del movimiento del cigüeñal del motor, al hacerlo de esta manera el turbocargador se opone al motor y este necesita potencia para poder moverla, por esta razón este tipo de turbocargador no es muy popular sin embargo es utilizado todavía. Figura 7. Turbocargador tipo Roots impulsado por engranajes.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.
Otra forma es con una turbina impulsada por los gases de escape del mismo motor, esto la hace más funcional, esto se debe a que no se necesita potencia directa del motor sino que se utiliza la energía de los gases de escape lo cual hace que más energía sea utilizada, la figura 8 nos muestra un arreglo de turbocargadores impulsados por los gases de escape.
Este tipo de turbocargadores tienen la ventaja de producir flujo de aire positivo a velocidades menores o cargas ligeras, el tiempo de respuesta de este 35
tipo de turbocargadores es más tardado en relación al de engranajes, esto es debido la poca cantidad de gases que hay al principio pero conforme estos van aumentando la respuesta de la turbina es mejor. Figura 8. Turbocargadores impulsados por gases de escape del motor.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.
El turbocargador utilizado por el motor Wärtsila 18V46 ciclo Diesel estándar es del tipo de turbina impulsado por los gases de escape producidos por el mismo motor, del tipo VTR 564P de la fabricante ABB, en la figura 9 tenemos la vista en sección de un turbocargador de este tipo.
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Figura 9. Turbocargador VTR del fabricante ABB.
Fuente: Manual de ABB.
En la figura 9 se numera las partes del turbocargador VTR: 1. Entrada de los gases de escape. 2. El anillo boquilla, que direcciona los gases de escape hacia la turbina. 3. Rotor de la turbina con sus alabes. 4. Salida a de los gases de escape después de pasar por la turbina. 5. Filtro silenciador, succión del aire fresco del ambiente al interior del compresor. 6. Compresor. 7. Difusor. 8. Salida del aire comprimido del compresor.
El turbocargador VTR 564P32 tiene las siguientes características, características, tiene un peso de 6500 Kilogramos, opera a una velocidad nominal de 14280 RPM, velocidad máxima de 14460 RPM a una temperatura nominal de 620°C y una temperatura máxima de 650°C la razón de presión del compresor ((c) es de un máximo de 4.5 y un volumen máximo de aire de aproximadamente de 18 m³/s a c = 3.75, lo hace un turbocargador de mucha capacidad.
37
El turbocargador presenta algunas otras características como por ejemplo el tamaño es muy robusto y el estar en funcionamiento ponemos esta masa en movimiento, es decir, girando a 14280 RPM, también su sistema de lubricación es independiente del sistema de lubricación del motor, esto lo protege de la contaminación que pudiera tener el lubricante, pero representa que es necesario estar cambiando el lubricante periódicamente, también posee una bomba para poder lubricar los cojinetes que se encuentra acoplada al eje del turbocargador aunque presenta poco consumo de energía es un factor más a considerar.
2.1.2 Descripción termodinámica del ciclo
2.1.2.1 Gráficas presión-volumen (P-v) y temperatura-entropía (T-s)
Estas gráficas son muy importantes para el estudio de los motores de combustión, normalmente se utilizan dos gráficas, las más comunes son la de presión-volumen (P-v) y la de temperatura-entropía (T-s), estas nos ayudan a determinar cómo se comportan los motores térmicamente y poder calcular sus eficiencias de forma teórica y poder calcular la forma en que realmente se comportará el motor, en la figura 10 vemos las dos gráficas.
Con estas gráficas vamos a despejar las fórmulas para poder calcular la eficiencia y otros datos que también son importantes saber, además de estas gráficas podemos ver los distintos procesos que se llevan a cabo dentro del ciclo, la carrera de 1 a 2 es una compresión isoentrópica, la carrera de 2 a 3 es calentamiento a presión constante, la carrera 3 a 4 es expansión isoentrópica y la carrera de 4 a 1 es enfriamiento a volumen constante.
38
Figura 10. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía.
Fuente: La producción de energía mediante vapor, aire o gas.
También se observa en las áreas bajo la carrera de 2 a 3, en la gráfica temperatura entropía, vemos todo el calor suministrado en el proceso con el cual se produce el trabajo del sistema, con esta área se calcula en realidad cuanto calor se suministra al proceso, además también vemos que el área que está debajo de la carrera 4 a 1 es el calor que se rechaza del proceso, con estos dos datos también se puede calcular la eficiencia del ciclo y en consecuencia podemos ver cuanta energía se aprovecha del combustible.
2.1.2.2 Eficiencia térmica del ciclo
La eficiencia térmica se calcula de la siguiente manera:
39
r v /v
Donde K = 1.4, que es la constante del aire v =
r v /v
compresión, c =
3
2
1
2
que es la relación de
que es la razón de fin de inyección, estos términos se
sacan de las graficas de presión-volumen del ciclo Diesel que vemos en la figura 10, los números de los volúmenes y las temperaturas en la formula son representados en las graficas de acuerdo con la posición en la grafica.
También como dijimos en la sección anterior las áreas bajo la curva de temperatura-entropía son equivalentes a la energía suministrada y expulsada, podemos hace uso de esta forma de cálculo para poder calcular a eficiencia del ciclo, las formulas para esto son: ηt = (2Q3 – 4Q1)/2Q3 o (W/J)/2Q3 donde 2Q3 es la energía suministrada y 4Q1
es la energía rechazada.
Tenemos entonces las fórmulas siguientes:
2Q3
= Energía suministrada = macp(T3 – T2)
Donde ma es la masa y cp es calor específico a presión constante 4Q1
= Energía Suministrada = macv(T4 – T1)
Donde ma es la masa y cv es calor específico a volumen constante W/J = Trabajo útil por ciclo = 2Q3 – 4Q1 Donde W es el trabajo útil y J es la constante de Joule
Sustituyendo la formula no da como resultado
ηt = 1 –
40
T4 – T1 k(T3 – T2)
Tenemos, entonces, otra forma de calcular la eficiencia térmica de un motor de ciclo Diesel.
2.1.3 Emisiones
2.1.3.1 Métodos utilizados para la determinación de emisiones
La aplicación de las metodologías de la EPA en la medición de emisiones de chimeneas tanto de partículas como de gases de combustión requiere de equipos y procedimientos específicos que se citan a continuación.
La descripción del equipo utilizado se describe a continuación, en la tabla I. Tabla I. Descripción del equipo utilizado para material particulado.
Metering Console With External Pump Método 5, Método 6 y Método 7 Modelo
MC-572
Fabricante
Apex Instruments
Parámetro
Material Particulado Total (TSP), Dióxido de Azufre (SO2) y Dióxido de Nitrógeno (NO2)
Métodos
Método 5: Determinación de Emisiones de Material
Particulado
de
Fuentes
Estacionarias”,
“Método
6:
Determinación de Emisiones de Dióxido de Azufre para Fuentes Estacionarias”, “Método 7C: Determinación de Emisiones
de
Estacionarias
Óxido (Método
de
Nitrógeno
de
Fuentes
Colorimétrico/Permanganato
Alcalino)”, Todos los métodos fueron desarrollados por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (EPA) Fuente: Informe de monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.
41
Las mediciones de emisión de material particulado total se establecen midiendo las emisiones producidas por los motores generadores de la Planta, se siguió con la metodología y el equipo descrito por el Método 5 (Determinación de Emisión de Material Particulado de Fuentes Estacionarias) de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norteamérica (EPA), en el Código Federal de Regulaciones (CFR) No. 40, Capítulo I, Apéndice A el cual es el recomendado por Banco Mundial en el Pollution Prevention and Abatement Handbook July 1998 – Part II Monitoring, Table 3. Pg. 189. El Método 5, contiene los Métodos 1, 2, 3 y 4, los cuales se aplicaron antes de llevar a cabo el mismo.
La determinación de puertos y puntos de muestreo (Método 1, EPA) se realiza, con el fin de recolectar de una manera representativa una muestra, para una medición de concentración de material particulado, se seleccionaron varios puntos de muestreo, ya que las concentraciones de partículas en un ducto o chimenea no son uniformes, para esto, los puntos de muestreo se colocaron de una manera transversa a lo largo del diámetro interno de la chimenea, y fuera del alcance de turbulencias producidas por contracciones, expansiones y cambios de dirección de cualquier tipo dentro del flujo de los gases de la chimenea. Con este fin se siguió la metodología descrita por el Método 1 de la EPA, en el cual indica que para chimeneas con diámetros mayores de 60 cm (24 pulgadas), el número mínimo de puntos transversos requeridos es doce, seis para dos direcciones de 90º. Las mediciones realizadas en las chimeneas de la planta fueron tomadas en doce puntos transversos ubicados cada 3 pulgadas del borde de la pared de la chimenea, para cubrir como mínimo un 97% del diámetro.
En la figura 11 vemos la gráfica de cómo determinar la cantidad de puerto de muestreo para los ductos de escape de los motores estacionarios. 42
Figura 11. Número mínimo de puntos transversos para velocidad y partículas.
Fuente: Informe de monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.
Determinar la velocidad del gas y el flujo volumétrico es a través del Método 2, se usó para medir el promedio de velocidad y flujo volumétrico del gas en la chimenea. Se utilizaron 12 puntos transversos e intervalos de 2 minutos para cada punto y así determinar la velocidad en cada una de las chimeneas. Para medir la velocidad se utilizó un tubo Pitot tipo S, conectado a un manómetro diferencial de presión, la forma del tubo Pitot utilizado está diseñada para no afectar el flujo de gas en la chimenea y así obtener una mejor lectura de presión.
En la figura 12 tenemos un tubo Pitot con el cual se determinó la velocidad del gas y el flujo volumétrico.
43
Figura 12. Diagrama de equipo de medición de velocidad (tubo Pitot tipo S).
Fuente: Informe de monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.
La determinación de gases de combustión y peso molecular es usada para medir las concentraciones de dióxido de carbono (CO2), oxígeno (O2), y monóxido de carbono (CO), así como el exceso de aire en la combustión, para posteriormente calcular el peso molecular en base seca y el peso molecular en base húmeda.
Características del equipo de medición, se dan las características en la tabla II, y metodología utilizada se muestran a continuación.
Períodos de medición: La muestra se hizo pasar por medio de una bomba de succión por un período de 2 minutos.
Recolección de la muestra: Las mediciones se realizaron haciendo pasar un flujo constante de gas (proveniente de la chimenea) por el equipo de medición, 44
por medio de una bomba de succión dentro de una sonda de partículas/humos, para después analizar la muestra por medio de sensores electrónicos de O2 y CO y de Temperatura, en un analizador instrumental. Tabla II. Descripción del equipo para determinar gases de combustión y peso molecular de los mismos
Parámetro
Tamb, Tstack, O2, CO, CO2
Equipo de
Tempest 100, Telegan Gas Monitoring, Incorporated
medición
Research Enginers
Método de análisis Instrumental a través de montaje superficial Precisión o
Sensor de O2: Rango 0-25%, Resolución 0.1%, Precisión
Repetibilidad
0.2±%, Sensor de CO: Rango 0-10,000 ppm, Resolución 1 ppm, Precisión <100 ppm: ± 5 ppm>100 ppm: ± 5% Presión o Tiro: Rango 150 mBar, Resolución, 0.01 mBar, Precisión ± 0.5 %
Rango de
40ºC a 800ºC
Temperatura Fuente: Informe de monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.
Otro parámetro que es importante verificar es el contenido de humedad en gas, para establecer el contenido de humedad de la muestra de gas de cada chimenea se aplica el Método 4 de la EPA. Se hizo pasar un flujo de gas proveniente de la chimenea, durante períodos de 2 minutos, para 12 puntos transversos a lo largo del diámetro de la chimenea (Método 1 EPA). El flujo pasó a través de 4 condensadores (impigners), figura 13, dos de los cuales contenían agua desmineralizada, un tercer condensador vacío, y el último que contiene silica gel, sumergidos en un baño de hielo a temperatura controlada (no mayor de 60ºC). El flujo de gas pasa a través de estos condensadores, y el contenido de humedad se recoge en cada uno ellos, después mediante un
45
análisis de peso y volumen, figura 14, y flujo de gas calculado se encuentra la fracción y porcentaje en volumen de humedad dentro de la muestra de gas. Figura 13. Condensadores.
Fuente: Informe de monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona. Figura 14. Pesaje de condensadores.
Fuente: Informe de monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.
46
Para encontrar la concentración de material particulado total se procede a extraer la muestra de gas, se utiliza el método 5 (EPA), en 12 puntos transversos dentro de la chimenea por períodos de 2 minutos, por cada punto.
El material particulado recogido es calentado a través de la sonda, para mantener las condiciones constantes de presión y temperatura de la muestra, posteriormente el material particulado es capturado en un filtro de fibra de vidrio, mediante una caja de calentamiento, la temperatura del filtro se mantiene bajo control a 180ºC promedio, esto se hice con el objetivo de establecer una temperatura de referencia para el reporte de material particulado.
En la Figura 15 se muestra un diagrama simplificado del tren de muestreo y equipos utilizado en el Método 5. Figura 15. Diagrama de flujo y equipos para Método 5.
Fuente: Informe de monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.
47
Posterior a la medición, los componentes de la sonda son removidos y se limpiados mediante un lavado con acetona, esto se hice para capturar todo el material restante impregnado en el interior de la sonda guardando luego estos residuos en recipientes debidamente identificados. Las muestras con acetona de cada una de las chimeneas son analizadas en el laboratorio y al evaporarse el solvente se pesan los residuos de material particulado provenientes de la sonda. Las características del equipo utilizado para el cálculo de material particulado se encuentran en la tabla III. Tabla III. Descripción de equipo para cálculo de material particulado.
Consola de Control Control de
SY5-CIS, MC 572, Lectura de índice numérico, capacidad de bombeo de 68 Lpm Controladores de estado sólido análogos. Rango: 105ºC a
Temperatura
1372ºC
Termo coplas
Tipo K estandarizadas
Sonda de muestreo y precalentamiento
Caja de
PA-6S Acero inoxidable Temperatura 650ºC, potencia 500 Watts. GA-107-12 de 500 Watts
Calentamiento Boquillas
Set de boquillas SS de 2 a 14 mm
Tubo Pitot
Tipo S con Factor de calibración 0.84, con manómetro diferencial en mm H2O
Medidor de Gas
DGM Kimmon SK-25. Factor de calibración 0.981, capacidad 9999.999 m³
Medidor de Orificio Factor de calibración 34.4952 mm H2O (∆H@) Fuente: Informe de monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.
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2.1.3.2 Resultados del análisis de emisiones
Los resultados del análisis de las emisiones son: Código
Fecha de muestreo
Velocidad de los gases
Temperatura de los gases
dd/mm/aa
m/s
°C
07/02/2008
43.22
325
N/A
N/A
CH3A
1997 World Bank Environmental Guidelines
Código
CH3A
Fecha de muestreo
Temperatura de los gases
CNOx @ 15%O2
CSO2 @ 15%O2
dd/mm/aa
°C
mg/Nm³
mg/Nm³
07/02/2008
325
1846
285
N/A
< 2300
2000
1997 World Bank Environmental Guidelines
Esto quiere decir que nuestro Motor #3 Wärtsila 18V46, ciclo Diesel, estando a plena carga, esto es a 14.5 Mw, presenta que está dentro del rango de emisiones NOx pero cerca de estar fuera del límite a tan solo 154 mg/Nm³, en las emisiones SO2 este tipo de motor presenta grandes ventajas puesto que está muy lejos de llegar al límite puesto por el Banco Mundial.
2.2
Descripción del ciclo Miller 2.2.1 Descripción mecánica del ciclo
El ciclo Miller es aplicado a un motor de combustión interna diseñado para poder aprovechar más la energía producida por la combustión de un combustible dentro de una cámara cerrada conocida como cilindro.
Al igual que el ciclo Diesel el ciclo Miller, es un motor que está constituido por un bloque que contiene o sostiene cada uno de los elementos necesarios 49
para que el motor pueda funcionar adecuadamente, un eje cigüeñal, bielas, pistones, eje de levas, inyectores, culata, etc., todo con el fin de que funcione a la perfección, en este caso veremos un motor Wärtsila 18V46, 18 cilindros en V de 46cm de diámetro en el cilindro, de 514 RPM y 1728L de cilindrada.
Sabiendo que los motores de combustión de encendido a compresión (Ciclo Diesel y sus modificaciones) tiene la misma estructura básica, es decir tienen los mismos elementos y funcionan de la misma forma, veremos cómo funciona su ciclo termodinámico y todos los elementos externos que necesitan para funcionar adecuadamente.
2.2.1.1 Necesidades del ciclo
Cada ciclo en particular necesita condiciones para su funcionamiento para que pueda desarrollar el trabajo para el que está diseñado, veremos esto en un diagrama polar del ciclo.
En la figura 16 vemos un diagrama polar de un ciclo Miller podemos ver en él los distintos ángulos en los que actúan las válvulas de admisión y escape, el tiempo polar en el que es necesario hacer que el aire para la combustión entre a la cámara de combustión, el tiempo de inyección, el tiempo de escape, etc., todo se muestra en el diagrama polar, además con este diagrama podemos establecer algunas características del ciclo.
Podemos ver que en este diagrama cada uno de los tiempos del ciclo, iniciando con el tiempo de admisión a los 44° antes del PMS y termina a los 10° antes del PMI, esto es 214°, en tiempo esto es 0.06 9 segundos, puesto que el motor es de 514 RPM, el tiempo de compresión es el que inicia al terminar la admisión, 10° antes del PMI y 12° antes del PMS, es to es 178°, en tiempo son 50
0.058 segundos, la inyección se realiza faltando 12° al PMS, en el momento de la inyección se realiza la combustión y con ello inicia el tiempo de la potencia, esto es a los 12° antes del PMS y termina 53° antes del PMI, esto es 139°, en tiempo son 0.045 segundos, después es viene el último tiempo, el de escape, que inicia a los 53° antes del PMI y termina a los 40° después del PMS, esto es 273°, en tiempo son 0.088 segundos. Figura 16. Diagrama polar de un ciclo Miller.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.
Con esto vemos que en este motor en particular los tiempos son muy pequeños por esto es importante crear las condiciones para que funcione, todo debe estar a tiempo para que esta máquina funcione correctamente, iniciemos con la admisión.
51
La admisión en los motores Miller no es solamente aire ha determinada temperatura y esto es por la necesidad de oxígeno para la combustión, recordemos que le tiempo que dura la admisión es de tan solo 0.069 segundos, la cantidad de aire es muy importante para que el proceso de combustión se lleve a cabo, el aire, como sabemos, tiene el 21% de oxígeno y éste es el que se necesita para la combustión, entonces debemos tener una buena relación de aire combustible para que ocurra la combustión, por lo regular se calcula que se tenga el 20% de aire en exceso para que la combustión se lleve a cabo de forma satisfactoria.
El trabajo del oxígeno es oxidar al combustible por esta razón es muy importante que este en la correcta relación con la cantidad de combustible, para saber esto se ha desarrollado una forma de calcular la cantidad de oxígeno necesario, por ejemplo, para calcular la cantidad de oxigeno de un combustible C8H18 la formula siguiente es la que se llamaría una mezcla perfecta:
C8H18 + (12.5)O2 + 12.5(3.71N2)
Combustible
8CO2 + 9H2O + 12.5(3.71N2)
Aire
Productos
Sabiendo que el aire está compuesto por el 21% de oxígeno, 78% de nitrógeno y un 1% de otros gases como argón, hidrógeno, etc., esto nos dice que por cada partícula o molécula de O2 hay 3.71 de N2, en general la ecuación debe de tener un equilibrio químico, es decir la misma cantidad de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno debe de haber en cada lado de la ecuación, si vemos en el lado izquierdo tenemos 8 Carbonos, 18 Hidrógenos y 25 Oxígenos; en el lado derecho tenemos la misma cantidad de cada uno de los elementos, entonces tenemos:
52
C8H18 + (12.5)O2 + 12.5(3.71N2)
Combustible
Aire
1
+ 46.375
+ 12.5
114 + 400
8CO2 + 9H2O + 12.5(3.71N2)
Productos 8
+ 1299.12
+ 9
+ 46.375 en moles
352 + 162 + 1299.12 en peso
Dividiendo todo por 114 1
+ 3.51
+ 11.40
3.09 + 1.42 + 11.40
en peso
Al ver la ecuación de ésta forma tenemos que la suma de 3.51 y 11.40 es la cantidad de aire que se necesita para el combustible, así tenemos que para cada kilogramo de combustible se necesitan 14.91 kilogramos de aire haciendo así la relación aire-combustible 1:14.91.
Si componemos la ecuación para tener el 20% de aire en exceso, tenemos la ecuación de la siguiente manera: C8H18 +
1.2(12.5)O2 + 1.2(46.375N2)
Combustible
8CO2 + 9H2O + 1.2(46.375N2) + 2.5O2
Aire
114 + 480 + 1558.94
Productos 352 + 162 + 1558.94 + 38.4 en peso
Dividiendo por 114 tenemos: 1
+ 4.21 + 13.67
3.09 + 1.42 + 13.67
+ 0.34 en peso
Ahora vemos que la cantidad de aire para un kilogramo de combustible es de 17.88 kilogramos, entonces tenemos que la relación aire-combustible es 1:17.88 con el 20% de aire en exceso.
Además de esto también es necesario que el combustible tenga ciertas características algunas de ellas ya se describieron en el inciso 1.1.2, Combustibles utilizados en los motores de combustión interna, pero aquí las 53
repasaremos para estar claros de la condición en la que debe de estar el combustible para poder utilizarlo en este tipo de motor, iniciamos con la Densidad esta es la relación de la masa con el volumen, además ésta varía
inversamente proporcional con la temperatura, es decir a más temperatura la densidad baja y a menos temperatura aumenta la densidad, los motores de alto caballaje deben tener el combustible a niveles de densidad adecuados esto es a 0.98 kg/dm³ a 15°C o 0.91 kg/dm³ a 135°C, otro pa rámetro es la viscosidad, la viscosidad es la resistencia al flujo, también es inversamente proporcional a la temperatura, la viscosidad adecuada para este tipo de motor es de 730 cSt/50°C o 55 cSt/100°C, la viscosidad es una muest ra de la calidad de combustible y define la complejidad del sistema de manejo y calentamiento del combustible, también debe de tener un poder calorífico adecuado para que el motor pueda desarrollar la potencia para la cual fue diseñado, las características del combustible son especificas para cada motor en particular, si esto no es así el motor no desarrollará la potencia de diseño.
La potencia puede ser afectada por varias variables, el combustible, la cantidad de combustible, la calidad del combustible, la cantidad de aire la temperatura del aire, etc., pero también tenemos formas de aumentar la potencia de salida de un motor, por ejemplo, la cantidad de aire que entra en la cámara de combustión, la temperatura del aire que entra al motor, cada una de ellas tiene la capacidad de aumentar la potencia de salida, pero tenemos otra variable que aumenta considerablemente la potencia de salida y es la relación de compresión, que veremos a continuación.
54
2.2.1.2 Relación de compresión
La relación de compresión en un motor es de mucha importancia, con esta podemos aumentar la potencia de un motor, la relación de compresión es la cantidad de veces que se reduce el volumen del cilindro cuando el pistón esta en el punto muerto inferior versus cuando esta es el punto muerto superior de esta cuenta es que encontramos motores con diferentes relaciones de compresión, por ejemplo una relación de compresión 8:1 quiere decir que el volumen del cilindro cuando el pistón esta en el punto muerto superior se ha reducido 8 veces. La mayoría de los motores gasolina funcionan con relaciones de compresión de 8:1 a 10.5:1, los motores a Diesel funcionan con relaciones de compresión mayores en el rango de 14:1 a 17.5:1, esto los hace mucho más eficientes térmicamente que los motores de gasolina, la razón es que a mayor relación de compresión también implica mayor expansión de los gases dentro del cilindro y esto se traduce en un mayor aprovechamiento de la energía del combustible transformada en trabajo, al aumentar el trabajo se aumenta la potencia de un motor.
Otra de las razones por la cual es beneficiosa la alta relación de compresión es la alta temperatura del aire que se alcanza cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior proporcionando la atmósfera correcta en temperatura para que el combustible se queme sin la necesidad de utilizar una bujía, como en los motores a gasolina, la temperatura del aire en este punto es mucho mayor que la temperatura de autoencendido del combustible y esto provoca que el mismo se queme por completo dentro del cilindro.
En los motores Wärtsila 18V46 Miller, la relación de compresión es de 16:1, que es el motor de Ciclo Miller que estamos considerando para el estudio, en la figura 17 vemos gráficamente la relación de compresión de este motor. 55
Figura 17. Relación de compresión de 16:1 en un motor con ciclo Miller.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.
Como dijimos, la relación de compresión en los motores afecta la eficiencia térmica del mismo, también se ve afectada la potencia es decir que a mayor relación de compresión mayor será la potencia del motor esto lo hace un dato muy importante de saber de un motor.
Otro de las variables que aumentan la potencia de un motor y mejoran el rendimiento del mismo es los turbocargadores, esto lo veremos a continuación.
2.2.1.3 Turbocargadores
Estos equipos son de suma importancia en los motores, ellos proveen el aire necesario para que la combustión se dé adecuadamente, los turbocargadores son equipos de alta revoluciones y alta presión.
Este componente es un factor clave para aumentar la salida de potencia de un motor, al atrapar una cantidad mayor de masa de aire de mayor densidad en los cilindros, con esto aumentamos la eficiencia volumétrica del motor, al 56
hacerlo aumenta la capacidad de quemar el combustible en su totalidad y con esto aumentamos la eficiencia térmica, con ello tenemos un aumento de eficiencia térmica, más potencia, más torsión, etc., esto hace más atractivo a los motores turbocargados que los de aspiración natural.
Existen varias formas de hacer que el aire entre con más densidad a los cilindros del motor, que se utiliza más a menudo es cuando utilizamos los gases de escape para impulsar una turbina que a su vez impulsa un compresor, los gases de escape es energía que ya no se utiliza, con estas turbinas es aprovechada para llevar aire a la cámara de combustión dentro del cilindro en la figura 18 nos muestra un arreglo de turbocargadores impulsados por los gases de escape.
Las turbinas tienen la ventaja de producir flujo de aire positivo a velocidades menores o cargas ligeras, el tiempo de respuesta de una turbina es n poco más tardado por el hecho de que debe de haber una cantidad de gas suficiente para moverla, pero conforme estos aumentan la turbina responde mejor a las exigencias.
El turbocargador utilizado por el motor Wärtsila 18V46 Ciclo Miller es un TPL 77 A30 de la fabricante ABB, en la figura 19 tenemos la vista en sección de un turbocargador de este tipo.
57
Figura 18. Arreglo turbocargadores impulsados por gases de escape del motor.
Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel. Figura 19. Turbocargador TPL A del fabricante ABB.
Fuente: Manual de ABB
El turbocargador TPL 77 A30 tiene las siguientes características, tiene un peso de 3717 kilogramos,, opera a una velocidad nominal de 16800 RPM, velocidad máxima de 17700 RPM a una temperatura nominal de 620°C 620°C y una temperatura máxima de 650°C la razón de presión del compresor (c) es de un máximo de 4.5 y un volumen máximo de aire de aproximadamente de 18 m³/s a c = 4.4, lo hace un turbocargador un poco más eficiente que el VTR.
58
El turbocargador presenta otras características, una de ellas es el tamaño, es más liviano, el sistema de lubricación es el mismo que el del motor, con esto no tenemos que cambiar de tiempo en tiempo, al tener el mismo sistema de lubricación que el motor el turbocargador no necesita una bomba para poder lubricarse puesto que la bomba del motor lo lubrica.
2.2.2 Descripción termodinámica del ciclo
2.2.2.1 Gráficas presión-volumen (P-v) y temperatura-entropía (T-s)
Estas gráficas son muy importantes para el estudio de los motores de combustión, normalmente se utilizan dos gráficas, las más comunes son la de presión-volumen (P-v) y la de temperatura-entropía (T-s), estas nos ayudan a determinar cómo se comportan los motores térmicamente y poder calcular sus eficiencias de forma teórica y poder calcular la forma en que realmente se comportará el motor, en la figura 10 vemos las dos graficas.
Con estas gráficas vamos a despejar las fórmulas para poder calcular la eficiencia y otros datos que también son importantes saber, además de estas gráficas podemos ver los distintos procesos que se llevan a cabo dentro del ciclo, la carrera de 1 a 2 es una compresión isoentrópica, la carrera de 2 a 3 es calentamiento a presión constante, la carrera 3 a 4 es expansión isoentrópica y la carrera de 4 a 1 es enfriamiento a volumen constante.
59
Figura 20. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía.
Fuente: La producción de energía mediante vapor, aire o gas.
Con estas gráficas vamos a despejar las fórmulas para poder calcular la eficiencia y otros datos que también son importantes saber, además de estas gráficas podemos ver los distintos procesos que se llevan a cabo dentro del ciclo, la carrera de 1 a 2 es una compresión isoentrópica, la carrera de 2 a 3 es calentamiento a presión constante, la carrera 3 a 4 es expansión isoentrópica y la carrera de 4 a 1 es enfriamiento a volumen constante.
También se observa en las áreas bajo la carrera de 2 a 3 vemos todo el calor suministrado en el proceso con el cual se produce el trabajo del sistema, con esta área se calcula en realidad cuanto calor se suministra al proceso, además también vemos que el área que está debajo de la carrera 4 a 1 es el calor que se rechaza del proceso, con estos dos datos también se puede calcular la eficiencia del ciclo y en consecuencia podemos ver cuanta energía se aprovecha del combustible.
60
2.2.2.2 Eficiencia térmica del ciclo
La eficiencia térmica se calcula de la siguiente manera:
r v /v
Donde K = 1.4, que es la constante del aire v =
r v /v
compresión, c =
3
2
1
2
que es la relación de
que es la razón de fin de inyección, estos términos se
sacan de las gráficas de presión-volumen del ciclo Diesel que vemos en la figura 10, los números de los volúmenes y las temperaturas en la fórmula son representados en las gráficas de acuerdo con la posición en la gráfica.
Si le ponemos valores a las posiciones de la gráfica en los volúmenes podemos ver el resultado siguiente:
También como dijimos en la sección anterior las áreas bajo la curva de temperatura-entropía son equivalentes a la energía suministrada y expulsada, podemos hace uso de esta forma de cálculo para poder calcular a eficiencia del ciclo, las fórmulas para esto son: ηt = (2Q3 – 4Q1)/2Q3 o (W/J)/2Q3
donde 2Q3 es la energía suministrada y 4Q1 es la energía rechazada. Tenemos entonces las fórmulas siguientes:
2Q3
= Energía suministrada = macp(T3 – T2)
Donde ma es la masa y cp es calor específico a presión constante 61
4Q1
= Energía suministrada = macv(T4 – T1)
Donde ma es la masa y cv es calor específico a volumen constante W/J = Trabajo útil por ciclo = 2Q3 – 4Q1 Donde W es el trabajo útil y J es la constante de Joule
Sustituyendo la fórmula no da como resultado
ηt = 1 –
T4 – T1 k(T3 – T2)
Tenemos entonces otra forma de calcular la eficiencia térmica de un motor de Ciclo Miller, donde las temperaturas con número representan a cada una de las posiciones de la grafica de T-s, la letra k es la constante del aire que es k = 1.4, con esto tenemos que conocer las temperaturas en cada uno de los puntos de la gráfica. 2.2.3 Emisiones
2.2.3.1 Métodos utilizados para la determinación de emisiones
Los métodos que se utilizaron para determinar las emisiones que se dan en el motor con ciclo Miller son los mismos que se utilizaron para el motor con ciclo Diesel. Para ver los métodos ir al párrafo “2.1.3.1 Métodos utilizados para la determinación de emisiones” explicado para el ciclo Diesel.
2.2.3.2 Resultados del análisis de emisiones
Los resultados del análisis de las emisiones son: 62
Código
Fecha de muestreo
Velocidad de los gases
Temperatura de los gases
dd/mm/aa
m/s
°C
01/02/2008
28.63
346
N/A
N/A
CH7A
1997 World Bank Environmental Guidelines
Código
CH7A
Fecha de muestreo
Temperatura de los gases
CNOx @ 15%O2
CSO2 @ 15%O2
dd/mm/aa
°C
mg/Nm³
mg/Nm³
01/02/2008
346
1305
97
N/A
< 2000
2000
1997 World Bank Environmental Guidelines
Estas mediciones se realizaron en el Motor #7 Wärtsila 18V46, ciclo Miller, estando a plena carga, esto es a 16.5 Mw, las emisiones NOx está dentro del rango y lejos del límite a 695 mg/Nm³, en las emisiones SO2 este tipo de motor presenta grandes ventajas puesto que está muy lejos de llegar al límite puesto por el Banco Mundial.
63
64
3
ESTABLECIMIENTO DE DIFERENCIAS Y VENTAJAS DEL CICLO DIESEL Y EL CICLO MILLER
3.1
Establecer las diferencias principales
3.1.1 Relación de compresión
Como vimos en las secciones 2.1.1.2 y 2.2.1.2 la relación de compresión es un factor que contribuye en el incremento de la potencia de salida de un motor y también aumenta la eficiencia térmica, lograr elevar la relación de compresión es una tarea relativamente fácil, sin embargo es necesario realizar algunos cambios en la estructura de las partes del motor para poder lograrlo, recordemos que es necesario reducir el volumen de la cámara de combustión cuando el pistón esta en el punto muerto superior, para esto fue necesario aumentar la longitud de la biela, estas se fabrican en una medida estándar por lo que para aumentar la longitud de la biela es necesario cambiar un espaciador o suplemento, como es llamado por el fabricante, en la figura 19 vemos una biela completa y la posición del suplemento para poder aumentar la relación de compresión.
Para el ciclo Diesel o Estándar la relación de compresión es de 14:1 para estos motores el suplemento es de un ancho de 11mm pero para el ciclo Miller el suplemento debe de ser de 17mm, esto nos da un aumento de 6mm en el suplemento, con este aumento logramos la relación de compresión de 16:1 en este ciclo.
65
Figura 21. Biela completa de un motor Wärtsila 18V46.
Fuente: Manual de Wärtsila.
Este cambio llevó a realizar otros cambios que describiremos a continuación, el primero en sufrir cambios fue el anillo antipulimiento, este en el ciclo estándar tiene una longitud de 79mm y en el Miller tiene 72.5mm esto es para que el pistón en su viaje hacia el punto muerto superior no tope con este anillo; también tenemos la modificación del alojamiento del anillo antipulimiento en la camisa del cilindro, este se encuentra en la parte superior de la misma y si el anillo cambió este alojamiento también es necesario cambiarlo para que el anillo quede perfectamente bien alojado en la camisa; también el ángulo de las boquillas del inyector cambió en el ciclo Diesel el ángulo es de 150° y en el ciclo Miller es de 160° esto es por la cercanía del pistó n a la culata del cilindro; al aumentar la relación de compresión también aumentamos la presión dentro del 66
cilindro y esto dificultaría la entrada del combustible al mismo, por esta razón fue necesario cambiar la altura de la leva de la bomba de inyección en el estándar es de 185mm pero en el Miller es de 191mm un aumento de 6mm.
Estas son las modificaciones que se tuvieron que hacer para aumentar la relación de compresión.
La tabla IV nos muestra los cambios que fueron necesarios hacer para elevar la relación de compresión. Tabla IV. Diferencias entre el ciclo Diesel y Miller por el aumento de la relación de compresión.
Diferencias entre ciclo Diesel y Miller por el aumento de la relación de compresión Diesel
Miller
Suplemento
11mm
17mm
Anillo antipulimiento
79mm
72.5mm
Camisa (Alojamiento de anillo antipulimiento)
79mm
72.5mm
Válvula del inyector
60°
75°
Leva de bomba de inyección
Embolo de bomba de inyección
Fuente: Manual de Wärtsila.
67
185mm 191mm 40mm
46mm
3.1.2 Turbocargadores
Los turbocargadores también contribuyen al aumento de la potencia y eficiencia térmica de los motores, la contribución de los turbocargadores consiste en llevar al cilindro más cantidad de aire y como el aire se puede manipulara también se puede acondicionar la temperatura del mismo para que este en las condiciones apropiadas para poder tener una combustión, sino es perfecta, muy cerca de serlo, esto al final se traduce en el aumento de la potencia de salida del motor, al quemar más eficientemente el combustible que entra al cilindro del motor.
En el motor Diesel se utiliza un turbocompresor VTR 564P y en los Miller se utiliza uno TPL 77-A30, ambos contribuyen en casi la cantidad de aire en volumen, pero tienen diferencias significativas entre ellos, la tabla V muestra estas diferencias. Tabla V. Diferencias entre el turbocompresor VTR564 P32 y el TPL77-A30, utilizados en motores Wärtsila 18V46, ciclo Diesel y ciclo Miller.
Diferencias entre Turbocargadores VTR y TPL de ABB Estándar
Miller
Tipo de Compresor
VTR564 P32
TPL77 - A30
Peso del Turbocargador
6500 Kg
3717 Kg
Velocidad Nominal de Turbocargador
14280 RPM
16800 RPM
Velocidad Máxima del Turbocargador
15060 RPM
17700 RPM
68
Temperatura de Operación
620°C
620°C
Temperatura Máxima de Operación
650°C
650°C
Volumen Máximo
18 m³/s
18 m³/s
Razón de Compresión del Compresor Máxima
4.5
4.5
Lubricación
Independiente
Del Motor
Cojinete
De Bolas
Tipo Bushing
Bomba de lubricación
Acoplada al Eje del Turbo
Del Motor
Fuente: Manual de ABB.
Cada uno tiene sus ventajas y desventajas, lo que sí es importante es que ambos tienen como máximo el mismo volumen de aire que pueden mover, como máximo 18 m³/s, esto no cambia en ambos turbocargadores, pero cuestiones como el peso, velocidad, como se lubrican etc., esto si cambia en cada uno.
En la figura 22 muestra La diferencia en los cojinetes de los turbocargadores. Vemos pues que el VTR tiene acoplada la bomba al eje del turbocargador a diferencia del TPL que es lubricado por el sistema de lubricación del motor, los cojinetes en el VTR son de bolas los cuales deben de ser lubricados para que no se dañen a diferencia del TPL que tiene cojinete liso el cual necesita tener más lubricación para evitar la destrucción de las partes puesto que el contacto es directo metal-metal. 69
Figura 22. Diferencia en los cojinetes del turbocargador VTR y el TPL, forma en que se lubrican los mismos.
Fuente: del Manual de ABB.
En la figura 23 nos muestra las dos curvas que muestran la razón de compresión y el volumen que toman del ambiente. Figura 23. Curvas de los turbocargadores VTR y TPL.
Fuente: Manual de ABB.
70
3.1.3 Tiempo de inyección de cada ciclo
Según vimos en el diagrama polar en ambos ciclos tienen el mismo tiempo de inyección es decir que a los 12° antes de llegar al puno muerto superior la inyección tiene lugar, sin embargo la bomba inicia el movimiento para llegar a la inyección a los 18° antes del punto muerto superior , para que al los 12° antes se abra la válvula de inyección para que esta ocurra y se de la combustión.
El adelanto o retraso de la inyección tiene sus consecuencias, tanto dentro del motor como en las emisiones, por ejemplo, un atraso a 14° la inyección de combustible, aumenta la presión en el cilindro, aumenta la eficiencia, pero también aumenta las emisiones en los gases de escape (NOx), por el contrario, si adelantamos el tiempo de inyección a 10°, la pre sión de cilindro disminuye, disminuye la eficiencia y también disminuyen las emisiones en los gases de escape (NOx).
3.2
Establecer diferencias termodinámicas
3.2.1 Gráficas de presión-volumen (P-v) y temperatura-entropía (T-s)
Una de las diferencias es que debido a la relación de compresión se tiene que el ciclo Miller este tiene más aprovechamiento de la energía liberada del combustible, en cada caso en particular el área bajo la curva de T-s representa la cantidad de energía entregada y rechazada, veamos la grafica para el ciclo Diesel en la figura 24.
La curva bajo el punto 2 y 3 es toda la energía que se suministro al ciclo, esto se calcula de la forma siguiente, 2Q3=Energía Suministrada =macp(T3 – T2),
71
la energía rechazada viene dada por el área bajo la curva del punto 1 al 4, y se calcula de la forma siguiente, 4Q1 = Energía suministrada = macv(T4 – T1). Figura 24. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía.
Fuente: La producción de energía mediante vapor, aire o gas.
La curva bajo el punto 2 y 3 es toda la energía que se suministro al ciclo, esto se calcula de la forma siguiente, 2Q3 = Energía suministrada = macp(T3 – T2), la energía rechazada viene dada por el área bajo la curva del punto 1 al 4, y se calcula de la forma siguiente, 4Q1 = Energía suministrada = macv(T4 – T1).
Viendo las gráficas también encontramos que en los punto 1 al 2 tenemos compresión isoentrópica, del punto 2 al 3 aumento de energía a presión constante, del 3 al 4 tenemos expansión isoentrópica y del 4 al 1 tenemos expulsión de energía a presión constante, en la gráfica T-v encontramos el trabajo realizado por el ciclo y en la T-s se encuentra la eficiencia térmica que es con las fórmulas que se escribieron anteriormente.
72
En el caso del ciclo Miller la eficiencia térmica viene dada de la misma forma y el trabajo es el mismo caso, la diferencia con el ciclo Diesel es que la presión en el punto 2 es mayor, recordemos la relación de compresión de Diesel es de 14:1 y la del Miller es de 16:1, en el punto 3 de la grafica T-s vemos que la energía es mayor que la misma gráfica en el caso del Diesel. Figura 25. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía.
Fuente: La producción de energía mediante vapor, aire o gas.
Esto nos dice que el ciclo Miller desarrolla más potencia y también es más eficiente que el ciclo Diesel, sin embargo es necesario hacer cálculos para verificar las cosas que vemos a simple vista, para esto pasamos al siguiente tema donde haremos los datos que saldrán para estos motores.
3.2.2 Eficiencia térmica de los ciclos
La eficiencia térmica de los ciclos Diesel y Miller vienen dadas por la misma fórmula:
73
o por la fórmula
ηt = 1 –
T4 – T1 k(T3 – T2)
r
donde v es la relación de compresión y k es la constante del aire igual a 1.4.
El trabajo se calcula por la diferencia de la energía que se suministra menos la energía que se rechaza, esto es:
W = 2Q3 – 4Q1 Veamos el motor con ciclo Diesel, 18V46 Wärtsila: Antes de comenzar veremos algunos términos importantes de dar a conocer. Poder calorífico del Bunker = 17500 BTU/lb equivalente a 40705 kJ/lb. Densidad del Bunker = 993.1 kg/m³ Densidad del aire = 1.21 kg/m³ a una atmósfera de presión Peso molecular del aire = 28.97 Constante del aire k = 1.4 Calor específico del aire a presión constante Cp = 1.0038 kJ/(kg•K) Constante universal de los gases R = 8314.3 J/(kg mol•K) Para el caso del motor de ciclo Diesel se tiene que el volumen del cilindro es de 96.4 litros equivalente a 0.0964 m³ Relación de compresión rc = 14 74
Presión de aire de carga = 3 bar ó 300 kPa ó 2.96 atmósferas Temperatura de aire de carga = 64°C ó 337°K El volumen de combustible que entra en la cámara de combustión = 5.0265X10¯5 m³ Las fórmulas a utilizar son las siguientes:
ηt = 1 –
T4 – T1 k(T3 – T2)
(1)
V = R*T/P;
(2)
rc = V1/V2;
(3)
2Q3
(4)
= Energía suministrada = Cp(T3 – T2);
T2/T1 = (V1/V2)^k-1 o T2/T1 = (rc)^k-1
(5)
P2/P1 = (V1/V2)^k o P2/P1 = (rc)^k;
(6)
T3/T4 = (V4/V3)^k-1
(7)
Tenemos la cantidad en volumen de combustible que introducimos en la cámara de combustión, traslademos éste valor a kilogramos esto se logra multiplicando la densidad del combustible con el volumen de combustible que es introducido. 993.1 X 5.0265X10¯5 = 0.04992 kg de combustible.
La energía introducida a la cámara de combustión se calcula multiplicando el poder calorífico con la cantidad de combustible en kilogramos
40705 X 0.04992 = 2032 kJ
Con estos resultados podemos relacionar la cantidad de energía suministrada con la cantidad de aire dentro de la cámara de combustión de la siguiente forma, primero, sabemos que el aire tiene una densidad de 1.21 kg/m³ 75
a 1 atmósfera, pero en el motor entra a una presión de 2.96 atmósferas lo que aumenta la densidad a 3.58 kg/m³ con este resultado y el volumen de aire que entra al cilindro tenemos que introducimos 0.3451 kg de aire, con esto calculamos lo siguiente:
2032/0.3451 = 5888 kJ/kg de aire
Con esto resultados podemos iniciar nuestro cálculo, solo una cosa más, todas las temperaturas deben ser en grados Kelvin (°K).
Tenemos T1 = 337°K, P 1 = 300 kPa, con estos datos calcularemos el volumen en la admisión, pero el resultado lo daremos en m³/kg, por esta rozón agregaremos a la fórmula el peso molecular del aire que es 28.97, entonces
V1 = (R)(T1)/(28.97)(P1); V1 = (8314.3)(337)/(28.97)(300000) V1 = 2801919.1/8691000; V1 = 0.3224 m³/kg
Tenemos, T1 = 337°K; P 1 = 300 kPa y V1 = 0.3224 m³/kg. Ahora calculamos V2 con la relación de compresión rc = V1/V2, para encontrar V2 necesitamos hacer un arreglo. V2 = V1/rc; V2 = 0.3224/14; V2 = 0.0230 m³/kg. Con esto y la relación de compresión podemos encontrar la temperatura en el punto 2, T2.
T2/T1 = (rc)^k-1; T2 = (T1)(rc)^k-1; T2 = (337)(14)^0.4; T2 = 968.5 °K.
Tenemos ya T1 = 337 °K y T 2 = 968.5 °K; V 1 = 0.3224 m³/kg y V2 = 0.0230 m³/kg, además P1 = 300 kPa.
76
Para encontrar la T3 es necesario utilizar la fórmula 2Q3 = Cp(T3 – T2), arreglando la fórmula tenemos T3 = (2Q3/ Cp) + T2.
T3 = (5888/1.0038) + 968.5; T3 = 6834.2 °K
Para poder encontrar la T4 debemos conocer la P2 para después conocer el V3.
P2/P1 = (rc)^k; P2 = (P1)(rc)^k; P2 = (300000)(14)^1.4; P2 = 12069.811 kPa; la presión P2 = P3.
Con éste resultado buscamos ahora el V3.
V3 = (R)(T3)/(28.97)(P2); V3 = (8314.3)(6834.2)/(28.97)(12069811); V3 = 56821589/349662424.7; V3 = 0.1625 m³/kg.
Ahora si es posible calcular T4.
T3/T4 = (V4/V3)^k-1; T4 = T3/(V4/V3)^k-1; T4 = 6834.2/(0.3224/0.1625)^0.4; T4 = 5196 °K
Con esto ya podemos calcular la eficiencia térmica del motor Wärtsila 18V46 de ciclo Diesel.
ηt = 1 –
T4 – T1 k(T3 – T2)
entonces tenemos
ηt = 1 – (5196 – 337)/(1.4)(6834.2 – 968.5) ηt = 1 – (4859/8211.98) 77
ηt = 1 – 0.5917 ηt = 0.4083 La eficiencia térmica es ηt = 40.83%
Veamos el motor con ciclo Miller, 18V46 Wärtsila: Al igual que en el ciclo Diesel hay algunos datos que se mantienen iguales pero hay otros que si cambian, a continuación veremos todos los datos para el ciclo Miller. Poder calorífico del Bunker = 17500 BTU/lb equivalente a 40705 kJ/lb. Densidad del Bunker = 993.1 kg/m³ Densidad del aire = 1.21 kg/m³ a una atmósfera de presión Peso molecular del aire = 28.97 Constante del aire k = 1.4 Calor específico del aire a presión constante Cp = 1.0038 kJ/(kg•K) Constante universal de los gases R = 8314.3 J/(kg mol•K) Para el caso del motor de ciclo Miller se tiene que el volumen del cilindro es de 96.4 litros equivalente a 0.0964 m³ Relación de compresión rc = 16 Presión de aire de carga = 3 bar ó 300 kPa ó 2.96 atmósferas Temperatura de aire de carga = 65°C ó 338°K El volumen de combustible que entra en la cámara de combustión = 5.7805X10¯5 m³ Las fórmulas a utilizar son las siguientes:
ηt = 1 –
T4 – T1 k(T3 – T2)
(1)
V = R*T/P;
(2)
rc = V1/V2;
(3)
2Q3
(4)
= Energía suministrada = Cp(T3 – T2); 78
T2/T1 = (V1/V2)^k-1 o T2/T1 = (rc)^k-1
(5)
P2/P1 = (V1/V2)^k o P2/P1 = (rc)^k;
(6)
T3/T4 = (V4/V3)^k-1
(7)
Tenemos la cantidad en volumen de combustible que introducimos en la cámara de combustión, traslademos éste valor a kilogramos esto se logra multiplicando la densidad del combustible con el volumen de combustible que es introducido. 993.1 X 5.7805X10¯5 = 0.0574 kg de combustible.
La energía introducida a la cámara de combustión se calcula multiplicando el poder calorífico con la cantidad de combustible en kilogramos
40705 X 0.0574 = 2336 kJ Con estos resultados podemos relacionar la cantidad de energía suministrada con la cantidad de aire dentro de la cámara de combustión de la siguiente forma, primero, sabemos que el aire tiene una densidad de 1.21 kg/m³ a 1 atmósfera, pero en el motor entra a una presión de 2.96 atmósferas lo que aumenta la densidad a 3.58 kg/m³ con este resultado y el volumen de aire que entra al cilindro tenemos que introducimos 0.3451 kg de aire, con esto calculamos lo siguiente
2336/0.3451 = 6769 kJ/kg de aire
Con esto resultados podemos iniciar nuestro cálculo, solo una cosa más, todas las temperaturas deben ser en grados Kelvin (°K).
79
Tenemos T1 = 338°K, P 1 = 300 kPa, con estos datos calcularemos el volumen en la admisión, pero el resultado lo daremos en m³/kg, por esta rozón agregaremos a la fórmula el peso molecular del aire que es 28.97, entonces
V1 = (R)(T1)/(28.97)(P1); V1 = (8314.3)(338)/(28.97)(300000) V1 = 2810233.4/8691000; V1 = 0.3233 m³/kg
Tenemos, T1 = 338°K; P 1 = 300 kPa y V1 = 0.3233 m³/kg. Ahora calculamos V2 con la relación de compresión rc = V1/V2, para encontrar V2 necesitamos hacer un arreglo. V2 = V1/rc; V2 = 0.3233/16; V2 = 0.0202 m³/kg. Con esto y la relación de compresión podemos encontrar la temperatura en el punto 2, T2.
T2/T1 = (rc)^k-1; T2 = (T1)(rc)^k-1; T2 = (338)(16)^0.4; T2 = 1024.6 °K. Tenemos ya T1 = 338 °K y T 2 = 1024.6 °K; V 1 = 0.3233 m³/kg y V2 = 0.0202 m³/kg, además P1 = 300 kPa.
Para encontrar la T3 es necesario utilizar la fórmula 2Q3 = Cp(T3 – T2), arreglando la fórmula tenemos T3 = (2Q3/ Cp) + T2.
T3 = (6769/1.0038) + 1024.6; T3 = 7768 °K
Para poder encontrar la T4 debemos conocer la P2 para después conocer el V3.
P2/P1 = (rc)^k; P2 = (P1)(rc)^k; P2 = (300000)(16)^1.4; P2 = 14550.879 kPa; la presión P2 = P3.
80
Con éste resultado buscamos ahora el V3.
V3 = (R)(T3)/(28.97)(P2); V3 = (8314.3)(7768)/(28.97)(14550879); V3 = 64585482.4/421538964.6; V3 = 0.1532 m³/kg.
Ahora si es posible calcular T4.
T3/T4 = (V4/V3)^k-1; T4 = T3/(V4/V3)^k-1; T4 = 7768/(0.3233/0.1532)^0.4; T4 = 5762 °K
Con esto ya podemos calcular la eficiencia térmica del motor Wärtsila 18V46 de ciclo Miller.
ηt = 1 –
T4 – T1 k(T3 – T2)
entonces tenemos
ηt = 1 – (5762 – 338)/(1.4)(7768 – 1024.6) ηt = 1 – (5424/9440.8) ηt = 1 – 0.5745 ηt = 0.4255 La eficiencia térmica es ηt = 42.55%
3.3
Ventajas del ciclo Miller contra el ciclo Diesel.
3.3.1 Ventajas termodinámicas.
Podemos ver después del cálculo anterior que el ciclo Miller posee una ventaja de 1.72% en la eficiencia térmica sobre el ciclo Diesel. 81
Como decíamos en el capitulo 2.1.1.2 y 2.2.1.2 a mayor relación de compresión vemos un aumento en la potencia y no solo la potencia sino también resulta en un aumento en la eficiencia térmica del ciclo, esto es porque hay una mayor expansión en el tiempo de fuerza del ciclo la expansión es mayor que en el ciclo Diesel, también vemos como resultado de este mejor aprovechamiento de la energía térmica el aumento de potencia en el ciclo Miller este produce más potencia que el ciclo Diesel.
3.3.2 Ventajas ambientales.
Las ventajas ambientales pues son evidentes para cada uno de los ciclos, veamos
en el
caso del
ciclo Diesel, en el siguiente cuadro tenemos los
resultados del análisis de los gases de escape y vemos que los datos de NOx y SO2 están dentro de los rangos que recomienda el Banco Mundial. Tabla VI. Tabla de resultados de las mediciones de los gases de escape de la Chimenea 3
Código
Fecha de Muestreo
Velocidad de los Gases
Temperatura de los Gases
dd/mm/aa
m/s
°C
43.22
325
N/A
N/A
CH3A 07/02/2008 1997 World Bank Environmental Guidelines
Código
CH3A
Fecha de Muestreo
Temperatura de los Gases
CNOx @ 15%O2
CSO2 @ 15%O2
dd/mm/aa
°C
mg/Nm³
mg/Nm³
07/02/2008
325
1846
285
N/A
< 2300
2000
1997 World Bank Environmental Guidelines
Fuente: Monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Las Palmas.
82
En la tabla siguiente vemos los resultados del ciclo Miller, la producción de NOx y SO2 es evidentemente menor a la del ciclo Diesel y esto se debe al ciclo en sí mismo. Tabla VII. Tabla de resultados de las mediciones de los gases de escape de la Chimenea 7
Código
Fecha de Muestreo
Velocidad de los Gases
Temperatura de los Gases
dd/mm/aa
m/s
°C
01/02/2008
28.63
346
N/A
N/A
CH7A
1997 World Bank Environmental Guidelines
Temperatura de los Gases
CNOx @ 15%O2
CSO2 @ 15%O2
dd/mm/aa
°C
mg/Nm³
mg/Nm³
01/02/2008
346
1305
97
N/A
< 2000
2000
Código
Fecha de Muestreo
CH7A
1997 World Bank Environmental Guidelines
Fuente: Monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.
3.3.3 Tabla comparativa del ciclo Diesel y el ciclo Miller. Tabla VIII. Tabla de comparativa entre el ciclo Diesel y ciclo Miller
Tabla comparativa entre el ciclo Diesel y el ciclo Miller Biela, Camisa, Bomba de inyección
Diesel
Miller
Suplemento
11mm
17mm
Anillo antipulimiento
79mm
72.5mm
Camisa (Alojamiento de anillo antipulimiento)
79mm
72.5mm
83
Válvula del inyector
60°
75°
Leva de bomba de inyección
185mm
191mm
Embolo de bomba de inyección
40mm
46mm
Turbocargador
Diesel
Miller
Tipo de compresor
VTR564 P32
TPL77 - A30
Peso del turbocargador
6500 Kg
3717 Kg
14280 RPM
16800 RPM
15060 RPM
17700 RPM
Temperatura de operación
620°C
620°C
Temperatura máxima de operación
650°C
650°C
Volumen máximo
18 m³/s
18 m³/s
Razón de compresión del compresor máxima
4.5
4.5
Lubricación
Independiente
Del motor
Cojinete
De bolas
Tipo bushing
Bomba de lubricación
Acoplada al eje del turbo
Del motor
Enfriamiento
Por agua
Sin enfriamiento
Motor
Diesel
Miller
Eficiencia térmica
40,83%
42,55%
Velocidad
514 RPM
514 RPM
Numero de cilindros
18
18
Diámetro del pistón
460mm
460mm
Carrera del pistón
580mm
580mm
Presión media efectiva
21.9 bar
23.6 bar
Velocidad nominal de turbocargador Velocidad máxima del turbocargador
Potencia en HP
Fuente: Manual de Wärtsila y Manual de ABB
84
4
ELABORACIÓN DE UN SOFTWARE QUE PUEDA MOSTRAR LAS DIFERENCIAS DE LOS CICLOS Y PUEDA CALCULAR LA EFICIENCIA Y POTENCIA DE LOS CICLOS DIESEL Y MILLER. En este capítulo encontraremos un video que nos mostrará las
diferencias existentes entre los motores de ciclo Diesel y ciclo Miller, es un video en formato DVD.
85
86
CONCLUSIONES Hemos tenido la oportunidad de ver los dos ciclos, el Diesel y el Miller, ambos tienen un buen rendimiento, sin embargo el Miller presenta algunas ventajas sobre el Diesel, vemos que el motor con ciclo Miller son más eficientes que el del motor con ciclo Diesel, de lo anterior podemos concluir en lo siguiente:
1. Los turbocargadores tienen la misma capacidad pero el del motor Miller es menos pesado y es más veloz que el del Diesel, sin embargo, ambos tienen la misma relación de compresión y la misma capacidad volumétrica, esta diferencia de peso es por la mejora en los materiales y mejoras en el diseño que los hace más eficientes y con menos peso, además está el rediseño de la lubricación que no es necesario tener un depósito aparte para lubricar el turbocargador, en el Miller utiliza el mismo sistema y aceite del motor para la lubricación mientras el Diesel es necesario tener una bomba aparte y lubricante distinto al del motor.
2. La relación de compresión, en el Diesel es de 14 y en el Miller es de 16, esto hace que el motor Miller sea más eficiente porque existe mayor expansión de los gases de combustión y en consecuencia un mayor aprovechamiento de la energía, al aumentar la relación de compresión podemos aumentar el aprovechamiento de la energía de la combustión porque el gas pasa más tiempo dentro del cilindro, debido a la mayor expansión de los mismos lo que redunda en mejor eficiencia.
3. La energía que es suministrada proviene del combustible que entra en el motor Diesel es menor que en el Miller, esto provee una mayor cantidad de combustible en la cámara de combustión, lo que representa más 87
energía en el motor y en consecuencia se tiene más potencia desarrollada, debido a que la relación de compresión fue aumentada de 14:1 a 16:1 también fue necesario aumentar la leva de la bomba de inyección en 6mm para vencer la presión generada por el aumento de la presión del cilindro.
4. Al aumentar la relación de compresión la corona del pistón se acerca más a la culata, por lo tanto fue necesario aumentar el ángulo de los agujeros de la tobera del inyector y se rediseñó para poder aumentar la calidad de la niebla dentro de la cámara de combustión, logrando con esto una mejor combustión lo que también redunda en una mejor eficiencia.
5. Por último, resaltamos el porcentaje de aumento en la eficiencia térmica del ciclo Miller de 1.72%, esto dice que este ciclo efectivamente es mejor que ciclo Diesel, no sólo por éste aumento de la eficiencia, sino que también por sus ventajas ambientales, pues se determinó que el motor de ciclo Miller tiene o mantiene emisiones más bajas en relación al Diesel.
Queda decir que el ciclo Miller es un ciclo más eficiente que el Diesel, y que además es “amigable” con el medio ambiente.
88
RECOMENDACIONES Cada uno de hallazgos en este trabajo de graduación muestra que el motor con ciclo Miller es más eficiente que uno con ciclo Diesel, en varios aspectos, por esta razón recomendamos:
1. De ser posible las generadoras de energía eléctrica, que tengan como generadores
principales
a
equipos
electrógenos,
estén
en
la
predisposición de obtener motores de combustión con ciclo Miller, esto radica en sus ventajas ambientales y de eficiencia térmica.
2. Que al tener estos equipos los mantengan en óptimas condiciones para obtener de ellos la más alta producción, sin dañar en demasía el medio ambiente.
89
90
BIBLIOGRAFÍA 1. ABB Turbo System LTD. Manual de Operación y Mantenimiento de Turbocargador TPL77 – A30. Edición 06. 2002.
2. ABB Turbo System LTD. Manual de Operación y Mantenimiento de Turbocargador VTR564 P32. Edición 08. 2004.
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4. Crouse, William H. Motores de Automóvil. Construcción, Funcionamiento y Manutención. Alfaomega Grupo Editor, S. A. de C. V. México. 1ª. Edición
Castellana de la 4ª. Americana de McGraw-Hill, 1996.
5. Granet, Irving. Termodinámica. Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana, S. A. Tercera Edición. 1988.
6. Huang, Francis F. Ingeniería Termodinámica, Fundamentos y Aplicaciones. Compañía Editorial Continental, S. A. de C. V. México. Segunda Edición. 1994.
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8. Obert, Edgard F. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones. Compañía Editorial Continental, S. A. de C. V. México. Primera Edición 1966. Vigésimo Primera Reimpresión 1995.
91
9. Resnick, Robert.; Halliday, David.; Krane, Kenneth S. Física Volumen 1. Compañía Editorial Continental, S. A. de C. V. México. 1992.
10. Severns, W. H.; Degler, H. E.; Miles, J. C. La Producción de Energía Mediante Vapor, Aire o Gas. Editorial Reverté, S. A. 1982.
11. Smith, Edward H. Manual del Ingeniero Mecánico. Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana, S. A. Primera Edición. 1998.
12. Streeter, Victor L.; Wylie, E. Benjamin. Mecánica de los Fluidos. Editorial McGraw-Hill. 1988.
13. Wärtsila NSD Corporation. Manual de Entrenamiento. Edición 7 Turku Julio de 2000.
92
ANEXOS
93
94
Anexo1. Resumen de métodos de prueba para emisiones de la EPA
Office of Air Quality Planning and Standards Método 1-8 1/24
95
2-25 1 1 lA 2A 2B 2C 2D 2E P 2F 3 3/3B 3A 3B 3C P 3 4 5 5 5 5
Referencia 42 FR 41754 43 FR 11984 52 FR 34639 52 FR 42061 55 FR 47471 48 FR 45034 51 FR 20286 54 FR 12621 48 FR 37592 48 FR 37594 54 FR 12621 54 FR 12621 56 FR 24468 55 FR 05211 55 FR 18876 51 FR 21164 55 FR 05211 56 FR 24468 48 FR 49458 48 FR 55670 48 FR 55670 45 FR 66752 48 FR 39010 50 FR 01164
Fecha 08/18/77 03/23/78 09/14/87 11/02/87 11/14/90 09/30/83 06/04/86 03/28/89 08/18/83 08/18/83 03/28/89 03/28/89 05/30/91 Tentativo 02/14/90 05/07/90 06/11/86 02/14/90 05/30/91 10/25/83 12/14/83 12/14/83 10/07/80 08/26/83 01/09/85
Descripción Velocidad Orsat, materia en partículas (PM), S02, NOx, etc. Corr. y enmiendas a M—1 a 8 Correcciones técnicas Correcciones Enmiendas técnicas Reducción del número de puntos de recorrido Procedimiento alterno para elección de sitio Puntos de recorrido en ductos pequeños Gasto en ductos pequeños—vol., metros Gasto—estequiometría Gasto en ductos pequeños—Pitot estándar Gasto en ductos pequeños—velocidad en metros Gasto de los pozos de tierras de relleno Pitot 3D para la velocidad Peso molecular Aplicabilidad del Método 3B Método instrumental para 02 y CO2 Orsat para factores de corrección y aire en exceso Adición de QA/QC Adición de QA/QC Adición de QA/QC Cambio de especificación de filtro Revisión DGM Incorporación DGM y procedimientos para el cálculo de sonda
96
5 5 5A 5A 5B 5C 5D 5D 5E 5F 5F 5G 5H 6 6 6 6A 6B 6A/B 6A/B 6C 6C 7 7A 7A 7A 7B 7A/B 7C 7D
52 FR 09657 52 FR 22888 47 FR 34137 51 FR 32454 51 FR 42839 49 FR 43847 51 FR 32454 5O FR 07701 51 FR 42839 53 FR 29681 53 FR 05860 53 FR 05860 49 FR 26522 48 FR 39010 52 FR 41423 47 FR 54073 47 FR 54073 49 FR 09684 51 FR 32454 51 FR 21164 52 FR 18797 49 FR 26522 48 FR 55072 53 FR 20139 55 FR 21752 50 FR 15893 49 FR 38232 49 FR 38232
03/26/87 06/16/87 08/06/82 09/12/86 11/26/86 Tentativo 10/31/84 09/12/86 02/2S/85 11/26/86 08/08/88 02/26/88 02/26/88 06/27/84 08/26/83 10/28/87 12/01/82 12/01/82 03/14/84 09/12/86 06/11/86 05/27/87 06/27/84 12/08/83 06/02/88 05/29/90 04/23/85 Tentativo 09/27/84 09/27/84
Uso de orificios críticos como cal. estándar Correcciones PM del techado de asfalto (Prop. como M—26) Adición de QA/QC PM de ácido no sulfúrico PM de duetos pequeños PM de filtros de tela Adición de QA/QC PM de plantas de fibra de vidrio PM de FCCU Procedimiento de titulación con bario PM de estufa de leña—túnel de dilución PM de estufa de leña—chimenea Adición de QA/QC Revisión de DGM Uso de orificios críticos para FR/vol medida SO2/CO2 Auto. SO2/O2 Incorporación de cambios de análisis coll. Adición de QA/QC Método instrumental para SO2 Correcciones Adiciones de QA/QC Cromatografía de iones para análisis de NOx ANPRM Revisiones Análisis UV de NOx para plantas de ácido nítrico Interferencia por SO2 elevado Permanganato/colorimétrico alcalino para NOx Permanganato/IC para NOx
97
7E 8 8 8 9 9A 10 10 10A 10A 10B 11 12 12 13A 13B 13A/B 14 15 15 15 15A 16 16 16 16 16 16A 16A 16B 16A/B
51 FR 21164 36 FR 24876 42 FR 41754 43 FR 11984 39 FR 39872 46 FR 53144 39 FR 09319 53 FR 41333 52 FR 30674 52 FR 33316 53 FR 41333 43 FR 01494 47 FR 16564 49 FR 33842 45 FR 41852 45 FR 41852 45 FR 85016 45 FR 44202 43 FR 10866 54 FR 46236 54 FR 51550 52 FR 20391 43 FR 07568 43 FR 34784 44 FR 02578 54 FR 46236 55 FR 21752 50 FR 09578 52 FR 36408 52 FR 36408 53 FR 02914
06/11/86 12/23/71 08/18/77 03/23/78 11/12/74 10/28/81 03/08/78 10/21/88 08/17/87 09/02/87 10/21/88 01/10/78 04/16/82 08/24/84 06/20/80 06/20/80 12/24/80 06/30/80 03/15/78 11/02/89 12/15/89 06/01/87 02/23/78 08/07/78 01/12/79 11/02/89 05/29/90 03/08/85 09/29/87 09/29/87 02/02/88
Método instrumental para NOx Niebla de ácido sulfúrico y SO2 Adición de partículas y humedad Correcciones misceláneas Opacidad Alternativa 1, opacidad llamada Lidar CO Trampa alterna Método colorimétrico para PS—4 Nota de corrección Método de GC para PS—4 H2S Pb Incorp. método de adiciones Método colorimétrico—F Método SIE—F Corrección a M—13A y 13B F de los monitores del techo TRS de las refinerías del petróleo Revisiones Nota de corrección TRS alterno/oxidación TRS de las fábricas de pulpa de papel Enmienda a M—16, pérdida de H2S después de los filtros Enmienda a M—16, SO2 depurador añadido Revisiones Corrección de la cifra (—10%) TRS alterna Método alterno para el análisis de gas de cilindro TRS alterno/análisis GC de SO2 Corrección 16 A/B
98
17 18 18 18 18 18 19 19 19 20 20 20 21 21 21 22 22 23 23R 24 24A 24 24 24 25 25 25 25A 25B 25C P 25D
43 FR 07568 48 FR 48344 49 FR 22608 52 FR 51105 52 FR 10852 59 FR 19308 44 FR 33580 52 FR 47826 48 FR 49460 44 FR 52792 47 FR 30480 51 FR 32454 48 FR 37598 49 FR 56580 55 FR 25602 47 FR 34137 48 FR 48360 56 FR 5758 60 FR 28378 45 FR 65956 47 FR 50644 57 FR 30654 60 FR 47095 45 FR 65956 53 FR 04140 53 FR 11590 48 FR 37595 48 FR 37597 56 FR 24468 59 FR 19311
02/23/78 10/18/83 05/30/84 02/19/87 04/03/87 04/22/94 06/11/79 12/16/87 10/25/83 09/10/79 07/14/82 09/12/86 08/18/83 12/22/83 06/22/90 08/06/82 10/18/83 02/13/91 05/31/95 10/03/80 11/08/82 Tentativo 07/10/92 09/11/95 10/03/80 02/12/88 04/07/88 08/18/83 08/18/83 05/30/91 04/22/94
PM, en chimenea Compuestos orgánicos volátiles (VOC) método general de GC Correcciones al M—18 Revisiones para mejorar el método Correcciones Revisiones para mejorar QA/QC Muestreo de carbón, factor F M—19A incorporado al M—19 Corrección a las ecuaciones del factor F y valores de Fc NOx de turbinas de gas Correcciones y enmiendas Clarificaciones Fugas de VOC Correcciones al Método 21 Clarificación de revisiones VE fugitivo Adición de emisión de humo de llamas Dioxina/dibenzo furano Revisiones y correcciones Disolvente en los recubrimientos superficiales Disolventes en tintas (prop. como M—29) Disolventes en recubrimientos conductores de agua Recubrimientos de componentes múltiples Recubrimientos curados por radiación TGNMO Revisiones para mejorar el método Note la corrección TOC/FID TOC/NDIR VOC de tierras de relleno VO de TSDF—procedimiento de purga
99
25E 26 26 26 26A 27 28 28A 29 P PS-1 PS-1 P PS-2 PS 1-5 PS-3 PS-4 PS-4A PS-5 PS-6 PS-7 PS-8 PS-9 PS-10 PS-11 PS-12 Prc 152 Prc 154 App-J
59 FR 62896 56 FR 5758 57 FR 24550 59 FR 19309 59 FR 19309 48 FR 37597 53 FR 05860 53 FR 05860 59 FR 48259 48 FR 13322 59 FR 60585 48 FR 23608 55 FR 47471 48 FR 23608 50 FR 31700 56 FR 5526 48 FR 32984 53 FR 07514 55 FR 40171 59 FR 64580 59 FR 64580
FR 21003 FR 52207 55 FR 33925
12/06/94 02/13/91 06/10/92 04/22/94 04/22/94 08/18/83 02/26/88 02/26/88 09/20/94 03/30/83 11/25/94 05/25/83 11/14/91 05/25/83 08/05/85 02/11/91 07/20/83 03/09/88 10/02/90 12/15/94 12/15/94 Tentativo Tentativo Tentativo 06/04/87 12/20/89 08/20/90
VO de TSDF—procedimiento de presión de vapor HCL Correcciones al método 26 Añada 26 HCl, halógenos, otro halogenuros de hidrógeno HC1, halógenos, halogenuros de hidrógeno isocinéticos Fugas de camiones tanque Certificación de estufa de leña Relación aire a combustible Metales múltiples Opacidad Revisiones SO2 y NOx Enmiendas técnicas CO2 y 02 CO CO para MWC TRS Velocidad y nivel de emisión de masa H2S Especificaciones de comportamiento VOC CEMS Especificaciones de comportamiento GC CEMS Amoniaco CEMS PM CEMS Hg CEMS Aseguramiento de calidad por CEMS Revisión Eficiencia térmica de la estufa de leña
Procedimientos alternos y misceláneos 48 FR 44700
09/29/83
Método del factor S para plantas de ácido sulfúrico
100
101 101A 101A P 101 102 103 104 105 105 106 107 107 107A 108 108A 108B 108C 108B/C 111 114 115
48 FR 48669 49 FR 30672
10/20/83 07/31/84
51 FR 21762 54 FR 46234 55 FR 40171 54 FR 06660 54 FR 21344 54 FR 27015 47 FR 24703 47 FR 24703 59 FR 48259 49FR 35768 47 FR 24703 48 FR 55266 48 FR 55268 40 FR 48299 49 FR 35768 47 FR 39168 47 FR 39168 52 FR 20397 47 FR 39485 51 FR 28035 51 FR 28035 55 FR 22026 55 FR 22026 55 FR 32913 50 FR 05197 54 FR 09612 54 FR 09612 52 FR 36972
06/16/86 11/02/89 10/02/90 02/14/89 05/17/89 06/27/89 06/08/82 06/08/82 09/20/94 09/12/84 06/08/82 12/09/83 12/09/83 10/14/75 09/12/84 09/07/82 09/07/12 06/01/87 09/08/82 08/04/86 08/04/86 05/31/90 05/31/90 08/13/90 02/06/85 03/07/89 P 03/07/89 P 90/23/88
Correcciones a la publicación del factor S Añada análisis de combustible a los procedimientos para turbinas de gas PST alterno para concentraciones de bajo nivel Revisiones mise, al Apéndice A, 40 CFR, Parte 60 Monitoreo de las revisiones a la subparte J (Ref. Petr.), Parte 60 Métodos de prueba y revisión de procedimientos (40 CFR 60) Nota de corrección Nota de corrección Hg en corrientes de aire Hg en incineradores de lodos de aguas negras Revisiones—consistencia con el Método 29 Correcciones a M—101 y 101A Hg en corrientes de H2 Método de escrutinio de Be revisado Método de Be revisado Hg en lodos de aguas negras Hg en lodos de aguas negras, revisado Cloruro de vinilo corrientes VC en corrientes en proceso Procedimiento de calibración alterno VC en corrientes en proceso Arsénico inorgánico Arsénico en muestras de menas Arsénico en menas, alterno Arsénico en menas, alterno Nota de corrección Polonio 210 Monitoreo radionúclidos Radón 222 Correcciones
101
201 201A 201/A 201 202 203P 203A P 203B P 203C P 204 204A 204B 2040 204D 204E 204F 205 206 207 301 302 303 304A 304B 305 306 306A 306B 307 308 P 309 P
55 FR 14246 55 FR 14246 55 FR 24687 55 FR 37606 56 FR 65433 57 FR 46114 58 FR 61640 58 FR 61640 58 FR 61640
57 FR 61970 (Reservado) 58 FR 57898 59 FR 19590 59 FR 19590 59 FR 19590 60 FR 4948 60 FR 4948 60 FR 4948 59 FR 61801 58 FR 66079
04/17/90 04/17/90 06/18/90 09/12/90 12/17/91 10/07/92 11/22/93 11/22/93 11/22/93 Tentativo Tentativo Tentativo Tentativo Tentativo Tentativo Tentativo 05/80/94 Tentativo Tentativo 12/29/92
PM10 (procedimiento EGR) PM10 (procedimiento CSR) Corrección de ecuaciones Corrección de ecuaciones PM condensable Medidor de transmisión para cumplimiento Emisiones visibles—2 a 6 mm prom. Emisiones visibles-excepción de tiempo Emisiones visibles—instantáneas Eficiencia de captura de VOC Eficiencia de captura de VOC Eficiencia de captura de VOC Eficiencia de captura de VOC Eficiencia de captura de VOC Eficiencia de captura de VOC Eficiencia de captura de VOC Verificación de la calibración de dilución Amoniaco (NH3) Isocianatos Protocolo de convalidación de datos de campo
10/27/93 04/22/94 04/22/94 04/22/94 01/25/95 01/25/95 01/25/95 12/02/94 12/17/93 06/06/94
Emisiones de la puerta de la estufa Velocidad de biodegradación (con respiradero) Velocidad de biodegradación (encerrado) Desperdicio líquido de compuesto específico Cromo hexavalente Muestreo simplificado de cromo Supresores de tensión superficial de cromo Desengrasador de disolventes VOC Metanol Balance de materiales de la recuperación de disolventes en el
310 311 P 312 313 314 315 316 317 318 319
59 FR 62652
Tentativo 12/06/94 Tentativo Tentativo Tentativo Tentativo Tentativo Tentativo Tentativo Tentativo
aeroespacio Hexano residual en caucho EPDM VOC HAPS en recubrimiento de muebles Estireno residual en caucho SBR Estireno residual en caucho PBR Compuestos halogenados en disolventes Materia orgánica extraíble en MeCl Formaldehído—método manual Fenol—método manual Formadehído, fenol, metanol con FTIR Eficiencia de filtro, pintura por aspersión
102
Anexo 2. Método CFR típicos promulgados disponibles de EMTIC Nombre Del Expediente M-01.WPF M-01A.WPF M-02.ZIP M-02A.WPF M-02B.WPF M-02CWPF M-02DWPF M-02E.WPF M-03.WPF M-O3FIG.WPF M-03A.WPF
Fecha 1/9/97 9/25/96 1/10/97 9/25/96 4/1/96 9/25/96 1/9/97 1/9/97 9/25/96 6/13/90 6/13/90
Bytes 367 612 100 260 868 379 33 900 21 883 121 858 27 577 116 731 311 859 3 103 14 038
Descripción Método 1: Puntos de recorrido Método lA: Ductos pequeños Método 2: Velocidad—Pitot tipo S Método 2A: Medidores de volumen Método 2B: Gasto en volumen del escape Método 2C: Pitot estándar Método 2D: Medidores de velocidad Método 2E: Gasto de la producción de gas en tierras de relleno Método 3: Peso molecular Método 3: Figura 3.3 Método 3A: CO2, 02—instrumental
103
M-03B.WPF 6/13/90 22 991 Método 3B: CO2, O2—Orsat M-03C.WPF 6/20/96 21 543 Método 3C: CO2, CH4, N2, 02,-TCD M-04.WPF 1/9/97 464 259 Método 4: Contenido en humedad M-05.WPF 1/14/97 199 890 Método 5: Materia en partículas (PM) M-05A.WPF 6/13/90 24 460 Método 5A: PM en asfalto de techados (materia en partículas) M-05B.WPF 6/13/90 5 522 Método 5B: PM ácido no sulfúrico (materia en partículas) M-05D.WPF 8/20/96 223 893 Método 5D: PM bolsa de casa (materia en partículas) M-05E.WPF 8/20/96 26 866 Método 5E: PM plantas de fibra de vidrio (materia en partículas) M-05F.WPF 9/25/96 31 728 Método 5F: PM fluido catalítico Unidad de craqueo M-05G.WPF 8/20/96 62 366 Método SG: PM calentadores de leña de un túnel de dilución M-05H.WPF 8/20/96 67 300 Método 5H: PM calentadores de leña de una chimenea M-06.WPF 9/25/96 487 136 Método 6: Dióxido de azufre (SO2,) M-06FIG.WPF 6/13/90 1 955 Método 6: Figura 6.4 M-06AWPF 9/25/96 504 307 Método 6A: SO2, CO2, M-06B.WPF 8/20/96 18 258 Método 6B: SO2, CO2,—integrado a largo plazo M-06C.WPF 9/25/96 290 996 Método 6C: SO2,—instrumental M-07.WPF 3/12/96 38 351 Método 7: Óxidos de nitrógeno (NOx,) M-07A.WPF 1/28/91 17 588 Método 7A: NOx,—método cromatográfico de iones M-07B.WPF 8/20/96 18 486 Método 7B: NOx,—espectrometría ultravioleta M-07C.WPF 9/25/96 316 617 Método 7C: NOx,—método colorimétrico M-07D.WPF 9/25/96 128 784 Método 7D: NOx,—cromatografía de iones M-07E.WPF 8/14/90 9 787 Método 7E: NOx,—instrumental M-08.WPF 10/29/96 549 697 Método 8: Niebla de ácido sulfúrico M-09.WPF 8/20/96 53 177 Método 9: Opacidad visual M-10.WPF 9/25/96 496 761 Método 10: Monóxido de carbono— NDIR M-10A.ZIP 9/25/96 410 456 Método 10A: CO para certificación CEMS M-10B.WPF 11/8/94 13 634 Método 10B: CO de fuentes estacionarias M-11.ZIP 1/16/97 333 145 Método 11: H2S contenido de combustible M-12.WPF 9/25/96 551 702 Método 12: Plomo inorgánico M-13A.ZIP 1/16/97 331 453 Método 13A: Fluoruro total (SPADNS) (laca de circonio) M-13B.WPF 8/20/96 15 534 Método 13B: Fluoruro total (electrodo de ion específico)
M-14.ZIP M-15.WPF
1/16/97 10/10/96
332 152 41 642
104
Método 14: Fluoruro para plantas primarias de aluminio Método 15: Sulfuro de hidrógeno, sulfuro de carbonilo y disulfuro de carbono M-15A.ZIP 1/16/97 480 179 Método 15A; Azufre reducido total (TRS Alt.) M-16.WPF 10/10/96 55 030 Método 16: Azufre (determinación semicontínua) M-16A.ZIP 9/25/96 427 370 Método 16A: Azufre reducido total (percutor) M-16B.WPF 4/1/96 35 317 Método 16B: Azufre reducido total (análisis GC) M-17.ZIP 1/16/97 414 182 Método 17: Partículas en chimenea (PM) M-18.ZIP 9/25/96 632 510 Método 18: VOC por OC REVM-18.WPF 3/3/94 19 023 Revisiones recientes al Método 18 (3/2/94) M-19.WPF 4/15/96 74 490 Método 19: Remoción de SO2, y PM, SO2, NOx, niveles de generadores de vapor de instalaciones eléctricas M-20.WPF 9/25/96 58 956 Método 20: NO, de las turbinas de gas estacionario M-21.WPF 4/27/95 19 771 Método 21: Fugas de VOC (corregido en 4/26/95) M-22.WPF 5/21/93 17 937 Método 22: Opacidad fugitiva M-23.WPF 5/25/95 86 545 Método 23: Dioxina y furano (copia 02/91 FR) M-24.WPF 9/7/95 14 872 Método 24: Recubrimientos de superficie copia 9/11/95 FR M-24A.WPF 8/6/93 10 354 Método 24A: Tintas de imprenta y recubrimientos relacionados M-25.WPF 9/25/96 119 616 Método 25: Emisiones gaseosas de compuestos orgánicos no metánicos M-25A.WPF 9/25/96 106 158 Método 25A: Concentración de compuestos orgánicos gaseosos (ionización a la flama) M-25B.WPF 11/8/94 5 476 Método 25B: Concentración de compuestos orgánicos gaseosos (analizador al infrarrojo) M-25C.WPF 6/20/96 36 756 Método 25C: NMOC en gases de tierras de relleno M-25D.WPF 8/20/96 69 675 Método 25D: VOC de muestras de desechos (revisado—cifras añadidas) M-25E.WPF 9/25/96 30 544 Método 25E: Concentración de compuesto orgánicos en fase de vapor en muestras de desechos REVM-26.WPF 3/3/94 34 779 Revisiones recientes al Método 26 (3/3/94) M-26.WPF 12/3/96 57 281 Método 26: Cloruro de hidrógeno, halogenuros, halógenos
M-26A.WPF 3/3/94 M-27.WPF 1/21/94
55 936 13 889
105
Método 26A: Halogenuro de hidrógeno y halógeno—isocinético Método 27: Tensión de vapor del tanque de gasolina—vacío de presión M-28.WPF 9/25/96 67 354 Método 28: Certificación y auditoría— calentadores de leña M-28A.WPF 9/25/96 24 716 Método 28A: Proporción aire a combustible velocidad de combustión aparatos para quemar leña M-29.ZIP 1/16/97 164 262 Método 29: Emisiones de metales de fuentes estacionarias M-101.ZIP 9/25/96 479 274 Método 101: Mercurio de plantas de cloro álcalis (aire) M-101FIGS.WPF 11/8/95 21 577 Cifras para M—101 M-101A.WPF5/20/91 38 589 Método 10 lA: Mercurio de incineradores de lodos de drenaje M101AREV.WPF 6/25/96 512 028 Revisiones al Método 1O1A (4/25/96) M-102.WPF 5/20/91 12 678 Método 102: Mercurio de plantas de cloro álcalis (corrientes de hidrógeno) M-103.WPF 9/25/96 30 887 Método 103: Método de análisis de berilio M-104.WPF 1/18/95 21 215 Método 104: Determinación de emisiones de berilio M-105.WPF 9/25/96 32 406 Método 105: Mercurio en aguas negras Tratamiento de lodos de plantas de drenaje M-106.WPF 5/23/95 30 433 Método 106: Determinación de cloruro de vinilo M-107.WPF 8/20/96 40 886 Método 107: Contenido de cloruro de vinil de muestras de drenaje en proceso M-107A.WPF 9/25/96 32 752 Método 107A: Contenido de cloruro de vinilo en disolventes M-108.WPF 9/25/96 56 080 Método 108: Emisiones de arsénico en partículas y gaseosas M-108A.WPF 8/20/96 17 456 Determinación del contenido de arsénico en muestras de menas de fundiciones no ferrosas M-108B.WPF 2/1/96 7 619 Método 108B: Arsénico M-108C.WPF 2/1/96 14 820 Método 108C: Arsénico M-111.WPF 4/1/96 35 891 Método 111: Emisiones de polonio 210 M-114.WPF 4/1/96 59 874 Método 114: Emisiones de radionúclidos M-115.WPF 4/1/96 29 109 Método 115: Emisiones de radón 222 M-201.ZIP 9/25/96 569 836 Método 201: PM10 (en chimenea, CRS) M-201A.WPF1/15/97 579 127 Método 201A: PM10 (en chimeneas, CRS) (revisado con cifras)
106
M-202.WPF 9/25/96 284 788 Método 202: Materia en partículas condensable M202FIGS.WPF 11/8/95 11 538 Cifras para M: 202 M-205.WPF 9/25/96 23 225 Método 205: Calibración de la dilución de gas M-301.WPF 12/30/92 54 912 Método 301: Protocolo de validación M-303.WPF 9/25/96 79 843 Método 303: Baterías por producto de horno de coque M-3O3A.WPF 10/27/93 19 111 Método 303A: Baterías sin recuperación de horno de coque M304A.WPF 3/3/94 47 795 Método 304A: Velocidad de biodegradación—opción de espiradero M304B.WPF 3/3/94 50 010 Método 304B: Velocidades de biodegradación—opción de depurador M305.WPF 9/25/96 53 770 Método 305: Potencial de VOC en desechos M-306.ZIP 2/8/96 251 088 Método 306: Emisiones de cromo en galvanizado/anodizado M-306A.WPF9/25/96 372 925 Método 306A: Emisiones de cromo en galvanizado/anodizado (método de Mason Jar) M306B.WPF 2/8/96 12 480 Método 306B: Tensión superficial para tanques de galvanizado /anodizado M-307.WPF 9/25/96 38 080 Método 307: Emisiones de limpiadores con vapor de disolventes (2 de diciembre de 1994) M311.WPF 1/17/96 84 020 Método 311: HAPS en pinturas y recubrimientos PS-2.WFF 10/23/91 53 634 Comportamiento CEMS especificación 2 para SO2 y NOx PS-3.WPF 2/11/92 13 987 Comportamiento CEMS especificación 3 para 02 y CO2 PS-4.WPF 2/11/92 6 481 Comportamiento CEMS especificación 4 para CO PS-4A.WPF 10/30/91 6 702 Comportamiento CEMS especificación 4A para CO PS-5.WPF 5/12/92 5 248 Comportamiento CEMS especificación 5 para TRS PS-6.WPF 5/12/92 8 832 Comportamiento CEMS especificación 6 para gasto PS-7.WPF 7/1/91 5 504 Comportamiento CEMS especificación 7 para H2S PS-8.WPF 3/3/95 18 928 Comportamiento CEMS especificación 8 para VOC CEMS PS-9.WPF 3/19/96 21 085 Comportamiento CEMS especificación 9 para GC CEMS (promulgada en diciembre de 1994)
