Investigación de la influencia de la humedad del aire de admisión en los procesos de un motor de laboratorio

López Sánchez, Diego (2020). Investigación de la influencia de la humedad del aire de admisión en los procesos de un motor de laboratorio. Thesis (Master thesis), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Investigación de la influencia de la humedad del aire de admisión en los procesos de un motor de laboratorio
Author/s:
  • López Sánchez, Diego
Contributor/s:
  • Casanova Kindelán, Jesus
Item Type: Thesis (Master thesis)
Masters title: Ingeniería Industrial
Date: October 2020
Subjects:
Freetext Keywords: CoolPack, LabVIEW, Statgraphics, ETU Remote, motor CFR, ensayo, presión en cámara, gasolina 95, motor arrastrado, combustión, micrómetro, encoder, PMS, RCA, termopar, inyector, simulación, ciclo simple de enfriamiento, Excel, solver, regresión múltiple, coeficiente de determinación R^2, simulación, transferencia de calor
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El presente Trabajo Fin de Máster ha sido realizado en el laboratorio de Motores Térmicos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid. Todo el trabajo gira alrededor de un motor CFR. Este constituye un motor de investigación empleado en diversas líneas de estudio sobre biocombustibles y combustibles alternativos. Entre sus características sobresalen su versatilidad para modificar la relación de compresión y el punto de encendido, y su capacidad para ensayar tanto combustibles líquidos como gaseosos. En los últimos años ha sufrido diversas mejoras y actualmente es capaz de captar la presión en cámara y realizar un posterior postprocesamiento de los datos para poder analizar el comportamiento en el interior de la cámara de combustión. El estudio en trabajos pasados de datos recopilados con ensayos realizados con el motor CFR arrojaba una variabilidad en los resultados que dificultaba la obtención de conclusiones claras y fidedignas a la teoría. Se llegó a la conclusión que el problema radicaba en la variabilidad de la temperatura y la humedad del aire. Al comienzo del proyecto, su objetivo principal era el diseño, dimensionamiento, construcción, montaje, calibración, puesta a prueba y validación de un nuevo equipo de acondicionamiento del aire de admisión para el motor CFR. Este sistema debía proporcionar al operario del motor CFR libertad para controlar y fijar la temperatura y humedad del aire en unos valores fijos. La norma ASTM, que rige las condiciones de uso de este motor CFR, determina una temperatura del aire de admisión de 36 ºC y un rango de humedad absoluta de 3,56-7,12 (g_agua)/(kg_aire seco). En el TFM de la alumna Cristina Serrano ya se logró instalar un sistema de precalentamiento del aire mediante unas resistencias eléctricas, un relé de estado sólido y un regulador de temperatura, el cual garantiza que la temperatura del aire de admisión oscile entre 36 y 39 ºC. Por tanto, este proyecto se ha centrado en la creación de un sistema de control de humedad. Sin embargo, el repentino surgimiento de la pandemia provocada por la covid-19, trastocó los planes iniciales, ya que impidió el acceso a la ETSII desde finales del mes de marzo. Esta situación provocó que el sistema de control de humedad del aire de admisión no pudiese ser fabricado ni instalado en las instalaciones del laboratorio. No obstante, se ha intentado avanzar en su creación en todo lo posible. Con el estudio de las nociones básicas de psicrometría, se supo que para extraer un exceso de humedad en el aire es necesario enfriarlo para llevarlo a un estado de saturación y condensación de la humedad. Además, se ha llevado a cabo un estudio de mercado para encontrar un equipo capaz de suplir las necesidades. Se ha descartado la compra de un secador desecante, siendo la adquisición de un secador refrigerativo la mejor opción. Entre sus diversas alternativas, se ha decantado por emplear un enfriador de cerveza, ya que era la alternativa más compacta y económica, además de requerir menos mantenimiento. Para conocer qué modelo adquirir se ha realizado un dimensionamiento termodinámico del equipo de frío. Dicho dimensionamiento termodinámico incluye un estudio detallado de las cargas térmica. Tras efectuar una simulación de un ciclo simple de enfriamiento, los resultados arrojaron que se requería de un compresor con una potencia mínima de unos 70 W. Finalmente, se eligió un enfriador de cerveza que cumplía con los requerimientos mínimos, con un compresor de 275 W. La explicación de escoger entre uno u otro modelo del mercado se recoge en el documento. Por otro lado, del estudio de mercado efectuado se ha extraído un posible sensor de humedad y temperatura (DHT22) para ser instalado a lo largo del conducto de admisión. Este dispone de una precisión adecuada y su salida se puede conectar directamente a la tarjeta de adquisición de datos del banco de ensayos. Además, en el proyecto se presenta un modelo de humidificador, necesario para humedecer el aire si fuera necesario. Asimismo, se ha escogido un evaporador del aire acondicionado de un automóvil como intercambiador de calor en el sistema que se encargará de deshumedecer el aire. En el trabajo se ha realizado el dimensionamiento termodinámico de este equipo. El resultado de dicho estudio arrojará el número de evaporadores necesarios para suplir la potencia frigorífica demandada. Posteriormente, se presenta un ensayo de prueba de enfriamiento del enfriador de cerveza adquirido. El resultado fue satisfactorio y en el documento se podrá consultar los tiempos de enfriamiento del equipo. A partir de este momento, los objetivos del proyecto fueron modificados por tareas que pudiesen efectuarse de manera telemática, sin presencialidad en las instalaciones académicas. En primer lugar, se ha creado una herramienta capaz de simular el conducto de admisión del motor CFR considerando un caudal medio. La herramienta permite conocer un orden de magnitud de la pérdida de carga que se produce en el conducto. Asimismo, simula las propiedades termodinámicas de la corriente de aire aspirado, considerando el sistema como régimen cuasi estacionario y discretizando el conducto de admisión en varios tramos. Finalmente, se ha creado una herramienta capaz de simular las variables intrínsecas a la cámara de combustión en un ciclo completo del motor CFR, tanto con el motor arrastrado como con combustión. Permite predecir las curvas de caudal de admisión, presión en cámara, temperatura de los gases de cámara y del coeficiente de dilatación adiabática. El funcionamiento de este simulador se basa en varios factores que ajustan dichas curvas. Los factores de ajuste en los que se basan dichos simuladores fueron obtenidos en forma de expresión dependiente de las variables de entrada a partir de datos registrados en el pasado de ensayos reales con el motor CFR. Con esta última herramienta se lleva a cabo un pequeño estudio sobre la influencia de la humedad y la temperatura del aire de la admisión, así como el peso que tiene la presión atmosférica. Se ha realizado la validación de este programa y su diseño es compatible con otra herramienta creada en el pasado. De esta manera, también se podrá predecir el calor liberado y la fracción de masa quemada de ciclos con combustión.

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Item ID: 65230
DC Identifier: https://oa.upm.es/65230/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65230
Deposited by: Diego López Sánchez
Deposited on: 19 Nov 2020 08:36
Last Modified: 19 Nov 2020 08:36
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