Aprovechamiento energético de los gases de escape

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Aprovechamiento energético de los gases de escape
ÍNDICE ANTEPROYECTO
CAPITULO 1: Definición del proyecto ................................................................................ 3
1.1. Introducción ..................................................................................................................... 3
1.2. Justificación ...................................................................................................................... 4
1.3. Magnitud del proyecto ................................................................................................. 5
CAPÍTULO 2: Características de los gases de escape de un vehículo ............ 7
CAPÍTULO 3: Sistemas de aprovechamiento energético de los gases de
escape ................................................................................................................................................ 11
3.1. Turbina de gas .............................................................................................................. 12
3.1.1. Características ...................................................................................................... 12
3.1.2. Cálculos pre dimensionado .............................................................................. 17
3.2. Turbina de vapor .......................................................................................................... 20
3.2.1. Características ...................................................................................................... 22
3.2.2. Cálculos pre dimensionado .............................................................................. 26
CAPÍTULO 4: Valoración y elección del sistema más eficiente ........................ 31
4.1. Sistema definitivo con la parte eléctrica ............................................................ 32
CAPÍTULO 5: Planificación del proyecto ........................................................................ 35
CAPÍTULO 6: Coste aproximado del proyecto ............................................................ 37
CAPÍTULO 7: Anexo de croquis ........................................................................................... 39
CAPÍTULO 8: Bibliografía ........................................................................................................ 43

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David Espada García
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Aprovechamiento energético de los gases de escape

CAPITULO 1:

Definición del proyecto
1.1. Introducción

Mi proyecto encuentra su motivación en el sistema de Turbosteamer de BMW, el
cual recupera parte de la energía de los gases de escape para transformarla en
una potencia extra y gratuita, para el propio motor.

En esta primera fase, distingo dos sistemas diferentes para poder extraer energía
de los gases de escape. Hare un pre diseño y un pre dimensionado de ambos
sistemas para adoptar el que más eficiente sea, en relación al peso, a la
complejidad, a la cantidad de componentes, a su mantenimiento y sobre todo en
relación a la potencia que se pueda extraer de cada uno de ellos. Otro apartado
importante será la situación de los componentes en el vehículo, lo que limita
bastante el tamaño de algunas de las piezas y aumenta su coste y su
complejidad para extraer la mayor potencia posible.

Cualquiera de los sistemas de los que voy a estudiar, parten desde la misma
premisa, que es, aprovechar la energía de los gases de escape. Tanto uno como
otro, aparte del sistema de extracción de la energía, se componen de los mismo
componentes, es decir: El recuperador de energía (depende del sistema) +
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David Espada García
alternador/generador de electricidad + motor eléctrico. El alternador y el motor
eléctrico son siempre los mismos para ambos sistemas, lo cual el pre diseño se
reducirá prácticamente al estudio de los dos recuperadores de energía diferentes.
Durante el desarrollo completo del proyecto (PFC2) se hará el diseño completo
de todos los componentes, tanto el de recuperación de energía (sistema
escogido) como toda la parte de la obtención y uso de la electricidad y el
acoplamiento en el vehículo.

Cada uno de los dos sistemas, la parte de la obtención energética de los gases
de escape, está basado en turbinas, uno lleva una turbina de gas y otro una
turbina de vapor. Como ya he comentado antes en esta primera entrega
pasaremos por alto el diseño de cada turbina y me basare principalmente en las
potencias orientativas que podrían generar siendo maquinas perfectas, para
ayudarme a escoger la elección mas idónea y luego hacer un diseño exhaustivo
del tipo de turbina escogido. A priori, sobre el papel, la turbina de gas tiene más
posibilidades de salir ganadora del duelo, ya que es un sistema más simple. Pero
por otra parte, aun que la turbina de vapor tiene más componentes y un estudio
más extenso, la extracción de la energía por parte de esta turbina, provoca
menores perdidas al motor, cosa que si hace la de gas y es algo a tener muy,
muy en cuenta.

Por lo tanto sopesando ambos sistemas los dos tienen sus pros y contras y habrá
que hacer una valoración para tomar una decisión.
1.2. Justificación
Desde el punto de vista personal, en cuanto a la ingeniería, decidí escoger este
tipo de proyecto por que curse la intensificación de instalaciones industriales, en
la cual hice diversas asignaturas en las que trataba diferentes temas como el
energético, el de instalaciones de gas, de líquidos, etc. Son temas que me atraen
bastante, y sobre todo la energía y el aprovechamiento total de la misma.
Es inútil malgastar la energía que tanto cuesta conseguir, pero sabemos que casi
siempre se pierde energía debido a rozamientos, calores, etc., y se hace
inevitable aprovecharla al 100%. Todo y eso es ideal intentar que se pierda la
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Aprovechamiento energético de los gases de escape
mínima energía posible por el camino desde su obtención hasta su uso y en base
a esto, me sirvió de motivación para encarar este proyecto.

Desde el punto de vista global, la sociedad está muy concienciada con la
ecología. En todas partes y medios de comunicación incluidos, no paran de
bombardear sobre lo importante que es cuidar el medio ambiente y lo mala que
es la contaminación. Por lo tanto, es un tema que está muy de “moda” y por esa
razón, es algo en lo que se trabaja mucho para que en el ámbito automovilístico,
la contaminación se vea reducida. Disminuir la contaminación significa aumentar
la eficiencia de los motores. Con menor combustible, menor contaminación, para
igual potencia, por lo tanto mayor eficiencia.

El proyecto que se lleva a cabo, trata precisamente de aumentar la eficiencia de
un motor de combustión de gasolina (Otto).
No es precisamente desde dentro del motor y en un rediseño del mismo, que
está orientado este proyecto, sino que teniendo un motor convencional de
gasolina, se le añade un sistema externo al propio motor, que recuperando parte
de la energía (que antes se perdía), conseguimos sacar potencia mecánica que
inmediatamente se transforma en potencia eléctrica mediante el alternador. De
este modo podemos ayudar a recargar las baterías de un vehículo hibrido -el cual
aparte de montar el motor de combustión, monta también un motor eléctrico-,
con energía que antes se perdía y que ahora es aprovechada.

Esta situación hace aumentar la eficiencia de un vehículo y de esta manera, para
igual consumo conseguimos mayores prestaciones lo que lleva directamente a
obtener coches más “verdes”, mas ecológicos, que pueden ser un poquito más
compatibles con el medio ambiente.
1.3. Magnitud del proyecto
Como ya se ha comentado anteriormente, el proyecto aprovechara de manera
externa energía perdida por el tubo de escape, para generar electricidad. Para
ello, el proyecto necesita tres partes bien diferenciadas:
—Recuperador de energía (cid:1) Generador de energía eléctrica (cid:1) Motor
eléctrico/baterías
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David Espada García
Cada una de las partes tiene una magnitud, y en conjunto tienen la magnitud
total del proyecto.

Recuperador de energía:
En el pre proyecto, se evaluaran los dos sistemas diferentes por tal de escoger el
más eficiente en relación a diferentes parámetros que están directamente
relacionados con el consumo del vehículo. Por lo tanto de manera general, el
recuperador de energía elegido, constara:
- Calculo y diseño de la turbina
- Calculo de la instalación
- Cálculo y diseño de los componentes del ciclo de la turbina.
- Distribución de los componentes en el vehículo.
- Planos de diseño de componentes y turbina
- Planos de situación.
- Diseño y cálculo del reductor para conectar el reductor con la turbina.
Generador de energía eléctrica:
Proceso en el que se transformara la energía mecánica de la turbina en
electricidad.
- Calculo de las condiciones del alternador
- Cálculos del modo de obtención eléctrico.
- Planos del alternador.

Motor eléctrico/Baterías:
Probablemente, el motor eléctrico este situado en el eje trasero, de esta manera
también aprovechamos las ruedas posteriores para que tengan tracción. A su vez
que resta complejidad respecto a la instalación conjunta con el motor en la parte
delantera. En el proyecto tendrá un espacio dedicado de:
- Diseño del eje trasero con el motor eléctrico
- Adaptación del motor eléctrico al vehículo
- Calculo de soportes y piezas
- Planos

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CAPÍTULO 2:

Características de los
gases de escape de un
vehículo

En un motor de combustión de ciclo Otto, no se llega a aprovechar ni siquiera el
30% de la energía de los gases al explosionar en la cámara de combustión. El
otro 70% restante, se va en perdidas. Por rozamiento mecánico, por transferir
calor al exterior, etc. Por lo tanto los gases que salen por la válvula de escape
tienen unas características y propiedades ideales para poder extraer energía de
otro modo.

Características de los gases de escape:

• Temperatura salida: 900/950ºC.
• Presión de salida: 2 bares.
• Caudal volumétrico (depende de los cm³. y las rpm, en nuestro caso de
prueba, un 2.000 cm³ a 5.000 rpm)
• Caudal másico (depende de la densidad)

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David Espada García

Propiedades de los gases de escape:

Al explosionar la mezcla de gasolina+aire que había en la admisión se
transforma, mediante un proceso químico, en diferentes gases. Estos son los
siguientes:

• N2 (Nitrógeno) – 71%
• CO2 (Dióxido de carbono) – 14%
• H2O (Vapor de agua) – 13%
• CO (monóxido de carbono) – 1,6%
• HC (hidrocarburos) – 0,2%
• NOx (oxido de nitrógeno) – 0,2%

Propiedades de cada gas sobre la temperatura de 950 ºC, 1 bar.
CO2 HC
TEMP. DENSIDAD Cp [J/Kg DENSIDAD Cp [J/Kg
[ºC] [Kg/m³] K] TEMP. [ºC] [Kg/m³] K]
1000 0,4213 1292 1000 0,2156 1452
950 0,44854 1278,4 950 0,2807 1383
500 0,6937 1156 500 0,3458 1314
H2O NOx
1000 0,1725 2471 1000 0,1563 1359
950 0,18365 2437,6 950 0,2259 1332
500 0,284 2137 500 0,2954 1305
N2 CO
1000 0,2681 1213 1000 0,2681 1226
950 0,28545 1203,7 950 0,2854 1216,9
500 0,4416 1120 500 0,4415 1135

En nuestro cado la salida del escape se encuentra a 2 bares de presión. Como
esta tratado como gases ideales, lo único que se tiene que hacer es multiplicar
por el valor de la presión a la densidad y obtenemos la densidad para 2 bares. El
calor específico no varía con la presión.

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Aprovechamiento energético de los gases de escape
Por lo tanto, la mezcla de todos estos gases, da unas propiedades de media,
para poder tratarlo como un gas único, en cuanto a comportamiento en el pre
diseño.
GAS ESCAPE MEZCLADO

Cp (Calor J/Kg
especifico) 1369,9614 K
Ρ (Densidad) 0,5878 Kg/m³

En el punto que nos encontramos, no necesitamos más propiedades, con estas
dos son suficientes para sacar resultados necesarios.

Caudal de gases a la salida del motor:

Mediante unos cálculos básicos sin tener en cuenta rozamientos ni propiedades o
estados del gas que afecten a la velocidad, o provoquen turbulencias, calculamos
el caudal de los gases de escape, de la siguiente manera:
• Cilindrada: 2.000 cm³
• Numero de cilindros: 4
Volumen por cilindro:

Caudal volumétrico, es:

Para nuestro calculo, hemos impuesto una velocidad de giro del cigüeñal de 5000
rpm.

Sabemos que para 2 revoluciones hay un escape, lo que significa que cada 2
vueltas del cigüeñal, el gas que ocupa el volumen de cada cilindro sale al
exterior.
Vueltas por segundo (5000 rpm): 83,33
Por lo tanto, el gas sale 41,67 veces por segundo.
Por lo tanto el caudal volumétrico para las condiciones dadas es:

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