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• marcelo_szx

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PARAMETROS TÉRMICOS DE LA PLANTA Para este capítulo se introducirán las ecuaciones termodinámicas y el balance de energía del ciclo diésel. Posteriormente se definirán las variables de operación de la planta, las cuales determinan el trabajo específico de las unidades motrices y principalmente la eficiencia de la planta.

1.1

CICLO DIESEL

La planta dispondrá de cuatro (02) unidades motor de combustión interna que operarán bajo un ciclo diésel. Todas unidades desarrollaran el mismo ciclo termodinámico. A continuación, la ilustra el proceso de la planta motor diésel:

Los parámetros internos del motor son: MOTOR DIESEL MOTOR (4 tiempos) Velocidad Presión media efectiva del pistón Presión de compresión N° de cilindros Diámetro del cilindro Carrera del cilindro Consumo de combustible al 85% MCR Potencia Nominal - 20 cilindros Potencia Nominal - 1 cilindro Los parámetros ambientales analizados son: PARÁMETROS AMBIENTALES Presión atmosférica Temperatura Humedad relativa

DATOS MAN 20V32/44CR 720 27.33 195 20 – disposición en V 320 440 172 11600 580

UNIDAD

DATOS 958 20 4.21

UNIDAD mbar °C g/kg

RPM bares bares mm mm g/kWh kW kW

Los procesos termodinámicos del ciclo diésel son los siguientes:

(E – A) Carrera de admisión o aspiración: (A – B) Compresión adiabática: Idealmente el proceso es isentrópico (entropía constante) El volumen del cilindro se reduce:

La temperatura al final de la compresión:

La presión al final de la compresión, mediante ley de gases ideales:

(B – C) Expansión isóbara: Calentamiento instantáneo de la sustancia a presión constante. Se mantiene la presión, pero el volumen aumenta (aire + combustible). La presión se mantiene constante: El volumen en C: La temperatura en C:

(C – D) Expansión adiabática: idealmente el proceso es isentrópico. Volumen en D es igual en A, la temperatura será:

Presión en este estado:

(D – A) Rechazo o expulsión instantánea del calor a volumen constante: Se mantiene constante el volumen, pero existe una transferencia de calor inmediatamente a través de las paredes desde adentro de la cámara de combustión hacia fuera de la misma. (A – E) Carrera de escape: Se abre la válvula de escape para la eliminación de los gases quemados producidos en la combustión, además se cede el calor a la atmósfera. Eficiencia del ciclo En función de los volúmenes:

En función de temperaturas:

Donde: r: Razón de compresión rc: Relación de combustión y: proporción entre las capacidades caloríficas

Para determinar la eficiencia indicada y del consumo de combustible utilizamos las siguientes expresiones 𝑔𝑒 ∗ 𝑁𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 3600 𝐺𝑐 = 𝑛𝑒 = 1000 𝑔𝑒 ∗ 𝐻𝑢 Adicionalmente para determinar la masa de aire empleamos la siguientes formulas Determinación de la temperatura y densidad del aire a la salida del turbocargador 𝑛−1 𝑛

𝑃𝐾 𝑇𝐾 = 𝑇0 ∗ ( ) 𝑃0

𝜌𝐾 =

𝑃𝐾 𝑇𝐾 ∗ 𝑅

Potencia efectiva en función de la eficiencia volumétrica 𝐻𝑢 ∗ 𝑛𝑒 ∗ 𝜌𝑘 ∗ 𝑛𝑣 𝑛 𝑁𝑒 = ( ) ∗ 𝑉𝐻 ∗ 𝑙𝑘 ∗ 𝛼 120 Calculo del flujo de aire 𝑚̇𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑛𝑣 = 𝑛 𝑉𝐻 ∗ 𝜌𝑘 ∗ 120 CASO: COMBUSTIBLE DIESEL Disponemos de los siguientes datos:

PARAMETRO Poder Calorífico Inferior Densidad Diésel Densidad del aire Relación aire combustible Coeficiente de exceso de aire Índice politrópico de compresor Temperatura de ingreso (20°C) Presión de ingreso Cilindrada total Relación de compresión

DATOS 42700 850 1.225 14.5 1.8 1.34 293 958 0.708 13.9

UNIDAD kJ/kg Kg/m3 Kg/m3 Kg/kg

K mbar m3

Empleando las ecuaciones anteriormente establecidas, los resultados obtenidos son: RESULTADOS Eficiencia Potencia del motor Heat Rate Consumo de combustible (Gc) Consumo especifico de combustible (ge) Temperatura de aire (ingreso al compresor) Temperatura de aire (salida del compresor) Temperatura de aire de ingreso (salida del intercooler) Presión de aire de ingres (salida de intercooler) Presión máxima de combustión Temperatura de gases de escape (entrada de turbo) Temperatura de gases de escape (salida de turbo) Presión de gases de escape (entrada de turbo) Presión de gases de escape (salida de turbo)

DATOS 0.4642 11.52 7754.32 2092 181.6

UNIDAD

20 240 40.7 3.961 246 518 305 2.871 0.03

°C °C °C bar bar °C °C bar bar

MW kJ/kWh kg/h g/kWh

Verificando la potencia del motor a partir de los datos: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑚̇ 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 ∗ 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ∗ 𝑃𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 2092 ∗ 0.4642 ∗ 42.7 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 11.52 𝑀𝑊

1.2 Derrateo de potencia efectiva y Heat Rate De los datos del capítulo “Ubicación”, se toma los valores de temperatura promedio anual, presión atmosférica promedio anual y humedad relativa promedio anual. Temperatura promedio anual 12.125 °C

Presión promedio anual 645.36 mbar

Humedad promedio anual 0.1 %

Los factores de corrección a las condiciones ambientales de la planta ya fueron determinados y son: 𝒇𝒕𝟏 = 𝟎. 𝟗𝟔 𝒇𝒕𝟐 = 𝟎. 𝟗𝟐 𝒇𝒕𝟑 = 𝟎. 𝟗𝟗𝟗 La potencia efectiva real y el heat real son: 𝐻𝑅 (𝑟𝑒𝑎𝑙) =

𝐻𝑅 𝑓𝑡1 ∗ 𝑓𝑡2 ∗ 𝑓𝑡3

𝑃𝑒 (𝑟𝑒𝑎𝑙) = 𝑃𝑒 ∗ 𝑓𝑡1 ∗ 𝑓𝑡2 ∗ 𝑓𝑡3 Reemplazando valores: 𝐻𝑅 (𝑟𝑒𝑎𝑙) =

7754.32 = 6754.54 0.96 ∗ 0.92 ∗ 0.999

𝑃. 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 = 11.52 ∗ 0.96 ∗ 0.92 ∗ 0.999 = 230 𝑀𝑊 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒆𝒇𝒆𝒄𝒕𝒊𝒗𝒂 = 𝑴𝑾 𝑯𝑹 (𝒓𝒆𝒂𝒍) = 𝒌𝒋/𝒌𝑾𝒉