Contribución a la implementación de Ciclos Rankine como sistema de aprovechamiento de energía térmica residual en MCIA

Abstract

La recuperaci´on de la potencia t´ermica residual existente en los motores de automoci´on se muestra como una v´ıa para el aumento de su eficiencia. Muchos estudios en la literatura han mostrado un potencial de recuperaci´on de hasta el 15 %. En la mayor parte de los casos, las investigaciones est´an basadas en estudios te´oricos, o bien, basadas en resultados experimentales de prototipos alimentados con generadores de gases que simulan los gases de escape de un motor en condiciones estacionarias. El objetivo principal de este trabajo, es la evaluaci´on te´orico-experimental del potencial de recuperaci´on de un sistema de aprovechamiento energ´ıa t´ermica residual mediante un ciclo Rankine, aplicado en motores de combusti´on interna alternativos y en condiciones estacionarias de funcionamiento. La finalidad de este sistema ser´a conseguir una mejora en la eficiencia de los motores de automoci´on, y la consiguiente reducci´on en consumo de combustible y en emisiones de contaminantes. La metodolog´ıa que se ha seguido para realizar el trabajo, combina actividades experimentales en banco de ensayo de motor, con el desarrollo de estudio te´oricos basados en modelos 0-D para la evaluaci´on te´orica de diferentes configuraciones de ciclo y fluidos de trabajo. La interacci´on entre ambas actividades ha permitido alcanzar los objetivos planteados. Respecto los trabajos te´oricos, se ha realizado una metodolog´ıa que permite una evaluaci´on sencilla y ordenada de las prestaciones del ciclo Rankine para diferentes fluidos de trabajo, condiciones de ciclo, y secuencias de fuentes residuales a utilizar, considerando ciclos de aprovechamiento de naturaleza ideal. Posteriormente, se ha realizado un estudio de viabilidad t´ecnica de ciclos Rankine para diferentes motores, con el fin de obtener informaci´on sobre la tipolog´ıa de los elementos constructivos a utilizar (expansores e intercambiadores), criterios de dise˜no, y prestaciones finales del ciclo de recuperaci´on esperables en funci´on del fluido de trabajo utilizado. La finalidad de este trabajo ha sido doble. Por un lado, debe servir como contribuci´on sobre estudios te´oricos de ciclos Rankine como sistemas de recuperaci´on, y por otro lado, como estudios preliminares para la instalaci´on experimental de un ciclo de recuperaci´on en un banco de ensayo, que ha permitido comparar las prestaciones reales con las obtenidas te´oricamente para la realizaci´on de mejoras. En la realizaci´on del trabajo experimental del ciclo Rankine, se ha dise˜nado y construido una instalaci´on experimental acoplada a un motor de gasolina. Los estudios experimentales, en los cuales se ha basado la evaluaci´on de la potencialidad del ciclo, se han basado en estudios de puntos de funcionamiento m´as frecuentes en este tipo de motores, considerando condiciones estacionarias. El objetivo de los trabajos experimentales ha sido estudiar los efectos de la implementaci´on de sistemas de recuperaci´on de energ´ıa t´ermica residual en el veh´ıculo, y en consecuencia, cuantificar el efecto del mismo en la eficiencia global del motor.