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Mejora de la eficiencia de combustión de los motores

Mejora de la eficiencia de combustión de los motores

para quemar

Modelización teórica de las máquinas térmicas y de hecho la aparición de la termodinámica como una rama de la física ha experimentado un gran avance después de la publicación por Sadi Carnot de su estudio titulado " Reflexions sur la puissance du feu et sur ​​les máquinas conducción propres à cette developper puissance ' ( en 1824 ) .
Se acepta monothermal que en un proceso cíclico , sólo trabajo mecánico puede ser convertida en calor, pero no al revés. Con el fin de obtener la conversión del calor en trabajo mecánico es necesario que la máquina de calor funciona con dos fuentes de calor a diferentes temperaturas .
Carnot previo el año ideales principio de funcionamiento de las máquinas reversibles BITHERM cuyas actuaciones se ha demostrado que el rendimiento del límite superior para cualquier verdadero térmica Qué máquinas operadas entre las mismas temperaturas extremas como el ciclo de Carnot.
Máquinas térmicas reales difieren de la ideal porque tienen piezas móviles con la fricción y la pérdida de calor y estos datos cambiará el balance de energía .

Carnot Cycle
Figura 11

. Figura Presentado 11 es el ciclo de la máquina ideal de una térmica llama a menudo como , el ciclo de Carnot " . . Este ciclo consta de cuatro procesos . Entre los estados A y B no es la expansión de la isoterma de gas, el cilindro está en contacto térmico con la fuente caliente a temperatura T1 . Durante esta expansión isoterma , el gas recibe una cantidad de Q1 de calor de la fuente caliente .
Entonces , el contacto con la fuente caliente se rompe y el gas se somete a expansión adiabática año entre los estados B y C. En el estado C , la temperatura del gas T2 EQUAL alcance la temperatura con la temperatura de la fuente de frío .
En el curso de la A - B y B - C transformaciones , las moléculas de gas produce trabajo mecánico sobre el pistón ( empuja ) y esto hace girar el volante de inercia .
Alcanzar Una vez que la temperatura T2 , el gas se pone en contacto térmico con el segundo tanque llamado fuente de calor frío . Debido a la inercia , el volante de inercia gira Además, aunque pistón está acoplado y comprimir isotérmicamente ( en T2 ) de gas entre C y D. Durante esta compresión isoterma , transferencias fuente de calor de gas a la cantidad de calor Q2 años . En el estado 4 , el contacto térmico con la fuente de frío se interrumpe y el pistón adiabático comprime el gas al estado inicial cuando la temperatura vuelve a T1 .
Cuando el ciclo se realiza en la dirección de las agujas del reloj , esto se llama ciclo de Carnot directo. El trabajo total suministrado ( L> 0 ) , en términos de coordenadas pV de la figura 11 , será el área contenida dentro del ciclo , positivo por convención.
Como puede ver , el área es descrita por dos curvas isotermas en secciones AB y CD y dos curvas adiabáticas en porciones BC y DA . Estas transformaciones son las condiciones que se consideren idóneas y al runnig del motor después de este ciclo de calor ideal produciría :
η = ( T1 - T2 ) / T1
T1 - La temperatura de la fuente caliente
T2 - temperatura de la fuente de frío
Para lograr este rendimiento en la práctica , la transición de la T1 a la T2 DEBE hacerse de forma repentina , de modo que los gases que no cumplen en la carretera Las temperaturas y las conversiones intermedias tienen que ser perfectamente reversible.
En realidad, esta eficiencia no se attainted ya veces el rendimiento es bastante lejos de ella. Como una idea general de la eficiencia del motor térmico varía bastante amplio, de la siguiente manera :
• Fácil de vapor = 2 %
• Vapor refinado = 20 %
• Turbinas de vapor = 25 %
• carburador = 35 %
• Motor Diesel = 45 %

Cómo mejorar la eficiencia del proceso de combustión ?

Este material es la extensión de un texto anterior y clarifica aspectos importantes de cómo ejecutar básicamente el proceso de combustión para lograr máxima de trabajo . El principal punto que queremos aclarar el uso de agua se inyecta directamente en el cilindro o se utiliza como emulsión o solución para aumentar la producción mecánica.

Puede emulsionados con agua desionizada o normal de combustible alimentada al cilindro de combustión para mejorar directamente la salida del motor ?

Como se describió anteriormente , año motor de combustión interna genera trabajo mecánico debido al gradiente de presión generada por el combustible quemado en el cilindro . En general, los motores de combustión funcionan con gas natural ( presión LPG ), gasolina , diesel y otras fracciones de destilación del petróleo.
Vi en Internet que proponen unas pocas patentes de agregar agua en proporciones que varían de 10 a 40% para los combustibles líquidos con el fin de aumentar la eficiencia del motor . Hasta hace unos años , pensé que habría Estas patentes son absurdas , o eso parece , desde el punto de vista de la física clásica. No está permitido que una certeza de que el combustible tiene un poder calorífico , que se diluye con una sustancia no inflamable ITS que reduce calorífico Ese curso y reclama al final se obtiene un mayor rendimiento de la operación del motor . Ahora, cualquier persona con cuidado cuando se analizan los fenómenos en términos de una nueva teoría de la termodinámica , esta parece ser la manera más simple y más obvia para convertir el calor (o una gran parte de este calor ) directamente en trabajo mecánico .
Aunque la termodinámica real Estos no prestó atención a las patentes , el estudio cuidadoso de la combustión puede probar que estas patentes tienen una explicación científica muy sencilla e intuitiva .
Vamos a considerar de nuevo el motor diesel y hacemos una comparación entre el funcionamiento de un motor Tal octano y luego se alimentó con una mezcla con 45 % de octano , 50 % de agua y 5 % de emulsionante . Por supuesto que estamos interesados ​​en la eficiencia del motor , expresada por la capacidad de producir trabajo mecánico , para dos combustibles estas sustancias.
Por simplicidad , supongamos una vez más que el inyector recibe la orden de recepción cada vez que un volumen de combustible de 0,1 ml durante la fase de encendido y el volumen del cilindro de combustión es 0,7 litros .
El uso de combustible normal ( octano puro para simplificar) en el ciclo normal de funcionamiento del motor después de volúmenes de combustión tenemos los siguientes :
improved-combustion-01
porque entalpía de la reacción no es ? h = -5460 kJ / mol .
Un mol de octano líquido ocupan un volumen de alrededor de 0,2 L , mientras que un mol de gas ( oxígeno , dióxido de carbono o agua ) ocupa un volumen de 22,4 L. A partir de la estequiometría de la ecuación tenemos 12,5 moles de oxígeno Eso significa que es 280 litros consume durante la combustión de octano de un lunar . Después de la quema , debido a las condiciones de reacción RHE , todos los productos se han traducido en forma gaseosa y se pondrán dichos productos ocupan 381 L.
Si el inyector tarda sólo 0,1 ml de octanaje en el cilindro , que significa que va a ser la admisión durante el volumen mínimo requerido de 0,14 l de oxígeno y eso significa que un volumen de aire mínimo de 0,7 L. Los volúmenes resultantes dan esa 0.0896 cálculos de CO2 L y 0,1008 L de H2O ha producido . El análisis del motor se realiza entre dos fases sucesivas del ciclo de trabajo : menor punto muerto cuando el cilindro está lleno de aire y la segunda fase después de la combustión , cuando después de émbolo gira y se mueve hacia el punto muerto inferior de nuevo. La cantidad de nitrógeno , es decir, 0,56 l N2 ( 0,7 ± 0,14 ) desde el cilindro se calienta solamente y no participan procesos químicos.
Si se genera por mol de octano líquido ( 200 ml ) Una cantidad de calor -5460 kJ , 0,1 ml de ENTONCES se va a producir rendimientos -2,73 kJ . Una vez más , para simplificar, vamos a considerar todo el calor de reacción que sólo contribuye al aumento de la temperatura del gas en el cilindro.
Sin entrar en detalles , vamos a aproximar el calor específico de la mezcla de gas de su tanque con el de nitrógeno Cv = 0,8 kJ / kg K. Para un cálculo detallado que se debe considerar para cada calor específico , la variación del calor específico con la temperatura y Composición Porcentual del gas final, pero en la medida de esta variación no es tan grande que puede hacer este apporximation una caracterización razonable del fenómeno .


Necesitamos saber la masa de los gases generados durante la combustión dentro del cilindro y esto se puede obtener de las relaciones conocidas usadas en química :
Para el nitrógeno : improved-combustion-02
donde M = 28 , v = 0,56 l y VM = 22,4
en consecuencia, la masa de nitrógeno en el cilindro es - improved-combustion-03
masa similar de dióxido de carbono se mejora - improved-combustion-04
y los vapores de agua improved-combustion-05

La masa total de los gases después de la combustión en el cilindro es de aproximadamente 0,957 g y la mezcla se -2.73 kJ de calor .
De la definición de la capacidad de calor :

improved-combustion-06

Con estas aproximaciones e idealizaciones , en la fase final de la relajación, cuando los gases de combustión son expulsados ​​a la atmósfera, su temperatura es de unos 3500 ° C, y por supuesto se pierde el calor.
En la práctica, esta temperatura no es circuito de refrigeración ALCANZADO Debido a que toma un poco de la producción de calor del cuerpo del motor no está aislada y perder otro transferencia directa de calor , etc . Se cree que la temperatura máxima obtenida durante la combustión de la mezcla de gas es de entre 2.000 y 2.500 ° C , y la temperatura de los gases de escape en el cilindro es de entre 600 y 900 ° C.
El trabajo útil está dada por la expansión de los gases ( nitrógeno caliente , dióxido de carbono y agua ) en el cilindro del motor .
Ciertamente nuestro ejemplo es puramente teórica , pero puede se puede adaptar fácilmente a la modelización real.
Vamos a ver qué pasa si el combustible contiene 50 % de agua y para la Simplificación emulsifinat el poder tiene las mismas calorías que octanos.
En este caso , aunque el inyector de tomar el mismo volumen de líquido Hacia cilindro ( 0,1 ml ) , octano es sólo 0,05 ml de 0,05 ml y el resto es agua . Por supuesto experimento se realiza sin modificar las características técnicas del motor ( la etapa de admisión toma la misma cantidad de aire y así sucesivamente ) .
Vuelva a realizar el mismo cálculo anterior tenemos 0,05 ml de octano que producirá el medio de calor antes de que consumir la mitad del oxígeno en el cilindro de combustión generado la mitad del dióxido de carbono y agua producida previamente .
Si usted toma 0,05 ml de octano inyector en el cilindro , y la entrada de aire es de 0,7 l, habrá un exceso de oxígeno sin reaccionar , el proceso de combustión durante Debido a que sólo se Consumido 0.07 . Por la reacción en este caso 0.0448L Nos pondremos 0,0504 L de CO2 y H2O .
La cantidad de nitrógeno y oxígeno en exceso , es decir, 0,63 l ( 0,7 a 0,07 ) tomadas en el interior del cilindro y no participar Procesos Químicos se calienta , The Burning dará a conocer en este caso sobre 1.365 kJ. Una vez más , para simplificar, vamos a considerar todo el calor de reacción que sólo contribuye a la evaporación de agua añadida en el combustible y también aumentar la temperatura del cilindro .
Con el fin de convertir el agua líquida en vapor de 0,05 ml sobre Mejora de la combustión - 07 es necesario .
Estos resultados son increíbles . Aunque hemos introducido 50 % de agua en el combustible y el agua caía al vapor en el cilindro, y por supuesto esto creamos una CAN gradiente de presión de vapor más grande que puede ser útil convertida en trabajo mecánico , la temperatura de los gases de escape es lo suficientemente grande como para ¿Necesita un dispositivo de enfriamiento secundario para el motor en su conjunto . Estoy seguro de que alguien que sea capaz de trabajar mecánica general Incluso utilizando 20 % de combustible y 80 % de agua y en este caso, el rendimiento del paso elevado ya motor Carrnot Tales límites.

Volviendo a nuestro ejemplo, el calor que se elimina del sistema será de 1,23 kJ.
Si repetimos los cálculos anteriores con el fin de obtener la temperatura de los gases de escape del cilindro en la combustión Teniendo en cuenta las condiciones ideales , se puede observar que se trata de 1.500 ° C.
masa de gas en el cilindro después de la cocción :
Para el nitrógeno : improved-combustion-02
donde M = 28 , v = 0,56 l y VM = 22,4
en consecuencia, la masa de nitrógeno en el cilindro es 0,7 g
Masa de la  oxígeno - improved-combustion-08
masa similar de dióxido de carbono se mejora - improved-combustion-09
Mejora de vapor de agua y la improved-combustion-10
De la definición de calor molar :
improved-combustion-11

Con estas aproximaciones e idealizaciones , en la fase final de la relajación, cuando los gases de combustión son expulsados ​​a la atmósfera, su temperatura es de unos 1500 ° C, y por supuesto se pierde el calor secundario.
El experimento muestra , a pesar de los EE.UU. que se pierde poco de gradiente de temperatura , es una sustancial se puede obtener aumento útil en el trabajo debido a la vaporización del agua en el cilindro que genera un gradiente de presión .
El libro será realizar un cálculo más detallado del rendimiento de trabajo útil para los casos ideales y reales .
Aunque este cálculo se hizo para el motor ideal de años , el modelo es muy fácil de ajustar para los motores reales de tal manera que un porcentaje de hasta el 75 % o incluso el 80 % puede ser agua emulsionated en el combustible. Por supuesto , el año aumento en el porcentaje de agua en el combustible plantea cuestiones relativas a la quema , la corrosión y así sucesivamente, pero estos son temas secundarios que se pueden superar fácilmente.
Lo que no se entiende en la termodinámica actual y de muchos de los teóricos es el simple hecho de que esencialmente años PUEDE motor que funciona sin la necesidad de dos fuentes de calor. La necesidad de fo la transferencia de calor hacia la fuente fría es sólo de Condiciones Necesarias prácticas becasuse que dammage el motor, pero no es una , la "necesidad .
Este motor puede lamentablemente no se clasifica como más , el motor de combustión interna " Él es realmente un motor de combustión de vapor combinado con generación directa de vapor en el motor de combustión del cilindro.

¿Cómo se puede mejorar la producción de electricidad en el plantpower ?

Aproximadamente el 80 % de la electricidad mundial se basa en la quema de combustibles (carbón, petróleo , biomasa, etc.) Un crecimiento sin precedentes del consumo de electricidad aumenta la contaminación , el cambio climático grave del medio ambiente y genera una gran cantidad de otros daños adversa que afecta al planeta entero .
Ciertamente , hay una tendencia a limitar los efectos de la actividad industrial humana a través de una serie de reglamentos, pero playerss Major sigue siendo reacio a introducir normas restrictivas . Su resistencia se debe al hecho de que la adopción de estas normas son inversiones necesarias para limitar los contaminantes .
Por supuesto , tarde o temprano será necesario contar con una producción de energía limpia y sin emisiones secundarias , pero esta investigación se aborda la situación actual y muestra que la producción de energía sin regulación al menos se puede doblar , sin aumentar el consumo de combustible. Eso significa que podemos duplicar la producción de energía, mantenimiento de los actuales límites de emisiones contaminantes , que ya es un gran paso .

Producción térmica convencional es por la figura del ciclo Rankine . Enero.

 improved-combustion-12


Figura 1 . Simplificado Rankine Cycle L Producir el trabajo mecánico
En este ciclo el volumen de agua se somete a cambios físicos ( evaporación, condensación , Aumentar la temperatura o disminución) como un resultado del contacto con dos tanques de calor a diferentes temperaturas . El agua se evapora en la caldera y turbina ENTONCES que se transfiere para el envío realiza trabajo mecánico y esto además hacer girar la turbina genera electricidad . El barco es luego luego se pasa al condensador y la bomba de calor y colocada de nuevo en el ciclo de calentamiento .
En la actualidad, la quema de combustible en plantas de energía tiene lugar a presión constante ( presión atmosférica) y esto lleva a la pérdida de rendimiento , ya que el gradiente de presión se genera durante ese la combustión de combustibles líquidos no se pueden utilizar .
Con el fin de mejorar el rendimiento de todo el proceso para la combustión de combustible se debe hacer en un gran motores turbo , y en este caso se recuperó el gradiente de presión a medida que el poder Mecanical primero , y luego el gradiente de temperatura se transfiere al ciclo de Rankine otros tambores convierten en energía mecánica como en la figura . Febrero. .

improved-combustion-13

Figura 2 . Versión mejorada de la quema de combustibles líquidos

Bajo estas condiciones mejoradas de turbina de gas de combustión sólo trabajo mecánico recuperado de ( L1 ) es mayor que el producto L ciclo Rankine clásico trabajo (Fig. 1 ) . El uso adicional como agente de vaporización / compuesto orgánico años condensación o una mezcla de compuestos orgánicos a utilizar mejor menor que las temperaturas de este ciclo, el trabajo mecánico recuperado puede ser el doble de los trabajos obtenidos para el ciclo de Rankine clásico.
Por supuesto, diseñado para las nuevas plantas de energía , el ciclo de Rankine puede ser totalmente desestimada y los motores turbo maxi tiene que ser diseñado para utilizar un combustible de agua, ya sea directa o emmulsion para inyectar agua en la cámara de combustión y recuperar tanto como la energía mecánica posibl .

 

 

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