El presente trabajo de tesis realiza un análisis de la evaluación del consumo de combustible y emisiones de dos vehículos livianos, marca Kia Rio y motor de encendido por chispa, funcionando con dos mezclas de gasolina y etanol (E7,8 y E10). Uno de los vehículos transitó en Lima Metropolitana, mientras que el otro en la ciudad del Cusco. Ambos vehículos fueron instrumentados adecuadamente, para obtener un registro de las emisiones y trayectoria del circuito de conducción. Además, se obtuvo el valor promedio del consumo de combustible. Las pruebas fueron realizadas en diferentes días y horas. Con los resultados obtenidos durante los ensayos, tanto en Lima Metropolitana y Cusco, se puede inferir que el consumo de combustible aumenta de acuerdo al tráfico de la ciudad (+15%) y la altitud de la zona (+17,8%). Del mismo modo, mientras más se aumente el contenido de etanol a la mezcla, el consumo de combustible sufre un ligero incremento de 18%; ya que el etanol, a diferencia de la gasolina, posee un poder calorífico inferior; en tal sentido, el motor necesitará un mayor consumo de combustible para desarrollar la misma potencia. Con respecto a las emisiones gaseosas expulsadas por el vehículo, se observa un aumento de CO (+60%) y HC (+80%) debido a las condiciones de tráfico y un mayor consumo de combustible. Por otro lado, el incremento de etanol en la mezcla de combustible influyó que las emisiones de CO presentaran un descenso; caso contrario sucedió que las emisiones de NOX se incrementaran ligeramente. De igual forma, el efecto de altitud provocó menores emisiones de CO, NOX y HC en gramos por kilómetro, ya que en Cusco el porcentaje de oxígeno disminuye a 67% en volumen de aire a causa de la presión atmosférica que cae a 67,2 atm. Finalmente, las emisiones de CO2 no sufrieron mucha influencia por el aumento de etanol, ni por efecto de la altura.

El presente trabajo desarrolla el Diseño de un sistema de extracción localizada para el Laboratorio de Carbón, que sirva o permita la extracción de los gases producidos al momento de realizar los ensayos ya sea con briquetas de carbón, biomasa (residuos forestales) o cascarillas de arroz. Para capturar las partículas se desarrolla un sistema de extracción compuesta por una campana extractora localizada tipo Canopy (fija), el transporte de los gases y partículas se realiza por medio de conductos (rectangulares), codos, un sistema de regulación, absorbidas por un ventilador centrifugo que opera a presión negativa, pasando por los filtros de mangas (polipropileno) para la captura de partículas y finalmente por el depurador de limpieza (lavador tipo Venturi), se realiza el lavado de los gases extraídos. El cálculo para la selección y diseño del sistema de extracción, comprende de ductos de 300mm× 300mm, donde el fluido es absorbido con una velocidad de captura de 0,6m s , velocidad de entrada (transporte) de 20m s , se opta un ventilador centrífugo de alabes inclinados hacia atrás, es decir < 90° 2 β , lo cual tiene como característica un menor consumo de potencia, la transmisión de la potencia del motor hacia el ventilador se realiza por medio de bandas V, la velocidad del rotor y potencia del motor-ventilador es de 1548 rpm y 2.0 hp , finalmente para la limpieza y captura de las partículas se realiza por medio de filtro cuya área neta de la tela es aproximadamente 38 m2 y un área total de la tela de 75 m2 . Finalmente se presenta los planos de ensamble, despiece y fabricación de todo el sistema de extracción con un costo total de $ 31,730.00 (dólares americanos), se realiza los manuales de la instalación y de operación del todo el sistema de extracción localizada. Se adopta las Normas Técnicas de Prevención Españolas para establecer los valores admisibles dentro de laboratorio y mantener el confort de las personas al momento de realizar los ensayos.

El presente trabajo consiste en el diseño de un sistema de extracción de gases de combustión bajo condiciones controladas (velocidad y temperatura), con la finalidad de acondicionar los gases de combustión de la quema de la leña, bosta y yareta para la identificación y cuantificación de las emisiones según normas internacionales. Este sistema se instalará en el Laboratorio de Energía de la Pontificia Universidad Católica del Perú. El diseño de este sistema de extracción se basa en el método 5G de la Agencia del Medio Ambiente de los Estados Unidos de Norteamérica (EPA), que se centra en los procedimientos para la medición del material particulado de estufas estáticas. Esto se complementa con las recomendaciones la Sociedad Americana Gubernamental de la Industria Higiénica (ACGIH), Asociación Americana de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE), Asociación Nacional de Contratistas de Fabricación en Láminas de Metal para Aire Acondicionado (SMACNA), entre otros. Las condiciones nominales de operación del sistema son las siguientes: capacidad de extracción de la mezcla de gases (aire con gases de combustión) 0,27m3/s, temperatura de la mezcla de gases al ingreso del sistema es de 76°C. Estas condiciones se alcanzan cuando en la estufa estática se quema 4.7 kg/hr de combustible (leña). El sistema de extracción cuenta con tres zonas: (i) zona inicial, (ii) zona de estabilización, y (iii) zona de medición. Cada una de ellas cumple con una tarea predeterminada para llevar a cabo el proceso de medición. Las dimensiones de los ductos y accesorios (longitud y diámetro) se estimaron en base a la velocidad recomendada de operación considerando el flujo de extracción de gases obtenido. Los diámetros de los ductos y sus longitudes se encuentran entre 150 mm a 300 mm, y 250 mm a 3030 mm, respectivamente. Así mismo las dimensiones de las chimeneas se obtuvieron después de analizar las condiciones externas (edificaciones contiguas) al Laboratorio de Energía, siendo la altura obtenida de 21,5m. Esta altura garantizaría la correcta dispersión al medio ambiente de los gases de combustión, evitando así la contaminación de los edificios con estos mismos. Sin embargo obtener esta altura no será posible debido a las condiciones en la infraestructura del Laboratorio. Se calcularon las pérdidas de presión en la zona de medición, logrando obtener una caída de presión de 66,59mmH2O, este procedimiento se realizó para realizar la selección del ventilador a usar en esta zona con la finalidad de obtener un control permanente sobre la velocidad del flujo de gases en el interior del sistema de extracción. Finalmente se realizó un cuadro comparativo para las dos propuestas económicas presentadas por las empresas Tecnitemp EIRL e Ingeniería Industrial Arana EIRL para la fabricación del sistema de extracción, siendo la empresa Ingeniería Industrial Arana la que ofrece una mejor propuesta económica para realizar este trabajo.

La presente tesis tiene como objetivo plantear una metodología de análisis exergético que permita identificar los principales factores que producen las mayores pérdidas de energía en el proceso de combustión interna en motores de encendido por chispa. Una vez identificadas las principales pérdidas se sugieren estrategias específicas para mitigarlas en cierto grado, incentivando así a difundir las ventajas y aplicaciones que tiene el análisis Exergético para equipos térmicos. La estructura de la metodología propuesta está basada en metodologías internacionales de evaluación de motores tales como la norma SAE J1349 MAR2008 y SAE J1995, cuya aplicación permite realizar el análisis exergético de modo cuantitativo y con mayor simplicidad de cálculo en comparación con el análisis energético. Por lo tanto se presenta como una herramienta de cálculo más accesible hacia las personas, que con tan solo tener una base teórica general serán capaces de aplicarlo identificando los tipos, magnitudes y localizaciones de las irreversibilidades que se presentan durante el proceso de combustión cualitativamente. Para lograr el objetivo de esta tesis se inicia con la descripción de las características termodinámicas y mecánicas de los motores de combustión interna de encendido por chispa, luego se continuará con los conceptos teóricos necesarios para desarrollar el análisis energético y exergético. Además se propone la metodología de análisis según los ensayos realizados a un motor Nissan GA15DS de combustión interna encendido por chispa. Por último se valida dicha metodología mediante la comparación del análisis de los resultados obtenidos de los ensayos con trabajos similares anteriores a la presente tesis. También se presentan diagramas de Grassmann y Sankey que permiten observar el comportamiento de los flujos de exergía y energía identificando lugar y magnitud de las pérdidas. Adicionalmente se realiza la comparación de los resultados obtenidos del análisis energético con el exergético con fines didácticos para que el interesado pueda observar la ventaja y desventaja que posee cada tipo de análisis termodinámico. Finalmente, de los resultados obtenidos en los ensayos realizados, se llega a concluir que las principales irreversibilidades donde se disipa el mayor porcentaje de la exergía se dan en los gases de combustión, la transferencia de calor por radiación y por el sistema de refrigeración con un porcentaje de 10.3%,15% y 37.9% respectivamente.

En los últimos años se han unido esfuerzos en la búsqueda y el aprovechamiento de fuentes de energía alternativa para la realización de diversas actividades tanto en el ámbito industrial como doméstico. Fuentes de energía alternativa que brinden una energía de calidad pero con bajos costos de obtención y de operación; esto debido, básicamente, al escaseo de los combustibles que comúnmente conocíamos y que veníamos utilizando. En este documento, el tema tocado es referido a la utilización del gas natural vehicular. El presente trabajo de tesis, está enfocado al proceso mismo de la conversión de los vehículos a gas natural, con la finalidad de presentar de manera ordenada los procedimientos de la misma, así como de los controles que deben realizarse antes de y luego de realizada la conversión. Este trabajo lo que busca es ser una base para iniciar, o continuar, ahondando en los efectos que produce sobre los diversos sistemas del vehículo convertido. Para la realización de este trabajo fue necesario realizar visitas a talleres de conversión dentro de la ciudad para consultar con los dueños y/o jefes de tales talleres la manera cómo llevan a cabo sus conversiones y algunos inconvenientes que se presentan durante este proceso. De esta manera, se puede obtener una visión de campo sobre el proceso de conversión; sin embargo, también ha sido necesaria la investigación de publicaciones de los enterados sobre el tema, así como, obtener normativa y legislación para entender qué es lo que se permite y qué lo que no en una conversión, de lo cual, un jefe de taller generalmente no comenta. Finalmente, se puede decir que, tanto el negocio de las conversiones como el de la utilización del gas natural en motores fabricados para tal, se les augura un buen futuro, por los ahorros percibidos por los usuarios, y por la calidad de las emisiones en los gases de escape; el único tema por resolver, es la manera en cómo se puede llevar a cabo una distribución masiva del gas para que no solamente usuarios de la ciudad de Lima puedan beneficiarse de su utilización. Asimismo, se puede decir que, finalmente la utilización del gas natural estaría destinada a aquellas personas cuyo recorrido anual sea un poco elevado debido a los costos que existen para la conversión y a que el ahorro de combustible es más percibido cuando se recorre más con el vehículo.

La presente tesis aborda un análisis experimental del rendimiento, y emisiones de gases de escape de los efectos del octanaje y del contenido de etanol de la gasolina comercial sobre el comportamiento de un motor mono-cilíndrico de encendido por chispa que pertenece a un grupo electrógeno CATTINI/RI1500T2 de 1500 W, el cual fue abastecido con distintos gasolinas y gasoholes de distintos octanajes, se varió la relación de compresión y fue instalado en el Laboratorio de Energía de la PUCP. Se utilizaron 3 gasolinas comerciales (gasohol, E7.8) diferenciados por el índice de octano: gasohol 90 plus, gasohol 95 plus y gasohol 97 plus. Posteriormente, mediante un proceso de destilación implementado fue separado el contenido de etanol de estos combustibles. Con ello, se obtuvieron, en total, 6 muestras de combustibles (3 E7.8 y 3 E0). Adicionalmente, se variaron las dimensiones de la cámara de combustión; obteniéndose 3 relaciones de compresión: RC1 (10.1: 1), RC2 (8.4: 1) y RC3 (11.5: 1). Los ensayos fueron realizados en 15 condiciones de carga. Los resultados obtenidos muestran que el consumo de combustible disminuye (mayor rendimiento efectivo) para mayores relaciones de compresión usando un apropiado nivel de octanaje. En referencia a los parámetros calculados, se podría afirmar que el rendimiento efectivo del motor aumenta conforme se incrementa la carga y la relación de compresión; cuando no se tiene evidencia de una combustión anormal para un apropiado nivel de octanaje. Además se logró registrar la vibración del funcionamiento del motor y se identificó un ligero menor nivel de vibración al usar combustibles de 95 octanos. Por otro lado, los resultados de las emisiones muestran que las cantidades de emisiones de CO dependen íntimamente del dosado relativo; para un dosado relativo que incrementó su valor desde 1 a más (mezclas ricas en combustible), sus emisiones de CO aumentaron. Debido al mayor contenido de oxígeno en los E7.8 se tiene una combustión más completa y se reducen las emisiones de CO y no dependió significativamente del nivel de octanaje. En efecto; al haber una combustión más completa, las emisiones de CO2 aumentaron y se tuvo la reducción de los hidrocarburos no quemados

El presente trabajo analiza el comportamiento de un motor estacionario de cuatro tiempos del ciclo Diesel, para lo cual se consideró tres regímenes de giro del motor (1000, 1500 y 2000 RPM) y para cada régimen de giro se varió tres veces la carga (40, 80 y 120 N-m). En dichas condiciones de funcionamiento se analizaron los parámetros de desempeño del motor, las curvas de presión dentro del cilindro en función de ángulo de giro del cigüeñal, la liberación de calor producida por la quema del combustible y el intercambio de calor a través de las paredes del cilindro. El estudio abarca la parte experimental y la parte del modelado termodinámico cerodimensional. En la parte experimental se realizaron mediciones con el objetivo de recolectar informaciones sobre la presión al interior del cilindro, el flujo de combustible, las temperaturas y presiones de los fluidos del motor y la emisión de gases contaminantes; con excepción de los contaminantes, los datos sirvieron como datos iniciales para la implementación del modelo cero-dimensional y a su vez de referente para poder hacer la validación del modelo. En la parte del modelado, fue necesario el uso de datos correspondientes a la geometría del motor, datos de operación del motor, datos de tiempos de combustión y datos del combustible utilizado. Por ser el modelo de tipo cero-dimensional, no fue posible validar los datos de emisión de contaminantes, pero si los fenómenos físicos como el calor liberado durante la combustión y el intercambio de calor entre los gases y la pared del cilindro. La presión se predice mediante la aplicación de la ley de gas ideal y la primera ley empleada en la liberación de calor, modelada con una función dupla de Wiebe. Los resultados experimentales y del modelado de la presente tesis se presentan de forma gráfica, superponiendo las curvas de liberación de calor y variación de presión al interior del cilindro en las distintas condiciones de operación del motor, comparando así el porcentaje de aproximación entre las curvas teóricas y las experimentales. También se representan, numérica y gráficamente, parámetros de importancia como el retraso al autoencendido, los tiempos de duración de la combustión, la presión sin combustión y la temperatura de los gases en el cilindro.

La creciente tendencia de utilizar vehículos eléctricos, conlleva a reemplazar los grifos de vehículos de combustibles fósiles por electrolineras. Una electrolinera puede utilizar una fuente de energía renovable (ej. Solar o eólico) para cargar un vehículo; además, el excedente de energía podría ser suministrado a la red eléctrica trifásica, haciendo uso de un convertidor electrónico dc/ac (o inversor). Sin embargo, conectar un convertidor tradicional reduce la estabilidad relativa de la frecuencia eléctrica de la red, porque no ofrece oposición ante un cambio de frecuencia, tal como lo hace un generador síncrono debido a la inercia de su rotor. Las variaciones de frecuencia son producto del desequilibrio entre la potencia generada y las cargas en la red. Si la frecuencia se aleja mucho de su valor nominal o si la rapidez de cambio de la frecuencia es elevada, puede afectar el sincronismo de los generadores que alimentan la red. Por lo tanto, se procede a cortes de energía en sectores de la red, para evitar que la inestabilidad se propague en otros sectores de la red, lo cual se traduce en grandes pérdidas económicas. La presente tesis busca establecer una estrategia de control para que un convertidor tradicional permita la conexión de una fuente de energía renovable a la red eléctrica, con el objetivo de mejorar la estabilidad de la red, mediante el suministro de inercia virtual (o emulación de inercia). La estrategia de control no requiere la utilización de elementos adicionales complejos o costosos en el convertidor o la modificación de este, lo cual constituye una solución económica y sin complejidad constructiva. Al final de la tesis se realiza simulaciones en Matlab para probar los diseños de los lazos de control y se valida resultados en PSIM (simulador de electrónica de potencia), logrando un convertidor con inercia virtual, que puede suministrar a la red, igual o mejor inercia que un generador síncrono hidroeléctrico de grandes dimensiones.

El hidrógeno como un vector energético y combustible renovable es una de las mejores alternativas a los combustibles fósiles tradicionales por su alta densidad de energía y nula generación de gases de efecto invernaderos durante su combustión. Por esta razón, en los últimos años se han desarrollado múltiples métodos para su producción a partir de fuentes renovables como el agua y la biomasa. Sin embargo, actualmente la producción mayoritaria de hidrógeno proviene de fuentes no renovables, de modo que el impacto medioambiental de una economía basada en hidrógeno como fuente de energía puede resultar negativa. Bajo este contexto surge la necesidad de evaluar el nivel de sostenibilidad de los métodos de producción para garantizar que una eventual economía basada en este elemento sea sustentable desde su etapa de síntesis hasta el momento de su aplicación. El presente trabajo de investigación presenta una revisión crítica de los principales procesos de obtención de hidrógeno, así como de alternativas emergentes, tras lo cual se realiza una evaluación del grado de sostenibilidad de cada uno en base a los doce principios de química verde. A partir de esta valoración se proponen las alternativas más favorables para la producción de hidrógeno. Asimismo, se ofrecen opciones para desarrollar una metodología flexible que permita cuantificar el grado de sostenibilidad con el fin de eliminar la ambigüedad y subjetividad inherentes a realizar una evaluación con criterios descriptivos.

El modelamiento numérico de procesos de formación de hollín en sistemas de combustión reales representa un gran reto debido a la fuerte interacción entre la turbulencia, la cinética química y la dinámica de las partículas de hollín. Esto significa que tanto los modelos de turbulencia como los de reacción química deben ser lo suficientemente detallados como para producir resultados precisos de las distintas especies químicas que intervienen en los procesos de formación de hollín. También es importante que todas las fases de la formación de hollín sean descritas adecuadamente por los modelos numéricos utilizados, y que exista una herramienta computacional capaz de modelar dichos fenómenos. Sin embargo, en la actualidad no existe ninguna herramienta de libre acceso que incluya algún tipo de modelamiento detallado de hollín, por lo que la mayoría de los estudios sobre el tema han sido realizados en el pasado con herramientas desarrolladas por los propios investigadores. En consecuencia, en este trabajo, utilizando C++ como lenguaje de programación, diferentes modelos detallados de formación de hollín han sido implementados en la herramienta computacional de acceso libre OpenFOAM. Más específicamente, los modelos considerados incluyeron (i) el modelo semi-empírico de 2 ecuaciones (2EQ), y los modelos basados en (ii) el método de momentos con cierre interpolativo (MOMIC), (iii) el método híbrido de momentos (HMOM), y (iv) el método seccional discreto (DSM). Todos los modelos fueron desarrollados y evaluados en los contextos de simulación Reynolds averaged Navier Stokes (RANS) y large eddy simulation (LES). Además, la fase gaseosa del proceso de combustión fue descrita usando el modelo steady laminar flamelet (SLF), en las simulaciones RANS, y el modelo flamelet/progress variable (FPV), en las simulaciones LES. Las simulaciones numéricas fueron realizadas considerando diferentes especies químicas precursoras de hollín en la fase de nucleación de este. Para la oxidación del hollín, especies oxidantes como el radical hidroxilo (OH) y el oxígeno (O2) fueron consideradas. Para el crecimiento superficial, a su vez, el acetileno (C2H2) y distintos hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH) fueron considerados. Los diferentes resultados numéricos obtenidos en contextos RANS y LES fueron comparados con los correspondientes datos experimentales del International Sooting Flame Workshop (ISF), correspondiente a las llamas turbulentas (i) Adelaide jet flame EHN 1 y (i) Adeladie bluff-body flame ENB-1. En concreto, los niveles de hollín predichos con cada uno de los modelos de formación de hollín considerados fueron evaluados y comparados con datos experimentales disponibles en la literatura. Los principales resultados obtenidos indican que, utilizando como especies químicas precursoras al benceno (A1) (en el caso RANS) y al pireno (A4) (en el caso LES), el mejor modelo para predecir la formación de hollín en las llamas turbulentas estudiadas es el HMOM. En particular, este modelo es capaz de captar la bimodalidad de la función de distribución del tamaño del hollín y de incluir las cadenas de agregados. También fue comprobado que los principales precursores del hollín son los PAH, y que el campo medio de estos no varía significativamente de uno a otro. Por lo tanto, utilizando un adecuado factor de adherencia, la importancia del PAH particular utilizado en la nucleación disminuye. Finalmente, los resultados indicaron también que el costo computacional asociado a cada modelo es un factor limitante. Así, el elevado costo computacional del modelo DSM no justifica su uso en llamas turbulentas. De esta forma, en términos de costo computacional, la mejor opción para las llamas estudiadas es también el modelo HMOM.