Tesis por compendio / [ES] El empuje actual de las normativas de emisiones y una conciencia social cada vez más crítica en este aspecto, ha llevado a la industria automotriz a elevar sus estándares en eficiencia a cimas nunca antes vistas. Con el mayor peso de las nuevas normativas puesto sobre los vehículos Diesel, la presión ejercida sobre esta tecnología es, si cabe, aún más crítica. Dada la necesidad de mantener este tipo de plantas propulsivas en determinadas aplicaciones, como son el transporte terrestre pesado, maquinaria o en el transporte marítimo, es también necesario mantener su desarrollo. Como parte fundamental de los motores Diesel, el sistema de inyección interviene directamente en la generación de la energía. La mejora y optimización de su funcionamiento repercute sobre la cadena de eficiencias del sistema. Esta tesis pretende contribuir al desarrollo de las plantas propulsivas Diesel en este aspecto y, concretamente, en el estudio de las geometrías de toberas Diesel de inyección directa. A lo largo del texto, este tipo de geometrías son estudiadas tanto desde la perspectiva del flujo interno como del flujo externo. Los estudios combinan modelos numéricos Eulerianos (para flujo interno o interno-externo acoplado), modelos Lagrangianos discretos (para el estudio del chorro), junto con medidas experimentales diversas que avalan los análisis ejecutados. La exploración de las geometrías propuestas no queda acotada solamente a formas circulares, más convencionales, sino que también se ha extendido a toberas de morfologías más innovadoras como son las elípticas. Las metodologías presentadas demuestran ser eficaces en el estudio de estos sistemas y una herramienta a tener en cuenta en la mejora de su diseño. Los distintos resultados obtenidos defienden, además, como la geometría de la tobera es un condicionante del desarrollo posterior de la mezcla y puede ser utilizada como elemento de optimización de la misma. / [CA] L'actual impuls de les normatives d'emissions i una consciència social cada vegada més crítica en aquest aspecte ha portat a la indústria automobilística a elevar els seus estàndards d'eficiència a cotes mai vistes abans. Amb el major pes de les noves normatives imposades als vehicles dièsel, la pressió exercida sobre aquesta tecnologia és, si cap, encara més crítica. Donada la necessitat de mantenir aquest tipus de plantes propulsives en determinades aplicacions, com el transport terrestre pesat, maquinària o el transport marítim, és també necessari mantenir el seu desenvolupament. Com a part fonamental dels motors dièsel, el sistema d'injecció intervé directament en la generació d'energia. La millora i optimització del seu funcionament repercuteix en la cadena d'eficiències del sistema. Aquesta tesi pretén contribuir al desenvolupament de les plantes propulsives dièsel en aquest aspecte i, concretament, en l'estudi de les geometries de bussons dièsel d'injecció directa. Al llarg del text, aquest tipus de geometries són estudiades tant des de la perspectiva del flux intern com del flux extern. Els estudis combinen models numèrics Eulerians (per a flux intern o intern-extern acoblat), models Lagrangians discrets (per a l'estudi del corrent), juntament amb mesures experimentals diverses que avalen els anàlisis realitzats. L'exploració de les geometries proposades no queda acotada només a formes circulars, més convencionals, sinó que també s'ha estès a bussons de morfologies més innovadores com les el·líptiques. Les metodologies presentades demostren ser eficaces en l'estudi d'aquests sistemes i una eina a tenir en compte en la millora del seu disseny. Els diferents resultats obtinguts també argumenten que la geometria del busó és un condicionant del desenvolupament posterior de la barreja i pot ser utilitzada com a element d'optimització de la mateixa. / [EN] The current push for emissions regulations and an increasingly critical social awareness in this regard has led the automotive industry to raise its efficiency standards to unprecedented heights. With greater emphasis on new regulations placed on Diesel vehicles, the pressure on this technology is even more critical. Given the need to maintain such propulsion systems in specific applications like heavy land transport, machinery, or maritime transportation, it is also necessary to continue their development. As a fundamental part of Diesel engines, the injection system directly affects energy generation. Improving and optimizing its operation has an impact on the overall efficiency of the system. This thesis aims to contribute to the development of Diesel propulsion systems in this regard, specifically in the study of direct injection Diesel nozzle geometries. Throughout the text, these types of geometries are examined from both internal and external flow perspectives. The studies combine Eulerian numerical models (for internal or coupled internal-external flow), discrete Lagrangian models (for jet analysis), along with various experimental measurements that support the conducted analyses. The exploration of proposed geometries is not limited to conventional circular shapes but has also extended to more innovative morphologies such as elliptical nozzles. The presented methodologies prove to be effective in studying these systems and serve as a valuable tool in improving their design. The different results obtained also argue that nozzle geometry is a determining factor in the subsequent mixture development and can be used as an optimization element for it. / Las investigaciones de esta tesis han sido respaldadas por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades el Gobierno de España y mis estudios de doctorado han sido financiados por la Agencia Estatal de Investigación del gobierno de España y el Fondo Social Europeo. Dichas ayudas se concretaron dentro del marco del proyecto "Desarrollo de modelos de combustión y emisiones HPC para el análisis de plantas propulsivas de transporte sostenibles" (TRA2017-89139-C2-1-R) a través del "Subprograma Estatal de Formación del Programa Estatal de Promoción del Talento y su Empleabilidad en I+D+i". / Martínez-Miracle Muñoz, EC. (2024). Estudio sobre el impacto de la geometría de toberas diesel en el desarrollo del chorro, la formación de la mezcla y la combustión [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203126 / Compendio

El correcto modelamiento de flujos turbulentos representa un reto en la ingeniería hasta el día de hoy. El modelamiento de la combustión turbulenta resulta aún más complejo, debido a la interacción entre la cinética química y la turbulencia. El entendimiento del proceso de combustión turbulenta es clave en el desarrollo de quemadores, ya que deben ser diseñados para brindar una llama estable. Un mecanismo de estabilización ampliamente empleado es el de la llama recirculante. El propósito del presente trabajo es caracterizar numéricamente el flujo turbulento inerte presente en la estela cercana en un quemador tipo bluff-body utilizando herramientas CFD de fuente abierta. Los resultados numéricos son comparados y validados con mediciones experimentales realizadas en la PUC-Rio. Cuatro abordajes numéricos son estudiados: (i) Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), (ii) Large Eddy Simulation (LES), (iii) Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) e Improved DDES (IDDES). El primero consiste en resolver valores promedios de las cantidades físicas y modelar las varianzas. El segundo consiste en filtrar espacialmente y resolver directamente los vórtices turbulentos grandes, mientras que se modelan los más pequeños. El tercero y el cuarto están basados en una técnica híbrida entre RANS y LES. Para producir los resultados numéricos LES, DDES e IDDES se realizan promedios tanto temporales como espaciales en la dirección azimutal para reducir el costo computacional de las simulaciones, aprovechando la simetría del flujo alrededor del eje. Luego, la sensibilidad a la malla es evaluada utilizando el método de autocorrelaciones espaciales, nuevamente aplicando un promedio azimutal. Estos promedios implican una transformación de coordenadas de cartesianas a cilíndricas. Finalmente, los resultados finales muestran que la técnica más apta para este caso es el LES, seguido por las técnicas híbridas. Si bien el abordaje RANS muestra un acercamiento cualitativo a los campos de velocidad experimental, este se aleja en la estructura turbulenta del flujo, siendo el que más diverge de los resultados experimentales.

En el presente trabajo se muestran los resultados sobre la mejora de las propiedades físicas y químicas de las hojas de caña de azúcar (HCA) por medio del lavado o lixivición (pre-tratamiento físico), lo cual hace factible su empleo en procesos de aprovechamiento energético como lo es la co-combustión. En primer lugar se procedió a ubicar las HCA dentro de la clasificación de las biomasas para obtener su caracterización físico-química en un ámbito global, con el fin de poder predecir su comportamiento en un proceso de co-combustión. Dentro de las características favorables resaltan su gran porcentaje de materia volátil y bajo contenido de nitrógeno (menores emisiones de óxidos nitrosos). Sin embargo, las HCA presentaron ciertas desventajas; como por ejemplo, su baja densidad (31.18 kg/m3) y su alto contenido de álcalis (índice de álcali = 0.75 e índice de fouling = 7.93); los cuales acarrean problemas operacionales como la corrosión, incrustaciones (fouling) y escorias (slagging). En la PUCP, el Grupo Carbón-Biomasa se encuentra estudiando la efectividad del proceso de lavado en la remoción de los metales alcalinos de las biomasas residuales secas. En este trabajo se aborda la aplicación de la técnica para las siguientes condiciones: uso de agua destilada, temperatura del lavado a 80°C y el tiempo de residencia de 30 minutos. Se analizaron nueve combinaciones; estudiando el impacto de la granulometría (Granulometrías: 1.18mm < HCA < 2.36mm; 2.36mm < HCA < 4.75mm; 4.75mm < HCA < 9.5mm) y la concentración sólido/líquido (Cw = 2.5%, 3.3% y 5%) en el rendimiento de dicho método. Se utilizó como medida de la efectividad del proceso de remoción, a la conductividad eléctrica del agua residual, con lo que se buscó inferir el grado de extracción de álcalis de las HCA; a mayor conductividad eléctrica en el agua residual, mayor cantidad de álcalis fueron sustraídos. Lo cual resultó, que en el rango de trabajo la granulometría afectaba de manera mínima la conductividad eléctrica; caso contrario de la concentración, siendo la Cw=5% la más efectiva. Dichos estudios fueron corroborados por medio de los análisis hechos a las HCA lavadas, donde resalta la reducción de los álcalis y el aumento del poder calorífico.

Las reacciones químicas que ocurren en procesos de pirólisis y combustión de hidrocarburos originan la formación de material particulado, comúnmente conocido como hollín. El estudio de las especies químicas críticas que controlan la formación de hollín, así como de los principios físicos y químicos asociados, es de gran importancia para disminuir los impactos negativos de este contaminante en la salud y en el medio ambiente, y para la mejora de la eficiencia de los sistemas de combustión. En ese sentido, el objetivo principal de este trabajo es el estudio de las especies químicas precursoras que controlan la formación de hollín. Para ello, por medio de modelamiento numérico basado en dinámica de fluidos computacional (CFD), una llama laminar difusiva de etileno/aire en coflujo, que tiene como característica principal la producción de cantidades relativamente grandes de hollín, es evaluada. Más específicamente, diferentes modelos de formación de hollín en llamas laminares difusivas son implementados, y luego los resultados obtenidos con estos modelos son comparados entre sí y con datos experimentales. En particular, diferentes mecanismos de cinética química son comparados en base a las concentraciones de las principales especies químicas que intervienen en la formación de hollín. Además, los modelos de formación de hollín son evaluados considerando un caso de estudio estudiado experimentalmente en el pasado, el cual cuenta con mediciones de temperatura y fracción volumétrica de hollín. Adicionalmente, a fin de observar los efectos sobre la formación de hollín, un análisis de sensibilidad de los parámetros empíricos empleados en uno de los modelos de hollín estudiados es también realizado. Los resultados obtenidos enfatizan que aún queda un largo camino por recorrer antes de tener un modelo de hollín capaz de describir adecuadamente la formación de este contaminante crítico en situaciones de interés practico.

La presente investigación titulada “Sistema in situ de detección de fallas en los inyectores de un motor diésel de alta potencia con aplicación en minería” tiene como objetivo reducir paradas imprevistas en los camiones mineros, producto de un mal funcionamiento del motor diésel. Para reducir estos tiempos y teniendo en cuenta que la muestra en analisis corresponde a datos de motores diésel QKS78 Cummins operando en mina Antamina y Las Bambas, se propone el diseño metodológico experimental de un sistema inteligente in situ que detecte la falla en un componente crítico de los motores Diesel de alta potencia, como es el caso del inyector. El sistema está basado en el análisis del comportamiento de las temperaturas del gas de escape del motor, variable que registra una relación con el mal funcionamiento del componente en estudio. El sistema de detección de fallas cuenta con un software que realiza la detección del mal funcionamiento del inyector, cuyos resultados obtenidos en la exactitud del modelo desarrollado, mediante algoritmos de inteligencia artificial, corresponde a un 88%, con un margen de error de 2%. Con esta información se torna posible proporcionar recomendaciones en las tomas de decisiones para la parada de los camiones mineros, relacionados a un mal funcionamiento del inyector o sensor de temperatura de escape, sin necesidad de un personal capacitado.

Uno de los retos más críticos que enfrenta la industria del motor Diésel es cómo mejorar la economía del combustible respetando los límites establecidos en las emisiones. En estas tecnologías, son esenciales las mediciones precisas de consumo de combustible para el propósito de control y por lo tanto juegan un papel importante en el desarrollo de técnicas para la reducción de emisiones y mejora del consumo de combustible. Sin embargo, no todos los métodos ni técnicas de medición del combustible ofrecen una adecuada precisión o utilidad de empleo. El presente trabajo de tesis realizó un estudio experimental sobre cuatro técnicas distintas de medición de combustible a fin de determinar las desviaciones entre cada uno de ellas y su complejidad de implementación. Estas maneras de medición constan de un método gravimétrico, un balance de carbono considerando la composición del combustible y el resultado de las emisiones, un método de flujo másico medido con un coriolis y el valor calculado por el lazo de control del ECM del motor. Se realizaron ensayos en dos motores, Caterpillar y Cummins, acumulando 183 puntos de prueba “par-velocidad”, los cuales brindaron amplia información que permitió un trabajo estadístico y manejo de las incertidumbres muy preciso. Se registraron datos de manera simultánea de la balanza, cronómetro, coriolis y analizador de gases empleados en la experimentación. También se contó con los ECM de los motores, los cuales brindaron información sobre el consumo de combustible con un muestreo de un segundo. Después de evaluar los diversos resultados obtenidos se determinó que el método gravimétrico tiene una incertidumbre ajustable por el usuario a partir de los tiempos de espera entre toma de datos; los ECM de los motores del laboratorio de energía de la PUCP no arrojan información confiable respecto al consumo de combustible; la principal debilidad del método de balance de carbono es la cantidad y complejidad de los cálculos necesarios involucrados en la determinación del consumo de combustible y que el método másico empleando un medidor de coriolis fue para nuestro caso el que arrojó los resultados más confiables.

En la actualidad, el biodiesel constituye una alternativa y un complemento al diesel para reducir la contaminación ambiental y la escasez de combustibles fósiles, siendo un medio de energía renovable menos contaminante que el diesel convencional. Las características de este combustible lo hacen apropiado para funcionar en motores de encendido por compresión, sin tener que realizar cambios importantes al diseño del motor. En el presente trabajo se realizó una evaluación experimental del efecto de la utilización de 3 mezclas de diesel y biodiesel en porcentajes volumétricos de 5%, 7,5% y 10% (DB5, DB7,5 y DB10) sobre los parámetros relacionados al consumo de combustible y las emisiones contaminantes. Las pruebas experimentales se realizaron en un motor Cummins de encendido por compresión, 6 cilindros, 6.7 litros, turbo cargado; instalado en un banco de pruebas dinamométrico en el Laboratorio de Energía de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Las pruebas experimentales consideraron 4 regímenes de giro (1000, 1300, 1600 y 2000 rpm) y 4 niveles de carga: 9.4, 18.8, 28.2 y 37.5 kPa, en términos de presión media efectiva. Ambas variables fueron establecidas como datos de entrada para cada ensayo y a partir de estas se midieron y calcularon los parámetros requeridos. En términos de desempeño del motor, se calculó la potencia efectiva, el consumo específico de combustible y el rendimiento efectivo para las 3 mezclas de diesel y biodiesel utilizadas. Los resultados indicaron que la potencia efectiva aumentó conforme se incrementó la velocidad de giro y carga del motor, pero se mantuvo constante para las tres mezclas. El consumo específico de combustible aumentó conforme se incrementó el porcentaje de biodiesel en la mezcla. El rendimiento efectivo presentó un aumento conforme se incrementó la carga en los ensayos, pero disminuyó al utilizarse más biodiesel en la mezcla. Respecto a los contaminantes gaseosos, se midieron el monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) y óxidos de nitrógeno (NOx). A partir de los valores registrados, se obtuvieron las variaciones porcentuales más significativas entre las emisiones encontradas para las 3 mezclas empleadas. Las emisiones de CO y CO2 disminuyeron a medida que se aumentó el contenido de biodiesel en las mezclas, presentando el CO las variaciones más significativas. Por otro lado, las emisiones de NOx aumentaron conforme se incrementó el porcentaje de biodiesel en la mezcla. Los aumentos porcentuales más altos se encontraron a mayores cargas y velocidades más altas.

En la actualidad el Perú se encuentra en un proceso de transformación debido al crecimiento económico que se está viviendo, el cual va acompañado de una creciente demanda de maquinaria asociada a la producción a consecuencia de que diversas plantas industriales se han consolidado o repotenciado, razón por la cual se escoge como materia de estudio las máquinas eléctricas, las cuales en sus diferentes presentaciones son una de las principales involucradas en los procesos de fabricación. En los últimos años los motores eléctricos han pasado a tener un realce como eje en los distintos procesos de la industria en la que operan, es por ello que poco a poco se consideran más cuidados de estos en cuanto a su mantenimiento y estudios para las mejoras en sus arranques y durante su funcionamiento. Los motores síncronos forman parte de un tipo de máquina eléctrica y se vio una oportunidad en la presente tesis de abordar como materia de estudio el arranque del motor. Los ensayos característicos de máquinas eléctricas se desarrollan con el fin de conocer sus principios de funcionamiento, obtener sus circuitos eléctricos equivalentes y evaluar sus comportamientos frente a diferentes condiciones. La presente tesis aborda en un principio el diseño y la simulación de los circuitos asociados para la puesta en marcha del motor síncrono. De la misma forma como parte de este diseño, se implementa la fuente de alimentación de tensión regulable para suministrar energía al circuito de campo del motor síncrono trifásico. Para este objetivo, en la presente tesis se realiza el estudio del motor síncrono trifásico; sus principios de funcionamiento y sus circuitos eléctricos equivalentes. También se aborda el estudio de las tecnologías actuales usadas en el diseño de las fuentes de alimentación lo que introduce a un análisis completo del diseño de las mismas. Por último, se muestran los resultados de las pruebas realizadas tanto para el arranque del motor como para la fuente implementada.

Este trabajo tiene como objetivo calcular la variación porcentual de las pérdidas de potencia, eficiencia y aumento de consumo de combustible de un motor de encendido por compresión de aspiración natural, que funciona a diferentes altitudes sobre el nivel del mar utilizando distintas mezclas BX. La metodología consistió en calcular por separado las variaciones en las características del motor debido a la altitud y mezclas BX, luego se sumaron para encontrar la merma total en el desempeño, esto fue posible utilizando métodos de cálculo empíricos para cada caso y supuestos que no consideran las características del combustible para cuantificar el efecto de la altitud en el motor, a su vez, las propiedades del aire no intervienen en el cálculo del efecto de las distintas mezclas BX en el motor. El trabajo contiene tres partes: en la primera se analiza el efecto que tiene la altitud en el desarrollo de la potencia, eficiencia y consumo de combustible en el motor, el estudio demuestra que a medida que se incrementa la altura disminuye la densidad y presión atmosférica, limitando la potencia que puede desarrollar el motor. En la segunda parte se analiza el efecto que tiene el biodiesel de palma aceitera, si bien este combustible tiene características muy parecidas con el diesel 2, algunas propiedades cambian afectando el funcionamiento de un motor de encendido por compresión. El menor poder calorífico del biodiesel limita el desarrollo de la potencia del motor, pero la eficiencia térmica aumenta porque la lubricidad y viscosidad del biodiesel son mayores, lo que disminuye las pérdidas por rozamiento en el sistema de inyección. Para finalizar se presentan cuatro tablas porcentuales, las cuales permiten determinar la variación de la potencia y eficiencia que un motor de encendido por compresión de aspiración natural puede desarrollar y el consumo específico y volumétrico de combustible para distintas mezclas diesel-biodiesel a diferentes altitudes sobre el nivel del mar. De esta manera, si un usuario peruano quiere ir en este momento a una ciudad como Huaraz que queda a 3000 metros de altura con combustible B5 puede saber que su motor estará limitado a desarrollar una potencia 35% menor que la nominal, con 20% menos de eficiencia, 45% más de consumo de combustible en masa y 44% de consumo de combustible en volumen.

La tesis busca diseñar, fabricar y probar un dispositivo que permita calentar agua con leña, para satisfacer las necesidades de pobladores ubicados en las zonas más frías de nuestro territorio. Disponer de este dispositivo permitirá disminuir la falta de higiene de estos pobladores, atacará el problema de salud que se origina por la inhalación de gases de combustión que se desprenden al usar la leña como elemento portador de energía. En este trabajo de tesis se explica la metodología de diseño conceptual, el diseño cumple con una lista de exigencias y deseos que sirven como parámetros en busca del prototipo ideal, se analiza la estructura de funcionamiento y se descompone en sus elementos esenciales, los cuales a través de una matriz morfológica encuentran de forma rápida y creativa soluciones a sus problemas. La tesis cuenta con instrucciones de fabricación que permiten construirla de forma sencilla, tiene una breve descripción de las partes del calentador de agua, también cuenta con parámetros de soldadura, prueba hidrostática y evaluación económica. La máquina es un calentador de agua de forma cilíndrica, que por medio de la transferencia de calor que se produce entre el agua, las paredes del cilindro y la cámara de combustión donde se quema la leña, el agua eleva su temperatura. El calentador es versátil sirve también para calentar bañeras, piscinas o jacuzzis pues al elevar la temperatura del agua, esta circula por el calentador por medio del efecto físico que se produce al cambiar su densidad. (Efecto Termosifón) El dispositivo es seguro, tiene una eficiencia del 33.74% la cual es muy alta para este tipo de máquinas. El tiro de la chimenea minimiza la emisión de gases de combustión al ambiente, contribuyendo a disminuir las enfermedades que se originan por aspiración de gases contaminantes. En la actualidad no se disponen comercialmente de este tipo de máquinas en nuestro país, mucho menos hechas con materiales reciclados, este diseño logrará un impacto positivo al despertar la curiosidad por la inventiva en las personas demandantes de tecnología, al ver que en su mayoría el calentador esta hecho de materiales de segundo uso y que puede ser desarrollado por ellos.