Diseño de un motor rotativo por expansión de vapor

Abstract

Spa. El proyecto planteado en este documento está enmarcado dentro del Grupo de Investigación de Aprovechamiento Tecnológico de Materiales y Energía, GIATME, de la Universidad ECCI y hace parte de un macro proyecto aprobado dentro de una convocatoria interna de la universidad, el cual busca contar con otra máquina térmica conectada a la planta térmica ECCI-1, en la que se puedan variar las condiciones de entrada y determinar el comportamiento del proceso ocurrido al interior del equipo. El objetivo general del proyecto es diseñar un motor que funciones por expansion volumétrica y evaluar la viabilidad para la fabricación, funcionamiento y ubicación del mismo para que funcione eficientemente bajo los parámetros de salida de la caldera ECCI–1 del laboratorio de máquinas térmicas de la sede J de la Universidad, para la cual se realiza: En primera instancia se realiza la evaluación de cada una de las tipologías existentes de motores rotativos que están en la capacidad de ser modificados para convertirlos de motores rotativos de combustión a motores rotativos de expansión volumétrica, que funcionen con el vapor de agua producido en la planta térmica de la universidad, empleando una matriz de Pugh para determinar la tipología del motor. Por otro lado, se caracteriza la calidad del vapor desde la salida de la caldera hasta antes de la turbina en la planta y así, por medio de la aplicación del modelo estadístico de diseño de experimentos (DOE) se evalúa la mejor ubicación del motor. Adicionalmente, el DOE también permite determinar qué tipos de plantas sirven como fuente primaria de alimentación para el motor. Cabe resaltar que el modelamiento matemático del motor se desarrolla a partir de la tipología seleccionada, por lo cual, se plantean las ecuaciones que gobiernan y describen todo el proceso ocurrido al interior del motor durante su funcionamiento. De este modo dicha información sirve para programar una herramienta computacional en MATLAB® que da solución a dichas ecuaciones asignando valores a las variables por medio de diferentes métodos numéricos mediante iteraciones en el software programado. Posterior a esto, se modela en CAD un prototipo a partir de los datos generados en la herramienta computacional, por medio de la aplicación de SOLID WORKS®, y así poder dimensionar el prototipo planteado y generar un paquete de planos del modelo desarrollado. Por último, se realiza un estudio de viabilidad técnico-económico del motor diseñado, evaluando si con las máquinas con las que cuenta la universidad se puede fabricar y el costo aproximado para la fabricación del mismo.

The project proposed in this document is framed within the research group of technological use of materials and energy, GIATME, of the ECCI University and is part of a macro project approved within an internal call of the university, which seeks to have another thermal machine connected to the ECCI-1 thermal plant, in which the input conditions can be varied and the behavior of the process occurring inside the equipment can be determined. The general objective of the project is to design a motor that functions by volumetric expansion and to evaluate the feasibility for the manufacture, operation and location of the same so that it works efficiently under the output parameters of the ECCI1 boiler of the thermal machines laboratory of the headquarters. J of the University, for which it is carried out: In the first place, an evaluation of each of the existing types of rotary engines is carried out, which are capable of being modified to convert them from rotary combustion engines to rotary engines with volumetric expansion. A Pugh matrix is applied to determine the type of engine to be designed. On the other hand, the characterization of the steam quality from the outlet of the boiler to before the turbine of the plant aids to locate the best motor position, through the application of a Design Of Experiments (DOE) technique. It should be noted that the mathematical modeling of the motor is developed from the selected typology, therefore, the equations that govern and describe the entire process that occur inside the motor during its operation are stated. This is used to create a computational tool in MATLAB®, by solving these equations through different iterations of the programmed software. By means of the SOLID WORKS application, a prototype is modeled in CAD from the data generated in the computational tool, and thus the proposed prototype and it’s the planes of the model are developed. 19 “Diseño de un motor rotativo por expansión de vapor” Finally, a technical-economic feasibility study is carried out to determine if the designed motor can be manufactured, evaluating whether it can be manufactured with the machines that the University has and the approximate cost for its manufacture.