Estudio de recuperación de calor para los Motores de Combustión Interna de Ferroviaria Andina

Abstract

Los motores de combustión interna son máquinas térmicas que convierten la energía química del combustible en energía mecánica rotacional. Para garantizar su correcto funcionamiento, mantener las temperaturas operativas adecuadas, y minimizar el desgaste, es necesario disipar grandes cantidades de calor al entorno. Sin embargo, esta disipación también representa una reducción significativa en la eficiencia energética del motor, alcanzando aproximadamente el 55% en motores diésel, y alrededor de un 35% en motores de gasolina. La recuperación de calor subproducto para la generación de energía adicional, es ampliamente reconocida en la industria a nivel global. La tecnología de recuperación de calor de desperdicio consiste en dar un uso funcional a la energía térmica, que de otra forma sería transferida al ambiente. Ejemplos de su aplicación en motores de combustión interna, incluyen la utilización del calor del refrigerante del motor, o la implementación de ciclos inferiores para producir trabajo adicional a partir de los gases de escape. Al aprovechar el calor residual de un motor térmico, se logra un uso dual de la energía del combustible, lo que incrementa la eficiencia energética de la máquina y, al mismo tiempo, reduce las emisiones contaminantes. Además, este enfoque no solo contribuye a un modelo de economía circular más respetuoso con el medio ambiente, sino que también genera importantes ahorros económicos al optimizar el consumo de combustible. En esta investigación, se ha analizado la recuperación de calor de las corrientes residuales en un motor diésel ferroviario. Los resultados indican que la corriente de los gases de escape, debido a sus altas temperaturas y mayor capacidad energética, es la más adecuada para recuperar un volumen importante de energía, el cual puede ser reinyectado en la locomotora para satisfacer necesidades energéticas adicionales. El sistema de aprovechamiento de calor propuesto en esta investigación se basa en un ciclo Rankine capaz de recuperar alrededor de un 26.40% de la energía térmica contenida en los gases de escape, generando una potencia máxima de 400.9 kW. Se sugiere que la locomotora opere en el punto de aceleración máxima correspondiente al “notch” 5, en combinación con la potencia recuperada por el ciclo Rankine. De este modo, se logra evitar el uso de los “notch” 6, 7 y 8, que implican un mayor consumo energético. El ahorro económico resultante se traduce en una ganancia neta anual de aproximadamente Bs.799 952.