cidead. 2º bachillerato. tecnología industrial ii tema 10.-...

CIDEAD. 2º Bachillerato. Tecnología Industrial IITema 10.- Los motores térmicos.

Desarrollo del tema.-

1. Introducción.

2. La máquina de vapor: ciclo de Rankine

3. La turbina de vapor.

4. Motores de combustión interna: Motores de explosión y combustión.

5. Turbinas de gas de ciclo abierto.

6. El motor de Stirling.

7. El rendimiento de los motores térmicos.

8. Los efectos medioambientales que producen la utilización de los motores térmicos.

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1. Introducción.

Las máquinas o motores térmicos son dispositivos que funcionando periódicamente transforman calor en trabajo (energía mecánica).

Para conseguir el calor necesario, se recurre a la combustión del carbón o de los hidrocarburos, de procesos termonucleares o energía solar.

C8 H18 + 25/2 O2 8 C O2 + 9 H2 O ;; Δ H0 < 0

Cuando la combustión tiene lugar fuera del motor, las máquinas térmicas se denominan de combustión externa y el fluido motor es diferente al combustible empleado.. Si la combustión se realiza dentro del motor, los motores son de combustión interna (motor de explosión o de combustión). En este caso el combustible es el propio fluido motor.

Tanto en un caso como en otro, el movimiento producido puede ser alternativo (maquinas de vapor y motores de explosión y combustión), o rotativo, como es el caso de las turbinas de vapor, de explosión o de combustión.

El fluido motor puede ser el vapor de agua condensado, el aire o la mezcla de gases que resulta de la combustión de los productos derivados del petroleo.

Cuando se utiliza el calor procedente de la fisión nuclear, es necesario dos circuitos hidráulicos interconectados por un cambiador de calor.

En la siguiente tabla se resumen los diferentes tipos de motores térmicos:

Tipo de motor Fluido motor Alternativo RotativoDe combustión externaMCE

Fluido condensableAgua

Máquina de vapor Turbina de vapor

Fluido no condensableAire

Motor de Stirling Turbina e gas en circuito cerrado

De combustión internaMCI

Gasolina , Gasóleo y queroseno

Motores de explosiónMotores de combustión

Turbina de gas en circuito abierto

2. La máquina de vapor: ciclo de Rankine

La máquina de vapor aprovecha la fuerza expansiva del vapor de agua para conseguir mover un émbolo y realizar un trabajo.

La maquina de vapor consta de los siguientes elementos:El hogar. Se encuentra en un lugar exterior a la máquina. En él se realiza la combustión.La caldera. Se fabrica de acero. Es el lugar donde el agua líquida que llega mediante el accionamiento de una bomba, se vaporiza gracias al calor procedente del hogar. Este vapor

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se sobrecalienta por la acción de unos sobrecalentadores, conectados a la misma caldera, hasta una temperatura y presión apropiados. La temperatura máxima soportada por la caldera es de 600º C, ya que es el límite metalúrgico. Para su seguridad, la caldera va provista de un nivel de agua, un manómetro y una válvula de seguridad de presión.Cilindro motor. El vapor de agua sobre calentado, llega a la caja de distribución, formada por el cilindro motor, que se encuentra formado por un cilindro con el bloque, el pistón y el vástago y el sistema de corredera, que permite el movimiento del cilindro alternativo. El vapor de agua penetra en la caja de distribución y por la posición de la corredera entre en contacto con el pistón que se encuentra a la izquierda, empujándolo hacia la derecha. Cuando ha descrito la carrera completa el vapor sale por el escape, mientras que la corredera se desplaza a la izquierda. En este momento, el vapor entra hacia el émbolo, que se encuentra a la derecha, empuja el pistón a la izquierda, saliendo el vapor por el escape cuando el cilindro ha descrito la carrera inversa, moviéndose la corredera a la derecha y repitiendo el ciclo. El vapor de agua, mezcla de líquido y vapor, que sale de la caja de distribución, sale al exterior a través de una chimenea o se condensa mediante un refrigerante, retornando a la caldera mediante una bomba hidráulica.

Elementos mecánicos. Los más importantes son el vástago, que se inserta en el émbolo, la biela y la manivela . Estos tres elementos se encuentran articuladas y permite la

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Varilla que regula la corredera


transformación del movimiento alternativo en rotativo, cuyo eje de giro se inserta en la manivela. La articulación del vástago con la biela, recibe el nombre de cruceta. En el eje de giro, se inserta un volante de inercia para que las rotaciones sean uniformes. El volante de inercia lleva acoplado una excéntrica, para que mediante una varilla, regule el movimiento alternativo de la corredera.

Esquema de la máquina de vapor

Ciclo de Rankine.

Cuando el vapor se expansiona en el cilindro, es prácticamente adiabático, pero no es reversible, por lo tanto no es isoentrópico.

Como el proceso que tiene lugar en la máquina de vapor, es un cambio de estado, el ciclo de Carnot, se modifica en el siguiente:

Al existir un cambio de estado, en la situación de coexistencia de las dos fases, la curva isotérmica es también isobárica(AB y CD)

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Para que una máquina térmica describa el ciclo, es necesario parar la condensación en D, e introducir la mezcla en la caldera. Evidentemente, esto no es posible, por lo que el ciclo se debe de transformar para que el refrigerante condense totalmente la mezcla hasta el estado líquido, dando lugar al ciclo de Rankine:

a. El agua líquida en A, se calienta, en la caldera (a presión constante) hasta la temperatura de ebullición. A continuación a temperatura y a presión constante, se vaporiza el agua, reversiblemente hasta el punto B donde hay vapor de agua saturado y seco.b. El vapor saturado entra en el cilindro y activa el émbolo que por expansión, reversible y adiabático, disminuye la temperatura (T 2 )condensa parte del vapor pasando el ciclo a la situación C. c. La mezcla vapor-líquido de agua, pasa la refrigerante, donde se consigue condensar isotérmica e isobáricamente hasta el punto D.d. La mezcla líquida se comprime reversible y adiabáticamente hasta el punto A, introduciéndose nuevamente en la caldera.

Este nuevo ciclo se representa:

Diagrama p-V Diagrama T-S

Para aumentar el rendimiento del ciclo y mantener el vapor permanentemente seco en la expansión adiabática, evitando así el aumento de la corrosión de los elementos mecánicos del cilindro, se somete al sobrecalentamiento.

El diagrama resultante aparece en la página siguiente.

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Diagrama p-V Diagrama T-S

La potencia de la máquina de vapor depende de la presión y de la cantidad de vapor admitida por el cilindro en la unidad de tiempo. Como la presión varía en la carrera, se toma un valor promedio, p, llamado presión media efectiva.

La potencia vendrá dada por la expresión : P = F . v = p S . l . f

P , es la potencia ;; p , es la presión ;; S, es la superficie del émbolo;; L , la longitud de la carrera y f, la frecuencia o número de oscilaciones o revoluciones por segundo.

Si el proceso de compresión se realiza en ambos lados del pistón, la potencia será el doble de la potencia real. Es lo que se denomina potencia teórica. A causa del rozamiento y por otras pérdidas, la potencia real es el 70-90 % de la teórica.

Los datos de una máquina de vapor son los siguientes:PR = 1000 CV ;; v = 213 m/min ;; p = 14 Kp/cm2 ;; t = 315º C ;; η = 30 %

Actualmente, debido a su bajo rendimiento, no se utilizan y se han sustituido por los motores o máquinas de combustión interna.

3. La turbina de vapor.

En la turbina de vapor se logra un movimiento rotacional gracias al rotor, que es movido por la acción del vapor sobre sus álabes.

El vapor de agua que procede de la caldera, actúa directamente sobre las paletas de la rueda haciéndola girar con una velocidad de 10000 rpm.

La gran ventaja sobre la máquina es que carece de cilindro y por lo tanto el rendimiento es mayor . El funcionamiento es idéntico a la máquina de vapor excepto en el cilindro.

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En la actualidad se utiliza en las centrales de producción de energía eléctrica en la propulsión de los buques, para las soplantes de los altos hornos . Estos procesos de cogeneración hacen que se vayan extendiendo.

4. Motores de combustión interna: Motores de explosión y combustión.

La limitación en el rendimiento de una máquina de vapor es producido por :a. El límite de la temperatura de la caldera, no pudiéndose elevar demasiado por el aumento

consiguiente de presión.b.Un menor aprovechamiento de la energía calorífica producida por la combustión del

carbón o de los derivados petrolíferos.

Para aumentar el rendimiento, se va a utilizar un fluido motor que actúe también como combustible, mezclado con la cantidad suficiente de aire, produciéndose la combustión en el interior del cilindro.

El fluido motor se comporta como un gas ideal que describe ciclos idénticos y reversibles, ya que los gases resultantes de la combustión, se encuentran diluidos en un volumen de aire muy superior, unas cinco veces mayor que el propio volumen.

Existen diferentes tipos de motores de combustión interna que se difernecian por el tipo de combustible y el tipo de movimiento que resulta, alternativo o rotativo.

Los motores y turbinas de explosión, la combustión se provoca por el salto de una chispa en una bujía, utilizándose combustibles muy volátiles como las gasolinas.

Los motores y turbinas de combustión, la reacción se verifica de forma progresiva y a presión constante, utilizándose combustibles menos volátiles como el gasóleo.

Motores de explosión con encendido provocado (MEP)

Entre de este tipo se encuentra el de cuatro tiempos , siendo sus elementos esenciales los siguientes:

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1. El inyector.- Se encarga de inyectar aire y gasolina en el cilindro o en el conducto de admisión. Los antiguos motores , en lugar de los inyectores se usaba el carburador. En cualquier caso la mezcla de gasolina y aire en proporción 7 g de gasolina con 100 g de aire.

2. El cilindro.- Corresponde al cuerpo de bomba, el émbolo, dos válvulas (admisión y escape) y una bujía, realizándose en él los cuatro tiempos: admisión, compresión, explosión y escape.

El pistón se una a la biela mediante un pasador o bulón. Ha de ser resistente a los esfuerzos mecánicos y térmicos para cerrar herméticamente, va provisto de unos segmentos alojados en sus ranuras. Las válvulas tienen como misión la aspiración de la mezcla y la salida de los gases resultantes de la explosión; las válvulas se mueven gracias a la acción del árbol e levas que se encuentra sincronizando con el cigüeñal.

3.La bujía . Se encuentra formado por dos electrodos separados por 0,5 mm, unido a masa uno y el otro procedente del distribuidor, aislados eléctricamente.

El casquillo se enrosca en la parte superior del cilindro de acero. Su misión es producir una chispa en la mezcla comprimida se necesita una tensión de 10000 a 20000 V.

La batería de V = 12 V, utiliza un transformador para conseguir la tensión deseada. Las motocicletas utilizan el encendido por plato magnético. Se utiliza la corriente inducida por un campo magnético variable. El encendido electrónico se realiza por transistores, condensadores o a través de convertidores de impulsos.

Otros elementos de transformación de movimiento.

En este sentido, los elementos más importante son la biela, la manivela y el cigüeñal, permitiendo transformar el movimiento alternativo en rotativo. La biela, a través de la manivela, transmite el esfuerzo del pistón al cigüeñal y éste transmite la potencia al árbol motor. El sistema posee una serie de rodamientos o cojinetes de apoyo, un volante de inercia o corona y otros

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elementos auxiliares.

Bujía

El sistema mecánico se encierra en un sistema carter-bastidor que puede servir también como depósito de aceite lubrificante y chasis del bloque. La culata encierra los cilindros en la parte superior, sujetándolos por unos pernos y refrigerado por aire o agua, para que no sufra una elevación exagerada de la temperatura. El agua circula por la acción de una bomba y se refrigera mediante el radiador . La bomba de aceite permite repartir uniformemente el lubrificante por todos los dispositivos mecánicos.

En el año 1877 Nikolaus Otto, esquematizó su ciclo de cuatro tiempos. Los cuatro tiempos son los siguientes:

1. La admisión. El pistón sufre un retroceso, aspirando la mezcla de combustible aire. La válvula de admisión se encuentra abierta y la válvula de escape cerrada. Pasa del 0-12. Compresión . El pistón asciende. La válvula de admisión se cierra provocando una compresión adiabática (posición de 1-2) 3. Explosión. Se comprime y en ese punto se produce una combustión enérgica mediante un punto de ignición, aumentando la presión y produciendo una expansión adiábática (2-3 y del

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electrodos


3-4)Escape. La válvula de escape se abre y el gas tiende a salir a volumen constante y posteriormente a presión constante . El paso es de 4-1 y de 1 -0

A continuación se repite el ciclo. Diagrama p-V Diagrama T-S

Sólamente en el tercer tiempo se produce trabajo mecánico.

El rendimiento del ciclo Otto será la siguiente:

η = 1 - 1

R−1 ; siendo R = V 1

V 2;; γ =

c pcV

R es la relación de compresión

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En un cilindro existen dos puntos muertos : PMS y el PMIV2 V1

Vástago PMS carrera PMI

Existe un nivel de compresión, llamado punto de autoignición, en donde la reacción de combustión se realiza antes de saltar la chispa . La autoignición supone una detonación provocando alteraciones mecánicas y ruido. Para eliminar este aspecto, se recurre a la utilización de sustancias antidetonantes o catalizadores.

Las gasolinas, como combustible empleado en los motores de explosión, poseen poder antidetonantes aquellas que son cíclicas o ramificadas. El índice de octanaje viene expresado por una relación porcentual entre el volumen de isooctano(2,2,4 trimetil -pentano ) y el n- heptano.

El isooctano supone el 100%, mientras que el n-heptano supone el 0% de octanaje.Una gasolina posee el 70 % de índice de octano , cuando posee la misma característica

antidetonante que una mezcla formada por el 70 % en volumen de isooctano y el 30 % en volumen de n- hepano.

El ciclo real de Otto, no es el mostrado pues hay que tener en cuenta los siguientes aspectos:

a. La combustión es incompleta, produciéndose CO además del CO2 y el H2O

b. Existen fenómenos no adiabáticos ya que hay intercambio de calor con el exterior .

c. La explosión no es instantánea, produciéndose un aumento de volumen, teniendo qu realizar el avance al encendido provocando la explosión antes de los esperado.

El motor de explosión de dos tiempos.

En un principio, se lograría mayor potencia si se redujese el motor a dos tiempos, con dos carreras del émbolo por cada ciclo.

Las modificaciones con relación al motor de cuatro tiempos son las siguientes:1. No poseen válvulas de admisión y escape, ya que la entrada y salida de los gases se hace mediante las lumbreras.2. El carter se encuantra completamente cerrado y la comunicación con el cilindro se realiza mediante la lumbrera de transferencia.

El ciclo es de la siguiente forma:

a. Primer Tiempo.-Con el pistón en el punto muerto superior, se produce la inflamación de la mezcla. Los gases de combustión se expanden hasta que el pistón rebasa la lumbrera de escape , saliendo éstos al exterior mediante la presión. El pistón sigue bajando y comprime el fluido del carter abriendo la lumbrera de transferencia , barriendo el líquido los gases de la combustión hasta la lumbrera de escape.b. Segundo tiempo.- El pistón asciende por inercia del cigüeñal y comienza un segundo barrido de los gases de escape al mismo tiempo que la admisión comienza aproducirse. Se

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cierran las lumbreras de admisión y escape, se comprime el combustible y cuando llega el pistón al punto muerto superior, se provoca la combustión, iniciándose el ciclo nuevamente.El esquema se representa de la siguiente manera:

La potencia, en contra de lo se espera, no se duplica , ya que por una parte hay un instante en que se encuentran abiertas simultáneamente las lumbreras de admisión y escape y el combustible necesita una primera compresión para que sea eficiente el motor.

El rendimiento de un motor de dos tiempos es menor que el correspondiente al de cuatro tiempos , no teniendo las operaciones de admisión y escape del ciclo de Otto.

Por su simplicidad se suele aplicar en pequeñas motocicletas o en grandes barcos.

Problema 1.- Un ciclo de Otto teórico, de dos tiempos, y 60 mm de diámetro del pistón, se encuentra limitado por los volúmenes V1 = 480 cm3 y V2 = 120 cm3, y por las presiones p1 = 0,1 MPa , p2 = 0,7 MPa ; p3 = 3,5 MPa y p4 = 0,5 MPa.. Determinar:

a. El diagrama teórico del ciclo termodinámico.b. La cilindrada y su carrera.c. La relación volumétrica de compresión.

Resolución.- a.

b. V = Δ V = 480 – 120 = 360 cm3

L = 360. 10−6

. 0,032 = 12 cm

c. R = 480120 = 4

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Problema 2.- El rendimiento del ciclo Otto es del 50 % y el coeficiente adiabático de la mezcla combustible es de 1,50 , determinar la relación de compresión.

Resolución.-

η = 1 - 1

R−1 ; despejando se obtiene : R=−1 11−

= 4

Problema 3.- Calcular el rendimiento de un ciclo de Otto en el cual la razón de compresión es R = 8 y γ = 1,50.

Resolución.-

η = 1 - 1

R−1 = 64,7 %

Problema 4.- Un motor térmico reversible opera entre un foco T y otro a 280 º K . Cede 1000 KJ/min del foco caliente al frío y su potencia útil es de 40 kW . Calcular la temperatura del foco caliente.

Resolución.- Q2 = 1000 /60 = 16,6 kW ;; Q1 = 16,6 + 40 = 56,6 kW

η = Q1−Q2

Q1 = 0,7067 =

T 1−T 2

T 1;; T1 = 954,6 º K

Motores de combustión.

El rendimiento de un ciclo de Otto viene limitado por la relación de compresión. Para aumentar este rendimiento, se recurre a comprimir solamente aire y una vez logrado ésto, se introduce el volumen apropiado de combustible, que en las condiciones de presión y temperatura a la que se encuentra el cilindro, provoca la combustión espontánea y progresiva de la mezcla.

El ciclo Diesel, viene representado por los siguientes diagramas:

Diagrama p -V Diagrama T - S

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En este diagrama se deben de considerar los siguientes tiempos:1º Tiempo.- Se produce la admisión de aire puro a presión atmosférica ( paso 0-1) y lo comprime adiabáticamente (1-2) hasta presiones de 40 – 50 at. Y T = 600º K .2º Tiempo.- Se introduce el gasóleo a levada presión (70 at) mediante una bomba inyectora inflamándose la mezcla a p =cte (2-3) provocando el retroceso del pistón.3º Tiempo.- Cuando el pistón llega a la décima parte de la carrera , se termina la inyección del gasóleo , expansionándose el gas adiabáticamente , retrocediendo el pistón hasta el punto muerto inferior. (3-4)4º Tiempo.- Una vez que el émbolo alcanza el PMI , se abre la válvula de escape , descendiendo la presión hasta la atmosférica (4-1) , expulsándose los gases por la válvula de escape, iniciándose el ciclo nuevamente en el primer tiempo.

El rendimiento de un motor Diesel será :

η = 1R−1 .

R0−1

.R0−1 Siendo R =

V 1

V 2 y R0 =

V mezclaV recámara

R .- Es la relación de copresión.

R0 .- Es la relación de combustión.El diagrama real difiere del teórico en los siguientes aspectos:

a. La combustión no se realiza a presión constante y el proceso 4 -1 no se realiza a volumen cosntante.b. Existe una combustión incompleta del gasóleo, formándose, además, el monóxido de carbono.c-.Pérdida de calor por las paredes, por lo tanto los procesos no son adiabáticos.

En la siguiente gráfica se comparan los ciclos reales Otto y Diesel:

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Ciclo real Otto Ciclo real Diesel


Como se puede apreciar en los diagramas anteriores, la utilización de un motor Diesel conlleva un mayor rendimiento, por lo tanto es más utilizado en los diferentes vehículos de trasnporte.

Al igual que en el caso de lso motores de explosión, la detonación es un problema grave los motores de combustión, pero por una razón diferente. La inyección del gasóleo debe ser realizada en el instante apropiado, pues de lo contrario, la combustión sería muy rápida y provocaría una explosión por aumento de la presión . Para evitar esto, es necesario retrasar el punto de ignición mediante la utilización de combustibles de alta inflamabilidad

El índice de ceteno nos indica la inflamabilidad de un combustible. La inflamabilidad del ceteno C16 H 34 , posee un índice de ceteno del 100 %, en tanto que el α – metil naftaleno, posee una inflamabilidad del 0 %. El indice de ceteno de un gasóleo representa la inflamabilidad que éste posee en relación al porcentaje de la mezcla ceteno y α-metil naftaleno.

Un combustible con alto índice de ceteno supone un bajo índice de octano.

La sobrealimentación.-

Mediante la sobrealimentación se logra aumentar el rendimiento y la potencia del motor. Para ello se aumenta la cantidad de combustible que se suministra al cilindro. Para ello se aumenta la presión del aire o de la mezcla a la entrada del cilindro, mediante un compresor.

El compresor es accionado por una turbina que la impulsa los gases de escape . El dispositivo recibe le nombre de turbocompresor.

En ocasiones, a la salida del compresor, se suele instalar un cambiador de calor para que la temperatura de la mezcla de gases que accede al cilindro, no sea grande, aumentando todavía más el rendimiento y la potencia del motor. Este dispositivo recibe el nombre de Intercooler.

La sobrealimentación se usa en los motores de aviación, donde la presión del aire que accede al cilindro es baja, puesto que la presión atmosférica disminuye con la altura. También es utilizado por los vehículos de competición que tiene como finalidad aumentar la potencia y su velocidad.

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Problema 6.- El ciclo Diesel teórico de un motor monocilíndrico de dos tiempos y 60 mm de diámetro de pistón, , se encuentra limitado por los volúmenes V1 = 480 cm3 y V2 = 60 cm3 y por las presiones p1 = 0,1 MPa ; p2 = 1,84 MPa y p4 = 1,84 MPa. . El estado de máxima temperatura representa a V3 = 120 cm3.Calcular:

a. El diagrama teórico.b. La cilindrada y la carrera.c. La relación volumétrica de compresión.

Resolución.- a.-

b. V = Δ V = 480 – 60 = 420 cm3

L = 420 .10−6

.0,032 = 14,8 cm

R = 48060 = 8

5. Turbinas de gas de ciclo abierto.

Son motores térmicos rotativos de combustión interna. Pueden ser de explosión como de combustión. En este caso, no necesitan agua para su funcionamiento, resultando apropiadas para la propulsión de los aviones, ferrocarriles, barcos, etc. y en las centrales que generan electricidad.

Se clasifican en turbinas de explosión y de combustión.a. Turbinas de explosión.- Se encuentran constituidas por un compresor , varias cámaras de combustión y la turbina propiamente dicha. Las cámaras se cargan de aire mediante un compresor . Una vez que la cámara se encuentra cargada, se cierra la válvula de admisión y

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se introduce el combustible que explota por la acción de una chispa, incrementándose bruscamente la presión manteniendo el volumen constante. Por la válvula de escape salen los gases a alta velocidad que, encauzados convenientemente, inciden sobre el rotor de la turbina provisto de varios álabes o palas . Cuando el valor de la presión es la atmosférica, se cierra la válvula de escape y se vuelve a abrir la de admisión. En la práctica, para que el rotor se mueva a velocidad constante, se utilizan varias cámaras sincronizadas. El ciclo termodinámico que describe es el de Otto a expansión completa.

b. Turbinas de combustión.- Fundamentalmente poseen un compresor, una cámara de combustión y una turbina . El aire se aspira a p atmosférica y se comprime gracias al compresor C , pasando posteriormente a la cámara de combustión D. En esta cámara se inyecta el combustible , produciéndose el autoinflamado de la mezcla a causa de la elvada temperatura . Los gases de la combustión se expanden sobre los álabes de la turbina T, produciéndose un trabajo de rotación y producen el movimiento del compresor . Una vez realizada su misión, los gases se evacuan por la válvula de escape. Debido a la lata temperatura de los gases, éstos pueden usarse, mediante la utilización de un cambiador de calor, para producir vapor de agua en una caldera que se usa como turbina de vapor . Si los gases de descarga se hacen llegar a una tobera, la turbina de gas se convierte en una máquina de chorro (JET) . Siguen el ciclo termodinámico de Brayton y se utilizan en los turborreactores, turbopropulsores y estatoreactores.

Las turbina de combustión tiene el siguiente esquema :

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Motores de avionesExisten dos tipos principales de motores:1. Turborreactor, turbofan y turbohélice. Poseen una turbina compresora y se utilizan fundamentalmente en los aviones comerciales.2. Los tipos estatorreactor y pulsorreactor. No poseen turbina y lo utilizan los aviones experimentales no comerciales.

El turborreactor, es un motor en el que el aire es aspirado por un compresor. En la cámara de combustión, el oxígeno del aire (que es el comburente) entra comprimido y reacciona con el queroseno (combustible) . Cuando los gases salen a altísimas temperaturas de combustión, se expanden y salen por la parte posterior a gran velocidad, impulsando el avión hacia delante.

Europhigter

Typhon

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El turbofan (ventilador). Estos motores lo utilizan la mayoría de los aviones comerciales. La gran ventaja frente al turborreactor es que es mucho mas siliencioso . El ventilador (fan) se encuentra dentro del tubo, sumándose dos efectos, uno el ventilador refrigera al motor, y dos, el flujo de aire es mayor . El avance del avión se debe al empuje del verntilador o fan y la delos gases aue son expulsados por la tobera .

Aerbus – A 380

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El turbopropulsor . Es muy parecido al turborreactor , la diferencia estriba en que la turbina posterior, hace girar al compresor y a la hélice delantera exterior . La propulsión se debe a dos causas: a los gases que salen por la parte posterior, con poca velocidad, y el empuje da la hélice.

C-130 Hercules

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El estatorreactor, conssite en un tubo abierto por los dos extremos . Por la parte anterior penetra el oxígeno a lata velocidad y reacciona con el combustible. Los gases resultantes, se expanden debido a la enorme temperatura que se consigue por la ignición iniciada por una chispa de la bujía . Los gases salen por la parte posterior a gran velocidad, debido al gradiente tan grande de presión. El avión adquiere grandes velocidades. El motor es muy sencillo . Se utilizan para aviones que vuelen a cotas elevadas y a gran velocidad ( aviones espía) . El control de la velocidad es primordial para evitar que los gases salgan por la entrada y disminuir el rendimiento.

El pulsorreactor , es parecido al motor anterior pero la diferencia es que posee una válvula de entrada en la admisión, para evitar que los gases retrocedan. Esta válvula se cierra cuando explota la mezcla. La combustión se produce a pulsos , abriendo y cerrando la válvula, por ello se denominan pulsorreactores. Se instalan en aviones que soportan poco peso y vuelan abaja cota. Se suele utilizar como motor de arranque de los veleros.

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El combustible utilizado por los aviones es el queroseno, debido que su punto de fusión es de 220ºK . Por lo tanto a la temperatura baja de altas cotas, puede el queroseno mantenerse en estado líquido.

6. El motor de Stirling.El motor de Stirling es una máquina de combustión externa inventada por Robert Stirling en

el año 1816. Esta formado por dos cilindros que se encuentran a diferente temperatura originando los espacios caliente y frío.

Los cilindros se separan mediante un dispositivo denominado regenerador . El gas de trabajo normalmente es el He, H2 o aire. Este gas evoluciona de uno a otro cilindro por el movimiento de de dos pistones gracias al movimiento sincronizado de los dos pistones. En el espacio caliente se absorbe calor. En el espacio frío se desprende calor.

La masa de gas se encuentra alternativamente a diferente temperatura y la presión actúa sobre los pistones es variable, obteniéndose un trabajo útil.

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El ciclo que describe es el siguiente:

1º Tiempo.- Evolución 1-2 . Es una transformación isoterma expandiéndose el gas y absorbiendo calor el cilindro.2. Tiempo.- Evolución de 2-3 . Manteniendo el volumen constante se produce una disminución de presión pasando el gas del espacio caliente al frío.3º Tiempo.- Evolución 3-4. El gas en el espacio frío se comprime isotérmicamente desprendiendo calor a través de las paredes del cilindro.4º Tiempo.- El gas se comprime isocóricamente pasando el aire del cilindro frío al caliente, iniciándose nuevamente el ciclo.

El esquema es el siguiente:

El regenerador actúa de intercambiador de calor, absorbe una cierta cantidad de calor (QR) durante el proceso 2-3 que es el enfriamiento isostérico y devuelve la misma cantidad de calor en el calentamiento isocórico (3-4).

El intercambio tiene lugar en las isotermas ya que el Texp > Tcomp., produciéndose un trabajo útil Wu . El rendimiento real será el 50 % del teórico.

Las ventajas que produce la utilización de este tipo de motor son las siguientes:

1. Utiliza cualquier tipo de energía, incluso las alternativas para su funcionamiento, es decir para conseguir calor. Por ejemplo en la conversión de la energía solar.2. Puede funcionar con aire contaminado.3. Permite controlar la emisión de gases contaminantes.4. Aprovecha el calor residual cedido al foco frío(cogeneración)5. Es silencioso.6. Puede trabajar como bomba de calor o refrigerante.

Este tipo de motor posee grandes aplicaciones como son:

1. Como motor .- Convención de la energía solar, motores de vehículos subacuáticos. Motores solares accionados por células fotovoltáicas en satélites espaciales .

2. Como Refrigerante , para la obtención de N2 líquido usado en la industria de los superconductores.

3. Como bomba de calor.

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7. El rendimiento de los motores térmicos.

Los motores térmicos, solamente aprovechan una parte de la energía química del combustible, para la producción de trabajo útil, perdiéndose la mayor parte de la misma en la refrigeración y en la radiación.

El rendimiento sigue la siguiente ecuación:

η = 1

G ef. .H c

Gef , es el consumo efectivo de combustible, se mide en g/kW.h

HC, es el poder calorífico del combustible . Se mide en Kcal/Kg

Un combustible de Gef = 430 (g/kW.h) y Hc = 10400 Kcal/Kg su rendimiento será :

η = 3.61060,24430. 10400

= 19,14 %

8. Los efectos medioambientales que producen la utilización de los motores térmicos.

Los efectos medioambientales que producen la utilización de los motores térmicos son los siguientes:

a. Ruido.- Se produce por los diferentes elementos mecánicos y las válvulas de escape y admisión . El máximo de ruido permitido en la UE es de 80 dB . Para evitar este ruido, se atenua mediante la utilización de los silenciadores que disminuyen la sonoridad, es decil la amplitud de la onda de la frecuencia de tono ( la intensidad) así como la de sus armónicos.B Contaminación.- La contaminación se puede producir por la evaporación del combustible, los gases procedentes del carter y sobre todo de los gases procedente de la combustión, produciéndose CO2, (H2 O)v, CO . Formaldehido, acroleína, etc .La solución depende de los motores de explosión o de combustión.

a. Motores de explosión.- Reducir el contenido de azufre de las gasolinas; realizar una mezcla homogénea del combustible. Realizar un diseño adecuado del motor ; Controlar la característica de la chispa y del punto de encendido. Actuar sobre la combustión y eliminar los contaminates obtenidos usando los catalizadores apropiados.

B Motores de combustión.- Disminuir el contenido de azufre en el gasóleo y el número de ceteno. Realizar un diseño adecuado del motor. Controlar la inyección del combustible. Actuar sobre la combustión recirculando los gases de escape y controlando la adicción del agua.

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Problema 7.- Un automóvil de motor diesel de 4 tiempos cuyo consumo es de 260 g/kW.h, su poder calorífico es de 10300 Kcal/Kg . Calcular su rendimiento.

Resolución.

Η = 1

G ef. .H c= 3.61060,24

260.10300= 32,2 %

Problema 8.- Un sistema de paneles absorbe energía que procede de la radiación solar a razón de 400 W por metro cuadrado de superficie instalada y la transfiere con una pérdida del 30 % a una unidad de almacenamiento de temperatura constante de 600º K . Este sistema alimenta un motor térmico que genera electricidad con una potencia de 800 kW y cede calor al medio ambiente cuya temperatura es de 27 º C . Hallar la superficie mínima del colector para que funcione la instalación.

Resolución.-

η = T 1−T 2

T 1=

600−300600 = 0.5 =

WQ 1

;; Q1 = 800 kW

0,5= 1600 kW

Si pierde el 30 %, se aprovecha el 70 %

E = 16000,7 = 2285 kW = 2,285 106 W ;; S =

E W 400W /m2

= 5714 m2

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cidead. 2º bachillerato. tecnología industrial ii tema 10.-...

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