expo unidad 2

Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez

Maquinas De Fluidos CompresiblesUnidad 2: Combustión y aplicación de

los ciclos termodinámicosEquipo 1:Cárdenas Ramírez Abraham de JesúsEstrada Márquez BelínGarcía Ruiz KevinRincón Espinosa José LuisSánchez Gómez Amílcar

El fuego aparece como resultado de la reacción química de un combustible y un comburente (combustión).

Todo compuesto químico posee energía almacenada. Hay reacciones que al producirse liberan energía al entorno. Estas son reacciones exotérmicas. La combustión es exotérmica.

.La mayoría de los combustibles (lo que arde) tiene como elemento al carbonoLa mayoría de los comburentes (lo que hace arder) tiene como elemento al oxígeno.

Combustible + O2 + Calor ----> H2O + CO2 + EC + EL

2.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS FLAMASEstructura de la flama

•Zona interna o interior fría, corresponde a los gases que no entran en combustión, por lo que su temperatura es baja.

•Zona intermedia o de reducción, es una mezcla intermedia en la cual la combustión es incompleta

•Zona exterior o de oxidación, que es la parte más externa de la llama y envuelve a las dos anteriores; por la abundancia de oxigeno hay combustión completa y la temperatura es más alta.

Las llamas azules aparecen cuando hay una elevada cantidad de oxígeno. Se dice que el proceso de combustión alcanzando temperaturas altas

Las llamas amarillas o rojas aparecen cuando la cantidad de oxígeno es bajo, se produce una combustión incompleta y por lo tanto las temperaturas son inferiores a la de la combustión completa.

2.2 COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DE AIRE Y COMBUSTIBLE

•Combustibles sólidos: leña, carbón vegetal, carbón mineral, carbón coque.

•Combustibles líquidos: Minerales (obtenidos por la refinación del petróleo) como gasolina y diesel. No minerales como alcoholes y aceites vegetales.

•Combustibles gaseosos: gas natural (metano, etano), gases obtenidos a través de la refinería de petróleo (propano, butano).

COMBUSTIBLE

Propiedades

Poder calorífico: Es la cantidad de energía liberada en la combustión.

Calor latente de vaporización: Cantidad de calor absorbida por una sustancia para alcanzar su punto de vaporización.

Volatilidad: Tendencia que presenta una sustancia a evaporarse a determinadas presiones y temperaturas.

Presión de vapor: Es una medida de la volatilidad de una sustancia, es decir, de su capacidad para pasar de un estado líquido o sólido a uno gaseoso.

Inflamabilidad: Grado de propensión a inflamarse bajo presiones , temperaturas elevadas y agentes externos.

Temperatura de autoinflamacion: Temperatura mínima a la que el combustible se autoinflama sin ningún agente exterior al entrar en contacto con el oxígeno.

La composición del aire es variable y depende de la altitud. A nivel del mar, el aire está compuesto por los siguientes gases: •Nitrógeno 78 %

•Oxígeno 21%

•Gases nobles 0.97%

•Dióxido de carbono 0.03%

AIRE

Propiedades

•Está compuesto de oxígeno, elemento básico para la combustión.

•Presión a nivel del mar 101.33 kPa.

•A mayor altitud disminuye la presión y el peso del aire.

•Es de menor peso que el agua.

•Es de menor densidad que el agua.

•Es incoloro, inodoro e insípido.

2.3 Estequiometria De La Combustión

Estequiometria La estequiometria la podemos definir

como el procedimiento por medio del cual se determinan cantidades de reactivos y productos que intervienen en una reacción química.

Reacción química. En una reacción química se observa una

modificación de las sustancias presentes: los reactivos se consumen para dar lugar a los productos. La reacción química es la modificación de los enlaces entre átomos, por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, pero los átomos implicados se conservan.

Combustión Reacción química que se produce entre

el oxígeno y un material oxidable, que va acompañada de desprendimiento de energía y habitualmente se manifiesta por incandescencia o llama

Tipos de combustión Combustión completa: Se dan si

todos los componentes de un combustible se queman totalmente durante un proceso de combustión completa.

Combustión incompleta: Si los productos de combustión contienen algo de combustible o componentes no quemados.

Estequiometria de la combustión

Para que la reacción comience es necesario un aporte energético inicial y que se mantengan ciertas condiciones para que sea una reacción auto-sostenible.

Una chispa o un pequeño arco eléctrico. Que el combustible y el comburente

tengan el contacto más íntimo posible. Que el recinto donde se lleva a cabo la

combustión se mantenga a una temperatura apropiada durante todo el proceso.

Que se mantengan dentro del recinto el tiempo suficiente para que reaccionen todas las partículas de combustible.

Mezclas para motor La relación entre aire y combustible

varía constantemente en un motor de pistones. Esta proporción se calcula de acuerdo al peso.

Mezcla estequiométrica En condiciones normales, la

combustión total de 1 gramo de gasolina se consigue con 14.7 gramos de aire. Sin embargo, los motores de pistón no son capaces de crear las condiciones de homogeneidad entre aire y gasolina para quemarla el ciento por ciento.

Variantes de la mezcla ideal Una mezcla ideal tiene un valor de 1,

este valor es suministrado por la máquina de emisiones de gases al dividir la mezcla real con que trabaja el motor con la mezcla ideal o estequiométrica, de esta forma si un motor trabaja con una mezcla real de 14.7 a 1 esta es dividida con la mezcla ideal de 14.7 a 1 lo cual será igual a 1

Factor Lambda El Factor Lambda designa la

proporción aire-combustible (en peso) en forma de mezcla que entra al cilindro de un motor de ciclo Otto.

14.7/14.7=1 → Mezcla ideal 13.5/14.7=0.918 → Mezcla rica 15.5/14.7=1.054 → Mezcla pobre

Mezcla pobre: Esta situación es la adecuada para lograr consumos mínimos y emisiones mínimas de contaminantes, principalmente hidrocarburos y monóxido de carbono (HC y CO) pero no torque o par motor máximo.

Mezcla rica: se obtiene torque o par máximo y potencia máxima pero el consumo de combustible y las emisiones de contaminantes son mayores.

Ejemplo ¿Qué cantidad de oxigeno es necesaria

para reaccionar con 100gr de carbono produciendo dióxido de carbono?

Masa atómica del oxigeno= 15.9994 Masa atómica del carbono= 12.0107 Reacción Para formar una molécula de dióxido de

carbono, hacen falta un átomo de carbono y dos de oxígeno, o es lo mismo, un mol de carbono y dos mol de oxígeno.

2.4 La primera ley de la termodinámica y la combustión

Primera ley de la termodinámica

La energía no se puede crear ni destruir durante un proceso; solo puede cambiar de forma.

Cada cantidad de energía por pequeña que sea debe justificarse durante un proceso

Principio de conservación de la energía y Balance de energía

El cambio neto (aumento o disminución) de la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso.

Cuando la energía (mecánica, térmica, eléctrica, química…) se transforma de una forma a otra, siempre hay una cantidad que se convierte en calor.

En un contexto físico, el escenario común es el de añadir calor a un volumen de gas, y usar la expansión de ese gas para realizar trabajo, como en el caso del empuje de un pistón, en un motor de combustión interna.

2.5.REACCIONES QUIMICAS EN MEZCLA DE GASES

La gasolina que se quema en un motor contiene sustancias químicas, compuesta principalmente de hidrocarburos. Los hidrocarburos son compuestos químicos hechos de átomos de hidrógeno que se adhieren químicamente con átomos de carbono. Hay muchos tipos diferentes de compuestos de hidrocarburos que encuentran en la gasolina, dependiendo del número de átomos de hidrógeno y el carbono presente, y la forma en que estos átomos están unidos.

Dentro de un motor, los hidrocarburos en la gasolina no se queman a menos que se mezclan con el aire. El aire está compuesto de aproximadamente 21% de oxígeno (O2), el 78% de nitrógeno (N2), y pequeñas cantidades de otros gases inertes.Los hidrocarburos en el combustible, reaccionan con el oxígeno durante el proceso de combustión para formar vapor de agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2), creando el efecto deseable de calor y la presión dentro del cilindro. El nitrógeno también reacciona con el oxígeno para formar óxidos de nitrógeno (NOx), que se considera un contaminante. La proporción de aire-combustible juega un papel importante en la eficiencia del proceso de combustión.

En una combustión perfecta, los hidrocarbonos (HC) se oxidan en agua (H2O) y dióxido ce carbono (CO2) y el nitrógeno pasará sin cambio

Bajo condiciones ideales de la combustión

COMBUSTIÓN EN EL CICLO DE 4 TIEMPOS.

Ciclos de Admisión y Compresión: Durante la admisión, el aire y el combustible entran al cilindro debido al vacío que genera el movimiento del pistón hacia abajo. Durante la compresión, la presión dentro del cilindro aumenta, preparando a la mezcla aire combustible para la ignición

Ciclos de Explosión y Escape: Durante el ciclo de explosión, la mezcla aire combustible es encendida y la presión es ejercida en el pistón. En el ciclo de escape, los gases de la combustión son enviados al sistema de escape

COMPOSICION DE LOS GASES DE ESCAPE

COMBUSTION DE MEZCLA Y EMISIONES DE ESCAPE

2.6. DIAGRAMAS DE MEZCLAS QUEMADAS Y NO QUEMADAS

DIAGRAMA PARA MEZCLAS NO QUEMADAS

El diagrama para mezclas no quemadas permite la valuación rápida de las propiedades de la mezcla, obtenidas durante cualquier etapa del proceso de compresión (suponiendo que en este proceso no ocurre ni la combustión ni la reacción química). Las propiedades del fluido dependen directamente de las cantidades relativas de combustible, aire y residuos en la mezcla. En virtud de que para todas las condiciones de funcionamiento, no son constantes ni la relación aire-combustible ni la cantidad de residuos, será necesario, teóricamente un número infinito de diagramas. A pesar de esto, se presentarán tres diagramas que satisfacen la variedad de mezclas encontradas ordinariamente en los motores de encendido por chispa. Un diagrama es para la mezcla teóricamente correcta de aire y octano (C8H18), otra para mezclas pobres y otra para mezclas ricas.

DIAGRAMA DE MEZCLA QUEMADA

Los componentes de la mezcla quemada, diferentes de la mezcla no quemada, no son constantes sino que varían con la temperatura y la presión. Por esta razón la energía interna, por ejemplo, de la mezcla quemada, incluye tanto la forma de la energía sensible como la de la química

2.7 Ciclos: Otto, Diesel, Stiriling y Brayton.

Ciclo Otto. Este ciclo es el más empleado, realiza la

transformación de energía calorífica en mecánica fácilmente utilizable en cuatro fases.

Durante estas cuatro fases un pistón se desplaza en el interior de un cilindro, efectuando cuatro carreras alternativas y mediante un sistema biela-manivela transforma el movimiento lineal del pistón en movimiento de rotación del árbol cigüeñal, realizando 2 vueltas completas en cada ciclo de funcionamiento.

La entrada y salida de gases en el cilindro es controlada por válvulas situadas en la cámara de combustión, sincronizadas por el movimiento de giro del árbol de levas.

Funcionamiento teórico del ciclo Otto.

Primer tiempo: Admisión.El pistón Efectúa su primera carrera o desplazamiento lineal desde el PMS hasta el PMI, en el cual el cigüeñal gira 180°. Al comenzar este tiempo instantáneamente se abre la válvula de admisión y permanece abierta, se aspira una mezcla de aire y combustible para llenar teóricamente la totalidad del cilindro.

Funcionamiento teórico del ciclo Otto.Admisión

Volumen teórico de la mezcla.

Funcionamiento teórico del ciclo Otto

Segundo tiempo: Compresión En este se realiza su segunda carrera y

se desplaza del PMI al PMS, gira 180° por lo que hasta este tiempo el cigüeñal ha girado 360°.

Durante esta fase la válvulas permanecen cerradas el pistón comprime la mezcla alojada en la cámara de combustión, situada por encima del PMS.

Funcionamiento teórico del ciclo Otto.Compresión.


Tercer tiempo: Trabajo. Cuando el pistón llega al final de la compresión,

entre los electrodos de una bujía, salta una chispa eléctrica en el interior de la cámara de combustión que produce la ignición de la mezcla, con lo cual se origina la inflamación y combustión de la misma, la energía calorífica liberada la cual produce una elevada temperatura, con lo que la energía cinética de las moléculas aumenta considerablemente y al chocar contra la cabeza del pistón produce una fuerza de empuje que hace que el pistón se desplace hacia el PMI.


Tercer tiempo: Trabajo. Esta es la única carrera que realiza trabajo,

se produce la buscada transformación de energía. La presión baja rápidamente por efecto del aumento de volumen y disminuye la temperatura interna debido a la expansión, con la cual el pistón llega al PMI y se supone que la válvula de escape se abre Instantáneamente, hasta este punto el cigüeñal ha girado 540°

Funcionamiento teórico del ciclo Otto.Trabajo.


Cuarto tiempo: Escape. En este tiempo el pistón realiza su cuarta

carrera o desplazamiento desde el PMI al PMS, y el cigüeñal gira sus últimos 180° con lo que concluyen 2 vueltas del cigüeñal.

Durante este recorrido la válvula de escape permanece abierta. A través de ella, los gases quemados procedentes de la combustión salen de la atmósfera, al principio bruscamente por la presión, y el resto empujado por el pistón.

Funcionamiento teórico del ciclo Otto.Escape.

Funcionamiento teórico del ciclo Otto.Diagrama P-V.

0-1.- Admisión (Isobara).Se supone que el fluido entra a la cámara sin rozamiento por lo que se mantiene a presión atmosférica.1-2.-Compresión (Adiabática)El fluido operante no intercambia calor.2-3.-Combustión (Isocora)Se supone que salta la chispa y produce la combustión que genera calor Q1, que al ser tan rápida se puede suponer que el pistón no se ha desplazado por lo que se mantiene a volumen constante.3-4.- Trabajo (Adiabática)Se supone que debido a la rapidez de giro del motor los gases quemados no tienen tiempo para intercambiar calor.

Ciclo Diésel. El motor diésel tiene una estructura

semejante a la de los motores de combustión de explosión por ignición. El pistón desarrolla cuatro carreras y el cigüeñal gira 720°. Realiza el llenado y evacuación de gases mediante 2 válvulas sincronizadas por el árbol de levas.

Funcionamiento teórico del ciclo Diésel.

Primer tiempo: Admisión En este primer tiempo el pistón efectúa

su primera carrera o desplazamiento desde el PMS al PMI, aspirando sólo aire de la atmósfera, purificado por un filtro, el aire pasa por el colector y la válvula de admisión que permanece abierta todo este tiempo para llenar el volumen del cilindro.

Funcionamiento teórico del ciclo Diésel. Admisión

Funcionamiento teórico del ciclo Diésel

Segundo tiempo: Compresión. En este tiempo con las dos válvulas

completamente cerradas el pistón comprime el aire a gran presión, quedando sólo aire alojado en la cámara. Alcanzando 600° C, superior al punto de inflamación del combustible por ello la relación de compresión es de 22 a 1.

Funcionamiento teórico del ciclo Diésel. Compresión


Tercer tiempo: Trabajo. Al final de la compresión con el pistón en el

PMS se inyecta el combustible. Como la presión en el interior del cilindro es muy elevada, para que el combustible pueda entrar la inyección debe realizarse de 150 a 300 atmósferas de presión, debido a la alta presión con la que entra el combustible se pulveriza y se inflama en contacto con el aire caliente. A continuación se realiza la expansión del pistón hacia el PMI.

Funcionamiento teórico del ciclo Diésel.

Cuarto tiempo: Escape. Durante este tiempo se supone que la

válvula de escape se abre. El pistón durante su recorrido ascendente, expulsa a la atmosfera los gases remanentes que no han salido, efectuando así un barrido de gases quemados lanzándolos al exterior.

Funcionamiento teórico del ciclo Diésel. 0-1.- Admisión (Isóbara).

El cilindro tiene la misma presión que el exterior.1-2.- Compresión (Adiabática).El aire es comprimido hasta ocupar el volumen correspondiente, por la rapidez de la compresión el sistema no cede calor.2-3.- Inyección y combustión (Isóbara).Una vez que se comprime el aire a 600° C se inyecta el combustible pulverizado que arde al contacto, la presión se mantiene constante debido a un retardo en la combustión.3-4.-Trabajo (Adiabático).Se produce una expansión que proporciona la fuerza de empuje, no se cede calor por la velocidad de la reacción y la presión disminuye a medida que se vacía el pistón.

Ciclo Stirling. Un ciclo Stirling es un proceso que

permite la conversión entre energía mecánica y calorífica, el ciclo Stirling permite la obtención de trabajo a partir del intercambio de calor entre un foco caliente y otro frío, según el motor diseñado por Robert Stirling, este consta de 4 procesos y funciona mediante combustión externa.

Funcionamiento Teórico del ciclo Stirling. Diagrama P-V

1-2.- Expansión (Isotérmica)2-3.-Enfriamiento (Isócoro)De V1 a V2 3-4,- Compresión (Isotérmica)4-1.-Calentamiento (Isócoro)

Ciclo Brayton. El ciclo termodinámico teórico por el cual funcionan todas

las turbinas a gas es el ciclo brayton. La compresión 1-2 representa la compresión isoentrópica

del aire que se realiza en el compresor axial. La transformación 2-3 representa el proceso de combustión

a presión constante donde se produce el aporte de calor (Q suministrado) del combustible inyectado en el punto 2.

La transformación 3-4 representa la expansión isoentrópica de los gases de combustión que se desarrolla en la turbina.

No existe la transformación 4-1. En los diagramas se representa solo a modo de cerrar el ciclo ya que el ciclo BRAYTON es en realidad un ciclo abierto.

Funcionamiento teórico del ciclo Brayton.

2.8 Comparación de losciclos reales con los ciclos

ideales.

Factores que afectan al ciclo real (Otto).

Aspiración: Cuando la válvula de admisión de abre y la otra se cierra hay una perdida de carga lo que hace que la presión sea menor a la atmosférica.

Combustión: En la combustión el volumen aumenta y la presión crece menos de lo que debería.

Válvula de escape: La apertura no es rápida y los gases rosan, provoca que la presión caiga lentamente.

Carrera de escape: Cuando salen los gases quedan una cierta parte dentro de la cámara para el siguiente ciclo.

Mal llenado de cilindro: Al tener la presión menor que la atmosférica, la mezcla que entra es menor a la teórica.

Diferencias de ciclo ideal y real en el ciclo Diésel.

Perdidas de calor: Parte del calor se transmite a las paredes.

Tiempo de apertura y cierre de válvulas: Las válvulas se abren con anticipación y hay perdida de carga.

Combustión no instantánea: La inyección se da en el PMS y es cuando el pistón se esta alejando, provocando perdida de trabajo.

Adelanto de apertura de escape: la válvula se abre antes haciendo que haya una perdida de presión.

Ciclo Brayton real. Se da en compresores y turbinas. Es un

proceso adiabático, y no es reversible debido a los rozamientos, esto dará un aumento de temperaturas.

Y los rozamientos harán que se disminuya el trabajo en la turbina.

Existen perdidas por radiación y convección en todo el cuerpo.

Ciclo Stirling real. Tiene un rendimiento un poco inferior

al del ciclo Otto. Perdida de calor: Hay una perdida de

calor hacia las paredes, esto no se toma en el análisis ideal.

Combustión no instantánea: Provoca una presión baja y una perdida de trabajo.

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