INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

UNIDAD 2:

Combustión y aplicación de los ciclos termodinámicos

MATERIA:

Máquinas de fluidos Comprensibles

DOCENTE:

ING. Victor Cruz Martinez

P R E S E N T A:

ANTONIO ARENAS JOSE URIELPATRACA TELLEZ BRUNO ALBERTO

CRUZ CONTRERAS GUILLERMOCARRAZCO VELAZQUEZ JOSE DE JESUS

COATZACOALCOS, VERACRUZ.09 DE Noviembre DEL 2015

INDICE

Introducción 3

2.1. Caracterización de flamas 4

2.2. Composición y propiedades del aire y de los combustibles 6

2.3. Estequiometría de la combustión 12

2.4. La primera ley de la termodinámica y la combustión 13

2.5. Reacciones químicas en mezclas de gases 16

2.6. Diagramas de mezclas quemadas y no quemadas. Modelos ideales 18

2.7. Ciclos: Otto, Diesel, Stirling, Brayton. 18

2.8. Comparación de los ciclos reales con los ciclos ideales. 28

Conclusión 31

Bibliografía 32

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INTRODUCCIÓN

Tal vez el proceso térmico de mayor interés practico por su escala de utilizaci6n

mundial, siendo a la vez muy fácil de realizar y muy difícil de estudiar, sea el

proceso de reacción química exotérmica auto mantenida por conducción de calor y

difusión de especies, conocido como combustión.

Sus aplicaciones se pueden resumir en:

Calefacción de habitáculos (hogueras, estufas, calderas),

Producción de electricidad (centrales térmicas),

Propulsión (motores alternativos, turbinas de vapor, turbinas de gas),

Proceso de materiales (reducción de óxidos, fundición, cocción),

Eliminación de residuos (incineración de basura),

Producci6n de frio (frigoríficos de absorción),

Control de incendios (barreras cortafuegos, materiales ignífugos),

Iluminación (hasta finales del siglo xix era el único método de luz artificial).

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2.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS LLAMAS

La llama es el frente de reacción, una estrecha zona (de espesor c 1 mm) en donde tiene lugar la descomposici6n y recombinaci6n molecular, presentando las concentraciones y la temperatura gradientes enormes (p.e. de 300 K a 3000 K, y de 0 a 1 las fracciones molares). Las llamas se pueden clasificar por el tipo de mezcla de 10s reactivos, por el tipo de flujo, por su posici6n relativa a las paredes (anclada, libre), por el tipo de combustible, por la granulometn'a del combustible condensado, etc. A continuaci6n se presenta un esquema de clasificaci6n

Los reactantes pueden llegar, o bien previamente mezclados por un mismo lado de la llama (llama de pre mezcla) y 10s productos salir por el otro lado, o bien separados cada uno por un lado de la llama (llama de difusión), saliendo 10s productos también por difusi6n por ambos lados.

En las llamas de gases premezclados la cinética química es el mecanismo dominante, el cual controla la velocidad de propagaci6n y 10s límites de ignici6n. La combusti6n es mris intensa y eficiente que en las de difusión, es decir, se consigue mris potencia t6rmica, y se generan menos contaminantes. El color de la llama suele ser azulado, debido a la emisión lurniniscente de algunos radicales activos. La velocidad de la llama varía mucho con la composici6n, y es máxima para riquezas algo superiores a la estequiometria (precisamente cuando la temperatura de combusti6n adiabritica es mínima).

En las llamas de difusi6n (de chorros de gas o de vaporizaci6n de s6lidos o líquidos) es la difusi6n de especies el mecanismo dominante. Estas llamas no presentan caracten'sticas propias como velocidad de propagaci6n, espesor de llama, límites de ignición, etc.

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El rango de velocidades en que puede arder es mucho mris extenso, son de un color amarillento (a1 ser peor la combusti6n se forma mis hollin, que emite más radiaci6n como cuerpo negro), son mucho mris voluminosas para una misma potencia térmica, y son mris seguras, a1 no formarse mezcla reactiva hasta la salida del inyector. La formaci6n de hollin se explica por la gran diferencia de Difusividad entre el hidr6geno y 10s demris productos de la descomposici6n térmica del combustible (hidrocarburo) en el interior de la llama (envoltura delgada donde la mezcla alcanza la estequiomem'a).

Ello produce una fuga de hidr6geno y hace que aumente la concentraci6n de moléculas ricas en carbono, produciéndose una sublimaci6n inversa que les hace agregarse formando n6cleos s6lidos de f6rmula ponderal media CsH.

Cuando se inyectan 10s reactivos en un quemador, el movimiento creado puede ser de tipo laminar o turbulento, y ello modifica grandemente el desarrollo de la combusti6n. En régimen turbulento (Re>4000) el transporte de calor y masa es mucho mris efectivo, la llama es mris corta y su forma es fluctuante y se genera ruido, pero lo principal es que la velocidad de quemado es mucho mayor porque el frente de llama tiene mucha mayor superficie y además dentro del espesor de la llama el transporte es más efectivo, lo cual tiene una enorme importancia practica (p.e. la combusti6n en un motor de automoci6n con crimaras de 10 cm de diámetro dura <1e3 s, mientras que si la propagaci6n fuese laminar duraría >lel s).

Las llamas de difusi6n son muy estables (soportan grandes perturbaciones sin desaparecer); en cambio las llamas de pre mezcla tienen unos límites de estabilidad estrechos. En la estabilidad de llamas laminares de pre mezcla se pueden distinguir 10s fen6menos que producen variaciones en la velocidad de la llama (llamas inclinadas en un bunsen, retroceso de llama, despegue de llama, aparici6n de la turbulencia), de 10s fenómenos que posibilitan o no su propagaci6n (la difusión en el seno del gas da lugar a 10s límites de ignición, y la difusi6n hacia las paredes a las distancias de congelaci6n).

Se muestra un diagrama de estabilidad para la llama de pre mezcla butanol aire en un mechero bunsen. En ella puede observarse que una llama muy pobre (con menos del 1,896 de butano) no ardera; que una mezcla casi estequiometria (con 3% de butano) tendrían estrecho margen de caudales estables (entre el límite de reentrada y el de despegue de la llama), y que una mezcla muy rica, la cual daña lugar a una llama de difusión, puede quedar estabilizada anclada a1 borde del mechero o despegada a una cierta distancia del mechero (aunque estas llamas limitantes son mris inestables), dependiendo del caudal, presendndose una cierta histéresis en la transici6n.

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2.2 COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL AIRE Y DE LOS COMBUSTIBLES

En los motores usualmente se quema el combustible con aire. El aire seco es una mezcla que tiene una composición representativa por volumen de 20.95% de oxígeno, 78.09% de nitrógeno, 0.93% de argón, y algunas trazas de CO2, neón, helio, metano y otros gases.

La composición de un combustible es fundamental para poder determinar los parámetros estequiométricos característicos de la reacción de combustión. Además, establece si el mismo es apto o no para el uso que se requiere, en función de la presencia de componentes que puedan ser nocivos o contaminantes.

La forma habitual de indicar la composición de un gas es como porcentaje en volumen de cada uno de sus componentes, en condiciones normales de temperatura y presión. Si se expresa este porcentaje relativo al 100% total, se obtiene la fracción molar, xi. Por lo tanto, si el combustible gaseoso tiene n componentes deberá cumplirse que:

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Los componentes más habituales en un combustible gaseoso son:

• Hidrocarburos, de fórmula genérica CnHm

• Dióxido de carbono: CO2.

• Monóxido de carbono: CO.

• Hidrógeno: H2.

• Oxígeno: O2.

• Nitrógeno: N2.

• Dióxido de azufre: SO2.

• Sulfuro de hidrógeno: SH2.

• Vapor de agua: H2O.

En las Tablas I.2, I.3. a y b, se muestra la composición de un gas natural y de dos GLP (gas licuado de petróleo), respectivamente. Estas composiciones no son fijas ni constantes, sino que dependen de la muestra analizada y de la partida de combustible.

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Si se trata de un combustible sólido o líquido, lo más usual es indicar la masa de los n componentes referida a un kilogramo de combustible. En consecuencia, si el combustible sólido o líquido tiene n componentes deberá cumplirse que

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Muchas veces se suele expresar la composición seca del combustible; es decir, relativa a la masa de combustible sin agua. Llamando yi’ a la fracción másica de combustible sin agua, se tiene que

Siendo ya la fracción másica de agua.

En la Tabla I.4 se muestra la composición dos líquidos combustibles.

Poder calorífico. El poder calorífico de un combustible es la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa de combustible.

Viscosidad. La viscosidad es una propiedad intensiva (no depende de la cantidad de muestra que se tome para su estudio) que tiene importancia para combustibles líquidos. Su determinación se hace en forma experimental.

Densidad. La densidad es otra propiedad intensiva que se determina experimentalmente. En el caso de combustibles gaseosos se utilizan tanto la densidad absoluta (kg/m3 ) como la relativa al aire (adimensional), definida como ρ ρ ρ r a = siendo ρ la densidad absoluta del gas y ρa la densidad absoluta del aire, ambas medidas en las mismas condiciones de temperatura y presión.

La densidad relativa tiene mucha importancia por el hecho de que determina, por ejemplo, si el gas se acumula en el techo o en el suelo, en caso de una fuga en un

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local cerrado. La densidad absoluta del aire, en condiciones normales (0ºC y 1atm), es de 3 ρ a = 1.287 kg / m

Punto de inflamación o temperatura de ignición. Para que se produzca la reacción de combustión, la mezcla de combustible y comburente debe alcanzar una temperatura mínima necesaria, que recibe el nombre de punto de inflamación o temperatura de ignición. Una vez que se alcanza dicha temperatura, el calor producido mantendrá la temperatura por encima de la de ignición y la reacción continuará hasta que se agote el combustible o el comburente. El punto de inflamación depende del comburente.

1. 4. 7. Temperatura de combustión. Otra temperatura importante es la temperatura de combustión o temperatura máxima de llama que se alcanza durante el proceso de combustión.

1. 4. 8. Contenido de azufre. Es importante conocer el contenido de S de los combustibles ya que esto determina la cantidad de SO2 que aparecerá en los humos, como resultado de la combustión. El SO2 se oxida lentamente a SO3 (trióxido de azufre) que es el responsable de las llamadas lluvias ácidas. Una forma de reducir la formación de SO3 es controlar el exceso de aire, de forma tal que se emplee el “mínimo” exceso de aire posible. Las reacciones de oxidación del S y SH2 son las siguientes:

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Distintos tipos de combustión Los procesos de combustión se pueden clasificar en:

• Combustión completa.

• Combustión incompleta.

• Combustión teórica o estequiométrica.

• Combustión con exceso de aire.

• Combustión con defecto de aire.

Combustión completa. Las sustancias combustibles del combustible se queman hasta el máximo grado posible de oxidación. En consecuencia, no habrá sustancias combustibles en los humos. En los productos de la combustión se puede encontrar N2, CO2, H2O y SO2.

Combustión incompleta. Sucede lo contrario que en la combustión completa. O sea, como el combustible no se oxida completamente, se forman sustancias que todavía pueden seguir oxidándose; por ejemplo, CO. Estas sustancias se denominan inquemados. La presencia de inquemados indica que la combustión se está realizando en forma incompleta. Otros inquemados pueden ser H2, CnHm, H2S y C. Estas sustancias son los contaminantes más comunes que escapan a la atmósfera en los gases de combustión.

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2.3. ESTEQUIOMETRÍA DE LA COMBUSTIÓN

Combustión teórica o estequiométrica.

Es la combustión que se realiza con la cantidad teórica de oxígeno estrictamente necesaria para producir la oxidación total del combustible sin que se produzcan inquemados. En consecuencia, no se encuentra O2 en los humos, ya que dicho O2 se consumió totalmente durante la combustión.

Esta combustión se denomina teórica porque en la práctica siempre se producen inquemados, aunque sea en muy pequeña proporción.

En esta sección se repasan algunas relaciones entre la composición de los reactivos y de los productos. En una combustión completa ideal, los únicos productos de la combustión son CO2 y agua. Por ejemplo, a continuación se muestra la ecuación química para la combustión completa de un mol de propano:Finalmente el balance de oxígeno de:

2b + c = 10 = 2a,De donde a = 5.

En la ecuación anterior, solamente se hacía reaccionar oxígeno puro, pero en la realidad el oxígeno para la combustión se obtiene del aire. Asumiendo que los productos están a baja temperatura no se afecta el nitrógeno del aire. Así pues, escribiendo la ecuación de combustión completa con aire como oxidante para un hidrocarburo en general cuya composición molecular promedio.

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Combustión con exceso de aire.

Es la combustión que se lleva a cabo con una cantidad de aire superior a la estequiométrica. Esta combustión tiende a no producir inquemados. Es típica la presencia de O2 en los humos.

Si bien la incorporación de aire permite evitar la combustión incompleta y la formación de inquemados, trae aparejada la pérdida de calor en los productos de combustión, reduciendo la temperatura de combustión, la eficiencia y la longitud de llama.

Combustión con defecto de aire.

En esta combustión, el aire disponible es menor que el necesario para que se produzca la oxidación total del combustible. Por lo tanto, se producen inquemados.

2.4 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Y LA COMBUSTION.

Primera Ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio de conservación

de la energía, a los procesos de calor y termodinámico:

La primera ley hace uso de los conceptos claves de energía interna, calor, y

trabajo sobre un sistema. Usa extensamente el estudio de los motores térmicos. P á g i n a 13 | 32

La unidad estándar de todas estas cantidades es el julio, aunque algunas veces se

expresan en calorías o BTU.

En los textos de Química es típico escribir la primera ley como ΔU=Q+W. Por

supuesto que es la misma ley, -la expresión termodinámica del principio de

conservación de la energía-. Exactamente se define W, como el trabajo

realizado sobre el sistema, en vez de trabajo realizado por el sistema. 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. En el contexto de procesos y

reacciones químicas, suelen ser más comunes, encontrarse con situaciones

donde el trabajo se realiza sobre el sistema, más que el realizado por el sistema.

Entalpía

En la termodinámica de reacciones químicas y en los procesos no cíclicos son útiles cuatro cantidades llamadas "potenciales termodinámicos". Estos son la energía interna, la entalpía, la energía libre de Helmholtz y la energía libre de Gibbs. La entalpía se define por

H = U + PV

Donde P y V son la presión y el volúmen, y U es la energía interna. La entalpía es

por tanto una variable de estado medible de forma precisa, puesto que se define

en función de las otras tres variables de estado medibles de forma precisa. Es

algo paralelo a la primera ley de la termodinámica en un sistema a presión

constante

Q = ΔU + PΔV puesto que en este caso Q=ΔH

Se trata de una cantidad útil en el seguimiento de las reacciones químicas. Si

como resultado de una reacción exotérmica se libera un poco de energía de un

sistema, tiene que aparecer de alguna forma medible en función de las variables

de estado. Un incremento de la entalpía H = U + PV se debería asociar con un

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incremento en la energía interna que podría medirse por la calorimetría, o por el

trabajo realizado por el sistema, o por una combinación de los dos.

La energía interna U podría considerarse como, la energía necesaria para crear un

sistema en ausencia de cambios en la temperatura o el volumen. Pero si el

proceso cambia el volumen, como en las reacciones químicas que producen

productos gaseosos, entonces se debe realizar trabajo para producir cambio en el

volumen. En un proceso a presión constante, el trabajo que debemos realizar para

producir un cambio de volumen ΔV es PΔV. Por tanto el término PV se puede

interpretar como el trabajo que se debe hacer para "crear espacio" para el

sistema, si se presume que empezó con un volumen cero.

Trabajo del Sistema

Normalmente es un gas el que realiza el trabajo en un sistema termodinámico. El trabajo realizado por un gas a presión constante es:

Ejemplo

Si la presión no es constante, el trabajo se visualiza como el área bajo la curva de presión-volumen, que representa el proceso que está teniendo lugar. La expresión mas general para el trabajo realizado es:

El trabajo realizado por un sistema disminuye la energía interna del sistema, como se indica en la primera ley de la termodinámica. El trabajo del sistema es un aspecto importante en el estudio de los motores térmicos.

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2.5 REACCIONES QUÍMICAS EN MEZCLAS DE GASES.

La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una

sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. Es

característica de esta reacción la formación de una llama, que es la masa gaseosa

incandescente que emite luz y calor, que está en contacto con la sustancia

combustible.

La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxígeno o

bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente,

siendo el aire atmosférico el comburente más habitual.

La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas entre las

cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma genérica

productos, humos o gases de combustión. Es importante destacar que el

combustible solo reacciona con el oxígeno y no con el nitrógeno, el otro

componente del aire. Por lo tanto el nitrógeno del aire pasará íntegramente a los

productos de combustión sin reaccionar.

Entre las sustancias más comunes que se pueden encontrar en los productos o

humos de la reacción se encuentran:

• CO2

• H2O como vapor de agua

• N2

• O2

• CO

• H2

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• Carbono en forma de hollín

• SO2

De acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustión, estas pueden ser

de distintos tipos:

Combustión completa

Ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el máximo grado

posible de oxidación. En este caso no habrá presencia de sustancias combustibles

en los productos o humos de la reacción.

Combustión incompleta

Se produce cuando no se alcanza el grado máximo de oxidación y hay presencia

de sustancias combustibles en los gases o humos de la reacción.

Combustión estequiométrica o teórica

Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad mínima de aire para que no

existan sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de

combustión no hay presencia de oxigeno en los humos, debido a que este se ha

empleado íntegramente en la reacción.

Combustión con exceso de aire

Es la reacción que se produce con una cantidad de aire superior al mínimo

necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la combustión tiende a no producir

sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión es

típica la presencia de oxígeno en los gases de combustión.

La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer reaccionar

completamente el combustible disponible en el proceso.

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Combustión con defecto de aire

Es la reacción que se produce con una menor cantidad de aire que el mínimo

necesario. En este tipo de reacción es característica la presencia de sustancias

combustibles en los gases o humos de reacción.

2.6 DIAGRAMAS DE MEZCLAS QUEMADAS Y NO QUEMADAS. MODELOS IDEALES

Los gases de combustión se evalúan cualitativa y cuantitativamente. Mediante el análisis de estos gases vamos a poder saber si la reacción de combustión va bien o mal. Podemos conocer también la energía que se está produciendo y cuanta se puede estar perdiendo. Para todo esto, lo primero es tomar muestras de los gases de combustión. La toma de muestras se realiza principalmente de dos maneras:

• Por aspiración

• Por filtro

En ambos casos, se recogen los gases para llevarlos a analizar. Estas muestras se recogen tanto en conductos intermedios como en la mismas chimenea de salida de gases.

Los puntos en los que tomamos la muestra vienen condicionados por lo que queramos exactamente de esa muestra. Hay que tener en cuenta que la composición de los gases va variando desde la salida de la cámara de combustión hasta que sale por la chimenea.

2.7 CICLOS: OTTO, DIESEL, STIRLING, BRAYTON

Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Este ciclo está formado por seis pasos, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión

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Siendo r = VA / VB la razón de compresión igual al cociente entre el volumen al inicio del ciclo de compresión y al final de él. Para ello, halle el rendimiento a partir del calor que entra en el sistema y el que sale de él; exprese el resultado en términos de las temperaturas en los vértices del ciclo y, con ayuda de la ley de Poisson, relacione este resultado con los volúmenes VA y VB.

2 Descripción del ciclo

Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fases de operación de este motor son las siguientes:

Admisión (1)

El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.

Compresión (2)

El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabáticareversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.

Combustión

Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar).

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Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.

Expansión (3)

La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D.

Escape (4)

Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos.

En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.

Ciclo diésel

El motor Diesel de cuatro tiempos tiene una estructura semejante a los motores de explosión, salvo ciertas características particulares. El pistón desarrolla cuatro carreras alternativas mientras el cigüeñal gira 720º. Como el motor de ciclo Otto realiza el llenado y evacuación de gases a través de dos válvulas situadas en la culata, cuyo movimiento de apertura y cierre está sincronizado con el cigüeñal a través del sistema de distribución por el árbol de levas.

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El funcionamiento de este motor durante su ciclo es el siguiente:

• 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, debidamente purificado a través del filtro. El aire pasa por el colector y la válvula de admisión, que se supone se abre instantáneamente y que permanece abierta, con objeto de llenar todo el volumen del cilindro. Durante este tiempo, la muñequilla del cigüeñal gira 180º. Al llegar al PMI se supone que la válvula de admisión se cierra instantáneamente.

• Segundo tiempo: CompresiónP á g i n a 21 | 32

En este segundo tiempo y con las dos válvulas completamente cerradas el pistón comprime el aire a gran presión, quedando sólo aire alojado en la cámara de combustión. La muñequilla del cigüeñal gira otros 180º y completa la primera vuelta del árbol motor.

La presión alcanzada en el interior de la cámara de combustión mantiene la temperatura del aire por encima de los 600 ºC, superior al punto de inflamación del combustible, para lo cual la relación de compresión tiene que ser del orden de 22.

• Tercer tiempo: Trabajo

Al final de la compresión con el pistón en el

PMS se inyecta el combustible en el interior del cilindro, en una cantidad que es regulada por la bomba de inyección. Como la presión en el interior del cilindro es muy elevada, para que el combustible pueda entrar la inyección debe realizarse a una presión muy superior, entre 150 y 300 atmósferas.

El combustible, que debido a la alta presión de inyección sale finalmente pulverizado, se inflama en contacto con el aire caliente, produciéndose la combustión del mismo. Se eleva entonces la temperatura interna, la presión mientras dura la inyección o aportación de calor se supone constante y, a continuación, se realiza la expansión y desplazamiento del pistón hacia el PMI. Durante este tiempo, o carrera de trabajo, el pistón efectúa su tercer recorrido y la muñequilla del cigüeñal gira otros 180º.

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• Cuarto tiempo: Escape:

Durante este cuarto tiempo se supone que la válvula de escape se abre instantáneamente permanece abierta. El pistón, durante su recorrido ascendente, expulsa a la atmósfera los gases remanentes que no han salido, efectuando el barrido de gases quemados lanzándolos al exterior.

La muñequilla del cigüeñal efectúa otro giro de 180º, completando las dos vueltas del árbol motor que corresponde al ciclo completo de trabajo. El diagrama de distribución correspondiente a esta carrera se presenta en la siguiente figura:

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El ciclo de Stirling es un ejemplo, como el ciclo de Carnot de ciclo completamente reversible y que por tanto alcanza el máximo rendimiento que permite el Segundo Principio de la Termodinámica.

Se trata de un ciclo altamente ideal cuya realización práctica, incluso en forma aproximada entraña serias dificultades. No obstante, en los últimos años ha adquirido relevancia con el desarrollo de motores de Stirling, que funcionan de manera aproximada según este ciclo.

2 Descripción del ciclo

Un ciclo de Stirling ideal se compone de cuatro procesos reversibles:

Compresión isoterma A→B

El gas se comprime desde un volumen inicial VA hasta uno final VB, inferior, manteniendo su temperatura constante en un valor T1 (a base de enfriar el gas de forma continuada).

Calentamiento a volumen constante B→CP á g i n a 24 | 32

El gas se calienta desde la temperatura T1 a la temperatura T2 mantenientdo fijo su volumen.

Expansión isoterma C→D

El gas se expande mientras se le suministra calor de forma que su temperatura permanece en su valor T2.

Enfriamiento isócoro D→A

Se reduce la temperatura del gas de nuevo a su valor T1 en un proceso a volumen constante.}

Ciclo brayton

1 Enunciado

Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión

Siendo r = pB / pA la relación de presión igual al cociente entre la presión al final del proceso de compresión y al inicio de él. El método para obtener este resultado es análogo al empleado para el Ciclo Otto.

2 Descripción del ciclo

El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:

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AdmisiónEl aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina

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CompresorEl aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.

Cámara de combustiónEn la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.

TurbinaEl aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.

Escape

Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A

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2.8. COMPARACIÓN DE LOS CICLOS REALES CON LOS CICLOS IDEALES.

Durante el paso por el motor el fluido de trabajo está sometido a una serie de transformaciones químicas y físicas (compresión, expansión, combustión, transferencia de calor a través de las paredes, rozamientos en el interior del fluido y con las paredes, etc.) que constituyen el ciclo del motor. El examen cuantitativo de estos fenómenos, teniendo en cuenta todas las numerosas variables, representa un problema muy complicado; por esto generalmente se simplifica recurriendo a sucesivas aproximaciones teóricas, cada una de las cuales están basadas en diferentes supuestos simplificativos, de una aproximación gradualmente creciente. Para los ciclos teóricos, las aproximaciones normalmente empleadas, en orden de similitud con las condiciones reales, son tres, y son llamadas: ciclo ideal, ciclo de aire, ciclo de aire-combustible. Estos ciclos teóricos han de confrontarse en la práctica con los ciclos reales, obtenidos experimentalmente mediante aparatos llamados indicadores. Por esto al ciclo real se le llama también ciclo indicado.

En el ciclo ideal se supone que el fluido de trabajo está constituido por aire y que se comporta como un gas perfecto. En consecuencia los valores de los calores específicos se consideran constantes e iguales a los del aire en las condiciones normales de 288 K (15 C) de temperatura y 1,013 bar (1 atmósfera) de presión.

Se supone además que las fases de introducción y de extracción de calor tienen una duración bien determinada, que depende del tipo de ciclo (Otto, Diesel, Sabathé) y que en las demás fases del ciclo no se producen pérdidas de calor. Está claro que, con estas hipótesis, los valores máximos de temperatura y de presión, y por lo tanto el trabajo y el rendimiento térmico calculados para el ciclo ideal, son mayores que los de los otros tipos de ciclos.

El ciclo ideal representa por lo tanto el límite máximo que el motor puede teóricamente alcanzar en lo concerniente a prestaciones y permite un estudio matemático sencillo basado en las leyes de los gases perfectos. A este nos referiremos en lo que sigue, cuando digamos ciclo teórico.

El ciclo real es, como hemos dicho, determinado experimentalmente mediante alguno de los numerosos aparatos indicadores capaces de registrar el diagrama de las presiones en función de los volúmenes en el cilindro.

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El diagrama indicado refleja las condiciones reales del ciclo y por lo tanto tiene en cuenta también las pérdidas de calor, la duración de la combustión, las pérdidas debidas al rozamiento en el fluido, a la duración del tiempo de apertura de las válvulas, al tiempo de encendido, al tiempo de inyección, y las pérdidas en el escape.

El ciclo Otto teórico

El ciclo Otto teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa (ECh), y está representado gráficamente en la figura 10.3 en coordenadas p-v. Los procesos termodinámicos que tienen lugar durante el ciclo son:

1-2. Adiabático o isentrópico (sin transferencia de calor con el exterior): compresión del fluido de trabajo, correspondiente al trabajo W1 realizado por el pistón.

2-3. A volumen constante: introducción instantánea del calor aportado Q1.

3-4. Adiabático: expansión, correspondiente al trabajo W2 realizado por el fluido de trabajo.

4-1. A volumen constante: extracción instantánea del calor Q2 En realidad en los motores de 4 tiempos la extracción del calor se produce durante la carrera de escape 1 - 0 y el fluido es introducido en el motor en la carrera de admisión 0 - 1.

Sólo valen los puntos del espacio p,V,T que cumplen con la ecuación de los gases perfectos.

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Ciclo Diesel teórico

Es el ciclo teórico de los motores de encendido por compresión. La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diesel está en la fase de aportación del calor. En el ciclo Otto el calor es introducido a volumen constante, mientras en el ciclo Diesel es introducido a presión constante.

Ciclos reales.

El ciclo real refleja las condiciones reales de funcionamiento de un motor y se identifica con el diagrama de las presiones medidas en el cilindro, correspondientes a las diferentes posiciones del pistón. Este diagrama se llama diagrama indicado y el aparato que sirve para trazarlo, indicador.

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CONCLUSIÓN

El proceso de combustión es el más importante en ingeniería porque todavía

hoy, aunque tiende a disminuir (96% en 1975, 90% en 1985 y 40% en 1995), la

mayor parte de la producción mundial de energía se hace por combustión de

petróleo, carbón y gas natural.

Es importante el estudio de la combustión controlada de los recursos primarios

usados en la producción de trabajo y calor, sino que también es preciso estudiar

los procesos de combustión incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y

luchar contra ellos. Además, cada vez va siendo más importante analizar la

combustión controlada de materiales de desecho (incineración), con el fin de

minimizar la contaminación ambiental

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BIBLIOGRAFIA

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5. Giacosa D. Motores Endotérmicos. Edit. Omega. Barcelona.

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