UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA-ENERGIA

INFORME FINAL DEL PROYECTO DE INVESTIGACION

“ELABORACIÓN DE UN TEXTO DE MAQUINAS

TERMICAS”

JEFE DEL PROYECTO

ING. ELISEO PAEZ APOLINARIO

CRONOGRAMA

(01.07.1999 AL 30.06.2001)

RESOLUCIÓN RECTORAL

526-99-R

2

INDICE

I. RESUMEN 4

II. INTRODUCCION 5

III. PARTE TEORICA 7

1. CAPITULO 1

EL COMBUSTIBLE Y SUS REACCIONES QUIMICAS 7

2. CAPITULO 2

CICLOS REALES DE LOS MOTORES DE AUTOMOVIL 20

3. CAPITULO 3

INDICES DEL CICLO DE TRABAJO 30

4. CAPITULO 4

SOBREALIMENTACION DE MOTORES 51

5. CAPITULO 5

BALANCE TERMICO E INTENSIDAD TERMICA DE LAS

PIEZAS DE MOTOR 61

6. CAPITULO 6

CICLO TERMICO DE LA TURBINA DE VAPOR 68

7. CAPITULO 7

FLUJO DE VAPOR EN LAS CORONAS ALABIADAS 80

8. CAPITULO 8

ESCALON DE LA TURBINA 96

3

9. CAPITULO 9

RENDIMIENTO INTERNO RELATIVO DEL ESCALON 122

10. CAPITULO 10

TURBINAS DE VAPOR MULTIPLES 137

11. CAPITULO 11

CICLO DE LA TURBINA DE GAS EN PROPULSIÓN AEREA 151

12. CAPITULO 12

COMPRESORES CENTRIFUGOS 171

13. CAPITULO 13

COMPRESORES DE FLUJO AXIAL 181

14. CAPITULO 14

CAMARA DE COMBUSTION 197

15. CAPITULO 15

TURBINA DE FLUJO AXIAL 210

IV. MATERIALES Y METODOS 225

V. RESULTADOS 225

VI. DISCUSION 226

VII. REFERENCIAS (BIBLIOGRAFIA) 227

VIII. APENDICE 229

4

RESUMEN

El texto de máquinas térmicas se ha desarrollado en 15 capítulos; del 1° al 5° se

fundamenta las características de los motores a combustión interna: tomando en

cuenta la combustión que es la entrega de calor al ciclo del motor, lo que va a formar

el ciclo real, sobre el cual vamos a determinar los índices del ciclo de trabajo, cuando

el motor es llevado a altura necesitará sobrealimentarse con un turbocompresor y a

fin de determinar su rendimiento haremos su balance térmico.

Del 6° al 10° se fundamenta las características de la turbina de vapor ubicándolo en

su ciclo térmico, luego se hace el seguimiento del flujo de vapor en las coronas

alabeadas, tomando en cuenta el escalón de la turbina, haciéndole una evaluación

bajo el rendimiento interno relativo que es un coeficiente energético que evalúa las

pérdidas en el interior de la turbina y luego generalizamos la evaluación energética

en la turbina múltiple de vapor.

Del 11° al 15° se fundamenta las características de la turbina de gas tomando como

escenario la propulsión aérea donde debe considerarse al difusor y la tobera

propulsiva, dado que el ciclo Joule-Brayton gobierna el funcionamiento de la turbina

de gas, seguimos el sentido de flujo evaluando al compresor en su versión centrífugo

o axial, luego a la cámara de combustión y la turbina axial finalmente

5

INTRODUCCION

Este texto ha sido desarrollado para técnicos mecánicos, alumnos de centros

tecnológicos, universitarios e ingenieros en la rama automotriz.

Su contexto trata sobre el diseño, construcción y operación de las máquinas térmicas.

La primera parte desarrolla los conceptos tecnológicos y científicos del motor a

combustión interna en su versión a explosión y compresión; denotando los índices

energéticos que determinan su performance.

La segunda parte abarca a las turbinas de vapor bajo el escenario de las centrales

termoeléctricas, donde se requieren altas potencias, se hace un procesamiento

energético a lo largo del eje, tomando en cuenta los escalones que son las células

básicas de transformación de energía, para finalmente esbozar a la turbina múltiple,

que es un conglomerado de escalones, pero con un alto rendimiento debido al retorno

de calor por el procesamiento múltiple.

La tercera parte engloba a la turbina de gas en el ámbito aeronáutico, que hoy se

convierte como la máquina térmica que ha dado más satisfacciones al ser humano,

habiendo determinado la hegemonía del poder bélico en las pasadas guerras

mundiales, a su vez nos ha permitido lograr descubrir el mundo del mas allá, donde

antes era un sueño.

Debido a su menor peso y volumen a igualdad de potencia con las otras máquinas

térmicas, como su alta velocidad, ha tomado el liderazgo en el ámbito aeronáutico

como las naves bélicas, transporte y comercio; en el ámbito naval moviendo a las

6

misileras otorgándole alta velocidad y versatilidad; y por último en el ámbito de las

competencias automotrices del circuito, donde se ha logrado velocidades que muy

difícilmente se obtendría con los motores a explosión.

7

PARTE TEÓRICA

CAPITULO 1

EL COMBUSTIBLE Y SUS REACCIONES QUIMICAS

1.1. REACCIONES QUÍMICAS DE COMBUSTIÓN DEL CARBURANTE

La combustión del carburante en el cilindro del motor es un proceso químico

complejo, analicemos las reacciones químicas finales de los elementos componentes

del combustible con el oxígeno del aire, sin tener en cuenta las etapas intermedias del

proceso de combustión.

Reacciones químicas de combustión completa del carburante líquido.

La composición química de los combustibles se determina acorde con la expresión :

C + H + Oc = 1 Kg. (1)

Cuando la combustión del combustible es completa se supone que, como resultado

de las reacciones del carbono y del hidrógeno con el oxígeno del aire, se forman

anhídrido carbónico y vapor de agua, respectivamente. En este caso la oxidación del

carbono y del hidrógeno del combustible corresponde a las ecuaciones químicas:

C + O2 = CO2 y 2H2 + O2 = 2H2O (2)

En los cálculos de los productos iniciales y finales de la reacción en unidades

másicas obtenemos: para C kg

8

C Kg + 8/3 C kg C kg (3)

para H kg

H kg +8H kg =9H kg (4)

Cuando el cálculo se hace en kmol:

C kg + (5)

H kg (6)

De las ecuaciones (5) y (6) se desprende que, como resultado de la reacción del

carbono con el oxígeno, el volumen del número de moles de los productos finales de

la reacción del CO2 es igual al volumen del oxígeno que participa en la reacción. Las

reacciones del hidrógeno con el oxígeno conducen al aumento del volumen (número

de moles) del vapor de agua en dos veces con respecto al oxígeno consumido.

Determinación de la cantidad teórica de aire necesaria para que se queme totalmente

el carburante líquido. La menor cantidad de oxígeno O0 que se necesita suministrar

desde el exterior al combustible para su completa oxidación se denomina cantidad

teórica de oxígeno. De las ecuaciones (3) y (4) se deduce que para la combustión

completa de 1 kg de combustible se necesita la siguiente cantidad de oxígeno:

O0 = 8/3C + 8H — Oc (7)

9

o según las ecuaciones (5) y (6) al calcular en kmol

O0 = (8)

En los motores de combustión interna el oxígeno necesario para la combustión se

encuentra en el aire que se introduce al cilindro durante el proceso de admisión.

Considerando que el contenido en masa de oxígeno en el aire es aproximadamente

23% y en volumen 21 % , obtendremos respectivamente la cantidad teórica de aire

necesaria para la combustión de 1 kg de combustible, en kg:

(9)

o en kmol

(10)

La masa molecular aparente del aire es a = 28,97, por lo tanto:

(11)

La cantidad teórica de aire l0 (L0) necesaria para la combustión de una mezcla de

composición estequiométrica puede ser hallada a través de la característica del

combustible , que se determina a base de la fórmula

(12)

La característica del combustible al quemarlo en el aire atmosférico depende de la

10

composición elemental del combustible y de la cantidad de oxígeno en el aire.

Después de algunas transformaciones la expresión (10) adquiere la forma (en kmol)

siguiente:

(13)

Reacciones químicas de combustión completa de carburantes gaseosos.

La ecuación de reacción de la combustión de un componente del carburante gaseoso

tipo CnHmOr se puede describir partiendo de que para quemar n átomos de C se

requiere n moles de O2 y como resultado de tal reacción se forman n moles de CO2

para quemar m/2 moles de H2 se requiere m/4 moles de 02 y como resultado se

forman m/2 moles de H20.

Entonces, considerando la presencia de oxígeno Or en dicho gas, la reacción de

oxidación del componente se expresará por la ecuación:

1 mol CnHmOr + mol O2 = n mol CO2 + mol H2O (14)

Por ejemplo, la reacción química del C2H4 con el oxígeno a base de la fórmula (14)

tiene la forma

1 mol C2H4 + mol O2 = 2 mol CO2 + 2 mol H2O (15)

La cantidad teórica de aire (en mol o en m3) necesaria para la combustión de 1 mol ó

1 m3 de combustible gaseoso, compuesto de una serie de elementos tipo CnHmOr , se

determinará conforme a la expresión

(16)

11

donde CnHmOr son las fracciones volumétricas de los componentes separados en el

combustible gaseoso.

Coeficiente de exceso de aire. En el motor de automóvil la cantidad de aire realmente

consumida puede ser, en función del tipo de formación de la mezcla, de las

condiciones de encendido y combustión, así como del régimen de funcionamiento,

mayor, igual o menor que la necesaria teóricamente para la combustión completa.

La relación entre la cantidad real de aire que ingresa al cilindro del motor (1, en kg o

L, en kmol) y la cantidad de aire teóricamente necesaria para la combustión de 1 kg

de carburante, se denomina coeficiente de exceso de aire y se designa con la letra :

= l / l0 , (17)

o

= L / L0 . (18)

Siendo la mezcla estequiométrica L = L0 (1 = l0) el coeficiente de exceso de aire =

1; si < 1 (insuficiencia de oxígeno), la mezcla se denomina rica; cuando > 1

(exceso de oxígeno), la mezcla se denomina pobre.

En los motores de gasolina con encendido de la mezcla homogénea por chispa y con

regulación combinada, cuando la mariposa de gases está completamente abierta, la

mayor economicidad y el transcurso suficientemente estable del proceso de

combustión se logra siendo = 1,1 .. . 1,3.

12

Fig. 1. Límites de variación del coeficiente en función de la carga: 1 - motor de carburador; 2 motor Diesel

La máxima potencia de estos motores se obtiene enriqueciendo ligeramente la

mezcla ( = 0,85 ... 0,90). Para alcanzar un trabajo estable del motor a bajas cargas y

en vacío se necesita un mayor enriquecimiento de la mezcla. En caso de < 1,

debido a la insuficiencia de oxígeno, el combustible no se quema totalmente, como

consecuencia de lo cual durante la combustión el desprendimiento de calor es

incompleto y en los gases de escape aparecen los productos de la oxidación

incompleta (CO, H, CH4 y otros).

En los motores Diesel, donde se emplea la regulación cualitativa, el coeficiente

varía en función de la carga en amplios límites (desde 5 y más a pequeñas cargas,

hasta 1,4—1,25 a plena carga). En la fig. 1 se muestran las curvas del coeficiente

en función de la carga del motor.

El profesor E. K. Mázing propuso también evaluar la composición de la mezcla aire-

combustible a través de la magnitud 1/, que la llamó coeficiente de utilización del

aire. Esta magnitud dividida entre la cantidad teórica de aire 1 / l0 frecuentemente

13

se utiliza para analizar el proceso de trabajo del motor y se denomina relación

combustible-aire.

Mezcla carburante y composición de los productos de combustión para > 1

(combustión completa). En el motor de encendido por chispa el aire y el combustible,

en forma de una mezcla, se suministran en el proceso de admisión al cilindro. La

cantidad total de mezcla carburante (en kmol), constituida por vapores de

combustible y aire, en caso de combustión completa de 1 kg de carburante es

(19)

donde c es la masa molecular del combustible. En el motor Diesel la mezcla aire-

combustible se forma en la cámara de combustión durante la inyección del

combustible al final del proceso de compresión y en el transcurso del proceso de

combustión. Como consecuencia de esto, así como debido al pequeño volumen que

ocupa el combustible líquido, no se toma en cuenta la masa molecular del

combustible, entonces (en kmol) tendremos:

M1 = L0 . (20)

Para el combustible gaseoso (en kmol o en m3)

M1 = 1 + L0 . (21)

Para cualquier combustible la masa de la mezcla (en kg)

G1 = 1 + l 0 . (22)

Cuando el combustible arde totalmente ( 1) los productos de la combustión están

constituidos por anhídrido carbónico, vapor de agua, oxígeno sobrante y nitrógeno

que se han formado como resultado de la reacción química. La cantidad total de

14

productos de la combustión (en kmol), referida a 1 kg de combustible, es:

M2 = M (23)

La cantidad (en kmol) de los componentes por separado de los productos de la

combustión se hallan aplicando las siguientes fórmulas:

(24)

(25)

(26)

donde 0,21 L0 es la masa de oxígeno suministrado, en kmol; 0,21 L0 , la masa de

oxígeno que ha participado en la reacción, en kmol.

Expresando L0 a través de la característica del combustible según la ecuación (13) y

teniendo en cuenta que 1,99 = 0,21.12 x 0,79, obtendremos (en kmol):

(27)

(28)

Después de introducir en la ecuación (23) las expresiones (24) — (26) y (28)

hallamos:

(29)

Sustituyendo la expresión 0,21 L0 por su valor a partir de la expresión (10),

tendremos en (kmol)

15

(30)

Determinemos la cantidad de productos de combustión (en kmol) empleando la

característica del combustible. De las fórmulas (24), (25), (27) y (28) tenemos

(31)

Después de las transformaciones correspondientes obtenemos

(32)

Para la composición estequiométrica de la mezcla (=1)

(M2)=1 = (33)

Entonces, para cualquier valor de > 1 la cantidad de los productos de combustión

(en kmol)

(M2)=1 + (-1)L0, (34)

donde 0,79 ( — 1) L0 y 0,21 ( — 1) L0 son las masas de nitrógeno y oxígeno

sobrantes respectivamente en los productos de la combustión, en función del

coeficiente de exceso de aire.

La masa de los productos de combustión (en kg) al quemar 1 kg de carburante

G2 = (35)

Determinemos la cantidad de productos de la combustión al quemar un combustible

16

gaseoso. Para 1. mol (ó 1m3) de combustible gaseoso tenemos la cantidad de cada

uno de los componentes (en mol o m3)

(36)

; (37)

(38)

(39)

donde N2 es la cantidad de nitrógeno en el combustible, en mol o en m3.

Al quemar 1 mol ó 1 m3 de carburante gaseoso la cantidad de productos de la

combustión (en mol o en m3) resulta:

(40)

Sumemos y restemos en: la parte derecha de la igualdad a y

sustituyamos en el miembro de la ecuación 0,21 L0 el valor de L0 obtenido a partir de

la fórmula (16), entonces

(41)

donde M2 se expresa en mol o en m3.

Teniendo en cuenta que + N2 = 1, obtendremos (en mol o en m3)

(42)

Para = 1, de la ecuación (40) tendremos

17

(M2)=1= (43)

entonces

(44)

De las expresiones (34) y (44) se infiere que siendo > 1 la cantidad de productos de

combustión es igual a (M2) <1 más la cantidad de aire sobrante L0 ( — 1), que no

ha participado en la combustión.

1.2 PODER CALORÍFICO DEL COMBUSTIBLE

La calidad del combustible se determina por el poder calorífico, es decir, por la

cantidad de calor desprendido al quemar por completo una unidad másica (para el

líquido) o volumétrica (para un gas) de combustible.

El poder calorífico del combustible puede determinarse quemando una muestra en

una bomba calorimétrica. Como resultado de la combustión completa del

combustible se forman anhídrido carbónico y vapor de agua. Al determinar la

cantidad de calor desprendida en el calorímetro, los productos de combustión que se

han formado en el proceso de la reacción se enfrían hasta la temperatura inicial. En

este caso, el vapor de agua se condensa desprendiendo respectivamente calor. De

esta manera se determina el poder calorífico superior H0 , es decir, todo el calor que

se ha desprendido por efecto de la reacción. En el motor de combustión interna los

gases de escape se expulsan a alta temperatura, cuando no se produce la

condensación del vapor de agua. Por eso, es más conveniente efectuar los cálculos

18

con el poder calorífico inferior Hu el cual es menor que el superior, en la magnitud

del calor latente de vaporización del agua.

Si se conoce el poder calorífico superior (en J/kg), entonces el inferior puede

calcularse a base de la fórmula aproximada:

Hu = H0 — ra (9H + W) = H0 — 2,512 x 106 (9H + W), (45)

donde ra es el valor aproximado para los cálculos técnicos del calor latente de

vaporización de 1 kg de agua, ra = 2,512.406 J/kg; 9H, la cantidad de vapor de agua

que se forma al quemar H kg de hidrógeno contenido en 1 kg de combustible, en kg;

W, la cantidad de humedad contenida en 1 kg de combustible, en kg.

Para un combustible gaseoso el poder calorífico (en J / m3) será,

Hu = H0 – 2.512 x 106 (46)

donde W ’ es la cantidad de humedad contenida en el gas;

, la cantidad másica de vapor de agua que se ha formado

durante la combustión del combustible, que tiene en su estructura elementos que

contienen hidrógeno (18, la masa molecular del vapor de agua; 22.4, el volumen de 1

mol de gas a 0°C de temperatura y 0,1013 MPa de presión; m/2 , el volumen de

vapor de agua que se ha formado al quemar Hm de hidrógeno).

El poder calorífico de un combustible, si se conoce su composición química, se

puede calcular aproximadamente aplicando una fórmula empírica. Según la fórmula

de Mendeléiev se puede calcular el poder calorífico inferior de un combustible

líquido (en J/kg)

19

Hu = [34,013C + 125,6H — 10,9 (O — S) — 2,512 (9H + W)] x 106, (47)

del combustible gaseoso (en J/m3)

Hu = (12.8CO + 10.8 H2 + 35.8 CH4 + 56.0 C2H2 + 59.5 C2H4 +

+ 63.4 C2H6 + 91 C3H8 + 120 C4H10 + 144 C5H12) x 106

donde CO, H2, etc., son las fracciones volumétricas de los componentes de la mezcla

gaseosa.