Motores de Combustión Interna

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Motores de Combustin interna Hctor Medina

MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA (Material complementario para la asignatura Anlisis de Sistemas Trmicos)

Realizado por:

Prof. Hctor Medina

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Motores de Combustin Interna:

OBJETIVO.

Estudio, anlisis y evaluacin de los ciclos de generacin de potencia que emplean gases

como sustancia de trabajo.

TEMAS A TRATAR:

Ciclo de motores de combustin interna (Otto, Diesel y dual).

Ciclo de turbina de gas (Brayton).

Ciclo Stirling.

Ciclo Ericsson.

Este trabajo incluye aquellos motores de combustin interna que de alguna forma u

otra han marcado la vida del hombre, a medida que este se desarrolla y avanza en el

control de las diversos parmetros que debe vencer en la optimizacin de los sistemas

trmicos para la generacin de potencia.

Los motores tratados aqu generan potencia a travs del uso de gases, y a nivel

mundial se han extendido de manera impresionante su uso en gran diversidad de

aplicaciones por las distintas posibilidades que se tienen ya sea para el transporte

terrestre, aeronaves, produccin de electricidad, produccin en general, etc.

Es de fundamental importancia el entendimiento de los mismos. Estos sistemas

abarcan varias ramas de la ingeniera, entre las que cabe mencionar termodinmica,

mecnica de los fluidos, materiales, sistemas de control, transferencia de calor, dinmica,

combustin entre otras.

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Nos limitaremos al estudio termodinmico de los motores de combustin interna y

una pequea explicacin de las partes que la componen. Todo apuntando hacia la

optimizacin de los mismos.

Los motores de combustin interna (MCI) se pueden clasificar de muchas formas

pero aqu se limitar a:

- MCI alternativos (CILINDRO-PISTN).

- MCI no alternativos de rotor con alabes (turbinas de gas).

Clasificacin de los motores de combustin interna:

1. Segn el Ciclo: Otto

Diesel

Lenoir

Brayton

2. Segn la Disposicin y nmero de cilindros: En lnea 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12

En V 2,4,8,12,16

Radial 2,3,5,7,9,11,12

Otros.

3. Segn el tipo de Ignicin:

Chispa: La mezcla aire-combustible se enciende por medio de una buja. Presentan ciertas ventajas para trabajar a bajas Potencias (hasta ~225 kW). Son

menos pesados y tienen costos relativamente ms bajos que los hace adecuados

para automviles.

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Compresin: El aire es comprimido a tan alta presin y temperatura que al

inyectar el combustible se inflama espontneamente. Se prefieren donde es

necesaria la economa de combustible y potencias relativamente altas por lo que

generalmente presentan mayor uso en camiones, locomotoras, navos, autobuses y

plantas de potencia.

4. Segn el tipo de sistema de Refrigeracin:

Lquida

Aire

5. Segn el sistema de Alimentacin de aire:

Aspiracin natural.

Sobrealimentacin: engranaje o turbina.

6. Segn el sistema de Alimentacin de combustible:

Carburador.

Inyeccin.

FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR Y SUS PARTES

A continuacin se puede observar un corte a un motor monocilndrico, donde pueden

apreciarse las distintas partes que lo componen:

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Figura 1. Partes Principales de un Motor de carburador.

Este motor es con carburador (7) (ciclo Otto), es decir, con un sistema que mezcla

el aire con el combustible el cual ingresa al cilindro (13) a travs de la vlvula de

admisin 11, y encendida por la buja (10), el cual impulsa el pistn (15) hacia abajo y

transmite dicha fuerza al sistema biela-manivela (17) y este lo transforma de un

movimiento de traslacin a uno de rotacin el cual se transmite al cigeal (19). El

cigeal es el eje por el cual tiene salida el trabajo que genera el motor. Pero a su vez se

consume cierto trabajo en el mismo motor al mover el arbol de levas que mueven las

vlvulas de admisin y escape, el sistema de bombeo de agua y el sistema de bombeo de

aceite.

Abajo puede observarse el corte de motor Diesel SMD-14 (ruso) donde se pueden

observar diversos cilindros. El principio de funcionamiento de este motor (Ciclo Diesel)

ser explicado ms adelante. Este sistema no cuenta con un carburador pues aqu se

comprime aire y luego es inyectado el combustible directamente dentro del cilindro.

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Figura 2. Corte de un motor Diesel de varios cilindros.

MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE COMBUTIN

INTERNA ALTERNATIVOS:

En la figura 3 puede observarse el mecanismo principal de un motor de combustin

interna del tipo alternativo, el cual cuenta con un sistema alojado en un cilindro. Esta

compuesto por un pistn que se desplaza desde el Punto muerto superior (P.M.S) hasta el

Punto muerto inferior (P.M.I). Este desplazamiento de traslacin es tansformado en

rotacin a travs del sistema biela- manivela, el cual al girar mueve el cigeal o eje de

fuerza del motor. El desplazamiento del pistn desde el PMS hasta el PMI y viceversa se

conoce como la carrera o pistonada S.

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En este tipo de motores se habla de cilindrada, el cual corresponde al volumen

desplazado. Por lo tanto la cilindrada corresponde a:

Cilindrada = VP.M.S VP.M.I

Igualmente es importante conocer la relacin de compresin (r) que compara los

volmenes:

SMP

IMP

VV

r..

..=

CLASIFICACIN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

ALTERNATIVOS EN TIEMPOS:

Los motores de combustin interna alternativos pueden dividirse en:

- Motores de cuatro tiempos.

- Motores de dos tiempos.

Pistn

Biela

Manivela

Figura 3. Mecanismo cilindro-pistn. Biela-manivela

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Motor de Cuatro Tiempos:

El motor de cuatros tiempos se define como aqul que durante las etapas de admisin,

compresin, combustin o energa y escape del ciclo, el cigeal ha efectuado dos

revoluciones. Por lo que la pistonada til o carrera til que corresponde al impulso del

pistn por la combustin es logrado de manera efectiva cada dos revoluciones.

Figura 4. Motor de cuatro tiempos.

Es decir que en cada proceso (admisin, compresin, combustin y escape) el

cigeal gira 180 . Durante la admisin el pistn se dirige desde el P.M.S hasta el P.M.I

creando la succin de la mezcla aire-combustible al momento de estar abierta la vlvula

de admisin. Luego el pistn regresa nuevamente al P.M.S estando cerrada la vlvula de

admisin y comprime la mezcla elevando su presin y temperatura. Una vez alcanzado el

volumen del P.M.S el sistema de encendido por buja crea una chispa que de manera

rpida inflama la mezcla arrojando el pistn nuevamente hacia el P.M.I. Por la inercia

creada el pistn vuelva a subir mientras la vlvula de escape abre y retira los gases de

combustin. De esta forma se ha cumplido un ciclo mecnico del sistema.

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Motor de dos tiempos:

A diferencia de los motores de cuatros tiempos se definen como aquellos que durante

las etapas de admisin, compresin, combustin o energa y escape del ciclo, el cigeal

ha efectuado una sola revolucin. Por lo que la pistonada til o carrera til que

corresponde al impulso del pistn por la combustin es logrado de manera efectiva cada

revolucin. Es importante entender que por lo general este sistema es empleado en

motores Diesel ya que no maneja una mezcla aire-combustible el cual al estar el sistema

de escape podra perderse parte de la mezcla con los gases de combustin. Esto puede

apreciarse mejor en las siguientes figuras. El proceso de admisin de aire puede

efectuarse ya sea por un sistema con sobrealimentador o por barrido del cigeal en el

carter del motor.

Figura 5. Izquierda motor con admisin de aire por barrido. Derecha motor con

admisin de aire con sobrealimentador.

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Es decir que en cada proceso (admisin, compresin, combustin y escape) el

cigeal gira 90 . Durante la admisin el pistn se encuentra en el P.M.I de manera que

ingresa aire procedente del carter o bien por el sobrealimentador y a su vez retira los

remanentes de gases de combustin del ciclo anterior. Luego el pistn sube hasta el

P.M.S y comprime el aire elevando su temperatura. Una vez alcanzado el volumen del

P.M.S el sistema de inyeccin atomiza el combustible que de manera rpida se inflama al

mezclarse con el aire caliente (al mismo tiempo por una lumbrera ingresa aire al carter

del motor en el sistema correspondiente), de esta manera impulsa el pistn nuevamente

hacia el P.M.I. Durante este desplazamiento que es la etapa de expansin o carrera til

mientras se alcanza el P.M.I los gases empiezan a ser expulsados por una lumbrera

superior (y en el caso del sistema de aire en el carte este empieza a barrerse por el

cigeal). Todo este proceso ocurre tan slo en una revolucin del eje de fuerza.

SISTEMA DE COMBUSTIBLE POR CARBURACIN:

Tal como se ilustra en la figura 6 el carburador no es ms que un dispositivo que

permite la mezcla adecuada entre el aire y el combustible para garantizar una combustin

ptima segn las exigencias de trabajo del motor. Por el tubo de admisin ingresa el aire

atmosfrico, al mismo tiempo en el tanque de combustible del carburador parte del

mismo sale por el pulverizador hacia el difusor (7) donde se mezcla con el aire. La

cantidad de mezcla que pase a los cilindros depende de la mariposa (6) que a su vez

depende del acelerador del vehculo o de la demanda de trabajo que exija el sistema.

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Figura 6. Ilustracin de un carburador sencillo

Abajo puede observar una fotografa de un carburador para vehculos comercial.

Figura 7 Carburador comercial

SISTEMA DE COMBUSTIBLE POR INYECCIN

Estos sistemas son ms modernos empleados tantos en motores que trabajan tanto

bajo el principio del ciclo Otto como del ciclo Diesel. En la figura de abajo puede

apreciarse un inyector empleados en vehculos:

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Figura 8. Estructura de un inyector.

Estos inyectores son ms eficientes ya que atomizan el combustible mejor y por

tanto logran una mejor mezcla con el aire garantizando una mejor combustin dentro del

motor.

SISTEMA DE PISTN Y BIELA:

Como explicado anteriormente estos permiten el movimiento a partir de la

combustin hasta el cigeal. Abajo puede apreciarse el pistn con sus aros que permiten

mantener la presin del sistema adems de lubricar por barrido el cilindro.

Figura 9. Pistn y ars del pistn.

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Puede observarse abajo la biela acoplada a travs de un buln al pistn:

Figura 10. Pistn y biela.

La biela es acoplada en la parte inferior con la manivela que es parte de cigeal

que transmite la potencia del motor tal como se observa abajo:

Figura 11. Sistema pistn-biela-manivela cigeal.

En el cigeal puede observarse una rueda o corona que mantiene la inercia del

cigeal y garantiza una velocidad constante, es necesaria esta rueda de inercia debido a

que la combustin al ser alternada entre los diversos cilindros del sistema no garantiza

una velocidad continua.

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BLOQUE DE CARTER. CILINDROS:

Los motores de combustin interna alternativos varan mucho de forma segn la

disposicin de los cilindros. En la figura de abajo puede observarse un motor con los

cilindros en lnea (se dice motores en lnea). Adems de esta configuracin podemos

encontrar los motores en V especialmente construidos para alta potencia y los motores

con cilindros opuestos (ubicados a 180 ).

Figura 12. Carter de un motor en lnea. Ver cilindros.

SISTEMA DE ARBOL DE LEVAS, BALANCINES Y VLVULAS:

Este sistema permite coordinar las vlvulas de admisin y escape en los motores

de combustin interna alternativos. Este sistema es accionado a travs de un mecanismo

de transmisin ya sea de engranajes como de correa o cadena (llamada correa o cadena

del tiempo). Al moverse el rbol de levas (llamado as por contener las levas que tienen

una forma especial que garantiza el desplazamiento de las vlvulas en el instante que los

necesite) se accionan las varillas empujadoras y estas a travs de un balancn las vlvulas.

Actualmente este sistema ha cambiado, eliminndose el sistema de balancines,

ahora se emplea el rbol de levas directamente sobre las vlvulas, empleandose las

popularmente conocidas lochas una laminita que permite la presin sobre las vlvulas y

que evita el desgaste de las misma con las levas. Estos sistemas se han clasificado en

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SOHC (de las siglas Single Overhead Cam) que es en un solo rbol del levas y DOHC

(Double Overhead Cam) que es con doble rbol de levas.

Figura 13. rbol de levas con balancines y vlvulas.

SISTEMA DE SUCCIN DE AIRE:

El sistema de admisin de aire es de gran importancia ya que garantiza el oxgeno

necesario para la combustin.

SUCCIN NATURAL: Este sistema es el que generalmente se utiliza en la

mayora de los motores a travs de un ducto de succin y un filtro. Este sistema se

ve limitado ya que el aire contiene un 21 % de oxgeno. Es por ello que existen

los sistemas mejorados.

SOBREALIMENTADA: Posee un sobrealimentador que no es ms que un

ventilador que ingresa mayor cantidad de aire que un sistema de succin natural.

En la figura puede observarse un sobrealimentador utilizado en un vehculo

comercial.

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Figura 14. Sobrealimentador en un motor comercial.

TURBOCARGADA: es un sistema que aprovecha el calor que se pierde con los

gases de combustin, al utilizar una turbina que sea movida por los mismos y

mover as un ventilador que sople mayor cantidad de aire al cilindro y que a su

vez eleve la temperatura del mismo. Abajo puede observarse un motor

turbocargado comercial.

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Figura 15. Motor turbocargado comercial.

SISTEMAS OXIDO NITROSO: Es un sistema que aprovecha la posibilidad del

nitrgeno de enlazarse con el oxgeno formando oxido nitroso (gas diatmico), de

manera que puede suministrar mayor cantidad de oxgeno que el aire. Estos

sistemas estn limitados a la capacidad que tenga el cilindro o bombona del gas.

Inicialmente presentaron problemas ya que el sistema debe activarse estando el

motor a plena carga de no ser as presentaban peligro de explosin. Actualmente

el sistema emplea un dispositivo que cuando el motor est a plena carga acciona a

travs de un solenoide la vlvula para el paso del sistema de xido nitroso.

Figura 16. Sistema de xido nitroso.

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SUB-SISTEMAS DE LOS MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA:

ENFRIAMIENTO.

LUBRICACIN.

ELECTRICO.

COMBUSTIBLE-AIRE.

ANLISIS TRMICO DE MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA:

VENTAJAS DESDE EL ASPECTO TRMICO

1. Al presentarse la alta temperatura dentro del propio motor, desaparece la

necesidad de tener grandes superficies de intercambio de calor (los hace

compactos) para suministrar dicho calor al agente de transformacin (menos

prdidas de calor). A diferencia de las mquinas de vapor.

2. El lmite superior de la temperatura en los MCI es mucho mayor ya que este se

expande dentro del volumen del cilindro y no a travs de las paredes para alcanzar

el agente de transformacin, adems que el sistema de enfriamiento forzado

ampla tal lmite (los hace ms eficientes . En los de combustin externa se ven

limitado por los materiales de la caldera y turbina.

3. Esta ventaja es compartida con las turbinas de gas: el fluido de trabajo puede ser

desechado y por lo tanto no requiere equipos de enfriamiento y almacenamiento.

4. Menor costo en unidades pequeas de hasta 10000 hp.

Un poco de historia

El frances E. Lenoir en 1857 crea un MCI usando gas del alumbrado el cual arda

en la camara de combustin a Patm. Esto haca que tuviese un rendimiento

pequeo (3 a 4 %).

S. Carnot fue el primero en expresar la idea de conveniencia de comprimir aire

antes de introducirlo en la camara de combustin interna en 1824.

Beau de Rochas hizo un esquema de un motor con compresin de aire y

combustin a volumen constante en 1862.

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Fue el aleman Otto quien construye el motor en 1876.

El alemn Rudophl Diesel crea el motor que lleva su nombre en 1897.

El ingeniero ruso G. V. Trinkler fue el primero en proponer el motor dual en

1904 el cual a veces es llamado Trinkler o ciclo Sabatier que es un hbrido entre

lo ciclos Otto y Diesel.

Presin media efectiva (pme):

El MCI realiza un ciclo mecnico, pero no termodinmico, la sustancia de trabajo

cambia durante el proceso.

Encendido por compresin: aire, aire-combustible, gases.

Encendido por chispa: aire-combustible, gases.

pme. Presin terica constante que, si acta sobre el pistn durante la carrera de

trabajo, produce el mismo trabajo neto que el producido por el ciclo real.

La presin media efectiva puede calcularse de la siguiente manera:

Dos motores con igual Cilindrada, l de mayor pme presentarn mayor W neto y

si tienen igual rpm tendr mayor potencia.

En funcin de la potencia:

SISTEMA INGLES

Pme: en psi.

Ap: pulgadas cuadradas.

N: rpm

S: carrera del pistn en pies.

33000: ft-lbf por minuto

b: valor 1 para dos tiempos y valor 2 para cuatro tiempos. Pistonadas tiles.

CilindradarealciclodelWpme neto =

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SISTEMA INTERNACIONAL

Pme: en kPa.

Ap S: cilindrada en litros.

N: rpm

44760: N.m por minuto

b: valor 1 para dos tiempos y valor 2 para cuatro tiempos. Pistonadas tiles.

EXISTEN OTRAS MEDICIONES IMPORTANTES PARA EVALUAR

MOTORES:

fhp = ihp bhp

fpme= ipme bpme

Donde:

ihp = potencia indicada.

bhp= potencia al freno.

fhp= potencia de friccin.

fpme= presin media efectiva de friccin.

ipme= presin media efectiva indicada.

bpme= presin media efectiva al freno.

Ciclo estndar de aire:

Para realizar el anlisis termodinmico elemental de un MCI son necesarias

simplificaciones importantes.

Un modelo es el anlisis con ciclo estndar de aire.

La sustancia de trabajo es una masa constante de aire (gas ideal).

La combustin es remplazada por absorcin de calor de una fuente externa

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No existe admisin, ni escape. El ciclo se completa con un proceso de rechazo de

calor a V=cte. mientras el pistn est en el PMI.

Todos los procesos son internamente reversibles.

Si el anlisis se realiza con ciclo de aire estndar fro se toma Cp constante y con

valor a T ambiente.

El ciclo de aire estndar slo permite un acercamiento al motor real, pues sus

resultados en cuanto a valores difieren significativamente.

Existen 3 idealizaciones del ciclo estndar de aire:

Ciclo Otto

Ciclo Diesel

Ciclo dual

Difieren nicamente en el proceso de absorcin de calor que remplaza la

combustin en el ciclo real.

Ciclo Otto de aire estndar

En la grfica puede verse un ciclo de Otto con las etapas de admisin de aire a-1

compresin 1-2, calor absorbido 2-3, expansin 3-4 y rechazo de calor 4-5, escape de los

gases 4-b.

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Este ciclo se idealiza tal como se observa en la figura siguiente en un diagrama

PV y TS.

El Ciclo ideal asume la absorcin de calor instantnea cuando el pistn est en el

PMS.

4 procesos internamente reversibles

12 Compresin isentrpica. Pistn PMI al PMS

23 Absorcin de Q a V=cte. Pistn en el PMS

34 Expansin isentrpica (carrera de trabajo)

41 Rechazo de Q a V=cte. Pistn en el PMI

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Trabajo neto del ciclo

023 =W

Calor neto del ciclo

[ ])()( 41234123 uuuumQQQneto +=+=

Rendimiento trmico )(

)(1)(

)()(

23

14

23

4321uuuu

uuuuuu

QW

abs

neto=

+==

Proceso 12 0)( 2112 = uumQ [ kJ ]023 =W

Proceso 34 0)( 4334 >= uumW [ kJ ]034 =Q

0)( 4141

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Relacin de compresin 3421 VVVVr ==

1212 VVvv rr =( ) rvVVvv rrr 11212 ==

3434 VVvv rr =( ) 33434 rrr rvVVvv ==

1

1

1

2

2

1 1

=

= k

k

rVV

TT

1

1

4

3

3

4 1

=

= k

k

rVV

TT

rTT , , 31Dato 1T Tabla , 11 rvu

2rv Tabl , , 222 pTu

3T Tabla , 33 rvu

Ciclo estndar de aireAire gas ideal

4rv Tabl , , 444 pTu

Ciclo estndar de aire froAire gas perfecto

.ctecck vp ==

Tcu v =

Anlisis del ciclo

Como V2 = V3 y V1=V4

Relaciones procesos isentrpicos

2314 TTTT =

Efecto de r en el rendimiento

)()(1

23

14TTcTTc

v

v=

2

11TT=

111 = kr

)1()1(1

232

141=

TTTTTT

s

T

1

2

3

4

2

3

ab

Qneto

r T media de absorcin de calor

2314 TTTT =Recordando

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Arriba puede apreciarse como a partir de un valor de r igual a 12 no hay mayor

cambio en el rendimiento.

Hay que tener cuidado al elevar la relacin de compresin ya que viene

acompaada de un aumento en la presin y la temperatura y puede ocasionar el

fenmeno conocido como detonacin (auto inflamacin) de la mezcla antes que el

pistn alcance el P.M.S, el cual deteriora las partes del motor expuestas.

Es por ello que r comnmente en estos motores est entre 7 y 12.

La calidad de soportar la compresin depende de la calidad del combustible, ms

especficamente el nmero de octano (propiedad antidetonante).

Abajo podemos observar una comparacin entre el ciclo ideal con otras formas de

anlisis del ciclo que se acercan ms al real.

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Ahora puede observarse las distintas causas que ocasionan las diferencias. Existen

prdidas relacionadas con el tiempo para la combustin, de calor y del escape de los

gases.

El rendimiento de estos motores puede variar desde 20 a 27%.

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Ciclo Diesel de aire estndar

Para solventar el problema de detonacin presentado por los motores Otto a altas

relaciones de compresin se deduce que es conveniente comprimir primero el aire y

luego inyectar el combustible.

De manera idealizada se puede observar en la figura siguiente:

Observe como ahora el calor observado se efecta a presin constante a diferencia

del ciclo Otto que era a volumen constante.

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23 Absorcin de Q a p=cte. 1ra parte carrera de trabajo

34 Expansin isentrpica Resto de carrera de trabajo


Anlisis del ciclo

Trabajo neto del ciclo[ ])()()( 3423221342312 uuvvpuumWWWWneto ++=++=

Calor neto del ciclo

[ ])()( 41234123 uuhhmQQQneto +=+=

Rendimiento trmico

)()(11

23

14

23

41hhuu

QQ

QW

abs

neto=+==

Proceso 23 0)( 233

2223 >== vvmppdvmW [ kJ ]

[ ])()()( 23232232323 uuvvpmuumWQ +=+=

0)( 2323 >= hhmQ [ kJ ]

Proceso 12 0)( 2112 = uumW [ kJ ]034 =Q

Proceso 41 0)( 4141

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Anlisis del ciclo Relacin de compresin 21 VVr =

Se halla T3 2223

3 TrTVVT c==

( )23 VVrc =Relacin de combustin

3434 VVvv rr =( ) 33434 r

crr vr

rVVvv

==

23 pp =Como

Dado que

crr

VV

VV

VV

VV

VV =

=

=

3

2

2

1

3

2

2

4

3

4

rT , 1Dados

Ciclo estndar de aire

1T Tabla , 11 rvu

1212 VVvv rr =( ) rvVVvv rrr 11212 ==

2rv Tabla , , 222 pTh

3T Tabla , 33 rvh

4rv Tabla , 44 Tu

14 VV =

3

33

2

22

TVP

TVP =

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11

2

1

1

2

=

= k

k

rVV

TT

Ciclo estndar de aire fro

.ctecck vp ==

TchTcu pv == ;

11

4

3

3

4

=

=

kc

k

rr

VV

TT

222

33 TrTV

VT c==3

33

2

22

TVP

TVP = a p= ctte.

21

23

//VVVV y V1=V4

crTT =

2

3

= )1(

111 1 c

kc

k rkr

r

)1()1(1

23

14

2

1

=TTkTT

TT

)()(1

23

14TTcTTc

p

v=

kc

kc

kc rrrrr

TT

TT

TT

TT =

==

1

1

1

2

2

3

3

4

1

4 ..

Recordando que:

Rendimiento del Ciclo estndar de aire froAire gas perfecto

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Rendimiento del ciclo Diesel

= )1(

111 1 c

kc

kDiesel rkr

r

Otto

Para el ciclo Diesel cuanto mayor es r mayor es el rendimiento trmico y mientras menor sea la relacin de combustin o tambin llamado grado de expansin previa rc el rendimiento es mayor.

Puesto que:

010203040506070

5 10 15 20

Relacin de compresin, r

Ren

dim

ient

o,

(%) rc=1 rc=2

rc=3 Ciclo Otto

Ciclo Diesel

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PERO

En el diagrama T vs S puede verse como el motor Diesel tiene mayor rendimiento

que el Otto ya que realmente puede estar a mayor relacin de compresin.

Se pueden diferenciar los trabajos tiles de cada uno. Un motor Diesel puede

llegar de 30 a 35 % de rendimiento trmico.

Adicionalmente el motor Diesel no necesita carburacin y puede funcionar con

combustibles de menor calidad. Su desventaja frente al Otto es la necesidad de gastar

trabajo en accionar el dispositivo atomizador del combustible y su lentitud relativa,

debido a que la combustin es ms lenta.

Ciclo dual de aire estndar

Tambin conocido como ciclo de comustin mixta, ciclo Trinkler o ciclo Sabatier.

Es un hbrido de los ciclos Otto y Diesel.

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Figura. Cmaras de combustin de Motores Diesel.

Realmente el ciclo Dual es un mejor acercamiento a los motores reales que

trabajan bajo el principio del ciclo Diesel.

Ciclo ideal que ms se aproxima a las variaciones de presin reales. Absorcin de

Q en dos etapas.

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23 Absorcin de Q a V=cte. 1ra parte

34 Absorcin de Q a p=cte. 2da parte e inicio W

45 Expansin isentrpica Resto de carrera de trabajo


v

p

1s

T23 4

a b

1

52

4

ab

Wneto

Qneto

5

3

Anlisis del ciclo

Trabajo y calor neto del ciclo[ ])()()( 5434321342312 uuvvpuumWWWWneto ++=++=

[ ])()()( 513423513423 uuhhuumQQQQneto ++=++=

)()()(11

3423

15

3423

51hhuu

uuQQ

QQW

abs

neto+

=++==

Proceso 0)( 344

3334 >== vvmppdvmW [ kJ

0)( 3434 >= hhmQ [ kJ

Proceso 0)( 2112 = uumQ [ kJ 023 =W

Proceso 0)( 5151 = uumW [ kJ 045 =Q

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Comparacin de los rendimientos en un diagrama T vs S.

Los rendimientos a igualdad de relaciones de compresin:

Ottot

Dualt

Dieselt >

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TURBINA DE GAS

Compresor.

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Idealizacin para el estudio de las turbinas de gas abiertas

Anlisis de aire estndar

Compresor

CC

Turbina

Aire Productos

Combustibl

Trabajo neto

Turbina de gas abierta a la atmsfera

Compresor

CC

Turbina

Qabs Intercambiador

Trabajo neto

Intercambiador

Qced

Turbina de gas cerrada

Ms comn

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Dos suposiciones bsicas

1. Sustancia de trabajo aire, comportndose como gas ideal

2. El aumento de T en lugar de lograrse con combustin se produce por una fuente

externa de calor

Ciclo Brayton de aire estndar

Compresor

CC

Turbina

Qabs Intercambiador

Trabajo neto

Intercambiador

Qced 1

2 3

4

En rgimen estacionario las transferencias de Q y W se obtienen aplicando balances de masa y energa a c/VC

Si turbina adiabtica04334 >== hhm

Wwt && [ kJ/kg ]0~pc EE =

Si compresor adiabtico 02112

UNERMB


Se desprecian todas las irreversibilidades que ocurren al circular el aire por los

componentes del ciclo

No hay prdidas de presin por rozamiento, el aire pasa a p=cte. A travs de los

intercambiadores

Si se desprecian las prdidas de calor al ambiente, el compresor y la turbina sern

isentrpicos.

El Q absorbido por el ciclo 02323 >== hhmQqabs &&

[ kJ/kg ]0~pc EE =

El Q cedido por el ciclo 04141

UNERMB


Anlisis del ciclo Son necesarias h1, h2, h3, h4 3421 pppp =

12311 , , , ppTpTDado

Ciclo estndar de aireAire gas ideal

1T Tabla , 11 rph

1212 pppp rr =( )1212 pppp rr =

2rp Tabla , 22 Th

3434 pppp rr =

( )3434 pppp rr = 3T Tabla , 33 rph

4rp Tabla , 44 Th

kk

ppTT

1

1

212

=

Ciclo estndar de aire froAire gas perfecto

.ctecck vp ==

Tch p=

kk

kk

ppT

ppTT

1

2

13

1

3

434

=

=

UNERMB


Irreversibilidades y prdidas:

Los trabajos con el subndice s son los ideales.

Efecto de la relacin de presiones en el Rendimiento

s

T

1

42

3

ab

p=cte

2

3

p=cte

p=cte

Al aumentar p2/p1 Aumenta Tmedia de absorcin de Q Tmedia de rechazo de Q se

mantiene constante

[ ])()(1

)()()(

23

14

23

2143TTTT

TTcTTTTc

p

p=

+= )1()1(1

23

14

2

1=

TTTT

TT

2

3

1

4

1

2

4

3TT

TT

TT

TT ==

kkppTT

)1(122

1

)(111 ==

s

T

1

42

3

24

p=cte

p=ctests

tot hh

hhww

43

43==

21

21hhhh

ww s

c

csoc

==

>reg

Regenerado

CC

Turbina

Qabs

Trabajo neto

Compresor

1

2 3 4x

y

UNERMB


Turbina de gas con recalentamiento

Recalentador

Trabajo neto

Compresor

1

2 CC

Turbina Etapa 1

Qab

3

4

aTurbina Etapa 2

Qab

b

s

T

1

4

2

3

a

b

4

recrec sin

)( )()(

'43sin

43hhw

hhhhwrec

t

barect

=>+=

)(sin abrec

absrecabs hhqq +=pero

recneto

recneto ww

sin>

'44 TT > Potencial de regeneracin

UNERMB


Recalentamiento y regeneracin

Compresor

1

Recalentado

Trabajo neto

Turbina Etapa 1

Qab

3 4

aTurbina Etapa 2

Qab

b

Regenerado

2 x

y

s

T

1

4

2

3

a

b

4x

y

regrecabsq

netow

UNERMB


Aumenta el Wneto del ciclo pues reduce el W de compresin

No aumenta el rendimiento del ciclo pues el aire sale ms fro hacia la CC

Aumenta el potencial de regeneracin (menor T2), por tanto si se emplea

compresin multi-etapa con regeneracin puede obtenerse apreciable incremento

del rendimiento.

Compresin multi-etapa con refrigeracin intermedia

Compresor Etapa 1

1

Qce

Enfriador c

2Compresor

Etapa 2

d

T2

1

2

d

cp

p

p

2

1

2Compresin

p

p

T

v

p

= 21vdpwCompresin

2

1

2

p

p

T

v

p

cd pT=cte

s=cte

Reduccin del W T2

UNERMB


Turbina de gas con compresin multi-etapa, regeneracin y recalentamiento

Recalentador

Trabajo neto CC

Turbina Etapa 1

Qab

6 9

7Turbina Etapa 2

Qab

8

Regenerador

4 5

10

Compresor Etapa 1

1 Enfriador 2

CompresorEtapa 2

3

Qce

s

T

1

42

3

7

8

5

14s 2

6

79

9

UNERMB


Ciclo combinado. Turbina de gas Turbina de vapor

Compresor

CC

Turbina

Qabs Intercambiador

Intercambiador 1

2 3

4

7

6

9

8Condensador

Qr

Turbina

Wb

Wvap

Bomba

Wgas

5

)()( 6754 hhmhhm vg = &&

abs

vaporneto

gasneto

QWW +=

Rendimiento

Energa suministrada por el ciclo de gas al vapor

UNERMB


Motores de Combustión Interna

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