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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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4 procesos internamente reversibles
12 Compresin isentrpica. Pistn PMI al PMS
23 Absorcin de Q a p=cte. 1ra parte carrera de trabajo
34 Expansin isentrpica Resto de carrera de trabajo
41 Rechazo de Q a V=cte. Pistn en el PMI
Anlisis del ciclo
Trabajo neto del ciclo[ ])()()( 3423221342312 uuvvpuumWWWWneto ++=++=
Calor neto del ciclo
[ ])()( 41234123 uuhhmQQQneto +=+=
Rendimiento trmico
)()(11
23
14
23
41hhuu
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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4 procesos internamente reversibles
12 Compresin isentrpica. Pistn PMI al PMS
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
51 Rechazo de Q a V=cte. Pistn en el PMI
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
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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
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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
=
=
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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