Post on 26-Dec-2015
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
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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
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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
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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.
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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
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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.