CIDEAD. 2º Bachillerato. Tecnología Industrial II Tema 17 ...€¦ · CIDEAD. 2º Bachillerato....

CIDEAD. 2º Bachillerato. Tecnología Industrial IITema 17 (2).- Los motores térmicos.

Desarrollo del tema.-

1. Introducción.

2. La máquina de vapor: ciclo de Rankine

3. La turbina de vapor.

4. Motores de combustión interna: Motores de explosión y combustión.

5. Turbinas de gas de ciclo abierto.

6. El motor de Stirling.

7. El rendimiento de los motores térmicos.

8. Los efectos medioambientales que producen la utilización de los motores térmicos.

1


1. Introducción.

Las máquinas o motores térmicos son dispositivos que funcionando periódicamentetransforman calor en trabajo (energía mecánica).

Para conseguir el calor necesario, se recurre a la combustión del carbón o de loshidrocarburos, de procesos termonucleares o energía solar.

C8 H18 + 25/2 O2 8 C O2 + 9 H2 O ;; Δ H0 < 0

Cuando la combustión tiene lugar fuera del motor, las máquinas térmicas sedenominan de combustión externa y el fluido motor es diferente al combustible empleado.. Si lacombustión se realiza dentro del motor, los motores son de combustión interna (motor de explosióno de combustión). En este caso el combustible es el propio fluido motor.

Tanto en un caso como en otro, el movimiento producido puede ser alternativo (maquinas devapor y motores de explosión y combustión), o rotativo, como es el caso de las turbinas de vapor, deexplosión o de combustión.

El fluido motor puede ser el vapor de agua condensado, el aire o la mezcla de gases queresulta de la combustión de los productos derivados del petroleo.

Cuando se utiliza el calor procedente de la fisión nuclear, es necesario dos circuitoshidráulicos interconectados por un cambiador de calor.

En la siguiente tabla se resumen los diferentes tipos de motores térmicos:

Tipo de motor Fluido motor Alternativo Rotativo

De combustión externaMCE

Fluido condensableAgua

Máquina de vapor Turbina de vapor

Fluido no condensableAire

Motor de Stirling Turbina e gas encircuito cerrado

De combustión internaMCI

Gasolina , Gasóleo yqueroseno

Motores de explosiónMotores de combustión

Turbina de gas encircuito abierto

2. La máquina de vapor: ciclo de Rankine

La máquina de vapor aprovecha la fuerza expansiva del vapor de agua para conseguir moverun émbolo y realizar un trabajo.

La maquina de vapor consta de los siguientes elementos:El hogar. Se encuentra en un lugar exterior a la máquina. En él se realiza la combustión.La caldera. Se fabrica de acero. Es el lugar donde el agua líquida que llega mediante elaccionamiento de una bomba, se vaporiza gracias al calor procedente del hogar. Este vapor

2


se sobrecalienta por la acción de unos sobrecalentadores, conectados a la misma caldera,hasta una temperatura y presión apropiados. La temperatura máxima soportada por lacaldera es de 600º C, ya que es el límite metalúrgico. Para su seguridad, la caldera vaprovista de un nivel de agua, un manómetro y una válvula de seguridad de presión.Cilindro motor. El vapor de agua sobre calentado, llega a la caja de distribución, formadapor el cilindro motor, que se encuentra formado por un cilindro con el bloque, el pistón y elvástago y el sistema de corredera, que permite el movimiento del cilindro alternativo. Elvapor de agua penetra en la caja de distribución y por la posición de la corredera entre encontacto con el pistón que se encuentra a la izquierda, empujándolo hacia la derecha.Cuando ha descrito la carrera completa el vapor sale por el escape, mientras que la correderase desplaza a la izquierda. En este momento, el vapor entra hacia el émbolo, que seencuentra a la derecha, empuja el pistón a la izquierda, saliendo el vapor por el escapecuando el cilindro ha descrito la carrera inversa, moviéndose la corredera a la derecha yrepitiendo el ciclo. El vapor de agua, mezcla de líquido y vapor, que sale de la caja dedistribución, sale al exterior a través de una chimenea o se condensa mediante unrefrigerante, retornando a la caldera mediante una bomba hidráulica.

Elementos mecánicos. Los más importantes son el vástago, que se inserta en el émbolo, labiela y la manivela . Estos tres elementos se encuentran articuladas y permite la

3

Varilla que regula la corredera


transformación del movimiento alternativo en rotativo, cuyo eje de giro se inserta en lamanivela. La articulación del vástago con la biela, recibe el nombre de cruceta. En el eje degiro, se inserta un volante de inercia para que las rotaciones sean uniformes. El volante deinercia lleva acoplado una excéntrica, para que mediante una varilla, regule el movimientoalternativo de la corredera.

Esquema de la máquina de vapor

Ciclo de Rankine.

Cuando el vapor se expansiona en el cilindro, es prácticamente adiabático, pero no esreversible, por lo tanto no es isoentrópico.

Como el proceso que tiene lugar en la máquina de vapor, es un cambio de estado, el ciclo deCarnot, se modifica en el siguiente:

Al existir un cambio de estado, en la situación de coexistencia de las dos fases, la curvaisotérmica es también isobárica(AB y CD)

4


Para que una máquina térmica describa el ciclo, es necesario parar la condensación en D, eintroducir la mezcla en la caldera. Evidentemente, esto no es posible, por lo que el ciclo se debe detransformar para que el refrigerante condense totalmente la mezcla hasta el estado líquido, dandolugar al ciclo de Rankine:

a. El agua líquida en A, se calienta, en la caldera (a presión constante) hasta la temperaturade ebullición. A continuación a temperatura y a presión constante, se vaporiza el agua,reversiblemente hasta el punto B donde hay vapor de agua saturado y seco.b. El vapor saturado entra en el cilindro y activa el émbolo que por expansión, reversible yadiabático, disminuye la temperatura (T 2 )condensa parte del vapor pasando el ciclo a lasituación C. c. La mezcla vapor-líquido de agua, pasa la refrigerante, donde se consigue condensarisotérmica e isobáricamente hasta el punto D.d. La mezcla líquida se comprime reversible y adiabáticamente hasta el punto A,introduciéndose nuevamente en la caldera.

Este nuevo ciclo se representa:

Diagrama p-V Diagrama T-S

Para aumentar el rendimiento del ciclo y mantener el vapor permanentemente seco en laexpansión adiabática, evitando así el aumento de la corrosión de los elementos mecánicos delcilindro, se somete al sobrecalentamiento.

El diagrama resultante aparece en la página siguiente.

5


Diagrama p-V Diagrama T-S

La potencia de la máquina de vapor depende de la presión y de la cantidad de vaporadmitida por el cilindro en la unidad de tiempo. Como la presión varía en la carrera, se toma unvalor promedio, p, llamado presión media efectiva.

La potencia vendrá dada por la expresión : P = F . v = p S . l . f

P , es la potencia ;; p , es la presión ;; S, es la superficie del émbolo;; L , lalongitud de la carrera y f, la frecuencia o número de oscilaciones o revoluciones por segundo.

Si el proceso de compresión se realiza en ambos lados del pistón, la potencia será el doblede la potencia real. Es lo que se denomina potencia teórica. A causa del rozamiento y por otraspérdidas, la potencia real es el 70-90 % de la teórica.

Los datos de una máquina de vapor son los siguientes:PR = 1000 CV ;; v = 213 m/min ;; p = 14 Kp/cm2 ;; t = 315º C ;; η = 30 %

Actualmente, debido a su bajo rendimiento, no se utilizan y se han sustituido por los motoreso máquinas de combustión interna.

3. La turbina de vapor.

En la turbina de vapor se logra un movimientorotacional gracias al rotor, que es movido por la acción delvapor sobre sus álabes.

El vapor de agua que procede de la caldera, actúadirectamente sobre las paletas de la rueda haciéndola girar conuna velocidad de 10000 rpm.

La gran ventaja sobre la máquina es que carece decilindro y por lo tanto el rendimiento es mayor . Elfuncionamiento es idéntico a la máquina de vapor excepto enel cilindro.

6


En la actualidad se utiliza en lascentrales de producción de energía eléctricaen la propulsión de los buques, para lassoplantes de los altos hornos . Estos procesosde cogeneración hacen que se vayanextendiendo.

4. Motores de combustión interna: Motores de explosión ycombustión.

La limitación en el rendimiento de una máquina de vapor es producido por :a. El límite de la temperatura de la caldera, no pudiéndose elevar demasiado por el aumento

consiguiente de presión.b.Un menor aprovechamiento de la energía calorífica producida por la combustión del

carbón o de los derivados petrolíferos.

Para aumentar el rendimiento, se va a utilizar un fluido motor que actúe también comocombustible, mezclado con la cantidad suficiente de aire, produciéndose la combustión en elinterior del cilindro.

El fluido motor se comporta como un gas ideal que describe ciclos idénticos y reversibles,ya que los gases resultantes de la combustión, se encuentran diluidos en un volumen de aire muysuperior, unas cinco veces mayor que el propio volumen.

Existen diferentes tipos de motores de combustión interna que se difernecian por el tipo decombustible y el tipo de movimiento que resulta, alternativo o rotativo.

Los motores y turbinas de explosión, la combustión se provoca por el salto de una chispa enuna bujía, utilizándose combustibles muy volátiles como las gasolinas.

Los motores y turbinas de combustión, la reacción se verifica de forma progresiva y apresión constante, utilizándose combustibles menos volátiles como el gasóleo.

Motores de explosión con encendido provocado (MEP)

Entre de este tipo se encuentra el de cuatro tiempos , siendo sus elementos esenciales lossiguientes:

7


1. El inyector.- Se encarga de inyectar aire y gasolina en el cilindro o en el conducto deadmisión. Los antiguos motores , en lugar de los inyectores se usaba el carburador. En cualquiercaso la mezcla de gasolina y aire en proporción 7 g de gasolina con 100 g de aire.

2. El cilindro.- Corresponde al cuerpo de bomba, el émbolo, dos válvulas (admisión yescape) y una bujía, realizándose en él los cuatro tiempos: admisión, compresión, explosión yescape.

El pistón se una a la biela mediante un pasador o bulón. Ha de ser resistente a los esfuerzosmecánicos y térmicos para cerrar herméticamente, va provisto de unos segmentos alojados en susranuras. Las válvulas tienen como misión la aspiración de la mezcla y la salida de los gasesresultantes de la explosión; las válvulas se mueven gracias a la acción del árbol e levas que seencuentra sincronizando con el cigüeñal.

3.La bujía . Se encuentra formado por dos electrodos separados por 0,5 mm, unido a masauno y el otro procedente del distribuidor, aislados eléctricamente.

El casquillo se enrosca en la parte superior del cilindro de acero. Su misión es producir unachispa en la mezcla comprimida se necesita una tensión de 10000 a 20000 V.

La batería de V = 12 V, utiliza un transformador para conseguir la tensión deseada. Lasmotocicletas utilizan el encendido por plato magnético. Se utiliza la corriente inducida por uncampo magnético variable. El encendido electrónico se realiza por transistores, condensadores o através de convertidores de impulsos.

Otros elementos de transformación de movimiento.

En este sentido, los elementos más importante son la biela, la manivela y el cigüeñal,permitiendo transformar el movimiento alternativo en rotativo. La biela, a través de la manivela,transmite el esfuerzo del pistón al cigüeñal y éste transmite la potencia al árbol motor. El sistemaposee una serie de rodamientos o cojinetes de apoyo, un volante de inercia o corona y otros

8


elementos auxiliares.

Bujía

El sistema mecánico se encierra en un sistema carter-bastidor que puede servir tambiéncomo depósito de aceite lubrificante y chasis del bloque. La culata encierra los cilindros en la partesuperior, sujetándolos por unos pernos y refrigerado por aire o agua, para que no sufra unaelevación exagerada de la temperatura. El agua circula por la acción de una bomba y se refrigeramediante el radiador . La bomba de aceite permite repartir uniformemente el lubrificante por todoslos dispositivos mecánicos.

En el año 1877 Nikolaus Otto, esquematizó su ciclo de cuatro tiempos. Los cuatro tiemposson los siguientes:

1. La admisión. El pistón sufre un retroceso, aspirando la mezcla de combustible aire. Laválvula de admisión se encuentra abierta y la válvula de escape cerrada. Pasa del 0-12. Compresión . El pistón asciende. La válvula de admisión se cierra provocando unacompresión adiabática (posición de 1-2) 3. Explosión. Se comprime y en ese punto se produce una combustión enérgica mediante unpunto de ignición, aumentando la presión y produciendo una expansión adiábática (2-3 y del

9

electrodos


3-4)Escape. La válvula de escape se abre y el gas tiende a salir a volumen constante yposteriormente a presión constante . El paso es de 4-1 y de 1 -0

A continuación se repite el ciclo. Diagrama p-V Diagrama T-S

Sólamente en el tercer tiempo se produce trabajo mecánico.

El rendimiento del ciclo Otto será la siguiente:

η = 1 - 1

R−1 ; siendo R = V 1

V 2;; γ =

c pcV

R es la relación de compresión

10


En un cilindro existen dos puntos muertos : PMS y el PMIV2 V1

Vástago

PMS carrera PMI

Existe un nivel de compresión, llamado punto de autoignición, en donde la reacción de combustiónse realiza antes de saltar la chispa . La autoignición supone una detonación provocando alteracionesmecánicas y ruido. Para eliminar este aspecto, se recurre a la utilización de sustanciasantidetonantes o catalizadores.

Las gasolinas, como combustible empleado en los motores de explosión, poseen poderantidetonantes aquellas que son cíclicas o ramificadas. El índice de octanaje viene expresado poruna relación porcentual entre el volumen de isooctano(2,2,4 trimetil -pentano ) y el n- heptano.

El isooctano supone el 100%, mientras que el n-heptano supone el 0% de octanaje.Una gasolina posee el 70 % de índice de octano , cuando posee la misma característica

antidetonante que una mezcla formada por el 70 % en volumen de isooctano y el 30 % en volumende n- hepano.

El ciclo real de Otto, no es el mostrado pues hay que tener en cuenta los siguientes aspectos:

a. La combustión es incompleta, produciéndose CO además del CO2 y el H2O

b. Existen fenómenos no adiabáticos ya que hay intercambio de calor con el exterior .

c. La explosión no es instantánea, produciéndose un aumento de volumen, teniendo qu realizar el avance al encendido provocando la explosión antes de los esperado.

El motor de explosión de dos tiempos.

En un principio, se lograría mayor potencia si se redujese el motor a dos tiempos, con doscarreras del émbolo por cada ciclo.

Las modificaciones con relación al motor de cuatro tiempos son las siguientes:1. No poseen válvulas de admisión y escape, ya que la entrada y salida de los gases se hacemediante las lumbreras.2. El carter se encuantra completamente cerrado y la comunicación con el cilindro se realizamediante la lumbrera de transferencia.

El ciclo es de la siguiente forma:

a. Primer Tiempo.-Con el pistón en el punto muerto superior, se produce la inflamación de lamezcla. Los gases de combustión se expanden hasta que el pistón rebasa la lumbrera deescape , saliendo éstos al exterior mediante la presión. El pistón sigue bajando y comprimeel fluido del carter abriendo la lumbrera de transferencia , barriendo el líquido los gases dela combustión hasta la lumbrera de escape.b. Segundo tiempo.- El pistón asciende por inercia del cigüeñal y comienza un segundobarrido de los gases de escape al mismo tiempo que la admisión comienza aproducirse. Se

11


cierran las lumbreras de admisión y escape, se comprime el combustible y cuando llega elpistón al punto muerto superior, se provoca la combustión, iniciándose el ciclo nuevamente.El esquema se representa de la siguiente manera:

La potencia, en contra de lo se espera, no se duplica , ya que por una parte hay un instante enque se encuentran abiertas simultáneamente las lumbreras de admisión y escape y el combustiblenecesita una primera compresión para que sea eficiente el motor.

El rendimiento de un motor de dos tiempos es menor que el correspondiente al de cuatrotiempos , no teniendo las operaciones de admisión y escape del ciclo de Otto.

Por su simplicidad se suele aplicar en pequeñas motocicletas o en grandes barcos.

Problema 1.- Un ciclo de Otto teórico, de dos tiempos, y 60 mm de diámetro del pistón, seencuentra limitado por los volúmenes V1 = 480 cm3 y V2 = 120 cm3, y por las presiones p1 = 0,1MPa , p2 = 0,7 MPa ; p3 = 3,5 MPa y p4 = 0,5 MPa.. Determinar:

a. El diagrama teórico del ciclo termodinámico.b. La cilindrada y su carrera.c. La relación volumétrica de compresión.

Resolución.- a.

b. V = Δ V = 480 – 120 = 360 cm3

L = 360. 10−6

. 0,032 = 12 cm

c. R = 480120

= 4

12


Problema 2.- El rendimiento del ciclo Otto es del 50 % y el coeficiente adiabático de lamezcla combustible es de 1,50 , determinar la relación de compresión.

Resolución.-

η = 1 - 1

R−1 ; despejando se obtiene : R=−1 1

1− = 4

Problema 3.- Calcular el rendimiento de un ciclo de Otto en el cual la razón decompresión es R = 8 y γ = 1,50.

Resolución.-

η = 1 - 1

R−1 = 64,7 %

Problema 4.- Un motor térmico reversible opera entre un foco T y otro a 280 º K . Cede1000 KJ/min del foco caliente al frío y su potencia útil es de 40 kW . Calcular la temperatura delfoco caliente.

Resolución.- Q2 = 1000 /60 = 16,6 kW ;; Q1 = 16,6 + 40 = 56,6 kW

η = Q1−Q2

Q1 = 0,7067 =

T 1−T 2

T 1;; T1 = 954,6 º K

Motores de combustión.

El rendimiento de un ciclo de Otto viene limitado por la relación de compresión. Paraaumentar este rendimiento, se recurre a comprimir solamente aire y una vez logrado ésto, seintroduce el volumen apropiado de combustible, que en las condiciones de presión y temperatura ala que se encuentra el cilindro, provoca la combustión espontánea y progresiva de la mezcla.

El ciclo Diesel, viene representado por los siguientes diagramas:

Diagrama p -V Diagrama T - S

13


En este diagrama se deben de considerar los siguientes tiempos:1º Tiempo.- Se produce la admisión de aire puro a presión atmosférica ( paso 0-1) y locomprime adiabáticamente (1-2) hasta presiones de 40 – 50 at. Y T = 600º K .2º Tiempo.- Se introduce el gasóleo a levada presión (70 at) mediante una bomba inyectorainflamándose la mezcla a p =cte (2-3) provocando el retroceso del pistón.3º Tiempo.- Cuando el pistón llega a la décima parte de la carrera , se termina la inyeccióndel gasóleo , expansionándose el gas adiabáticamente , retrocediendo el pistón hasta el puntomuerto inferior. (3-4)4º Tiempo.- Una vez que el émbolo alcanza el PMI , se abre la válvula de escape ,descendiendo la presión hasta la atmosférica (4-1) , expulsándose los gases por la válvula deescape, iniciándose el ciclo nuevamente en el primer tiempo.

El rendimiento de un motor Diesel será :

η = 1

R−1.

R0−1

.R0−1 Siendo R =

V 1

V 2 y R0 =

V mezclaV recámara

R .- Es la relación de copresión.

R0 .- Es la relación de combustión.El diagrama real difiere del teórico en los siguientes aspectos:

a. La combustión no se realiza a presión constante y el proceso 4 -1 no se realiza a volumencosntante.b. Existe una combustión incompleta del gasóleo, formándose, además, el monóxido decarbono.c-.Pérdida de calor por las paredes, por lo tanto los procesos no son adiabáticos.

En la siguiente gráfica se comparan los ciclos reales Otto y Diesel:

14

Ciclo real Otto Ciclo real Diesel


Como se puede apreciar en los diagramas anteriores, la utilización de un motor Dieselconlleva un mayor rendimiento, por lo tanto es más utilizado en los diferentes vehículos detrasnporte.

Al igual que en el caso de lso motores de explosión, la detonación es un problema grave losmotores de combustión, pero por una razón diferente. La inyección del gasóleo debe ser realizadaen el instante apropiado, pues de lo contrario, la combustión sería muy rápida y provocaría unaexplosión por aumento de la presión . Para evitar esto, es necesario retrasar el punto de igniciónmediante la utilización de combustibles de alta inflamabilidad

El índice de ceteno nos indica la inflamabilidad de un combustible. La inflamabilidad delceteno C16 H 34 , posee un índice de ceteno del 100 %, en tanto que el α – metil naftaleno, posee unainflamabilidad del 0 %. El indice de ceteno de un gasóleo representa la inflamabilidad que ésteposee en relación al porcentaje de la mezcla ceteno y α-metil naftaleno.

Un combustible con alto índice de ceteno supone un bajo índice de octano.

La sobrealimentación.-

Mediante la sobrealimentación se logra aumentar el rendimiento y la potencia del motor.Para ello se aumenta la cantidad de combustible que se suministra al cilindro. Para ello se aumentala presión del aire o de la mezcla a la entrada del cilindro, mediante un compresor.

El compresor es accionado por una turbina que la impulsa los gases de escape . Eldispositivo recibe le nombre de turbocompresor.

En ocasiones, a la salida del compresor, se suele instalar un cambiador de calor para que latemperatura de la mezcla de gases que accede al cilindro, no sea grande, aumentando todavía más elrendimiento y la potencia del motor. Este dispositivo recibe el nombre de Intercooler.

La sobrealimentación se usa en los motores de aviación, donde la presión del aire queaccede al cilindro es baja, puesto que la presión atmosférica disminuye con la altura. También esutilizado por los vehículos de competición que tiene como finalidad aumentar la potencia y suvelocidad.

15


Problema 6.- El ciclo Diesel teórico de un motor monocilíndrico de dos tiempos y 60 mmde diámetro de pistón, , se encuentra limitado por los volúmenes V1 = 480 cm3 y V2 = 60 cm3 y porlas presiones p1 = 0,1 MPa ; p2 = 1,84 MPa y p4 = 1,84 MPa. . El estado de máxima temperaturarepresenta a V3 = 120 cm3.Calcular:

a. El diagrama teórico.b. La cilindrada y la carrera.c. La relación volumétrica de compresión.

Resolución.- a.-

b. V = Δ V = 480 – 60 = 420 cm3

L = 420 .10−6

.0,032 = 14,8 cm

R = 48060

= 8

5. Turbinas de gas de ciclo abierto.

Son motores térmicos rotativos de combustión interna. Pueden ser de explosión como decombustión. En este caso, no necesitan agua para su funcionamiento, resultando apropiadas para lapropulsión de los aviones, ferrocarriles, barcos, etc. y en las centrales que generan electricidad.

Se clasifican en turbinas de explosión y de combustión.a. Turbinas de explosión.- Se encuentran constituidas por un compresor , varias cámaras decombustión y la turbina propiamente dicha. Las cámaras se cargan de aire mediante uncompresor . Una vez que la cámara se encuentra cargada, se cierra la válvula de admisión y

16


se introduce el combustible que explota por la acción de una chispa, incrementándosebruscamente la presión manteniendo el volumen constante. Por la válvula de escape salenlos gases a alta velocidad que, encauzados convenientemente, inciden sobre el rotor de laturbina provisto de varios álabes o palas . Cuando el valor de la presión es la atmosférica, secierra la válvula de escape y se vuelve a abrir la de admisión. En la práctica, para que elrotor se mueva a velocidad constante, se utilizan varias cámaras sincronizadas. El ciclotermodinámico que describe es el de Otto a expansión completa.

b. Turbinas de combustión.- Fundamentalmente poseen un compresor, una cámara decombustión y una turbina . El aire se aspira a p atmosférica y se comprime gracias alcompresor C , pasando posteriormente a la cámara de combustión D. En esta cámara seinyecta el combustible , produciéndose el autoinflamado de la mezcla a causa de la elvadatemperatura . Los gases de la combustión se expanden sobre los álabes de la turbina T,produciéndose un trabajo de rotación y producen el movimiento del compresor . Una vezrealizada su misión, los gases se evacuan por la válvula de escape. Debido a la latatemperatura de los gases, éstos pueden usarse, mediante la utilización de un cambiador decalor, para producir vapor de agua en una caldera que se usa como turbina de vapor . Si losgases de descarga se hacen llegar a una tobera, la turbina de gas se convierte en una máquinade chorro (JET) . Siguen el ciclo termodinámico de Brayton y se utilizan en losturborreactores, turbopropulsores y estatoreactores.

Las turbina de combustión tiene el siguiente esquema :

17


Motores de avionesExisten dos tipos principales de motores:1. Turborreactor, turbofan y turbohélice. Poseen una turbina compresora y se utilizanfundamentalmente en los aviones comerciales.2. Los tipos estatorreactor y pulsorreactor. No poseen turbina y lo utilizan los avionesexperimentales no comerciales.

El turborreactor, es un motor en el que el aire es aspirado por un compresor. En la cámara decombustión, el oxígeno del aire (que es el comburente) entra comprimido y reacciona con elqueroseno (combustible) . Cuando los gases salen a altísimas temperaturas de combustión, seexpanden y salen por la parte posterior a gran velocidad, impulsando el avión hacia delante.

Europhigter

Typhon

18


El turbofan (ventilador). Estos motores lo utilizan la mayoría de los aviones comerciales. Lagran ventaja frente al turborreactor es que es mucho mas siliencioso . El ventilador (fan) seencuentra dentro del tubo, sumándose dos efectos, uno el ventilador refrigera al motor, y dos, elflujo de aire es mayor . El avance del avión se debe al empuje del verntilador o fan y la delos gasesaue son expulsados por la tobera .

Aerbus – A 380

19


El turbopropulsor . Es muy parecido al turborreactor , la diferencia estriba en que la turbinaposterior, hace girar al compresor y a la hélice delantera exterior . La propulsión se debe a doscausas: a los gases que salen por la parte posterior, con poca velocidad, y el empuje da la hélice.

C-130 Hercules

20


El estatorreactor, conssite en un tubo abierto por los dos extremos . Por la parte anteriorpenetra el oxígeno a lata velocidad y reacciona con el combustible. Los gases resultantes, seexpanden debido a la enorme temperatura que se consigue por la ignición iniciada por una chispa dela bujía . Los gases salen por la parte posterior a gran velocidad, debido al gradiente tan grande depresión. El avión adquiere grandes velocidades. El motor es muy sencillo . Se utilizan para avionesque vuelen a cotas elevadas y a gran velocidad ( aviones espía) . El control de la velocidad esprimordial para evitar que los gases salgan por la entrada y disminuir el rendimiento.

El pulsorreactor , es parecido al motor anterior pero la diferencia es que posee una válvula deentrada en la admisión, para evitar que los gases retrocedan. Esta válvula se cierra cuando explota lamezcla. La combustión se produce a pulsos , abriendo y cerrando la válvula, por ello se denominanpulsorreactores. Se instalan en aviones que soportan poco peso y vuelan abaja cota. Se suele utilizarcomo motor de arranque de los veleros.

21


El combustible utilizado por los aviones es el queroseno, debido que su punto de fusión esde 220ºK . Por lo tanto a la temperatura baja de altas cotas, puede el queroseno mantenerse enestado líquido.

6. El motor de Stirling.El motor de Stirling es una máquina de combustión externa inventada por Robert Stirling en

el año 1816. Esta formado por dos cilindros que se encuentran a diferente temperatura originandolos espacios caliente y frío.

Los cilindros se separan mediante un dispositivo denominado regenerador . El gas de trabajonormalmente es el He, H2 o aire. Este gas evoluciona de uno a otro cilindro por el movimiento de dedos pistones gracias al movimiento sincronizado de los dos pistones. En el espacio caliente seabsorbe calor. En el espacio frío se desprende calor.

La masa de gas se encuentra alternativamente a diferente temperatura y la presión actúasobre los pistones es variable, obteniéndose un trabajo útil.

22


El ciclo que describe es el siguiente:

1º Tiempo.- Evolución 1-2 . Es una transformación isoterma expandiéndose el gas yabsorbiendo calor el cilindro.2. Tiempo.- Evolución de 2-3 . Manteniendo el volumen constante se produce unadisminución de presión pasando el gas del espacio caliente al frío.3º Tiempo.- Evolución 3-4. El gas en el espacio frío se comprime isotérmicamentedesprendiendo calor a través de las paredes del cilindro.4º Tiempo.- El gas se comprime isocóricamente pasando el aire del cilindro frío al caliente,iniciándose nuevamente el ciclo.

El esquema es el siguiente:

El regenerador actúa de intercambiador de calor, absorbe una cierta cantidad de calor(QR) durante el proceso 2-3 que es el enfriamiento isostérico y devuelve la mismacantidad de calor en el calentamiento isocórico (3-4).

El intercambio tiene lugar en las isotermas ya que el Texp > Tcomp., produciéndose un trabajoútil Wu . El rendimiento real será el 50 % del teórico.

Las ventajas que produce la utilización de este tipo de motor son las siguientes:

1. Utiliza cualquier tipo de energía, incluso las alternativas para su funcionamiento, es decirpara conseguir calor. Por ejemplo en la conversión de la energía solar.2. Puede funcionar con aire contaminado.3. Permite controlar la emisión de gases contaminantes.4. Aprovecha el calor residual cedido al foco frío(cogeneración)5. Es silencioso.6. Puede trabajar como bomba de calor o refrigerante.

Este tipo de motor posee grandes aplicaciones como son:

1. Como motor .- Convención de la energía solar, motores de vehículos subacuáticos.Motores solares accionados por células fotovoltáicas en satélites espaciales .

2. Como Refrigerante , para la obtención de N2 líquido usado en la industria de lossuperconductores.

3. Como bomba de calor.

23


7. El rendimiento de los motores térmicos.

Los motores térmicos, solamente aprovechan una parte de la energía química delcombustible, para la producción de trabajo útil, perdiéndose la mayor parte de la misma en larefrigeración y en la radiación.

El rendimiento sigue la siguiente ecuación:

η = 1

G ef. .H c

Gef , es el consumo efectivo de combustible, se mide en g/kW.h

HC, es el poder calorífico del combustible . Se mide en Kcal/Kg

Un combustible de Gef = 430 (g/kW.h) y Hc = 10400 Kcal/Kg su rendimiento será :

η = 3.61060,24430. 10400

= 19,14 %

8. Los efectos medioambientales que producen la utilización de losmotores térmicos.

Los efectos medioambientales que producen la utilización de los motores térmicos son lossiguientes:

a. Ruido.- Se produce por los diferentes elementos mecánicos y las válvulas de escape yadmisión . El máximo de ruido permitido en la UE es de 80 dB . Para evitar este ruido, seatenua mediante la utilización de los silenciadores que disminuyen la sonoridad, es decil laamplitud de la onda de la frecuencia de tono ( la intensidad) así como la de sus armónicos.B Contaminación.- La contaminación se puede producir por la evaporación del combustible,los gases procedentes del carter y sobre todo de los gases procedente de la combustión,produciéndose CO2, (H2 O)v, CO . Formaldehido, acroleína, etc .La solución depende de los motores de explosión o de combustión.

a. Motores de explosión.- Reducir el contenido de azufre de las gasolinas; realizar unamezcla homogénea del combustible. Realizar un diseño adecuado del motor ; Controlar lacaracterística de la chispa y del punto de encendido. Actuar sobre la combustión y eliminar loscontaminates obtenidos usando los catalizadores apropiados.

B Motores de combustión.- Disminuir el contenido de azufre en el gasóleo y el número deceteno. Realizar un diseño adecuado del motor. Controlar la inyección del combustible. Actuarsobre la combustión recirculando los gases de escape y controlando la adicción del agua.

24


25


Problema 7.- Un automóvil de motor diesel de 4 tiempos cuyo consumo es de 260 g/kW.h,su poder calorífico es de 10300 Kcal/Kg . Calcular su rendimiento.

Resolución.

Η = 1

G ef. .H c= 3.61060,24

260.10300= 32,2 %

Problema 8.- Un sistema de paneles absorbe energía que procede de la radiación solar arazón de 400 W por metro cuadrado de superficie instalada y la transfiere con una pérdida del 30% a una unidad de almacenamiento de temperatura constante de 600º K . Este sistema alimentaun motor térmico que genera electricidad con una potencia de 800 kW y cede calor al medioambiente cuya temperatura es de 27 º C . Hallar la superficie mínima del colector para quefuncione la instalación.

Resolución.-

η = T 1−T 2

T 1=

600−300600

= 0.5 = WQ 1

;; Q1 = 800 kW

0,5= 1600 kW

Si pierde el 30 %, se aprovecha el 70 %

E = 16000,7

= 2285 kW = 2,285 106 W ;; S = E W

400W /m2

= 5714 m2

26

CIDEAD. 2º Bachillerato. Tecnología Industrial II Tema 17 ...€¦ · CIDEAD. 2º Bachillerato....

Documents

Transcript of CIDEAD. 2º Bachillerato. Tecnología Industrial II Tema 17 ...€¦ · CIDEAD. 2º Bachillerato....