CICLO DE LAS MAQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA. TURBINAS DE GAS Y RETROPROPULSIÓN.

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1 FISICA II 009 UNIDAD VII: CICLO DE LAS MAUINAS ÉRMICAS CICLO DE LAS MAUINAS DE COMBUSIÓN INERNA. URBINAS DE GAS Y REROPROPULSIÓN. CICLO DE LAS MÁUINAS DE COMBUSIÓN INERNA Combustión interna: la combustión o quema de combustible se realiza dentro de la misma máquina o motor. ambién se los suele llamar motores de explosión. Equipos más pequeños y livianos, de potencias menores. Combustión externa: máquinas de vapor. La combustión se realiza aparte del motor, en una caldera. Equipos más grandes, pesados, de potencias mayores. Este tema se verá en la unidad 0. CICLO OO O BEAU DES ROCHAS Está constituido por transformaciones, adiabáticas y isocóricas. Puede lograrse con motores de tiempos o de dos tiempos, es decir que necesitan o movimientos del pistón para completar el ciclo La mayoría de los motores: de tiempos Motores de tiempos: motores de potencia reducida (motos, cortadoras de césped, motosierras, motores náuticos pequeños) Estudiaremos el ciclo Otto de tiempos, representaremos lo que ocurre en el interior de un cilindro de un diagrama p-v. y en un diagrama t-s El motor consiste en un pistón o émbolo cilíndrico colocado dentro de un cilindro metálico. Al ir efectuando su carrera o recorrido a lo largo del cilindro, el pistón mueve una biela que transforma este movimiento alternativo en un movimiento giratorio en el

2 FISICA II 009 cigüeñal del motor. En la parte en que el pistón se encuentra más cerca de la tapa del cilindro de encuentran las válvulas (de escape y de admisión) y la bujía que es la que da el impulso eléctrico para que la mezcla explote. En el siguiente esquema se observa el movimiento del pistón y de las válvulas en el motor de tiempos: En la primera carrera, transformación 0 -, se produce la admisión de la mezcla de aire y vapores de nafta al interior del cilindro. eóricamente durante este proceso la presión en el interior del cilindro es constante. En la segunda carrera, están cerradas las válvulas, la de admisión y la de escape y el pistón al desplazarse produce la compresión de la mezcla (-) erminada la segunda carrera, teóricamente se produce la ignición del combustible y dado que el proceso es muy rápido, podemos suponerlo instantáneo, es decir que la combustión tiene lugar a volumen constante, aumenta la presión y se produce el proceso - Durante la tercera carrera se produce la expansión de los gases producto de la combustión -. eóricamente al final de esta carrera se abre la válvula de escape lo que provoca la caída brusca de presión - y luego en la cuarta carrera se produce el barrido de los gases desde el interior del cilindro -0. Suponemos que la compresión, la combustión y la expansión son procesos adiabáticos. El pistón en su recorrido limita un volumen máximo al estar más alejado de la tapa del cilindro (punto muerto inferior). Este volumen se llama volumen máximo o volumen total del cilindro V.

3 FISICA II 009 Cuando se encuentra más cerca de la tapa del cilindro (cerca de las válvulas y de la bujía) contiene un volumen que se llama volumen de la cámara de combustión V. La relación entre ambos se llama grado o relación de compresión y varía normalmente de 7 a 9,5 R V C = V Para calcular el rendimiento térmico ideal de este ciclo estableceremos primero la cantidad de calor suministrada por la fuente caliente y la cedida por la fuente fría: ( ) V = C ( ) V = C El rendimiento térmico será: ( ) = = Reemplazando, operando matemáticamente y suponiendo que el calor específico a volumen constante Cv se mantiene constante en ambas transformaciones, quedará - Rc k- donde k es el exponente adiabático = Cp / Cv de la mezcla utilizada como combustible. Esta fórmula nos indica que a medida que aumenta la relación de compresión Rc aumentará también el rendimiento, pero en la práctica la Rc no puede elevarse más allá de 9 o 0, ya que tanta compresión provocaría en la mezcla una preignición, también llamada detonación o pistoneo, que es la explosión de la mezcla por sí misma, debido a la alta temperatura y compresión, unos instantes antes de que salte la chispa de la bujía. CICLO DIESEL Se diferencia del Otto en que permite obtener relaciones de compresión más elevadas, generalmente de 5 a 9, debido a que la inyección de combustible se realiza con posterioridad a la compresión del aire, que puede alcanzar presiones del orden de 0 a 5 kg/cm sin peligro de preignición. Ello trae como consecuencia un aumento del rendimiento térmico.

4 FISICA II 009 En el siguiente esquema se observa el ciclo en un diagrama pv y en un diagrama t-s Se desarrolla de la siguiente manera: en el primer tiempo, por la válvula de aspiración se produce la admisión de una carga de aire solamente 0-, que luego, con las válvulas cerradas, se comprime adiabáticamente en un segundo tiempo (compresión -) al final de la cual el aire alcanza unos 800 ºC. En la posición del émbolo correspondiente al punto muerto superior comienza la inyección de combustible líquido finamente pulverizado, produciéndose la combustión - por efecto de la temperatura elevada a la que se encuentra el aire (no hay bujías en este ciclo). La velocidad de la inyección se coordina con el movimiento del émbolo y entonces este proceso se realiza a presión constante, absorbiendo el sistema calorías de la fuente caliente por liberación de la energía química durante la combustión. Completando el tercer tiempo se realiza la expansión adiabática - de los productos de la combustión, realizando el sistema trabajo a expensas de su energía interna hasta que el émbolo llega al PMI. Se abre luego la válvula de escape, produciéndose un descenso de presión - con el consiguiente enfriamiento a volumen constante, en el cual se ceden calorías a la fuente fría. Finalmente el émbolo, en el cuarto tiempo, realiza la operación -0., de expulsión o escape de los productos de combustión, con lo cual se completa el ciclo. Este ciclo es ideal, ya que es difícil de realizar por varias razones, como ser que las presiones de admisión y de escape difieren de la presión exterior. Además es difícil mantener la combustión a presión constante A la relación entre el volumen del sistema al finalizar la combustión V y el volumen al comienzo de la combustión V, se le llama relación de inyección. φ = V / V Las cantidades de calor tomadas de la fuente caliente y cedidas a la fuente fría serán: = C ( ) y = CV ( ) P

5 FISICA II 009 El rendimiento térmico será: ( ) = = C C V P ( ) ( ) operando y reemplazando llegamos a que: - φ k - Rc k- k (φ ) Fórmula que nos da los valores del rendimiento térmico teórico del ciclo diesel. El análisis de la fórmula nos indica que el rendimiento del ciclo aumenta cuando aumenta la relación de compresión Rc y cuando disminuye la relación de inyección φ. CICLO DE JOULE O DE BRAYON El ciclo DIESEL es un ciclo de expansión limitada, pues la expansión adiabática concluye en un estado a una presión superior a la del comienzo de la compresión. Si los gases se expandieran hasta alcanzar la presión del comienzo del ciclo, y luego se completara el ciclo con un enfriamiento a presión constante, se podría obtener un trabajo adicional, con el mismo aporte de calor. Se obtiene así el ciclo de BRAYON o JOULE Este ciclo de expansión completa no es posible realizarlo en motores alternativos porque deberían tener cilindros muy largos y las pérdidas mecánicas por rozamiento entre pistón y cilindro consumirían todo el trabajo adicional y algo más,. En cambio sí se lo puede desarrollar en máquinas del tipo de turbinas de gas. La turbina de gas es otro tipo de tecnología diferente distinto al motor alternativo. Consiste esencialmente en un eje rotativo que gira a gran velocidad, alrededor del cual se insertan paletas o álabes que transforman el desplazamiento longitudinal o tangencial de los gases en movimiento rotativo. Una de las ventajas más importantes que ofrece la turbina de gas es la de ceder la energía mecánica sea en forma de aire comprimido, para el soplado de los altos hornos, sea en forma de energía eléctrica a través de un alternador o bien en forma de gases de escape para la propulsión a reacción. Incluso estas formas pueden combinarse suministrando la turbina de gas, simultáneamente, aire comprimido, energía eléctrica y gases de escape, aumentando así el rendimiento y la eficacia de las centrales termoeléctricas En su forma más sencilla una turbina de gas consta de los siguientes elementos esenciales: el compresor, la cámara de combustión y la turbina propiamente dicha. El funcionamiento de la misma se indica en el siguiente esquema: 5

6 FISICA II 009 Se comprime previamente el aire en un compresor, para luego hacerlo pasar a una cámara de combustión, en donde se inyecta el combustible y se produce la combustión a presión constante. Los gases de la combustión se expanden luego en la tobera de la turbina, aumentando en forma apreciable su energía cinética, lo cual les permite pasar por los álabes de la rueda móvil, en donde entregan trabajo. Este ciclo está constituido por adiabáticas y por líneas a presión constante que se observan en los siguientes diagramas p-v y t-s - representa la compresión adiabática del aire en el compresor, - la combustión del sistema aire-combustible en la cámara de combustión y - la expansión adiabática de los productos de la combustión en la turbina que produce trabajo. La transformación -, a presión constante, indica el enfriamiento de los productos de la combustión hasta llegar al estado, en el cual se reinicia el ciclo. Suponiendo un comportamiento perfecto de los gases, las cantidades de calor tomadas de la fuente caliente y cedidas a la fuente fría valen: = h h = C p * ( ) y = h h = C p * ( ) 6

7 FISICA II 009 El rendimiento térmico resultará: ( ) = = En ésta fórmula se ha considerado un mismo calor específico medio Cp para la transformación - y - y si además suponemos un mismo valor para el coeficiente k de las adiabáticas - y -, con el mismo criterio de los ciclos anteriores puede escribirse: Rp = relación de presiones P /P Rc = relación de compresión v /v k = exponente adiabático Cp / Cv El rendimiento térmico quedará: - = - = - = - Rp (k-)//k Rc k- URBINAS DE REROPROPULSIÓN Estas turbinas emplean también el ciclo de BRAYON y funcionan de acuerdo al mismo principio de las turbinas de gas pero se diferencian de estas en que la energía cinética de los gases de combustión no se transforma directamente en trabajo sino que una vez entregado el trabajo necesario para hacer funcionar el compresor, los gases abandonan la máquina a gran velocidad produciendo una reacción que hace desplazar en sentido contrario (efecto de retropropulsión o jet o chorro) al móvil en el cual se encuentra montada la turbina (aviones). Al igual que en el ciclo BRAYON, el rendimiento térmico no puede aumentarse más allá de ciertos límites, pues es necesario tener en cuenta el techo de temperatura que no puede ser superado (máxima temperatura admisible del orden de los 000 ºC), debido a los esfuerzos térmicos que deben soportar los materiales. En los turborreactores, la propulsión se obtiene exclusivamente por el chorro de escape de los gases quemados, expulsados en sentido contrario a la marcha del avión. En estos motores el aire ingresa directamente por el compresor, el combustible arde en la cámara de combustión y los gases quemados después de pasar por la turbina salen a gran velocidad por la tobera de escape