5.- Ciclo aire-combustible

Transcripción

1 1 5.- Ciclo aire-combustible En este ciclo, el calor no es entregado al fluido sino que el aumento de presión y temperatura es debido a una combustión, por lo que se le asigna un poder calorífico al combustible. Las mezclas aire-combustible, como hay un sustancial aumento en el número de moléculas durante la combustión, muestran mejores eficiencias que mezclas en las que no aparecen o demoran el número de moléculas (con el mismo calor se obtienen mayores p y T a V=cte). En este ciclo se asume que el medio antes de la combustión consiste en una mezcla homogénea de mezcla fresca y gas residual. Se asume que no hay intercambio de calor con el medio y que existe equilibrio químico siempre. (Ver Tabla 9 página 159 Taylor&Taylor) Descripción del ciclo Otto Tomando el ciclo a volumen constante como un ejemplo, la mezcla de aire, combustible y residuales en el punto 1 es comprimida isentrópicamente al punto 2. Aquí ocurre una combustión y sigue instantáneamente un equilibrio químico elevando la presión de p 2 a p 3. Luego ocurre una expansión isentrópica del punto 3 al 4 con equilibrio químico en todos los puntos. En el punto 4 un a válvula de escape abre y los gases expanden isentrópicamente a la presión atmosférica, proceso representado por la línea 4-5, dejando el cilindro lleno con gases teniendo como temperatura y presión final las de esta

2 2 expansión. En la carrera de escape, estos gases son descargados a la presión de escape excepto aquella porción que queda en el espacio de la cámara. Evidentemente, este proceso no es estrictamente cíclico, del punto de vista que la carga nunca vuelve a su condición inicial. Sin embargo por el momento puede ser considerado un ciclo y su eficiencia se tomará como la relación entre el trabajo mecánico desarrollado y el calor de combustión del combustible usado. Las características obtenidas pueden ser comparadas directamente con el ciclo de aire en el cual el calor agregado asumimos que tiene el mismo valor Comparación del ciclo aire-combustible con el ciclo de aire Es obvio, que hay un número de factores que hacen que la entrega y eficiencia del ciclo aire-combustible difiera del correspondiente ciclo de aire. Estudiaremos y discutiremos dichos factores. Asumamos un ciclo volumen constante en ambos casos. Partiendo de las mismas condiciones en el punto 1, y con la misma relación de compresión, el punto 2 deberá ser casi el mismo en ambos ciclos porque las características termodinámicas de una mezcla normal de aire-combustible son prácticamente las mismas que aquellas del ciclo de aire. Q Para el ciclo de aire: T 3 T 2 = Mc v r 1 En este caso, Q es tomado como MFEc r Donde: M = masa de aire en el cilindro F = relación de masas de combustible a aire E c = calor de combustión en el correspondiente ciclo aire-combustible

3 3 En el ciclo aire-combustible, la temperatura aumenta entre los puntos 2 y 3 y será menor que la del ciclo de aire por 2 razones: 1) El calor específico medio del producto que evoluciona es mayor (ver Fig. 7) 2) El equilibrio químico es alcanzado antes que todo el hidrógeno forme H 2 O y todo el carbono forme CO2. En la bomba calorimétrica para determinar Q las reacciones van hasta el final. M En ambos ciclos, los gases se comportan bastante bien con la relación pv = RT. m M Asumiendo que es constante y el mismo en ambos casos, p3 en el ciclo aire- m combustible será menor que en el ciclo de aire. Durante la expansión, la relación de calores específicos en el ciclo aire-combustible es menor. Este factor combinado con el hecho de que la reacción química continúa hacia la combustión completa a medida que la temperatura cae, hace que la presión durante la expansión caiga más despacio en el ciclo aire-combustible que en el ciclo de aire, partiendo del mismo punto. El menor aumento de temperatura y el consiguiente menor aumento en las presiones durante la combustión es el responsable mayor de las diferencias entre los dos ciclos. Cambio en el número de moléculas.- En el ciclo de aire asumimos que el número de moléculas permanecía igual durante todo el ciclo. Es evidente que, si M/m cambia durante el curso del ciclo, el cambio tendrá un efecto directo en la presión para un volumen dado. Cuando m decrece, tiende a aumentar p y por tanto la eficiencia del ciclo. La parte del incremento de presión debido al aumento en el número de moléculas tiende a ser más chico a medida que la expansión ocurre y la reacción se torna más completa.

4 4 La figura 17 ilustra el efecto de un incremento de 10% en el número de moléculas durante la combustión y que cae al 5% al final de la expansión. Efecto combinado.- La magnitud de la diferencia entre el ciclo aire-combustible y el correspondiente ciclo de aire, que resulta de todos los factores mencionados, dependerá de las siguientes condiciones: - Características del ciclo - Relación combustible-aire - Relación de compresión - Composición química del combustible Para evaluarlo en un caso particular, el ciclo aire-combustible puede ser construido a partir de las propiedades termodinámicas de la mezcla aire-combustible de que se trata. Cálculo del ciclo aire-combustible.- Para calcular ciclos aire-combustible, deben ser conocidas las características termodinámicas del medio así como el rango de presiones y temperaturas a ser encontradas. Información en forma de gráficas de las cuales las figuras 8 a 14 son ejemplos, es lo más conveniente para este propósito. Ejemplos Figura 15 Taylor&Taylor Ciclo a volumen constante con clapeta totalmente abierta Figura 18 Taylor&Taylor Ciclo a volumen constante con restricción en la admisión

5 Ciclo de presión limitada (Dual Diesel) El ciclo de presión limitada es de interés, mayormente en relación con los motores de encendido por compresión. Este tipo de motores son generalmente usados con un gran exceso de aire, las cartas no cubren los rangos de relación combustible-aire encontrados. Sin embargo, las curvas para 110% del aire teórico (figuras 8 y 12) pueden ser tomadas como representando la máxima relación combustible-aire a la cual estos motores son normalmente usados. Dado que la compresión en estos motores involucra una mezcla de aire y gases residuales sin combustible, la figura 8 no se aplica con precisión. Sin embargo su uso no implica un error grande y las características de la mezcla aire-combustible-gas residual antes de la combustión son muy cercanas a las correspondientes mezclas sin combustible. Como un ejemplo de ciclo de presión limitada, se asumirá lo siguiente: Relación combustible/aire = ; p 1 = 14.7 lb/in 2 ; T 1 = 600 R ; r = 16 Máxima presión permisible = 1000 lb/in 2 ; % gas residual = 1.5 La compresión se realiza isentrópicamente desde V 1 = 15.5 a V 2 =15.5/16 = 0.97 ; P 2 = 550 ; T 2 = 1430 ; E s2 = 200 Combustión: Se aproxima a H 3a = E de combustión + E s2 + p 3 V 2 * 144/ H 3 a = ( ) =

6 6 Como H es dado en la carta, el punto H 3a, p 3a puede ser localizado y encontrar V 3a = 1.88 ; T 3a = 4730 ; E 3a = 1170 No podemos determinar las características del punto 3 de las cartas desde que el equilibrio no ha sido alcanzado en este punto. La expansión es isentrópica de 3a a 4 donde V 4 = 15.5 ; p 4 = 76 ; T 4 = 2950 ; E 4 = 585. El escape reduce la presión de los gases residuales a p 5 =14.7; V 5 =54; T 5 =2070; H 5 =505 y la proporción de gas residual a mezclar con la mezcla fresca es de 0.97/54 =0.018 =1.8%. Este resultado muestra que subestimamos este valor en la asunción original. La temperatura de entrada puede ser calculada así: H s1 = H s0 +H r donde el subíndice 0 indica la carga fresca y r la de los gases residuales, antes de mezclarse. 57 = H s x H s0 = 57 9 = 48 de la Figura 8 obtengo T 0 = 570 que corresponde a 110 F Trabajo, eficiencia y presión efectiva: 144 W = p3( V3a V3 ) + ( E3a E4 ) ( Es2 Es 1) W = 1000 ( ) + ( ) (200 19) = 572BTU η = = lb p m = = ( ) 144 in Otro método de cálculo Goodenough, Felbeck y Baker han calculado un gran número de ciclos de airecombustible directamente de datos de coeficientes de equilibrio y calores específicos. Los datos básicos usados por estos autores han sido objeto de algunas revisiones, pero la tendencia mostrada y las conclusiones bosquejadas por ellos son válidas todavía. Los resultados de estos cálculos son de especial interés porque cubren un amplio rango de relaciones aire-combustible. Los importantes resultados de los cálculos de Goodenough para varios combustibles y relaciones de compresión, ambos para ciclos de volumen constante y para ciclos de presión constante se reproducen en las tablas 2 a 5 y las figuras 20 a 29 de Taylor&Taylor. (Ver gráficas)

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