INTRODUCCIÓN MÁQUINAS DE FLUIDOS COMPRESIBLES UNIDAD II .- COMBUSTIÓN Y APLICACIONES DE LOS CICLOS TERMODINÁMICOS •
•
BARRIOS LÓPEZ AGUSTÍN. HERNÁNDEZ DÍAZ ITZEL EFIGENIA.
Ya por el 10000 a.C. empiezan a utilizarlo en la fusión de metales, la alfarería y cerámica, por medio de hornos. En Egipto se desarrolla sistemas de refrigeración por evaporación, más tarde en Creta y Roma, después, se implantan las primeras calefacciones centrales. Tras los avances técnicos de Lavoisier (1772) con el tratado elemental de química, Fourier (1822) con la teoría analítica del calor y Carnot (1824) con las reflexiones sobre la potencia motriz del fuego; se considera el nacimiento de la term termod odin inám ámiica con con los pos postul tulados dos de los dos dos prin princi cipi pios os bás básico icos, desarrollada por Mayer, Joule, Clausus, Helmholtz y Kelvin. Faraday (1840), en la producción de frío consigue -110ºC. Lenoir, en 1860, con el motor de combustión interna de encendido provocado de 2 tiempos.
Brayton (1873) la turbina a gas. Beau de Rochas en 1862 y Otto (1867) con el motor de 4 tiempos. Diesel en 1892, desarrolla el motor que lleva su nombre. Paulet (1896), motor de cohete con aplicación militar. Laval y Parsons en el final del siglo XIX, la turbina a vapor. La term termod odin inám ámic ica a se defi define ne como como el estu estudi dio o de la ener energí gía, a, sus sus form formas as y transformaciones, así como sus interacciones con la materia. Los ciclos termodinámicos son la aplicación más técnica de la termodinámica, ya que reproducen el comportamiento cíclico del fluido de trabajo de una máquina térmica durante el funcionamiento de ésta.
El oxígeno tiene la capacidad de combinarse con diversos elementos para producir óxidos. Por ende, oxidación es la comb combin inac ació ión n del del oxíg oxígen eno o con con otr otra sust sustan anci cia. a. Exis Existten oxidaciones que son sumamente lentas, como por ejemplo la del hierro. Cuando la oxidación es rápida se llama combustión. la combustión se refiere a las reacciones químicas que se establecen entre cualquier compuesto y el oxígeno. A esto también se le llama reacciones de oxidación. Este Este tipo tipo de proc proces eso o se desp despre rend nden en ener energí gía a lumí lumíni nica ca y calórica y se llevan a cabo rápidamente. El mat materia eriall que arde arde,, como como el keros erosén én y el alco alcoh hol, ol, es el combustible y el que hacer arder, como el oxígeno, se llama comburente. Ignición es el valor de temperatura que debe presentar el sistema fisicoquímico para que se pueda dar la combustión de manera natural. El proceso termina cuando se consigue el equilibrio entre la ener energí gía a de los los com compues puesttos que que reac reacci cion onan an y la de los los productos de la reacción. Con el punto de ignición se alcanza la temperatura de inflamación, activado por la energía de una chispa o por la llama de un fósforo.
2.2.- COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL AIRE Y DE LOS COMBUSTIBLES. Integrantes: ARMANDO FLORES CRUZ CRUZ IVAN CRUZ SANTIAGO
¿QUE ES EL AIRE?
Es mezcla homogénea de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor del planeta Tierra por acción de la fuerza de gravedad. El aire es esencial para la vida en el planeta y transparente en distancias cortas y medias.
COMPOSICIÓN DEL AIRE
Es Es una una comb combin inac ació ión n de gases gases en prop propor orcio cione ness ligera ligerame ment nte e varia variabl bles, es, comp compue uest sto o por por nitrógeno (78 %), oxígeno (21 %),y otras sustancias (1 %), como ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y gases nobles (como kriptón y argón).
¿QUE ES COMBUSTIBLE?
Es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor. Supone la liberación de una energía de su forma potencial (energía de enlace) a una forma utiliz utilizabl able e sea direct directame amente nte (energí (energía a térmi térmica) ca) o energí energía a mecáni mecánica ca (motor (motores es térmi térmicos cos)) dejando dejando como como residu residuo o calor calor (energ (energía ía térmic térmica), a), dióxido de carbono y algún otro compuesto químico.
COMBUSTIBLES SÓLIDOS (DE TIPO A): Queman produciendo cenizas. Se distinguen, a su vez, tres subgrupos: Materiales celulósicos: el principal componente del papel o la madera Plásticos: poco resistentes al calor, lo que hace que se descompongan o deformen, aun sin llegar a la combustión. En general, no resisten a más de 100 °C. Metales: tienen un brillo característico y sus temperaturas de fusión son bastante superiores a la del plástico. Suelen arder lentamente. Se distinguen el magnesio (extremadamente inflamable), el aluminio (descompone el agua en el transcurso de su combustión) y los metales alcalinos (que pueden generar explosiones, de estar est ar en contacto con agua).
COMBUSTIBLES LÍQUIDOS (DEL TIPO B): Provienen del petróleo bruto o del alquitrán de hulla. Se caracterizan por ciertas propiedades como la densidad específica (densidad del producto con respecto a la del del agua agua líqu líquid ida) a) y la visc viscos osid idad ad (res (resis iste tenc ncia ia al desp despre rend ndim imie ient nto o de moléculas, entre otras).Se distinguen: Gaso Gasolilina na:: Dest Destililaci ación ón del del petr petról óleo eo crud crudo. o. Es el comb combus ustitibl ble e líqu líquid ido o más más util utiliz izad ado o y está está comp compue uest sto o tamb tambié ién n de mate materi rial ales es como como el benc bencen eno, o, perjudiciales para la salud humana. Diesel: igual que la gasolina, pero elaborada con un proceso que abarata los costos de producción. Kerosene: aunque en el principio se lo utilizó para las lámpara aras, reemplazando el aceite de ballena, hoy en día se lo usa para motores. Tiene una densidad intermedia entre los dos anteriores, y es bastante económico.
2.3.- ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTIÓN Integrantes: FLORES VAZQUEZ JORGE ISAIN GIRON GOMEZ AGUSTIN
Es la comb combus ustió tión n que que se realiz realiza a con con la canti cantida dad d teóri teórica ca de oxíge oxígeno no estr estrict ictam amen ente te necesa necesaria ria para para prod produc ucir ir la oxid oxidac ación ión tota totall del del comb combus ustitible ble sin sin que que se prod produz uzca can n inquemados. En consecuencia, no se encuentra O2 en los humos, ya que dicho O2 se consumió totalmente durante la combustión.
Esta Esta comb combus ustitión ón se deno denomi mina na teór teórica ica porq porque ue en la prác práctitica ca siemp siempre re se prod produc ucen en inquemados, aunque sea en muy pequeña proporción. En esta sección se repasan algunas relaciones entre la composición de los reactivos y de los productos. En una combustión completa ideal, los únicos productos de la combustión son CO2 y agua. Por ejemplo, a continuación continuación se muestra la ecuación ecuación química para la combustión combustión completa de un mol de propano: Finalmente el balance de oxígeno de 2b + c = 10 = 2a, De donde a = 5
En la ecuación anterior, solamente se hacía reaccionar oxígeno puro, pero en la realidad el oxígen oxígeno o para para la combus combustión tión se obtien obtiene e del aire. aire. Asumie Asumiendo ndo que los product productos os están están a baja temperatura no se afecta el nitrógeno del aire. Así pues, escribiendo la ecuación de comb combus ustitión ón comp complet leta a con con aire aire como como oxid oxidan ante te para para un hidro hidroca carb rbur uro o en gene genera rall cuya cuya composición molecular promedio.
Combustión con exceso exceso de aire. Es la combustión que se lleva a cabo con una cantidad de aire superior a la estequiometria. Esta combustión tiende a no producir inquemados. Es típica la presencia de O2 en los los humo humos. s. Si bien bien la inco incorp rpor orac ació ión n de aire aire permi ermite te evit evitar ar la comb combus ustitión ón inco incomp mple leta ta y la formación de inquemados, trae aparejada la pérdida de calor en e n los productos de combustión, reduciendo la temperatura de combustión, la eficiencia y la longitud de llama.
Combustión con defecto de aire. En esta combustión, el aire disponible es menor que el necesario para que se produzca la oxidación total del combustible. Por lo tanto, se producen inquemados.
TEMA 2.4- LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Y LA COMBUSTIÓN Integrantes: GUTIÉRREZ ÁLVAREZ RANDY VANGELI
Primera ley de la termodinámica La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio de conservación de la energía, a los procesos de calor y termodinámico. La energía no se crea ni se destruye solo se trasforma
´´
´´
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:
Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:
Q es el calor suministrado por el sistema sistema al medio ambiente W el trabajo realizado por el medio medio ambiente al sistema durante el ciclo.
Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna
LEY DE LA COMBUSTIÓN
Químicamente, la combustión consiste en una oxidación. La oxidación es una reacción quím químic ica a en la que que part partic icip ipa a el oxíg oxígen eno. o. En real realid idad ad,, el oxíg oxígen eno o es abso absolu luta tame ment nte e impre impresci scind ndib ible le para para la combu combusti stión. ón. Por Por eso, eso, cuan cuando do no hay hay oxíg oxígen eno o no pued puede e habe haberr combustión.
LA COMBUSTIÓN. COMBUSTIÓN.
La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxigeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente mas habitual.
Algunas sustancias que reaccionan a la combustión Entre las sustancias mas comunes que se pueden encontrar en los productos o humos de la reacción se encuentran: • CO2 (dióxido de carbono) • H2O como vapor de (agua) • N2 (dinitrogeno) • O2 (oxido adiabático) • CO (monóxido de carbono) • H2 (dihidrogeno) • Carbono en forma de hollín • SO2 (dióxido de azufre)
LEYES FUNDAMENTALES PARA LA COMBUSTIÓN
Ley de conservación de la masa.- Establece que la materia no se crea ni se destruye Si
x kg de combustible se combinan con y kg de aire, siempre resultan (x+y) kg de productos formados.
Ley de Conservación de la energía.- Estipula que la energía no se crea ni se destruye,
de forma que la suma de las energías entrantes (potencial, cinética, térmica, química y eléctrica) en un proceso dado, que debe ser igual a la suma de las salientes.
Ley de pesos combinados.- Todas las sustancias se combinan según unas proporciones
en peso, simples y bien definidas, exactamente proporcionales a las relaciones de los pesos moleculares de los respectivos componentes.
Ley de los gases ideales.ideales.- Según esta ley, el volumen de un gas ideal es directamente
proporcional a su temperatura absoluta e inversamente proporcional a su presión.
2.5.2.5.- REACCIONES QUÍMICAS EN MEZCLAS DE GASES. Integrantes: Melchor Narcia Caleb Jiménez Sánchez José Gabriel
La gasolina que se quema en un motor contiene muchas sustancias químicas, sin embargo, está compuesta principalmente de de hidrocarburos (también conocidos como HC). Los hidrocarburos son compuestos químicos hechos de átomos de hidrógeno que se adhieren químicamente con átomos de carbono.
Dentro de un motor, los hidrocarburos en la gasolina no se queman a menos que se mezclan con el aire. Aquí Aquí es dond donde e la quími uímica ca de la comb combus ustitión ón comi comien enza za.. El aire aire está está comp compue uest sto o de aproximadamente 21% de oxígeno (O2), el 78% de nitrógeno (N2), y pequeñas cantidades de otros gases inertes. Los hidrocarburos hidrocarburos en el combustible, combustible, sólo reaccionan reaccionan con el oxígeno durante el proceso proceso de combustión para formar vapor de agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2), creando el efecto deseable de calor y la presión dentro del cilindro.
Desa esafort ortunadamente, el nitró trógeno también reacciona con el oxígeno para formar óxidos de nitrógeno (NOx), que es un contaminante. La proporción de aire-combustible juega un papel importante en la combustión. La mezcla ideal de aire/combustible para: reducir emisi emision ones es,, econ econom omía ía de comb combus ustitibl ble, e, y el buen buen rend rendim imie ient nto o del del moto motorr es de alre alrede dedo dorr de 14.7 14.7 partes de aire por una parte de combustible. Este ideal “aire / combustible" se conoce como mezc mezcla la este estequ quio iomé métr tric ica, a, y es el obje objetitivo vo que que persigue el sistema de control de combustible.
Cuando la relación aire / combustible contiene más combustible que la mezcla estequiométrica, se dice que es una mezcla rica. En este este caso caso la econ econom omíía de comb combus usttible ible y las las emisiones se verán afectados. Cuando Cuando en la relación aire / combustible combustible hay más aire que el de la mezcla estequiométrica, se dice que la mezcla es pobre y la potencia, facilidad de conducción y las emisiones se verán afectados.
En un motor operando perfectamente en las condiciones de comb combus ustitión ón idea ideal,l, la sigu siguie ient nte e reac reacci ción ón quím químic ica a se llevaría a cabo: •
•
•
Hidr Hidroc ocar arbu buro ross que que reac reacci cion onan an con con el oxíg oxígen eno o para para producir vapor de agua (H 2O) y dióxido de carbono (CO2). El nitró nitróge geno no (N2) pasa pasarrá a través avés del del moto motorr sin sin ser ser afectado por el proceso de combustión. Aunq Aunque ue los los moto motore ress mode modern rnos os está están n prod produc ucie iend ndo o mucho más bajos nive iveles de emisio siones que sus pred predec eces esor ores es,, todav todavía ía prod produc ucen en un cier cierto to nive nivell de emisiones nocivas y esto es inherente a su funcionamiento.
COMBUSTION COMPLETA
COMBUSTION INCOMPLETA
CANTIDAD DE AIRE NECESARIO PARA LA COMBUSTION .
RELACION VOLUMETRICA AIRE/GASOLINA
Con una relació relación n estequ estequiom iometr etrica ica (ideal) (ideal) una combustión completa ideal producirá exclusivamente CO2 Y H2O
2.7.2.7.- CICLOS: OTTO, DIÉSEL, STIRLING, BRAYTON Integrantes: RAMIREZ SANCHEZ ALAN RAFAEL ROBLERO CRUZ MARCOS DANIEL
Ciclo Otto El ciclo Otto es el modelo ideal que se emplea para describir los motores de combustión interna en los cuales la combustión se inicia por una chispa. Esto ocurre en los motores de cuatro tiempos de los vehículos de gasolina y en los de dos tiempos de ciclomotores, segadoras y similares. En un motor de este tipo, el cilindro produce una compresión muy rápida de una mezcla de aire en el que se ha inyectado gasolina. Cuando el émbolo llega a su punto más alto, salta una chispa de una bujía que hace explotar la gasolina y empuja al pistón hacia abajo.
En el modelo matemático de este ciclo se supone que la compresión y la expansión son tan rápidas que a la mezcla no le da tiempo de intercambiar calor con el ambiente y por tanto son procesos adiabáticos. La explosión se modela como un calentamiento a volumen constante, ya que al estar el pistón en su punto más alto, su velocidad se anula justo en ese instante y el volumen cambia poco durante la explosión. En el escape, los cases son expulsados de la cámara y sustituidos por mezcla nueva. Realmente, Realmente, se trata de un sistema abierto, abierto, pero se modela como si fuera el mismo aire que se ha enfriado cuando el émbolo estaba en su punto más bajo, lo que corresponde a otro procesos a volumen constante.
El ciclo Otto ideal, por tanto, está formado por dos procesos proc esos adiabáticos y dos isócoras.
El rendimiento de este ciclo es igual a:
Donde: γ = c p / c v r = V max / V min
Ciclo Diesel Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovecha las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de autoignición del del gasó gasóle leo o y el comb combus usti tibl ble e es inye inyect ctad ado o a pres presió ión n en este este aire aire cali calien ente te,, prod produc ucié iénd ndos ose e la combustión de la mezcla.
En el modelo de un ciclo Diesel ideal, la única diferencia con el ciclo Otto ideal es que el calentamiento por la combustión no se produce a volumen constante, sino a presión constante. La razón es que en ese momento la cámara está abierta, puesto que se está inyectando el combustible.
El rendimiento de un ciclo Diesel ideal es:
Donde:
r = V A / V B r c = V C / V B
Al tener una relación de compresión mayor, los motores diésel deben soportar presiones mucho mayores que los de gasolina (basados en el ciclo Otto). Por ello, son más pesados y robustos, lo que los encarece y limita su aplicabilidad a su uso en automóviles. Se usan en barcos y trenes, y en la generación generaci ón de energía emplean en centrales de turbina de gas.
Un motor diésel (RT-flex96C) de dos tiempos montado en un buque.
CICLO BRAYTON Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles, según se indica en la figura siguiente. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión
siendo r = = pB / p A la relación de presión igual al cociente entre la presión al final del proceso de compresión y al inicio de él.. El método para obtener este resultado es análogo al empleado para el Ciclo Otto.
DESCRIPCI DESCRIPCIÓN ÓN DEL CICLO BRAYTON BRAYTON DESCRIBE DESCRIBE EL COMPORTAMIENT COMPORTAMIENTO O IDEAL DE UN MOTOR DE TURBINA DE GAS, COMO LOS UTILIZADOS EN LAS AERONAVES. LAS ETAPAS DEL PROCESO SON LAS SIGUIENTES:
Admisión El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina Compresor El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.
Cámara de combustión
En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.
Turbina
El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.
Escape
Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este mode modelo lo el aire aire de salid salida a simp simple leme ment nte e cede cede calo calorr al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diag diagra rama ma PV esto esto corr corres espo pond nde e a un enfr enfria iami mien ento to a presión constante D→A.
Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto.
CICLO STIRLING El ciclo de Stirling es un ejemplo, como el ciclo de Carnot de ciclo completamente reversible y que que por por tant tanto o alca alcanz nza a el máxi máximo mo rend rendim imie ient nto o que que perm permitite e el Segun Segundo do Princ Princip ipio io de la Termodinámica. Se trata de un ciclo altamente ideal cuya realización práctica, incluso en forma aproximada entraña serias dificultades. No obstante, en los últimos años ha adquirido relevancia con el desarrollo de motores de Stirling, que funcionan de manera aproximada según este ciclo.
Descripción del ciclo
Un ciclo de Stirling ideal se compone de cuatro procesos reversibles: Compresión isoterma A→B
El gas se comprime desde un volumen inicial VA hasta uno final VB, inferior, manteniendo su temperatura constante co nstante en un valor T1 (a base de enfriar el gas de forma continuada). Calentamiento a volumen constante B→C
El gas se calienta desde la temperatura T1 a la temperatura T2 manteniendo fijo su volumen. Expansión isoterma C→D
El gas se expande mientras se le suministra calor de forma que su temperatura permanece en su valor T2. Enfriamiento isócoro D→A Se reduce la temperatura del gas de nuevo a su valor T1 en un proceso a volumen constante.
2.8.2.8.- COMPARACION DE LOS CICLOS REALES REALES CON LOS CICLOS IDEALES. Integrantes: VAZQUEZ RUIZ JHOVANNY TRINIDAD ENRIQUEZ ABDIAS
En el ciclo ideal el fluido de trabajo se comporta como un gas perfecto. El ciclo real refleja las condiciones reales de funcionamiento de un motor y se identifica con el diagrama de las presiones medidas en el cilindro. La diferencia de forma consiste en un perfil distinto en las curvas de expansión y compresión.
Las causas de tales diferencias se fundan en las siguientes razones:
Perdidas de calor.
Combustión no instantánea. válvula de escape Tiempo de abertura de la válvula
Pérdidas de calor las cuales son bastante importantes en el ciclo real, ya que al estar el cilindro refrigerado, para asegurar el buen funcionamiento del pistón.
Tiempo de apertura y cierre de la válvula aunque en el ciclo ideal se supuso que la apertura y cierre de válvulas ocurría instantáneamente, al ser físicamente imposible. La válvula de admisión permanece abierta un cierto tiempo hasta después de que el pistón comience a descender.
