“PROCESOS DE BOMBEO Y COMPRESIÓN DE HIDROCARBUROS” Aplicaciones de bombas y compresores en la industria BOMBAS Siempre que tratemos temas como procesos químicos, y de cualquier circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas. El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido. Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones. Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: presión última, presión de proceso, velocidad de bombeo, tipo de gases a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de gas). COMPRESORES Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de alta presión, mientras que los ventiladores y soplantes se consideran de baja presión. Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran número de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción. INDUSTRIA PETROLERA Las bombas que se usan en la industria petrolera se dividen en 8 grupos: perforación, producción, transporte, refinería, fracturación, pozos submarinos, portátiles y de dosificación. En perforación, se usan las llamadas bombas de lodo, como la que se muestra en la figura 221. Estas bombas son casi siempre del tipo reciprocante. Deben desarrollar presiones altas a veces, superiores a los 200 kg/cm2. El lodo de perforación que manejan estas bombas pesa entre 2 y 20 kg/litro. En producción se usan cuatro tipos de sistemas de bombeo para extraer el crudo de los pozos de producción y descargarlo a nivel del suelo: sistema de cilindro de succión, sistema hidráulico, sistema sumergible y sistema de elevación por gas. Hay algunos pozos que no necesitan bombeo ya que es suficiente la presión del crudo. El transporte de líquidos en la industria petrolera se hace a través de miles de kilómetros en el mundo entero, tanto en oleoductos, petróleoductos propiamente dichos y gasoductos. En ciertos casos el ducto puede servir para transportar diferentes fluidos. Las estaciones de bombeo están instaladas a intervalos adecuados, a lo largo del ducto, pues aun en terreno plano, las cargas de fricción son grandes y se requieren bombas de alta presión. Durante todo el año las bombas de estos oleoductos están expuestas a grandes cambios de temperatura. Este problema y el de las grandes presiones requiere que se usen bombas de diseños especiales CICLO DE OTTO. ASPECTO HISTORICO: El primer inventor, hacia 1862, fue el francés Alphonse de Rochas. El segundo, hacia 1875, fue el alemán doctor Nikolaus August Otto. Como ninguno de ellos sabía de la patente del otro hasta que se fabricaron motores en ambos países, hubo un pleito. De Rochas ganó cierta suma de dinero, pero Otto se quedó con la fama: el principio termodinámico del motor de cuatro tiempos se llama aún ciclo de Otto. En 1875, Otto hace su primer motor de combustión interna de cuatro tiempos. ¿QUÉ ES? El ciclo Otto es un conjunto de procesos utilizados por los motores de combustión interna de encendido por chispa (ciclos de 2 o 4 tiempos). Estos motores: a) Aspiran una mezcla de aire-combustible. b) Lo comprimen. c) Provocan su reacción. d) Expanden los productos de la combustión. e) Expulsan los productos de combustión y lo reemplazan con una nueva mezcla aire-combustible. FORMULA PARA CICLO OTTO
TIPOS DE MOTORES O El motor cíclico Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica. O El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energía eléctrica, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y automóviles. Tanto los motores Otto como los diésel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos. O El motor rotatorio. O La turbina de combustión. FUNCIONAMIENTO: PRIMER TIEMPO:
El pistón comienza su carrera en el PMS. Ahí, desciende hasta el PMI, y, a su vez, se abre la válvula de admisión, haciendo pasar una mezcla de nafta y aire. Esto le da el nombre al tiempo, ADMISIÓN. Al llegar al PMI, su máximo volumen es alcanzado, y el primer tiempo es finalizado. SEGUNDO TIEMPO: El pistón comienza con su volumen máximo. En ese momento, el pistón comienza a descender, aumentando la presión dentro del habitáculo. Esto, le da el nombre de COMPRESIÓN a este tiempo. Al aumentar la presión, la temperatura aumenta, llegando hasta unos 700ºC. TERCER TIEMPO Por medio de un toque eléctrico, una bujía, crea una chispa dando como resultado, un aumento en la temperatura que es de 2000ºC.. Esto se produce, ya que la chispa hace explotar la mezcla. Gracias a esto, el pistón vuelve al PMI. Esto le da el nombre al tercer tiempo, que es EXPLOSIÓN. CUARTO TIEMPO: Para cuando el pistón llega de nuevo al PMI, se ha agotado la fuerza de la combustión y comienza el cuarto tiempo. En el cuarto tiempo, solamente resta expulsar los gases hacia el sistema de ESCAPE, que, justamente, es lo que le da nombre al tiempo. Los gases, se expulsan gracias a que el pistón asciende hacia el PMS y se abre la válvula de escape en la parte superior del cilindro. O Finalmente, podemos ver el gráfico que nos dejan los cuatro tiempos. Esquema de un ciclo Otto de 4 tiempos en un diagrama PV. El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico, pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo
E-A: admisión a presión constante A-B: compresión isotérmica B-C: Explosión o combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil C-D: fuerza, expansión adiabática. D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante. A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante. PARTES DE UN MOTOR
VENTAJAS E INCOVENIENTES DEL CICLO OTTO: Ventajas: Mayor rendimiento térmico con mayor potencia útil. Menor consumo de combustible (aproximadamente el 30% menos) Empleo de combustible más económico. Menor contaminación atmosférica. No existe peligro de incendio. Motor más robusto y apto para trabajos duros, con una mayor duración de uso. Menor costo de entretenimiento. Mayor rentabilidad. Inconvenientes: Mayor peso del motor. Necesitan soportes más fuertes. Elementos de suspensión de mayor capacidad. Costo más elevado del motor. Menor régimen de revoluciones. Motor más ruidoso y con mayores vibraciones. Reparaciones más costosas. Arranque más difícil. Requieren mayor calidad en los aceites de engrase. APLICACIONES Automóviles Motos Ciclomotores Camiones. Maquinaria de obres publicas, agrícola y ferrocarril.
Aviación (han sido sustituidos por turbinas potencia/peso)
PARAMETROS DE MAQUINAS Y MOTORES Los puntos muertos son los dos extremos de la carrera del pistón Punto Muerto Superior •
El punto muerto superior (PMS) se refiere a la posición que alcanza el pistón al final de una carrera ascendente, escape o compresión, en el cual no existe fuerza que actúe sobre él y sólo se encuentra moviéndose gracias a su inercia, en este instante ha finalizado su carrera ascendente y comienza su carrera descendente admisión o combustión.
En un motor de cuatro tiempos este punto marca el inicio de la fase de admisión o de expansión. Punto Muerto Inferior •
Es el punto más cercano al cigüeñal que alcanza el pistón en su movimiento alternativo dentro del cilindro. Antes de llegar a ese punto, el pistón reduce su velocidad, se para, e inicia un nuevo recorrido en sentido contrario en constante aceleración hasta que alcanza su velocidad lineal máxima
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En este punto el pistón está en la parte más baja de su recorrido.
Carrera(C) La longitud recorrida por el pistón desde el punto muerto superior hasta el inferior Diámetro o calibre (D): Diámetro interior del cilindro En función de la medida de la carrera y diámetro diremos que un motor es: D>C = Motor supercuadrado. D=C = Motor cuadrado. D
Potencia efectiva: Potencia desarrollada en el eje de salida del motor Pe= (M)(w) Pe= Potencia Efectiva en (J) M= Par motor en el eje del motor en Newton metro (N·m) w= Velocidad angular en radianes por segundo (rad/s) Potencia perdida o potencia pasiva Es función de los rozamientos entre las piezas del motor Pp= Pi - Pe
Cilindrada unitaria Vu Representa el volumen barrido por el pistón al pasar desde el PMS al PMI en un cilindro, es decir, es el volumen barrido en una carrera
Vu=
Volumen del cilindro en centímetro cúbicos
D = Diámetro del cilindro en metros L= Carrera del pistón
Cilindrada total Representa el volumen útil total de los cilindros del motor VT = volumen total del pistón N= numero de cilindros Vu= vol unitario Rendimiento indicado Representa la relación entre el trabajo realizado en el interior del cilindro y el calor aportado.
Rendimiento Efectivo: Representa la relación entre el trabajo realizado motor en su eje y el calor aportado
Rendimiento mecánico: Representa la relación entre el rendimiento efectivo y el indicado. Da una idea de las perdidas por rozamientos que
poseen la maquina Calor aportado al ciclo y calor útil transformado en trabajo El calor aportado al ciclo de calcula: Qap = G e Qap = calor aportado al ciclo G= gasto o consumo de combustible Qe= poder calorífico o calor de combustión
Combustibles Dosado Representa la proporción de aire necesaria para quemar un combustible determinado Para obtener una unidad de trabajo se necesita una masa de combustible denominada Consumo especifico de combustible Gpe que viene dado por la expresión Turbina de gas ¿ Qué es? Una turbina de gas es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas de gas son turbomáquinas térmicas. Una turbina de gas es una turbomáquina destinada a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas o en las de cogeneración, así como los campos aeronáuticos y marítimos. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante.
Tipos de turbina de gas Ciclo Abierto: •
Los productos de la combustión fluyen a través de la turbina junto con la corriente de aire.
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Para diluir los productos de la combustión hasta una temperatura que pueda resistir el rodete de la turbina (649-982) ºC, es necesario un elevado porcentaje de aire.
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Este diseño ofrece las ventajas de requerir un control simple.
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Puede diseñarse para altas relaciones peso / potencia y para drenaje sin agua de enfriamiento.
Ciclo Cerrado: •
Los productos de la combustión no pasan a través de las turbinas, sino por un intercambiador de calor.
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Los gases que atraviesan la turbina trabajan en circuito cerrado y sucesivamente se comprimen, calientan expansionan y enfrían.
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Las instalaciones cerradas permiten quemar cualquier tipo de combustible en el combustor. Sin embargo, se necesita un intercambiador de calor.
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Este tipo de instalaciones está limitado a turbinas estacionarias.
Partes Una turbina de gas consta básicamente de un compresor de aire, una cámara de combustión o combustor, la turbina y, para mejorar el rendimiento, un regenerador. •
El compresor: Está ubicado en la sección frontal de la turbina y es el elemento por el cual se introduce en forma forzada el aire desde el exterior. Esta pieza, por la disposición de sus aletas, permite que el flujo sea "aspirado" hacia el interior de la turbina. Es de flujo axial para grandes turbinas por su elevado rendimiento y capacidad. Para pequeñas turbinas se han usado con éxito compresores centrífugos.
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La cámara de combustión o combustor: Se fabrican de tipo cilíndrico (can type) o en forma de anillo ( annular type). Debe llevar el gas a temperatura uniforme con mínimas diferencias de presión. Generalmente se fabrican metálicos y se enfrían con el aire entrante, pero también se están construyendo de cerámica, para lograr una mayor eficiencia térmica. • Los regeneradores: Transmiten el calor de los gases de escape del aire de los compresores. Aumentan rendimiento pero también volumen, peso y costo. Debido a su gran tamaño, no son aconsejables para la industria aeronáutica. • Las turbinas son casi siempre de flujo axial (axial flow) , excepto algunas de pequeñas dimensiones que son de flujo radial (radial flow) dirigido hacia el centro. • La tobera del escape: Para favorecer el constante flujo del aire en el interior de la turbina y poder dirigir efectivamente el aire proveniente de su rueda, se utiliza un aditamento cónico. Esta tobera de escape aumenta considerablemente el empuje del motor. • Accesorios: También posee varios dispositivos auxiliares tales como filtros, dispositivos de regulación de velocidad, de lubricación, de alimentación, del combustor y de puesta en marcha. Estos dispositivos dependen de las características de velocidad y de la relación peso / potencia. Funcionamiento La mayoría de las turbinas de gas reales operan con ciclos abiertos, porque continuamente se debe alimentar aire nuevo al compresor. En un ciclo de una turbina de gas, se usa distinta maquinaria para los diversos procesos del ciclo. Inicialmente el aire se comprime adiabáticamente en un compresor rotatorio axial o centrífugo. Al final de este proceso, el aire entra a una cámara de combustión en la que el combustible se inyecta y se quema a presión constante. Los productos de la combustión se expanden después al pasar por una turbina, hasta que llegan a la presión de los alrededores. Un ciclo compuesto de estos tres pasos recibe el nombre de ciclo abierto Combustibles El gas natural (una forma primordial del metano) es el combustible ideal para las turbinas de gas. Los aceites ligeros destilados forman un combustible apropiado. Los combustibles con azufre, sal o vanadio pueden provocar corrosión a menos que sean lavados con agua y se traten las superficies con aditivos anti-corrosivos. También se ha utilizado carbón pulverizado pero no se han obtenido resultados satisfactorios.
Ventajas Sobre turbinas de vapor: • Instalaciones mas compactas • Menos dispositivos auxiliares • No necesitan condensador • No necesitan agua • Lubricación más simple • Fácil control • Cimientos ligeros • Escape limpio (no necesita chimenea) • Relación peso / potencia mas pequeña • No existen limitaciones impuestas por las características de las hélices Sobre motores de émbolo para aviación: • Empleo de Keroseno o destilados • Menor peligro de incendio • No existen fuerzas desequilibradas • Menos piezas en movimiento • Facilidad de instalación • Menor superficie frontal • Menor peso por H.P. • Problemas de refrigeración más simples Aplicaciones • Aviación militar. • Aviación comercial. • Tuberías para transmisión de gas. • Transporte en barcos, ferrocarriles, locomotoras de carga y trenes ligeros de pasajeros. • Aeromodelismo (aeromodelos a control remoto). • Generación eléctrica. Combustibles Mezclas reactivas La combustión es el proceso térmico de mayor interés práctico por su escala de utilización mundial, siendo a la vez muy fácil de realizar y muy difícil de estudiar. En este capítulo se describen los elementos fundamentales del proceso de combustión (combustibles, comburentes y productos de combustión), se estudia el balance de materia de las reacciones químicas de combustión (estequiometría) y el balance de energía y entropía en combustiones en régimen estacionario y a volumen constante. EL PROCESO DE COMBUSTIÓN Se define como la reacción química exotérmica auto mantenida por conducción de calor y difusión de especies. Sus aplicaciones se pueden resumir en: • calefacción de habitáculos (hogueras, estufas, calderas), • Producción de electricidad (centrales térmicas), • propulsión (motores alternativos, turbinas de vapor, turbinas de gas), • procesamiento de materiales (reducción de óxidos, fundición, cocción, secado), • Eliminación de residuos (incineración de basura), • Producción de frío (frigoríficos de absorción), • Control de incendios (barreras cortafuegos, materiales ignífugos), • Iluminación (hasta finales del siglo XIX era el único método de luz artificial). El proceso de combustión es el más importante en ingeniería porque todavía hoy, aunque tiende a disminuir (96 % en 1975, 90 % en 1985, 80% en 1995), la mayor parte de la producción mundial de energía se hace por combustión de petróleo, carbón y gas natural (combustibles fósiles). Además, no sólo es importante estudiar la combustión controlada de los recursos primarios usados en la producción de trabajo y calor, sino que también es preciso estudiar los procesos de combustión incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y luchar contra ellos; además, cada vez es más importante analizar El Proceso de Combustión 203 la combustión controlada de materiales de desecho (incineración), con el fin de minimizar la contaminación ambiental. La combustión (quemar algo) es un proceso tan fácil de realizar porque genera mucha entropía y por tanto su viabilidad (tendencia a reaccionar) es muy alta; mucha energía ordenada en los enlaces químicos pasa bruscamente a energía térmica (desordenada) de las partículas producidas. De hecho, el mundo que nos rodea está integrado por mezclas reactivas (p.ej. el mobiliario o la vestimenta y el oxígeno del aire ambiente) en equilibrio metaestable, y a veces basta con forzar localmente la reacción (chispa) para que se autopropague, normalmente formando un frente luminoso (llama). Sin embargo, el proceso de combustión es difícil de analizar por los siguientes motivos: es un proceso multidisciplinario (termoquímico-fluidodinámico) fuertemente acoplado, Los procesos de transporte de especies y calor (fenómenos de no equilibrio) son dominantes, La fuerte exotermicidad da lugar a altas temperaturas, enormes gradientes (llama), e importantes fuerzas de flotabilidad por dilatación diferencial, Los enormes gradientes espaciales y los cortos tiempos de residencia en ellos provocan estados de no equilibrio local (quimiluminiscencia, ionización). El carácter multidisciplinario del proceso de combustión demanda un amplio soporte de ciencias básicas: • la Termodinámica, que enseña si el proceso es viable y predice la composición final, La energía liberada y la temperatura alcanzada en el equilibrio; • La Cinética química, que trata de predecir el mecanismo detallado de la reacción, la velocidad de reacción, el por qué se producen radicales luminiscentes e ionizados, etc.;
• La Transmisión de calor y de masa, que enseña cómo se difunden la energía térmica y las especies; y • La Mecánica de fluidos, que, con los datos de las anteriores, enseña a establecer los balances de flujos apropiados para permitir, al menos teóricamente Combustibles Los combustibles más empleados son los combustibles fósiles: carbón, derivados del petróleo (gasolina, fuelóleo, gases licuados del petróleo (GLP) (C3-C5)) y gas natural (H2, C1, C2). En todos los casos, los componentes mayoritarios son C y H. Además, pueden tener cantidades variables de O, N, S, etc.
AIRE El comburente más habitual es el oxígeno del aire, aunque en aplicaciones especiales puede ser necesario emplear aire enriquecido o incluso oxígeno puro (más caro). Los productos mayoritarios de combustión son: • C → CO2 • H → H2O Para procesos de combustión incompleta: • C → CO • H → H2 (sólo si hay muy poco O2) Otros elementos: • N → N2 (a T↑: NO, NO2, N2O4, N2O5, … = NOx) • S → SO2 (→ SO3 → H2SO4, lluvia ácida) Estequiometria de los Procesos de Combustión 205
CICLO BRAYTON La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos, y el estudio de los ciclos de potencia es una parte interesante e importante de la termodinámica, y precisamente en este escrito trataremos la base para los motores de turbina de gas el Ciclo Brayton. Las idealizaciones y simplificaciones empleadas en los análisis de los ciclos de potencia, por lo común pueden resumirse del modo siguiente: 1.- El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto el fluido de trabajo no experimenta ninguna reducción de presión cuando fluye en tuberías o dispositivos como los intercambiadores de calor. 2.- Todos los procesos de compresión y expansión se dan en el modo de cuasiequilibrio. 3.- Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema están muy bien aisladas y la transferencia de calor por ellas es despreciable.
OBJETIVO DEL CICLO BRAYTON Y SUS APLICACIONES.
UN MOTOR DE TURBINA DE GAS DE CICLO ABIERTO.
UN MOTOR DE TURBINA DE GAS DE CICLO CERRADO.
CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO,
EFICIENCIA DEL CICLO.
EFECTO DE LAS EFICIENCIAS REALES DE LA TURBINA COMPRESOR.
RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN.
OBJETIVO DEL CICLO BRAYTON Y SUS APLICACIONES El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir energía en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica. Las dos principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica. Cuando se emplean en propulsión de aviones, la turbina de gas produce la potencia suficiente para accionar el compresor y a un pequeño generador que alimenta el equipo auxiliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de producir el empuje necesario para accionar la
aeronave. Las turbinas de gas también se utilizan como centrales estacionarias que producen energía eléctrica. El tiempo de arranque de la máquina ha sido reducido de las 4 horas requeridas de un sistema de propulsión típico a menos de 2 minutos para una turbina de gas. Muchos sistemas de propulsión marina modernos, utilizan turbinas de gas junto a motores diesel, debido al alto consumo de combustible de los motores de turbina de gas de ciclo simple. UN MOTOR DE TURBINA DE GAS DE CICLO ABIERTO El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor de temperatura elevada en el estado 1, donde se le agrega energía a un proceso de presión constante, hasta que alcanza la temperatura elevada del estado 2, Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansión isentrópica, produciendo cierta potencia. El fluido sale de la turbina al estado 3 y pasa a ser enfriado, en un proceso a presión constante, en el intercambiador de calor de temperatura baja, de donde sale al estado 4, listo para entrar al compresor. Ahí el fluido es comprimido isentrópicamente al estado 1 y el ciclo se repite. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN Un diagrama esquemático del arreglo físico de un ciclo de turbina de gas de dos etapas con inter enfriamiento, recalentamiento y regeneración se muestra en la figura: El gas entra a la primera etapa del compresor en el estado 1, se comprime de modo isentrópico hasta una presión intermedia P2 ; se enfría hasta una presión constante hasta el estado 3 (T3 = T1 ) y se comprime en la segunda etapa isentrópicamente hasta la presión final P4. En el estado 4 el gas entra al regenerador, donde se calienta hasta T5 a una presión constante. En un regenerador ideal, el gas saldrá del regenerador a la temperatura del escape de la turbina, es decir, T5 = T9. El proceso de adición de calor (o combustión) primario toma lugar entre los estados 5 y 6. Ya que el interenfriamiento disminuye la presión promedio a la cual se añade el calor, y el recalentamiento aumenta la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza,. Por tanto, en centrales eléctricas de turbina de gas, el interenfriamiento y recalentamiento se utilizan siempre en conjunción con la regeneración. EFICIENCIA DEL CICLO Se encuentra que la eficiencia de las máquinas de Brayton en ciclo cerrado dependen únicamente de la relación de presiones isentrópicas. Si se aumenta la presión de entrada a la turbina, también se incrementa la temperatura en dicha entrada. La temperatura de entrada a la turbina, con frecuencia, está limitada por las propiedades de los álabes, lo que corresponde a un límite superior práctico en la eficiencia del ciclo. La máquina de Brayton con ciclo cerrado (adición externa de calor) ha recibido una atención considerable para emplearla en sistemas nucleares y, más recientemente, en sistemas de energía solar a temperatura elevadas. Efecto de las eficiencias reales de la turbina y el compresor Naturalmente las turbinas y los compresores reales no son isentrópicos. Para los ciclos de aire estándar, la eficiencia de cada componente se incluye fácilmente en los análisis. El compresor y la turbina reales tienen misma presión de salida que los aparatos isentrópicos correspondientes (las eficiencias de la turbina y el compresor de Brayton generalmente se dan con respecto a los aparatos isentrópicos y no a los isotérmicos). Motor Rotatorio Descripción y elementos Consiste en un motor rotatorio de estructura muy simple en el cual se utilizan sistemas de engranajes giratorios dentro de una carcasa que sirve a la vez de cámara de explosión. Los elementos principales del motor son: • Carcasa que contiene a los engranajes de apoyo (P) y engranaje rotor (rotor). Así mismo esta carcasa forma una o dos huecos o cámaras laterales donde se lleva a cabo la explosión o combustión de los gases que impulsan al rotor.
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Una válvula (V) de entrada del aire comprimido por cada cámara de explosión, la cual cerrara cuando se produzca la explosión y durante el tiempo que haya alta presión en la cámara. • Inyector/es de combustible. • Calentadores y/o bujías para facilitar la combustión o explosión de los gases combustibles. • Además de la boca/s de entra del aire comprimido, la carcasa tiene salida/s o escape (S) de los gases de combustión. Funcionamiento. Este motor de rotación puede funcionar como motor de explosión o de combustión dependiendo de la presión a que se sometan el aire comprimido de entrada, del combustible aplicado, etc. El funcionamiento, por ejemplo para la combustión, es el siguiente: • El aire comprimido impulsa y abre la válvula de entrada (V) y comienza de llenar la cámara de combustión. Cuando la cámara esta llena de aire (o durante su llenado) se inyecta el combustible que se mezcla con el aire y se produce la combustión (si es necesario ayudado por calentadores o bujías). • La combustión de los gases produce una gran presión dentro de la cámara que cierra las válvulas de combustible e inyector y dicha presión hace girar el rotor. • Cuando el giro del rotor expulsa los gases y baja la presion en la cámara se vuelve a abrir la válvula de entre de aire comprimido y se repite el ciclo. • Como se puede ver, son solo un ajuste mecánico adecuado, se puede conseguir que el motor gire automáticamente (tipo turbina) y ser manejado en su giro solamente con la aportación de la cantidad adecuada de combustible. • La situación del inyector de combustible y los calentadores o bujías y su posible coordinación con el giro motor depende del tipo de encendido y presión que utilicemos. • Otra consideración a tomar en cuenta es la sincronización adecuada de la apertura del inyector que puede ser regulada con el giro del rotor. • En resumen, en el mismo volumen (cilindro) se efectúan sucesivamente 4 diferentes trabajos - admisión, compresión, combustión y escape. En un motor rotatorio se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque. Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones. Ventajas : • Menos piezas móviles: el motor rotatorio tiene menos piezas móviles que un motor alternativo de 4 tiempos. • Tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez esta formado por segmentos y regletas), árbol motriz y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). • Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido, en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido un pistón. Están equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir cualquier vibración. Se produce una combustión cada 120º del rotor y 360º del eje. • Menor velocidad de rotación: dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje y al tocar el freno, las piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentando la fiabilidad. • Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy pequeñas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones, ni movimiento), solo se producen pequeñas vibraciones en la excéntrica. • Menor peso: debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600 cc o 700 cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo. • Emisiones: es más complicado (aunque no imposible) ajustarse a las normas de emisiones contaminantes, ya que trabaja igual que un motor de 2 tiempos, consumiendo aire, combustible y aceite. • Costos de mantenimiento: al no estar tan difundido, su mantenimiento resulta costoso. • Consumo: la eficiencia termodinámica (relación consumo-potencia) se ve reducida por la • Difícil estanqueidad: resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del rotor, que deben ser estancas unas de otras para un buen funcionamiento. Además se hace necesario cambiar el sistema de estanqueidad cada 6 años aproximadamente, por su fuerte desgaste. • Sincronización: la sincronización de los distintos componentes del motor debe ser muy buena para evitar que la explosión de la mezcla se inicie antes de que el pistón rotativo se encuentre en la posición adecuada. Si esto no ocurre, la ignición empujará en sentido contrario al deseado, pudiendo dañar el motor. • Mantenimiento: Las pastillas de freno deben ser reemplazadas regularmente debido al constante rozamiento de los vértices del rotor con el freno.
