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Mecánica de Fluidos y Termodinámica
Unidad VIII
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
1.
INTRODUCCIÓN En la sociedad hay gran demanda de energía, demanda que no deja de crecer, debido al aumento de la industrialización. La llamada "energía primaria”, que se encuentra en la naturaleza no es utilizable directamente. La sociedad pide que la energía tenga la forma deseada, en el sitio donde se necesita y de preferencia al menor costo. Las formas de energía primaria, tal como existen en la naturaleza, solo pueden ser utilizadas después de haber sido puestas en las condiciones deseadas, por medio de una o más transformaciones. Tales formas intermedias de energía se llaman "energías de alto valor". Es importante que estas formas de energía de alto valor tengan que producirse en enormes cantidades y a precios muy moderados, lo cual exige mucho a los procesos de transformación, tanto desde el punto de vista constructivo como económico. Así el hombre necesita energía en casa para los aparatos domésticos y el alumbrado. Esta energía se produce, p.e. en una central térmica por transformación de combustibles. Uno de los objetivos importantes es convertir la energía de una forma a otra: energía química de un combustible en calor mediante un proceso de combustión, energía calorífica en energía eléctrica en una central térmica, turbina de gas, máquinas de combustión interna, etc. También debe tenerse en cuenta los efectos ambientales asociados con la generación de potencia; el costo del equipo de control de POLUCION se está convirtiendo en un factor principal cuando se trata de aplicación automotriz, aeronáutica, etc. En algunos casos, las consideraciones ambientales influyen sobre las alternativas de selección del combustible: gasolina o gas natural en lugar de carbón en una central térmica; gas natural en lugar de gasolina en casas y departamentos, y a largo plazo, combustible nuclear con la ventaja de ofrecer la mínima polución del aire. Un aspecto fundamental que con frecuencia se pasa por alto en las consideraciones ambientales es que la cantidad de polución, en la mayoría de los
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sistemas de generación de potencia, es directamente proporcional a la cantidad de combustible consumido, la cual a su vez, se relaciona con la eficiencia de la conversión de la energía. A mayor eficiencia más bajo es el consumo de combustible y, por lo tanto, menor la cantidad de Polución. El significado de esto es que, un análisis termodinámico o un diseño que mejore la eficiencia, ayuda a minimizar también los efectos colaterales negativos. 2.
EL CICLO DE CARNOT Considere dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. El diagrama p-v del ciclo es: 1→ 2→ 3→ 4→
2: 3: 4: 1:
Compresión isotérmica Compresión adiabática Expansión isotérmica Expansión adiabática
T
p
v
s
El rendimiento térmico del ciclo es:
ηth =1 -
Qev T Q = 1 - 21 = 1 - s Qs Q34 Tf
Ejercicio 1 Un ciclo de Carnot trabaja entre las temperaturas de 20°C y 2000°C. Si la máquina genera 100 Kw de potencia, determinar: a) La cantidad de calor suministrado. b) El calor evacuado por la máquina. c) El rendimiento térmico. Rpta.: Qs = 114,79 Kw, Qev = 14,79
Kw, η = 87,11 %
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Ejercicio 2 Una máquina de Carnot utiliza un sistema cilindro - pistón, como se muestra en la figura, que contiene una masa de aire de 100 gramos. El pistón tiene un diámetro de 100 mm y se desplaza una distancia de 115 mm siendo la mínima distancia entre el fondo del cilindro y el pistón de 6.5 mm. El calor se suministra cuando el pistón está en la posición (3) y se evacua cuando el pistón se encuentra en la posición (1). Si la temperatura de la fuente es de 650°C y la temperatura del sumidero es 25°C, determinar: a) La eficiencia de la máquina (%). b) El trabajo neto, (J). c) El calor suministrado, (J). d) El calor evacuado, (J).
QEVAC
QSUM
Wksal WkENT (3)
(1)
(4)
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(2)
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3.
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EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Es aquella máquina que transforma la energía calorífica de un combustible en energía mecánica mediante la aplicación de un ciclo termodinámico. El concepto de combustión interna se debe a que estas máquinas hacen combustionar al carburante (combustible) dentro de la máquina, es decir, la cámara de combustión se encuentra al interior del motor. PARTES Hoy en día existen muchos diseños de motores con diversos componentes pero en general pueden dividirse en: Conjunto Fijo a) b) c) d)
Culata Monoblock Carter Múltiples de admisión y escape
Conjunto Motriz Conjunto que transmite la potencia generada en el motor y esta conformado por: a) Cigüeñal b) Biela c) Pistón Sistema De Distribución Conjunto que sincroniza al abertura y cierre de las válvulas de admisión y escape y está conformado por: a) b) c) d) e)
Eje de levas. Varilla de empuje. Balancín. Válvula. Elemento de sincronización (faja, cadena o engranajes)
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EL MONOBLOCK ORIFICIO DE
CILIN
AGUA
BOMBA DE AGUA
BOMBA GASOLINA DISTRIBUIDOR
TUNEL DE BANCADA BRIDA DE AGUA
Sistemas Auxiliares Son aquellos que optimizan el funcionamiento del motor y son: a) Sistema de encendido (OTTO). b) Sistema de Inyección (OTTO y DIESEL). c) Sistemas de refrigeración. d) Sistema lubricación. e) Sistema de carburación (OTTO).
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LA CULATA
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BALAN
PERNO REGULADOR
EJE DE BALANCINES
VALVULA
MULTIPLE DE ADMISION Y ESCAPE
BRIDA DE AGUA
SISTEMA MOVIL TALADROS DE EQUILIBRADO MUÑON DE BANCADA BRAZO DEL CIGUEÑAL MUÑON DE APOYO PERNOS DE VOLANTE
ORIFICIO DE LUBRICACIO
MUÑON DE BIELA
EL CIGUEÑAL
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ORIFICIOS DE LUBRICACION
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SISTEMAS DE DISTRIBUCION balancin
Varilla de empuje
válvula
Eje de levas
ESQUEMA BASICO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE INYECCION - OTTO
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batería
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SISTEMA DE ENCENDIDO Batería de bujías
Chapa de Chapa de encendido encendido
condensador
distribuidor bobina
distribuidor
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DEPOSITO DE RESERVA
TERMOSTAT
VENTILADOR RADIADO R
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INDICADOR DE TEMPERATURA CALEFACCIO
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SISTEMA DE CARBURACION
1. Cuerpo 2. Entrada de aire 3. Entrada de combustible 4. Deposito de combustible 5. Tubo venturi
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4.
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CICLOS DE COMBUSTIÓN INTERNA CICLO OTTO CICLO DE 4 TIEMPOS 0-1 ADMISIÓN
(Isobárico)
1–2 COMPRESIÓN
(adiabático)
2-3-4 EXPLOSIÓN - EXPANSIÓN
(2-3 isométrico y 3-4 adiabático)
4-1-0 ESCAPE
(4-1 isométrico y 1-0 isobárico)
Para efectos prácticos: Puesto que 0-1 y 1-0 no hacen ciclo, se considera solo el ciclo: 1-2 compresión Q1-2 = 0 W1-2 (k =1,4)
P 3
2-3 explosión W2-3 = 0 Q2-3 = Cv (T3 – T2) 3-4 expansión W3-4 = (k =1,4) Q3-4 = 0
2 4
4-1 escape y admisión W4-1 = 0 Q4-1 = Cv (T1 – T4)
0
1
V
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CICLOS DE FUNCIONAMIENTO
1 2. COMRESION 3. EXPLOSION 4. ESCAPE
5.
CICLO DIESEL - CICLO DE 4 TIEMPOS 0-1 ADMISIÓN.
(Isobárico)
1–2 COMPRESIÓN
(Adiabático)
2-3-4 EXPLOSIÓN - EXPANSIÓN
(2-3 isobárico y 3-4 adiabático)
4-1-0 ESCAPE
(4-1 isométrico y 1-0 isobárico)
Para efectos prácticos: Puesto que 0-1 y 1-0 no hacen ciclo, se considera solo el ciclo : 1-2 compresión Q1-2 = 0 W1-2 (k =1,4)
P 2
3
2-3 explosión W2-3 (k = 1) Q2-3 = Cp (T3 – T2) 3-4 expansión W3-4 = (k =1,4) Q3-4 = 0 4-1 escape y admisión W4-1 = 0 Q4-1 = Cv (T1 – T4)
2"
0
4
1
V
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ADMISION
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EXPLOSION
COMPRESION
ORDEN DE ENCENDIDO
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ESCAPE
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CALCULO DE LA CILINDRADA DEL MOTOR
6.
CICLO JOULE – BRAYTON La importancia del Ciclo Joule – Brayton radica en que es el ciclo teórico que rige el funcionamiento de las turbinas de gas, ya sea que funcionen con ciclo cerrado o abierto. La tecnología de la turbina de gas ha sido perfeccionadamente aceleradamente, fundamentalmente por las contribuciones de la industria aeronáutica, haciendo cada vez mayor y más ventajosa su utilización en las plantas estacionarias, de potencia, propulsión de aeronaves, estaciones de bombeo y de compresión de gases. La turbina de gas es una máquina térmica de combustión interna, compacta y de relativo bajo costo aunque sus consumos específicos de combustible son, en términos generales algo mayores que los que corresponden a las plantas de vapor. La sustancia de trabajo para el ciclo Joule – Brayton se comporta como un gas ideal, siendo por lo tanto su entalpía y su energía interna funcione únicamente de su temperatura absoluta o termodinámica. El ciclo está constituido, como se muestra en la figura 1, por dos procesos a presión constante y dos procesos adiabáticos siendo ambos reversibles.
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PROCESOS 1 – 2: El gas es comprimido adiabática y reversiblemente, esto es a entropía constante, en el compresor. 2 – 3: Calentamiento a presión constante hasta alcanzar la temperatura T3, temperatura máxima del ciclo. Durante este proceso se transfiere el calor qa. 3 – 4: El gas se expande adiabática y reversiblemente, esto es, isoentrópicamente desde la presión del calentador hasta la presión del enfriador. 4 – 1: Enfriamiento a presión constante hasta alcanzar la temperatura T1, temperatura mínima del ciclo. Durante este proceso se transfiere el calor qr.
qa
compresor
calentador turbina
Wc
Wt enfriador
qr
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p
T 2
3
3
c p=
te.
2 pv
k
p=
. ct e
4
4
1
1 v
s
h
3 p=
c te
.
2
p=
c te
.
4
1 s
ANÁLISIS ENERGÉTICO Compresor Proceso 1 – 2 . isoentrópico.
q1-2 = w1-2 + h2 - h1 como el proceso es adiabático q 1-2 = 0 w 1-2 = h1 - h2 ,
como h2 > h1
wc = w1-2 = h2 - h1 , también : wc = Cp (T2 - T1 ) Este trabajo está comprendido por el area entre la curva del proceso 1-2 en el plano p – v, y el eje v.
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Calentador Proceso 2 – 3: isobárico q 2-3 = w2-3 + h3 - h2 w2-3 = 0 (por ser la presión constante) q2-3 = h3 - h2
qa = Cp (T3 - T2 ) El calor q2 − 3 , transferido durante este proceso constituye todo el calor aportado a la sustancia. Este calor qa, está representado por el área entre el proceso 2-3 y el eje s.
Turbina W t = Cp ( T3 – T4)
El trabajo de la turbina está representado por el área entre el proceso 3 – 4 y el eje p. En este proceso por ser isoentrópico:
T3 P3 =( T4 P4
)
k −1 / k
v4 = v3
k −1
teniendo en cuenta que p3 = p2 y p4 = p1 y llamando π a la relación
p2 p1
T3 k −1 / k = (π ) T4 Luego : T2 T3 = T1 T 4
Es decir que la relación de temperaturas en la turbina es igual a la relación de temperaturas en el compresor.
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Enfriador: Proceso 4 – 1: Isobárico
qb = Cp ( T4 – T1)
Eficiencia
η =1-
qb qa
η= 1-
T4 - T1 T3 - T2
considerando que :
η= 1-
7.
T2 T3 = T1 T4
T1 T2
PROBLEMAS PROPUESTOS 1. Determinar la eficiencia, el trabajo neto y la relación de trabajos correspondientes a un ciclo Joule – Brayton para el que el aire que ingresa al compresor a 100 kPa y 27 °C, la relación de presiones en el compresor es de 7, y la temperatura máxima del ciclo de 90 °C. Rpta. η = 42,65 % , wn = 281 kJ/kg ; relación de trabajo : 55,6 % 2. Para una planta que funciona de acuerdo al ciclo Joule – Brayton se dispone de los siguientes datos: Temperatura al ingreso al compresor: 27 °C y 2 bar de presión, la temperatura máxima: 2468 K. Relación aire combustible: 20 kg aire/ kg comb. Poder calorífico del combustible: 40 000 kJ/kg. Determinar:
• •
Trabajo neto. Eficiencia.
(739,4 kJ/kg) ( 36,97 % )
3. El helio ingresa al compresor de una planta de ciclo Joule – Brayton a 17 °C y 50 kPa, a la salida del compresor la presión es de 400 kPa. Determinar: 117
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• •
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El flujo de helio al ingreso del compresor en kg/min. (175 kg/min) La potencia de compresión si la potencia de la planta es de 2 MW. ( 5 700 kW)
4. Considere una turbina a gas que funciona con aire, el cual ingresa al compresor a 1 bar y 27 °C, e ingresa a la turbina a 5 bar y 913 °C. Suponga que la eficiencia del compresor es de 85% y la de la turbina 90%. Se pide:
• • • • •
Trazar los diagramas p-v y T-s del ciclo. Determinar p, v, y T para cada uno de los estados del ciclo. Determinar los trabajos del compresor y de la turbina. Determinar la eficiencia del ciclo. Determinar la relación de trabajos.
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