Análisis de maquinas térmicas de combustión interna y externa,

ASIGNATURA

Máquinas Térmicas

Profesor: M.C. Alfredo Montés Monsivais

Alumno: Thelian Eduardo López Torres

INTRODUCCIÓN

Con esta comparativa de los motores térmicos mas utilizados se espera obtener un mejor

entendimiento acerca del comportamiento termodinámico de los mismos, al comparar las

variables que mas influyen en su operación y por lo tanto ver de qué forma podemos alterar

su rendimiento, así mismo se determinaran puntos comunes en sus ciclos termodinámicos

así como sus diferencias.

ANTECEDENTES.

Las primeras maquinas térmicas son muy antiguas, datan desde que el hombre aprendió a

controlar el fuego o el calor del sol, como fuente de energía para realizar un trabajo, los

motores térmicos se han ido perfeccionando desde entonces, con la llegada del motor de

combustión interna se abrieron nuevas posibilidades a los vehículos autopropulsados, los

cuales impulsaron el desarrollo de estos motores para lograr una mayor autonomía, mejor

eficiencia, potencia y ahorro de combustible, pero se dejaba del lado el aspecto ambiental,

ya que en ese entonces había poca o ninguna preocupación por las emisiones producidas

por los mismos y se adicionaba plomo a los combustibles para evitar explosiones ocurridas

a destiempo lo que generaba un cascabeleo en el motor y por lo tanto disminuya la

eficiencia, en la época de los 80 y 90 con la llegada de la cultura ambiental, se busca

eliminar el plomo de las gasolinas usadas en estos motores por lo que se buscaron nuevas

tecnologías para aumentar la eficiencia de los mismos y reducir sus emisiones

contaminantes, algunos de estos cambios fueron: el motor Wankel, el aumento de octanaje

de los combustibles y convertidores catalíticos, etc.

Los motores se utilizan para realizar un trabajo mecánico, siendo muy variado el rango de

aplicaciones, se los puede ver accionando: maquinaria agrícola (tractores, cosechadoras),

propulsión ferroviaria, propulsión marina, automóviles, grupos generadores de energía

eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia), accionamiento industrial (bombas,

compresores, etc. especialmente de emergencia), bombas de superficie, generadores,

vehículos en general, compresores, etc.

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En cuanto a la energía obtenida del vapor también es muy antigua, Heron de Alejandría en

el año 175 a.c. construyo un dispositivo transformaba la presión de una corriente de vapor

en movimiento, pero no realizaba ningún trabajo practico, aunque se considera la primera

turbina de acción de la que se tiene un registro histórico, posteriormente llegaron las

calderas que producían vapor de agua para mover pistones y bielas, que convertían el flujo

de vapor en trabajo mecánico, este fue el predecesor de las locomotoras y las primeras

turbinas de vapor como las conocemos hoy en día fueron desarrolladas por De Laval en

1883( primera turbina de acción) y Parsons 1884 (primera turbina de reacción), y casi desde

ese momento se observaron las ventajas de su uso en la generación de energía eléctrica,

desde entonces se han desarrollado continuamente para obtener cada vez mayor potencia.

Todos estos dispositivos pertenecen a la familia de las maquinas que usan energía térmica

para realizar un trabajo y se dividen en dos grandes grupos como se observa en la figura 1

Figura 1 Clasificación de los motores que usan energía térmica

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OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN

Determinar las diferencias y similitudes en los principios de funcionamiento, elementos,

variables de operación y curvas características de los siguientes dispositivos:

Motor alternativo de combustión interna

Motor Wankel

Motor de autopropulsión

Motor Stirling

Turbina de Gas

Turbina de vapor

Motor alternativo de combustión internaEste tipo de motores es el de más amplio uso, predominantemente en la industria

automotriz, se pueden clasificar de acuerdo al tipo de combustible que utilizan, por el

sistema de enfriamiento, por la forma en la que desarrolla un ciclo completo, por el arreglo

de las válvulas, por la disposición de los cilindros, por la compresión, por el encendido, por

la velocidad de giro y por el tipo de pistón.

Por el tipo de combustibleSe clasifican en motores de gasolina, diesel, de queroseno y de gas,

Por la compresiónMotores de baja compresión (queroseno 1:5); de media compresión (gasolina1:8); alta

compresión (Diesel 1:16).

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Por el tipo de cicloCiclo de gasolina de dos tiempos, ciclo diesel de dos tiempos, ciclo de gasolina de 4

tiempos, ciclo diesel de 4 tiempos,

Por la configuración de las válvulasEl arreglo puede ser de válvulas a la culata, al block o mixtos.

Por la colocación de los cilindrosLínea vertical, en línea y oblicuos, en “V” y cilindros opuestos.

Por el tipo de combustibleSe clasifican en motores de gasolina, diesel, de queroseno y de gas,

Principio de funcionamiento de un motor alternativo de combustión

interna MCI

El motor de combustión interna funciona con base a los siguientes principios:

Primera ley de la termodinámica: de acuerdo con esta Ley, el motor de combustión

interna convierte la energía calorífica producida en la explosión de la mezcla aire

combustible, en energía mecánica.

Segunda Ley de la Termodinámica: El motor sólo puede convertir una parte del calor en

esfuerzo mecánico útil, las restantes partes se disipan en otras formas no aprovechables de

energía, este fenómeno se conoce como “eficiencia térmica del motor”.

Ley combinada de Boyle-Charles: Esta Ley considera que la combustión debe realizarse en

condiciones de alta presión para que la energía liberada en la explosión produzca

fuerza expansiva suficiente y este proceso tenga mayor eficiencia.

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Sin importar que sean de dos tiempos o 4 presentan una estructura elemental constituida

por: cilindro, pistón o embolo, biela, cigüeñal, volante, cárter, válvulas de admisión y

escape, múltiples de admisión y escape, tal como se ilustra en la figura 2.

LOS MCI funcionan gracias al movimiento de rotación del cigüeñal, el cual es originado

por el movimiento rectilíneo hacia abajo y arriba del pistón dentro del cilindro denominado

carrera, que hace girar el cigüeñal por medio de las bielas; durante estas carreras se

suceden una serie de “Ciclos” (admisión, comprensión, fuerza y escape) estos ciclos

pueden llevarse a cabo en cuatro carreras del pistón, (motor de 4 tiempos); o en dos

carreras de pistón (motores de 2 tiempos). Estos elementos son comunes en los MCI de

gasolina o DIESEL. Las diferencias principales entre estos serian:

MCI gasolina

Compresión 1:8

Relación A/C 13.8:1

Encendido: chispa bujía

Ciclo termodinámico: Otto

MCI DIESEL

Compresión 1:16

Relación A/C 14.5:1

Encendido: calor por compresión

Ciclo termodinámico: Diesel

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Figura 2 Esquema básico de un motor alternativo de combustión interna.

Curvas características y ciclos termodinámicos de un MCI alternativoEl ciclo Diesel ideal se distingue del Otto ideal en la fase de combustión, que en el ciclo

Otto se supone a volumen constante y en el Diesel a presión constante. Por ello el

rendimiento es diferente. Fig. 3 y 4

Fig. 3 y 4 diagramas de estado PV para el ciclo Otto y para el ciclo Diesel respectivamente.

Curvas características:

Los índices principales del MCI son muy similares en todos los motores y varían poco

dependiendo de las características de cada motor incluido el Wankel, estas curvas no son

constantes para todo su rango de trabajo. En la figura 5 se muestra como cambian el

consumo de combustible, el torque y la potencia producida de acuerdo a la velocidad de

giro del cigüeñal en RPM.

El eje horizontal representa el crecimiento de la velocidad de rotación, mientras que el

vertical, el crecimiento de la potencia, par motor o torque y el consumo específico de

combustible.

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Potencia

La potencia en el motor de combustión interna crece todo el tiempo con el aumento de la

velocidad de rotación, hasta un máximo en el valor de la velocidad nominal, a partir de la

cual comienza a decrecer drásticamente, especialmente en el motor Diesel.

Par motor

Los motores de combustión interna tienen muy bajo torque a bajas y altas velocidades de

rotación, según se muestra en la curva azul del gráfico.

Los valores altos del par motor se obtienen a las velocidades medias, en forma general este

punto de par máximo (Torque) difiere de la siguiente manera:

1.- Los motores de gasolina tienen el par motor máximo en un valor más bajo del rango de

trabajo que los motores Diesel.

2.- Para el motor de gasolina, el punto de par máximo será más bajo a medida que aumente

la carrera del pistón.

3.- Los motores Diesel de inyección directa, tienen el punto de par máximo a más alta

velocidad de rotación.

Figura 5. El rendimiento ideal se obtiene a velocidades medias

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Motor WankelInventado por el Dr. alemán Félix Wankel en 1924, este motor que lleva su nombre

también es un MCI pero como no contiene pistones ni válvulas, igualmente se le conoce

como motor rotativo, comparte el mismo ciclo termodinámico de cuatro tiempos que los

motores de gasolina y Diesel admisión, compresión, explosión y expulsión de los gases de

combustión, pero 3 de estos tiempos ocurren simultáneamente en cada una de los tres

espacios formados por el rotor mientras gira dentro de la cámara de combustión.

Actualmente Mazda es la dueña de las patentes y la única empresa en desarrollar vehículos

con este tipo de motor.

Ventajas:

1- Menos piezas móviles, y por tanto, mayor fiabilidad

2- Dimensiones y peso menores a los de un MCI tradicional.

3- Suavidad de marcha: todos los componentes giran en el mismo sentido, cada etapa de

combustión dura 90º de rotor, cada vuelta de rotor son tres del eje, la combustión dura 270º

frente a los 180º de los motores de pistón, lo que hace que la potencia se desarrolle de

forma más progresiva.

4- Elevado número de revoluciones pero menor velocidad de rotación

5- Menos vibraciones: al no haber bielas, ni volante de inercia ni recorrido de los pistones,

las inercias son menores

6.- Mayor potencia que un MCI de la misma capacidad.

Inconvenientes:

1- Mayor nivel de emisiones contaminantes ya que es inevitable la quema de cierta cantidad

de aceite en su operación, lo que finalmente ha causado que vaya a ser descontinuado.

2- Consumen más combustible que un motor alternativo.

3- Sustitución de sellos cada seis-siete años para evitar fugas.

4- Mantenimiento es más costoso.

5- La sincronización de los distintos elementos debe ser muy buena para evitar explosiones

a destiempo que pueden dañar el motor.

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6- Requieren mayor refrigeración que los MCI

Componentes básicos motor Wankel:En la figura 6 se observa que los componentes del motor son más simples y que todas las

partes móviles giran en el mismo sentido del eje excéntrico eliminando vibraciones.

Figura 6 Esquema básico de un motor Wankel

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Figura 7 En este diagrama se observa que en la imagen central ocurren 3 etapas simultáneamente, que se van

alternando conforme gira el rotor.

Curvas de operación

Al poder ser de tipo Otto o Diesel, el diagrama de estado es básicamente el mismo

dependiendo de que combustible sea el que se utilice, y las curvas características son

también muy parecidas con la diferencia que se logra una mayor potencia, y un par motor

mas estable desde el principio debido a que la fuerza del rotor actúa en el mismo sentido

del cigüeñal. Figura 8.

Figura 8 al igual que los MCI el mayor rendimiento se logra a velocidades medias.

Motor de autopropulsión

Son los motores que usan la propulsión sostenida a reacción, la del cohete en particular, y

se logra mediante la propulsión a chorro que es la expulsión a alta velocidad de una cierta

cantidad de masa por unidad de tiempo en una determinada dirección y sentido. Álvarez, et

al, 2002, Se les llama de autopropulsión debido a que son autónomos, ya que no necesitan

de la atmósfera puesto que el comburente y la fuente de masa son internos, siendo el único

modo viable hasta el momento para poder viajar por el espacio interplanetario, pero es justo

este método de funcionamiento lo que limita el máximo recorrido que pueden alcanzar.

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El diagrama de funcionamiento básico se puede observar en la figura 9.

Figura 9 Esquema de funcionamiento básico del motor cohete.

Carga útil. Es la carga que se precisa transportar, incluyendo la propia estructura del cohete.

La masa debe ser transformada en energía cinética, (gases eyectados) y para esta

conversión se precisa de una fuente de energía. Si es externa se usara un captador como los

paneles solares, o si la fuente es de energía interna será el combustible.

El convertidor hace posible pasar de un tipo de energía a otro, como por ejemplo energía

química a térmica, el radiador es necesario si el ciclo del fluido motor es cerrado.

El propulsante es la masa a eyectar, puede ser solidó liquido o gaseoso.

El sistema de aceleración logra que la masa sea expulsada a la máxima velocidad posible

por medio de una tobera conectada a la cámara de combustión del convertidor.

Este tipo de motores puede clasificarse en dos grandes grupos los autónomos y los

aerorreactores o no autónomos. También por el tipo de propulsión, la clase de combustible,

esquema de diseño y proceso de funcionamiento. Ver tabla 1

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Tabla 1 Clasificación según el tipo de propulsión y sus aplicaciones.

Variables de operación

La principal es el empuje y el coeficiente de empuje

El empuje es la clave fundamental para su rendimiento, y es generada por la masa eyectada

fluyendo a través de la tobera a una alta velocidad, la expresión para calcular la fuerza del

empuje esta dada por: donde:

m es el flujo de la masa de los productos de escape, Ve es la velocidad de escape, Pe es

presión de escape Pa es presión atmosférica y Ae es el área de la salida de la tobera,

El segundo término de la ecuación es básicamente la integral de las fuerzas de presión

resultante que actúan en la cámara de combustión y en la tobera, proyectada a un plano

normal al eje de simetría de la tobera, como se observa en la figura 10

Figura 10 como los gases de combustión solo pueden ser expulsados en dirección de la

tobera, se obtiene una fuerza resultante que empuja el cohete en la dirección contraria.

Presión de cámara, si se duplica la presión dentro de la cámara también aumentara el

empuje resultante y el impulso especifico del propelente ver fig. 11., pero esto implica

hacer las paredes mas gruesas y resistentes, lo que aumenta la carga.

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Figura 11. a mayor presión mayor es la duración del impulso específico ideal.

Fricción, debido a las altas velocidades alcanzadas la fricción es un importante variable a

considerar, a velocidades supersónicas la forma aerodinámica debe ser diseñada

perfectamente, de lo contrario se corre el riesgo de que se arruine el cohete.

Curvas de rendimiento

Los motores cohete tienen muy baja eficiencia en relación a la cantidad de combustible que

utilizan como se observa en la figura 12 los motores de hélice alcanzan un mejor

rendimiento hasta una velocidad limite, mas allá de esta comenzara a decaer rápidamente.

Figura 12 Comparación de rendimiento entre varios tipos de motores autopropulsados

Motor Stirling

Se define maquina Stirling como aquel dispositivo que convierte calor en trabajo, o

viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y expansión

cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco

caliente y la del foco frío.

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En el motor Stirling un gas esta confinado en una cámara cerrada, no sale al ambiente. El

gas se desplaza de un extremo a otro de la cámara, cuando está en un extremo, una fuente

de calor externa lo calienta; esto hace que se expanda y así se produce la fuerza del motor.

Una vez que alcanza su máxima expansión, el gas se traslada al otro extremo de la cámara,

donde se enfría, lo que provoca que se comprima. Después se lleva nuevamente al extremo

caliente para iniciar un nuevo ciclo. Un tambor desplazador mueve el gas entre los dos

extremos de la cámara y otro dispositivo, el pistón de potencia, aprovecha la expansión para

producir la fuerza del motor.

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Figura 13 Esquema ideal de una maquina Stirling isotérmica

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Ciclo termodinámico Stirling

Se le llama así cuando la evolución del fluido a través del regenerador se realiza a volumen

constante, Ericsson si se produce a presión CTE. Y si es mixto como ciclo Rallis que es una

combinación de ambos.

El ciclo termodinámico Stirling comienza en A, en el punto 1. En B, el fluido de trabajo se

comprime de 1 a 2 y se enfría por radiación. En C, el fluido se calienta de 2 a 3, aumenta la

presión y el pistón comienza a entregar trabajo mecánico. En D, el fluido se expande de 3 a

4 y el desplazador lo traslada al espacio frío. En E, el fluido se enfría de 4 a 1 y la presión

disminuye. El área rayada en el diagrama PV representa el trabajo W entregado en cada

revolución del motor.

Figura 14 Evolución PV de un ciclo Stirling

Figura 15 Evolución de los volúmenes de las cámaras caliente y fría durante la realización del ciclo.

La variable de operación más importante en relación al motor Stirling es la relación de

compresión, esta no debe ser nunca igual a 1 debido a que el trabajo tiende a hacerse

infinito. Por lo que se necesitaría de volúmenes infinitos lo cual es físicamente imposible.

Aun así estos motores son los mas eficientes de los motores térmicos. Ver figura 16

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Figura 16 curvas de Rendimiento en relación a la compresión.

Turbina de Gas

Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de flujo continuo que se caracteriza por

presentar una baja relación peso- potencia y una velocidad de giro muy elevada de hasta

40000 rpm. A la que se le puede acoplar cualquier tipo de carga.

Esta conformada por dos unidades principales el generador de gases y la unidad generadora

de potencia.

Principio de funcionamiento

Este puede ser de dos tipos dependiendo del ciclo termodinámico, aportación de calor a

presión constante (ciclo Brayton) o aportación de calor a volumen constante (ciclo

Holzward). El cual esta prácticamente en desuso debido a que presenta varios

inconvenientes el más importante es que la generación de energía no es continúa por lo que

se presentan pulsaciones y vibraciones. Por lo que nos centraremos en el ciclo Brayton.

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Estas pueden ser de ciclo abierto o cerrado, como se observa en las figuras 17 y 18

Figuras 17 y 18 ciclo abierto y cerrado respectivamente.

En la actualidad las turbinas de gas se usan ampliamente en conjunto con otro ciclo para

poder mejorar su rendimiento, que es muy bajo alrededor del 25%

Ciclos termodinámicos y curvas de operación

En la figura 19 y 20 se observan los diagramas de estado básicos del ciclo Brayton, pero

actualmente se usan variaciones del ciclo como el de Hirn que lleva sobrecalentamiento.

Figuras 19 y 20 Diagramas de estado del ciclo Brayton simple.

Elementos variables de operación

Diferencia en la salida del la presión del turbo compresor y la temperatura de entrada a la

turbina siendo esta ultima la que presenta el mayor rango de variación en el

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comportamiento de la turbina. Y la relación de compresión como se observa en las figuras

21 y 22 respectivamente.

Figura 21 comportamiento de la turbina al variar la temperatura de entrada a la misma.

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Figura 22 Mapa de funcionamiento de una turbina con compresor axial

Básicamente existen dos métodos para controlar el flujo o la presión de un compresor axial.

Control por la variación de la velocidad de giro y por ajuste de los alabes del estator.

Turbina de Vapor

Las turbinas de vapor son maquinas robustas y de tecnología madura, los dos elementos

principales son el rotor y la carcasa, el rotor convierte la energía potencial que contiene el

vapor en energía cinética producida den las toberas y después en energía mecánica rotativa,

la función de la carcasa es mantener contenido el vapor y que no se dirija a zonas donde no

vaya a producir un trabajo. Son las más usadas en la generación de energía eléctrica en

conjunto a las turbinas de gas en una central de ciclo combinado.

Principio de funcionamiento

Se basan en el ciclo Rankine ideal con dos transformaciones adiabáticas y dos isobaras.

Pero como se observa en las figuras 23 y 24 hay algunas diferencias en el ciclo real.

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Figuras 23 y 24 comparativa entre los ciclos Ranking ideal y real de una turbina de vapor.

Componentes básicos

Los elementos más básicos son caldera, una turbina, un intercambiado o un condensador un

sobrecalentador una bomba y un economizador. Ya que es necesario eliminar la humedad

del vapor totalmente o de lo contrario se podría dañar la turbina. Fig. 25

Fig. 25 diagrama básico del ciclo de una turbina de vapor.

Variables de operación y curvas.

Las variables mas importantes son la presion de vapor, el tipo de caldera y el lecho

utilizados, el tipo de combustible, el tipo de turbina y disposición de los alabes, el

condensador y el fluido de enfriamiento. Así como la temperatura alcanzada por el vapor.

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En la siguiente grafica se observan los efectos de la presión del vapor sobre la eficiencia de

la turbina y % de humedad del vapor a la salida. Fig. 26

Figura 26 Eficiencia del HRSG (heat recovery steam generador) de acuerdo a la presión del vapor.

Conclusión:

Se determino que los MCI alternativos y rotativos tienen variables de operación muy

similares entre las más importantes están:

Relación A/C

Compresión

RPM

Carga de trabajo

Octanaje y tipo de combustible utilizado

Las cuales determinaran cual es el motor idóneo para realizar cierto trabajo. Si se necesita

mover una gran carga sin importar la velocidad, se preferirán los motores Diesel ya que

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tiene un alto par motor, a velocidades medias, si por el contrario se desean reducir las

emisiones contaminantes es preferible usar un motor normal, si lo que se busca es obtener

una gran velocidad reduciendo el peso y tamaño del motor lo mas conveniente es usar un

motor Wankel. En todos los casos es importante cuidar la relación aire combustible para

lograr una combustión óptima y lograr una combustión completa, así como el octanaje del

combustible para evitar explosiones anticipadas o a destiempo que puedan dañar el motor.

Referencias

Álvarez, Callejón, Maquinas Térmicas Motoras – 2 ediciones UPC 2002 extracto. Obtenido de https://fbermejo.files.wordpress.com/2010/02/maquinas-tc3a9rmicas-motoras_jesus_callejc3b3n.pdf

Rovira, Muñoz, motores de combustión interna, editorial uned, oct 23, 2015

Sabugal García, Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado: teoría y proyecto, Ediciones Díaz de Santos, 2006

Gilardi, Motores de combustión interna, Agro América, editorial IICA, 1985

Barthe Farell, MOTORES ROTATIVOS TIPOLOGÍAS Y COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS, Proyecto de final de carrera, Ingeniería Técnica Naval, Facultad de Náutica de Barcelona – UPC, julio 2009, obtenido de: https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/7367/MOTORES%20ROTATIVOS.%20Tipolog%20as%20y%20combustibles%20alternativos..pdf?sequence=1

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