F I S I C A II

UNIDAD8.doc
FISICA II
UNIDAD VIII – CICLO DE LAS MAQUINAS TÉRMICAS
CICLO DE LAS MAQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA. TURBINAS DE GAS
Y RETROPROPULSIÓN.
Ciclo de las máquinas de combustión interna
Combustión interna: la combustión o quema de combustible se realiza dentro de la
misma máquina o motor. También se los suele llamar motores de explosión. Equipos
más pequeños y livianos, de potencias menores.
Combustión externa: máquinas de vapor. La combustión se realiza aparte del motor, en
una caldera. Equipos más grandes, pesados, de potencias mayores. Este tema se verá en
la unidad 10.
CICLO OTTO O BEAU DES ROCHAS
Está constituido por 4 transformaciones, 2 adiabáticas y 2 isocóricas.
Puede lograrse con motores de 4 tiempos o de dos tiempos, es decir que necesitan 4 o 2
movimientos del pistón para completar el ciclo
La mayoría de los motores: de 4 tiempos
Motores de 2 tiempos: motores de potencia reducida (motos, cortadoras de césped,
motosierras, motores náuticos pequeños)
Estudiaremos el ciclo Otto de 4 tiempos, representaremos lo que ocurre en el interior de
un cilindro de un diagrama p-v. y en un diagrama t-s
El motor consiste en un pistón o émbolo cilíndrico colocado dentro de un cilindro
metálico. Al ir efectuando su carrera o recorrido a lo largo del cilindro, el pistón mueve
una biela que transforma este movimiento alternativo en un movimiento giratorio en el
cigüeñal del motor. En la parte en que el pistón se encuentra más cerca de la tapa del
cilindro de encuentran las válvulas (de escape y de admisión) y la bujía que es la que da
el impulso eléctrico para que la mezcla explote.
En el siguiente esquema se observa el movimiento del pistón y de las válvulas en el
motor de 4 tiempos:
En la primera carrera, transformación 0-1, se produce la admisión de la mezcla de aire y
vapores de nafta al interior del cilindro. Teóricamente durante este proceso la presión
en el interior del cilindro es constante.
En la segunda carrera, están cerradas las 2 válvulas, la de admisión y la de escape y el
pistón al desplazarse produce la compresión de la mezcla (1-2)
Terminada la segunda carrera, teóricamente se produce la ignición del combustible y
dado que el proceso es muy rápido, podemos suponerlo instantáneo, es decir que la
combustión tiene lugar a volumen constante, aumenta la presión y se produce el proceso
2-3
Durante la tercera carrera se produce la expansión de los gases producto de la
combustión 3-4. Teóricamente al final de esta carrera se abre la válvula de escape lo que
provoca la caída brusca de presión 4-1 y luego en la cuarta carrera se produce el barrido
de los gases desde el interior del cilindro 1-0.
Suponemos que la compresión, la combustión y la expansión son procesos adiabáticos.
El pistón en su recorrido limita un volumen máximo al estar más alejado de la tapa del
cilindro (punto muerto inferior). Este volumen se llama volumen máximo o volumen
total del cilindro V1.
Cuando se encuentra más cerca de la tapa del cilindro (cerca de las válvulas y de la
bujía) contiene un volumen que se llama volumen de la cámara de combustión V2.
La relación entre ambos se llama grado o relación de compresión y varía normalmente
de 7 a 9,5
Rc = V1 / V2
Para calcular el rendimiento térmico ideal de este ciclo estableceremos primero la
cantidad de calor suministrada por la fuente caliente y la cedida por la fuente fría:
Q1 = Cv * (T3-T2)
Q2 = Cv * (T4-T1)
El rendimiento térmico será:
η = ( Q1-Q2 ) / Q1 = 1 - T4-T1
T3-T2
Reemplazando, operando matemáticamente y suponiendo que el calor específico a
volumen constante Cv se mantiene constante en ambas transformaciones, quedará
η
=
1 -
1___
Rc k-1
donde k es el exponente adiabático = Cp / Cv de la mezcla utilizada como
combustible.
Esta fórmula nos indica que a medida que aumenta la relación de compresión Rc
aumentará también el rendimiento, pero en la práctica la Rc no puede elevarse más allá
de 9 o 10, ya que tanta compresión provocaría en la mezcla una preignición, también
llamada detonación o pistoneo, que es la explosión de la mezcla por sí misma, debido a
la alta temperatura y compresión, unos instantes antes de que salte la chispa de la bujía.
CICLO DIESEL
Se diferencia del Otto en que permite obtener relaciones de compresión más elevadas,
generalmente de 15 a 19, debido a que la inyección de combustible se realiza con
posterioridad a la compresión del aire, que puede alcanzar presiones del orden de 40 a
45 kg/cm2 sin peligro de preignición. Ello trae como consecuencia un aumento del
rendimiento térmico.
En el siguiente esquema se observa el ciclo en un diagrama pv y en un diagrama t-s
Se desarrolla de la siguiente manera: en el primer tiempo, por la válvula de aspiración
se produce la admisión de una carga de aire solamente 0-1, que luego, con las válvulas
cerradas, se comprime adiabáticamente en un segundo tiempo (compresión 1-2) al final
de la cual el aire alcanza unos 800 ºC.
En la posición del émbolo correspondiente al punto muerto superior comienza la
inyección de combustible líquido finamente pulverizado, produciéndose la combustión
2-3 por efecto de la temperatura elevada a la que se encuentra el aire (no hay bujías en
este ciclo). La velocidad de la inyección se coordina con el movimiento del émbolo y
entonces este proceso se realiza a presión constante, absorbiendo el sistema Q1 calorías
de la fuente caliente por liberación de la energía química durante la combustión.
Completando el tercer tiempo se realiza la expansión adiabática 3-4 de los productos de
la combustión, realizando el sistema trabajo a expensas de su energía interna hasta que
el émbolo llega al PMI. Se abre luego la válvula de escape, produciéndose un descenso
de presión 4-1 con el consiguiente enfriamiento a volumen constante, en el cual se
ceden Q2 calorías a la fuente fría. Finalmente el émbolo, en el cuarto tiempo, realiza la
operación 1-0., de expulsión o escape de los productos de combustión, con lo cual se
completa el ciclo.
Este ciclo es ideal, ya que es difícil de realizar por varias razones, como ser que las
presiones de admisión y de escape difieren de la presión exterior. Además es difícil
mantener la combustión a presión constante
A la relación entre el volumen del sistema al finalizar la combustión V3 y el volumen al
comienzo de la combustión V2, se le llama relación de inyección.
φ = V3 / V2
Las cantidades de calor tomadas de la fuente caliente y cedidas a la fuente fría serán:
Q1 = Cp * (T3-T2)
y Q2 = Cv * (T4-T1)
El rendimiento térmico será:
η = ( Q1-Q2 ) / Q1 = 1 - Q2/Q1 = Cv
Cp
T4-T1
T3-T2
operando y reemplazando llegamos a que:
η
=
1 -
1___
Rc k-1
φ k -1
k (φ – 1)
Fórmula que nos da los valores del rendimiento térmico teórico del ciclo diesel. El
análisis de la fórmula nos indica que el rendimiento del ciclo aumenta cuando aumenta
la relación de compresión Rc y cuando disminuye la relación de inyección φ.
CICLO DE JOULE O DE BRAYTON
El ciclo DIESEL es un ciclo de expansión limitada, pues la expansión adiabática
concluye en un estado a una presión superior a la del comienzo de la compresión. Si los
gases se expandieran hasta alcanzar la presión del comienzo del ciclo, y luego se
completara el ciclo con un enfriamiento a presión constante, se podría obtener un
trabajo adicional, con el mismo aporte de calor. Se obtiene así el ciclo de BRAYTON o
JOULE
Este ciclo de expansión completa no es posible realizarlo en motores alternativos porque
deberían tener cilindros muy largos y las pérdidas mecánicas por rozamiento entre
pistón y cilindro consumirían todo el trabajo adicional y algo más,. En cambio sí se lo
puede desarrollar en máquinas del tipo de turbinas de gas. La turbina de gas es otro tipo
de tecnología diferente distinto al motor alternativo. Consiste esencialmente en un eje
rotativo que gira a gran velocidad, alrededor del cual se insertan paletas o álabes que
transforman el desplazamiento longitudinal o tangencial de los gases en movimiento
rotativo. Una de las ventajas más importantes que ofrece la turbina de gas es la de ceder
la energía mecánica sea en forma de aire comprimido, para el soplado de los altos
hornos, sea en forma de energía eléctrica a través de un alternador o bien en forma de
gases de escape para la propulsión a reacción. Incluso estas 3 formas pueden
combinarse suministrando la turbina de gas, simultáneamente, aire comprimido, energía
eléctrica y gases de escape, aumentando así el rendimiento y la eficacia de las centrales
termoeléctricas En su forma más sencilla una turbina de gas consta de los siguientes
elementos esenciales: el compresor, la cámara de combustión y la turbina propiamente
dicha. El funcionamiento de la misma se indica en el siguiente esquema:
Se comprime previamente el aire en un compresor, para luego hacerlo pasar a una
cámara de combustión, en donde se inyecta el combustible y se produce la combustión a
presión constante. Los gases de la combustión se expanden luego en la tobera de la
turbina, aumentando en forma apreciable su energía cinética, lo cual les permite pasar
por los álabes de la rueda móvil, en donde entregan trabajo.
Este ciclo está constituido por 2 adiabáticas y por 2 líneas a presión constante que se
observan en los siguientes diagramas p-v y t-s
1-2 representa la compresión adiabática del aire en el compresor, 2-3 la combustión del
sistema aire-combustible en la cámara de combustión y 3-4 la expansión adiabática de
los productos de la combustión en la turbina que produce trabajo. La transformación 41, a presión constante, indica el enfriamiento de los productos de la combustión hasta
llegar al estado 1, en el cual se reinicia el ciclo.
Suponiendo un comportamiento perfecto de los gases, las cantidades de calor tomadas
de la fuente caliente y cedidas a la fuente fría valen:
Q1 = i3-i2 = Cp * (T3-T2)
y
Q2 = i4-i1 = Cp * (T4-T1)
El rendimiento térmico resultará:
η = ( Q1-Q2 ) / Q1 = 1 - Q2/Q1 = 1 -
T4-T1
T3-T2
En ésta fórmula se ha considerado un mismo calor específico medio Cp para la
transformación 2-3 y 4-1 y si además suponemos un mismo valor para el coeficiente k
de las adiabáticas 1-2 y 3-4, con el mismo criterio de los ciclos anteriores puede
escribirse:
Rp = relación de presiones p2/p1
Rc = relación de compresión v1/v2
k = exponente adiabático Cp / Cv
El rendimiento térmico quedará:
η
=
1 - T4
T3
= 1 - T1 = 1 1___
= 1 T2
Rp (k-1)//k
1___
Rc k-1
TURBINAS DE RETROPROPULSIÓN
Estas turbinas emplean también el ciclo de BRAYTON y funcionan de acuerdo al
mismo principio de las turbinas de gas pero se diferencian de estas en que la energía
cinética de los gases de combustión no se transforma directamente en trabajo sino que
una vez entregado el trabajo necesario para hacer funcionar el compresor, los gases
abandonan la máquina a gran velocidad produciendo una reacción que hace desplazar en
sentido contrario (efecto de retropropulsión o jet o chorro) al móvil en el cual se
encuentra montada la turbina (aviones).
Al igual que en el ciclo BRAYTON, el rendimiento térmico no puede aumentarse más
allá de ciertos límites, pues es necesario tener en cuenta el techo de temperatura que no
puede ser superado (máxima temperatura admisible del orden de los 1000 ºC), debido a
los esfuerzos térmicos que deben soportar los materiales.
En los turborreactores, la propulsión se obtiene exclusivamente por el chorro de escape
de los gases quemados, expulsados en sentido contrario a la marcha del avión. En estos
motores el aire ingresa directamente por el compresor, el combustible arde en la cámara
de combustión y los gases quemados después de pasar por la turbina salen a gran
velocidad por la tobera de escape.
Versión 1
mayo2007