INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS UNIDAD 2: Combustión y api!a!ión "# os !i!os t#$mo"in%mi!os &ATERIA: &%'uinas "# (ui"os Comp$#nsib#s
DOCENTE: ING. Victor Cruz Martinez
P R E S E N T A:
ANTONIO ANTONI O ARE ARENAS NAS JOSE JOSE URIEL URIEL PATRACA TELLEZ BRUNO ALBERTO CRUZ CONTRERAS GUILLERMO CARRAZCO VELAZQUEZ JOSE DE JESUS
COATZACOALCOS) *ERACRUZ+ ,- DE No.i#mb$# DEL 2,/0
INDICE
Introducción
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2.1. Caracterización de flamas
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2.2. Composición y propiedades del aire y de los combustibles
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2.3. Esteuiometr!a de la combustión
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2.4. "a primera ley de la termodin#mica y la combustión
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2.$. %eacciones u!micas en mezclas de &ases
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2.6. Dia&ra ram mas de mezclas uemadas y no uemadas. 'odelos ideales
1(
2.). Ciclos* +tto, Diesel, -tirlin&, rayton.
1(
2.(. Comparación de los ciclos reales con los ciclos ideales.
2(
Conclusión
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iblio&raf!a
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INTRODUCCIÓN /al 0ez el proceso trmico de mayor inters practico por su escala de utilizaci6n mundial, siendo a la 0ez muy f#cil de realizar y muy dif!cil de estudiar, sea el proceso de reacción u!mica eotrmica auto mantenida por conducción de calor y difusión de especies, conocido como combustión. -us aplicaciones se pueden resumir en* • • • • • • • •
Calefacción de abit#culos o&ueras, estufas, calderas5, roducción de electricidad centrales trmicas5, ropulsión motores alternati0os, turbinas de 0apor, turbinas de &as5, roceso de materiales reducción de óidos, fundición, cocción5, Eliminación de residuos incineración de basura5, roducci6n de frio fri&or!ficos de absorción5, Control de incendios barreras cortafue&os, materiales i&n!fu&os5, Iluminación asta finales del si&lo i era el 7nico mtodo de luz artificial5.
2.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS LLAMAS "a llama es el frente de reacción, reacción, una estreca estreca zona de espesor espesor c 1 mm5 en donde tiene lu&ar la descomposici6n y recombinaci6n molecular, presentando las concentraciones y la temperatura &radientes enormes p.e. de 388 9 a 3888 9, y
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de 8 a 1 las fracciones molares5. "as llamas se pueden clasificar por el tipo de mezcla de 18s reacti0os, por el tipo de flu:o, por su posici6n relati0a a las paredes anclada, libre5, por el tipo de combustible, por la &ranulometn;a del combustible condensado, etc. < continuaci6n se presenta un esuema de clasificaci6n
"os reactantes pueden lle&ar, o bien pre0iamente mezclados por un mismo lado de la llama llama de pre mezcla5 y 18s productos salir por el otro lado, o bien separados cada uno por un lado de la llama llama de difusión5, saliendo 18s productos tambin por difusi6n por ambos lados. En las llamas de &ases premezclados la cintica u!mica es el mecanismo dominante, el cual controla la 0elocidad de propa&aci6n y 18s l!mites de i&nici6n. "a combusti6n es mris intensa y eficiente ue en las de difusión, es decir, se consi&ue mris potencia t6rmica, y se &eneran menos contaminantes. El color de la llama suele ser azulado, debido a la emisión lurniniscente de al&unos radicales acti0os. "a 0elocidad de la llama 0ar!a muco con la composici6n, y es m#ima para riuezas al&o superiores a la esteuiometria precisamente cuando la temperatura de combusti6n adiabritica es m!nima5.
En las llamas de difusi6n de corros de &as o de 0aporizaci6n de s6lidos o l!uidos5 es la difusi6n de especies el mecanismo dominante. Estas llamas no presentan caracten;sticas propias como 0elocidad de propa&aci6n, espesor de llama, l!mites de i&nición, etc. El ran&o de 0elocidades en ue puede arder es muco mris etenso, son de un color amarillento a1 ser peor la combusti6n se forma mis ollin, ue emite m#s radiaci6n como cuerpo ne&ro5, son muco mris 0oluminosas para una misma potencia trmica, y son mris se&uras, a1 no formarse mezcla reacti0a asta la salida del inyector. "a formaci6n de ollin se eplica por la &ran diferencia de Difusi0idad entre el idr6&eno y 18s demris productos de la descomposici6n
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trmica del combustible idrocarburo5 en el interior de la llama en0oltura del&ada donde la mezcla alcanza la esteuiomem;a5.
Ello produce una fu&a de idr6&eno y ace ue aumente la concentraci6n de molculas ricas en carbono, producindose una sublimaci6n in0ersa ue les ace a&re&arse formando n6cleos s6lidos de f6rmula ponderal media Cs=. Cuando se inyectan 18s reacti0os en un uemador, el mo0imiento creado puede ser de tipo laminar o turbulento, y ello modifica &randemente el desarrollo de la combusti6n. En r&imen turbulento %e>48885 el transporte de calor y masa es muco mris efecti0o, la llama es mris corta y su forma es fluctuante y se &enera ruido, pero lo principal es ue la 0elocidad de uemado es muco mayor porue el frente de llama tiene muca mayor superficie y adem#s dentro del espesor de la llama el transporte es m#s efecti0o, lo cual tiene una enorme importancia practica p.e. la combusti6n en un motor de automoci6n con crimaras de 18 cm de di#metro dura ?1e3 s, mientras ue si la propa&aci6n fuese laminar durar!a >lel s5.
"as llamas de difusi6n son muy estables soportan &randes perturbaciones sin desaparecer5@ en cambio las llamas de pre mezcla tienen unos l!mites de estabilidad estrecos. En la estabilidad de llamas laminares de pre mezcla se pueden distin&uir 18s fen6menos ue producen 0ariaciones en la 0elocidad de la llama llamas inclinadas en un bunsen, retroceso de llama, despe&ue de llama, aparici6n de la turbulencia5, de 18s fenómenos ue posibilitan o no su propa&aci6n la difusión en el seno del &as da lu&ar a 18s l!mites de i&nición, y la difusi6n acia las paredes a las distancias de con&elaci6n5. -e muestra un dia&rama de estabilidad para la llama de pre mezcla butanol aire en un mecero bunsen. En ella puede obser0arse ue una llama muy pobre con menos del 1,(A6 de butano5 no ardera@ ue una mezcla casi esteuiometria con 1 de butano5 tendr!an estreco mar&en de caudales estables entre el l!mite de reentrada y el de despe&ue de la llama5, y ue una mezcla muy rica, la cual daBa lu&ar a una llama de difusión, puede uedar estabilizada anclada a1 borde del mecero o despe&ada a una cierta distancia del mecero aunue estas llamas limitantes son mris inestables5, dependiendo del caudal, presendndose una cierta istresis en la transici6n.
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2.2 COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL AIRE Y DE LOS COMBUSTIBLES En los motores usualmente se uema el combustible con aire. El aire seco es una mezcla ue tiene una composición representati0a por 0olumen de 20.95% de o!&eno, !.09% de nitró&eno, 0.9"% de ar&ón, y al&unas trazas de C+2, neón, elio, metano y otros &ases. "a composición de un combustible es fundamental para poder determinar los par#metros esteuiomtricos caracter!sticos de la reacción de combustión.
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"os componentes m#s abituales en un combustible &aseoso son* =idrocarburos, de fórmula &enrica Cn=m Dióido de carbono* C+2. 'onóido de carbono* C+. =idró&eno* =2. +!&eno* +2. Nitró&eno* N2. Dióido de azufre* -+2. -ulfuro de idró&eno* -=2. apor de a&ua* =2+. En las /ablas I.2, I.3. a y b, se muestra la composición de un &as natural y de dos F" &as licuado de petróleo5, respecti0amente. Estas composiciones no son fi:as ni constantes, sino ue dependen de la muestra analizada y de la partida de combustible.
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-i se trata de un combustible sólido o l!uido, lo m#s usual es indicar la masa de los n componentes referida a un Gilo&ramo de combustible. En consecuencia, si el combustible sólido o l!uido tiene n componentes deber# cumplirse ue
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'ucas 0eces se suele epresar la composición seca del combustible@ es decir, relati0a a la masa de combustible sin a&ua. "lamando yiH a la fracción m#sica de combustible sin a&ua, se tiene ue -iendo ya la fracción m#sica de a&ua. En la /abla I.4 se muestra la composición dos l!uidos combustibles.
Po"#$ !ao$3(i!o+ El poder calor!fico de un combustible es la cantidad de ener&!a desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa de combustible.
*is!osi"a". "a 0iscosidad es una propiedad intensi0a no depende de la cantidad de muestra ue se tome para su estudio5 ue tiene importancia para combustibles l!uidos. -u determinación se ace en forma eperimental.
D#nsi"a". "a densidad es otra propiedad intensi0a ue se determina eperimentalmente. En el caso de combustibles &aseosos se utilizan tanto la densidad absoluta G&m3 5 como la relati0a al aire adimensional5, definida como J J J r a K siendo J la densidad absoluta del &as y Ja la densidad absoluta del aire, ambas medidas en las mismas condiciones de temperatura y presión. "a densidad relati0a tiene muca importancia por el eco de ue determina, por e:emplo, si el &as se acumula en el teco o en el suelo, en caso de una fu&a en un local cerrado. "a densidad absoluta del aire, en condiciones normales 8LC y 1atm5, es de 3 J a K 1.2() G& m
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Punto "# in(ama!ión o t#mp#$atu$a "# i4ni!ión . ara ue se produzca la reacción de combustión, la mezcla de combustible y comburente debe alcanzar una temperatura m!nima necesaria, ue recibe el nombre de punto de inflamación o temperatura de i&nición. Mna 0ez ue se alcanza dica temperatura, el calor producido mantendr# la temperatura por encima de la de i&nición y la reacción continuar# asta ue se a&ote el combustible o el comburente. El punto de inflamación depende del comburente. 1. 4. ). /emperatura de combustión. +tra temperatura importante es la temperatura de combustión o temperatura m#ima de llama ue se alcanza durante el proceso de combustión. 1. 4. (. Contenido de azufre. Es importante conocer el contenido de - de los combustibles ya ue esto determina la cantidad de -+2 ue aparecer# en los umos, como resultado de la combustión. El -+2 se oida lentamente a -+3 trióido de azufre5 ue es el responsable de las llamadas llu0ias #cidas. Mna forma de reducir la formación de -+3 es controlar el eceso de aire, de forma tal ue se emplee el m!nimoO eceso de aire posible. "as reacciones de oidación del - y -=2 son las si&uientes*
Distintos tipos "# !ombustión "os procesos de combustión se pueden clasificar en* Combustión completa.
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Combustión incompleta. Combustión teórica o esteuiomtrica. Combustión con eceso de aire. Combustión con defecto de aire.
Combustión !omp#ta. "as sustancias combustibles del combustible se ueman asta el m#imo &rado posible de oidación. En consecuencia, no abr# sustancias combustibles en los umos. En los productos de la combustión se puede encontrar N2, C+2, =2+ y -+2.
Combustión in!omp#ta. -ucede lo contrario ue en la combustión completa. + sea, como el combustible no se oida completamente, se forman sustancias ue toda0!a pueden se&uir oid#ndose@ por e:emplo, C+. Estas sustancias se denominan inuemados. "a presencia de inuemados indica ue la combustión se est# realizando en forma incompleta. +tros inuemados pueden ser =2, Cn=m, =2- y C. Estas sustancias son los contaminantes m#s comunes ue escapan a la atmósfera en los &ases de combustión.
2.". ESTEQUIOMETRÍA DE LA COMBUSTIÓN
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Combustión t#ó$i!a o #st#'uiom5t$i!a . Es la combustión ue se realiza con la cantidad teórica de o!&eno estrictamente necesaria para producir la oidación total del combustible sin ue se produzcan inuemados. En consecuencia, no se encuentra +2 en los umos, ya ue dico +2 se consumió totalmente durante la combustión.
Esta combustión se denomina teórica porue en la pr#ctica siempre se producen inuemados, aunue sea en muy peueBa proporción. En esta sección se repasan al&unas relaciones entre la composición de los reacti0os y de los productos. En una combustión completa ideal, los 7nicos productos de la combustión son CO2 y a&ua. or e:emplo, a continuación se muestra la ecuación u!mica para la combustión completa de un mol de propano* Pinalmente el balance de o!&eno de*
2# $ & 10 & 2'( De donde ' & 5. En la ecuación anterior, solamente se ac!a reaccionar o!&eno puro, pero en la realidad el o!&eno para la combustión se obtiene del aire.
Combustión !on #6!#so "# ai$#. P á g i n a 12 | 32
Es la combustión ue se lle0a a cabo con una cantidad de aire superior a la esteuiomtrica. Esta combustión tiende a no producir inuemados. Es t!pica la presencia de +2 en los umos. -i bien la incorporación de aire permite e0itar la combustión incompleta y la formación de inuemados, trae apare:ada la prdida de calor en los productos de combustión, reduciendo la temperatura de combustión, la eficiencia y la lon&itud de llama.
Combustión !on "#(#!to "# ai$#+ En esta combustión, el aire disponible es menor ue el necesario para ue se produzca la oidación total del combustible. or lo tanto, se producen inuemados.
2.) LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Y LA COMBUSTION. Primera Ley de la Termodinámica "a primera ley de la termodin#mica, es la aplicación del principio de conser0ación de la ener&!a, a los procesos de calor y termodin#mico*
"a primera ley ace uso de los conceptos cla0es de ener&!a interna, calor , y traba:o sobre un sistema . Msa etensamente el estudio de los motores trmicos. "a unidad est#ndar de todas estas cantidades es el :ulio, aunue al&unas 0eces se epresan en calor!as o /M.
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En los tetos de Qu!mica es t!pico escribir la primera ley como RMKQST. or supuesto ue es la misma ley, Ula epresión termodin#mica del principio de conser0ación de la ener&!aU. Eactamente se define T, como el traba:o realizado sobre el sistema, en 0ez de traba:o realizado por el sistema. En un conteto f!sico, el escenario com7n es el de aBadir calor a un 0olumen de &as, y usar la epansión de ese &as para realizar traba:o, como en el caso del empu:e de un pistón, en un motor de combustión interna. En el conteto de procesos y reacciones u!micas, suelen ser m#s comunes, encontrarse con situaciones donde el traba:o se realiza sobre el sistema, m#s ue el realizado por el sistema.
Entap3a En la termodin#mica de reacciones u!micas y en los procesos no c!clicos son 7tiles cuatro cantidades llamadas V potenciales termodin#micosV. Estos son la ener&!a interna, la entalp!a, la ener&!a libre de =elmoltz y la ener&!a libre de Fibbs. "a entalp!a se define por
7 8 U 9 P* Donde y son la presión y el 0ol7men, y M es la ener&!a interna. "a entalp!a es por tanto una 0ariable de estado medible de forma precisa, puesto ue se define en función de las otras tres 0ariables de estado medibles de forma precisa. Es al&o paralelo a la primera ley de la termodin#mica en un sistema a presión constante Q K RM S R puesto ue en este caso QKR=
-e trata de una cantidad 7til en el se&uimiento de las reacciones u!micas. -i como resultado de una reacción eotrmica se libera un poco de ener&!a de un sistema, tiene ue aparecer de al&una forma medible en función de las 0ariables de estado. Mn incremento de la entalp!a = K M S se deber!a asociar con un incremento en la ener&!a interna ue podr!a medirse por la calorimetr!a, o por el traba:o realizado por el sistema, o por una combinación de los dos.
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"a ener&!a interna M podr!a considerarse como, la ener&!a necesaria para crear un sistema en ausencia de cambios en la temperatura o el 0olumen. ero si el proceso cambia el 0olumen, como en las reacciones u!micas ue producen productos &aseosos, entonces se debe realizar traba:o para producir cambio en el 0olumen. En un proceso a presión constante, el traba:o ue debemos realizar para producir un cambio de 0olumen R es R. or tanto el trmino se puede interpretar como el traba:o ue se debe acer para Vcrear espacioV para el sistema, si se presume ue empezó con un 0olumen cero.
T$abao "# Sist#ma Normalmente es un &as el ue realiza el traba:o en un sistema termodin#mico. El traba:o realizado por un &as a presión constante es*
E:emplo
-i la presión no es constante, el traba:o se 0isualiza como el #rea ba:o la cur0a de presiónU0olumen, ue representa el proceso ue est# teniendo lu&ar. "a epresión mas &eneral para el traba:o realizado es*
El traba:o realizado por un sistema disminuye la ener&!a interna del sistema, como se indica en la primera ley de la termodin#mica . El traba:o del sistema es un aspecto importante en el estudio de los motores trmicos.
2.5 REACCIONES QUÍMICAS EN MEZCLAS DE GASES. P á g i n a 15 | 32
"a reacción de combustión se basa en la reacción u!mica eotrmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el o!&eno. Es caracter!stica de esta reacción la formación de una llama, ue es la masa &aseosa incandescente ue emite luz y calor, ue est# en contacto con la sustancia combustible. "a reacción de combustión puede lle0arse a cabo directamente con el o!&eno o bien con una mezcla de sustancias ue conten&an o!&eno, llamada comburente, siendo el aire atmosfrico el comburente m#s abitual. "a reacción del combustible con el o!&eno ori&ina sustancias &aseosas entre las cuales las m#s comunes son C+2 y =2+. -e denominan en forma &enrica productos, umos o &ases de combustión. Es importante destacar ue el combustible solo reacciona con el o!&eno y no con el nitró&eno, el otro componente del aire. or lo tanto el nitró&eno del aire pasar# !nte&ramente a los productos de combustión sin reaccionar. Entre las sustancias m#s comunes ue se pueden encontrar en los productos o umos de la reacción se encuentran* C+2 =2+ como 0apor de a&ua N2 +2 C+ =2 Carbono en forma de oll!n -+2
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De acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustión, estas pueden ser de distintos tipos* Combustión completa +curre cuando las sustancias combustibles reaccionan asta el m#imo &rado posible de oidación. En este caso no abr# presencia de sustancias combustibles en los productos o umos de la reacción. Combustión incompleta -e produce cuando no se alcanza el &rado m#imo de oidación y ay presencia de sustancias combustibles en los &ases o umos de la reacción. Combustión esteuiomtrica o teórica Es la combustión ue se lle0a a cabo con la cantidad m!nima de aire para ue no eistan sustancias combustibles en los &ases de reacción. En este tipo de combustión no ay presencia de oi&eno en los umos, debido a ue este se a empleado !nte&ramente en la reacción. Combustión con eceso de aire Es la reacción ue se produce con una cantidad de aire superior al m!nimo necesario. Cuando se utiliza un eceso de aire, la combustión tiende a no producir sustancias combustibles en los &ases de reacción. En este tipo de combustión es t!pica la presencia de o!&eno en los &ases de combustión. "a razón por la cual se utiliza normalmente un eceso de aire es acer reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso. Combustión con defecto de aire
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Es la reacción ue se produce con una menor cantidad de aire ue el m!nimo necesario. En este tipo de reacción es caracter!stica la presencia de sustancias combustibles en los &ases o umos de reacción.
2.* DIAGRAMAS DE MEZCLAS QUEMADAS Y NO QUEMADAS. MODELOS IDEALES "os &ases de combustión se e0al7an cualitati0a y cuantitati0amente. 'ediante el an#lisis de estos &ases 0amos a poder saber si la reacción de combustión 0a bien o mal. odemos conocer tambin la ener&!a ue se est# produciendo y cuanta se puede estar perdiendo. ara todo esto, lo primero es tomar muestras de los &ases de combustión. "a toma de muestras se realiza principalmente de dos maneras*
or aspiración or filtro
En ambos casos, se reco&en los &ases para lle0arlos a analizar. Estas muestras se reco&en tanto en conductos intermedios como en la mismas cimenea de salida de &ases. "os puntos en los ue tomamos la muestra 0ienen condicionados por lo ue ueramos eactamente de esa muestra. =ay ue tener en cuenta ue la composición de los &ases 0a 0ariando desde la salida de la c#mara de combustión asta ue sale por la cimenea.
2. CICLOS+ OTTO( DIESEL( STIRLING( BRAYTON Mn ,- O// ideal modela el comportamiento de un motor de eplosión. Este ciclo est# formado por seis pasos, se&7n se indica en la fi&ura. ruebe ue el rendimiento de este ciclo 0iene dado por la epresión
-iendo K V A V B la '3 4 678,3 i&ual al cociente entre el 0olumen al inicio del ciclo de compresión y al final de l. ara ello, alle el rendimiento a partir del calor ue entra en el sistema y el ue sale de l@ eprese el resultado en
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trminos de las temperaturas en los 0rtices del ciclo y, con ayuda de la ley de oisson, relacione este resultado con los 0ol7menes V A y V B. 2 Descripción del ciclo
Mn ciclo +tto ideal es una aproimación teórica al comportamiento de un motor de eplosión. "as fases de operación de este motor son las si&uientes*
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Epansión 35 "a alta temperatura del &as empu:a al pistón acia aba:o, realizando traba:o sobre l. De nue0o, por ser un proceso muy r#pido se aproima por una cur0a adiab#tica re0ersible CWD. Escape 45 -e abre la 0#l0ula de escape y el &as sale al eterior, empu:ado por el pistón a una temperatura mayor ue la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fr!a en la si&uiente admisión. El sistema es realmente '#,/, pues intercambia masa con el eterior. No obstante, dado ue la cantidad de aire ue sale y la ue entra es la misma podemos, para el balance ener&tico, suponer ue es el mismo aire, ue se a enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón est# en su punto m#s ba:o, el 0olumen permanece aproimadamente constante y tenemos la isócora DW<. Cuando el pistón empu:a el aire acia el eterior, con la 0#l0ula abierta, empleamos la isobara
El motor Diesel de cuatro tiempos tiene una estructura seme:ante a los motores de eplosión, sal0o ciertas caracter!sticas particulares. El pistón desarrolla cuatro carreras alternati0as mientras el ci&XeBal &ira )28L. Como el motor de ciclo +tto realiza el llenado y e0acuación de &ases a tra0s de dos 0#l0ulas situadas en la culata, cuyo mo0imiento de apertura y cierre est# sincronizado con el ci&XeBal a tra0s del sistema de distribución por el #rbol de le0as.
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El funcionamiento de este motor durante su ciclo es el si&uiente* rimer tiempo* A46,8,3 En este primer tiempo el pistón efect7a su primera carrera o desplazamiento desde el '- al 'I, aspirando sólo aire de la atmósfera, debidamente purificado a tra0s del filtro. El aire pasa por el colector y la 0#l0ula de admisión, ue se supone se abre instant#neamente y ue permanece abierta, con ob:eto de llenar todo el 0olumen del cilindro. Durante este tiempo, la muBeuilla del ci&XeBal &ira 1(8L.
-e&undo tiempo* C678,3
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En este se&undo tiempo y con las dos 0#l0ulas completamente cerradas el pistón comprime el aire a &ran presión, uedando sólo aire alo:ado en la c#mara de combustión. "a muBeuilla del ci&XeBal &ira otros 1(8L y completa la primera 0uelta del #rbol motor. "a presión alcanzada en el interior de la c#mara de combustión mantiene la temperatura del aire por encima de los 688 LC, superior al punto de inflamación del combustible, para lo cual la relación de compresión tiene ue ser del orden de 22.
/ercer tiempo* T'#';
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Cuarto tiempo* E8'7* Durante este cuarto tiempo se supone ue la 0#l0ula de escape se abre instant#neamente permanece abierta. El pistón, durante su recorrido ascendente, epulsa a la atmósfera los &ases remanentes ue no an salido, efectuando el barrido de &ases uemados lanz#ndolos al eterior.
"a muBeuilla del ci&XeBal efect7a otro &iro de 1(8L, completando las dos 0ueltas del #rbol motor ue corresponde al ciclo completo de traba:o. El dia&rama de distribución correspondiente a esta carrera se presenta en la si&uiente fi&ura*
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El ciclo de -tirlin& es un e:emplo, como el ciclo de Carnot de ciclo completamente re0ersible y ue por tanto alcanza el m#imo rendimiento ue permite el -e&undo rincipio de la /ermodin#mica. -e trata de un ciclo altamente ideal cuya realización pr#ctica, incluso en forma aproimada entraBa serias dificultades. No obstante, en los 7ltimos aBos a aduirido rele0ancia con el desarrollo de 6/8 4 S/,-,3< , ue funcionan de manera aproimada se&7n este ciclo.
2 Descripción del ciclo Mn ciclo de -tirlin& ideal se compone de cuatro procesos re0ersibles* Compresión isoterma
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El &as se calienta desde la temperatura T 1 a la temperatura T 2 mantenientdo fi:o su 0olumen. Epansión isoterma CWD El &as se epande mientras se le suministra calor de forma ue su temperatura permanece en su 0alor T 2. Enfriamiento isócoro DW< -e reduce la temperatura del &as de nue0o a su 0alor T 1 en un proceso a 0olumen constante.Y
Ciclo brayton 1 Enunciado Mn ,- B'=/3 o J:-5 ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aerona0es. Este ciclo est# formado por cuatro pasos re0ersibles, se&7n se indica en la fi&ura. ruebe ue el rendimiento de este ciclo 0iene dado por la epresión
-iendo K 7B 7 A la -',3 4 78,3 i&ual al cociente entre la presión al final del proceso de compresión y al inicio de l. El mtodo para obtener este resultado es an#lo&o al empleado para el Ciclo +tto. 2 Descripción del ciclo El ciclo rayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de &as, como los utilizados en las aerona0es. "as etapas del proceso son las si&uientes*
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A"misión El aire fr!o y a presión atmosfrica entra por la boca de la turbina
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Comp$#so$ El aire es comprimido y diri&ido acia la c#mara de combustión mediante un compresor mo0ido por la turbina5. uesto ue esta fase es muy r#pida, se modela mediante una compresión adiab#tica
C%ma$a "# !ombustión En la c#mara, el aire es calentado por la combustión del ueroseno. uesto ue la c#mara est# abierta el aire puede epandirse, por lo ue el calentamiento se modela como un proceso isóbaro WC.
Tu$bina El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mue0e. En este paso el aire se epande y se enfr!a r#pidamente, lo ue se describe mediante una epansión adiab#tica C WD.
Es!ap#
or 7ltimo, el aire enfriado pero a una temperatura mayor ue la inicial5 sale al eterior. /cnicamente, este es un ciclo '#,/ ya ue el aire ue escapa no es el mismo ue entra por la boca de la turbina, pero dado ue s! entra en la misma cantidad y a la misma presión, se ace la aproimación de suponer una ,:-',3. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y 0uel0e a entrar por la boca ya fr!o. En el dia&rama esto corresponde a un enfriamiento a presión constante DW<
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2.!. COMPARACIÓN DE LOS CICLOS REALES CON LOS CICLOS IDEALES. Durante el paso por el motor el fluido de traba:o est# sometido a una serie de transformaciones u!micas y f!sicas compresión, epansión, combustión, transferencia de calor a tra0s de las paredes, rozamientos en el interior del fluido y con las paredes, etc.5 ue constituyen el ciclo del motor. El eamen cuantitati0o de estos fenómenos, teniendo en cuenta todas las numerosas 0ariables, representa un problema muy complicado@ por esto &eneralmente se simplifica recurriendo a sucesi0as aproimaciones teóricas, cada una de las cuales est#n basadas en diferentes supuestos simplificati0os, de una aproimación &radualmente creciente. ara los ciclos teóricos, las aproimaciones normalmente empleadas, en orden de similitud con las condiciones reales, son tres, y son llamadas* ciclo ideal, ciclo de aire, ciclo de aireUcombustible. Estos ciclos teóricos an de confrontarse en la pr#ctica con los ciclos reales, obtenidos eperimentalmente mediante aparatos llamados indicadores. or esto al ciclo real se le llama tambin ciclo indicado. En el !i!o i"#a se supone ue el fluido de traba:o est# constituido por aire y ue se comporta como un &as perfecto. En consecuencia los 0alores de los calores espec!ficos se consideran constantes e i&uales a los del aire en las condiciones normales de 2(( 9 1$ C5 de temperatura y 1,813 bar 1 atmósfera5 de presión. -e supone adem#s ue las fases de introducción y de etracción de calor tienen una duración bien determinada, ue depende del tipo de ciclo +tto, Diesel, -abat5 y ue en las dem#s fases del ciclo no se producen prdidas de calor. Est# claro ue, con estas ipótesis, los 0alores m#imos de temperatura y de presión, y por lo tanto el traba:o y el rendimiento trmico calculados para el ciclo ideal, son mayores ue los de los otros tipos de ciclos. El ciclo ideal representa por lo tanto el l!mite m#imo ue el motor puede teóricamente alcanzar en lo concerniente a prestaciones y permite un estudio matem#tico sencillo basado en las leyes de los &ases perfectos. < este nos referiremos en lo ue si&ue, cuando di&amos ciclo teórico. El !i!o $#a es, como emos dico, determinado eperimentalmente mediante al&uno de los numerosos aparatos indicadores capaces de re&istrar el dia&rama de las presiones en función de los 0ol7menes en el cilindro.
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El dia&rama indicado refle:a las condiciones reales del ciclo y por lo tanto tiene en cuenta tambin las prdidas de calor, la duración de la combustión, las prdidas debidas al rozamiento en el fluido, a la duración del tiempo de apertura de las 0#l0ulas, al tiempo de encendido, al tiempo de inyección, y las prdidas en el escape.
E !i!o Otto t#ó$i!o El ciclo +tto teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por cispa EC5, y est# representado &r#ficamente en la fi&ura 18.3 en coordenadas pU0. "os procesos termodin#micos ue tienen lu&ar durante el ciclo son* 1U2. A"iab%ti!o o is#nt$ópi!o sin transferencia de calor con el eterior5* compresión del fluido de traba:o, correspondiente al traba:o T1 realizado por el pistón. 2U3. < .oum#n !onstant#* introducción instant#nea del calor aportado Q1. 3U4. A"iab%ti!o* epansión, correspondiente al traba:o T2 realizado por el fluido de traba:o. 4U1. < .oum#n !onstant#* etracción instant#nea del calor Q2 En realidad en los motores de 4 tiempos la etracción del calor se produce durante la carrera de escape 1 U 8 y el fluido es introducido en el motor en la carrera de admisión 8 U 1. -ólo 0alen los puntos del espacio p,,/ ue cumplen con la ecuación de los &ases perfectos.
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Ci!o Di#s# t#ó$i!o Es el ciclo teórico de los motores de encendido por compresión. "a diferencia fundamental entre los ciclos +tto y Diesel est# en la fase de aportación del calor. En el ciclo +tto el calor es introducido a 0olumen constante, mientras en el ciclo Diesel es introducido a presión constante.
Ci!os $#a#s+ El ciclo real refle:a las condiciones reales de funcionamiento de un motor y se identifica con el dia&rama de las presiones medidas en el cilindro, correspondientes a las diferentes posiciones del pistón. Este dia&rama se llama dia&rama indicado y el aparato ue sir0e para trazarlo, indicador.
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CONCLUSIÓN El proceso de combustión es el m#s importante en in&enier!a porue toda0!a oy, aunue tiende a disminuir A6 en 1A)$, A8 en 1A($ y 48 en 1AA$5, la mayor parte de la producción mundial de ener&!a se ace por combustión de petróleo, carbón y &as natural. Es importante el estudio de la combustión controlada de los recursos primarios usados en la producción de traba:o y calor, sino ue tambin es preciso estudiar los procesos de combustión incontrolada fue&os5 para tratar de pre0enirlos y lucar contra ellos.
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