20160822CICLOS DE POTENCIA termodinamica.pdf

CICLOS DE POTENCIA
Facilitador: Dipl.-Ing (MSc.) Yoel David Pernía Mora
yoel.pernia@gmail.com
Caracas, 27 de Septiembre del 2017
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA
ARMADA NACIONAL
INGENIERÍA MECÁNICA
NÚCLEO CARACAS

OBJETIVO GENERAL
Describir los ciclos y procesos de transformación: OTTO,
DIESEL, BRAYTON y DUAL además de los procesos de obtención
de combustibles y combustión

CONTENIDO
• MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
• CICLO DE OTTO: EL CICLO IDEAL PARA LAS MÁQUINAS DE ENCENDIDO POR
CHISPA
• DIAGRAMAS P-v
• CICLO DE OTTO: EL CICLO REAL
• DIAGRAMAS P-v REAL DEL PROCESO
• RELACION ENTRE PRESION Y ÁNGULO DEL CIGÜEÑAL
• FACTORES QUE INFLUYEN EN EL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR OTTO
• ENCENDIDO
• ADAPTACIÓN DE LOS ESTADOS DE FUNCIONAMIENTO
• CALCULOS DE EFICIENCIA DE UN MOTOR OTTO
• EFICIENCIA EN FUNCIÓN A LA RELACIÓN DE COMPRESIÓN
• PARAMETROS ENERGÉTICOS DE UN MODERNO MOTOR OTTO
• CICLO DIESEL: EL CICLO IDEAL PARA LAS MÁQUINAS DE ENCENDIDO POR
COMPRESIÓN
• DIAGRAMAS T – s & P – v PARA MOTOR DIESEL
• COMPARACIÓN DE EL TIEMPO DE FORMACIÓN DE MEZCLA
• PARAMETROS ENERGÉTICOS DE UN MODERNO MOTOR DIESEL
• COMPARACIÓN DE EL TIEMPO DE FORMACIÓN DE MEZCLA
• ECUACIONES DE EFICIENCIA
• EMISIÓN DE PARTÍCULAS ENTRE MOTORES
• DISMINUCIÓN DE LAS EMISIONES
• CATALIZADOR

CONTENIDO
• CICLO BRAYTON
• ELEMENTOS DE LA MÁQUINA
• VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS
• DESVENTAJAS DE LA TURBINA A GAS
• RENDIMIENTO TÉRMICO
• RENDIMIENTO TERMICO REAL DE LA TURBINA A GAS
• CLASIFICACION DE LAS TURBINAS A GAS
• REPRESENTACIÓN DE LAS TRANSFORMACIONES REALES
• EL RENDIMIENTO REAL O EFECTIVO ηe
• MEJORAS EN EL CILO BRAYTON
• DETENCION DE LA TURBINA A GAS
• BIBLIOGRAFÍA

MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Fuente: [Gheorghiu – 2016].

CICLO DE OTTO: EL CICLO IDEAL PARA LAS
MÁQUINAS DE ENCENDIDO POR CHISPA
En la mayoría de las máquinas de encendido por chispa el émbolo
ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecánicos) dentro del
cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo
termodinámico [Cengel – 2012]

DIAGRAMAS P-v REAL DEL
PROCESO

El análisis termodinámico de los ciclos reales de cuatro tiempos
no es una tarea simple. Sin embargo, el análisis puede
simplificarse de manera significativa si se utilizan las
suposiciones de aire estándar, ya que el ciclo que resulta y que
es parecido a las condiciones de operación reales es el ciclo de
Otto ideal, el cual se compone de cuatro procesos reversibles
internamente:
1-2 Compresión isentrópica
2-3 Adición de calor a volumen constante
3-4 Expansión isentrópica
4-1 Rechazo de calor a volumen constante

RELACION ENTRE PRESION Y ÁNGULO DEL
CIGÜEÑAL
Fuente: [Gheorghiu – 2016].

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL
FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR OTTO
La mezcla aire – combustible: para un consumo teorético total se debe
tener una relación 14,7:1
Fuente: [Beer – 2010].
• λ: Masa de aire suministrada / aire necesario para una estequemetrica
combustión
• λ=1: La masa de aire suministrada corresponde a la teorética
necesaria.
• λ < 1: Es herrscht Luftmangel oder fettes Gemisch. Erhöhte Leistung
ergibt sich bei λ = 0,85...0,95.
• λ > 1: Luftüberschuß oder mageres Gemisch herrscht im Bereich
λ=1,05...1,3. Bei dieser Luftzahl sind verringerter Kraftstoffverbrauch und
verringerte Leistung zu verzeichnen.
• λ > 1,3: Das Gemisch ist nicht mehr zündwillig. Es treten
Verbrennungsaussetzer auf. Die Laufunruhe nimmt stark zu.

Para los motores que están en la actualidad es el consumo de combustible
en una relación de aire-combustible de 15-18 kg de aire por 1 kg de
combustible
El ciclo de Otto se ejecuta en un sistema cerrado, y sin tomar en cuenta los
cambios en las energías cinética y potencial,
Los motores de gasolina alcancen su máximo rendimiento a las 5 ... 15% de
deficiencia de aire y un ralentí en λ = 1,0 .

ADAPTACIÓN DE LOS ESTADOS DE
FUNCIONAMIENTO
• Arranque en frio
• Después de la puesta en marcha
• Fase de calentamiento
• Carga parcial
• Carga completa
• Aceleración
• Marcha en punto muerto
• Ajuste de combustible a gran altura
• Sistemas de preparación de mezcla
• Inyección única

CALCULOS DE EFICIENCIA DE UN
MOTOR OTTO
Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrópicos, y
Por lo tanto,
es la relación de
calores específicos
relación de
compresión

ηmec = rendimiento mecánico
ηeff = rendimiento efectivo
Weff = Trabajo efectivo
Wi = trabajo inducido
Wth = trabajo ideal
ηth = rendimiento ideal
ηg = factor de eficiencia
Hu = Valor calorífico
𝑚B = flujo de masa de combustible
n = Numero de revoluciones
beff = consumo efectivo de combustible

EFICIENCIA EN FUNCIÓN A LA
RELACIÓN DE COMPRESIÓN
Fuente: [Cengel – 2012].

PARAMETROS ENERGÉTICOS DE UN
MODERNO MOTOR OTTO
Taller: ¿cómo se podrá aumentar la eficiencia efectiva de un motor otto?

CICLO DIESEL: EL CICLO IDEAL
PARA LAS MÁQUINAS DE ENCENDIDO
POR COMPRESIÓN
Diesel Motores son para fines móviles para la propulsión de barcos, automóviles
y camiones, sino también para fines para el funcionamiento máquinas de
conducción y generadores de energía propagado en todo el mundo.
Hoy en día los motores diesel y de gas son
pequeñas cogeneradores eléctricos de
aproximadamente 5 kW de Capacidad
comercializado

MOTORES DIESEL
Que los motores Diesel presentan mayor eficiencia que los motores
Otto, no solo esta en su mejor proceso termodinámico, sino en primera
línea en su alto relación de compresión.
Los motores hoy en día presentan una presión de inyección de
combustible de mas de 1000 bares, lo cual hace posible una mejor
atomización del combustible en pequeñas gotas.
Para minimizar las emisiones tóxicas se emplean:
• Common-Rail-Inkektion
• Variación de la rueda direccional
• Retroalimentación de gases de escape
Se utilizan motores diésel con aceites de palma, lo cual en estudios
recientes han dado como resultado que pueden ser causantes de
cancer

DIAGRAMAS T – s & P – v PARA MOTOR DIESEL

COMPARACIÓN DE EL TIEMPO DE
FORMACIÓN DE MEZCLA

Fuente: [Quaschning – 2011].
PARAMETROS ENERGÉTICOS DE
UN MODERNO MOTOR DIESEL

ECUACIONES DE EFICIENCIA
El grado de eficiencia termica es para motores diesel no solo
depende de ε tambien se toma en cuenta ψ y φ a través de la
introducción del factor K = K (ψ, φ)

EMISIÓN DE PARTÍCULAS
ENTRE MOTORES

CATALIZADOR
Fuente: http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/abgas/katalysator.htm

ELEMENTOS DE LA MÁQUINA
1. Un compresor de flujo axial
2. Una o varias cámaras de combustión (según el fabricante)
3. La turbina a gas
4. Sistemas auxiliares para su operación:
a) Sistemas de lubricación
b) Sistema de alimentación de combustible
c) Sistema de regulación de velocidad
d) Sistema de puesta en marcha y parada
e) Sistemas de protección de máquina
f) Sistema de acoplamiento hidráulico
g) Sistema de virado (virador)
5. Motor de lanzamiento (motor Diesel, o motor eléctrico)

VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS
a) Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño
b) Bajo costo de instalación
c) Rápida puesta en servicio
d) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como
son los movimientos roto alternativos de los motores de combustión
interna)
e) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es
prácticamente perfecto y simple, a diferencia de máquinas con
movimiento alternativos
f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de
combustión interna)
g) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en
movimiento
h) Sistema de lubricación más simple por lo expresado
anteriormente

DESVENTAJAS DE LA TURBINA A
GAS
Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible)
debido a:
1. Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta
temperatura de salida de los gases de escape por chimenea, entre
495ºC a 560 ºC
2. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada
por el compresor axial, en el orden de las ¾ partes, o sea un 75% de
la potencia total de la turbina

RENDIMIENTO TERMICO REAL
DE LA TURBINA A GAS
Sabemos que en toda máquina térmica el rendimiento y la potencia del
ciclo real siempre son inferiores a los del ciclo teórico por varias
razones, tales como:
1. La compresión no es isoentrópica
2. La expansión no es isoentrópica
3. En todo el sistema se producen pérdidas de presión
4. El proceso de la combustión es incompleto, por lo cual no toda la
energía química contenida en el combustible es liberada en ella como
energía calórica, debido a la presencia de inquemados
5. Existen pérdidas por radiación y convección a través de todo el
cuerpo de la máquina
6. Existen pérdidas de energía cinética a través de los gases de escape
la cual no se utiliza en las máquinas industriales

CLASIFICACION DE LAS
TURBINAS A GAS
Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican
en:
1. Turbinas a gas de acción
2. Turbinas a gas de reacción
También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de
estadios móviles, en cuyo caso pueden ser:
1. Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil)
2. Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles)
Igualmente cabe otra clasificación, la cual está en función del número
de ejes
de la turbina, pudiendo en este especto clasificarlas como:
1. Turbinas a gas de un solo eje
2. Turbinas a gas de dos ejes

REPRESENTACIÓN DE LAS
TRANSFORMACIONES REALES
LTT = TRABAJO TEÓRICO DE LA TURBINA
LTC = TRABAJO TEÓRICO DEL COMPRESOR
Ltm = Ltt – Ltc = Trabajo útil teórico de la máquina
Lrm = Lrt – Lrc = Trabajo útil real de la máquina

EL RENDIMIENTO REAL O
EFECTIVO ηe
El cociente Ltc/Ltt es la
relación de los trabajos
teóricos del compresor y de
la turbina.

MEJORAS EN EL CILO
BRAYTON
INTERCAMBIADOR DE CALOR INTERMEDIO

CICLO BRAYTON CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

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DETENCION DE LA TURBINA A GAS
Las principales secuencias para sacar de servicio una turbina a gas que acciona un
generador eléctrico son las siguientes:
1. Se empieza a bajar potencia eléctrica en el generador actuando sobre la válvula de
regulación de combustible hasta reducir la potencia a cero.
2. Se saca de paralelo el generador eléctrico.
3. Se pone en marcha la bomba auxiliar de aceite.
4. Se corta el suministro de combustible con lo cual empieza el período de
desaceleración del grupo.
5. Cuando el número de vueltas ha bajado a aproximadamente 3 a 5 rpm. entra en
funcionamiento el virador.
Este dispositivo está constituido por un motor eléctrico y un reductor de velocidad con lo
cual se alcanza un elevado par torsor, suficiente para hacer girar al grupo una vez que
éste se ha detenido.
El proceso de giro por acción del virador se realiza a fin de permitir un enfriamiento
uniforme del rotor de la turbina, evitando con ello que éste se deforme por diferencia de
temperaturas dentro del estator de la máquina.
Esta parte de la detención de la máquina es muy importante dado que si ésta se detiene,
al tener su rotor a alta temperatura, se produce una zona caliente en la parte superior
del eje del rotor, lo cual da lugar a que éste se tuerza con una convexidad hacia arriba.
1. Se detiene el virador cuando la temperatura en el interior de la turbina es muy
próxima a la temperatura ambiente.
2. Se detiene la bomba auxiliar de aceite.

BIBLIOGRAFÍA
1. http://www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas_termicas/03-turbina_a_gas.pdf
2. Strauß, Klaus (2006)
Krafwerktechnik
5., Auflage
Springer Verlag
Berlin – Deutschland
3. ÇENGEL, YUNUS A. (2012)
TERMODINÁMICA
SÉPTIMA EDICIÓN
McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.
México, D.F.
4. Calderón, Silvia (2012)
CICLOS DE POTENCIA DE GASES
Universidad de los Andes
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/silvimar/capVpotencia%20de%20gases.pdf

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