Maquinas termicas apunte temas 1-4 PDF

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Maquinas termicas apunte temas 1-4...

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Tema 1: Clasificación de maquinas térmicas Definición: una maquina térmica es un dispositivo capaz de transformar parte de la energía interna de un combustible en trabajo útil, a desarrollar generalmente en un eje. La maquina realiza trabajo a través del combustible, interesa como el trabajo se desarrolla. Todos los combustibles proporcionan energía térmica, y esta debe ser susceptible (capaz) de transformarse en energía mecánica (movimiento) a través de los motores o maquinas térmicas. Carnot: un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe el ciclo de Carnot. Trabaja entre dos focos tomando calo Qc del foco caliente a la temperatura Tc, produciendo un trabajo W y cediendo un calor Qf al foco frio, a la temperatura Tf. Foco caliente: el proceso de combustión esta a alta temperatura gracias al calor desarrollado por el combustible. Foco frio: es generalmente el ambiente, donde se descarga parte de la energía desarrollada por el combustible. “no se puede transformar todo el calor de la fuente caliente en trabajo. Se perderá parte de esa energía hacia la fuente fría” Carnot. Esto se aplica a cualquier maquina térmica. Un procesa adiabático es un proceso que no transfiere calor. Si se aísla la maquina, va a subir la temperatura de la misma hasta llegar a la Tc, pero no habrá diferencia de temperatura y no se obtendrá trabajo. Si se eleva la Tc, y sigue aislada seguirá subiendo a temperatura de la maquina. El rendimiento de Carnot:

Tf Donde T es la temperatura absoluta en Kelvin Tc ηC=100 % Si la T f =0 K y T c =∞ → ηC =1−

Pero bajar la Tf a 0K es imposible por razones tecnológicas, lo mismo sucede para una temperatura infinita. En la cuestión practica, el mejor rendimiento se logra con la máquina de Carnot entre dos temperaturas definidas, (Tc y Tf) por los Ff y Fc. Para comparar dos máquinas se las deben comparar con el mismo foco frio y foco caliente. Ninguna maquina tiene mejor rendimiento que la de Carnot. La máquina de Carnot no existe, es ideal y no se la puede reproducir (un motor de CI tiene un rendimiento de entre el 20 y 30%). Fundamento 1º Principio de la termodinámica: la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma

ΔU =Q−W Conservación de energía. Cambio de energía solo para sistemas cerrados, no se intercambia energía o masa exterior.

interna, con el

∆ h=hf −hi Cambio de entalpia: sistemas abiertos, se considera el cambio de energía y masa con el ambiente 2º Principio de la termodinámica: Es imposible la transferencia de calor de un foco frío a otro (sin aporte de energía) Kelvin: No es posible ningún proceso cuyo resultado sea la conversión completa de calor en trabajo. ALFONSO-AMARILLA-OTTO

caliente

Clausius: No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo frío a otro más caliente. Clasificación de las maquinas térmicas De acuerdo al fluido activo las maquinas térmicas se clasifican en: De Combustión Interna : el combustible se quema dentro de la máquina y es parte del fluido activo (el que evoluciona en el ciclo termodinámico), como en el motor de un coche. El fluido activo es aire más combustible. Características:      

El fluido activo sufre transformaciones físico-químicas durante su evolución (proceso de combustión) solo pueden usarse combustibles que se queman completamente, sin dejar residuos nocivos para los elementos mecánicos del motor. El fluido activo solo puede ser gaseoso y durante su evolución en la maquina debe permanecer gaseoso No se necesita de intercambiadores de calor, puesto que la transformación de la energía interna del combustible se realiza dentro del mismo fluido activo El fluido activo debe ser renovado una vez que se ha completado su evolución dentro de la maquina, pues ha perdido su energía interna La temperatura de combustión coincide con la temperatura máxima de operación

De Combustión Externa: el combustible se quema fuera del motor, como en el caso de una máquina de vapor. El combustible se quema fuera de la maquina, el fluido activo puede ser vapor o aire. Por ejemplo, las primeras locomotoras o los barcos de vapor. Características:      

Durante la evolución del fluido a través de la maquina, el mismo solo sufre transformaciones físicas (presión, temperatura, etc.). Puede utilizarse cualquier tipo de combustible Puede utilizarse como fluido activo (agente intermediario para transportar calor) cualquier sustancia dilatable, en general se utilizan sistemas gaseosos (aire, agua, vapor de agua, etc.) Para la operación se necesita un generador de calor y dos intercambiadores (uno caliente y uno frio o la atmosfera) El fluido activo puede re circularse a través de la maquina si solo sufre transformaciones físicas La temperatura de combustión no es igual a la temperatura máxima de operación ya que el calor debe cederse a un fluido intermediario

A su vez de acuerdo a la naturaleza del fluido activo las maquinas térmicas se clasifican en: De Fluido Condensable: en el proceso, el fluido cambia de estado, el vapor se transforma en agua y viceversa De Fluido No Condensable: el fluido no cambia de estado, se utiliza el aire. A su vez de acuerdo a la forma de obtener la energía mecánica: Alternativas: la energía cinética adquirida por el fluido activo al producirse la combustión en un recinto de capacidad variable, se transforma en trabajo, desplazando una pared solida (pistón) que cede ante su presión. El punto de aplicación de la fuerza así generada (F = P.A) se desplaza con movimiento unidireccional que por medio de un mecanismo (biela-manivela) se transmite a una eje como movimiento rotativo Rotativas: el proceso de transformación consiste en: Orientar parcialmente la energía cinética molecular del fluido en energía cinética de escurrimiento (haciendo pasar un gas a través de una tobera, donde se produce una caída presión correlativa con el aumento de velocidad) y después, dirigiendo esa masa gaseosa sobre un juego de alabes móviles rígidamente vinculadas a un eje convenientemente orientadas y curvadas De Reacción: ofrece la posibilidad de realizar trabajo sin necesidad de contar con alabes móviles y paredes deformables, utilizan el principio de acción y reacción, usan el impulso generado para moverse ALFONSO-AMARILLA-OTTO

I =∆ P=F med . ∆ t

( )

dP mv =d dt dt

dv dm dP +m. =v . dt dt dt ∆ P=¿ Variación de cantidad movimiento ∆ t=¿ Intervalo de tiempo El impulso se debe a la cantidad de movimiento que genera una fuerza. Se genera impulso modificando la masa o la velocidad, en los cohetes a medida que avanzan, varia la masa (por la combustión del combustible) y varia la velocidad al tomar aire y expulsarlo a otra velocidad (calienta el aire, lo expande, cambia la densidad, cambia el volumen expulsándolo a otra velocidad). La salida de los gases (acción) producirá una reacción igual y de sentido contrario, haciendo desplazar el recipiente en la dirección opuesta a la que son expulsados los gases En resumen:

Turbina de vapor: Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de la cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (vapor) y el rodete, el cual cuenta con álabes de forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que puede cambiar de fases. Las turbinas de vapor son parte del ciclo de Rankine.

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Del diagrama T-S del ciclo ideal de Rankine vemos que: Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado.

η=

Lo que obtengo W T −W B = Lo queaporto QA

El calor aportado se obtiene del combustible, involucra los procesos 4-1. Partes: En una turbina de vapor se puede se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de alabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por alabes unidos a la carcasa de la turbina. También posee una entrada de vapor; extracción de vapor a la salida o intermedias (para mejorar el rendimiento y para que sea variable el funcionamiento) donde se extrae, se recalienta el vapor y se lo re inyecta a la turbina; sistemas de sellos; control de velocidad y potencia (si se abre más la entrada de vapor, se aumenta la velocidad, cambiando las rpm y por ende aumentando la potencia) Se las utilizan para potencias medias y elevadas (van desde 1MW de potencia) debido a los accesorios que necesita para su funcionamiento. Máquina de vapor: Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. Es una parte del ciclo de Rankine. Funcionamiento: Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, el cual es enviado a la máquina de vapor mediante una tubería. Al pasar por la válvula de corredera de doble o simple efecto (para enviar vapor de un lado o de ambos lados del embolo) el vapor entra en el cilindro empujando el émbolo o pistón. Mediante un mecanismo de biela-manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se ALFONSO-AMARILLA-OT

transforma en un movimiento de rotación en un eje. Una vez alcanzado el final de carrera la válvula, envía el vapor hacia la otra cara del cilindro o lo libera a la atmósfera, produciendo el retorno del émbolo hasta la posición inicial repitiendo el proceso. Antes de la válvula de corredera se encuentra una válvula de Watt (regulador centrífugo) que regula la presión de admisión regulando la velocidad. Son muy utilizadas en varias potencias, son más económicas y más sencillas que las turbinas. Son lentas porque el proceso de expansión es alternativo (las velocidades del embolo no pueden ser elevadas por la inercia). La máquina de vapor más moderna usa varias expansiones. Cuando baja la presión aumenta el volumen. Para volumen constante, cambio la sección o la carrera. Turbinas de Gas (Ciclo cerrado): El modelo termodinámico de la turbina de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton-Joule

El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, que está integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1-2 compresión isentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a P = constante en un intercambiador de calor 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a P = constante en un intercambiador de calor. El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor de temperatura elevada en el estado1, donde se le agrega energía a un proceso de presión constante, hasta que alcanza la temperatura elevada del estado 2. Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansión isentrópica, produciendo cierta potencia. El fluido sale de la turbina al estado 3 y pasa a ser enfriado, en un proceso a presión constante, en el intercambiador de calor de temperatura baja, de donde sale al estado 4, listo para entrar al compresor. Ahí el fluido es comprimido isentrópicamente al estado 1 y el ciclo se repite.

1

η=1− r

γ −1 γ

Siendo r = pB / pA la relación de presión igual al cociente entre la presión al final del proceso de compresión y al inicio de él. γ es el coeficiente adiabático, γ=c p/cv y depende del fluido. Se aumenta el rendimiento aumentando r o aumentando γ. Se mejora el ciclo aumentando la diferencia de temperatura entre la fuente fría y la caliente.

Motor de aire caliente (Stirling):

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El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frio, con lo cual se contrae y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Su ciclo de trabajo se conforma mediante dos transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen cte.) y dos isotermas (compresión y expansión a t = cte.)

El ciclo Stirling ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo: 

1-2. Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría.



2-3. Absorción de calor a volumen constante ( isocórico). El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor Qr y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión.



3-4. Expansión isoterma del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente.



4-1. Cesión de una cantidad de calor Qr al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido. Motores de combustión interna:

Turbina de gas (ciclo abierto): ALFONSO-AMARILLA-OTTO

Es similar al del ciclo cerrado la de ciclo cerrado con la diferencia que la adición de calor se realiza en una cámara de combustión, y la remoción del calor del fluido de trabajo se realiza a la presión atmosférica

1-2 compresión isentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a P = constante en un intercambiador de calor 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a P = constante. Remoción de calor a la atmósfera.

Funcionamiento: Un compresor dinámico (centrífugo o axial) eleva la presión del aire aspirado de la atmosfera y lo envía a la cámara de combustión, donde reacciona químicamente con el combustible que se inyecta en la misma. Los gases de combustión que salen de la cámara son dirigidos hacia las toberas, donde se produce una caída de presión con el correlativo aumento de la velocidad. La masa de gas a alta velocidad acciona entonces la corona de alabes móviles solidariamente vinculadas al eje de la turbina, donde transforma la energía cinetica adquirida en trabajo mecánico. Parte de ese trabajo se utiliza para accionar el compresor de aire, quedando el remanente como trabajo útil. Motor Wankel: Un motor Wankel es un motor rotativo de combustión interna formado básicamente por 4 piezas: el bloque, el rotor, el árbol motriz y el sistema de refrigeración. Éste se caracteriza por que en el mismo cilindro se efectúan sucesivamente los cuatro tiempos de trabajo; la admisión, la compresión, la combustión y el escape. Este motor consta de uno o varios rotores de tres caras con forma de triángulo equilátero de lados ligeramente convexos que giran dentro de un cilindro con una cavidad en forma de 8. Estos hacen los giros mediante una combinación de engranajes y comunican su movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira con un centro único. Funciona como un ciclo de cuatro tiempos con la diferencia que cada rotor lo hace simultáneamente, es decir, hace tres fases de trabajo por cada vuelta del árbol principal y trabaja a la vez ciclos independientes. Gracias a las lumbreras de admisión y escape entra la mezcla y salen los gases. De potencia son más compactos pero tienen más problemas, puesto que la compresión se realiza por el contacto entre las esquinas del rotor y la cámara, y donde es difícil conseguir una correcta lubricación. Estos tipos de motores para que funcionen bien necesitan un buen mantenimiento ya que por su fuerte desgaste resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del cilindro en rotación. Más o menos se tiene que hacer motor cada 6 años aproximadamente. El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con la cámara, delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expande y contraen alternativamente formando los ciclos de trabajo. Funcionamiento:

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1º Admisión: La admisión de la mezcla aire-combustible comienza cuando el vértice A descubre la lumbrera de admisión, el desplazamiento del rotor aumenta progresivamente el volumen de la cámara que va llenándose de aires frescos, hasta que el vértice C cierra al lumbrera. 2º Compresión: La mezcla admitida queda encerrada en la cámara de lado AC, que ahora disminuye su volumen produciéndose la compresión de los gases, Antes de llegar a la máxima compresión, con un cierto avance, se produce el encendido mediante el salto de la chispa en la o las bujías, iniciándose la combustión. 3º Explosión: El aumento de presión que produce la combustión, impulsa al rotor mientras se realiza la expansión de los gases, que se prolonga hasta que el vértice A abre la lumbrera de escape. 4º Escape: Una vez descubierta la lumbrera de escape, los gases quemados son expulsados a gran velocidad debido a la presión residual de la expansión. El giro del rotor va disminuyendo el volumen de la cámara hasta completar el proceso cuando el vértice C rebasa la lumbrera de escape. La eficacia del intercambio de gases depende de la posición de las lumbreras.

La cilindrada es la diferencia entre el volumen máximo y mínimo de una sola cámara. La relación de compresión es la relación entre el volumen máximo y mínimo. Motores alternativos: motores a explosión (nafteros y Diesel) Poseen un conjunto de elementos que se mueven según una ley fija y reproducible a intervalos regulares de tiempo, que permiten que la energía interna del combustible liberada durante la combustión se convierta en trabajo mecánico en el eje. Dichos elementos mecánico fundamentales son: el cilindro, dentro del cual se desliza con movimiento alternativo producido por el pistón, que se encuentra vinculado al eje del motor (cigüeñal) por la biela. La velocidad del pistón se anula dos veces durante su funcionamiento en correspondencia con los puntos extremos de su recorrido (puntos muertos). La posición más alejada del eje del motor se denomina punto muerto superior (PMS) y la más cercana, punto muerto inferior (PMI). La distancia entre ambos puntos muertos se denomina carrera. El pistón, en su movimiento alternativo periódico, forma con la cabeza o culata de cilindros una cámara de volumen variable. Al volumen mínimo (cuando el pistón se encuentre en el PMS) se lo denomina volumen cámara de combustión, y al máximo (cuando el pistón se encuentra en el PMI) volumen total. La diferencia entre ambos volúmenes es el volumen de cilindrada (igual al producto de la superficie del pistón por su carrera).

Las cuatro operaciones que realiza un motor alternativo son:  Admisión de la carga fresca.  Compresión de la carga ALFONSO-AMAR

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Combustión de la mezcla de combustible y expansión de los gases productos de la combustión. Expulsión o escape de dichos gases

Si se requieren dos vueltas de cigüeñal (cuatro carreras del pistón el motor es de cuatro tiempos). Si se requiere una sola vuelta de cigüeñal (dos carreras) el motor es de dos tiempos. A. Motor de cuatro tiempos: Teóricamente cada tiempo se realiza durante la duración de una carrera, en realidad algunos tiempos o fases se desarrollan durante un tiempo mayor que la duración de una carrera, y otros durante un tiempo menor, esto es a fin de asegurar la continuidad de los procesos de trabajo y mejorar el rendimiento del motor. 

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Admisión: durante esta fase la cámara de combustión se comunica con el exterior a través de la válvula de admisión, mientras que el pistón se mueve desde el PMS al P...