Tecnología Industrial II Bachillerato de Ciencias y Tecnología
Motores térmicos. Circuitos frigoríficos
IES PEDRO SIMÓN ABRIL (ALCARAZ)
CRITERIO DE EVALUACIÓN CR3. Identificar las partes de motores térmicos y eléctricos y describir su principio de funcionamiento. INDICADORES DE EVALUACIÓN 3.1. Describe los componentes básicos que rigen el funcionamiento de las máquinas térmicas, tanto de los motores de combustión externa como interna. 3.3. Resuelve problemas de máquinas térmicas y opera correctamente con sus magnitudes y unidades asociadas.
INDICADORES DE CONTENIDOS • Conocer los principios básicos que rigen el funcionamiento de las máquinas térmicas y frigoríficas. Ciclo de Carnot (m) •Saber clasificar las máquinas térmicas atendiendo a diferentes criterios (m). •Conocer los componentes de las máquinas de combustión externa e interna (m) •Dibujar y explicar los ciclos Otto y Diesel (m) •Relacionar los ciclos teóricos con el funcionamiento real de las máquinas. •Conocer otros ciclos de trabajo aplicables a máquinas de combustión interna o externa. •Resolver problemas para el cálculo de parámetros básicos del motor de combustión interna, máquina térmica y máquina frigorífica (m) •Describir el funcionamiento de la Bomba de Calor y determinar sus parámetros básicos. Unidad 6. Máquinas Térmicas
6.1. Ciclos termodinámicos. Ciclo de Carnot A. Procesos reversibles/irreversibles Proceso termodinámico reversible: cuando un leve cambio en el ambiente hace que el proceso recorra su trayectoria inversa. En un proceso reversible: a) en cualquier momento se puede invertir el sentido de la transformación, mediante una variación infinitamente pequeña de los parámetros que la definen. b) si la transformación es reversible, lo será del estado A al B y del B al A. Proceso termodinámico irreversible: no es posible invertir su trayectoria. La mayor parte de los procesos que tienen lugar en la naturaleza son irreversibles.
Cuando en un ciclo termodinámico el estado inicial y el final coinciden, decimos que el ciclo es cerrado. En caso contrario decimos que es abierto.
El trabajo efectuado por un sistema no sólo depende del estado inicial y final, sino del camino recorrido.
Unidad 6. Máquinas térmicas
6.1. Ciclos termodinámicos. Ciclo de Carnot (continuación) B. Motor térmico/Máquina frigorífica Motor térmico: Según Carnot, para que un sistema realice un determinado trabajo será necesario disponer como mínimo de dos focos caloríficos a distinta temperatura, así el calor se intercambia de forma natural en el sentido de las temperaturas crecientes, es decir, del foco de calor que está a más temperatura, (foco caliente), al foco de calor que se encuentra a menos temperatura, (foco frío). El sistema donde se realiza este proceso recibe el nombre de motor térmico, y su rendimiento viene expresado por la ecuación siguiente: W Q1
Q1 Q2 Q2 1 Q1 Q1
Máquina frigorífica: Absorbe una cantidad de calor Q2 de un foco frío y ceden calor Q1 a un foco caliente. Para ello requiera recibir trabajo. Para estas máquinas se define la eficiencia o coeficiente de efecto frigorífico (COP) como la relación entre el calor absorbido del foco frío y el trabajo necesario para ello: Q2 Q2 W Q1 Q 2 Unidad 6. Máquinas térmicas
6.1. Ciclos termodinámicos. Ciclo de Carnot (continuación) C. Ciclo de Carnot Es un ciclo teórico e ideal, con el que se podría obtener el máximo rendimiento de una máquina térmica, no se puede ejecutar físicamente por ninguna máquina térmica. Fue desarrollado por Carnot en 1842. Es un proceso cíclico simple compuesto por dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas y que tiene lugar reversiblemente, es decir se puede realizar tanto en el sentido de las agujas del reloj como en sentido contrario y que, además, esta inversión se puede realizar en cualquier punto. El ciclo de Carnot tiene lugar describiendo la curva cerrada que aparece representada en los diagramas P-V y T-S de la figura. Expansión isoterma
Expansión adiabática
A
B
D
C
Compresión adiabática
Compresión isoterma
Unidad 6. Máquinas térmicas
6.1. Ciclos termodinámicos. Ciclo de Carnot (continuación) C. Ciclo de Carnot El proceso termodinámico que realiza el fluido en el Ciclo de Carnot es el siguiente: 1-2: Expansión Isoterma: El fluido toma un calor (Q1) desde el foco caliente (T1), y realiza trabajo sobre el exterior, aumentando su volumen desde V1 a V2. Al no haber variación de temperatura, no hay variación de energía interna, por lo que el calor absorbido es igual al trabajo realizado en la expansión. El valor de este calor es: ∆U=0 W1=Q1=nRT1lnV2/V1 2-3: Expansión Adiabática: El fluido realiza trabajo aumentando su volumen desde V2 a V3, a expensas de su energía interna, disminuyendo su temperatura desde T1 a T2. La relación entre la temperatura inicial y final y el volumen final e inicial es, según se vio en el estudio de las transformaciones adiabáticas: T1 V2γ-1= T2 V3γ-1 ΔU = -W
W= p2V2 – p3V3 γ-1
3-4:Compresión Isoterma: El fluido cede un calor Q2 al foco frío T2, y recibe trabajo disminuyendo su volumen desde V3 aV4. Una vez más, al tratarse de una transformación sin variación de energía interna, el calor es igual al trabajo pero, en esta ocasión, al tratarse de calor cedido, la expresión que indica su valor tendrá signo negativo: Q2=W2= nRT2lnV3/V4 Unidad 6. Máquinas térmicas
6.1. Ciclos termodinámicos. Ciclo de Carnot (continuación) 4-1: Compresión Adiabática: el fluido recibe trabajo disminuyendo su volumen desde V4 a V1, lo que provoca que aumente su energía interna, aumentando consecuentemente su temperatura desde T2 a T1. Nuevamente podemos obtener una relación entre temperaturas y volúmenes: T2V4γ-1 = T1V1γ-1 De aquí se obtiene que: W Q1 Q2 Q2 Q1
Q1
1
Q1
Pero como tenemos un ciclo y la entropía es función de estado (sólo depende del estado inicial y final); en el ciclo completo ΔS=0 (en los sistemas reversibles la entropía permanece constante) ΔS=0 => ΔSAB+ ΔSBC+ΔSCD+ΔSDA=Q1/T1+0-Q2/T2+0=0 =>Q1/T1 = Q2/T2 El signo – se debe a que el calor sale del sistema
Es 0 porque como DS=Q/T y como en una adiabática Q=0 , entonces DS=0
Lo que hace que Q1 y Q2 sean proporcionales a T1 y T2 y podamos expresar el rendimiento del ciclo de Carnot como: W Q1
T1 T 2 T1
1
T2 T1
Otra manera de explicarlo sería según el diagrama entrópico: -Q1 se absorbe de A a B, luego sería el área por debajo de la recta A-B: Q1=T1.(S2-S1) -Q2 se desprende de C a D, luego sería el área por debajo de la recta C-D: Q2 =T2.(S2-S1) W T 1.( S 2 S1) T 2.( S 2 S1) T 1 T 2 T2 Luego: 1 Q1
T 1.( S 2 S1)
T1
T1
El rendimiento de la máquina de Carnot es el mayor rendimiento posible que puede obtener una máquina térmica que funcione entre dos focos a temperaturas T1 y T2. Unidad 6. Máquinas térmicas
6.2. Motores térmicos. Clasificación Motor térmico: máquina que tiene como misión transformar la energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo. Las fuentes de energía térmica pueden ser muy diversas (p.e. nuclear o solar), pero la procedente de la combustión de los combustibles, es la más importante. Los motores que utilizan este tipo de energía se denominan motores de combustión.
Clasificación de los motores a)
En función del lugar en el que se produzca la combustión:
a.1.) Motores de combustión externa: el calor que se desprende al quemarse el combustible, se transmite a un fluido intermedio, el cual produce energía mecánica a través de una máquina alternativa o rotativa. Ejemplos: máquinas de vapor o turbinas de vapor. a.2.) Motores de combustión interna: la combustión tiene lugar en una cámara interna del propio motor y los gases generados causan directamente, por expansión, el movimiento de los mecanismos del motor. Ejemplos: motores de explosión (diesel y gasolina), turbohélices,…
Los motores de combustión interna son más ligeros y de menores dimensiones, pero presentan como inconveniente el precio del combustible que han de utilizar. En los motores de combustión externa, el hecho de tener que utilizar un fluido intermedio para la transmisión del calor, limita la temperatura máxima que se puede alcanzar a unos 600ºC. A partir de esta temperatura las propiedades de los materiales empeoran notablemente. En los motores de combustión interna el calor no atraviesa las paredes del motor, combustión aproximadamente adiabática, con lo que se pueden alcanzar mayores temperaturas. Unidad 6. Máquinas térmicas
6.2. Motores térmicos. Clasificación (Continuación) b) En función de la forma en que se obtenga la energía mecánica: b.1.) Motores alternativos: el fluido de trabajo actúa sobre los pistones dotados de movimiento alternativo de subida y bajada. b.2.) Motores rotativos: el fluido actúa sobre pistones rotantes o sobre turbinas. b.3.).Motores de chorro: el fluido es el encargado de producir el empuje por el principio de acciónreacción.
6.3. Máquinas de combustión externa (MCE). Máquinas motrices de vapor. Uno de los primeros ingenios capaces de transformar la energía térmica fue la máquina motriz de vapor. En su versión alternativa han sido durante muchos tiempo los únicos motores térmicos disponibles y ha desempeñado un papel fundamental en la Revolución Industrial. Hoy en día, en su variante de turbina, siguen siendo muy empleadas en las centrales térmicas y nucleares.
Unidad 6. Máquinas térmicas
6.3. Máquinas de combustión externa. Máquinas motrices de vapor. (Continuación) A) Motores de Combustión Externa Alternativos.
El ejemplo más conocido es la máquina de vapor, cuyo funcionamiento es el siguiente: 1. El agua que proviene de la bomba entra en la caldera en fase líquida, a alta presión y temperatura próxima a la del ambiente.
2. En la caldera el agua absorbe el calor que procede de la combustión y eleva su temperatura hasta la ebullición. Este vapor seguirá aumentado su tempera hasta convertirse en vapor saturado a elevada presión. 3. El vapor saturado, entra en el cilindro donde la energía térmica se transforma en energía mecánica. El cilindro cuenta con un émbolo o pistón en su interior , que lo divide en dos partes (una para la entrada del vapor y otra para la salida del mismo). El cilindro se mueve de forma alternativa gracias al vapor procedente de la caldera, transformando el movimiento lineal en rotatorio a través de un sistema biela-manivela-volante de inercia. Por encima del cilindro se desplaza en dirección horizontal, un distribuidor, que también está unido al volante, y cuyo movimiento es opuesto al émbolo. De este modo, y gracias a una válvula de corredera, cuando la zona izquierda del cilindro está comunicada con la caldera, la derecha lo está con el condensador y viceversa. El movimiento sería alternativo continuo. Unidad 6. Máquinas térmicas
6.3. Máquinas de combustión externa. Máquinas motrices de vapor. (Continuación) 4. Finalmente cuando el vapor pierde su energía, pasa al condensador, donde se reduce su temperatura y se torna líquido. Este vapor licuado pasará de nuevo a la bomba, donde se elevará su presión antes de entrar de nuevo en la caldera y reiniciar el ciclo. Si el ciclo no fuera cerrado, el vapor pasaría a la atmósfera, con lo que no se necesitaría condensador, pero sí un gran depósito de agua.
B) Motores de Combustión Externa Rotativos. El funcionamiento de este motor es básicamente idéntico al del motor alternativo. La diferencia está en que el movimiento obtenido en este caso a partir del vapor es rotativo, sin que se necesiten elementos mecánicos para transformar el movimiento como ocurría en la máquina alternativa. Para conseguirlo, el vapor generado en la caldera se conduce mediante unas toberas hasta una turbina, donde incide sobre sus álabes, haciéndola girar como se observa en la figura 1.
Unidad 6. Máquinas térmicas
6.3. Máquinas de combustión externa. Máquinas motrices de vapor. (Continuación) El esquema de funcionamiento de este motor es el que se muestra en la figura 2. El agua entra en estado líquido en la caldera (foco caliente) y sale como vapor. El vapor se expande en la turbina, realizando trabajo que se traduce en la rotación de la misma. Una vez traspasada la turbina, el vapor llega al condensador, donde se pone en contacto con el foco frío y vuelve al estado líquido y, por último, mediante una bomba se aumenta la presión del líquido, haciéndolo pasar nuevamente por la caldera para repetir el ciclo. En este esquema aparecen unos elementos opcionales, que son empleados para aumentar el rendimiento de la instalación: - Sobrecalentador: permite aumentar la energía interna, aumentado su temperatura sin incrementar su presión. Esta energía interna se traducirá en una mayor energía cinética al pasar por las toberas. - Economizador: en su camino desde la turbina hacia el condensador, el vapor se pone en contacto con la tubería por la que fluye el agua líquida para calentar en parte el agua antes de entrar a la caldera, aprovechando de esta forma parte de la energía que se pierde en el condensador.
Unidad 6. Máquinas térmicas
CICLO DE RANKINE Resulta de aplicación a las máquinas térmicas de combustión externa, tanto alternativas como rotativas. Es la modificación del ciclo teórico de Carnot al funcionamiento de estas máquinas, debido a los fenómenos de condensación y evaporación, propuesto por el ingeniero escocés J.M. Rankine (18201872). En las figuras se representan los diagramas P-V y T-S. La línea más fina hace referencia al ciclo teórico que, evidentemente, se diferencia bastante del real, representado con la línea más gruesa. Transformación A-B: evaporación isobárica: el agua a su paso por la caldera, toma calor (Q1) generado por la combustión y pasa al estado de vapor. Idealmente este cambio de estado se produce a temperatura y presión constantes. Transformación B-C: expansión adiabática: el vapor incide sobre los álabes de la turbina o sobre el pistón, realizando un trabajo útil (W). Idealmente en esta transformación no hay intercambio de calor con el exterior. Transformación C-D: condensación isobárica: una vez que ha pasado a través de la turbina o del cilindro, el vapor llega al condensador, donde cede calor (Q2) al foco frío y se transforma de nuevo en líquido. Este cambio se produce idealmente a temperatura y presión constantes. Transformación D-A: compresión isocórica: la bomba aumenta la presión del agua líquida y la lleva nuevamente a la caldera. Al tratarse de un líquido este aumento de presión es, idealmente, a volumen constante.
Unidad 5. Principios Generales de Máquinas
6.4. Motores de combustión interna MCI En estos motores la combustión del combustible tiene lugar en el interior del propio órgano motriz (en el cilindro, si la máquina es alternativa, o en los rodetes si es rotativa). Aprovechan más eficazmente el calor que se genera por la combustión, aunque también se pierde energía por los gases de escape y en el circuito de refrigeración. La instalación de los turbocompresores y el uso del agua de refrigeración en los sistemas de calefacción y agua caliente, es una forma de reutilizar la energía, que de otra forma se perdería.
A) Motores Combustión Interna Rotativos: uno de los ejemplos más representativos es la turbina de gas. Órganos principales de la turbina de gas -Compresor. Constituido por dos elementos principales: el rotor y el difusor. El aire entrante es acelerado por el rotor, y el difusor transforma la energía cinética adquirida en energía de presión. El rotor puede ser centrífugo o radial. Dependiendo de las aplicaciones se emplea uno u otro. -Cámara de combustión. Tiene forma tubular: por un lado entra el aire proveniente del compresor, y por el otro salen los productos de la combustión. En su interior se encuentran los inyectores de combustible. Estas cámaras están diseñadas de forma que no todo el aire pase por el quemador, sino que se produzcan distintas corrientes. La corriente primaria es la que interviene directamente en la combustión, y el resto se mezcla con ella a la salida del quemador para disminuir la temperatura hasta un valor que no dañe a los álabes de la turbina. -Turbina. Formada por el distribuidor y el rotor. El distribuidor disminuye la presión de los gases calientes aumentando su velocidad, Esta velocidad se transforma en energía mecánica en el rotor.
Unidad 6. Máquinas térmicas
6.4. Motores de combustión interna (Continuación) Aplicaciones Una de las principales aplicaciones de la turbina de gas de ciclo abierto son las plantas de generación de energía eléctrica. En estas plantas se introducen todas las modificaciones mencionadas al principio para mejorar el rendimiento térmico, pues el peso o el volumen de la instalación no son factores determinantes. También pueden utilizarse como unidad motriz terrestre, marítima, y en helicópteros aunque su aplicación más destacada es, sin duda, la propulsión de aviones. Estos motores pueden presentar algunas variantes. Las más importantes son:
1.Turborreactor. La turbina sólo se emplea para obtener el trabajo necesario para mover el compresor y los sistemas auxiliares. Los gases a su salida son acelerados con una tobera, obteniéndose el empuje deseado en el avión. 2. Estatorreactor. Está diseñado para velocidades de vuelo supersónicas. No se necesita rotor en el compresor, pues con la compresión obtenida en el difusor es suficiente. 3. Turbohélices. A diferencia del turborreactor, la turbina está diseñada para obtener la máxima energía mecánica posible, que se emplea en mover una hélice
Unidad 6. Máquinas térmicas
CICLO DE BRAYTON Las turbinas de gas (turbinas de combustión), siguen en su funcionamiento el ciclo Diesel con expansión completa, llamado ciclo de Brayton. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles, según se indica en la figura, y describe el funcionamiento ideal de la turbina de gas.
1-2: Compresión adiabática (admisión): El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina 2-3: Calentamiento isóbaro (compresión). El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). 3-4: Exapansión adiabática (combustión-expansión): En la cámara, el aire es calentado por la combustión del combustible (habitualmente queroseno). Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro 2-3. El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática 3-4. 4-1: Enfriamiento isóbaro (escape): Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En los diagramas PV y TS esto corresponde a un enfriamiento a presión constante 3-4.
Unidad 5. Principios Generales de Máquinas
6.4. Motores de combustión interna (Continuación) B) Motores Combustión Interna Alternativos (MCIA): transforma la energía térmica en mecánica mediante uno o varios pistones, deslizándose con movimiento lineal por otros tantos cilindros.
Las partes fundamentales de un MCIA son: -La parte estructural fundamental del motor la forman la bancada y el bloque sobre los que van montados los demás elementos del motor.
Unidad 6. Máquinas térmicas
-El cilindro es el recipiente por el cual se desliza el pistón en movimiento alternativo. El pistón tiene forma de vaso invertido y está, unido a la biela mediante un bulón. Para conseguir el cierre hermético entre el cilindro y el pistón, éste está provisto de dos o tres segmentos (o aros), colocados en unas ranuras en su parte superior. Denominamos: •Punto muerto superior (PMS): punto más alto que alcanza el pistón en su movimiento •Punto muerto inferior (PMI): punto más bajo que alcanza el pistón en su movimiento. •Cilindrada: volumen barrido por el pistón. Es la diferencia entre el volumen libre del cilindro en el PMS y el PMI. •Carrera: recorrido que realiza el pistón, es decir a la distancia entre el PMS y el PMI. •Relación de compresión: razón entre el volumen libre del cilindro en el PMS y el PMI. Volumen del cilindro=superficie transversal x carrera Cilindrada= Volumen del cilindro x nº de cilindros
6.4. Motores de combustión interna (Continuación) La biela transmite el movimiento del pistón a la manivela del cigüeñal, el cual está soportado por cojinetes, transformando el movimiento lineal en rotativo. -Sobre la parte superior del bloque va montada la culata, que cierra los cilindros. El espacio que queda entre el pistón y la culata es la cámara de combustión, el lugar donde se produce la mezcla de combustible (gasolina o gasóleo) y comburente (aire). -La entrada del fluido de trabajo (gasolina por ejemplo) y la salida de los gases de combustión se realizan a través de las válvulas de admisión y escape respectivamente. Estas válvulas están situadas en la culata, directamente sobre el cilindro, y su movimiento de apertura y cierre está controlado por unos dispositivos mecánicos sincronizados. La distribución se encomienda al árbol de levas, que es conducido por el cigüeñal mediante algún sistema de transmisión (cadena, correa o engranajes). El giro de las levas se transforma en movimiento lineal de los taqués o empujadores, los cuales actúan sobre el balancín (*) que es el que abre la válvula. Cuando la leva ha pasado, la fuerza de un muelle hace cerrar la válvula ajustándola sobre su asiento.
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6.5. Motores de combustión interna de encendido provocado (MEP) Dentro de este grupo de motores, podemos distinguir entre los MCIA de encendido provocado (MEP) (OTTO o gasolina) de 4T o 2T y MCIA de encendido por compresión (MEC) (DIESEL) de 4T o 2T.
•Motores de encendido provocado de cuatro tiempos (MEP) Son los motores de gasolina aunque también pueden funcionar por otros combustibles como alcohol, butano, hidrógeno, etc. Desde el punto de vista termodinámico, en el funcionamiento de los motores de encendido por chispa se utiliza un ciclo termodinámico teórico llamado ciclo OTTO. Funcionamiento Básicamente el MEP se basa en un mecanismo cilindro-pistón que provoca un movimiento alternativo. En la parte superior del cilindro en donde se encuentran las válvulas en número de dos, tres, cuatro (comúnmente conocidos como 16V siempre que tenga cuatro cilindros) e incluso cinco (vehículos de grandes prestaciones), y las bujías en número de una normalmente aunque a veces dos (ej.: Alfa Romeo Twin Spark). En este tipo de motores en cada tiempo el cigüeñal da media vuelta.
Unidad 6. Máquinas térmicas
6.5. Motores de combustión interna de encendido provocado (MEP) (Continuación)
c) Explosión-expansión : la chispa de la bujía inflama la mezcla, y por la presión de los gases de la combustión el pistón es obligado a desplazarse hacia el PMI efectuando su tercera carrera, que será la única útil o de trabajo mecánico (este se almacena en forma de energía mecánica en el volante de inercia).
a) Carrera de admisión: el cilindro desciende desde el PMS (punto muerto superior) al PMI(punto muerto inferior) y se abre la válvula de admisión dejando entrar una mezcla airecombustible b) Carrera de compresión: el cilindro comienza a subir del PMI al PMS comprimiendo la mezcla aire-combustible. Las válvulas están cerradas.
Unidad 6. Máquinas térmicas
d) Escape: de nuevo comienza el pistón a subir abriéndose la válvula de escape y cerrándose cuando el pistón llega arriba e iniciándose un nuevo ciclo.
6.5. Motores de combustión interna de encendido provocado (MEP) (Continuación) El ciclo termodinámico aplicable a los MEP (tanto de 2T como de 4T) se denomina CICLO OTTO P
3 Q1
Wexp
2
4 Q2 Wcomp
1 V
El rendimiento del ciclo sería:
T 3
2
1 2 Compresión adiabática reversible, Q = 0 (carrera de compresión) 2 3 Aporte de calor a volumen constante 3 4 Expansión adiabática reversible 4 1 Enfriamiento a volumen constante Sus rendimientos reales oscilan alrededor del 30% ( 25-30%) puesto que, la adiabática sobre todo, no es real pues existen pérdidas.
4
1
S
1 r
1
Donde r = relación volumétrica de compresión (r = V1/V2) V1 = volumen total del cilindro V2 = volumen de la cámara de combustión γ = coeficiente adiabático
Aplicaciones de los MEP 4T •Automoción •Motores de hélice de aviación (solo pequeños aviones) •Propulsión marina (lanchas rápidas) •Grupos electrógenos pequeños, motobombas, cortacésped, etc. Unidad 6. Máquinas térmicas
1
6.5. Motores de combustión interna de encendido provocado (MEP) (Continuación) Admisión
Motores de encendido provocado de dos tiempos (MEP-2T) En el ciclo de dos tiempos se realiza el ciclo completo en dos carreras de pistón. Son motores mucho más simples que los de cuatro tiempos pues no poseen válvulas ni distribución. La entrada y salida de los gases se realiza a través de unos orificios laterales, llamados lumbreras, que quedan taponados o descubiertos por el propio pistón a lo largo de su recorrido por el interior del cilindro. La lumbrera de admisión (A) comunica el carburador con el cárter, y la lumbrera de escape (B) comunica el cilindro con el tubo de escape. La lumbrera de carga (C) permite que la mezcla situada en la parte inferior del motor pase al interior del cilindro para ser comprimida y quemada.
Unidad 6. Máquinas térmicas
Escape
Explosión-Expansión
Compresión
6.5. Motores de combustión interna de encendido provocado (MEP) (Continuación)
Ciclo OTTO de dos tiempos (2T) El ciclo es igual y la diferencia es que tiene aproximadamente un poco menos del doble de potencia por giro del cigüeñal, por el contrario el rendimiento es ligeramente menor porque se expulsa parte del combustible sin quemar y además en el cilindro en la fase de compresión junto con la mezcla fresca queda algo de gas quemado no desalojado. Aplicaciones Las aplicaciones de los motores MEP de dos tiempos son en donde se requiere poco peso y no importa mucho la pérdida
Unidad 6. Máquinas térmicas
6.6. Motores de combustiรณn interna de encendido por compresiรณn(MEC) Son los motores que usan como combustible el gasรณleo y se ajustan al ciclo termodinรกmico que describe el ciclo Diesel. Motores de encendido por compresiรณn (MEC-4T) El rendimiento del ciclo de Otto que sirve de base al funcionamiento de los motores de explosiรณn viene limitado por la relaciรณn de compresiรณn a la cual se produce la autoigniciรณn; sin embargo, si se comprime solamente aire y tras la compresiรณn se introduce un combustible adecuado, se pueden obtener rendimientos mรกs altos. ร ste es el fundamento de los motores Diesel, en los que si la compresiรณn es elevada se produce una autoigniciรณn, teniendo lugar en vez de la explosiรณn una combustiรณn progresiva. Esta autoigniciรณn puede producirse directamente en la cรกmara de combustiรณn (inyecciรณn directa, ej.: Audi A4-TDI) รณ en una precรกmara (inyecciรณn indirecta). Sintetizando las diferencias: โ ขEl combustible se inyecta y es gasรณleo. โ ขPor la vรกlvula de admisiรณn solo entra aire (por eso es mรกs fรกcil poner turbo que en gasolina) โ ขEl combustible se autoinflama.
Ciclo Diesel de cuatro tiempos (MEC-4T)
P
Q1 2
1 2 3 3
T 3
2 Compresiรณn adiabรกtica reversible 3 Expansiรณn isobรกrica (inyecciรณn lenta de combustible) 4 Expansiรณn adiabรกtica reversible 4 Enfriamiento a volumen constante
Wexp 4 4
Wcom p
Unidad 6. Mรกquinas tรฉrmicas
3
2 Q2
1
V
1
S
6.6. Motores de combustión interna de encendido por compresión(MEC) El rendimiento del ciclo Diesel sería:
Donde:
1
1 r
1
rc 1 (rc 1)
r = relación de compresión (V1/V2) rc = relación de combustión (V3/V2) γ= coeficiente adiabático
Es de notar que si el MEP y MEC tuviesen la misma relación de compresión, el MEP sería mayor que el del Mec , pero como no es así, porque en el MEP la relación de compresión se encuentra limitada por el peligro de autoinflamación, en la realidad el Mec Mep.
Motores de encendido por compresión de dos tiempos (MEC-2T) Se pueden establecer las mismas diferencias que con respecto al motor de gasolina. Sin embargo una diferencia fundamental es que al inyectar el combustible cuando yo deseo no pierdo tanto combustible. Por otra parte es más fácil la turboalimentación por lo que a este tipo de motores les espera un gran futuro, fundamentalmente en automoción con motores Diesel de 2T turboalimentados. Hoy en día se aplican sobre todo en motores de barcos llegando a un rendimiento del 46% (el mayor de un motor de combustión interna).
Unidad 6. Máquinas térmicas
6.7. Sobrealimentación de los MCI
Incrementa la potencia de los MCI, aumentando la cantidad de mezcla combustible admitida en el cilindro. Se consigue aumentando la presión de aire o la de la mezcla que entra al cilindro Para conseguirlo se intercala en el circuito de entrada un compresor, accionado por una turbina movida por los gases de escape: este dispositivo recibe el nombre de turbo-compresor. Como los gases se calientan a la salida del compresor, y este aumento de temperatura no resulta conveniente para incrementar la potencia, se suele instalar a la salida del compresor un intercambiador de calor, que tiene como misión enfriar los gases antes de que penetren en el motor. Este dispositivo se designa con el término inglés “ Turbo Intercooler”.
Recapitulando, un sistema de sobrealimentación consta de: -Turbina: Recoge energía de los gases de escape disminuyendo la presión de estos y obtiene energía cinética de rotación en el eje. -Compresor: Usa energía cinética (que le cede la turbina) y la emplea en aumentar la presión de los gases en la admisión. -Intercooler: Radiador que cede calor de los gases de admisión al exterior para aumentar su densidad (al estar más fríos) y aumentar por tanto la cantidad de gases de admisión que entran Unidad 6. Máquinas térmicas
6.7. Sobrealimentación de los MCI
En resumen la potencia de un motor se puede incrementar: • Aumentando el número de vueltas que da el motor: el inconveniente es que se complica el sincronismo o gestión del motor y se empeoran otros factores. • Mejorando el rendimiento. Con los sistemas de inyección se elimina la resistencia de los conductos del carburador, a la vez que dosificamos el combustible al punto justo y en el momento preciso. Al aumentar la relación de compresión se mejora el rendimiento, pero se requieren combustibles de mayor octanaje. • Aumentando la cilindrada, es decir, aumentando el número de cilindros del motor o la cilindrada de cada uno de ellos. • Aumentando la densidad del aire. Comprimiendo aire de forma que entre más cantidad en el mismo volumen: Sobrealimentación
Unidad 6. Máquinas térmicas
6.8. Balance Energético en los MCI De toda la energía introducida al motor con el combustible, sólo una parte se transforma en energía mecánica, perdiéndose el resto por diversos caminos.
Diagrama de Sankey
En general podemos decir que en un motor cualquiera se cumple: Poder calorífico del combustible = trabajo realizado + pérdidas Pérdidas = pérdidas por el agua de refrigeración + pérdidas por gases de escape + pérdidas por radiación calorífica. Unidad 6. Máquinas térmicas
6.9. Máquina frigorífica de Carnot Una máquina frigorífica es un motor térmico funcionando a la inversa, es decir, el fluido toma calor del foco frío y lo cede al caliente. Puesto que la transferencia de energía térmica se produce en sentido contrario al que tienen lugar de forma espontánea en la naturaleza, según el segundo principio de la Termodinámica, esto sólo puede realizarse consumiendo trabajo. Ambiente a Tc
Qc Tf<Tc
Máquina frigorífica
W
Qf
Recinto a Tf
Diagrama energético funcional Eficiencia o Coeficiente de Operación (COP) Unidad 6. Máquinas térmicas
Ciclo de Carnot
COP
Q2 W
Elementos básicos
Q2 Q1 Q2
6.10. Bomba de calor Se denomina Bomba de Calor a una máquina frigorífica cuyo objetivo no consiste en enfriar un determinado recinto sino calentarlo. Se trata por tanto de una máquina frigorífica, con la diferencia de que ahora nos interesa el calor expulsando en el condensador (Qc o Q1). Eficiencia o Coeficiente de Operación (COP)
COP
Q1 W
Q1 Q1 Q2
Unidad 6. Máquinas térmicas