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• Edwin Garces

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Termodinámica II. 1-Ciclo Otto.

Esquema de un ciclo Otto de 4 tiempos en un diagrama P-V.

Ciclo Otto con valores exactos. El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Inventado por Nicolaus Otto en 1876. Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. 2-Ciclo de 4 tiempos (2 vueltas de cigüeñal). Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos. El ciclo de 4 tiempos consta de seis procesos, dos de los cuales (E-A y A-E) no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo:

1. E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga). 2. A-B: compresión de los gases e isoentrópica. 3. B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil. 4. C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo. 5. D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante. 6. A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga.)(isocónica).

Motor de cuatro tiempos 1. Durante la primera fase, el pistón se desplaza hasta el PMI (Punto Muerto Inferior) y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de forma gaseosa). 2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, una chispa en la bujía enciende la mezcla. 3. Durante la tercera fase, se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón, que la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.

4. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS (Punto Muerto Superior), expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga). Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación, ya sea mediante empleo del turbocompresor o mediante compresores volumétricos o también llamados compresores de desplazamiento positivo. 3-Ciclo de 2 tiempos (1 vuelta de cigüeñal),

Motor de dos tiempos 1.

(Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión hacia el cárter de precompresión .(Esto no significa que entre de forma gaseosa). Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido descendente, el pistón la comprime en el cárter inferior, hasta que se descubre la lumbrera de transferencia que lo comunica con la cámara de compresión, con lo que la mezcla fresca precomprimida ayuda a expulsar los gases quemados del escape. Cuando el pistón empieza a subir la lumbrera de transferencia permanece abierta una parte de la carrera y el cárter no coge aire fresco sino que retornan parte de los gases, perdiendo eficiencia de bombeo. A altas revoluciones se utiliza la inercia de la masa de los gases para minimizar este efecto.(renovación de la carga)

2. (Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro.

El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio. El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un rendimiento volumétrico menor y el escape de gases es menos eficaz. También son más contaminantes. Por otro lado, suelen dar más par motor en la unidad de tiempo (potencia) para la misma cilindrada, ya que este hace una explosión en cada revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles. En el pasado fueron sumamente populares por sus elevadas prestaciones en las motocicletas hasta una cierta cilindrada, ya que al aumentar ésta su consumo era excesivo. Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poca cilindrada (ciclomotores, desbrozadoras, cortasetos, motosierras, entre otros), ya que es más barato y sencillo de construir, y su emisión de contaminantes elevada es muy baja en valor absoluto. 4-Eficiencia del motor Otto. La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos para evitar la detonación. Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto número de octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos de la detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía. El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de compresión. Casi todos los motores de este tipo se fabrican para el transporte y deben trabajar variando la entrega de potencia constantemente. Debido a esto el rendimiento de los mismos cae bruscamente al trabajar con carga parcial (cuanto menos carga porcentualmente, peor rendimiento), ya que, cuando esto sucede la cámara de compresión mantiene su volumen dando una compresión real baja y transformando gran parte de la energía en calor. Algunos fabricantes han fabricado motores con sistemas de compresión variable, pero siempre dedicado a variar de aproximadamente 7:1 a 14:1 y en relación a las RPM. Para conseguir buenas eficiencias sería necesario variar la compresión desde 1:7 hasta 1:140 en casos de carga del 10% y hacerlo en relación a la cantidad de aire introducida para evitar detonaciones anticipadas.

5-Proporción de aire y combustible. Esta proporción ha de permanecer lo más uniforme posible, dentro de unos estrechos márgenes de variación, se denomina factor lambda y se sitúa alrededor de 14-15 partes de aire en peso por cada parte de gasolina en peso, estando la mezcla estequiométrica aire/gasolina en 14,7:1 6-Control del par motor. Se efectúa controlando la cantidad de aire o mezcla carburada que entra al motor, mediante el acelerador. De esta manera ajusta el conductor el par motor a la carga motor. La eficiencia o rendimiento de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, la pérdida de llenado en el proceso de renovación de la carga energía por la fricción y la refrigeración. En el ciclo Otto los motores trabajan en un rango de presiones de combustión de 25 a 30 bares, partiendo de una relación de compresión de 9 a 10, y en los que la relación de aire/combustible (factor lambda), toma valores de 0,9 a 1,1. 7-Invención del motor de combustión interna. El primer inventor, hacia 1862, fue el francés Alphonse Beau de Rochas. El segundo, hacia 1875, fue el alemán doctor Nikolaus August Otto. Como ninguno de ellos sabía de la patente del otro hasta que se fabricaron motores en ambos países, hubo un pleito. De Rochas ganó cierta suma de dinero, pero Otto se quedó con la fama: el principio termodinámico del motor de cuatro tiempos se llama aún ciclo de Otto. Otto construyó su motor en 1866 junto con su compatriota Eugen Langen. Se trataba de un motor de gas que poco después dio origen al motor de combustión interna de cuatro tiempos. Otto desarrolló esta máquina, que después llevaría su nombre (motor cíclico Otto), en versiones de cuatro y dos tiempos. 8-Descripción genérica del ciclo. En la figura 1 vemos el ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama P-V. El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de qué se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape. En los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teórico. Posteriormente veremos las diferencias que existen en un ciclo real. Las diferentes evoluciones que componen el ciclo son:



Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo.



Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo.



Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.

Este punto es un punto clave en el comportamiento real del ciclo, lo cual lo veremos más adelante. 

Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.



Ap. Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando se abre la válvula de escape.



Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero.

Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigueñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos.

9-Rendimiento del ciclo teórico. Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello usaremos el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir que supondremos que el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace seguir el ciclo y cuyas propiedades termodinámicas se mantienen constantes a lo largo de él. Esta es una simplificación, pues en realidad las propiedades termodinámicas de la mezcla y gases de combustión son diferentes. Sin embargo la simplificación permite sistematizar mejor el estudio del ciclo. El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades: -Evoluciones: 

La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se anulan.



La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas como evoluciones isócoras (a volumen constante).



La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen adiabáticas sin roce. Es decir DQ12 = 0 y DQ34 =0.

-Rendimiento:

Con los signos explícitos:

De donde:

Sacando factor común T1/T2 para referir a compresión de base:

Considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce:

Dividiendo (2)/(1):

Como V4 = V1 = Vmax y V2 = V3 = Vmin, se tiene que:

De donde:

Llamando V1/V2 = a, la razón de compresión, se tiene que:

10-Enunciado.

11-Descripción del ciclo. Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Este ciclo está formado por seis pasos, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión

Siendo r = VA / VB la razón de compresión igual al cociente entre el volumen al inicio del ciclo de compresión y al final de él. Para ello, halle el rendimiento a partir del calor que entra en el sistema y el que sale de él; exprese el resultado en términos de las temperaturas en los vértices del ciclo y, con ayuda de la ley de Poisson, relacione este resultado con los volúmenes VA y VB.

Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fases de operación de este motor son las siguientes: -Admisión (1). El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A. -Compresión (2). El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. -Combustión. Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible. -Expansión (3). La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D. -Escape (4). Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo. En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos. En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.

12-Eficiencia en función del calor. Al analizar el ciclo Otto ideal, podemos despreciar en el balance los procesos de admisión y de escape a presión constante A→E y E→A, ya que al ser idénticos y reversibles, en sentido opuesto, todo el calor y el trabajo que se intercambien en uno de ellos, se cancela con un término opuesto en el otro. -Intercambio de calor. De los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabáticos A→B y C→D, por definición. Sí se intercambia en los dos procesos isócoros. 

En la ignición de la mezcla B→C, una cierta cantidad de calor Qc (procedente de la energía interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a volumen constante, el calor coincide con el aumento de la energía interna

El subíndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto foco caliente. 

En la expulsión de los gases D→A el aire sale a una temperatura mayor que a la entrada, liberando posteriormente un calor | Qf | al ambiente. En el modelo de sistema cerrado, en el que nos imaginamos que es el mismo aire el que se comprime una y otra vez en el motor, modelamos esto como que el calor | Qf | es liberado en el proceso D→A, por enfriamiento. El valor absoluto viene de que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo es negativo. Su valor, análogamente al caso anterior, es

El subíndice "f" viene de que este calor se cede a un foco frío, que es el ambiente. -Trabajo realizado. De forma opuesta a lo que ocurre con el calor, no se realiza trabajo sobre el sistema en los dos procesos isócoros. Sí se realiza en los dos adiabáticos. 

En la compresión de la mezcla A→B, se realiza un trabajo positivo sobre el gas. Al ser un proceso adiabático, todo este trabajo se invierte en incrementar la energía interna, elevando su temperatura:



En la expansión C→D es el aire el que realiza trabajo sobre el pistón. De nuevo este trabajo útil equivale a la variación de la energía interna

Este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza. 

El trabajo útil realizado por el motor será el trabajo neto entregado, igual a lo que produce (en valor absoluto) menos lo que emplea en funcionar

Por tratarse de un proceso cíclico, la variación de la energía interna es nula al finalizar el ciclo. Esto implica que el calor neto introducido en el sistema debe ser igual al trabajo neto realizado por este, en valor absoluto.

Como se comprueba sustituyendo las relaciones anteriores. 13-Eficiencia en función de las temperaturas Sustituyendo las expresiones del calor que entra en el sistema, | Qc | , y el que sale de él, | Qf | , obtenemos la expresión del rendimiento

Vemos que el rendimiento no depende de la cantidad de aire que haya en la cámara, ya que n se cancela. Podemos simplificar estas expresiones observando que B→C y D→A son procesos isócoros, por lo que

Y que A→B y C→D son adiabáticos, por lo que cumplen la ley de Poisson (suponiéndolos reversibles)

Con γ = 1.4 la relación entre las capacidades caloríficas a presión constante y a volumen constante. Sustituyendo la igualdad de volúmenes

Y dividiendo la segunda por la primera, obtenemos la igualdad de proporciones

Restando la unidad a cada miembro

Intercambiando el denominador del primer miembro, con el numerador del último llegamos a

Y obtenemos finalmente el rendimiento

Esto es, la eficiencia depende solamente de la temperatura al inicio y al final del proceso de compresión, y no de la temperatura tras la combustión, o de la cantidad de calor que introduce ésta. Puesto que TB < TC, siendo TC la temperatura máxima que alcanza el aire, vemos ya que este ciclo va a tener un rendimiento menor que un ciclo de Carnot que opere entre esas las temperaturas TA y TC. 14-Eficiencia en función de la razón de compresión

Aplicando de nuevo la relación de Poisson

Podemos expresar el rendimiento como

Con r = VA / VB la razón de compresión entre el volumen inicial y el final.

La eficiencia teórica de un ciclo Otto depende, por tanto, exclusivamente de la razón de compresión. Para un valor típico de 8 esta eficiencia es del 56.5%. 15-Motor diésel. El motor diésel es un motor térmico que tiene combustión interna alternativa que se produce por la autoignicion del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel. Se diferencia del motor de gasolina en usar gasóleo como combustible. Ha sido uno de los más utilizados desde su creación. 16-Historia del motor diésel. El motor diésel fue inventado en el año 1893, por el ingeniero alemán Rudolf Diesel, empleado de la firma MAN, que por aquellos años ya estaba en la producción de motores y vehículos de carga rango pesado. Rudolf Diesel estudiaba los motores de alto rendimiento térmico, con el uso de combustibles alternativos en los motores de combustión interna. Su invento le costó muy caro, por culpa de un accidente que le provocó lesiones a él y a sus colaboradores y que casi le costó la vida a causa de la explosión de uno de sus motores experimentales. Durante años Diesel trabajó para poder utilizar otros combustibles diferentes a la gasolina, basados en principios de los motores de compresión sin ignición por chispa, cuyos orígenes se remontan a la máquina de vapor y que poseen una mayor prestación. Así fue como a finales del siglo XIX, en el año 1897, MAN produjo el primer motor conforme a los estudios de Rudolf Diesel, encontrando para su funcionamiento, un combustible poco volátil, que por aquellos años era muy utilizado, el llamado aceite liviano, más conocido como fuel oil que se utilizaba para alumbrar las lámparas de la calle.. 17-Constitución del motor diésel. El motor diésel de cuatro tiempos está formado básicamente por las siguientes mismas piezas que un motor de gasolina, algunas de las cuales son: 

Segmentos.



Bloque del motor.



Culata.



Cigüeñal.



Volante.



Pistón.



Árbol de levas.



Válvulas.



Cárter.

Mientras que los siguientes, son elementos que si bien la mayoría (excepto bujías de precalentamiento y toberas) son componentes comunes con los motores de gasolina, pueden ser de diseño y prestaciones diferentes: 

Bomba inyectora.



Ductos.



Inyectores.



Bomba de transferencia.



Toberas.



Bujías de Precalentamiento o calentadores.

18-Principio de funcionamiento del motor diésel. Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Este proceso es lo que se llama la autoinflamación. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la temperatura que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que tiene el inyector de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura (entre 700 y 900 °C)y alta presión. Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia fuera. Esta expansión, a diferencia del motor de gasolina es adiabática generando un movimiento rectilíneo a través de la carrera del pistón. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento rectilíneo alternativo (de va y viene, ida y vuelta) del pistón en un movimiento de rotación. Para que se produzca la autoinflamación es necesario alcanzar la temperatura de inflamación espontánea del diésel. En frío es necesario pre-calentar el diesel o emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo fluctuando entre los 220 °C y 350 °C, y que reciben la denominación de gasóleo o gasoil en inglés. 19-Conducción de plantas Diesel en buques. Así empieza en buques, antes de la puesta en marcha de un motor Diesel principal es necesaria una inspección de los circuitos de refrigeración y lubricación, y controlar sus niveles. Antes de su puesta en marcha se debe poner en funcionamiento un generador.

Limpiar los filtros de toma de agua de mar, de combustible y de aceite. Se debe hacer funcionar el virador con los grifos abiertos para purgar los cilindros, y verificar el nivel de agua de camisas. Debe precalentarse el combustible en caso de que éste sea viscoso (Hay motores donde esto no es necesario porque el Fuel Oil circula permanentemente con un sistema de calentamiento constante, que puede incluir desde precalentadores hasta recubrimiento calefaccionado de las tuberías de alta presión de inyección). Y una vez que se han eliminado todos los bloqueos, poner en funcionamiento el motor acorde a lo indicado por el puente de mando, el cual indicará mediante el telégrafo cuál es la velocidad deseada. 20-Ventajas y desventajas de los motores diésel. Comparados con los motores a gasolina, la principal ventaja de los motores diésel es su bajo costo de operación, debido al precio del combustible que necesita para funcionar. Existe una creciente demanda del mercado por motores de este tipo, especialmente en el área de turismo (desde la década de 1990, en muchos países europeos ya supera la mitad). Actualmente en los vehículos pequeños se está utilizando el sistema common-rail. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejorando las prestaciones del mismo; menor ruido (característico de estos motores) y una menor emisión de gases contaminantes. Las desventajas iniciales de estos motores (principalmente valor de adquisición, costos de mantenimiento, ruido y menos prestaciones) se están reduciendo debido a mejoras tecnológicas que se han hecho con el tiempo, en su diseño original sobre todo en inyección electrónica de combustible y mejoras en sistema de alimentación de aire forzado con accesorios como el turbocompresor. El uso de una precámara para los motores de automóviles, se consiguen prestaciones semejantes a las de los motores de gasolina, pero se presenta el inconveniente de incremento del consumo de combustible, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente desaparece. Durante los últimos años el precio del combustible ha superado a la gasolina común por al aumento de la demanda. Este hecho ha generado quejas de los consumidores de gasóleo, como es el caso de transportistas, agricultores o pescadores. 21-Aplicaciones de un motor diésel. Vista de un motor diésel de dos tiempos marino. Sección de un diésel de dos tiempos, con las válvulas de escape y el compresor mecánico para las lumbreras de admisión. Maquinaria pesada o agrícola de cuatro tiempos (camiones, tractores, cosechadoras). Automóviles de Turismo y de Competición. Propulsión ferroviaria 2T. Propulsión marina de cuatro tiempos hasta una cierta potencia, a partir de ahí dos tiempos.

Vehículos de propulsión a oruga. Grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia). Accionamiento industrial (bombas, compresores, etc., especialmente de emergencia). Propulsión aérea. 22-Ciclo termodinámico de los motores diésel. 

Primer tiempo.

Admisión.- En el Diagrama Teórico, el émbolo (pistón) efectúa su primera carrera o desplazamiento desde el PMS al PMI, aspirando aire de la atmósfera debidamente purificado a través del filtro, por el colector y la válvula de admisión que permanece abierta. Durante este tiempo la muñequilla del cigüeñal gira 180. En el Diagrama Real Práctico de Distribución la válvula de admisión abre grados antes que el pistón llegue al PMS, cuando el tiempo de escape aún no finaliza, esto favorece enormemente al barrido y expulsión de los gases quemados, lo cual se logra gracias a que la velocidad que produce la inercia de salida de estos gases es, en promedio, del orden de los 70 a 100 m/s, con esto se origina en el interior del cilindro y en el orificio de admisión una depresión de 0,2 a 0,4 bar, facilitando de este modo y con la ayuda de la presión atmosférica, el ingreso de la masa de aire al interior del cilindro por el conducto de admisión. En el Diagrama Real Práctico de Distribución la válvula de admisión abre grados antes que el pistón llegue al PMS, cuando el tiempo de escape aún no finaliza, esto favorece enormemente al barrido y expulsión de los gases quemados, lo cual se logra gracias a que la velocidad que produce la inercia de salida de estos gases es, en promedio, del orden de los 70 a 100 m/s, con esto se origina en el interior del cilindro y en el orificio de admisión una depresión de 0,2 a 0,4 bar, facilitando de este modo y con la ayuda de la presión atmosférica, el ingreso de la masa de aire al interior del cilindro por el conducto de admisión. El cierre de la válvula de admisión se produce después que el émbolo ha pasado el PMI entre 30 a 60º aproximadamente, aprovechando que la presión dentro del cilindro es inferior a la presión que produce la masa molecular de aire que ingresa por inercia a una velocidad en promedio de 50 a 80 m/s, logrando con esto compensar los defectos de llenado y mejorar el grado de compresión.

La temperatura alcanzada al final de la compresión es del orden de los 600 a 900°C y la temperatura de autoencendido del combustible diésel es alrededor de 300 a 400°C lo cual depende también de la calidad y el índice de cetano del mismo.



Segundo tiempo.

Compresión.- En el Diagrama Teórico con las dos válvulas cerradas el pistón (émbolo) en su carrera ascendente comprime la masa molecular de aire, elevando la presión y temperatura de la misma a medida que va reduciéndose el volumen hacia la cámara de combustión. La muñequilla del cigüeñal gira otros 180º completando la primera vuelta del árbol-motriz. El volante de inercia aporta una cantidad de energía que se transforma en calor absorbido la masa de aire. En el Diagrama Real Práctico de Distribución el volumen ocupado por la masa molecular de aire al cierre de la válvula de admisión va siendo reducido, elevando su vibración molecular con el incremento de la presión y temperatura que se logra a medida que el pistón efectúa su carrera ascendente, hasta alcanzar un valor máximo de compresión con el pistón en el PMS, quedando el volumen reducido a una cavidad formada entre la cabeza del pistón y la culata. La presión de compresión en los motores diésel oscila entre 30 a 55 bar y su relación de compresión tiene un margen que puede estar considerado en una reducción volumétrica del cilindro de catorce veces a una (14/1) llegando en algunos motores a tener una relación de compresión (Rc) de veintidós veces a una, lo cual depende del tipo de motor que se trate, esta relación está dada por una fórmula que relaciona al volumen de la cámara de compresión con el volumen del cilindro:

Fig. N° 05. Diagrama Teórico de un motor diésel.

La temperatura alcanzada al final de la compresión es del orden de los 600 a 900°C y la temperatura de autoencendido del combustible diésel es alrededor de 300 a 400°C lo cual depende también de la calidad y el índice de cetano del mismo.



Tercer tiempo.

Trabajo.- Grados antes de llegar el émbolo al PMS y finalizar el tiempo de compresión, se produce en el interior de la cámara de combustión la inyección de combustible, originando que la mezcla de aire e hidrocarburo se inflame y combustione; durante este proceso en que el pistón es desplazado hacia el PMS, se libera la energía potencial calorífica del combustible que se acumula en la cámara de combustión, lo que produce una elevada temperatura en la misma.

Fig. N° 06. Diagrama ciclo de un motor diésel. Con el incremento de temperatura, la energía cinética de las moléculas en combustión aumenta considerablemente y al chocar estas contra las paredes de la cámara de combustión y la cabeza del émbolo, generan la fuerza de empuje que obliga al pistón a desplazarse en carrera descendente hacia el PMI. Durante esta carrera, denominada carrera motriz, por ser la única que realiza trabajo, se produce la transformación de energía. En el proceso químico de la combustión del ciclo termodinámico, se deben distinguir dos fases importantes: 

La primera casi explosiva en la que sube la presión a volumen constante.



La segunda a presión constante mientras comienza a crecer el volumen.

En la fase de elevación súbita de la temperatura a volumen casi constante, la presión se eleva a su límite de 2 a 3 bar por grado de giro del cigüeñal, aunque es muy difícil medir esa pendiente con medios sencillos se puede apreciar entre los puntos B-C del gráfico. Sin embargo, la práctica permite distinguir perfectamente ese picado seco propio de una buena combustión y de una buena respuesta, a comparación del ruido de picado que se produce cuando la presión sube a razón de más de 3 bar por grado de giro del cigüeñal, debido a que la fuerza expansiva que surge de la reacción química del proceso de combustión se adelanta al PMS, lo cual no es conveniente, porque aunque no llegase a ocasionar un retroceso del émbolo, sí ocasionaría un gran aumento de la presión y en consecuencia un fuerte ruido de cojinetes que rompen la película de lubricación; tampoco conviene que la combustión se

retrase mucho porque todo el aumento de presión que se produzca después del PMS no tendría el suficiente tiempo de expandirse y al abrirse la válvula de escape se desperdiciaría gran parte de la energía que de otro modo podría aprovechase. Es importante que en el proceso químico de la combustión se adopten todas las ayudas posibles para conseguir una buena mezcla del aire y el combustible, renovándose a medida que la combustión avanza; esto se consigue con la velocidad de turbulencia que adquiere el aire al finalizar la compresión y con la dispersión y geometría del chorro de combustible que es inyectado, ya que: 

Cuanta mayor presión de entrada se tenga, más pequeñas serán las gotas y menor la penetración.



Cuanto mayor es el diámetro o la sección de entrada mayor es la penetración.



Cuanto mayor es la presión de compresión de la masa molecular de aire, menor es el ángulo de dispersión del chorro de combustible que es inyectado.

Espacio angular que recorre el cigüeñal entre los puntos A-B es el avance que hemos de darle por razones térmicas que originan retardos en el encendido del combustible que es inyectado en la cámara de combustión, es por eso que al espacio angular existente entre AB se le denomina "Retardo del Encendido"; pero cuando hablemos de la inyección del combustible se deberá sumar otro espacio angular o avance al recorrido del cigüeñal por razones mecánicas como son: 

El que se alcance la presión de abertura del inyector, es decir la presión hidráulica que debe alcanzar el combustible para vencer la inercia de la aguja y la fuerza antagónica del muelle.

Es necesario tener en cuenta que existe un avance que fija cada fabricante y que es muy variable, pues depende de la calidad del combustible, del tipo de cámara de combustión, del exceso de aire con que se trabaja, de la relación de compresión y en general de cada tipo de motor. Son muchas las presiones que entran en juego en el proceso químico de la combustión, por ejemplo: la compresión del aire, el tarado o apertura del inyector y la presión máxima que se alcanza un valor al cual se le denomina "Presión Máxima de Inyección" que es la presión directa que manda la bomba de inyección. La presión de apertura del inyector es superior a la de cierre que se produce cuando la bomba deja de inyectar. Para evitar que la descarga en el conducto de inyección produzca ondas hidráulicas de choque que originen variaciones en el momento de la inyección siguiente se dispone de una válvula de retención (impulsión/de reaspiración) que permite que la presión remanente en los conductos después de la inyección no sea nula o incluso negativa, sin que llegue tampoco a la presión de apertura del inyector; la elasticidad de estos conductos es el que provoca las variaciones hidráulicas que podrían originar inyecciones tardías.

En la evolución del proceso químico de la combustión, el comienzo del suministro "O" se produce al cierre del orificio de entrada o lumbrera de admisión por el émbolo-buzo en el interior de la bomba de inyección, con lo cual se origina una elevada presión hidráulica del combustible; que provoca el inicio de la inyección "A" al alcanzar ésta la presión de apertura de los inyectores. Al intervalo entre O-A se le denomina "Retraso de la Inyección". Al continuar la compresión se da origen al encendido e inflamación de la mezcla en varias partes del cilindro en el punto "B" la propagación de la flama es por todas partes extremadamente rápida y la masa gaseosa de aire y combustible se enciende casi simultáneamente causando el súbito aumento de la presión; este aumento de la presión está asociada con el volumen de combustible inyectado en forma atomizada durante la fase de retardación o retraso del encendido A-B. En el punto "C" que está situado al fin de esta etapa, la mayoría de combustible inyectado es quemado. La inyección de combustible continúa incluso después del punto "C" pero debido a la flama que se produjo por la masa gaseosa en combustión entre los puntos B-C, el combustible es quemado al mismo tiempo que es inyectado. Por consiguiente, cualquier cambio de la presión que ocurra durante los puntos C-D puede ser ajustado en cierta medida con la regulación apropiada del volumen de combustible inyectado. Los gases quemados, resultantes de la combustión se expanden, pero todo el combustible inyectado que no ha sido quemado hasta este momento, se quema durante este periodo de expansión. Cuando este periodo se prolonga la temperatura de escape aumenta y esto reduce la eficiencia térmica de la máquina, por consiguiente en esta fase D-E a la cual se le denomina de Combustión Tardía debe ser mantenido tan corta como sea posible. El tamaño, la distribución y el contacto de las partículas de combustible con la velocidad de turbulencia de aire afectan considerablemente el desarrollo químico de la combustión durante este periodo. Si el tiempo que dura la inyección se alarga mucho, el émbolo estará ya bajando y, por lo tanto, enfriando por expansión los gases, lo que provoca una regresión en el proceso químico de combustión con lo cual los gases saldrán sin estar totalmente quemados.

Fig. N° 07. Ciclo práctico de un motor Diésel. En la expansión de los gases quemados por efectos del aumento del volumen disminuye la presión interna y la temperatura ya que parte del calor generado se disipa por medio de las paredes del cilindro y las cámaras de refrigeración. En el tiempo de compresión el volante de inercia aporta una cantidad de energía que se transforma en calor que es absorbido por la masa de aire que está siendo comprimido. En el Diagrama Teórico el tiempo de trabajo o fuerza culmina cuando el pistón llega al PMI y la muñequilla del cigüeñal ha girado 180° más. En el Diagrama Real Práctico de Distribución el tiempo de trabajo o fuerza culmina con la apertura de la válvula de escape, efectuándose ésta grados antes que el pistón llegue al PMI y en plena carrera descendente. 

Cuarto tiempo.

Escape.- En el Diagrama Teórico la válvula de escape permanece abierta durante el recorrido ascendente del émbolo el cual efectúa el barrido de los gases quemados que salen al exterior por esta válvula. La muñequilla del cigüeñal efectúa otro giro de 180° completando las dos vueltas del árbol-motriz que corresponde al ciclo completo de trabajo. En el diagrama Real Practico de Distribución esta fase comienza con la apertura de la válvula de escape grados antes que el émbolo llegue al PMI y en plena carrera descendente aprovechando que la velocidad de desplazamiento de éste es inferior a la velocidad de expansión de los gases quemados, aliviando con esto la presión interna del cilindro y evitando contra presiones en el desplazamiento del émbolo. 

Translape (Translapo).

Es una fracción del ciclo completo de funcionamiento en donde se realiza un desfase de tiempo negativo, nulo o positivo, con lo cual se permite que culmine el tiempo de escape e

inicie el tiempo de admisión; es decir, es aquel lapso de tiempo en donde se culmina todo un ciclo de funcionamiento y se da inicio a otro nuevo en cada cilindro. Existen tres clases de traslapes: 

Traslape Negativo o Distribución Abierta.



Traslape Nulo.



Cero o Distribución Cerrada.

Traslape Positivo: Este tipo de traslape se utiliza actualmente debido a que corrige las cotas de distribución para compensar los defectos de llenado (en el tiempo de admisión) y evacuado (en el tiempo de escape) de gases, motivo por el cual se le denomina también "Distribución Cruzada" en el argot popular es muy conocido como "Cruce de Válvulas Resumen. 

No es frecuente que un gran invento sea obra de un solo hombre y el motor térmico no es una excepción. Todos los grandes hombres famosos de la física dieron en su época un valioso aporte, pero su gran desarrollo ha sido posible gracias a los trabajos de innumerables investigadores, artesanos de una de las más grandes realizaciones de la técnica.



En el ciclo termodinámico hemos podido apreciar, la importancia de algunas curvas características propias de un curso elemental de motores térmicos, la cual se ha tratado de combinar con el diagrama real práctico de Distribución del motor diésel, para conseguir un entendimiento más práctico del desarrollo evolutivo de los tiempos de admisión, compresión, trabajo y escape.

-Admisión. Teniendo al pistón grados antes de llegar al PMS la válvula de admisión abre y aunque el pistón esté todavía en carrera ascendente, el aire de la atmósfera ingresa al cilindro, debido a la depresión producida por la salida violenta de los gases quemados por el conducto de admisión y también por la propia presión atmosférica que empuja a esta masa de aire hacia el interior del cilindro. Luego el pistón al hacer su carrera descendente, genera dentro del cilindro, la depresión suficiente para que el aire siga su trayectoria hacia el interior del cilindro. La válvula de admisión termina de cerrar cuando el pistón pasa el PMS, debido a la diferencia de presiones existentes entre el interior y el exterior del cilindro. -Compresión. Con las dos válvulas cerradas y el pistón en carrera ascendente, el cilindro reduce aún más su volumen a una enésima parte del total, con lo cual se logra estar muy por encima del punto de inflamación del combustible diésel que es inyectado grados antes que el pistón llegue al PMS.

-Trabajo. La fuerza expansiva, producto de la combustión violenta, empuja al pistón hacia el PMI, con el cual se transforma en esta carrera la energía química del combustible en energía térmica resultando luego en energía mecánica y que es absorbida por el volante de inercia con el propósito de apoyar al pistón en los tiempos de escape, admisión y compresión. -Escape. Grados antes que el pistón llegue al PMI, abre la válvula de escape para liberar al cilindro del exceso de presión generado por la fuerza expansiva de los gases que estuvieron en combustión. Cuando el pistón está en carrera ascendente, la válvula de escape sigue abriendo, continuando la evacuación de gases pero esta vez por parte del pistón. La válvula de escape termina de cerrar pasando el PMS, tiempo en el cual los gases quemados adquieren inercia dinámica por su velocidad de salida. -Traslapo. Etapa en la cual se produce el barrido de los gases quemados y la oxigenación del cilindro por parte de la masa de aire procedente de la atmósfera. Inicia cuando empieza a abrir la válvula de admisión y finaliza cuando termina de cerrar la válvula de escape, siempre y cuando se trate de una distribución cruzada, se puede decir que es el tiempo en el cual se produce el término del tiempo de escape y el comienzo del tiempo de admisión. 23-Componentes principales.

Las 4 fases del ciclo de Brayton, de combustión interna, y elementos en que se desarrolla cada fase del ciclo en un turborreactor de simple flujo, de aviación. Los componentes principales de un motor de reacción son similares en los diferentes tipos de motor, aunque no todos los tipos contienen todos los componentes. Las principales partes incluyen: 

Entrada o toma de aire: para aviones subsónicos, la entrada de aire hacia el motor de reacción no presenta dificultades especiales, y consiste esencialmente en una apertura que está diseñada para reducir la resistencia como cualquier otro elemento del avión. Sin embargo, el aire que alcanza al compresor de un reactor normal debe viajar a una velocidad inferior a la del sonido, incluso en aviones supersónicos, para mantener una mecánica fluida en el compresor y los álabes de la turbina. A

velocidades supersónicas, las ondas de choque que se forman en la entrada de aire reduce la presión en el compresor. Algunas entradas de aire supersónicas utilizan sistemas, como un cono o rampa, para incrementar la presión y hacerlo más eficiente frente a las ondas de choque. 

Compresor o ventilador: el compresor está compuesto de varias etapas. Cada etapa consiste en álabes que rotan y estatores que permanecen estacionarios. El aire pasa a través del compresor, incrementando su presión y temperatura. La energía se deriva de la turbina que pasa por el rotor.



Eje: transporta energía desde la turbina al compresor y funciona a lo largo del motor. Puede haber hasta tres rotores concéntricos, girando a velocidades independientes, funcionando en sendos grupos de turbinas y compresores.



Cámara de combustión: es el lugar donde se quema continuamente el combustible en el aire comprimido.



Turbina: actuando como un molino de viento, extrayendo la energía de los gases calientes producidos en la cámara de combustión. Esta energía es utilizada para mover el compresor a través del rotor, ventiladores de derivación, hélices o incluso convertir la energía para utilizarla en otro lugar a través de una caja de accesorios con distintas salidas. El aire relativamente frío puede ser utilizado para refrigerar la cámara de combustión y los álabes de la turbina e impedir que se fundan.

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Postcombustor: utilizado principalmente en aviones militares, produce un empuje adicional quemando combustible en la zona de la tobera, generalmente de forma ineficiente, para aumentar la temperatura de entrada de la tobera.

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Tobera o salida: los gases calientes dejan el motor hacia la atmósfera a través de una tobera, cuyo objetivo es producir un aumento de la velocidad de estos gases. En la mayoría de los casos, la tobera es convergente o de área de flujo fija.

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Tobera supersónica: si la relación de presión de la tobera (la división entre presión de entrada de la tobera y la presión ambiente) es muy alta, para maximizar el empuje puede ser eficaz, a pesar del incremento de peso, utilizar una tobera convergente-divergente o de Laval. Este tipo de tobera es inicialmente convergente, pero más allá de la garganta (la zona más estrecha), empieza a incrementar su área en la parte divergente.

La optimización de un motor depende de muchos factores incluyendo el diseño de la toma de aire, el tamaño total, el número de etapas del compresor, el tipo de combustible, el número de etapas de salida, los materiales de los componentes, la cantidad de aire derivada en los casos donde se haga uso de derivación de aire, entre otros.

24-Diseños avanzados, -Turborreactor/estatorreactor combinado J-58. Los motores Pratt & Whitney J58 del SR-71 eran un diseño inusual: se podía transformar en el vuelo desde un turborreactor a un estatorreactor asistido por el compresor. A velocidades altas (superior a Mach 2,4), el motor utilizaba entradas de aire de geometría variable para dirigir el exceso de aire a seis conductos de derivación desde la cuarta etapa del compresor hacia el posquemador. El 80% del empuje del SR-71 a estas velocidades se obtenía de esta manera, aumentando el empuje específico entre un 10 y 15% y permitiendo el uso continuo a Mach 3,2. -Turborreactores prerrefrigerados. Los motores que necesitan funcionar a velocidades hipersónicas bajas pueden teóricamente tener un rendimiento más alto si el intercambiador de calor es utilizado para enfriar el aire entrante. La temperatura baja permite utilizar materiales más ligeros e inyectar más combustible. Esta idea se convirtió en diseños como SABRE, que permitiría el vuelo orbital en una etapa, y ATREX, que puede utilizar los motores como impulsores para vehículos espaciales. Esto ocurre de forma parecida a como lo hace un cohete en el momento de disparo. Una fuerza de 10g aumenta y el empuja es linealmente acelerante. -Estatorreactor nuclear. El Proyecto Pluto era un estatorreactor nuclear diseñado para impulsar un misil de crucero. En lugar de quemar combustible como los motores de reacción normales, el aire era calentado utilizando un reactor nuclear de alta temperatura. Esto elevaba el impulso específico del motor y se predecía que el estatorreactor podía volar durante meses a velocidades supersónicas. Sin embargo, la mayor desventaja es que no había un modo obvio de detener el motor una vez que se ponía en funcionamiento. Además, debido a que el reactor no estaba protegido, era peligroso estar en o alrededor de la trayectoria de vuelo del vehículo, aunque la salida de gases no era radiactiva. -Scramjets. Los scramjets o estatorreactores supersónicos son la evolución del estatorreactor que permite funcionar a mayores velocidades. Comparte la estructura similar que el estatorreactor, siendo básicamente un tubo que comprime el aire sin partes móviles. Sin embargo, en los scramjets el flujo de aire es supersónico a través de todo el motor, sin la necesidad de utilizar los difusores de los estatorreactores para mantener la velocidad del aire subsónica. Los scramjets empiezan a funcionar a velocidades de Mach 4 y tienen una velocidad máxima teórica de Mach 17. Los principales problemas de los scramjets son los relacionados con la refrigeración debido al calentamiento a altas velocidades.

25-Planta de energía de vapor. Principio de funcionamiento de las máquinas de vapor. -Ciclos de potencia de vapor. El vapor es el fluido de trabajo más empleado en los ciclos de potencia de vapor gracias a sus numerosas ventajas, como bajo costo, disponibilidad y alta entalpía de vaporización. Otros fluidos de trabajo incluyen al sodio, el potasio y el mercurio en aplicaciones de alta temperatura. El objetivo principal de una planta de potencia de vapor es producir energía eléctrica. El ciclo de Carnot no es un modelo adecuado para los ciclos de potencia de vapor porque no se puede alcanzar en la práctica. El ciclo modelo para los ciclos de potencia de vapor es el ciclo Rankine. -Ciclo Rankine. El ciclo Rankine es el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor. El ciclo ideal Rankine, Figura 2.28, no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto por los siguientes cuatro procesos reversibles: 1-2 Compresión isoentrópica en una bomba. 2-3 Adición de calor apresión constante en una caldera. 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina. 4-5 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.

Fig. 2.28 El ciclo ideal Rankine simple.

-Análisis de energía del ciclo ideal Rankine. Los componentes del ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y condensador) son dispositivos de flujo estacionario. Los cambios en la energía cinética y potencial del vapor suelen ser pequeños respecto de los términos de trabajo y de transferencia de calor y, por consiguiente, casi siempre se ignoran. Por lo tanto, se aplican las ecuaciones 2.62 y 2.63 que corresponden a la ecuación de conservación de la masa y a la de conservación de la energía para flujo estacionario. Para la caldera:

Para la turbina:

Para el condensador:

Para la bomba:

Por ser el proceso en la bomba, adiabático reversible, se puede utilizar la ecuación 2.120, resultando sencilla la integración ya que el volumen específico del fluido en una bomba, se puede considerar constante. Se escoge como volumen específico el volumen del líquido saturado a la entrada de la bomba:

-Ciclo de potencia de vapor real. En el ciclo real se consideran las irreversibilidades en diversos componentes. La fricción del fluido y las pérdidas de calor indeseables hacia los alrededores son las dos fuentes más comunes de irreversibilidades. De particular importancia son las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y la turbina. Una bomba requiere una entrada de trabajo mayor, y una turbina produce una salida de trabajo más pequeña como consecuencia de las irreversibilidades. En condiciones ideales, el flujo por estos dispositivos es isoentrópico. La desviación de las bombas y

turbinas reales de las isoentrópicas se compensa exactamente empleando eficiencias adiabáticas, definidas como: Para la bomba:

Para la turbina:

Donde los estados 1r y 3r son los estados de salida reales de la bomba y la turbina respectivamente, 1i y 3i son los estados correspondientes para el caso isoentrópico. Figura 2.29.

Fig. 2.29 Efecto de las irreversibilidades en el ciclo ideal Rankine. 26-Eficiencia térmica del ciclo. La eficiencia térmica del ciclo es la eficiencia para una máquina térmica

27-Incremento de la eficiencia del ciclo Rankine. La eficiencia térmica del ciclo Rankine se incrementa elevando la temperatura promedio a la cual se añade calor al fluido de trabajo y/o disminuyendo la temperatura promedio a la cual se rechaza el calor hacia el medio de enfriamiento, como un lago o un río. La temperatura promedio durante el rechazo de calor se reduce bajando la presión de salida de

la turbina. En consecuencia, la presión del condensador está bastante por debajo de la presión atmosférica es decir corresponde a presión de vacío. La temperatura promedio durante la adición de calor se incrementa elevando la presión de la caldera o sobrecalentando el fluido altas temperaturas. Sin embargo, hay un límite para el grado de sobrecalentamiento, puesto que no se permite que la temperatura del fluido exceda un valor metalúrgicamente seguro. 28-Ciclo ideal Rankine con recalentamiento. El sobrecalentamiento tiene la ventaja adicional de disminuir el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina. Sin embargo, al disminuir la presión de escape o elevar la presión de la caldera se aumenta el contenido de humedad. Para aprovechar las mejores eficiencias a presiones más altas en la caldera y presiones menores en el condensador, el vapor suele recalentarse después de que se expande parcialmente en la turbina de alta presión, como nuestra la Figura 2.30. Esto se logra recalentando el vapor nuevamente en la caldera, después de haberse expandido en la turbina de alta presión. El vapor recalentado sale de la caldera y se expande en la turbina de baja presión hasta la presión del condensador. El recalentamiento disminuye el contenido de humedad a la salida de la turbina. 29-Ciclo ideal Rankine con regeneración. Otra manera de aumentar la eficiencia térmica del ciclo Rankine es por medio de la regeneración. Durante un proceso de este tipo, el agua líquida (agua de alimentación) que sale de la bomba se calienta mediante algo de vapor extraído de la turbina a cierta presión intermedia en dispositivos denominados calentadores de agua de alimentación. Figura 2.31. Las dos corrientes se mezclan en calentadores de agua de alimentación abiertos, y la mezcla sale como un líquido saturado a la presión del calentador. En calentadores de agua de alimentación cerrados, el calor se transfiere del vapor al agua de alimentación sin mezcla. Por tanto, un calentador de agua de alimentación abierto es, en esencia, una cámara de mezcla, y un calentador de agua de alimentación cerrado es un intercambiador de calor. Figura 2.32

Fig. 2.30 El ciclo ideal Rankine con recalentamiento.

Fig. 2.31. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación abierto.

Fig. 2.32. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación cerrado. 30-Elementos básicos de una planta térmica de vapor.

La flecha superior indica la excitatriz BA Bomba de Alimentación de Caldera. BC Bomba de Condensado. BE Bomba de Enfriamiento o de Circulación. VTF Ventilador de Tiro Forzado. VTI Ventilador de Tiro Inducido. -Caldera: cubierta exterior de láminas y perfiles metálicos autosoportados, con paredes interiores hechas de ladrillos refractarios, sobre las que se colocan las tuberías, las que

terminan en cabezales comunes que se conectan al tanque de evaporación. Dependiendo del combustible empleado y del patrón de combustión, se ajusta la geometría de la caldera. El aire tomado de la atmósfera por el ventilador de tiro inducido., frecuentemente es precalentado, para recuperar parte de la energía térmica que se escapa por la chimenea. Para mejorar el flujo de los gases en combustión y aumentar la transferencia de calor a los tubos evaporadores, las calderas se dotan de ventiladores de tiro inducido, que succionan los gases y los envían a la chimenea. Debido a las altas temperaturas y presencia de elementos extraños en el combustible, los tubos de la caldera deben ser revisados y limpiados periódicamente. Los residuos de la combustión y el producto de la limpieza de los tubos constituyen elementos contaminantes cuyo destino puede crear serios problemas. Los gases que se devuelven a la atmósfera, también deben ser motivo de especial atención por su contenido de CO2, azufre y otros contaminantes. Dependiendo de la instalación y de los objetivos que tenga, es posible que varias calderas se conecten a un cabezal común, al cual se conecten a la vez varios turbogeneradores. Eso tiene la ventaja de que cuando se pierde un elemento operativo (turbogenerador o caldera) los restantes equipos pueden redistribuirse la demanda. La más frecuente práctica actual es tener unidades independientes. Para mejorar la eficiencia térmica de la plantas, se recalienta el vapor antes llevarlo a la turbina. Es fundamental mantener el nivel indicado de agua en las calderas, así como también someter el agua a un tratamiento adecuado. -Turbina: la turbina convierte la energía térmica del vapor en energía mecánica que impulsa el generador. El vapor se expande progresivamente a medida que pasa por las varias etapas de la turbina y se pueden realizar varias extracciones de vapor, bien sea utilizándolo para aumentar la temperatura del agua que se inyecta a la caldera, bien sea para llevarlo de nuevo a la caldera para aumentar su temperatura y volumen antes de pasarlo por la siguiente etapa de la turbina. En el diagrama se muestra la turbina dentro de un solo envoltorio o carcasa, en la práctica puede darse el caso que las diferentes etapas de la turbina se instalen en carcasas diferentes, aunque mantengan un eje común, que comparten con el generador. -Condensador: en la etapa final de su recorrido el vapor es llevado a presiones por debajo de la presión atmosférica, para lo cual es necesario mantener un vacío a la salida de la turbina. En esas condiciones el vapor pasa por el condensador, donde un conjunto de tubos por cuyo interior circula agua a baja temperatura, lo que produce su condensación. Obtener agua de la temperatura y cantidades adecuadas es un factor determinante para definir la ubicación de una planta. Por cuanto el proceso de condensación eleva la temperatura del agua utilizada para el enfriamiento, es preciso tomar las previsiones del caso para evitar la recirculación de dicha agua. Junto con los gases de escape de la caldera, la contaminación térmica derivada de la condensación del vapor es un problema ambiental importante.

Pese a las previsiones que se toman para preservar los sellos del circuito vapor/condensado, dados los volúmenes que se manejan se producen pérdidas cuantiosas de agua y vapor, las cuales es necesario reponer. Además de reponer el agua, las plantas requieren un cuidadoso tratamiento de aguas. La(s) bomba(s) de alimentación son otro componente fundamental y con frecuencia se instalan duplicadas o tres unidades de 50% de capacidad c/u. Frecuentemente son movidas por turbinas de vapor. 31-Consideración fundamental. Una termoeléctrica de vapor, está compuesta por un variado y numeroso conjunto de subsistemas, cada uno de los cuales maneja similares, pero característicos procesos de conversión energética, tanto en equipos fijos con constante movimiento de fluidos, como es el caso de los intercambiadores de calor (caldera, condensador), como en equipos rotativos donde ocurre generalmente una doble conversión: hidro–mecánica y electro-mecánica. Incluyéndose dentro del concepto hidro-mecánico, el fluido de gases de combustión impulsado por los ventiladores, así como el fluido de lubricantes líquidos impulsado por bombas.