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UNIDAD II CICLOS TERMODINAMICOS

CICLOS TERMODIANAMICOS * RELACION DE AIRE – COMBUSTIBLE. * PROPIEDAD DE LOS GASES DE COMBUSTION. * MOTOR TURBOALIMENTADO. * COMPARACION DE CICLOS TERMODINAMICOS.

RELACIÓN AIRE - COMBUSTIBLE

RELACIÓN AIRE - COMBUSTIBLE.

De acuerdo con G. VAN WYLEN : "Es la razón teórica entre masa o moles de aire teórico y la masa o moles de combustible".

- Si la cantidad de aire suministrado en una combustión es inferior al aire teórico necesario la combustión será incompleta y habrá presencia de CO. La combustión incompleta se debe a tres causas: a) Insuficiencia de Oxígeno. b) Mezcla imperfecta entre el Oxígeno y el combustible. c) Temperatura demasiado baja para mantener la combustión.

La siguiente curva representa las características de un motor de encendido por chispa en función de diferentes relaciones aire-combustible.

Las características de un motor Diesel se especifican en la siguiente gráfica: La relación aire combustible dada por:

PROPIEDADES DE LOS GASES DE COMBUSTION

MONÓXIDO DE CARBONO.

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El monóxido de carbono se forma al quemar carbono o sustancias compuestas de carbono con una cantidad insuficiente de aire. El monóxido de carbono es un importante combustible industrial y un componente del gas pobre, del gas de altos hornos y del gas de hulla.

DIÓXIDO DE CARBONO.

El dióxido de carbono se produce por diversos procesos: 

Por combustión u oxidación de materiales, que contienen:

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carbono, como el carbón, la madera, el aceite o algunos alimentos. Por la fermentación de azúcares. Por la descomposición de los carbonatos bajo la acción del calor o los ácidos.

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El dióxido de carbono se usa para fabricar carbonato de sodio, Na2CO3 · 1OH2O (sosa para lavar), e hidrogeno-carbonato de sodio, NaHCO3 (bicarbonato de sodio). El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco, se usa mucho como refrigerante. Su capacidad para enfriar es casi el doble que la del hielo del agua; sus ventajas son que no pasa a líquido sino que se convierte en un gas, produciendo una atmósfera inerte que reduce el crecimiento de las bacterias. La presencia de dióxido de carbono en la sangre estimula la respiración. Por esa razón se le añade dióxido de carbono al oxígeno o aire ordinario en la respiración artificial, y a los gases utilizados en la anestesia.

HIDROCARBUROS. 

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Son los compuestos orgánicos más simples y pueden ser considerados como las sustancias principales de las que se derivan todos los demás compuestos orgánicos. Los hidrocarburos se clasifican en dos grupos principales:

de cadenas abiertas y cíclicas. 

COMPUESTOS DE CADENA ABIERTA: contienen más de un átomo de

carbono, estos están unidos entre sí formando una cadena lineal que puede tener una o más ramificaciones. 

COMPUESTOS CÍCLICOS: los átomos de carbono forman uno o más

anillos cerrados. Los dos grupos principales se subdividen según su comportamiento químico en saturados e insaturados.

TABLA DE HIDROCARBUROS

NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS

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En la siguiente tabla se enlistan las reactividades relativas en gramos de ozono (potencial) por gramo de hidrocarburo de los nueve hidrocarburos más importantes en los gases de escape. Sustancia Metano Etano 0.25 Benceno propano Metanol Tolueno formaldehido Etileno m-Xileno 1-3-Butadieno

g O3 / g hidrocarburo * 0.0148 0.42 0.48 0.56 2.73 7.15 7.29 8.16 10.89

* Gramos de ozono producidos por cada gramo de hidrocarburo

ALCANOS

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Los hidrocarburos saturados de cadena abierta forman un grupo homólogo denominado alcanos o parafinas.

Todos los miembros alcanos son inertes, es decir, no reaccionan fácilmente a temperaturas ordinarias con reactivos como los ácidos, los álcalis o los oxidantes. Los primeros cuatro miembros del grupo son gases a presión y temperatura ambiente; los miembros intermedios son líquidos, y los miembros más pesados son semisólidos o sólidos.

ALQUENOS 

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El grupo de los alquenos u olefinas está formado por hidrocarburos de cadena abierta en los que existe un doble enlace entre dos átomos de carbono.

Al igual que los alcanos, los miembros más bajos son gases, los compuestos intermedios son líquidos y los más altos son sólidos. Los compuestos del grupo de los alquenos son más reactivos químicamente que los compuestos saturados. No se encuentran en los productos naturales, pero se obtienen en la destilación destructiva de sustancias naturales complejas, como el carbón, y en grandes cantidades en las refinerías de petróleo, especialmente en el proceso de craqueo.

ALQUINOS

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Los miembros del grupo de los alquinos contienen un triple enlace entre dos átomos de carbono de la molécula.

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Son muy activos químicamente y no se presentan libres en la naturaleza.

Forman un grupo análogo al de los alquenos. El primero y más importante de los miembros del grupo es el etino, C2H2.

HIDROCARBUROS CÍCLICOS 

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El más simple de los hidrocarburos cíclicos saturados o cicloalcanos es el ciclopropano, C3H6, cuyas moléculas están formadas por tres átomos de carbono con dos átomos de hidrógeno unidos a cada uno de ellos. Varios hidrocarburos cíclicos insaturados, cuya fórmula general es C10H16, se encuentran en algunos aceites naturales aromáticos y se destilan de los materiales vegetales. El grupo más importante entre los hidrocarburos cíclicos insaturados es el de los aromáticos, que se encuentran en el alquitrán de hulla. Entre los hidrocarburos aromáticos se encuentran el benceno, el tolueno, el antraceno y el naftaleno.

MOTOR TURBOALIMENTADO

MOTOR TURBOALIMENTADO

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Tiene la particularidad de aprovechar la fuerza con la que salen los gases de escape para impulsar una turbina colocada en la salida del colector de escape, dicha turbina se une mediante un eje a un compresor. El compresor esta colocado en la entrada del colector de admisión, con el movimiento giratorio que le transmite la turbina a través del eje común, el compresor eleva la presión del aire que entra a través del filtro y consigue que mejore la alimentación del motor.

TURBOCOMPRESOR

CONSTITUCIÓN DE UN TURBOCOMPRESOR 

Los elementos principales que forman un turbo son:

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Eje común que tiene en sus extremos los rodetes de la turbina.

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

Compresor este conjunto gira sobre los cojinetes de apoyo, los cuales han de trabajar en condiciones extremas y que dependen necesariamente de un circuito de engrase que los lubrica Por otra parte el turbo sufre una constante aceleración a medida que el motor sube de revoluciones y como no hay limite alguno en el giro de la turbina empujada por los gases de escape, la presión que alcanza el aire en el colector de admisión sometido a la acción del compresor puede ser tal que sea mas un inconveniente que una ventaja a la hora de sobrealimentar el motor.

CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DEL TURBO.

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Funcionamiento a ralentí y carga parcial inferior: En estas condiciones el rodete de la turbina de los gases de escape es impulsado por medio de la baja energía de los gases de escape, y el aire fresco aspirado por los cilindros no será precomprimido por la turbina del compresor, simple aspiración del motor. Funcionamiento a carga parcial media: Cuando la presión en el colector de aspiración (entre el turbo y los cilindros) se acerca la atmosférica, se impulsa la rueda de la turbina a un régimen de revoluciones mas elevado y el aire fresco aspirado por el rodete del compresor es precomprimido y conducido hacia los cilindros bajo presión atmosférica o ligeramente superior, actuando ya el turbo en su función de sobrealimentación del motor.

Funcionamiento a carga parcial superior y plena carga: En esta fase continua aumentando la energía de los gases de escape sobre la turbina del turbo y se alcanzara el valor máximo de presión en el colector de admisión que debe ser limitada por un sistema de control (válvula de descarga). En esta fase el aire fresco aspirado por el rodete del compresor es comprimido a la máxima presión que no debe sobrepasar los 0,9 bar en los turbos normales y 1,2 en los turbos de geometría variable.

Constitución de un turbocompresor

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Los elementos principales que forman un turbo son el eje común (3) que tiene en sus extremos los rodetes de la turbina (2) y el compresor (1) este conjunto gira sobre los cojinetes de apoyo, los cuales han de trabajar en condiciones extremas y que dependen necesariamente de un circuito de engrase que los lubrica Por otra parte el turbo sufre una constante aceleración a medida que el motor sube de revoluciones y como no hay limite alguno en el giro de la turbina empujada por los gases de escape, la presión que alcanza el aire en el colector de admisión sometido a la acción del compresor puede ser tal que sea mas un inconveniente que una ventaja a la hora de sobrealimentar el motor. Por lo tanto se hace necesario el uso de un elemento que nos limite la presión en el colector de admisión. Este elemento se llama válvula de descarga o válvula waste gate (4).

COMPARACIÓN DE CICLOS TERMODINÁMICOS

COMPARACION DE LOS CICLOS TERMODINAMICOS 

CICLO OTTO TEÓRICO:

El ciclo Otto teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa. Las transformaciones termodinámicas que se verifican durante el ciclo son:

1-2

 2-3

Adiabática e isentropica (sin intercambio de calor con el exterior)

Compresión del fluido activo y correspondiente al trabajo L1 realizado por el pistón. A volumen constante

Introducción instantánea del calor suministrado Q1. 3-4

Adiabática

Expansión y correspondiente trabajo L2 producido por el fluido activo. 4-1

A volumen constante

Sustracción instantánea del calor Q2.

CICLO DIESEL TEÓRICO

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Es el ciclo teórico de los motores de encendido por compresión. La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diesel se encuentra en la fase de introducción del calor. En el ciclo Otto, el calor se introduce a volumen constante, mientras que en el ciclo Diesel se efectúa a presión constante. Otra diferencia entre ambos ciclos estriba en los valores de la relación de compresión, la cual varía de 12 a 22 para los motores Diesel, mientras que oscila tan sólo entre 6 y 10 para los motores Otto.

Como se ve en la figura, el ciclo Diesel ideal está formado por cuatro líneas térmicas que representa:

La compresión adiabática (1-2); la introducción del calor a presión constante (2-3); la expansión adiabática (3-4); la expulsión del calor a volumen constante (4-1). Durante la transformación 2-3 de introducción del calor Q1 a presión constante, el pistón entra en funcionamiento, y po tanto, el fluido produce el trabajo:

CICLO MIXTO DE SABATHÉ

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Para los motores Diesel, el proceso de combustión se aproxima a una transformación a presión constante sólo en el caso de motores excepcionalmente grandes y lentos.

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El diagrama real muestra que, en condiciones normales, la combustión se lleva a cabo, en los motores Diesel, según un proceso que se aproxima a la combustión de una transformación a volumen constante y otra a presión constante.

Se puede afirmar que, en la práctica, los ciclos Otto y Diesel se aproximan mucho en la forma, hasta el punto de poderlos considerar como un caso particular del ciclo mixto, en el cual, parte de la combustión se verifica a volumen constante, y parte, a presión constante. En este ciclo, después de la fase de compresión adiabática 1-2, sobreviene, como en el ciclo Otto, una fase de combustión a volumen constante 2-3, durante la cual se introduce la cantidad de calor Q1’ y luego, como en el ciclo Diesel, una fase de 3-4 de combustión a presión constante, en cuyo decurso se introduce la cantidad de calor Q1’’. Siguen después dos fases sucesivas, a saber: una, de expansión adiabática 4-5, y otra, de sustracción, a volumen constante 5-1, de la cantidad de calor Q2.

CICLO CARNOT

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Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.

CICLO CARNOT

•Tramo A-B isoterma a la temperatura T1. •Tramo B-C adiabática.

•Tramo C-D isoterma a la temperatura T2. •Tramo D-A adiabática .

Comparación de los ciclos térmicos



El ciclo Otto teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa.

Comparación de los ciclos térmicos 

  

1-2Adiabática e isentropica (sin intercambio de calor con el exterior)Compresión del fluido activo y correspondiente al trabajo L1 realizado por el pistón. 2-3A volumen constante Introducción instantánea del calor suministrado Q1. 3-4Adiabática Expansión y correspondiente trabajo L2 producido por el fluido activo. 4-1A volumen constante Sustracción instantánea del calor Q2.

Comparación de los ciclos térmicos



Es el ciclo diesel teórico de los motores de encendido por compresión.

Diferencia de los ciclos anteriores. 

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La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diesel se encuentra en la fase de introducción del calor. En el ciclo Otto, el calor se introduce a volumen constante, mientras que en el ciclo Diesel se efectúa a presión constante. Entre ambos ciclos estriba en los valores de la relación de compresión, la cual varía de 12 a 22 para los motores Diesel, mientras que oscila tan sólo entre 6 y 10 para los motores Otto.

Comparación de los ciclos térmicos

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Ciclo mixto de Sabathé.

Comparación de los ciclos térmicos

Comparación de los ciclos térmicos

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Comparación de los ciclos otto, diesel, sabathè.

Comparación de los ciclos térmicos

Comparación de los ciclos térmicos

Ciclo otto

Ciclo sabathè

Ciclo carnot Ciclo diesel

GRACIAS POS SU COMPRESION