• Author / Uploaded
• Ahmad Ibn Fadlan

Citation preview

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA ING. AERONAUTICA “FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA” LUNA LINARES EDGAR

“COMBUSTIBLES” Márquez de la Mora García Edgar Carlos Martínez Domínguez Fabián Antonio Munive Serna Oscar Alan Ortega Zúñiga Leonardo Enrique Phillips Gutiérrez Edgar Mauricio Ramírez Soto Jesús Arturo Velázquez González Diego

Grupo: 5av2

COMBUSTIBLES Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor. Supone la liberación de una energía de su forma potencial (energía de enlace) a una forma utilizable sea directamente (energía térmica) o energía mecánica dejando como residuo calor (energía térmica), dióxido de carbono y algún otro compuesto químico. La principal característica de un combustible es el calor desprendido por la combustión completa una unidad de masa (kilogramo) de combustible, llamado poder calorífico, se mide en joules por kilogramo. Otra característica de los combustibles, en ciertos casos muy importantes, es la llamada temperatura de ignición, o temperatura a la que se desencadena la reacción de combustión

TIPOS DE COMBUSTIBLES Básicamente en la amplia gama de combustibles podemos generalizar dividiéndolos en dos tipos de combustibles combustibles sólidos se incluyen el carbón, la madera y la turba natural. El carbón se quema en calderas para calentar agua que puede vaporizarse para mover máquinas a vapor o directamente para producir calor utilizable en usos térmicos (calefacción). La turba y la madera se utilizan principalmente para la calefacción doméstica e industrial, aunque la turba se ha utilizado para la generación de energía y las locomotoras o los barcos que utilizaban madera como combustible fueron comunes en el pasado. Entre los combustibles líquidos se encuentran el gasóleo, el queroseno o la gasolina (o nafta) y entre los gaseosos, el gas natural o los gases licuados de petróleo (GLP), representados por el propano y el butano. Las gasolinas, gasóleos y hasta los gases, se utilizan para motores de combustión interna o en calderas.

Combustible fósil (solido)

Combustible liquido

TIPOS DE COMBUSTIBLES PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA AERONÁUTICOS El gran consumo de combustible como consecuencia de los altos valores de empuje, aun siendo bajo el consumo especifico, requiere utilizar en los turborreactores productos cuya disponibilidad en el mercado sea grande, si bien las gasolinas utilizadas en los motores alternativos fueron también usadas en un principio para operar con motores a reacción, y la cantidad obtenida en la industria representa un 50% de los productos derivados del petróleo, resulta que estas gasolinas son demasiado volátiles, esto es se vaporizan fácilmente y no es aconsejable su utilización, pues la formación de vapor en los sistemas de combustible, debido a la alta temperatura, por la alta velocidad del flujo y la posibilidad de incendio favorecida con la velocidad de llama, tanto mayor cuanto es la volatilidad, han llevado a la utilización de otros productos que destilan del petróleo después de las gasolinas y que cubren satisfactoriamente las necesidades de los turborreactores.

PROPIEDADES DE UN COMBUSTIBLE AERONAUTICO • •

Las físicas de volatilidad y viscosidad Las químicas de estabilidad, acción corrosiva y formación de residuos.

La combinación de estas propiedades han llevado a la conclusión de que por el momento, son dos los productos que prácticamente tienen similar comportamiento ­ El keroseno ­ El JP-4 El keroseno • El keroseno es un producto obtenido por la destilación del petróleo en un porcentaje que oscila entre 0 y 100 % de la gama de 177° a 266° C tiene un peso especifico de 0,8363 y un poder calorífico de 10.133 k.cal/kg.

El JP-4 El JP-4 destila entre 66° C y 260° C tiene un peso especifico medio de 0,7523 y un poder calorífico de 10.305 k.cal/kg.

La relación de rendimiento de combustión del keroseno con respecto al JP-4 es de 98/100, la presión del vapor del keroseno que proporciona una idea del índice de vaporización es del 1/40 del correspondiente a las gasolinas de aviación normales, en tanto que le jp-4 tiene una presión de vapor de ½ de la gasolina.

Precauciones de manejo de combustible Aeronáutico Los aviones que utilizan keroseno deben restringir el lugar y la altura de lanzamiento de combustible en los casos de emergencia en que este sea necesario, siendo la altura de lanzamiento no menor a 5000 pies, pues

el bajo índice de vaporización pudiera hacer llegar el producto a tierra aun con partículas en estado liquido. En cambio la gasolina de aviación vaporiza completamente sobre una distancia vertical de menos de cien pies, con temperaturas por debajo de los cero grados centígrados, para las secciones de descarga utilizadas normalmente.

El peligro de inflamabilidad del Keroseno comienza a los 29°C en tanto que el JP-4 es susceptible de inflamabilidad desde 20°C bajo cero, de aquí el keroseno no sea peligroso en el manejo en tierra, a no ser en condiciones de extremo calor, mientras que el JP-4 presenta peligros comparables a la gasolina. No obstante, el keroseno es susceptible de desarrollar electricidad estática, debido a su alto valor de viscosidad.

En el caso de una perdida de línea de alimentación de combustible en las instalaciones del motor, el JP-4 se evaporara y dispersara, aun en aire frio, mucho mas rápidamente que el keroseno, que permanecerá liquido dentro del área caliente de la zona

El keroseno ardera automáticamente si se esparce sobre una superficie que este por encima de 200°, en tanto la gasolina no ocurrirá hasta sobrepasar los 390°, estando en condiciones del JP-4 entre estos dos productos y siendo, por tanto mas seguro que el keroseno al contacto con las superficies calientes.

SELECCIÓN DE COMBUSTIBLE Se analizara la operación de un avión con keroseno o con JP-4

Desde el punto de vsita militar, además de la seguridad, la carga útil es un factor importante a considerar, por lo que se expone la influencia dela utilización de uno u otro combustible en los tres caso siguientes. a) La carga útil esta limitada por el peso máximo del avión permisible al aterrizaje. En el caso de que la carga útil este limitada por el pes del aterrizaje, o lo que es lo mismo, que la carga útil este limitada por el combustible a llevar, aquel tipo de combustible que pese menos dara la carga máxima carga, para la misma distancia del vuelo, por ejemplo si en un determinado avión la diferencia entre el peso máximo con gasolina a cero y el peso máximo al aterrizaje fueran 15 000 kg, esta cantidad constituirá el combustible básico, Si se supone un vuelo que este limitado por el peso del aterrizaje en donde se requieran 15 000 kg, de combustible JP-4, para el mismo vuelo requerirán 15 565 operando con keroseno, en efecto teniendo en cuenta que el poder calorífico de ambos combustible y la relación del rendimiento de combustión entre los mismos se tiene

Esto es el avión operando con keroseno tendría que llevar en este caso 565 kg menos de carga útil operando con JP-4. En realidad esta limitación no suele aparecer puesto que han considerando los valores limites en los cuales la cantidad de combustible necesaria coincide con la diferencia entre el peso máximo de gasolina cero y el peso máximo permisible al aterrizaje. b) La carga útil esta limitada por el peso máximo del avión permisible al despegue En el caso de la carga útil este limitada por el peso del avión al despegue si se toma como ejemplo el avión de características carga util/radio de acción. Para pequeño radio de acción podrá llevarse la máxima carga de pago con ambos tipos de combustible, cuando es necesario aumentar el radio de acción del avión, al incrementar el consumo de combustible, se llegara a un punto en donde el peso máximo del avión lo limita dicho combustible, este punto es el A1 utilizando el keroseno, y el b1 utilizando el JP-4 en ambos puntos hay el mismo peso de combustible a bordo, aun cuando de tipo diferente, obteniendo menor radio de acción utilizando Keroseno, debido al mayor poder calorífico del JP-4 y de su mejor rendimiento de combustión.

En el ejemplo, resultan 170 millas náuticas mas de radio de acción utilizando el JP-4, para obtener mayores radios de acción utilizando el JP4 para obtener mayores radios de accion que los correspondientes puntos A1 y B1 deberá ser reducir la carga útil en beneficio del combustible, continuando asi hasta los A2 y B2 en donde la capacidad de los depósitos limita la carga de combustible dese el punto B1 a B2 el peso al despegue puede mantenerse a su valor máximo . Ahora con los depósitos completamente llenos, la carga útil con el JP-4 es considerable mayor que con keroseno, aun cuando la autonomía sea menor, Aquí donde juega el papel importante el peso especifico del combustible, considerablemente menor paa el JP-4.

Con los depósitos completamente llenos, para obtener mayores radios de acción que los correspondientes a los puntos A1 y B1, ser a menester reducir el peso al despegue a expensas de la carga útil, obteniéndose, claro esta, el radio máximo de acción con los depósitos completamente llenos y carga útil cero.

Esto es, cuando el peso al despegue limita la carga útil, puede llevarse mas cantidad de esta con JP-4 que con keroseno, si bien esto ocurre hasta aquel punto en donde los depósitos de combustible están llenos totalmente de JP-4 pues a partir de este punto solamente una pequeña cantidad de carga útil podrá llevarse con ventaja sobre el keroseno. c) La carga útil esta limitada por la longitud de pista disponible para el despeje Si se supone un avión utilizando keroseno, que despega con su carga máxima al nivel del mar en condiciones estándar y requiere 3000 metros de pista, el mismo avión utilizando JP-4 para el mismo vuelo, pesaría 1500 kg y podría necesitar por ejemplo solamente 2900 metros de pista, seria importante disminuir el peso al despegue en el avión que utilice keroseno.

Potencialidad de utilización del hidrogeno liquido como combustible para aviación El extraordinario incremento de los transportes aéreos y terrestres en las ultimas décadas, ha dado origen a tres problemas importantes: • • •

El primero es la demanda creciente de hidrocarburos combustibles, cuyo consumo se ha comprobado se duplica cada 10 años, ritmo este de la explotación de sus yacimientos naturales El segundo problema es el precio de los combustibles tradicionales, cuya incidencia en las operaciones dejan muchas dudas del verdadero ahorro dentro de cada siclo del motor El tercer problema es la contaminación de la atmosfera, producida por las apreciables cantidades de hidrocarburo sin quemar, monóxido de carbono, oxido de azufre y partículas contaminantes en general, como consecuencia del empleo de combustibles a base de hidrocarburos.

La búsqueda de un combustible de fácil obtención y sin los convenientes de contaminación antes anunciados, se ha vuelto una cuestión urgente. Para la producción de energía eléctrica ya se ha encontrado en la energía nuclear un sustituto adecuado de las centrales térmicas clásicas que consumían carbón, pero en cambio, de momento no parece factible el empleo como fuente directa de energía para la propulsión de los vehículos terrestres o aéreos.

Se han orientado, por ello, las investigaciones hacia la energía química, buscando elementos de combustible, que además de presentar una relación favorable de producción de energía por unidad de peso, tengo un ciclo de combustión cerrado, esto es que los productos resultantes de su combustión puedan regenerar nuevamente el combustible sin producir en ninguna de las etapas intermedias del ciclo de compuestos nocivos para el medio ambiente, desde ambos puntos de vista, el hidrogeno liquido es casi el combustible ideal ya que su único producto de combustión es el vapor de agua, que no altera las condiciones atmosféricas naturales, puesto que la atmosfera terrestre se encuentra en equilibrio con la superficie del agua que ocupa mas de dos tercios dela superficie de nuestro planeta, el ciclo completo del hidrogeno como combustible seria, por tanto:

1. Obtención del hidrogeno por electrolisis del agua 2. Licuefacción de aquel y desprendimiento del oxigeno gaseoso 3. Utilización de este hidrogeno liquido como combustible que , al quemarse en el aire consume nuevamente O2 desprendido para generar el agua de partida con este proceso no se producirá, pues ninguna alteración del ciclo atmosférico normal.

El hidrogeno que quizás es el combustible que menos residuos deja al quemarse, eliminara virtualmente la contaminación producida por las aeronaves de aeropuertos y en sus proximidades, el único producto importante en la combustión es el agua; se obtienen óxidos de nitrógeno, pero estos pueden controlarse mediante el adecuado diseño de las cámaras de combustión y el mezclado previo del hidrogeno con el aire, para evitar la formación de zonas de extremo calor durante la combustión que son las que producen óxidos de nitrógeno . El poder energético del hidrogeno liquido por unidad de peso, es superior al de los hidrocarburos

Afortunadamente se espera que la producción a escala industrial alcance para el hidrogeno liquido precios que sean del 75% del correspondiente a las gasolinas, dado que la tecnología ah abierto nuevos horizontes para el transporte de los gases licuados, puede concluirse que el hidrogeno se encuentra en condiciones adecuadas para una posible utilización masiva del combustible. En motores alternativos de explosión, los primeros estudios sobre el posible empleo del hidrogeno como combustible han demostrado que se queman muy bien en una mezcla pobre, mejor incluso que la gasolina, aunque depende mas que esta el encendido. En pruebas con motores alternativos de combustión a presión contante (Diesel) se ha visto que a una temperatura de 60° y una cámara de combustión limpia, se puede quemar una mezcla correcta de aire/hidrogeno a una relación de compresión de 14:1 sin necesidad de encendido.

EN EL EMPLEO DEL HIDROGENO LIQUIDO COMO COMBUSTIBLE PARA LAS TURBINAS DE GAS Y TURBORREACTORES, TAMPOCO PARECEN PRESENTARSE SERIOS PROBLEMAS La principal dificultad que se tropieza en el uso del hidrogeno como combustible es su peligro de explosión e incendio puesto que, como es sabido, el hidrogeno forma mezclas explosivas con el aire en una amplia gama de concentraciones, desde el 4% al 75% de volumen sin embargo, con un manejo cuidadoso se reducen los accidentes al mínimo, pasando a hacer estos del mismo orden que los peligros que ofrece el empleo de la gasolina.

Respecto a su facilidad de evaporación, el desarrollo de las técnicas criogénicas ha permitido poder disponer de depósitos súperaislados por medio del vacío, que permite el almacenamiento de los gases con perdidas inferiores a un dos porciento diario para depósitos de 150 lts de capacidad, si se amplia la capacidad de los depósitos, las perdidas son menores, así con depósitos de 5000 lts de capacidad se disminuyen estas ah a un 0,85° diario. Actualmente el transporte del hidrogeno liquido se realiza en depósitos de grandes dimensiones que viene a tener unos 50,000 litros de capacidad para trasporte marítimo y unos 100,000 para la expedición por ferrocarril, habiéndose reducido las perdidas al 0,5 por 100.

Es de observar, no obstante, el volumen ocupado es muy grande por su poca densidad, Asi por ejemplo para una determinada cantidad de keroseno PK necesario para una determinada operación, si el volumen ocupado por el keroseno es VK, el volumen VH ocupado por el hidrogeno liquido seria:

Quizas el aspecto mas importante del hidrogeno liquido es que no se encuentra en peligro de desaparecer, como es el caso de los hidrocarburos, es casi seguro que en un principio, el hidrogeno se producirá a partir del carbón y del agua, pero a medida que se progrese hacia la producción menos costosa de energía nuclear, termonuclear o solar es de esperar que llegue a conseguirse la producción de hidrogeno electrolítico termoquímico de bajo costo

La ventaja principal del hidrogeno liquido en los reactores subsónicos es el aumento de la carga útil, en comparación con los aviones de reacción, que utilizan derivados de hidrocarburos, para un mismo peso de avión y radio de acción

COMBUSTIBLES EN AUTOMOVILES Hoy en día se puede encontrar una mayor variabilidad de elementos para utilizar como combustible para automóviles, podemos optar por la clásica gasolina, el uso del gas e inclusive la electricidad como elemento cada vez más popular.

Los autos hoy en día funcionan en base a variados factores energéticos y combustibles. Es combustible más popular de todos es sin duda alguna la gasolina, y en segundo lugar el diesel; sin embargo hoy en día también podemos hacer funcionar nuestro auto con combustibles alternativos los cuales general menos emisiones. Estos combustibles no provienen de fuentes fósiles finitas y son sostenibles. Entre ellos podemos mencionar al etanol, a la electricidad, al hidrógeno, al biodiesel, al metanol, a los combustibles P Serie, al gas natural y al GLP.

Tipos de Combustibles

GASOLINA La gasolina es una mezcla de hidrocarburos alifáticos obtenida del petróleo por destilación fraccionada, la cual se usa en motores de combustión interna. DIESEL El diésel también conocido como gasóleo o gasoil es un hidrocarburo líquido compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente en motores diésel. ETANOL El etanol es un compuesto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares (maíz, cebada o trigo) o bien mezclado en cantidades variadas con gasolina.

GAS NATURAL

El gas natural es una fuente de energía no renovable formada por una mezcla de gases ligeros que se encuentra normalmente en el subsuelo continental o marino. HIDROGENO El hidrógeno es un combustible que puede ser mezclado con gas natural para crear un combustible alternativo para vehículos que usen ciertos tipos de motores de combustión interna. GLP El GLP, también conocido como gas licuado de petróleo, es una mezcla de gases livianos licuados presentes en el gas natural o disueltos en el petróleo, conformados principalmente por propano y butano. El GLP puede utilizarse en motores de combustión interna.

BIODISEL El biodiesel es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales. El Biodiesel puede ser usado en el motor, puro o mezclado con gasoil fósil en cualquier proporción.

METANOL El metanol es un tipo de alcohol, el principal componente del destilado en seco de la madera, utilizado como combustible, principalmente al mezclarlo con gasolina. COMBUSTIBLE P-SERIE Los combustibles P-serie son combustibles alternos claros y de alto octanaje que puede ser usado en vehículos flexibles. Se trata de una mezcla de etanol, líquidos del gas natural y metiltetrahidrofurano.