proceso de combustión externa y interna en maquinas pdf

proceso de combustión externa y interna en maquinas

1. Combustión
Externas y
Internas
Ingeniera:
Lenny Betancourt

Integrante:
Ronniel
Pinto
26605019
MM01

2. La planta de vapor consiste en un verdadero
motor de vapor, de tipo oscilante, alimentado
con una caldera que funciona con un
quemador de alcohol.
Es un modelo de motor en miniatura, con un
cilindro de doble efecto de 8mm de diámetro
y 19mm de carrera de pistón.
Plantas de energía de vapor

3. Máquinas de combustión externa.
Es una máquina que realiza una conversión
de energía calorífica en energía mecánica
mediante un proceso de combustión que se
realiza fuera de la máquina, generalmente
para calentar agua que, en forma de vapor,
será la que realice el trabajo.
Es una máquina o dispositivo de ingeniería
diseñado para generar vapor. Este vapor se
genera a través de una transferencia de
calor a presión constante, en la cual el
fluido, originalmente en estado líquido, se
calienta y cambia su fase.
¿Qué es una caldera?

4. Tipos de caldera
Calderas acuotubulares
Calderas en las que el fluido de trabajo se
desplaza por tubos durante su calentamiento.
Son las más utilizadas en las centrales
termoeléctricas, ya que permiten altas
presiones a su salida y tienen gran capacidad
de generación.
Calderas pirotubulares
El fluido en estado líquido se encuentra
en un recipiente atravesado por tubos,
por los cuales circulan gases a alta
temperatura, producto de un proceso de
combustión. El agua se evapora al
contacto con los tubos calientes
productos a la circulación de los gases de
escape.

5. Clasificación
Máquinas de émbolo
Es muy ineficiente porque los
vapores que se vierten al
exterior están aun calientes y
a suficiente presión como
para realizar mas trabajo útil.
Se utilizan las máquinas de
varias etapas, donde el vapor
de desecho de una etapa se
introduce en otra con un
émbolo mas grande para
aprovechar mas aun la
energía que contiene.
Turbinas
Un chorro de vapor de agua
a elevada presión y
temperatura, se hace incidir
de manera adecuada sobre
una hélice con álabes de
sección apropiada. Durante
el paso del vapor entre los
álabes de la hélice, este se
expande y enfría entregando
la energía y empujando los
álabes

6. Máquina de combustión interna
El propósito de los motores de combustión
interna (CI) es producir un par mecánico
mediante la transformación de la energía
química contenida en el combustible. A
diferencia de los motores de combustión
externa, los motores CI generan un par
mecánico como resultado de la explosión u
oxidación del combustible, dentro de los
cilindros del motor. A la mezcla aire-
combustible antes de la combustión y de los
productos derivados de la combustión, se le
conoce como flujo de trabajo.
Clasificación
Principalmente el tipo de motor que elegimos para
propulsar una máquina, está determinado por los
requerimientos de potencia y torque, ya que cada
uno posee características que lo hacen apto para las
condiciones de trabajo, por ejemplo, el motor tipo
diesel es muy socorrido en el autotransporte debido
al alto torque que es capaz de desarrollar para
impulsar camiones de carga pesada.

7. Ciclo de Otto
El ciclo Otto es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por chispa. Recibe este nombre en honor a
Nikolaus A. Otto, quien en 1876, en Alemania, construyó una exitosa máquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo
propuesto por Frenchman Beam de Rochas en 1862. En la mayoría de las máquinas de encendido por chispa el pistón
ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecánicos) dentro del cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones
por cada ciclo termodinámico. Estas máquinas son llamadas máquinas de combustión interna de cuatro tiempos. Un
diagrama esquemático de cada tiempo, así como el diagrama P–v para una máquina real de encendido por chispa de
cuatro tiempos se presenta en las siguientes figuras.

8. Ciclo diesel
El ciclo del motor diesel (en contraposición al
ciclo rápido, más aproximado a la realidad)
ideal de cuatro tiempos es una idealización del
diagrama del indicador de un motor diesel, en
el que se omiten las fases de renovación de la
carga, y se asume que el fluido termodinámico
que evoluciona es un gas perfecto, en general
aire. Además, se acepta que todos los procesos
son ideales y reversibles, y que se realizan
sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a
un modelo muy aproximado del
comportamiento real del motor, permite al
menos extraer una serie de conclusiones
cualitativas con respecto a este tipo de
motores. No hay que olvidar que los grandes
motores marinos y de tracción ferroviaria son
del ciclo de 2 tiempos diesel.
Fases
1. Compresión
Es un proceso de compresión adiabática reversible (isentrópica),
es decir sin intercambio de calor con el exterior y con un trabajo
realizado al sistema para comprimirlo. El pistón, estando en el
punto muerto, empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el
aire contenido en el cilindro. Ello eleva el estado termodinámico
del fluido, aumentando su presión, su temperatura y
disminuyendo su volumen específico. En la idealización, el
proceso viene gobernado por la ecuación del proceso adiabático
p . Vk= cte. La presión en el punto 2 valdrá:
P
1
+ V
K
= P +
2
k
2 1 V P 2 =
P 1
.
V
K
2
V
K
2
Como V
k
1
V
k
2
=
ξ
k
P
1
.
ξ
k
Y la temperatura T 1
.
V
K
1
- 1
= T 2
.
V
K - 1
2
T 2 =
T 1
.
V
k - 1
1
V
k
2
- 1
2 T = T 1
.
ξ
K 1 -
ξ= relación de compresión: es la
relación entre los volúmenes final e
inicial.
k= exponente adiabático: es la razón entre
la capacidad calorífica a presión constante
(Cp) y la capacidad calorífica a volumen
constante(Cv).

9. 2. Combustión
En esta idealización, el aporte de calor Qp se simplifica por un proceso isobárico (a presión constante). Sin embargo, la combustión Diesel es
mucho más compleja: en el entorno del punto muerto superior (PMS) (en general un poco antes de alcanzarlo debido a problemas
relacionados con la inercia térmica de los fluidos, es decir el retraso que hay entre la inyección y la inflamación espontánea), se inicia la
inyección del combustible (en motores de automóviles, gasóleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente autoinflamable y
poco volátil). El inyector pulveriza y perliza "atomiza" el combustible, que, en contacto con la atmósfera interior del cilindro, comienza a
evaporarse. Como quiera que el combustible de un motor Diesel tiene que ser muy autoinflamable (gran poder detonante, índice de Cetano
alto), ocurre que, mucho antes de que haya terminado la inyección de todo el combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se auto
inflaman y dan comienzo a una primera combustión caracterizada por ser muy turbulenta e imperfecta, al no haber tenido la mezcla de aire y
combustible tiempo suficiente como para homogeneizarse. Esta etapa es muy rápida, y en el presente ciclo se obvia, pero no así en el llamado
ciclo Diesel rápido, en el que se simboliza como una compresión isócora al final de la compresión. Posteriormente, se da, sobre la masa fresca
que no ha sido quemada, una segunda combustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que es la que aquí se
simplifica por un proceso isóbaro. En esta combustión por difusión se suele quemar en torno al 80% de la masa fresca, de ahí que la etapa
anterior se suela obviar. Sin embargo, también es cierto que la inmensa mayoría del trabajo de presión y de las pérdidas e irreversibilidades del
ciclo se dan en la combustión inicial, por lo que omitirla sin más solo conducirá a un modelo imperfecto del ciclo Diesel. Consecuencia de la
combustión es el elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidad debido a la energía química liberada en la combustión, y
que en este modelo ha de interpretarse como un calor que el fluido termodinámico recibe, y a consecuencia del cual se expande en un proceso
isóbaro reversible.
Pb=Pc
Vb
Tb
=
Vc
Tc
rc=
Vc
Vb
Qc=mCp (tc - tb)
W= Qa - Qr

10. 3. Explosión/Expansión
Se simplifica por una expansión isentrópica (adiabática) del fluido
termodinámico, hasta el volumen específico que se tenía al inicio de la
compresión. En la realidad, la expansión se produce a consecuencia del elevado
estado termodinámico de los gases tras la combustión, que empujan al pistón
desde el PMS hacia el PMI, produciendo un trabajo. Nótese cómo, como en todo
ciclo de motor de cuatro tiempos o dos tiempos, solo en esta carrera, en la de
expansión, se produce un trabajo.
Pd
.
Vd = Pc
.
Vc
k
Relación de expansión:
re=
Va
Vc
Relación de compresión:


rx= (Rc) (Re)

11. 4. Última etapa
Esta etapa es un proceso isocórico (escape) es decir a volumen constante. Desde la presión final de
expansión hasta la presión inicial de compresión. En rigor, carece de cualquier significado físico, y
simplemente se emplea ad hoc, para poder cerrar el ciclo ideal. Sin embargo, hay autores que no
satisfechos con todas las idealizaciones realizadas, insisten en dar un significado físico a esta etapa, y
la asocian a la renovación de la carga, pues, razonan, es esto lo que se produce en las dos carreras
que preceden a la compresión y siguen a la expansión: el escape de masa quemada y la admisión de
masa fresca. No obstante, el escape es un proceso que requiere mucho más trabajo que el que
implica este proceso (ninguno), y además ninguno de los dos procesos se da, ni por asomo, a
volumen específico constante.


Vd = Va
Pd
Td
=
Pa
Ta
Qr= mCr (Td- Ta)
Formas para calcular Fracción de Carrera al Cierre:
Fc=
Pa
Pme
Fc=
(rc) (Vb) – Vb
(rk) (Vb) - Vb
Donde:
Pa: Presión inicial
Pme: Presión media efectiva
rc: Relación de cierre de admisión
rk: Relación de compresión
Vb: Volumen b
Nota
Es importante notar cómo, en el
ciclo diesel, no se deben confundir
nunca los cuatro tiempos del
motor con el ciclo termodinámico
que lo idealiza, que solo se refiere
a dos de los tiempos: la carrera de
compresión y la de expansión. El
proceso de renovación de la
carga cae fuera de los procesos del
ciclo diesel, y ni tan siquiera es un
proceso termodinámico en el
sentido estricto.

12. Ciclo mixto
Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la coexistencia de dos
ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de
agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión o quema. En la
propulsión de buques se denomina ciclo combinado al sistema de propulsión COGAS.
Esquema del funcionamiento de una central de
ciclo combinado
1.-Generadores eléctricos
2.-Turbina de vapor
3.-Condensador.
4.-Bomba impulsora
5.-Intercambiador de calor
6.-Turbina de gas
Central termoeléctrica ciclo combinado
Una central de ciclo combinado es una central eléctrica en la que la energía
térmica del combustible se transforma en electricidad mediante dos
ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de gas,
generalmente gas natural, mediante combustión (ciclo Brayton) y el
convencional de agua/turbina de vapor (ciclo de Rankine).

El funcionamiento de una central de ciclo combinado es algo más complejo
que el de las centrales convencionales. En primer lugar, se quema gas natural
en una cámara de combustión y se hace pasar por una turbina de gas
conectada a un alternador. Los gases calientes ya turbinados se aprovechan
para calentar agua y convertirla en vapor en un recuperador de calor. Este
vapor se hace pasar por una segunda turbina conectada a otro alternador, de
forma que ambos generan energía eléctrica.

13. Ciclo combinado a condensación
Una variante del ciclo combinado de
contrapresión clásico es el ciclo combinado
a condensación, que se realiza en procesos
estrictamente cogenerativos. Se basa en una
gran capacidad de regulación ante demandas de
vapor muy variables.
El proceso clásico de regulación de una planta
de cogeneración consiste en evacuar gases a
través del bypass cuando la demanda de vapor
es menor a la producción y utilizar la post-
combustión cuando sucede lo contrario.
Bajando sensiblemente su potencia, no se
consigue adaptarla a la demanda de vapor,
debido a una importante bajada en el
rendimiento de recuperación, ya que los gases
de escape mantienen prácticamente su caudal y
bajan ostensiblemente su temperatura. Por ello,
las pérdidas de calor se mantienen
prácticamente constantes, y la planta deja de
cumplir los requisitos de rendimiento.
Cogeneración
Los sistemas de intercambio de cogeneración son sistemas de producción en
los que se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil
partiendo de un único combustible.
Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el
aprovechamiento de la energía primaria del combustible es del 25% al 35%.
El resto se pierde en forma de calor. Al cogenerar, se puede llegar a
aprovechar del 70% al 85% de la energía que entrega el combustible. La
mejora de la eficiencia térmica de la cogeneración se basa en aprovechar el
calor residual de los sistemas de refrigeración de los motores de combustión
interna al generar electricidad, utilizando el calor para calefacción.
El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de
las centrales de cogeneración de electricidad. También se pueden utilizar
fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o residuos que se
incineran.
Además, esta tecnología reduce el impacto ambiental, porque aprovecha
mejor la energía primaria. Si para producir una unidad eléctrica por medios
convencionales se necesitan 3 unidades térmicas, mientras que en
cogeneración se necesitan 1,5 unidades, la cantidad total de agentes
contaminantes emitidos disminuirá en un 50%.
Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos
edificios singulares, en los que el calor puede emplearse para calentar u
obtener agua caliente sanitaria, como por ejemplo ciudades
universitarias, hospitales, etc.
Con estos sistemas se mejora la eficiencia energética, produciendo más
energía con el mismo combustible. Por tanto, se consigue un ahorro de este y
también disminuir las emisiones de CO
2.

14. Ciclo Brayton
El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es
un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de
compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión
adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos
termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina
de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que
se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural
o algún otro aprovechamiento –caso de las industrias de generación eléctrica y
de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente–, hasta la
generación de un empuje en un aerorreactor.
Diagrama del ciclo Brayton teórico (en negro) y real (en
azul), en función de la entropía S y la temperatura T.