Antologia Sistemas Termicos.

8/17/2019 Antologia Sistemas Termicos.

1/76

CAPITULO VI: CICLOS DE GAS.

6.1 CICLO DE BRAYTON IDEAL.

Para facilitar el estudio de los ciclos se optó por crear el llamado ciclo ideal, en el cual

se eliminan todas esas complicaciones y retrasos para tomar decisiones, que no arrojan

resultados extremadamente exactos pero los márgenes de error son insignificantes,

acercándonos muchos a los valores reales, así pues, estos valores se alejan de la

realidad pero en una manera muy moderada. Se puede afirmar que difieren pero se

encuentran aproximadamente en el mismo rango Los ciclos ideales son internamente

reversibles pero, a diferencia del ciclo de Carnot, no es necesario que sean

extremadamente reversibles. Es decir, pueden incluir irreversibilidades externas al

sistema como la transferencia de calor debida a una diferencia de temperatura finita.

Entonces, la eficiencia térmica de un ciclo ideal, por lo general, es menor que la de un

ciclo totalmente reversible que opere entre los límites de temperatura. Sin embargo, aún

es considerablemente más alta que la eficiencia térmica de un ciclo real debido a las

idealizaciones empleadas. Las idealizaciones y simplificaciones empleadas en los

análisis de los ciclos de potencia, por lo común pueden resumirse del modo siguiente:

El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto el fluido de trabajo no

experimenta ninguna reducción de presión cuando fluye en tuberías o

dispositivos como los intercambiadores de calor.

Todos los procesos de compresión y expansión se dan en el modo de cuasi

equilibrio

La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos, y el estudio

de los ciclos de potencia es una parte interesante e importante de la termodinámica.

Los ciclos que se efectúan en dispositivos reales son difíciles de examinar porque hay

demasiadas variaciones y detalles que se tienen que tomar en cuenta al mismo tiempo

y se complica demasiado el entorno


2/76

2

6.2 BRAYTON CICLO REAL.

El ciclo Brayton es la aproximación del ciclode aire estándar ideal para los motores de

turbinas de gas. Este ciclo difiere de los

ciclos Otto y Diesel en que los procesos

que componen el ciclo ocurren en sistemas

abiertos o volúmenes de control. Por lo

tanto, un sistema abierto, el análisis de flujo estable es usado para determinar la

transferencia de calor y trabajo para el ciclo. En la realidad el ciclo Brayton es un ciclo

real o abierto como se puede observar en la siguiente figura:

Se dice que el ciclo de Brayton es abierto puesto que los fluidos de entrada a la salida

son expulsados en forma de gases por tanto, no es un ciclo cerrado pero para fines de

cálculos se puede simular como un sistema cerrado, como se muestra en la figura:

El orden del ciclo ocurre de la siguiente manera:

1 – 2 compresión isentropica (en un compresor)

2 – 3 adición de calor a presión constante

3 – 4 expansión isentropica (en una turbina)

4 – 1 rechazo de calor a presión constante


3/76

3

6.3 TURBINA DE GAS.

Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas de combustión interna a flujocontinuo como se ve en la figura:

El objetivo de ésta máquina térmica es convertir energía calórica contenida en el

combustible utilizado en energía mecánica (trabajo mecánico) en el eje de la misma la

máquina está compuesta de los siguientes elementos:

1. Un compresor de flujo axial

2. Una o varias cámaras de combustión (según el fabricante)

3. La turbina a gas

4. Sistemas auxiliares para su operación:

a) Sistemas de lubricación

b) Sistema de alimentación de combustible

c) Sistema de regulación de velocidad

d) Sistema de puesta en marcha y parada


4/76

4

e) Sistemas de protección de máquina

f) Sistema de acoplamiento hidráulico

g) Sistema de virado (virador)

5. Motor de lanzamiento (motor Diesel, o motor eléctrico).

La máquina acciona una carga la cual se encuentra montada en el eje de la misma.

La carga podrá ser de diversos tipos, tales como: un generador eléctrico, una bomba de

gran potencia, un compresor, un soplante de aire, la hélice de un navío,..., etc.

Según el tipo de carga de que se trate podrá existir una caja reductora de velocidad

entre la máquina y la carga, caso de que la carga sea un generador eléctrico


5/76

5

6.4 CICLO DE BRAYTON CON REGENERACIÓN.

Para el ciclo Brayton regenerativo, la temperatura de salida de la turbina es mayor quela salida del compresor. Por lo tanto, un intercambiador de calor puede ser colocado

entre la salida de los gases calientes de la turbina y la salida de los gases fríos que

salen del compresor. Este intercambiador de calor es conocido como regenerador o

recuperador. La regeneración conviene solo cuando la relación de presión en la

expansión es baja, ya que de esta manera se puede asegurar que el calor máximo

estará dado por la corriente que en un ciclo simple se desprende hacia el ambiente,

este calor máximo se aprovecha para precalentar el aire que va a entrar a la cámara de

combustión, significando esto un ahorro energético significativo. Para el caso contario,

es decir, relación de presiones altas, este calor será muy bajo, pues saldrá a

temperatura muy baja, producto de la expansión excesiva, perdiéndose este calor al

ambiente, sin poder aprovecharlo.

Definiremos la efectividad del regenerador €reg como el índice del calor transferi do a

los gases del compresor en el regenerador, a la transferencia de calor máximo posible a

los gases del compresor, esto es:


6/76

6

Para gases ideales usando las asunciones de aire frio estándar con calores específicos

constantes, la efectividad del regenerador se convierte en:

Asumiendo un regenerador ideal €regen = 1 y calores específicos constantes, se

pueden decir que todo el calor de la corriente superior se transfiere hacia la corriente

inferior, pero esto nunca ocurrirá en la realidad, son aproximaciones que se asumen

cuando no contamos con datos suficientes para resolver el problema, esto más que

todo se hace cuando no nos suministran el valor de la eficiencia del regenerador.

La eficiencia tiende a aumentar con la regeneración como se muestra en la gráfica:


7/76

7

6. CICLO DE BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO.

Cuando se emplea la compresión en múltiples etapas, enfriar el fluido de trabajo entre

etapas reduce la cantidad de trabajo requerido por el compresor. El trabajo del

compresor es reducido porque el enfriamiento del fluido de trabajo reduce el volumen

específico promedio del fluido y por tanto reduce la cantidad de trabajo en el fluido para

alcanzar el aumento de presión.

El interenfriamiento es casi siempre utilizado con regeneración. Durante el

interenfriamiento la temperatura de la salida del compresor es reducida, en

consecuencia, más calor debe ser suplido en el proceso de adición de calor para

alcanzar la temperatura máxima del ciclo.


8/76

8

6.6 CICLO DE BRAYTON CON RECALENTAMIENTO.

Cuando se emplea expansión multietapa a través de dos turbinas, el recalentamiento

entre etapas aumentara el trabajo neto hecho. La presión intermedia óptima para

recalentamiento es aquella que maximiza el trabajo de la turbina. Esto es P3/P4 =

P5/P6

Además bajo condiciones de recalentamiento ideal también T3 = T5

Bajo estas condiciones óptimas se logra obtener el máximo trabajo del ciclo, y se puede

aplicar la siguiente ecuación:


9/76

9

6.7 EFICIENCIA DEL CICLO DE GAS.

Se puede decir que antes del año 1940 todas las máquinas térmicas de combustión

interna eran del tipo alternativo: émbolo, biela y cigüeñal.

Recién, hacia el año 1940, al lograrse la fabricación de compresores rotativos de alto

rendimiento, conjuntamente con los progresos realizados en el campo de la metalurgia,

que permitieron la fabricación de aceros refractarios capaces de resistir altas

temperaturas, se posibilitó el desarrollo de las turbinas a gas.

Fue durante la guerra de 1939 a 1945 que la turbina a gas alcanzó su máxima difusión

y desarrollo tecnológico.

En el año 1873 GEORGE BRAYTON (1830 – 1892) expuso el principio defuncionamiento del ciclo que lleva su nombre que originariamente se desarrolló

empleando una máquina de pistones con inyección de combustible, para luego

realizarlo como ciclo abierto simple llamado turbina a gas.

Si bien se le llama ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no realiza un

ciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que egresa son gases de

combustión, o sea en un estado diferente al que se tenía cuando se inició el proceso,

por eso se dice que es un “ciclo abierto”.

Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas de combustión interna a flujo

continuo cuyo esquema se representa en la Fig. 1.


10/76

10

6.7.1 Parámetros termodinámicos de funcionamiento.

A continuación se indican los valores reales aproximados de funcionamiento de una

turbina a gas ciclo simple.


11/76

11

CAPITULO VII: MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

7.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA.

Un motor es el mecanismo o conjunto de mecanismos que producen energía mecánica

a partir de otra forma de energía. Esta otra forma de energía es calorífica el motor es

térmico, si es hidráulica entonces el motor es hidráulico, si es eléctrico entonces el

motor es eléctrico. Los motores de automóviles convencionales son térmicos, es decir

transforman la energía calorífica en energía mecánica.

Esta clasificación de los motores se refiere a tipos de motores de automoción, es decir,

para motores utilizados en el servicio de vehículos. Los motores los podemos clasificar

en dos tipos:

1) motores de combustión Interna: Los motores de combustión interna son aquellos

motores en los que la combustión se realiza dentro o en el interior de una cámara de

combustión esta es totalmente cerrada y se le aporta combustible para ser quemado.

Aquí podemos encontrar los motores de los camiones y automóviles.

2) motores de combustión externa: En esto la combustión se realiza de forma externa

es decir fuera del motor como tal, la producción de energía calorífica se da en un

sistema y luego pasa a otro sistema para realizar la transformación de esta. Un ejemplo

de esta son las antiguas locomotoras de vapor.

Clasificación De Los Motores De Combustión Interna.

La clasificación que se la da a los motores es variada y va según el tipo de combustible

que emplea, el número de cilindros que utiliza, el número de carreras por ciclo, la

disposición interna de sus elementos, etc. En resumidas cuentas estos se clasifican

según las características constructivas y de funcionamiento.


12/76

12

Clasificación Según El Tipo De Combustible Empleado:

Los combustibles los podemos encontrar en tres estados de materia.

1) Sólidos

2) Líquidos

3) Gaseosos

Un ejemplo claro de combustibles sólidos podemos encontrar el carbón mineral, es un

combustible empleado en muchas generadoras de eléctricas en el mundo, estas

generadoras se encargan de fabricar energía eléctrica, por decirlo así, para que luego

esta llegue hasta nuestros hogares.

En combustibles líquidos encontramos la gasolina, el gasoil comúnmente conocido

como Diésel.

Los Motores a Gasolina.

Son aquellos en donde la mezcla de combustible y aires e realiza fuera de la cámara de

combustión por medio de un dispositivo que va integrado al motor llamado carburador.

Después dicha mezcla entra a la cámara de combustión, donde es comprimida por un

pistón y es finalmente encendida por medio de una chispa que la proporciona un

elemento llamado bujía.

Los Motores Diésel.

En estos la mezcla de aire y combustibles e realiza dentro de la misma cámara de

combustión. Primero ingresa a esta el aire que luego es comprimido y después es

inyectado el combustible finamente pulverizado casi para cuando el pistón se encuentraen el punto muerto superior, por lo tanto, este es calentado sin necesidad de chispa

realizándose la combustión del combustible.


13/76

13

Para combustibles gaseosos encontramos el gas natural, el hidrógeno en la cual ya hay

muchas investigaciones tendientes a vehículos propulsados por este tipo de

combustible en investigación y desarrollo de la pila de hidrógeno.

Clasificación según el número de carreras del pistón por ciclo:

Las clasificación que existen por el número de carreras es la siguiente encontramos si

ocurre un ciclo por vuelta este es llamado como motor de dos tiempos

O si encontramos que este mismo ciclo es completado ya no en un sino en dos vueltas

este se denomina como motor de cuatro tiempos.

Es característico para la clasificación de dos tiempos encontrar que para motores de

dos tiempos Diésel son utilizados para motores que son utilizados para navegación de

hasta 50000 C.V. y con revoluciones de 100 a 150 r.p.m.

Y este mismo tipo de motores en gasolina son utilizados en disposiciones pequeñas es

decir para motobombas, guadañadoras, motocicletas de hasta 250 c.c.

Clasificación Según El Número De Cilindros.

Esta clasificaron solo obedece al número de cilindros el cual consta o compone el motor

entonces:

Para un motor de un cilindro se llamara monocilindro, estos los encontramos en las

motocicletas.

Para un motor de dos o más cilindros este tomara el nombre de policilindros. Estos son

los mayormente utilizados en automóviles y camiones y los encontramos endisposiciones de cuatro, seis, ocho y doce cilindros.

Clasificación Según La Disposición De Los Cilindros:


14/76

14

La disposición de los cilindros está referida a la forma del bloque con respecto al eje del

cigüeñal. Por lo general encontramos disposiciones en línea, en V, Horizontales

opuestos o también llamados bóxer, en w o con filas paralelas de cilindros estos dos

últimos son disposiciones muy raras.

Clasificación Según El Número De Válvulas Por Cilindro:

Existen motores en los cuales encontramos 2, 3, 4 e incluso más válvulas por cilindro.

Las más comunes son los motores de 2 y 4 válvulas por cilindro.

Clasificación Según El Sistema De Alimentación De Aire:

Encontramos en este tipo de clasificación motores de aspiración natural o atmosférica y

también motores con turbocompresor o compresor volumétrico, es decir, son motores

sobrealimentados.


15/76

15

7.2 MOTOR OTTO.

El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo

desarrolló, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina, aunque también

se lo conoce como motor de ciclo Beau de Rochas debido al inventor francés que lo

patentó en 1862.

El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y

vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos

tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto modernos se ve limitado por

varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración.

Funcionamiento.

Este motor es el más empleado en la actualidad, y mecánica fácilmente utilizable en

cuatro fases, durante las cueles un pistón que se desplaza en el interior de un cilindro

efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas y, gracias a un sistema biela –

manivela , transforma el movimiento lineal del pistón en movimiento de rotación del

árbol cigüeñal, realizando este dos vueltas completas en cada ciclo de funcionamiento.

Sistema de distribución, sincronizando con el movimiento La entrada y la salida de

gases en el cilindro son controladas por dos válvulas Actuadas en la cámara de

combustión, las cuales su apertura y cierre la realizan por el denominado sistema de

distribución, sincronizado con el movimiento de giro del árbol.

El funcionamiento teórico de este tipo de motor, durante sus cuatro fases o tiempos

de trabajo, es el siguiente:

Primer tiempo: Admisión

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Ottohttp://es.wikipedia.org/wiki/Nikolaus_August_Ottohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ciclo_Beau_de_Rochas&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_cuatro_tiemposhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_dos_tiemposhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_dos_tiemposhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_dos_tiemposhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_dos_tiemposhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_cuatro_tiemposhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ciclo_Beau_de_Rochas&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Nikolaus_August_Ottohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Otto


16/76

16

Durante este tiempo el piston se desplaza desde el punto muerto superior (PSM) al

punto muerto inferior (PMI) y efectua su primera carrera o dezplazamiento el cigüeñal

realiza un giro de 180ᵒ.

Cuando comienza esta fase se supone que instantaneamente se abre la valvula de

admision y mientras se realiza este recorrido, la valvula de admision permanece

abierta y, devido a la depresion o vacio interno que crea el piston en su

dezplazamiento, que pasa atraves del espacio libre que deja la valvula de aspiracion

para llenar, en teoria, la totalidad del cilndro.

El recorrido c que efectua el piston entre el PMS y el PMI definido como carrera,

mulplicada por la superficie S del piston determina el volumen o cilindrada unitaria del

motor V1 - V2 y corresponde al volumen de mezcla teorica aspirada durante la

damision.

Se supone que la valvula de admision se abre instantaneamente al comienzo de la

carrera y que se cierra tambien , de forma instantanea , al final de dicho recorrido.

Total girado por el cigüeñal 180ᵒ.

Segundo el tiempo: compresion.

En este tiempo el piston efectua su

segunda carrera y sedezplaza desde el

punto muerto inferior (PMI) al punto muerto

superior (PMS).durante este recorrido la

muñequilla del cigüeñal efectua otro giro de

180ᵒ.


17/76

17

Durante esta fase las valvulas permanecen cerradas . el piston comprime la mezcla, la

cual queda alojada en el volumen de la camara de combustion, tambien llamadas de

compresion , situadas por encima del PMS, ocupando un volumen V2 .

Tercer tiempo: trabajo.

Cuando el piston llega al final de la compresion,

entre los electrodos de una bujia, salta una chispa

electrica en el interior de la camara de

combustion que produce la ignicion de la mezcla,

con lo cual se origina la inflamacion y

combustion de la misma. Durante este proceso

se libera la energia calarifica del combustible, lo

que produce una elvada temperatura en el interior del cilindro, con lo que la enregia

cinetica de las moleculas aumenta considerable y, al chocar esta contra la cabeza

del piston, geeran la fuerza de empuje que hace que el piston se dezplace hacia el

P.M.I.

Durante esta carrera, que esla unica que realiza trabajo. Se produce la buscada

transformacion de energia. La presion baja rapidamente por efecto del aumento devolumen y disminuye la temperatura interna debido a la expansion .

Al llegar el piston al PMI se supone que instantaneamente se abre la valvula de

escape.


Cuarto tiempo: escape

En este tiempo el piston realiza su cuarta carrera

o dezplazamiento desde el PMI al PMS. Y el

cigüeñal gira otros 180ᵒ


18/76

18

Durante este recorrido del piston, la valula de escape permanece abierta. Atraves de

ella , los gases quemados procdentes de la combustion salen al a atmosfera, al

principio en “estampida” por estar a elevada presion en el interior del cilindro, y el resto

empujado por el piston en su dezplazamiento hacia el PMS.

Cuando el piston llega al PMS se supone que instantaneamente se cierra la valvula

de escape y simultaneamente se abre la valvula de admision.


el conjunto de las fases de funcionamiento de un motor se represente en la figura

siguiente:

El ciclo Otto teorico representado graficamente en un diagrama P – V, se puede

considerar ejecuntado según las transformaciones termodinamicas que se presentan

acontinuacion:

0-1.- Admision (isobara): se supone que la circulacion de los gases desde la atmosfera

al interior del cilindro serealiza sin razonamiento, con lo que no hay pedida de carga y

por tanto, la presion en el interior del cilindro durante toda esta carrera se mantiene

constante e igual ala atmosferica.

1-2.- Compresion (Adiabatica): se supone que como se realiza muy rapidamente , elfluido operante no intercambia calor con el medio exterior, por lo que la transformacion

puede ser considerada a calor constante.

2-3.-combustion (Isocora): se supone que salta la chispa y se produce una

combustion instantanea del combustible, produciendo una cantida de calor Q1. Al ser


19/76

19

tan rapida se puede suponer que el piston no se hadezplazado, por lo que el volumen

durante la transformacion se mantiene constante.

3-4.- trabajo (adiabatico): se supone que devido a la rapidez de giro del motor los

gases quemados no tienene tiempo para intercambiar calor con el medio exterior, por

lo que se puede considerar que sufre una transformacion a calor constante.

4-1.- primera fase de escape (Isocora): se supone una apertura instantanea de la

valvula de escape, lo que genera una salida tan subita de gases del interior del

cilindro y una perdida de calor Q2 que permite considerar una transformacion a

volumen constante.

1-0.- segunda fase del escape (Isobara): El piston al desplazarse hacia el PMS

provoca la expulsion de gases remanentes en el interior del cilindro, y supone que los

gases quemados no ofrecen resistencia alguna para salir a la atmosfera , por lo que

la presion en el interior del cilindrose mantiena constante e igual a la atmosferica.


20/76

20

7.3 MOTOR DIÉSEL.

motor diésel es un motor térmico que tiene combustión interna alternativo que se

produce por el auto encendido 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.

El motor diésel fue inventado en el año 1893, por el ingeniero Rudolf Diésel. De origen

francés, aunque de familia alemana, fue empleado de la firma MAN, que por aquellos

años ya estaba en la producción de motores y vehículos de carga.

Rudolf Diésel 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 porque uno de sus motores experimentales explotó.

Durante años Diésel 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 los estudios de Rudolf Diesel, encontrando para su funcionamiento, un

combustible poco volátil, que por aquellos años era muy utilizado, el aceite liviano, más

conocido como fuel oil que se utilizaba para alumbrar las lámparas de la calle.

Funcionamiento:

El motor Diesel de cuatro tiempos tienen una estructura semejante a los motores de

explosion, salvo ciertas caracteristicas particulares . el piston desarrolla cuatro carreras

alternativas mientras el cigüeñal gira 720ᵒ. Como el motor de ciclo de otto realiza el

llenado y evacuaciones de gases a traves de dos valvulas situadas en la culata,

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_t%C3%A9rmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combusti%C3%B3n_internahttp://es.wikipedia.org/wiki/Esfuerzo_de_compresi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_(motor)http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_di%C3%A9selhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_explosi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Dieselhttp://es.wikipedia.org/wiki/MAN_SEhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmicohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Combusti%C3%B3n_interna&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Gasolinahttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Siglo_XIXhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuel_oilhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuel_oilhttp://es.wikipedia.org/wiki/Siglo_XIXhttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gasolinahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Combusti%C3%B3n_interna&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Motorhttp://es.wikipedia.org/wiki/MAN_SEhttp://es.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Dieselhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_explosi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_di%C3%A9selhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_(motor)http://es.wikipedia.org/wiki/Esfuerzo_de_compresi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combusti%C3%B3n_internahttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_t%C3%A9rmico


21/76

21

cuyo movimiento de apertura y cierre esta sincronizado con el cigüeñal a travez del

sistema de distribucion por el arbol de levas.

El funcionamiento de este motor durante su ciclo es el siguiente:

Primer tiempo: Admision.

En este primer tiempo el piston efectua su primera carrera o dezplazamiento desde

el PMS al PMI, aspirando solo aire de la atmosfera , debidamente purificado a traves del

filtro . el aire pasa por el colector y la valvula de admision, que se supone se abre

instantaneamente y que permanece abierta, con objeto de llenar todo el volumen del

cilindro. durante este tiempo, la muñaquilla del cigüeñal gira 180ᵒ.

Al llegar PMI se suponenq ue la valvula de admision se cierra instantaneamente.


22/76

22

Segundo tiempo: Compresión.

En este segundo tiempo y con las dos válvulas completamente cerradas el pistón

comprime el aire a gran presión , quedando solo aire alojado en a la cámara de

combustión . La muñequilla del cigüeñal gira otros 180ᵒ y completa la primera vuelta

del árbol del motor. La presión alcanzada en el interior de la cámara de combustión

mantiene la temperatura del aire por encima de los 600 ᵒc, superior al punto de

inflamación del combustible , para lo cual la relación de compresión tiene que ser del

orden de 22.

Tercer tiempo: trabajo.

Al final de la compresión con el pistón en el PMS se inyecta el combustible en el

interior del cilindro, en una cantidad que es regulada por la bomba de inyección.

Como la presión en el interior del cilindro es muy elevada para que el combustible

pueda pueda entrar la inyección debe realizarse a una presión muy superior, entre 150

y 300 atmosfera.

El combustible, que debido a la alta presión de inyección sale finalmente pulverizado

se inflama, produciendo la combustión del mismo. Se eleva entonces la temperatura

interna, la presión mientras dura la inyección o aportación de calor se supone

constante y a continuación, se realiza la expansión y desplazamiento del pistón hacia

el PMI. Durante este tiempo, o carrera de trabajo, el pistón efectúa su tercer

recorrido y la muñequilla del cigüeñal gira otros 180ᵒ.


23/76

23

Cuarto tiempo: Escape

Durante este cuarto tiempo se supone que la válvula de escape se abre

instantáneamente permanece abierta. El pistón, durante su corregido ascendente,

expulsa a la atmosfera los gases quemados lanzándolos al exterior.

La muñequilla del cigüeñal gira otros 180ᵒ, completando las dos vueltas del árbol motor

que corresponde al ciclo completo de trabajo. El diagrama de distribución

correspondiente a esta carrera se presenta en la siguiente figura:

Representado en un sistema de ejes coordenados p-v en el funcionamiento teórico deestos motores queda determinado por el diagrama de la siguiente figura:


24/76

24

0-1.- admisión (Isobara): durante la admisión se supone que el cilindro se llena

totalmente de aire que circula con rozamiento por los conductos de admisión, por lo

que se puede considerar que la presión atmosférica. Es por lo que esta carrera puede

ser representada por una transformación isobara (P-K).

1-2.- compresión (Admisión): durante esta carrera el aire es comprimido hasta ocupar el

volumen correspondiente a la cámara de combustión y alcanza en el punto (2)

presiones del orden de 50 kp/cm. Se supone que por hacerse muy rápidamente no

hay que considerar perdidas de calor, por lo que esta transformación puede

considerarse adiabática. La temperatura alcanza al finalizar la compresión supera los

600 ᵒc, que es la temperatura necesaria para producir la autoinflamacion del

combustible sin necesidad de chispa eléctrica.

2- 3. - Inyección y combustión (Isobara): durante el tiempo que dura la inyección, el

pistón inicia su descenso , pero la presión del interior del cilindro se supone que se

mantiene constante , transformación isobara, debido a que el combustible que entra

se quema progresivamente a medida que entra en el cilindro , compensando el

aumento de volumen que genera el desplazamiento del pistón. Esto se conoce como

retraso de combustión

3-4.- terminada la inyección se produce una expansión (3-4), la cual como la

compresión se supone que se realiza sin intercambio de calor con el medio exterior,


25/76

25

por lo que se considera una transformación adiabática. La presión interna depende a

medida que el cilindro aumenta de volumen.

4-1.- primera fase del escape (Isocora): en el punto (4)se supone que se abre

instantáneamente la válvula de escape y se supone que los gases quemados salen

tan rápidamente al exterior , que el pistón no se mueve , por lo que se puede

considerar que la transformación que experimenta es una isocora , la presión en el

cilindro baja hasta la presión atmosférica y una cantidad de calor Q2 no

transformando en trabajo es cedido a la atmosfera.

1- 0.- segunda fase del escape (Isobara): los gases residuales que quedan en el

interior del cilindro son expulsados al exterior por el pisto durante su recorrido (1- 0)

hasta el PMS. Al llegar a él se supone que de forma instantánea se cierra la válvula

de escape y se abre la admisión para iniciar un nuevo ciclo. Como se supone que no

hay perdida de carga debida al rozamiento de los gases quemados al circular por los

conductos de escape, la transformación (1- 0) puede ser considerada como isobara.


26/76

26

7.4 SISTEMAS AUXILIARES (SISTEMA DE ENCENDIDO, SISTEMA DE INYECCIÓN,

SISTEMA DE LUBRICACIÓN, SISTEMA DE ENFRIAMIENTO).

7.4.1 Sistema de encendido.La finalidad del sistema se encendido es encender la mezcla comprimida de aire y

combustión de las cámaras de combustión del motor. El sistema de encendido entrega

una chispa eléctrica que salta un espacio en los extremos de los electrodos de las

bujías, que sobre salen dentro de las cámaras de combustión.

Tipos de sistemas de encendido.

7.4.1.1 Encendido convencional (por ruptor).

Este sistema es el más sencillo de los sistemas de encendido por bobina, en el, se

cumplen todas las funciones que se le piden a estos dispositivos. Es capaz de generar

20.000 chispas por minuto, es decir, alimentar un motor de cuatro tiempos a 10.000

rpm.

Está compuesto por los siguientes elementos:

Bobina de encendido

Resistencia previa

Ruptor

Condensador

Distribuidor de encendido

Variador de avance centrifugo

Variador de avance de vacío

Bujías


27/76

27

7.4.1.2 Encendido electrónico por descarga de condensador.

Este sistema llamado también “encendido por tiristor” funciona de una manera distinta a

todos los sistemas de encendido (encendido por bobinas). Su funcionamiento se basa

en cargar un condensador con energía eléctrica para luego descargarlo provocando en

este momento la alta tensión que hace saltar la chispa en las bujías.

7.4.1.3 Encendido electrónico sin contactos.

Su característica principal es la supresión del ruptor por su carácter mecánico, sistema

que se constituye por la centralita y un amplificador de impulsos.


28/76

28

Existen diversos tipos, pero los podemos dividirlos en dos principalmente, el encendido

por generador de impulsos por inducción o el encendido con generador de impulsos

Hall. Un encendido electrónico está compuesto principalmente por una etapa de

potencia con transistor de conmutación y un circuito electrónico y amplificador de

impulsos alojados en la centralita de encendido, al que se conecta un generador de

impulsos situado dentro del distribuidor de encendido.

7.4.1.4 El sistema de encendido DIS (Direct Ignition System).

Se diferencia del sistema de

encendido tradicional en suprimir

el distribuidor, con este se

consigue eliminar los elementosmecánicos, siempre propensos a

sufrir desgastes y averías.


29/76

29

7.4.2 Sistema de inyección.

En un principio se usaba inyección mecánica pero actualmente la inyección

electrónica es común incluso en motores diésel.

Los sistemas de inyección se dividen en:

Inyección multipunto y monopunto: Para ahorrar costos a veces se utilizaba un solo

inyector para todos los cilindros, o sea, monopunto, en vez de uno por cada cilindro, o

multipunto. Actualmente, y debido a las normas de anticontaminación existentes en la

gran mayoría de los países, la inyección monopunto ha caído en desuso.

Directa e indirecta: En los motores de gasolina es indirecta si se pulveriza el

combustible en el colector o múltiple de admisión en vez de dentro de la cámara de

combustión, o sea en el cilindro. En los diésel, en cambio, se denomina indirecta si se

inyecta dentro de una precámara que se encuentra conectada a la cámara de

combustión o cámara principal que usualmente en las inyecciones directas se

encuentran dentro de las cabezas de los pistones.

Fig. Inyector de gasolina (mando electrónico)

http://es.wikipedia.org/wiki/Inyecci%C3%B3n_electr%C3%B3nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Inyecci%C3%B3n_electr%C3%B3nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_di%C3%A9selhttp://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1mara_de_combusti%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1mara_de_combusti%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1mara_de_combusti%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1mara_de_combusti%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_di%C3%A9selhttp://es.wikipedia.org/wiki/Inyecci%C3%B3n_electr%C3%B3nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Inyecci%C3%B3n_electr%C3%B3nica


30/76

30

7.4.3 Sistema de lubricación.

El uso de la lubricación en un motor hace parte del buen funcionamiento del mismo, la

función principal de este sistema es evitar el desgaste excesivo de los componentes

móviles. Los cuales se encuentran en constante contacto y movimiento.

Este sistema está diseñado para suministrar aceite a todas las partes móviles en un

intento de separar sus superficies, reducir la fricción y actuar como refrigerante y

detergente.

Partes del sistema de lubricación:

Charola de aceite

Bombas de aceite

Válvula de alivio de presión

Enfriador de aceite filtros

Filtros de aceite

7.4.4 Sistema de enfriamiento.El sistema de enfriamiento mantiene el motor a su temperatura más eficiente, en todas

las velocidades y condiciones de operación. Al quemarse el combustible en el motor se

produce calor, parte del cual debe ser eliminado antes de que dañe la parte del motor.


31/76

31

El sistema de enfriamiento incluye cinco componentes básicos que trabajan juntos de

manera continúa para controlar la temperatura del motor e impedir el

sobrecalentamiento: las camisas de agua, la bomba de agua, el termostato, el radiador

y el ventilador.

7.4.4.1 Camisas de agua.

El bloque de cilindros y la cabeza de

cilindros tienen pasajes internos o

camisas de agua, que rodean los

cilindros y las cámaras decombustión.

7.4.4.2 Bombas de agua.

Las bombas de agua son bombas centrifugas que

utilizan un impulsor para mover un refrigerante. La

bomba de agua se fija en la parte delantera del

motor, y por lo general es movida por una banda

impulsadora desde la polea del cigüeñal.


32/76

32

7.4.4.3 Ventilador del motor.

El ventilador puede ser un ventilador mecánico o

eléctrico. Los motores transversales en los

vehículos de tracción delantera por lo general

tienen un ventilador eléctrico, donde hace girar a

las aspas.

7.4.4.4 Radiador.

Es un intercambiador de calor con dos conjuntos

de pasajes. Uno es para el refrigerante, y el otropara el aire exterior. Este arreglo permite que el

radiador elimine calor del refrigerante del motor

que pasa a través de él. El radiador está

formado por tres partes principales; núcleo del

radiador, depósitos de entrada y salida.

7.4.4.5. Termostato.

Es un dispositivo de control que contiene un elemento sensible a la temperatura que

responde de manera automática a los cambios de temperatura.


33/76

33

7.5 MOTORES DE PROPULSIÓN A CHORRO.

La propulsión es un sistema capaz de imprimir velocidad creciente o aceleración a un

cuerpo, mediante un dispositivo que expele materia (denominado motor cohete). El

concepto “propulsión” puede ser usado

con otras muchas palabras, tales como:

chorro de cohete o nave espacial, de

esta forma se tiene “propulsión a chorro”,

“propulsión de cohetes”, o “propulsión de

nave espacial” etc.

Propulsion a chorro es un procedimiento que se basa en la tercera ley del movimiento

de Newton: toda fuerza ejercida sobre uncuerpo (accion) provoca en el otra fuerza igual

y de sentido contrario (reaccion). Existen varias calses de motores de propulsion a

chorro, llamados tambien motores de reaccion. Pero en general todos se basan en la

reaccion provocada al lanzar gases de gran velocidad por una tobera que producen una

reaccion en sentido contrario del motor y su vehiculo. Un motor de propulsion a chorro

aspira aire por la parte de enfrente y despues lo expulsa por la parte de atrás. A esto se

le llama propulsion por resccion. El aire que pasa a traves del motor hace que una

helice de vueltas.

La propulsión a chorro tiene como principio básico la presurización de un recipiente el

cual contiene algún elemento llamado masa reactiva, misma que como su nombre lo

indica reacciona a la impresión o aplicación de energía.

La impresión de energía se puede ejercer por diversos

métodos, un ejemplo sencillo es una botella de sidra,

cuando la agitamos la energía es liberada por la

reacción del líquido carbonatado con el jugo de


34/76

34

manzana, liberando una energía que presuriza el recipiente (botella) y busca una salida,

encontrándola en el tapón de corcho cuando este empieza a ceder por la misma

presión, en este ejemplo el tapón es la masa reactiva.

Existen diversas aplicaciones sobre la propulsión a chorro, aunque por las proporciones

de la misma, la energía que se imprime y el resultado que nos da, pasan

desapercibidas en nuestras vidas diarias. Por ejemplo una cerbatana, una olla de vapor,

artículos en aerosol, etc. Para generar una gran cantidad de impulso por segundo, se

debe emplear una gran cantidad de energía por segundo. De esta forma un motor

altamente eficiente requiere grandes cantidades de energía para proporcionar grandes

cantidades de empuje. Como resultado, la mayoría de los motores se diseñan para

proporcionar bajos niveles de empuje.

En la era moderna, se han efectuado estudios para eficientar el principio de la

propulsión a chorro, logrando cada vez ejercer menores presiones de energía

obteniendo mayores reacciones, y a su vez obteniendo como resultado el uso de este

principio para la fabricación de motores potentes para la industria espacial, aviación y

automotriz.


35/76

35

Whittle, Frank (1907 - 1996), Aviador e inventor británico,

fue el creador del motor de propulsión a chorro que lleva

su nombre, con el que se realizaron los primeros vuelos

en 1941. En el mismo año se trasladó a Estados Unidos

para colaborar en el perfeccionamiento de motores del mismo tipo. En 1948, en

reconocimiento a sus trabajos, fue ennoblecido por el gobierno y galardonado con una

recompensa de 100,000 libras esterlinas.

La propulsión de las naves espaciales se usa para cambiar la velocidad de las naves

espaciales y los satélites artificiales. Existen diferentes métodos. Cada método tiene sus

propias ventajas y desventajas, de esta forma la propulsión de las naves espaciales es

un área de gran investigación. La mayoría de las naves se empujan mediante el calor

de una reacción en cadena que se expele por un orificio a muy alta velocidad. Este tipo

de motor se denomina motor cohete.


36/76

36

Montaje de una turbina de gas

7.6 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LAS TURBINAS DE GAS.

Una turbina de gas, es una turbomáquinas motora, cuyo fluido de trabajo es un gas.

Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son

turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de

las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus

características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de

gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores

sí. Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en

algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los

motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que éstos

son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una

turbina de gas.

La operación básica de la turbina de gas

es similar a la máquina de vapor, excepto

que en lugar de agua se usa el aire. El aire

fresco de la atmósfera fluye a través de un

compresor que lo eleva a una alta presión.Luego se añade energía dispersando

combustible en el mismo y quemándolo de

modo que la combustión genera un flujo

de alta temperatura. Este gas de alta

temperatura y presión entra a una turbina,

donde se expande disminuyendo hasta la presión de salida, produciendo el movimiento

del eje durante el proceso. El trabajo de este eje de la turbina es mover el compresor y

otros dispositivos como generadores eléctricos que pueden estar acopados. La energía

que no se usa para el trabajo sale en forma de gases, por lo cual tendrán o una alta

temperatura o una alta velocidad. El propósito de la turbina determina el diseño que

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ciclo_de_potencia&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Braytonhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_refrigeraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turborreactorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turborreactorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_refrigeraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Braytonhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ciclo_de_potencia&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quina


37/76

37

maximiza esta forma de energía. Las turbinas de gas se usan para darle potencia a

aeronaves, trenes, barcos, generadores eléctricos, e incluso tanques.

Análisis termodinámico.

Durante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina a gas el primero le entrega

energía a la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye su

temperatura. Podemos hacer un análisis termodinámico de este proceso haciendo un

balance de energía:

Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas, pero a

diferencia de otras nomenclaturas el trabajo L es considerado positivo si sale del

volumen de control, el cual en este caso contiene al fluido en su paso a través de la

turbina; C es la velocidad, U es la energía interna, P es la presión, Z es la altura, q es el

calor transferido por unidad de masa y es el volumen específico. Los subíndices se

refieren a la salida y se refieren a la entrada. Para simplificar nuestro trabajo haremos

las siguientes consideraciones:

Consideraremos este proceso como adiabático.

El cambio de energía potencial (gravitatoria) es despreciable debido a la baja

densidad de los gases.

Entonces de la primera ley de la termodinámica podemos deducir la expresión para

obtener el trabajo específico en función de las propiedades de entrada y salida de la

turbina del fluido de trabajo:

El término es la entalpía la cual se define como:

http://es.wikipedia.org/wiki/Primera_ley_de_la_termodin%C3%A1micahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Propiedades_espec%C3%ADficas&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Propiedades_espec%C3%ADficas&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Primera_ley_de_la_termodin%C3%A1mica


38/76

38

7.7 RENDIMIENTOS, POTENCIA Y SELECCIÓN.

El motor de combustión interna proporciona la potencia necesaria para mover el

vehículo. El tipo de combustible que se utiliza en motores de gasolina o diésel es

diferente, debido al método utilizado para el encendido del combustible. El

funcionamiento mecánico de ambos motores es casi idéntico. En un motor, el

combustible se quema para generar un movimiento mecánico. Entre los principales

componentes del motor de combustión interna se encuentran:

• El conjunto del bloque de cilindros o monoblock.

• El tren de válvulas.

• El sistema de entrada.

• El sistema de escape.

• EL sistema de lubricación.

• El sistema de enfriamiento.

Potencia del motor .

El trabajo que se consigue es la fuerza por la distancia recorrida por el pistón, y esta

fuerza es el producto de la presión ejercida por los gases de la combustión por la

superficie de éste. Siendo W el trabajo, F fuerza y d distancia recorrida la ecuación del

trabajo es:

w=f*d

Y si este trabajo se realiza en un tiempo t determinado podemos determinar la potencia

P con la siguiente ecuación:

p=w/t


39/76

39

La potencia es un factor que depende mucho del tipo de motor, porque depende de la

cilindrada y de la relación de compresión, y también del número de cilindros, la carrera

y el régimen de giro del motor.

Hay tres potencias fundamentales en un motor: potencia indicada, potencia efectiva y

potencia absorbida.

Potencia indicada.

Es la potencia que realmente se desarrolla en el interior del cilindro por la combustión.

Esta se puede calcular con la presión media, que es la presión constante con la que es

necesaria para impulsar el pistón durante su carrera. Esta presión varía con la velocidad

y la relación de compresión del motor. Entonces la ecuación de trabajo indicado Wi,

siendo ρi la presión media y V la cilindrada unitaria, sería:

La potencia indicada Pi es el producto del trabajo desarrollado durante una carrera útil,

por el número de ellas realizadas en la unidad de tiempo. Si n es el número derevoluciones motor y que un ciclo en un motor de cuatro tiempos se necesita dos

vueltas del cigüeñal, la ecuación de la potencia indicada es:

Par motor. Potencia efectiva.

El par motor es un esfuerzo de rotación, por la

fuerza que transmite la biela al codo del

cigüeñal. El par motor se calcula multiplicando

esta fuerza por la longitud del codo. El par

máximo del motor no se produce en un régimen


40/76

40

de revoluciones motor alto, si no que sucede cuando el llenado y las explosiones son

más efectivas. Para el cálculo del par es necesario utilizar un dispositivo que frene el

motor, esto se consigue haciendo palanca con una fuerza. Se utiliza un mecanismo

llamado freno prony (actualmente se utiliza mecanismos más modernos), que a través

de una cincha frena el eje del motor hasta pararlo y se toma la medida del

dinamómetro.

Potencia absorbida.

La potencia absorbida es difícil de medir, por eso se mide la potencia indicada y la

potencia efectiva y la diferencia de ambas es la potencia absorbida. Normalmente el

75% del total de la potencia absorbida es por el rozamiento de los segmentos con las

paredes del cilindro.


41/76

41

CAPITULO VIII: CICLOS COMBINADOS

8.1TIPOS DE CICLOS COMBINADOS.

Es un ciclo de potencia que se basa en el acoplamiento de dos ciclos diferentes de

producción de energía, y para generación de energía eléctrica.

En términos generales, un Ciclo Combinado consiste en el acoplamiento de dos ciclos

diferentes de producción de energía eléctrica, uno de Turbina a Gas y otro de Turbina

de Vapor de forma tal que la energía calórica no utilizada por uno de ellos se emplea

como fuente de calor en el otro. De esta forma, los gases calientes de escape de la

Turbina de Gas entregan la energía necesaria para el funcionamiento del Ciclo de

Vapor acoplado.

Componentes Principales de un Ciclo Combinado


42/76

42

Los ciclos termodinámicos Brayton y Rankine.


43/76

43


44/76

44

1.2 EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA.

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.

La tecnología de ciclo combinado para la generación de energía eléctrica es la que

mejor armoniza la eficiencia y el respeto medioambiental, debido a que combina el

potencial directo de la combustión, generalmente de gas natural, y el del vapor que se

obtiene por reutilización de los gases residuales de dicha combustión, todavía calientes,

para generar electricidad. Es decir, que a partir de una misma fuente energéticaprimaria, generalmente gas natural, se obtiene electricidad en dos etapas. La primera,

basada en turbina de gas, que genera directamente electricidad a partir de la

combustión. Y la segunda, que reutiliza en una caldera de recuperación de calor la

energía contenida en los gases calientes sobrantes de la primera etapa para generar

vapor de agua, el cual se aprovecha mediante turbina de vapor para generar más

electricidad. La eficiencia combinada de todo el proceso está comprendida entre el 55%

y el 60%, frente al entre el 30% y el 40% de las plantas de energía eléctrica que utilizan

una sola etapa de transformación de la energía contenida en el combustible.

Básicamente, un ciclo combinado está compuesto por una turbina de gas, una caldera

de recuperación de calor, una turbina de vapor, un condensador y un generador

eléctrico o alternador, además de todos los servicios auxiliares requeridos (resto de

planta) para obtener un sistema capaz de producir electricidad. Las centrales térmicas

de ciclo combinado pueden clasificarse atendiendo al tipo de combustible que utilizan y,

por otro lado, según la configuración y disposición de sus equipos principales.

Considerando el tipo de combustible utilizado, las plantas de ciclo combinado pueden

ser de gas natural, gasóleo, o mixtas, aunque se preferirá normalmente la utilización de

gas natural por ser éste el combustible fósil más limpio disponible: no contiene azufre y

http://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Combusti%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Quemahttp://es.wikipedia.org/wiki/Quemahttp://es.wikipedia.org/wiki/Combusti%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa


45/76

45

produce menos CO2 para la misma energía generada (menor relación C/H). Así, en el

caso de las centrales de ciclo combinado mixtas, el combustible base utilizado

prácticamente durante todo el tiempo de operación será el gas natural y el combustible

alternativo, al que se recurrirá exclusivamente en caso de emergencia, será el gasóleo.

En cuanto a su configuración, una planta de ciclo combinado puede disponer de una o

varias turbinas de gas, conectadas a su propia caldera de recuperación de calor que, a

su vez, alimentan a sendas o a una única turbina de vapor. Y atendiendo al número de

ejes principales de que consta un grupo de ciclo combinado, se puede hacer una nueva

clasificación en función de la disposición relativa de los ejes de las turbinas de gas y

vapor, si se encuentran en una misma línea y acoplados o no, hablándose en este caso

de configuraciones monoeje y multieje.


46/76

46

1.3 CICLOS COMBINADOS EN LA COGENERACION.

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%, lo demás

se pierde. 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 el aprovechamiento del calor residual de los sistemas de refrigeración de los motores

de combustión interna para la generación de electricidad.

Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la co-existencia 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. En una

central eléctrica el ciclo de gas genera energía eléctrica mediante una o varias turbinas

de gas y el ciclo de vapor de agua lo hacen mediante una turbina de vapor. El principio

sobre el cual se basa es utilizar los gases de escape a alta temperatura de la turbina de

gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperación, la que

alimenta a su vez de vapor a la turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo

combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al

rendimiento de una central de ciclo único y mucho mayores que los de una de turbina

de vapor.

Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de electricidad (o

energía mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de un único combustible.

El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las

centrales de cogeneración de electricidad calor, las cuales funcionan con turbinas o

motores de gas. No obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables

y residuos como biomasa o residuos que se incineran.

http://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Energia/E_Renovables/Biomasa/Welcome.asphttp://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Energia/E_Renovables/Biomasa/Welcome.asp


47/76

47

En un proceso de cogeneración, el calor se presenta en forma de vapor de agua a alta

presión o en forma de agua caliente. Por ejemplo, se puede utilizar el vapor caliente

que sale de una turbina de producción de energía eléctrica, para suministrar energía

para otros usos. Hasta hace poco lo usual era dejar que el vapor se enfriara, pero con

esta técnica, con el calor que le queda al vapor se calienta agua para distintos usos.

El aprovechamiento del calor residual, los sistemas de cogeneración presentan

rendimientos globales del orden del 85%, lo que implica que el aprovechamiento

simultáneo de electricidad y calor favorezca la obtención de elevados índices de ahorro

energético, así como una disminución importante de la factura energética, sin alterar el

proceso productivo, ahorro energético que se incrementa notablemente si se utilizan

energías

residuales.

En una central eléctrica tradicional los humos salen directamente por la chimenea,

mientras que en una planta de cogeneración los gases de escape se enfrían

transmitiendo su energía a un circuito de agua caliente/vapor. Una vez enfriados los

gases de escape pasan a la chimenea.

Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un rendimiento

energético del orden del 90%. El procedimiento es más ecológico, ya que durante la

combustión el gas natural libera menos dióxido de carbono (CO2) y óxido de nitrógeno

(NOX) que el petróleo o el carbón. El desarrollo de la cogeneración podría evitar la

emisión de 127 millones de toneladas de CO2 en la UE en 2010 et de 258 millones de

toneladas en 2020, ayudando a cumplir los objetivos fijados en el Protocolo de Kioto.

http://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Kioto/Welcome.htmhttp://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Kioto/Welcome.htm


48/76

48

La producción de electricidad por cogeneración representa en la UE en 1998 el 11% del

total. Si se lograra aumentar hasta un 18%, el ahorro de energía podría llegar a ser del

3-4% del consumo bruto total de la UE. Además, son cada vez más numerosas las

aplicaciones que se le está dando a esta técnica, tanto en usos industriales, como en

hospitales, hoteles, etc.

Ventajas

Ahorra energía y mejora la seguridad del abastecimiento.

Disminuye las pérdidas de la red eléctrica, especialmente porque las centrales de

cogeneración se suelen situar próximas a los lugares de consumo

Aumenta la competencia entre los productores

Permite crear nuevas empresas

Se adapta bien a las zonas aisladas o ultraperifíricas

Sistemas de Cogeneración.

Plantas con motores alternativos

Utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes eléctricamente,

pero son poco eficientes térmicamente. El sistema de recuperación térmica se diseña

en función de los requisitos de la industria y en general se basan en la producción de

vapor a baja presión (hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del

circuito de alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también

adecuadas la producción de frío por absorción, bien a través del vapor generado con

los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor del agua derefrigeración en máquinas de simple efecto.


49/76

49

Plantas con turbinas de vapor

En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del vapor de alta

presión procedente de una caldera convencional.

El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración. Actualmente su aplicación ha

quedado prácticamente limitada como complemento para ciclos combinados o en

instalaciones que utilizan combustibles residuales, como biomasa o residuos que se

incineran.

La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo que se

denomina "Ciclo Combinado".

Plantas con turbinas de gas

En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un turbogenerador,

cediendo parte de su energía para producir energía mecánica. Su rendimiento de

conversión es inferior al de los motores alternativos, pero presentan la ventaja de que

permiten una recuperación fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica

totalidad en sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea

para producir vapor en un generador de recuperación.

Se diferencian 2 tipos de ciclos: (1) simple, cuando el vapor se produce a la presión de

utilización del usuario; y (2)combinado, cuando el vapor se produce a alta presión y

temperatura para su expansión previa en una turbina de vapor.

Ciclo simple.

Es la planta clásica de cogeneración y su aplicación es adecuada cuando los requisitos

de vapor son importantes (>10 t/h), situación que se encuentra fácilmente en

numerosas industrias (alimentación, química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y

económicamente rentables cuando están diseñadas para una aplicación determinada.

http://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Energia/E_Renovables/Biomasa/Welcome.asphttp://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Energia/EficienciaEnergetica/cogeneracion.asp#ciclo_simplehttp://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Energia/EficienciaEnergetica/cogeneracion.asp#ciclo_combinadohttp://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Energia/EficienciaEnergetica/cogeneracion.asp#ciclo_combinadohttp://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Energia/EficienciaEnergetica/cogeneracion.asp#ciclo_simplehttp://www.miliarium.com/bibliografia/Monografias/Energia/E_Renovables/Biomasa/Welcome.asp


50/76

50

El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, pues su economía está

directamente ligada al mismo, ya que a diferencia de las plantas con motores

alternativos el precio del calor recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de

gas.

Ciclo combinado.

Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo simple y

permite, por ello, mejorar la recuperación térmica, o instalar una turbina de gas de

mayor tamaño cuya recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el

vapor en una segunda turbina de contrapresión.

En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del

mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hacen en función

de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con

criterios de eficiencia y economía. Por ello se requiere la existencia de experiencias

previas e "imaginación responsable" para crear procesos adaptados a un centro de

consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo

eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño.


51/76

51

8.4 CICLO COMBINADO EN EFICIENCIA ENERGETICA.

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%, lo demás se pierde. 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 el aprovechamiento del calor residual

de los sistemas de refrigeración de los motores de combustión interna para la

generación de electricidad.

El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las

centrales de cogeneración de electricidad y calor, las cuales funcionan con turbinas o

motores de gas. No obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables

y residuos como biomasa o residuos que se incineran. Además, esta tecnología reduce

el impacto ambiental debido al ahorro de energía primaria que implica. Si se tiene en

cuenta que 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 se verá disminuida en un 50%. Este

procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos edificios singulares

en los que el calor puede emplearse para calefacción u obtención de agua caliente

sanitaria como por ejemplo ciudades universitarias, hospitales, etc.

Con estos sistemas se mejora la eficiencia energética, consiguiendo con el mismo

combustible más energía, con lo que se consigue un ahorro de éste y también una

disminución de las emisiones de CO2.

http://es.wikipedia.org/wiki/Cogeneraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Combustiblehttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Biomasahttp://es.wikipedia.org/wiki/Hospitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Eficiencia_energ%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Eficiencia_energ%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Hospitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Biomasahttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Combustiblehttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cogeneraci%C3%B3n


52/76

52

CAPITULO IX: COMPRESORES

9.1 CLASIFICACION DE LOS COMPRESORES.

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y

desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los

vapores. Esto se realiza a través de unintercambio de energía entre la máquina y el

fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor estransferido a la sustancia que

pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía

cinética impulsándola a fluir. Al igual que las bombas, los compresores también

desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas,éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un

cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia

de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no

aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

Compresores de aire a pistón.

Los compresores son máquinas que aspiran el aire ambiente (a presión atmosférica) y

lo comprimen hasta lograr una presión superior. Existen distintos modelos de

compresores, tales como:

Compresores de simple efecto y una etapa de compresión. Refrigeración por

aire.

Compresores de simple efecto, de dos etapas de compresión. Refrigeración por

aire.

Compresores de doble efecto, dos etapas de compresión y refrigeración por

agua.

Compresores de simple efecto, dos etapas de compresión y refrigeración por

aire, sin engrase de cilindros.


53/76

53

Compresores de doble efecto, dos etapas de compresión; refrigeración por agua,

sin engrase de cilindros.

Clasificación

Los compresores se pueden clasificar atendiendo al número de etapas y por el modo de

trabajar el pistón. De esta forma encontramos:

Por el número de etapas

Compresores de una etapa: disponen de una simple etapa de compresión. Se

componen de un cárter con cigüeñal, pistón y cilindro. Para su refrigeración lleva en la

parte exterior, aletas que evacuan el calor por radiación. ( compresores de pequeñas

potencias)

Compresores de dos etapas: su característica principal es que el aire es comprimido en

dos etapas. En la 1ª etapa (de baja presión) se comprime hasta una Pi= 2 a 3 bares; y

en la segunda (de alta presión), se comprime hasta una presión de 8 bares. Pueden ser

refrigerados por aire y por agua, el refrigerador intermedio (entre etapas) puede actuar

a base de un ventilador o en virtud de una corriente de agua a través del mismo.

Por el modo de trabajar el pistón

Simple efecto: se dice que un pistón es de simple efecto cuando trabaja sobre una sola

cara del mismo y precisamente aquella dirigida hacia la cabeza del cilindro. La cantidad

de aire desplazado es igual a la carrera por sección del pistón.

Doble efecto: el pistón es de doble efecto cuando trabaja sobre sus dos caras y delimita

dos cámaras de compresión en el cilindro. Así, el volumen engendrado es igual a dos

veces el producto de la sección del pistón por la carrera. Haya que tener en cuenta elvástago, que ocupa el espacio obviamente no disponible para el aire, y, como

consecuencia, los volúmenes creados por las dos caras del pistón no son iguales.

Etapas múltiples o tándem: el pistón es de múltiples etapas si tiene elementos

superpuestos de diámetros diferentes, que se desplazan en cilindros concéntricos. El


54/76

54

pistón de mayor diámetro puede trabajar en simple o doble efecto. Esta disposición es

muy utilizada por compresores de alta presión.

Compresores rotativos

Los compresores rotativos producen aire comprimido por un procedimiento rotatorio y

continuo, es decir, que empujar el aire desde la aspiración hacia la descarga,

comprimiéndolo.

Los modelos de más amplia difusión industrial pueden clasificarse:

De paletas.

De tornillo,

Tipo ROOTS.

Compresores de paleta.

En los compresores de paleta el rotor cilíndrico es tal colocado excéntricamente dentro

del hueco tabular del estator. El rotor lleva un número de paletas radiales metidas en

unas ranuras dispuestas a tal efecto, y cuando el rotor gira accionado por el motor, las

paletas se desplazan hacia fuera ajustándose a la pared interior del estator hasta el

punto de excentricidad máxima situado en la parte superior del estator. El volumen de

aire atrapado en la cámara comprendida entre dos paletas consecutivas se comprime

gradualmente mientras que la rotación del aire irá poco a poco disminuyendo y por

tanto su presión aumentará por la progresiva reducción del volumen provocando la

correspondiente compresión. En el momento en que llega a la lumbrera o abertura de

descarga el aire será empujado a través de ella hacia la salida habiéndose consumado

el ciclo aspiración-compresión-descarga.


55/76

55

Compresores de tornillo

Son asimismo de tipo volumétrico.

Desde 1934 hasta nuestros días, su

diseño ha sufrido un avance

considerable.

Están dispuestos de tal manera que el

rotor macho se encuentra dotado de

lóbulos con un perfil de estudiado

diseño, y el rotor hembra de

acanaladuras en las cuales se

introducen los lóbulos en el curso de la

rotación.


56/76

56

El accionamiento del conjunto tiene lugar por el extremo del eje que lleva el rotor

macho, quien arrastra por contacto a la hembra, o lo hace mediante engranajes

sincronizados que posicionan relativamente los elementos con enorme exactitud,

consiguiendo en ambos casos la intercepción mutua entre los cuatro lóbulos del macho

y los seis canales de la hembra.

El rotor macho es el que absorbe la potencia suministrada por el motor,

estableciéndose alrededor del 85 al 90% total para él, dejando un 10 al 15% para el

rotor hembra. Los rotores giran a velocidades lentas (1300 a 2400 rpm) sobre

rodamientos de bolas y rodillos, con interposición de una película de aceite que sirve

para sellar el espacio de compresión y eliminar el calor que se origina durante la

compresión.

Los compresores de tornillo poseen compresión interna y su relación de compresión

viene determinada por la situación de los bordes de apertura de descarga y por la figura

geométrica que adopte el perfil del par de tornillos.

Los compresores de dos etapas constas de cuatro rotores situados dos a dos encima

uno del otro. Tanto la etapa de baja presión como la de alta presión están compuestas

por dos rotores secundarios arrastrados directamente por los rotores primarios sin lamedición de ningún dispositivo de sincronización adicional. Un sistema hidráulico

contrarresta el esfuerzo sobre los rodamientos soportando las cargas axiales de los

rotores. El aceite inyectado en el interior de cada una de las dos etapas absorbe el calor

que se genera durante la compresión. Habitualmente la central de los compresores de

tornillo está inserta en el interior de un habitáculo construido a base de paneles

laterales y superior, incluidos unos tabiques internos forrados con espuma de

poliuretano prácticamente inflamable a fin de conseguir su insonorización.

Compresores de soplantes

Conocidos también con el nombre de soplantes, tiene un amplio campo de aplicación

para bajas presiones. Dentro de un cuerpo de bomba o estator, dos rotores de perfiles


57/76

57

idénticos en forma de ocho, giran a velocidad angular constante, en sentido inverso el

uno del otro. Estas rotaciones están sincronizadas por un juego de engranajes

exteriores, lubricados por baño de aceite. A diferencia de otros compresores los rotores

no rozan ni entre sí ni con el estator, existiendo una pequeña tolerancia entre estos; por

consiguiente no pueden efectuar compresión interior, ya que el volumen de las cámaras

de trabajo no disminuye durante la rotación.

Estos compresores únicamente transportan del lado de la aspiración al de compresión

el volumen de aire aspirado, sin comprimirlo en este recorrido. El volumen que llega a la

boca de salida, todavía con la presión de aspiración, se junta con el aire ya comprimido

que vuele a la tubería de descarga y se introduce en la cámara cuyo contenido llega en

ese momento a la presión máxima, siendo descargado seguidamente.La ventaja de la

ausencia de fricción entre los rotores hace innecesaria la lubricación en la cámara de

compresión, lo cual permite la entrega de un aire totalmente exento de aceite que

pudiera contaminarlo.

Compresores secos

Cuando el agente comprimido que ha de producir un compresor tiene que quedar

exento de aceite, hay que recurrir a compresores de pistón o de tornillo en los queningún aceite de lubricación o sucedáneo entre en contacto con el gas a comprimir,

resolviendo la mencionada necesidad mediante cámaras de compresión sin lubricante.

El aire sigue estando húmedo, denominándose mejor compresores exentos de aceite o

sin lubricación.

Es imposible conseguir que el aire real y absolutamente exento de aceite, si bien los

compresores secos, teóricamente, producen aire libre de aceite, puesto que trabajan

con cámaras de compresión sin lubricación.

La definición de aire exento de aceite deberá ser: aire al que, por medios prácticos, se

ha eximido de aceite hasta el punto que no se pueden detectar trazas de aceite en las

líneas de aire comprimido.


58/76

58

9.2 ANALISIS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN

COMPRESOR RECIPROCANTE Y CENTRIFUGO.

La primera ley de la termodinámica o Primer Principio de la termodinámica

es una aplicación dela ley universal de conservación de la energía a la termodinámica

y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Uno de los

enunciados de la primera ley de la termodinámica es el siguiente: El incremento de la

energía interna de un sistema termodinámico es igual a la diferencia entre la

cantidad de calor transferida a un sistema y el trabajo realizado por el sistema a sus

alrededores.

Conservación de la energía

La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la

termodinámicaafirmaque la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado (sin i

nteracción con ningún otrosistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha

energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la

conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo

se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se

transforma en energía calorífica en un calentador

Aplicaciones de la Primera Ley

Sistemas cerrados: Un sistema cerrado es uno que no tiene entrada ni salida

de masa. El sistema cerrado tiene interacciones de trabajo y calor con sus alrededores,

así como puede realizar trabajo de frontera .La ecuación general para un sistema

cerrado (despreciando energía cinética y potencial) es:

Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema

(positiva cuando entra al sistema y negativa cuando sale de éste), W es el trabajo total


59/76

59

(negativo cuando entra al sistema y positivo cuando sale de éste) e incluye trabajo

eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.

Sistemas abiertos: un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa,

así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar

trabajo de frontera.

Compresores reciprocantes.

En lo sucesivo, si bien el fluido puede ser un gas puro, mezcla de gases, vapor

saturado o vapor sobrecalentado, se supondrá que se trata de un gas que cumple con

las leyes de los gases perfectos:

p v = Rg T, con Rg = cte. c p k

El objetivo buscado es incrementar la energía del gas sin alterar su energía interna. O

sea (en ausencia de transformaciones químicas), sin recurrir al aumento de su

temperatura. La única manera de realizarlo consiste en aumentar p disminuyendo v.

Calentamiento en la entrada.

El gas que ingresa al cilindro no se encuentra a la misma temperatura que a la entradaal compresor. En efecto, desde la entrada hasta el cilindro el gas recorre conductos

cuyas paredes están a mayor temperatura que él. También experimenta un aumento de

temperatura mientras ingresa al cilindro por estar a mayor temperatura las paredes de

éste. Por lo tanto el cilindro succiona, en cada embolada, el volumen calculado pero a

temperatura mayor, o sea con densidad menor. El volumen de gas extraído en cada

ciclo del ambiente del cual toma no es V1 – V4 sino menor. Refiriéndolo a las

condiciones en la entrada del compresor, equivale a un volumen reducido en un factor

ev1 < 1. Si se puede medir la temperatura Ti al ingreso al cilindro, se puede calcular ev1

aplicando (1.5): T1 ev1

Ti Según ensayos realizados, el factor ev1 suele tomar valores entre 0.97 y 0.99.

Pérdidas de carga en la entrada.


60/76

60

Desde la entrada al compresor hasta el cilindro hay pérdidas de carga en filtros,

conductos de admisión y válvulas de admisión. La presión y por lo tanto la densidad del

gas al acceder al cilindro es menor que en la entrada al compresor. Refiriéndolo a las

condiciones de entrada, equivale a un volumen reducido en un factor ev2 < 1. Si se

puede medir la presión pi a la entrada al cilindro, se puede calcular ev2 aplicando

(1.5): pi ev2 =p1

Según ensayos, el factor ev2 también suele tomar valores entre 0.97 y 0.99.

Los factores ev1 y ev2 son, al igual que ev0, factores de disminución de capacidad,

pero no tienen relación directa con la energía consumida, por lo que no cabe

considerarlos como rendimientos.

Fugas.

La masa de gas que egresa del compresor, en cada ciclo, no es igual a la que ingresa

debido a:

falta de estanqueidad de las válvulas.

falta de estanqueidad de los aros del pistón.

falta de estanqueidad entre vástago y tapa posterior, en el caso de un pistón de

doble efecto.

Para un compresor en buen estado, el valor de f suele estar entre 0.01 y 0.06. En una

primera aproximación, se lo puede suponer constante, aunque además de las luces y

malos cierres depende de r.

Para ηv es adecuado el uso de la palabra "rendimiento" pues el gas que fuga lo hace

una vez comprimido, por lo que se produce una pérdida de energía.

Cálculo del caudal

Siendo L la carrera del pistón y D su diámetro, el volumen desplazado vale:


61/76

61

1 4

V

P 3 2

π.D2 VD = V1 −V3 =4

Si el pistón realiza N ciclos por unidad de tiempo y el compresor tiene Z cilindros iguales

operando en paralelo, el caudal de aire que entrega, medido en las condiciones de

entrada, vale:

V= π.D 2 / L.N.Z.j. ev0 .ev1.ev2 ηv

Donde j vale 1 si el pistón es de simple efecto y 2 si es de doble efecto (en realidad,

para un compresor de doble efecto habría que descontar del volumen desplazado el

volumen ocupado por el vástago, que suele se

Date post:	06-Jul-2018
Category:	Documents
Upload:	adrian-hernandez
View:	226 times
Download:	1 times

Antologia Sistemas Termicos.

Documents