maquinas termicas motoras.pdf

POLITEXT 134

Mquinas trmicas motoras - 1

POLITEXT

EDICIONS UPC


Jess Andrs lvarez Flrez, ed.Ismael Callejn Agramunt, ed.Sergi Forns FarrsPere Roca CarlesDavid Balsells GrandeJuan Casanova Rossell

Toms Navarro OdriozolaCarles Forcadell FreixaAngelita Gonzlez FontalAntoni Mrquez LuqueFrancisco J. Prez Llopis

La presente obra fue galardonada en el octavo concurso"Ajut a l'elaboraci de material docent" convocado por la UPC.

Colaboradores:Mnica lvarez, Francesc Batalla, Gabriela Benveniste, scar Bonet, Xavier Carrera, Juan Manuel Castro, scar Civit, Jordi Escura, Irene Espada,Xavier Flores, David Gonzlez, Ricard Ibez, Andreu Iglesias, Luis Isidro,Josep Antn Jimnez, Oscar Jimnez, Francisco Liesa, Ana M Marimn, Salvador Miret, Eduard Moreno, Josep M Piguillem, Julio Prez, Lluc Puig, Eloi Robert, Joan Rovira, Bartolom Salom, David Snchez, lvaro Serrano,Xavier Soldevila, Agust Vilella, Joaquin Villa, Jordi Yubero

Primera edicin: septiembre de 2002

Diseo de la cubierta: Manuel Andreu

Los autores, 2002

Edicions UPC, 2002Edicions de la Universitat Politcnica de Catalunya, SLJordi Girona Salgado 31, 08034 BarcelonaTel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885Edicions Virtuals: www.edicionsupc.esE-mail: [email protected]

Produccin: Copistera Miracle, SLRector Ubach 6-10, 08021 Barcelona

Depsito legal: B-27729-2002ISBN: 84-8301-644-3ISBN Obra completa: 84-8301-646-X

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del copyright, bajo las san-ciones establecidas en las leyes, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro-cedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico, y la distribucin de ejemplares deella mediante alquiler o prstamo pblicos.

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Indice 9

Indice

1 Transferencia de energa

1.1 Introduccin .............................................................................................................................. 171.2 Anlisis de la transformacin de energa ................................................................................... 19

1.2.1 Tipos de acumulador ......................................................................................................... 201.2.2 Tipos de flujo de energa ................................................................................................... 211.2.3 Proceso de transformacin ................................................................................................ 22

1.3 Fuentes de energa ..................................................................................................................... 241.3.1 Energa solar ....................................................................................................................... 241.3.2 Energa nuclear ................................................................................................................... 251.3.3 Interaccin gravitatoria ...................................................................................................... 251.3.4 Energa geotrmica ............................................................................................................. 27

1.4 Transformadores de acumulador a flujo de energa (A/F) .......................................................... 271.4.1 Transformacin de energa trmica a calor ........................................................................ 271.4.2 Transformacin de energa qumica a calor ........................................................................ 301.4.3 Transformacin de energa nuclear a calor ........................................................................ 331.4.4 Transformacin de energa qumica a trabajo elctrico ...................................................... 371.4.5 Transformacin de energa dinmica a trabajo mecnico .................................................. 38

1.5 Transformadores de flujo ........................................................................................................... 401.5.1 Transformacin de trabajo elctrico a trabajo mecnico por mquina rotativa ................. 411.5.2 Transformacin de trabajo elctrico a trabajo mecnico por piezoelectricidad ................. 451.5.3 Transformacin de radiacin a calor .................................................................................. 461.5.4 Transformacin de radiacin a trabajo elctrico ................................................................ 491.5.5 Transformacin de calor a trabajo elctrico ....................................................................... 501.5.6 Transformacin de calor a trabajo mecnico ..................................................................... 56

1.6 El motor trmico. Integracin de transformadores A/F y F/F ..................................................... 591.6.1 Motores endotrmicos frente a motores exotrmicos ........................................................ 591.6.2 Motores trmicos para generacin con cogeneracin ...................................................... 611.6.3 Motores trmicos para traccin con y sin eje de salida ..................................................... 62

2 Ciclos termodinmicos

2.1 Introduccin .............................................................................................................................. 652.2 Anlisis y caracterizacin de un ciclo termodinmico de trabajo .............................................. 67

2.2.1 Procesos de evolucin ....................................................................................................... 67

10 Mquinas trmicas motoras

2.2.2Diagramas P/V y T/S ........................................................................................................... 702.2.3 Presin media terica ......................................................................................................... 72

2.3 Ciclos de referencia .................................................................................................................... 742.3.1 Ciclo de Carnot ................................................................................................................... 752.3.2 Ciclo de Lenoir ................................................................................................................... 782.3.3 Ciclo Otto ........................................................................................................................... 792.3.4 Ciclo Diesel ........................................................................................................................ 822.3.5 Ciclo mixto de Sabath ....................................................................................................... 852.3.6 Ciclo Atkinson .................................................................................................................... 882.3.7 Ciclo Brayton ..................................................................................................................... 922.3.8 Ciclo Ericsson ..................................................................................................................... 952.3.9 Ciclo Stirling ....................................................................................................................... 97

2.4 Caracterizacin del ciclo terico asociado a un mecanismo. Modelizacin numrica. ............... 99

3 El motor alternativo de combustin interna

3.1 Introduccin ............................................................................................................................. 1073.2 Principios de funcionamiento ................................................................................................... 112

3.2.1 Concepcin de la fase cerrada ......................................................................................... 1203.2.2 Concepcin de la fase abierta .......................................................................................... 1223.2.3 Tipologa de refrigeracin ................................................................................................ 1243.2.4 Arquitecturas policilndricas ............................................................................................ 126

3.3 Parmetros caractersticos ........................................................................................................ 1313.3.1 Parmetros dimensionales ................................................................................................ 1313.3.2 Relaciones entre parmetros dimensionales .................................................................... 1333.3.3 Parmetros termodinmicos ............................................................................................. 1353.3.4 Caractersticas operativas del motor ................................................................................ 137

3.4 Fase Cerrada ............................................................................................................................. 1403.4.1 La combustin en los MEP .............................................................................................. 1413.4.2 Aportacin de combustible en los MEP .......................................................................... 1483.4.3 Sistema de encendido en los MEP ................................................................................... 1553.4.4 La combustin de los MEC .............................................................................................. 1613.4.5 Aportacin de combustible de los MEC .......................................................................... 1683.4.6 Comparacin entre los MEP y los MEC ........................................................................... 177

3.5 Fase Abierta .............................................................................................................................. 1793.5.1 Renovacin de la carga en motores de 4 tiempos ............................................................ 1843.5.2 Sobrealimentacin ............................................................................................................ 1923.5.3 Renovacin de la carga en motores de 2 tiempos ............................................................ 1993.5.4 Comparacin entre motores de 4 y 2 tiempos .................................................................. 208

3.6 Sistemas auxiliares .................................................................................................................... 2093.6.1 Sistema de refrigeracin ................................................................................................... 2103.6.2 Sistema de lubricacin ..................................................................................................... 213

3.7 Prestaciones .............................................................................................................................. 2153.7.1 Curvas caractersticas ...................................................................................................... 2153.7.2 Regulacin del par motor ................................................................................................. 219

3.8. Emisiones contaminantes ......................................................................................................... 220

Indice 11

3.8.1 Generacin de contaminantes .......................................................................................... 2203.8.2 Sistemas de reduccin de contaminantes ........................................................................ 223

3.9 Combustibles para motores alternativos .................................................................................. 226

4 El motor Wankel

4.1 Introduccin ............................................................................................................................. 2334.2 Principios de funcionamiento ................................................................................................... 2354.3 Geometra del motor .................................................................................................................. 239

4.3.1 Descripcin del esttor .................................................................................................... 2414.3.2 Descripcin del rotor ....................................................................................................... 2434.3.3 Cilindrada ......................................................................................................................... 2454.3.4 Relacin de compresin ................................................................................................... 2474.3.5 Velocidad tangencial y aceleracin del rotor ................................................................... 247

4.4 Elementos del motor ................................................................................................................. 2494.4.1 Rotor ................................................................................................................................ 2494.4.2 Esttor .............................................................................................................................. 2504.4.3 Engranajes de transmisin ............................................................................................... 2534.4.4 Mecanismo de sellado ..................................................................................................... 255

4.5 Procesos y sistemas ................................................................................................................. 2574.5.1 Caractersticas de la combustin ..................................................................................... 2574.5.2 Equilibrado del rotor ........................................................................................................ 2594.5.3 Refrigeracin del esttor .................................................................................................. 2604.5.4 Refrigeracin del rotor ..................................................................................................... 2614.5.5 Sistema de distribucin .................................................................................................... 2624.5.6 Sistema de lubricacin ..................................................................................................... 2634.5.7 Encendido doble .............................................................................................................. 2644.5.8 Inyeccin de gasolina ...................................................................................................... 266

5 Motores de autopropulsin


5.2.1 Propulsin a reaccin ....................................................................................................... 2715.2.2 Ecuacin fundamental de la astronutica ........................................................................ 273

5.3 Cmara de combustin ............................................................................................................. 2745.3.1 Concepcin de la combustin .......................................................................................... 2755.3.2 Sistema de refrigeracin ................................................................................................... 2765.3.3 Estudio termodinmico de la cmara ................................................................................ 277

5.4 Tobera ....................................................................................................................................... 2795.4.1 Perfil de la tobera ............................................................................................................. 2795.4.2 Tipos de toberas .............................................................................................................. 2815.4.3 Caracterizacin termodinmica de la tobera ..................................................................... 281

5.5 Motor qumico .......................................................................................................................... 2855.5.1 Motor qumico de combustible slido ............................................................................. 2855.5.2 Motor qumico de combustible lquido ............................................................................ 291


5.5.3 Comparacin entre propelentes slidos y lquidos .......................................................... 2945.5.4 Motor qumico hbrido ..................................................................................................... 294

5.6 Propulsin nuclear .................................................................................................................... 2955.7 Propulsin elctrica .................................................................................................................. 295

5.7.1 Motores elctricos ........................................................................................................... 2955.7.2 Cohetes con sistema de aceleracin elctrico .................................................................. 295

5.8 El efecto Pogo ........................................................................................................................... 296

6 Turbina de gas

6.1 Introduccin ............................................................................................................................. 2996.2 Tipos de turbinas de gas ........................................................................................................... 301

6.2.1 Tipo de ciclo termodinmico ............................................................................................ 3016.2.2 Aportacin de energa al ciclo .......................................................................................... 3036.2.3 Disposiciones mecnicas ................................................................................................. 303

6.3 Ciclos para la obtencin de potencia en una turbina de gas ..................................................... 3056.3.1 Ciclo de Brayton ............................................................................................................... 3056.3.2 Ciclo de Brayton regenerativo ......................................................................................... 3086.3.3 Ciclo con recalentamiento ................................................................................................ 3086.3.4 Ciclo con enfriamiento intermedio en la compresin ....................................................... 309

6.4 Compresor ................................................................................................................................. 3096.4.1 Compresor centrfugo ...................................................................................................... 3126.4.2 Compresor axial ................................................................................................................ 314

6.5 Cmara de combustin ............................................................................................................. 3206.5.1 Tipologas de cmaras de combustin ............................................................................ 3236.5.2 Estabilidad de llama en la cmara de combustin ............................................................ 3256.5.3 Intensidad de la combustin ............................................................................................ 3266.5.4 Aportacin de combustible .............................................................................................. 3276.5.5 Sistemas de ignicin ........................................................................................................ 3296.5.6 Arranque de la turbina de gas .......................................................................................... 329

6.6 Turbina ...................................................................................................................................... 3306.6.1 Turbinas de flujo radial .................................................................................................... 3316.6.2 Turbinas de flujo axial ...................................................................................................... 331

6.7 Turbinas de gas para la propulsin de aviones ........................................................................ 3366.7.1 El turborreactor ................................................................................................................ 3376.7.2 El turboventilador ............................................................................................................. 3386.7.3 El turbohlice o turboeje .................................................................................................. 3406.7.4 Influencia de la velocidad del avin ................................................................................ 3416.7.5 Inversores de empuje ....................................................................................................... 3446.7.6 Contaminacin acstica ................................................................................................... 346

6.8 Regulacin de la potencia ......................................................................................................... 3476.8.1 Unidades de un solo eje reguladas por la temperatura, a velocidad constante ............... 3476.8.2 Unidades de un solo eje reguladas por la variacin de la velocidad, a temperatura cons ....

tante .................................................................................................................................. 3486.8.3 Unidades de un solo eje reguladas por la variacin de la velocidad y la temperatura .... 3496.8.4 Regulacin de unidades de dos ejes o eje partido ........................................................... 350

Indice 13

7 Instalacin de turbinas de vapor

7.1 Introduccin ............................................................................................................................. 3537.2 Ciclos para la obtencin de potencia en una instalacin de turbinas de vapor ........................ 355

7.2.1 Propiedades del vapor ..................................................................................................... 3557.2.2 Ciclo de Rankine ideal ...................................................................................................... 3587.2.3 Ciclo de Rankine real, rendimiento isoentrpico .............................................................. 3597.2.4 Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento ....................................................................... 3607.2.5 Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio ........................................................... 3627.2.6 Ciclo de Rankine con regeneracin .................................................................................. 3637.2.7 Ciclo de Rankine supercrtico ........................................................................................... 364

7.3 Turbinas de vapor ..................................................................................................................... 3657.3.1 Descripcin ...................................................................................................................... 3657.3.2 Tipologas de turbinas de vapor ...................................................................................... 3677.3.3 Principio de funcionamiento ............................................................................................ 3707.3.4 Materiales ......................................................................................................................... 382

7.4. Calderas .................................................................................................................................... 3827.4.1 Descripcin ...................................................................................................................... 3827.4.2 Tipologas de calderas ..................................................................................................... 3847.4.3 Combustibles para calderas de vapor .............................................................................. 389

7.5 Condensador y bomba de presin ............................................................................................. 389

8 Motor Stirling

8.1 Introduccin ............................................................................................................................. 3918.2 Funcionamiento del motor Stirling ........................................................................................... 3928.3 Ciclos termodinmicos ideales .................................................................................................. 395

8.3.1 Importancia de la evolucin isotrmica respecto a la adiabtica ..................................... 3968.3.2 Ciclo de Rallis ................................................................................................................... 3998.3.3 Ciclo Stirling ..................................................................................................................... 4058.3.4 Ciclo Ericsson ................................................................................................................... 4108.3.5 Ciclo mixto Stirling-Rallis ................................................................................................. 411

8.4 Anlisis comparativo entre ciclos ............................................................................................. 4158.4.1 Anlisis de la relacin de compresin .............................................................................. 4158.4.2 Anlisis del salto trmico ................................................................................................. 4188.4.3 Correlacin entre variables .............................................................................................. 421

8.5 Influencias del mecanismo en el ciclo termodinmico .............................................................. 4218.6 Regenerador .............................................................................................................................. 423

8.6.1 Anlisis de la regeneracin .............................................................................................. 4238.6.2 Regenerador nico ........................................................................................................... 4248.6.3 Regeneradores en serie .................................................................................................... 427

8.7 Elementos mecnicos ............................................................................................................... 4288.7.1 Tipologas de motores ..................................................................................................... 4288.7.2 Tipologas de arquitecturas ............................................................................................. 4298.7.3 Acoplamiento de los mbolos y extraccin de potencia .................................................. 4338.7.4 Elementos de estanqueidad y lubricacin ....................................................................... 436


8.7.5 Caractersticas de los elementos mecnicos .................................................................... 4378.8 Elementos trmicos ................................................................................................................... 437

8.8.1 Calentadores .................................................................................................................... 4418.8.2 Refrigeradores .................................................................................................................. 443

8.9 Fluidos de trabajo ..................................................................................................................... 4448.9.1 Fluidos de trabajo gaseosos ............................................................................................ 4448.9.2 Fluidos de trabajo lquidos .............................................................................................. 4518.9.3 Fluidos de trabajo con cambio de fase ............................................................................ 4528.9.4 Fluidos de trabajo qumicamente reactivos ...................................................................... 454

8.10 Caractersticas de funcionamiento ........................................................................................... 4548.10.1 Curvas caractersticas .................................................................................................... 4548.10.2 Contaminacin y ruido ................................................................................................... 460

8.11 Sistemas de control .................................................................................................................. 4618.11.1 Variacin de la temperatura ............................................................................................ 4638.11.2 Variacin de la presin media del fluido de trabajo ........................................................ 4638.11.3 Variacin de la amplitud de la presin ............................................................................ 4658.11.4 Variacin del ngulo de fase ........................................................................................... 4658.11.5 Variacin de la carrera .................................................................................................... 465

9 Cogeneracin

9.1 Introduccin ............................................................................................................................. 4679.2 Tipologas de cogeneracin ..................................................................................................... 469

9.2.1 Cogeneracin con turbinas de gas .................................................................................. 4719.2.2 Cogeneracin con turbinas de vapor ............................................................................... 4729.2.3 Cogeneracin con motores alternativos de combustin interna ..................................... 4739.2.4 Cogeneracin mediante ciclos combinados ..................................................................... 4749.2.5 Otras tecnologas de cogeneracin .................................................................................. 4759.2.6 Campos de aplicacin ...................................................................................................... 475

9.3 Caracterizacin y evaluacin de instalaciones de cogeneracin ............................................. 4769.3.1 Rendimientos ................................................................................................................... 4769.3.2 Coeficientes para caracterizar las instalaciones de cogeneracin ................................... 4789.3.3 Ahorro de combustible .................................................................................................... 479

9.4 Instalaciones de generacin de potencia mediante ciclos combinados ................................... 4809.4.1 Caracterizacin del ciclo combinado ................................................................................ 4809.4.2 Anlisis termodinmico .................................................................................................... 482

9.5 Aspectos econmicos de la cogeneracin ............................................................................... 4859.5.1 Asignacin de costes ....................................................................................................... 4859.5.2 Ahorro econmico ............................................................................................................ 4869.5.3 Estudios de viabilidad ...................................................................................................... 486

9.6 Evaluacin de las distintas posibilidades de cogeneracin en un caso real ............................ 4879.6.1 Caractersticas de la instalacin sin cogeneracin .......................................................... 4879.6.2 Aspectos previos a considerar ........................................................................................ 4909.6.3 Alternativa 1: Ciclo combinado con turbina de vapor ..................................................... 4919.6.4 Alternativa 2: Ciclo combinado con turbina de vapor y turbina de gas .......................... 4979.6.5 Alternativa 3: Ciclo combinado con turbina de gas ......................................................... 500

Indice 15

9.6.6 Alternativa 4: Ciclo combinado con turbina de gas y turbina de vapor y generacin de fro por absorcin (trigeneracin) ........................................................................................... 502

9.6.7 Comparacin de las diferentes alternativas ..................................................................... 507

10 Pilas de combustible


10.2.1 Electrodos ...................................................................................................................... 51210.2.2 Membrana-Electrolito ..................................................................................................... 51210.2.3 Capa de apoyo ................................................................................................................ 512

10.3 Prestaciones ............................................................................................................................. 51210.3.1 Clculo de prestaciones ideales ..................................................................................... 51310.3.2 Clculo de las prdidas .................................................................................................. 51410.3.3 Variables en el comportamiento de una pila de combustible .......................................... 51610.3.4 Rendimiento ................................................................................................................... 517

10.4 Tipos de pilas de combustibles ................................................................................................ 51810.4.1 Pilas alcalinas (AFC) ...................................................................................................... 51910.4.2 Pilas de membrana polimrica (PEM) ............................................................................. 52110.4.3 Pilas de cido fosfrico (PAFC) ..................................................................................... 52310.4.4 Pilas de carbonato fundido (MCFC) .............................................................................. 52610.4.5 Pilas de xido slido (SOFC) .......................................................................................... 52710.4.6 Comparacin de los tipos de pilas de combustible ........................................................ 528

10.5 Combustibles ............................................................................................................................ 529

Bibliografa ........................................................................................................................... 531

POLITEXT 135


POLITEXT

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Jess Andrs lvarez Flrez, ed.Ismael Callejn Agramunt, ed.Sergi Forns FarrsPere Roca CarlesDavid Balsells GrandeJuan Casanova Rossell

Toms Navarro OdriozolaCarles Forcadell FreixaAngelita Gonzlez FontalAntoni Mrquez LuqueFrancisco J. Prez Llopis

La presente obra fue galardonada en el octavo concurso"Ajut a l'elaboraci de material docent" convocado por la UPC.

Colaboradores:Mnica lvarez, Francesc Batalla, Gabriela Benveniste, scar Bonet, Xavier Carrera, Juan Manuel Castro, scar Civit, Jordi Escura, Irene Espada,Xavier Flores, David Gonzlez, Ricard Ibez, Andreu Iglesias, Luis Isidro,Josep Antn Jimnez, Oscar Jimnez, Francisco Liesa, Ana M Marimn, Salvador Miret, Eduard Moreno, Josep M Piguillem, Julio Prez, Lluc Puig, Eloi Robert, Joan Rovira, Bartolom Salom, David Snchez, lvaro Serrano,Xavier Soldevila, Agust Vilella, Joaquin Villa, Jordi Yubero

Primera edicin: septiembre de 2002

Diseo de la cubierta: Manuel Andreu

Los autores, 2002

Edicions UPC, 2002Edicions de la Universitat Politcnica de Catalunya, SLJordi Girona Salgado 31, 08034 BarcelonaTel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885Edicions Virtuals: www.edicionsupc.esE-mail: [email protected]

Produccin: Copistera Miracle, SLRector Ubach 6-10, 08021 Barcelona

Depsito legal: B-27730-2002ISBN: 84-8301-645-1ISBN Obra completa: 84-8301-646-X

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del copyright, bajo las san-ciones establecidas en las leyes, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro-cedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico, y la distribucin de ejemplares deella mediante alquiler o prstamo pblicos.

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Indice 9

Indice

1 Transferencia de energa

1.1 Introduccin .............................................................................................................................. 171.2 Anlisis de la transformacin de energa ................................................................................... 19

1.2.1 Tipos de acumulador ......................................................................................................... 201.2.2 Tipos de flujo de energa ................................................................................................... 211.2.3 Proceso de transformacin ................................................................................................ 22

1.3 Fuentes de energa ..................................................................................................................... 241.3.1 Energa solar ....................................................................................................................... 241.3.2 Energa nuclear ................................................................................................................... 251.3.3 Interaccin gravitatoria ...................................................................................................... 251.3.4 Energa geotrmica ............................................................................................................. 27

1.4 Transformadores de acumulador a flujo de energa (A/F) .......................................................... 271.4.1 Transformacin de energa trmica a calor ........................................................................ 271.4.2 Transformacin de energa qumica a calor ........................................................................ 301.4.3 Transformacin de energa nuclear a calor ........................................................................ 331.4.4 Transformacin de energa qumica a trabajo elctrico ...................................................... 371.4.5 Transformacin de energa dinmica a trabajo mecnico .................................................. 38

1.5 Transformadores de flujo ........................................................................................................... 401.5.1 Transformacin de trabajo elctrico a trabajo mecnico por mquina rotativa ................. 411.5.2 Transformacin de trabajo elctrico a trabajo mecnico por piezoelectricidad ................. 451.5.3 Transformacin de radiacin a calor .................................................................................. 461.5.4 Transformacin de radiacin a trabajo elctrico ................................................................ 491.5.5 Transformacin de calor a trabajo elctrico ....................................................................... 501.5.6 Transformacin de calor a trabajo mecnico ..................................................................... 56

1.6 El motor trmico. Integracin de transformadores A/F y F/F ..................................................... 591.6.1 Motores endotrmicos frente a motores exotrmicos ........................................................ 591.6.2 Motores trmicos para generacin con cogeneracin ...................................................... 611.6.3 Motores trmicos para traccin con y sin eje de salida ..................................................... 62

2 Ciclos termodinmicos

2.1 Introduccin .............................................................................................................................. 652.2 Anlisis y caracterizacin de un ciclo termodinmico de trabajo .............................................. 67

2.2.1 Procesos de evolucin ....................................................................................................... 67


2.2.2Diagramas P/V y T/S ........................................................................................................... 702.2.3 Presin media terica ......................................................................................................... 72

2.3 Ciclos de referencia .................................................................................................................... 742.3.1 Ciclo de Carnot ................................................................................................................... 752.3.2 Ciclo de Lenoir ................................................................................................................... 782.3.3 Ciclo Otto ........................................................................................................................... 792.3.4 Ciclo Diesel ........................................................................................................................ 822.3.5 Ciclo mixto de Sabath ....................................................................................................... 852.3.6 Ciclo Atkinson .................................................................................................................... 882.3.7 Ciclo Brayton ..................................................................................................................... 922.3.8 Ciclo Ericsson ..................................................................................................................... 952.3.9 Ciclo Stirling ....................................................................................................................... 97

2.4 Caracterizacin del ciclo terico asociado a un mecanismo. Modelizacin numrica. ............... 99

3 El motor alternativo de combustin interna


3.2.1 Concepcin de la fase cerrada ......................................................................................... 1203.2.2 Concepcin de la fase abierta .......................................................................................... 1223.2.3 Tipologa de refrigeracin ................................................................................................ 1243.2.4 Arquitecturas policilndricas ............................................................................................ 126

3.3 Parmetros caractersticos ........................................................................................................ 1313.3.1 Parmetros dimensionales ................................................................................................ 1313.3.2 Relaciones entre parmetros dimensionales .................................................................... 1333.3.3 Parmetros termodinmicos ............................................................................................. 1353.3.4 Caractersticas operativas del motor ................................................................................ 137

3.4 Fase Cerrada ............................................................................................................................. 1403.4.1 La combustin en los MEP .............................................................................................. 1413.4.2 Aportacin de combustible en los MEP .......................................................................... 1483.4.3 Sistema de encendido en los MEP ................................................................................... 1553.4.4 La combustin de los MEC .............................................................................................. 1613.4.5 Aportacin de combustible de los MEC .......................................................................... 1683.4.6 Comparacin entre los MEP y los MEC ........................................................................... 177

3.5 Fase Abierta .............................................................................................................................. 1793.5.1 Renovacin de la carga en motores de 4 tiempos ............................................................ 1843.5.2 Sobrealimentacin ............................................................................................................ 1923.5.3 Renovacin de la carga en motores de 2 tiempos ............................................................ 1993.5.4 Comparacin entre motores de 4 y 2 tiempos .................................................................. 208

3.6 Sistemas auxiliares .................................................................................................................... 2093.6.1 Sistema de refrigeracin ................................................................................................... 2103.6.2 Sistema de lubricacin ..................................................................................................... 213

3.7 Prestaciones .............................................................................................................................. 2153.7.1 Curvas caractersticas ...................................................................................................... 2153.7.2 Regulacin del par motor ................................................................................................. 219

3.8. Emisiones contaminantes ......................................................................................................... 220

Indice 11

3.8.1 Generacin de contaminantes .......................................................................................... 2203.8.2 Sistemas de reduccin de contaminantes ........................................................................ 223

3.9 Combustibles para motores alternativos .................................................................................. 226

4 El motor Wankel

4.1 Introduccin ............................................................................................................................. 2334.2 Principios de funcionamiento ................................................................................................... 2354.3 Geometra del motor .................................................................................................................. 239

4.3.1 Descripcin del esttor .................................................................................................... 2414.3.2 Descripcin del rotor ....................................................................................................... 2434.3.3 Cilindrada ......................................................................................................................... 2454.3.4 Relacin de compresin ................................................................................................... 2474.3.5 Velocidad tangencial y aceleracin del rotor ................................................................... 247

4.4 Elementos del motor ................................................................................................................. 2494.4.1 Rotor ................................................................................................................................ 2494.4.2 Esttor .............................................................................................................................. 2504.4.3 Engranajes de transmisin ............................................................................................... 2534.4.4 Mecanismo de sellado ..................................................................................................... 255

4.5 Procesos y sistemas ................................................................................................................. 2574.5.1 Caractersticas de la combustin ..................................................................................... 2574.5.2 Equilibrado del rotor ........................................................................................................ 2594.5.3 Refrigeracin del esttor .................................................................................................. 2604.5.4 Refrigeracin del rotor ..................................................................................................... 2614.5.5 Sistema de distribucin .................................................................................................... 2624.5.6 Sistema de lubricacin ..................................................................................................... 2634.5.7 Encendido doble .............................................................................................................. 2644.5.8 Inyeccin de gasolina ...................................................................................................... 266

5 Motores de autopropulsin


5.2.1 Propulsin a reaccin ....................................................................................................... 2715.2.2 Ecuacin fundamental de la astronutica ........................................................................ 273

5.3 Cmara de combustin ............................................................................................................. 2745.3.1 Concepcin de la combustin .......................................................................................... 2755.3.2 Sistema de refrigeracin ................................................................................................... 2765.3.3 Estudio termodinmico de la cmara ................................................................................ 277

5.4 Tobera ....................................................................................................................................... 2795.4.1 Perfil de la tobera ............................................................................................................. 2795.4.2 Tipos de toberas .............................................................................................................. 2815.4.3 Caracterizacin termodinmica de la tobera ..................................................................... 281

5.5 Motor qumico .......................................................................................................................... 2855.5.1 Motor qumico de combustible slido ............................................................................. 2855.5.2 Motor qumico de combustible lquido ............................................................................ 291


5.5.3 Comparacin entre propelentes slidos y lquidos .......................................................... 2945.5.4 Motor qumico hbrido ..................................................................................................... 294

5.6 Propulsin nuclear .................................................................................................................... 2955.7 Propulsin elctrica .................................................................................................................. 295

5.7.1 Motores elctricos ........................................................................................................... 2955.7.2 Cohetes con sistema de aceleracin elctrico .................................................................. 295

5.8 El efecto Pogo ........................................................................................................................... 296

6 Turbina de gas

6.1 Introduccin ............................................................................................................................. 2996.2 Tipos de turbinas de gas ........................................................................................................... 301

6.2.1 Tipo de ciclo termodinmico ............................................................................................ 3016.2.2 Aportacin de energa al ciclo .......................................................................................... 3036.2.3 Disposiciones mecnicas ................................................................................................. 303

6.3 Ciclos para la obtencin de potencia en una turbina de gas ..................................................... 3056.3.1 Ciclo de Brayton ............................................................................................................... 3056.3.2 Ciclo de Brayton regenerativo ......................................................................................... 3086.3.3 Ciclo con recalentamiento ................................................................................................ 3086.3.4 Ciclo con enfriamiento intermedio en la compresin ....................................................... 309

6.4 Compresor ................................................................................................................................. 3096.4.1 Compresor centrfugo ...................................................................................................... 3126.4.2 Compresor axial ................................................................................................................ 314

6.5 Cmara de combustin ............................................................................................................. 3206.5.1 Tipologas de cmaras de combustin ............................................................................ 3236.5.2 Estabilidad de llama en la cmara de combustin ............................................................ 3256.5.3 Intensidad de la combustin ............................................................................................ 3266.5.4 Aportacin de combustible .............................................................................................. 3276.5.5 Sistemas de ignicin ........................................................................................................ 3296.5.6 Arranque de la turbina de gas .......................................................................................... 329

6.6 Turbina ...................................................................................................................................... 3306.6.1 Turbinas de flujo radial .................................................................................................... 3316.6.2 Turbinas de flujo axial ...................................................................................................... 331

6.7 Turbinas de gas para la propulsin de aviones ........................................................................ 3366.7.1 El turborreactor ................................................................................................................ 3376.7.2 El turboventilador ............................................................................................................. 3386.7.3 El turbohlice o turboeje .................................................................................................. 3406.7.4 Influencia de la velocidad del avin ................................................................................ 3416.7.5 Inversores de empuje ....................................................................................................... 3446.7.6 Contaminacin acstica ................................................................................................... 346

6.8 Regulacin de la potencia ......................................................................................................... 3476.8.1 Unidades de un solo eje reguladas por la temperatura, a velocidad constante ............... 3476.8.2 Unidades de un solo eje reguladas por la variacin de la velocidad, a temperatura cons ....

tante .................................................................................................................................. 3486.8.3 Unidades de un solo eje reguladas por la variacin de la velocidad y la temperatura .... 3496.8.4 Regulacin de unidades de dos ejes o eje partido ........................................................... 350

Indice 13

7 Instalacin de turbinas de vapor

7.1 Introduccin ............................................................................................................................. 3537.2 Ciclos para la obtencin de potencia en una instalacin de turbinas de vapor ........................ 355

7.2.1 Propiedades del vapor ..................................................................................................... 3557.2.2 Ciclo de Rankine ideal ...................................................................................................... 3587.2.3 Ciclo de Rankine real, rendimiento isoentrpico .............................................................. 3597.2.4 Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento ....................................................................... 3607.2.5 Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio ........................................................... 3627.2.6 Ciclo de Rankine con regeneracin .................................................................................. 3637.2.7 Ciclo de Rankine supercrtico ........................................................................................... 364

7.3 Turbinas de vapor ..................................................................................................................... 3657.3.1 Descripcin ...................................................................................................................... 3657.3.2 Tipologas de turbinas de vapor ...................................................................................... 3677.3.3 Principio de funcionamiento ............................................................................................ 3707.3.4 Materiales ......................................................................................................................... 382

7.4. Calderas .................................................................................................................................... 3827.4.1 Descripcin ...................................................................................................................... 3827.4.2 Tipologas de calderas ..................................................................................................... 3847.4.3 Combustibles para calderas de vapor .............................................................................. 389

7.5 Condensador y bomba de presin ............................................................................................. 389

8 Motor Stirling

8.1 Introduccin ............................................................................................................................. 3918.2 Funcionamiento del motor Stirling ........................................................................................... 3928.3 Ciclos termodinmicos ideales .................................................................................................. 395

8.3.1 Importancia de la evolucin isotrmica respecto a la adiabtica ..................................... 3968.3.2 Ciclo de Rallis ................................................................................................................... 3998.3.3 Ciclo Stirling ..................................................................................................................... 4058.3.4 Ciclo Ericsson ................................................................................................................... 4108.3.5 Ciclo mixto Stirling-Rallis ................................................................................................. 411

8.4 Anlisis comparativo entre ciclos ............................................................................................. 4158.4.1 Anlisis de la relacin de compresin .............................................................................. 4158.4.2 Anlisis del salto trmico ................................................................................................. 4188.4.3 Correlacin entre variables .............................................................................................. 421

8.5 Influencias del mecanismo en el ciclo termodinmico .............................................................. 4218.6 Regenerador .............................................................................................................................. 423

8.6.1 Anlisis de la regeneracin .............................................................................................. 4238.6.2 Regenerador nico ........................................................................................................... 4248.6.3 Regeneradores en serie .................................................................................................... 427

8.7 Elementos mecnicos ............................................................................................................... 4288.7.1 Tipologas de motores ..................................................................................................... 4288.7.2 Tipologas de arquitecturas ............................................................................................. 4298.7.3 Acoplamiento de los mbolos y extraccin de potencia .................................................. 4338.7.4 Elementos de estanqueidad y lubricacin ....................................................................... 436


8.7.5 Caractersticas de los elementos mecnicos .................................................................... 4378.8 Elementos trmicos ................................................................................................................... 437

8.8.1 Calentadores .................................................................................................................... 4418.8.2 Refrigeradores .................................................................................................................. 443

8.9 Fluidos de trabajo ..................................................................................................................... 4448.9.1 Fluidos de trabajo gaseosos ............................................................................................ 4448.9.2 Fluidos de trabajo lquidos .............................................................................................. 4518.9.3 Fluidos de trabajo con cambio de fase ............................................................................ 4528.9.4 Fluidos de trabajo qumicamente reactivos ...................................................................... 454

8.10 Caractersticas de funcionamiento ........................................................................................... 4548.10.1 Curvas caractersticas .................................................................................................... 4548.10.2 Contaminacin y ruido ................................................................................................... 460

8.11 Sistemas de control .................................................................................................................. 4618.11.1 Variacin de la temperatura ............................................................................................ 4638.11.2 Variacin de la presin media del fluido de trabajo ........................................................ 4638.11.3 Variacin de la amplitud de la presin ............................................................................ 4658.11.4 Variacin del ngulo de fase ........................................................................................... 4658.11.5 Variacin de la carrera .................................................................................................... 465

9 Cogeneracin

9.1 Introduccin ............................................................................................................................. 4679.2 Tipologas de cogeneracin ..................................................................................................... 469

9.2.1 Cogeneracin con turbinas de gas .................................................................................. 4719.2.2 Cogeneracin con turbinas de vapor ............................................................................... 4729.2.3 Cogeneracin con motores alternativos de combustin interna ..................................... 4739.2.4 Cogeneracin mediante ciclos combinados ..................................................................... 4749.2.5 Otras tecnologas de cogeneracin .................................................................................. 4759.2.6 Campos de aplicacin ...................................................................................................... 475

9.3 Caracterizacin y evaluacin de instalaciones de cogeneracin ............................................. 4769.3.1 Rendimientos ................................................................................................................... 4769.3.2 Coeficientes para caracterizar las instalaciones de cogeneracin ................................... 4789.3.3 Ahorro de combustible .................................................................................................... 479

9.4 Instalaciones de generacin de potencia mediante ciclos combinados ................................... 4809.4.1 Caracterizacin del ciclo combinado ................................................................................ 4809.4.2 Anlisis termodinmico .................................................................................................... 482

9.5 Aspectos econmicos de la cogeneracin ............................................................................... 4859.5.1 Asignacin de costes ....................................................................................................... 4859.5.2 Ahorro econmico ............................................................................................................ 4869.5.3 Estudios de viabilidad ...................................................................................................... 486

9.6 Evaluacin de las distintas posibilidades de cogeneracin en un caso real ............................ 4879.6.1 Caractersticas de la instalacin sin cogeneracin .......................................................... 4879.6.2 Aspectos previos a considerar ........................................................................................ 4909.6.3 Alternativa 1: Ciclo combinado con turbina de vapor ..................................................... 4919.6.4 Alternativa 2: Ciclo combinado con turbina de vapor y turbina de gas .......................... 4979.6.5 Alternativa 3: Ciclo combinado con turbina de gas ......................................................... 500

Indice 15

9.6.6 Alternativa 4: Ciclo combinado con turbina de gas y turbina de vapor y generacin de fro por absorcin (trigeneracin) ........................................................................................... 502

9.6.7 Comparacin de las diferentes alternativas ..................................................................... 507

10 Pilas de combustible


10.2.1 Electrodos ...................................................................................................................... 51210.2.2 Membrana-Electrolito ..................................................................................................... 51210.2.3 Capa de apoyo ................................................................................................................ 512

10.3 Prestaciones ............................................................................................................................. 51210.3.1 Clculo de prestaciones ideales ..................................................................................... 51310.3.2 Clculo de las prdidas .................................................................................................. 51410.3.3 Variables en el comportamiento de una pila de combustible .......................................... 51610.3.4 Rendimiento ................................................................................................................... 517

10.4 Tipos de pilas de combustibles ................................................................................................ 51810.4.1 Pilas alcalinas (AFC) ...................................................................................................... 51910.4.2 Pilas de membrana polimrica (PEM) ............................................................................. 52110.4.3 Pilas de cido fosfrico (PAFC) ..................................................................................... 52310.4.4 Pilas de carbonato fundido (MCFC) .............................................................................. 52610.4.5 Pilas de xido slido (SOFC) .......................................................................................... 52710.4.6 Comparacin de los tipos de pilas de combustible ........................................................ 528

10.5 Combustibles ............................................................................................................................ 529

Bibliografa ........................................................................................................................... 531

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VsalVrel1

Motor

sentidode giro

Varr

Vrel2

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