Motores alternativos y de flujo continuo: ciclos termodinámicos y compresores

Motores Alternativos y de Flujo Continuo

Motores Alternativos

Basados en máquinas volumétricas con un mecanismo de Pistón - Biela – Manivela (lineal o rotativo). Se caracterizan por:

• Proceso intermitente, flujo no continuo.
• Rozamiento fluido poco significativo: baja velocidad fluido – pared.
• Pérdidas de calor significativas.

Ejemplos: Motores de gasolina y diésel, motores Wankel, motores de vapor, motores Stirling, etc.

Motores de Flujo Continuo

Basados en TURBOMÁQUINAS (máquinas dinámicas). Se caracterizan por:

• Flujo continuo.
• Rotativas.
• Pérdidas por rozamiento fluido. El flujo atraviesa coronas de álabes.
• Pérdidas de calor poco significativas (muy adiabáticas).

Ejemplos: Turbinas de vapor, turbinas de gas de ciclo abierto o cerrado, ciclos combinados.

Motor Stirling

1. El aire pasa de la zona caliente a la fría. Al enfriarse, el aire se contrae y tira del pistón.
2. El aire al enfriarse se contrae y tira del pistón.
3. El aire pasa de la zona fría a la caliente. Al calentarse, el aire se expande y empuja del pistón.
4. El aire al calentarse se expande y empuja al pistón.

Ciclos Termodinámicos

Ciclos Otto y Diésel

Características:

• Motores de combustión interna alternativos  Proceso VOLUMÉTRICO, volumen confinado en un cilindro.
• Flujo no continuo  el proceso se repite sucesivamente.
• Combustión a volumen constante y/o a presión constante. Masa constante (ciclo teórico).
• Pueden utilizar altas temperaturas máximas por la corta duración del periodo de combustión.

Ciclo Otto

Ciclo IDEAL, suposiciones:

• C_p y C_v constantes.
• Masa constante durante el ciclo, m_a: masa de aire, m_f: masa de combustible.
• Compresión y expansión isentrópicas.
• Combustión = aportación de calor = m_f · H_c.

Ciclo Rankine

Características:

• Utiliza fluido condensable (vapor)  Trabajo de compresión (líquido) << trabajo de expansión (vapor).
• Turbinas de vapor  Proceso CONTINUO. Normalmente con sobrecalentamiento del vapor.

Ciclo IDEAL, suposiciones:

• Gasto másico constante = .
• Compresión (líquido) y expansión (vapor) isentrópicas.

Ciclo Brayton

Características:

• Utiliza fluido no condensable (gas).
• Turbinas de gas  Proceso CONTINUO.
• Motor de combustión interna (ciclo abierto) o de combustión externa (ciclo cerrado).

Ciclo IDEAL, suposiciones:

• Masa constante ( en c.i. masa de combustible despreciable).
• Compresión y expansión isentrópicas.
• Aportación y cesión de calor a presión constante.
• Calor específico constante, flujo másico constante.

Modificaciones de los Ciclos Básicos

• REGENERACIÓN: Aprovechar calor residual para calentar la zona fría de la aportación de calor al ciclo.
• COGENERACIÓN: Aprovechar la energía residual en forma de energía térmica en vez de energía mecánica.
• CICLO COMBINADO: Ciclo de alta temperatura de foco caliente en cabecera y ciclo de baja temperatura de foco frío en cola.

Compresores

Compresores Dinámicos

Flujo continuo; movimiento rotativo del rotor. Compresión basada en las variaciones de velocidad y de sección de paso del fluido por los álabes del rotor (y del estator cuando existe). Ejemplos: ventilador-soplante-compresor axial, compresor centrífugo y radial.

Compresores Volumétricos

Flujo discontinuo: aspiración y descarga secuenciales, compresión por disminución del volumen que contiene confinado al fluido, movimiento rotativo o alternativo del émbolo. Ejemplos: Roots (4 cámaras, puede tener más de 2 lóbulos), de tornillo, de paletas, alternativo. Alternativo-válvula automática (control de aspiración y descarga, paso de fluido en un solo sentido).

Válvulas Automáticas

Tipos: válvula de disco anular, válvula de disco de canales, válvula de lengua de pájaro, válvula de láminas.

Pérdidas Mecánicas en Compresores

La potencia perdida depende de:

• Dimensión del compresor (caudal).
• Viscosidad del aceite (T).
• Régimen de giro al cubo.

Soluciones para Reducir Fugas

• Compresor de membrana (bomba de vacío P_aspiración < P_atm, P_descarga = P_atm).
• Compresor de doble efecto (un proceso de compresión en cada carrera, 2 por revolución).

Rendimiento del Compresor

RENDIMIENTO ISOTÉRMICO < 1 POR...

• Trabajo de compresión politrópico > isotérmico.
• Refrigeración del compresor insuficiente (no alcanza proceso isotérmico).
• Pérdidas de carga.
• Fugas.
• Pérdidas mecánicas.

Compresor de 2 Etapas con Refrigeración Intermedia

Reduce la compresión con una relación de compresión alta.

Compresor de 2 Etapas con Refrigeración por Aire

Etapa de P baja (cilindro D alta) + etapa de P alta (cilindro d baja) -> refrigeración intermedia del fluido.