1. ¿En qué se diferencian lo motores de embolo de combustión interna de las instalaciones de turbina de gas? La turbina de gas también es un motor de combustión interna se diferencia de los motores de embolo en que su diseño es mucho más simple, tiene menos componentes móviles y da más potencia por unidad de peso. En realidad la turbina supera ampliamente a los motores de pistón en casi todos los aspectos, el único problema grave que tiene es su baja eficiencia, por eso no se ha generalizado su uso. Además es importante mencionar que los motores de embolo son de carácter Volumétrico mientras que las turbinas a gas son de Carácter Continuo. 2. ¿En qué se diferencian un motor de cuatro tiempos que un motor de dos tiempos? El motor de dos tiempos, también denominado motor de dos ciclos, es un motor de combustión interna que realiza las cuatro etapas del ciclo termodinámico (admisión, compresión, expansión y escape) en dos movimientos lineales del pistón (una vuelta del cigüeñal). Se diferencia del más común motor de cuatro tiempos de ciclo de Otto, en que este último realiza las cuatro etapas en dos revoluciones del cigüeñal. El motor de dos tiempos se diferencia en su construcción del motor de cuatro tiempos en las siguientes características: • Ambas caras del pistón realizan una función simultáneamente, a diferencia del motor de cuatro tiempos en que únicamente es activa la cara superior. • La entrada y salida de gases al motor se realiza a través de las lumbreras (orificios situados en el cilindro). Este motor carece de las válvulas que abren y cierran el paso de los gases en los motores de cuatro tiempos. El pistón dependiendo de la posición que ocupa en el cilindro en cada momento abre o cierra el paso de gases a través de las lumbreras. • El cárter del cigüeñal debe estar sellado y cumple la función de cámara de precomprensión. En el motor de cuatro tiempos, por el contrario, el cárter sirve de depósito de lubricante. • La lubricación, que en el motor de cuatro tiempos se efectúa mediante el cárter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible en una proporción que varía entre el 2 y el 5 por ciento. Dado que esta mezcla está en contacto con todas las partes móviles del motor se consigue la adecuada lubricación. 3. ¿A costa de que se inflama la mezcla de trabajo en lo motores Diesel y en lo motores de carburador? En los motores de carburador la mezcla de trabajo es comprimida desde el PMI hasta el PMS, poco antes que el embolo llegue al PMS se hace saltar una chispa a través de una fuente externa (bujía) la cual hace arder la mezcla aire combustible. Mientras que en los motores diesel que funciona por compresión de aire, el combustible que es inyectado al final de la compresión se auto inflama debido a la elevada relación de compresión que genera que la temperatura del aire al final de la compresión supere considerablemente la temperatura de auto inflamación del combustible.
5. ¿Por qué no se puede obtener un rendimiento térmico igual a la unidad? De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica en una maquina térmica teórica es imposible la transformación completa (100%) de la energía térmica en energía mecánica, pues parte del calor introducido debe ser transmitido a la fuente fría. En el motor real, debido a una serie de pérdidas suplementarias, el porcentaje de calor convertido en trabajo útil es más bajo que en la maquina teórica imaginaria. La creación de automóviles y tractores que funcionan con una elevada economía (eficiencia) de combustible, depende en primer lugar de los motores, en los cuales la máxima cantidad de calor se convierte en trabajo mecánico útil bajo la condición obligatoria de elevación de plazo su servicio. Los motores de auto y de tractor además, deben tener pequeñas dimensiones y pequeño peso. 11. Defina y determine la fuerza tangencial en la manivela del árbol cigüeñal. La fuerza tangencial en la manivela del árbol cigüeñal se define como aquella responsable de generar el momento torsional que a su vez genera el movimiento del árbol
P p/cos
Pp
Fig. 1. Esquema del mecanismo de biela-manivela
Pt
Sea
𝜌
𝑘 = 𝑐𝑜𝑠𝛽
De la fig. 1 se colige que: 𝑇 = 𝑘𝑐𝑜𝑠(𝛼 − 𝛽) Entonces tenemos que la fuerza tangencial T es: 𝜌cos(𝛼 − 𝛽) 𝑇= 𝑐𝑜𝑠𝛽 12. ¿De qué fuerzas y momentos depende la uniformidad de marcha del motor? Las fuerzas y momentos que actúan en el motor de émbolo de combustión interna se determinan por la presión de los gases en el cilindro, por las fuerzas de inercia de las partes móviles y por las fuerzas de rozamiento. Durante el período de realización del ciclo de trabajo completo del motor, la fuerza de presión de los gases, la fuerza de inercia de las
masas con movimiento de avance del mecanismo de biela – manivela, varían tanto en magnitud como en sentido. La fuerza centrífuga de las masas giratorias varía solo en sentido. Debido a ello, el momento torsional transmitido a través del árbol cigüeñal varía en magnitud y condiciona la rotación uniforme o no uniforme del árbol. Además, las fuerzas y los momentos creados por ellas provocan vibraciones y oscilaciones en el motor. Por eso, para asegurar un funcionamiento normal y confiable del motor se adicionan aparatos especiales para reducir al mínimo los efectos indeseables de estas anormalidades. Variación de la fuerza tangencial de un motor monocilíndrico de cuatro tiempos Fuerzas y momentos que actúan en el motor. a. esquema del motor y fuerzas que actúan en el motor. b. Diagrama de indicador. c. Variación de la fuerza de inercia específica.
13. Enumere y explique las causas de explotación de desuniformidad de marcha del motor En los cálculos teóricos para equilibrar el motor la medida y la masa de las piezas del mecanismo biela-manivela se asumen constantes. En realidad durante la fabricación de la manivela y las masas de las piezas se desvían de las magnitudes de cálculo, a resultas de lo cual se viola la equilibración teóricamente posible del motor dado. El funcionamiento no uniforme del motor, que provoca vibración y conmoción del fundamento o del marco submotor, puede ocurrir también por las siguientes causas de explotación o de producción: 1. A consecuencia de la violación de las reglas de formación de los conjuntos de las piezas del mecanismo biela-manivela, lo que lleva a la formación de fuerzas de inercias desiguales en cada cilindro (espacialmente en los motores rápidos. Por eso en la formación de los conjuntos, los émbolos y las bielas en diferentes cilindros han de escogerse con las mínimas desviaciones en cuanto a masa. Por ejemplo, en los motores de automóvil y de tractor se admite una desviación en cuanto a masa del émbolo y de la biela (en el conjunto) para diferentes cilindros de ± 0.5 a ± 5.0g. Además, las bielas se escogen no sólo en cuanto a masa total, sino también en cuanto a distribución de la masa entre el pie de biela y la cabeza de biela. 2. A resultas de la violación de la coaxiabilidad del árbol cigüeñal y de otras piezas del mecanismo de biela-manivela, situaciones que dan lugar a la variación desfavorable del momento de torsión (par motor), que es análoga a la de la fuerza tangencial. Cuanto menos varía el momento giratorio (torsión) en comparación con su valor medio, tanto más uniforme será la marcha del motor. La equilibración de las fuerzas de inercia y de sus
momentos se logra principalmente por dos métodos: 1) la disposición adecuada del cilindro y de la manivela del árbol cigüeñal (autoequilibración del motor); 2) empleando en el motor contrapesos. 3. A causa del apriete de no uniforme o del ajuste incorrecto de los cojinetes de bancada durante la instalación del árbol cigüeñal lo cual ocasiona golpeteo en el motor. Para evitar el desplazamiento axial y el giro, los casquillos de los cojinetes de bancada se fijan por medio de espigas o de salientes rebordeados en los casquillos y que entran en las correspondientes ranuras fresadas en el alojamiento de la bancada y en el sombrerete del cojinete. 4. A consecuencia de la no equilibración de las masas giratorias, debido a lo cual el árbol cigüeñal y el volante del motor rápido antes del ensamblaje se someten a equilibración dinámica. La tolerancia del ensamblaje para la no equilibración se da por medio del valor del momento a determinado número de revoluciones en la unidad de tiempo. Este factor está relacionado con la formación de las fuerzas de inercia que provocan esfuerzos (tensiones) de tracción en los brazos de la manivela. 5. A efectos de la violación de la equilibración dinámicas de las piezas del mecanismo de biela-manivela durante la reparación y ensamble de motores rápidos, lo que tiene como consecuencia la formación de vibraciones y conmociones en el motor las cuales son perjudiciales para el funcionamiento equilibrado del motor como para su vida útil. Las vibraciones torsionales son peligrosas no sólo para las piezas del mecanismo de bielamanivela, sino para todas las transmisiones mecánicas unidas elásticamente con el cigüeñal. 6. Por las consecuencias que origina el cese de la inyección de combustible por el inyector en uno o varios cilindros del Diesel o de la falla del funcionamiento de las bujías en el motor de carburador, factores que influirán tanto en el proceso de combustión (la combustión de la mezcla de trabajo en los cilindros debe ocurrir consecutivamente una después de la otra en iguales ángulos de giro del árbol cigüeñal) como en el orden de funcionamiento de los cilindros del motor. 7. Debido al suministro de diferentes cantidades de combustible a los cilindros del árbol cigüeñal, lo cual va afectar directamente el rendimiento mecánico y la eficiencia (economía) del motor. 8. A causa de la incorrecta regulación de la distribución de gas o de holguras excesivamente grandes en las articulaciones móviles del mecanismo de manivela. 9. Como consecuencia de la violación del orden de funcionamiento de los cilindros. 10. Por efecto de la regulación incorrecta del adelanto del encendido en los motores de carburador o del adelanto de la inyección de combustible en los Diesel. 20. ¿Qué métodos existen para elevar la potencia del motor? Para aumentar la potencia de un motor una de las posibilidades es aumentar las dimensiones de ciertos componentes del motor, sin embargo, esto traería una serie de consecuencias que en realidad permitirían que se obtuviera el resultado esperado. Por ejemplo aumentar el diámetro de los cilindros del motor tiene su límite, ya que a dimensiones demasiado altas las fuerzas dinámicas que se presentarían debido a su aumento de masa serían inadmisibles. La otra consideración sería entonces reducir el número de revoluciones en el árbol de cigüeñal para poder manejar pistones de estas dimensiones, pero, se ha comprobado que para motores de diámetro de pistones de 9000
a 1000 mm el número de revoluciones del árbol cigüeñal no supera los 120 rpm, lo cual no permitiría que un vehículo alcanzara valores de velocidad altos lo cual no es deseado para aplicaciones de transporte (por ejemplo urbano). La consideración de aumentar el número de cilindros conservando medidas moderadas y las revoluciones del árbol también tiene sus límites. El diseño de este tipo de motores es muy complicado y no permite que su explotación (operación + mantenimiento) sea aprovechada adecuadamente. Además, los valores del número de revoluciones de motor también tiene límites que al sobrepasarse desmejoran el funcionamiento del motor. Por las consideraciones anteriores, para aumentar la potencia de un motor se utilizan otros métodos, procurando mejorar la utilización del volumen de trabajo del motor y aumentando su potencia de cilindrada o su potencia de pistón. La potencia de cilindrada a un número invariable de revoluciones se puede aumentar por los siguientes métodos: a. Aumento de la relación de compresión. La cual permite elevar la presión indicada media, sin embargo, esta no puede superar el valor de 18, valor en el cual deja de aumentar la presión indicada media y aumentan las pérdidas mecánicas. Este método solo se debe utilizar en motores de encendido con chispa, debido a que su relación de compresión es pequeña. En los diéseles no se usa debido a que ya poseen relaciones de compresión grandes y su aumento no es conveniente. Sin embargo, este aumento no siempre se puede llevar hasta los límites establecidos anteriormente porque hay otros factores que influyen en éste. Por ejemplo la gasolina empleada si tiene un octanaje bajo y se usa una relación de compresión alto, se presentará la combustión detonante, además, con el aumento de la relación de compresión se deberán hacer las piezas del motor más robustas lo que lo hará más pesado. En general con un combustible de alto octanaje se pueden tener valores de la relación de compresión entre 10-11. b. Mejorando el coeficiente de llenado del cilindro. El mejoramiento del llenado en los motores permite quemar más combustible sin un aumento de gases residuales en el cilindro y obtener mayores valores de potencia. El coeficiente de llenado se puede aumentar, disminuyendo la resistencia total en los distintos componentes que forman el sistema de admisión. Se debe procurar un llenado homogéneo en todos los cilindros del motor, para evitar mezclas no homogéneas y la presencia excesiva de gases residuales en los cilindros. c. Aumentando la carga másica del cilindro. Este método consiste en el suministro de carga fresca al cilindro del motor bajo presión. En los motores de encendido por este método puede tener inconvenientes debido a que puede presentarse la combustión detonante, si se sobrepasan los límites de presión y de temperatura permisibles, para evitar esto se debería reducir la relación de compresión, pero implicaría una pérdida de potencia. En los Diesel la sobrealimentación hace que entre más oxígeno al cilindro lo que permite que se pueda quemar más combustible y obtener más potencia con el mismo volumen de trabajo. El compresor necesario para que este sistema funcione consumirá algo de la potencia que producirá el motor.
d. Utilizando la energía de los gases residuales. Para el accionamiento del compresor que se usa para la sobrealimentación se puede usar una turbina de gas que funcione con los gases de escape, esto permite que la potencia que normalmente necesitaría el compresor para funcionar no se extraería de su él sino de los gases que el desecha permitiendo mayor potencia obtenida. e. Empleando esquemas combinados (compounds) del motor. En algunas aplicaciones (por ejemplo motores de dos tiempos) la potencia de la turbina es insuficiente para que se dé una correcta sobrealimentación, por eso, se deben utilizar sistemas combinados. En el primer escalón el compresor de baja presión es accionado por la turbina y en el segundo escalón el compresor de alta es accionado por el árbol cigüeñal del motor. 21. ¿En qué se diferencia la sobrealimentación mecánica de la sobrealimentación de gas? Para entender cuál es la diferencia entre sobrealimentación mecánica y de gas se debe relacionar el concepto de cada una de ellas. Fig.2. Motor turbocargado
Sobrealimentación de gas o turboalimentación: Se lleva a cabo por medio de un turbocompresor es básicamente un compresor accionado por los gases de escape. La misión fundamental de la turboalimentación es presionar el aire de admisión para, de este modo incrementar la cantidad que entra en los cilindros del motor, en la carrera de admisión, permitiendo que se queme eficazmente más cantidad de combustible.
Sobrealimentación mecánica: Esta se lleva a cabo por medio de un turbocompresor, que utiliza energía mecánica del motor para su funcionamiento y tiene la misma misión que el turbocompresor (Fig. 3). Según estos conceptos se puede deducir que aunque el compresor y el turbocompresor tienen la misma función, el primero utiliza energía del motor para su accionamiento, y el segundo utiliza la energía de los gases de escape para este mismo fin. 25. Describa los posibles desgastes y otros daños de la superficie de trabajo del cilindro Uno de los desgastes que puede producirse en las paredes del cilindro es debido a los anillos de compresión del embolo, los cuales se instalan para prevenir la irrupción de los gases en el cárter en los procesos de compresión y expansión, trabajan en condiciones en extremo pesadas, realizando movimientos de avance y retroceso con gran velocidad y elevada temperatura debido al contacto con los gases calientes y también por el rozamiento con las paredes del cilindro, durante el funcionamiento la presión del anillo sobre las paredes del
cilindro aumenta, pues los gases que se penetran a través de las holguras entre el embolo y el anillo lo aprietan contra las paredes del cilindro, además la presencia de presión del gas en las cavidades de la ranura que aprieta los anillos contra el cilindro, ejerce presión considerable sobre las paredes del cilindro, esta provoca elevado rozamiento y gran desgaste tanto de los anillos como de las paredes del cilindro. La elevadas temperaturas de funcionamiento del cilindro debido a la acción de los gases calientes y también a consecuencia del rozamiento del embolo y de los anillos del embolo con las paredes provocan la dilatación no uniforme del cilindro lo que puede provocar los esfuerzos suplementarios y llevar a cabo la formación de fisuras y/o la torcedura o alabeo. Además de esto existe el posible daño que produce una mala combustión, una combustión detonante que genera puntos de alta presiones en la cámara que se evidencian en un golpeteo del motor, este fenómeno puede producir daño considerable a la superficie superior del cilindro 26. Describa el objeto y las condiciones de funcionamiento de los anillos del embolo. Los anillos de émbolo, de acuerdo con su destinación, se dividen en de compresión (sellamiento, de empaquetadura o junta) y rascadores de aceite (colectores de aceite y salpicadores de aceite). Los de compresión se instalan para prevenir el paso de los gases de combustión al cárter. El anillo o aro debe adherirse fuertemente a la superficie interna del cilindro; con esto el anillo se hace seccionado y su diámetro en estado libre es un tanto mayor que el del cilindro. En el émbolo se colocan varios anillos de compresión. Para la fabricación de anillos de compresión se emplea fundición gris con elevado contenido de fósforo y con aditivos de cromo, níquel o molibdeno, que le imprimen a la fundición la resistencia necesaria y buenas propiedades antifricción. A fin de mejorar el funcionamiento del anillo y elevar la resistencia al desgaste, se emplean diferentes recubrimientos de estaño, plomo, así como el cromado poroso, etc. Los anillos se suelen fabricar de sección rectangular con diferente relación de la altura al espesor radial. El corte del anillo o como se le denomina la cerradura del anillo puede ser recta, oblicua o escalonada. Al colocarse los anillos en el émbolo, las cerraduras de los diferentes anillos se desplazan una respecto a la otra entre 120° y 90°. En los motores de dos tiempos con barrido de ranura, a fin de evitar la rotura de los anillos, se les suele fijar en el émbolo con espigas de retén. Los anillos rascadores de aceite sirven para eliminar el sobrante de aceite de la superficie de trabajo del cilindro y para evitar que pase aceite a la cámara de combustión. En el émbolo se instalan de uno a tres anillos rascadores de aceite. Se les coloca en la falda del émbolo y en la cabeza más abajo que los anillos de compresión. Para quitar el aceite del espejo del cilindro, la superficie externa del anillo se hace cónica o con bisel dirigido hacia el lado de la cámara de combustión. Para eliminar el aceite que se acumula debajo del borde en la pared del émbolo, se perforan orificios radiales. 29. ¿Por qué se emplean pasadores de embolo de tipo flotante y como se evita su desplazamiento axial? En los motores de viejos diseños para la fijación respecto al desplazamiento axial del pasador se empotraba en alojamientos y se retenía por medio de un perno; para que no
girara el pasador se fijaba con una clavija. Una falla importante de tal instalación del pasador consistía en que el calentamiento del pasador provocaba deformación de la falda, y esto era causa del agarrotamiento del émbolo. Por eso en los motores se utilizan ampliamente los pasadores flotantes, los cuales pueden girar libremente tanto en pie de la biela como en los resaltes de émbolo. Para evitar el desplazamiento axial el pasador se fija por medio de anillos de resorte de retén o por medio de limitadores especiales de metal blando. 34. ¿Qué consecuencias pueden tener la rotura del vástago del perno (espárrago) de biela? La rotura del perno de biela suele provocar en el motor en funcionamiento grandes daños de las piezas del mecanismo de biela-manivela y de la armazón. Tomando como ejemplo el motor de una aeronave que fallo por la rotura por fatiga de uno de los tornillos que une el sombrerete al cuerpo de la biela y desencadeno una serie de roturas en otros elementos internos como el cárter y el cilindro del motor. 35. ¿Cuál puede ser la causa del calentamiento de los cojinetes de bancada? Los cojinetes de bancada del cigüeñal son del tipo de manguito dividido. Cada cojinete consta de dos mitades, las que juntas forman un manguito para el muñón. La mitad superior cuenta con un orificio de lubricación y va montada en su alojamiento en el bloque. La otra mitad va en la tapa de bancada. Algunas veces ambas mitades son intercambiables. Las superficies de desgaste de los cojinetes están hechas de un material más blando que el cigüeñal, de manera que de existir desgaste, se puede reemplazar un económico cojinete en lugar de un costoso cigüeñal. El material blando reduce la fricción y se amolda a las pequeñas irregularidades que el eje pudiera tener, permitiendo también, que las partículas metálicas pequeñas se incrusten en la superficie del cojinete sin que lleguen a rayar el cigüeñal. Cuando se instalan el cigüeñal, los cojinetes y las tapas, existe un pequeño claro entre los cojinetes y los muñones, de manera que el aceite que viene del orificio en el cojinete superior de bancada circula por el claro de lubricación para aceite; luego, el aceite es expulsado hacia el cárter. La circulación de aceite también enfría el cojinete y expulsa la suciedad y partículas extrañas que pudieran haber alcanzado ese lugar; por lo que debe haber suficiente luz para mantener la circulación de aceite, de otra manera ocurrirá rápidamente un desgaste excesivo. Sin embargo, la luz de aceite debe ser cuidadosamente controlada ya que, aún un pequeño incremento puede causar un gran aumento en la cantidad de aceite que puede circular a través de los cojinetes. Si la luz de aceite se torna excesiva, la bomba de aceite no abastecerá el volumen suficiente y por consiguiente la presión de aceite del motor decaerá, tal vez algunos de los cojinetes no reciba lubricación en forma continua, o algunas partes del motor resulten privadas de aceite para su lubricación. Tanto los cojinetes de bancada como los de biela vienen en una variedad de tamaños que pueden ser seleccionados, cuando se arma el motor, para obtener la luz de aceite más cercana a la ideal. Este claro permite el desgaste normal del cojinete sin una pérdida de presión de aceite.
En la mayoría de los motores de los motores uno de los cojinetes de bancada es un cojinete de empuje con pestañas que limitan el movimiento hacia atrás y adelante del cigüeñal o juego libre axial. Sin embargo, en algunos motores se utilizan arandelas de empuje separadas para cumplir la misma función. Ahora podemos terminar el tema del cigüeñal identificando las partes instaladas con el cigüeñal y sus cojinetes en el motor. De acuerdo a su diseño los cojinetes de bancada se dividen en cojinetes de deslizamiento y cojinetes de rodamiento. El cojinete, básicamente es un casquete cilíndrico que se compone de dos mitades; generalmente se fabrican de fundición de acero y la superficie de trabajo que contacta con los muñones de bancada se recubre con una capa de aleación antifricción, a pesar de esto las superficies presentan temperaturas elevadas debido a las cargas específicas variables la que están sometidas que condicionan un trabajo de fricción considerable y desgaste de los muñones, por esta razón los cojinetes son lubricados por las ramificaciones del canal de aceite del lado de la mitad menos cargada. 40. Describa las particularidades de diseño de los diesel. Los motores Diesel tienen como principal particularidad, la carencia de carburador, puesto que a la cámara de combustión no entra, una mezcla sino por el contrario la mezcla entre el aire y combustible en este caso el diesel se realiza internamente en el motor, además este tipo de motores por funcionar con diesel, el cual es auto inflamable no necesita de sistemas de encendido inducido (bujías). La relación que presentan los motores Diesel es significativamente mayor que en los motores de encendido inducido, esto se debe a que estos motores deben alcanzar unas condiciones que garanticen la auto inflamación del combustible. El rango de revoluciones para los motores diesel es bastante amplio, para así asegurar en todos los regímenes la más completa combustión del combustible diesel con los mínimos excesos de aire, a fin de evitar el aumento de peso del diésel, por esto los procesos de inyección del combustible diésel de atomización, vaporización, del mezclado con el aire y de combustión deben efectuarse en un tiempo muy corto (en el rango de las milésimas de segundos). Debe asegurarse una distribución uniforme del combustible por todo el volumen de la cámara de combustión por lo tanto deben perfeccionarse los procesos de formación de la mezcla de lo contrario resultaría en unas partes de la cámara de combustión muchísimo combustible el cual no combustiona completamente, desmejorando la economía del combustible del diésel y en otras partes de la cámara de combustión resulta poco combustible, el cual combustiona completamente pero parte del aire no participa en la combustión y la presión media de los gases en el cilindro no alcanza aquella magnitud que debería obtenerse dado el caso de utilización completa del aire. 41. Describa las particularidades de diseño de los motores de carburador. Los motores de carburador deben presentar altas relaciones de compresión para que por medio de la bujía presente una buena combustión y pueda alcanzar potencias más elevadas.
Las temperaturas que alcanzan los motores de carburador son más elevadas que en los motores diesel por lo que se debe controlar en mayor medida la termo transferencia, la disociación y la extinción de la combustión del combustible. Las presiones máximas que alcanzan los motores de carburador son menores que los diesel en medida considerable por el retraso de la inflamación y por el procedimiento de formación de la mezcla adoptado en el motor. Por tanto se deben tomar las mismas particularidades de diseño con respecto al motor diesel. El diseño del carburador debe ser muy cuidadoso debido que es de vital importancia una buena mezcla carburante para que no haya una imperfección química elevada y se produzca una buena combustión. El diseño del carburador debe optimizar la funcionalidad de cada parte del mismo de la siguiente manera: Cuerpo: El carburador puede ser de uno o dos cuerpos dependiendo de los requerimientos del motor. Es de vital importancia que se mezclan las 15 partes de aire y la parte de gasolina, necesarias para el funcionamiento del motor. Depósito o taza: Es el lugar donde se almacena la gasolina proveniente del sistema de alimentación de combustible. Allí hay una aguja o punzón, que están unidos a un flotador que sube o baja de acuerdo al nivel de combustible que se encuentre en la taza, permitiendo la entrada o no de gasolina al interior, según las necesidades de cada momento. Aguja o punzón: Se encarga de impedir o permitir la entrada del combustible a la taza, tapando o destapando un fino orificio, de acuerdo al nivel existente dentro de la taza o depósito del carburador. Flotador: Fabricado en lámina delgada o plástico, sube o baja dentro de la taza, de acuerdo con la cantidad de combustible presente. Se encarga de ordenar mediante un vástago cuando la aguja debe permitir o impedir la entrada de combustible a la taza. Inyector: Es una pieza atravesada por un orificio, cerrado por una pequeña válvula dotada de un resorte destinado a pulverizar la gasolina en las cámaras de combustión. Puede estar ubicada antes de la válvula de admisión (inyección indirecta) o después (inyección directa). Surtidor o “chicler”: Es una pieza metálica atravesada por un pequeño orificio calibrado, por donde pasa aire o gasolina. Un carburador tiene varios de estos elementos, que permiten el paso de los dos componentes de la mezcla antes mencionados. Pueden ser de ralentí ( marcha lenta o mínima), recuperación (gasolina), o de manejo de aire. Algunos carburadores modernos, incluyen chicleres eléctricos o electrónicos. Boquilla de inyección: Forma parte del cuerpo del carburador, tiene un estrangulamiento llamado venturi, que tiene como función acelerar la salida de aire en este sitio y a crear una depresión necesaria para la aspiración de la gasolina. Lámina de gases: Es una pequeña lámina metálica ubicada en la bese del carburador, que se encarga de regular la cantidad de gas carburado (mezcla gasificada de aire-gasolina) que deba ingresar al motor luego de atravesar el múltiple de admisión. Choke: Se encarga de alterar la entrada de aire que se debe mezclar con la gasolina, para enriquecer la mezcla carburada aumentando la proporción de gasolina, para obtener un mejor encendido del motor en frío. Puede ser accionado de manera mecánica, por una guaya o un sistema de varillaje, o por el contrario por un efecto térmico que activa el sistema de choke en frío, cerrando la entrada de aire, y abriéndola progresivamente, mientras el motor se calienta.
46. Describa la transmisión y la construcción de la bomba de agua y del ventilador, los métodos de hermetización de la bomba, las construcciones de los radiadores en el sistema cerrado de enfriamiento, el objeto, la construcción y el funcionamiento de los termostatos SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
La bomba de agua del sistema de enfriamiento es una bomba roto dinámica de tipo centrífugo que generalmente recibe la entrada de fluido por su parte central. La bomba consiste en un impeler plástico que gira en virtud de una correa trapezoidal conectada a una polea en su eje que transmite movimiento desde el árbol cigüeña, se evita que haya fuga de agua desde la cavidad impelente a través del eje del impeler utilizando unos prensaestopas, que sirven como instrumento hermético. Los radiadores son elementos donde dos fluidos intercambian calor sin mezclarse, en el motor pueden encontrarse dos construcciones según la exigencia de trabajo. El radiador más común en automóviles es aquel en que el fluido refrigerante por lo general agua, intercambia calor con el aire que circula a través de los tubos de circulación del agua que además poseen superficies extendidas con el fin de optimizar la transferencia de calor y los radiadores en que intercambian calor dos fluidos confinados, en tal caso puede existir un conjunto de tubos apareados por los cuales circularan fluidos de distinta naturaleza. Este tipo de construcción se usa cuando las necesidades de enfriamiento sean tales que la acción del aire no sea suficiente para suplir las necesidades. El termostato tiene por objeto regular la temperatura del agua del sistema de enfriamiento. Consiste en un mecanismo que permite o no el paso de agua a través del cuerpo del mismo en virtud de una masa activa sensible a la temperatura que al elevarse esta se dilata obturando una compuerta que permite entonces el flujo de líquido. Su funcionamiento se ve en la grafica
Fig. 5
a) Termostato en posición cerrada abierta
b) termostato en posición
1. capsula del termostato; 2. Masa activa; 3.membrana; 4. Buje guía; 1. capsula del termostato; 2. Masa activa; 3.membrana; 4. Buje guía; 5. Vástago; 6. Resorte de retorno; 7.chapelata; 8. Tubo; 9. Balancín de chapelata; 10. Cuerpo del termostato; 11.amortiguador; 12. Vira; 13. Tubo de admisión
47¿Cuáles son el objeto de la lubricación y las condiciones que influyen en la magnitud coeficiente de rozamiento? ¿Cuáles son los periodos del funcionamiento del motor menos propicios en cuanto a lubricación de las superficies de trabajo de los cilindros y de los cojinetes del árbol cigüeñal? a. El objeto principal de la lubricación del motor es evitar y/o disminuir el desgaste excesivo, el recalentamiento y el agarrotamiento, para disminuir los gastos de potencia indicada por fricción en el motor y para extraer el calor que se desprende durante el funcionamiento en las superficies rozantes. Además el aceite quita de las superficies en frote los productos en desgaste y suciedad de todo género, protege estás superficies de la corrosión y, en algunos caos, hace estancas las uniones móviles de las piezas. En algunos motores el sistema de lubricación se utiliza para la refrigeración forzada de piezas (émbolos y otras). Cuando las superficies en frotamiento están separadas entre sí por una película muy delgada de lubricante, la fricción es de lubricación límite. En este caso la lubricación depende de la fuerte adhesión del lubricante al material de las superficies que se frotan; las capas de lubricante resbalan una sobre la otra. Cuando la lubricación se dispone de modo que las superficies que se frotan queden separadas por una película de fluido, y las cargas queden es las superficies por completo soportadas por la presión hidrostática o hidrodinámica de la película, la fricción es de lubricación completa (o viscosa). Se tiene lubricación incompleta o mixta si la carga sobre las superficies que se frotan es soportada parcialmente por una película viscosa de fluido y, por otra parte, por zonas de lubricación límite. Cuando un árbol no gira (se encuentra en el estado de reposo), él apoyo n el cojinete y el juego en las superficies en contacto del árbol y del cojinete es igual a cero (figura 8). Al girar el árbol en el cojinete, las primeras capas del aceite adheridas estrechamente a la superficie
del árbol arrastran las siguientes. Las partículas del aceite puestas en movimiento, bajo el efecto de las fuerzas de fricción existentes entre las capas, se trasladan de la parte ancha del juego a la parte estrecha (Fig. 8 b). Como resultado en la zona en que el juego tiene la magnitud mínima (hmín), en la capa de aceite surge una presión elevada bajo cuya acción el árbol parece emergido a la superficie descansado en la almohada de aceite. Al crecer la velocidad relativa de movimiento de las superficies (el número de revoluciones del cigüeñal), una cantidad siempre mayor de aceite se arrastra al espacio cuneiforme, aumentando de este modo la presión creada en la capa de aceite y por eso siempre más el árbol tiende a ocupar la posición central en el cojinete (Fig. 8 b, c, d).
Figura 8. Formación de la cuña de aceite al girar el árbol en el cojinete de deslazamiento.
Cuando el espesor mínimo de la capa de aceite llega a ser mayor que la altura total de las rugosidades de las superficies del árbol y del cojinete las superficies indicadas dejarán de estar en contacto y aparecerá el rozamiento líquido. b. El coeficiente de fricción es, aproximadamente, independiente de la velocidad de frotamiento, si está es lo bastante baja para no afectar la temperatura de la superficie; a velocidad más altas, el coeficiente de fricción disminuye al aumentar la velocidad. Los coeficientes de fricción de superficies secas (fricción en seco) dependen de los materiales que se deslizan uno sobre el otro y de las condiciones de acabado de esas superficies. Con lubricación límite los coeficientes dependen de los materiales y las condiciones de las superficies, así como de los lubricantes que se empleen. Los coeficientes de rozamiento (fricción) son sensibles al polvo y humedad atmosférica, las películas de óxido, el acabado superficial, la velocidad de deslizamiento, la temperatura, la vibración y lo extenso de la contaminación. En muchos casos el grado de contaminación es la variable más importante por sí sola. El coeficiente de rozamiento depende en gran medida de la temperatura a la que se encuentre sometido el lubricante, pues al bajar la temperatura la viscosidad del lubricante aumenta y al subir ella, disminuye. Cuanto menos cambia el lubricante su viscosidad al variar la temperatura tanto más alta será su calidad y su comportamiento para evitar la fricción, es decir que cuanto menos cambie la temperatura el coeficiente de fricción se mantendrá constante. Otro factor importante que influye en la magnitud del coeficiente de rozamiento es la estabilidad química del aceite pues cuanto más elevada sea esta habrá una mayor oposición a la oxidación por el oxígeno atmosférico, lo cual se verá reflejada en las capacidades lubricantes del aceite.
Las propiedades detergentes del aceite (capacidad del aceite de oponerse a la formación de sustancias resinosas y otros productos de la oxidación), la coquizabilidad del aceite (capacidad del aceite de formar un residuo carbonoso), la acción corrosiva del aceite, aditivos, el contenido de cenizas en el aceite son factores que dependiendo de su magnitud el lubricante podrán ejercer mejor su función de evitar la fricción entre las partes móviles que estén en contacto en el motor, lo que se refleja en la disminución o variación del coeficiente de rozamiento. c. No se puede permitir que disminuya la capa de aceite existente entre las superficies en frote hasta la magnitud que puede surgir el frotamiento de frontera, puesto que en este caso el desgaste y el calentamiento de las piezas crecen rápidamente. En condiciones del rozamiento de frontera ninguna unión móvil puede trabajar normalmente durante mucho tiempo. No obstante, el rozamiento de frontera disminuye el desgaste a pequeñas velocidades del movimiento, al arrancar el motor y a cargas muy grandes cuando no es posible obtener el rozamiento líquido o semilíquido, estos son los periodos menos propicios en cuanto a la lubricación de los cilindros y de los cojinetes del árbol cigüeñal y de otras superficies de trabajo del motor. 55. ¿Cómo se lubrican los muñones y las levas de los árboles distribuidores? ¿Indique cómo se suministra el aceite a la transmisión de las bombas de aceites y de cebado de combustible? El conjunto de aparatos que aseguran el ingreso continuo de aceite a los conjuntos de rozamiento y su limpieza constituyen el sistema de lubricación. Según el tipo de motor se emplean diferentes tipos de lubricación. En la mayoría de los motores modernos se emplea el sistema de lubricación forzada el cual permite regular la cantidad de aceite que entra a las superficies rozantes, es decir efectuar un suministro racional de aceite a las piezas con la intensidad necesaria de circulación. En los sistemas forzados de lubricación entran los siguientes elementos principales: una bomba que asegura la circulación del aceite Aparato reductor (válvula), que sirve para regular la presión de aceite. aparatos para la limpieza del aceite (filtros) Aparatos para el enfriamiento del aceite. Aparatos auxiliares para el llenado y salida del aceite, instrumentos de medición, aparatos para la ventilación y válvulas de seguridad. A los cojinetes de bancada y de biela, muñones y levas, el aceite se suministra bajo presión del ducto principal. El aceite se suministra por separado a cada cojinete de bancada, el cual por canales en los codos y muñones del árbol se dirige a los cojinetes de la biela, o el aceite se suministra a la cavidad interna del árbol y por canales radiales en los muñones llega a los cojinetes de bancada y de biela. En dependencia de donde se halla la mayor cantidad de aceite el sistema de lubricación se llama de cárter húmedo o seco.
El sistema de lubricación con cárter húmedo de reserva para el aceite sirve a la parte inferior de la bancada. De la bandeja es succionado el aceite con una bomba. Luego bajo presión, creada por la bomba, el aceite pasa a través del filtro de fino micraje que luego pasa por el enfriador de aceite e ingresa al ducto principal. Del ducto el aceite se suministra a las superficies en rozamiento. Pasando por los conjuntos de lubricación, el aceite caliente fluye de retorno a la bandeja. La presión se limita en el ducto de aceite por medio de una válvula limitadora de presión, la cual al elevarse la presión por encima del establecido se abre y deja pasar aceite a la bandeja. Para controlar la presión en el sistema se usa un manómetro. 56. ¿En qué sitio se mide la presión del aceite en la tubería principal de motor diesel? ¿Cuál debe ser la temperatura del aceite en la salida del motor? ¿El tanque del aceite se puede llenar completamente? ¿Por qué antes del arranque del motor diesel es necesario trasegar aceite? ¿Hasta qué presión? El aceite proveniente de la tubería maestra pasa, por un tubo y por las canales practicados en la pared del cárter de los piñones de distribución y en la brida de ajuste, a las superficies en roce del casquillo del piñón intermedio de mando de la bomba de combustible y a la parte cilíndrica de la brida de ajuste. La presión y la temperatura del motor diesel se miden después del cuerpo de los filtros. Para controlar la presión del aceite existente en la tubería maestra y la temperatura del mismo en el cuerpo de los filtros, el tablero de instrumentos de control lleva el indicador de presión y el indicador a distancia de temperatura. La presión debe encontrarse dentro de los límites de 2,5 a 4,5 Kgf/cm2. La temperatura normal del aceite presente en el motor Diesel debe encontrarse, al funcionar este con régimen nominal, dentro de los límites de 80 a 90º C. Si la temperatura excede los 90º C, la calidad del aceite se empeora y como consecuencia se acelera el desgaste de las piezas del motor y aumenta el consumo de aceite. Para mantener la temperatura del aceite en los límites requeridos, al funcionar el motor con gran carga y a una temperatura alta del medio ambiente, en el sistema de engrase se emplean radiadores especiales (radiadores). El nivel de aceite en el cárter se mide con la varilla medidora pasados 15-20 min después de la parada del motor. El nivel debe hallarse cercano al trazo (marca) superior de la varilla medidora. No es conveniente llenar de aceite de modo que este supere el trazo superior para no provocar la quemadura de los segmentos de pistón, la formación abundante de carbonilla en las cámaras y en los fondos de los pistones, así como el aumento del consumo del aceite. Si el nivel de aceite en el cárter no alcanza el trazo inferior, el trabajo del motor está prohibido, ya que en este caso es posible la alteración del suministro de aceite en el sistema, alteración que es acompañada de un desgaste intenso de las piezas en roce y de averías de los cojinetes debido a su fusión. Debe bombearse aceite en el arranque de los Diesel para asegurar la formación de la película de aceite entre los pistones y la cámara de combustión para evitar el rozamiento entre estos pues al apagarse este retorna al cárter quedando prácticamente estos elementos en contacto directo sin la película que los separe. A las revoluciones mínimas de la marche en vacío la presión del aceite, creada en el sistema, no se tolera inferior a 0.8 Kgf/cm2. 57. Mencione las principales características técnicas de un motor Las principales son la cilindrada, potencia, combustible, sistema de refrigeración, lubricación, relación de compresión.
58. ¿Qué objeto tiene y con qué medidas se mejoran la atomización y vaporización del combustible en los carburadores? ¿De qué depende la cantidad de aire que pasa a través del carburador? ¿De qué depende la cantidad de combustible suministrado por el surtidor? El atomizar la gasolina y después mezclarla bien con el aire no basta para producir una carburización satisfactoria, la mezcla de aire-combustible debe ser adicionalmente evaporada para que llegue a los cilindros del motor en un estado casi gaseoso. Esto se logra aplicando calor a la sección central del múltiple de admisión por medio de un conducto de calefacción el cual se extiende por esta sección y directamente debajo de la pestaña de montaje del carburador. Los gases calientes de escape que pasa a través del conducto de calefacción ayudan a evaporar o gasificar la mezcla. Los gases de escape son desviados hacia el conducto de calefacción del múltiple de admisión por medio de una válvula controlada termostáticamente llamada válvula de calefacción. Cuando el motor está frío la válvula se cierra obligando a los gases de escape a pasar a través del conducto de calefacción. Cuando el motor comienza a calentarse gradualmente la válvula se abre poco a poco y parte de los gases de escape van directamente al sistema de escape. 59. ¿Cuáles son las composiciones de la mezcla carburante y porqué son necesarios: 1) en el arranque, 2) a pequeñas revoluciones de marcha en vacío, 3) para la obtención de economía (eficiencia) y de potencia plena? El motor de carburador instalado en los automóviles y tractores trabaja en los regímenes principales siguientes: 1) arranque; 2) marcha en vacío y cargas pequeñas; 3) cargas medias; 4) carga completa. Para obtener el trabajo más eficaz del motor para el régimen dado es muy importante que la mezcla carburante, para el momento de inflamarla por la chispa eléctrica, sea la más ventajosa en cuanto a su composición. La mezcla debe ser homogénea y el combustible que forma parte de ella debe encontrarse en el estado de vapor. 1) Arranque: al poner en marcha un motor frío, la formación de la mezcla queda dificultada dado que la depresión creada en el difusor es de valor insuficiente, la velocidad de movimiento del aire es pequeña y la temperatura de las piezas del motor permanecen bajas. Por eso, para efectuar el arranque, a los cilindros del motor se debe suministrar una mezcla carburante rica (α=0.5-0.6) para que al punto de inflamarla contenga una cantidad suficiente de fracciones livianas, de evaporación rápida, del combustible. 2) Marcha en vacío a pequeñas cargas: al operar en estas condiciones la mariposa del gas queda entrecerrada, ya que al motor se le debe suministrar una pequeña cantidad de mezcla carburante. La depresión y velocidad de la corriente de aire en el difusor son insignificantes. Las condiciones para la pulverización y la evaporación son desfavorables. Por eso el carburador debe preparar una mezcla enriquecida con el coeficiente de exceso de aire α=0.6-0.8%. 3) Cargas medias: de un 40 a 90% de la carga plena del motor, a sus cilindros se deben suministrar cantidades de la mezcla carburante, pero la composición de esta última ha de permanecer constante y un poco empobrecida (α=1.10-1.15) para poner el trabajo más económico. 4) Carga plena del motor: la mariposa de estrangulamiento está abierta por completo por lo que para obtener la potencia máxima la mezcla carburante debe estar enriquecida (α=0.85-0.90). En un carburador más sencillo al arrancar el motor o trabajar en vacío y a pequeñas cargas, el pulverizador suministra poco combustible debido a una depresión insuficiente en el difusor y la mezcla carburante resulta ser pobre. A cargas medias, dado el incremento en la depresión, la cantidad de combustible enviada a la cámara de carburación crece, más no de nodo proporcional al aumento de la cantidad de aire suministrado, sino en grado menor. Por eso la mezcla carburante se enriquece. Al pasar a la carga plena, el carburado más sencillo no ofrece un enriquecimiento paulatino necesario de la mezcla.
Ahora bien, al trabajar en los regímenes indicados, el carburador más sencillo hace variar la composición de la mezcla de una manera inversa a lo que se requiere. Al abrir bruscamente la mariposa del gas, es necesario suministrar a los cilindros una mezcla enriquecida para que el motor eleve rápidamente el número de revoluciones y aumente su potencia. En el carburador más sencillo, al abrir de modo brusco la mariposa del gas, la mezcla carburante se empobrece. 64. ¿Qué requerimientos se presentan en los tubos de admisión y escape? Describa la construcción y el funcionamiento de los sistemas de precalentamiento de la mezcla de los motores Por la tubería de admisión la mezcla carburante procedente del carburador (en los motores de carburador) y el aire procedente del depurador de aire (en los motores diesel) llega a los cilindros. Por la tubería de escape los gases quemados se derivan de los cilindros. Las tuberías de admisión y de escape se fabrican de fundición formando una pieza común o dos piezas separadas. En una serie de los motores las tuberías de admisión están fundidas en una aleación de aluminio. En algunas construcciones las tuberías fundidas por separado se sujetan entre sí mediante pernos. Las bridas de tubuladuras de las tuberías de escape provistas de juntas de metal amiantado y de los de admisión provistos de juntas de paronita se unen al bloque-cárter o a la culata de cilindros con ayuda de los espárragos o tuercas. Las tuberías de admisión y de escape deben tener formas y secciones tales que la resistencia que se opone al movimiento de los gases sea mínima y la mezcla carburante (o aire) vaya distribuida uniformemente por los cilindros. Los gases quemados salen del cilindro del motor a gran velocidad, produciendo un ruido estridente, para disminuir este ruido se montan silenciadores en el tubo de escape y que al pasar por estos dispositivos dichos gases de escape se expanden perdiendo velocidad, saliendo al medio ambiente sin hace ruido. Para disminuir el peligro de incendios las tuberías de escape de los motores de tractores y de máquinas agrícolas automotrices están dirigidas hacia arriba y están dotadas por apagachispas. En algunos casos la tubería de admisión es calentada por el agua caliente procedente del sistema de refrigeración. Para esto la tubería esta provista de paredes dobles y el espacio formado entre ellas está lleno de agua que pasa de la culata de cilindros al radiador. Para evaporar mejor el combustible y evitar que este se condense la mezcla carburante, antes de que llegue al motor de carburador, es precalentada por el calor de los gases de combustión o del líquido procedente del sistema de refrigeración. Es recomendable precalentar el aire que llega al carburador y controlar su temperatura, ya que se reduce la variación en la densidad del aire y, en consecuencia, tener un mejor control de la relación de la mezcla, respecto a la economía del combustible y el control de emisiones; asimismo, se minimiza el congelamiento del carburador y se reduce la necesidad de una válvula de traspaso en el múltiple de escape. El calentamiento puede ser no regulable y regulable. El grado necesario de calentamiento depende de la marca del combustible a utilizar, la temperatura ambiente y la carga del motor. La subida de la temperatura de la mezcla carburante y su expansión llevan a la reducción del llenado, en peso, de los cilindros, por esto es conveniente variar la intensidad de calentamiento de la mezcla, aumentando el calentamiento al estar frío o poco cargado el motor y disminuyéndolo gradualmente a medida que va calentándose el motor y creciendo la carga.
Tuberías de admisión y escape con regulación manual de Calentamiento de la mezcla carburante (motor CAZ-01).
a- calentamiento completo (invierno). b- calentamiento está desconectado (verano). 1. mariposa; 2. Sector; 3. Tubería de escape; 4.tubería de admisión. El calentamiento de la mezcla se regula manualmente con ayuda de la mariposa 1 instalada en la tubería de escape 3. Para esto el extremo exterior del eje de la mariposa lleva sujetada el sector 2. El sector puede ponerse en dos posiciones: junto a la marca con letrero “invierno” abriendo la mariposa y junto a la marca con letrero “verano” cerrándola. Cuando este queda cerrado, los gases de combustión no llegan a la camisa de calentamiento y el calentamiento de la mezcla carburante cesa. En algunos motores diesel dotados de motores de carburador para el arranque el aire que pasa por la tubería de admisión es calentado por el calor de los gases quemados del motor de arranque durante la puesta en marcha del motor diesel. Esto facilita el arranque del motor diesel, sobre todo a bajas temperaturas del medio ambiente. 65. ¿Cuáles son los requerimientos principales que se presentan al combustible para los motores? ¿Cuáles métodos de formación de la mezcla y formas de la cámara de combustión se emplean? La gasolina, como todo producto derivado del petróleo es una mezcla de hidrocarburos en las cuales las propiedades de octanaje y volatilidad proporcionan al motor del vehículo un arranque fácil en frío, una potencia máxima durante la aceleración, la no dilución del aceite y un funcionamiento normal y silencioso bajo las condiciones de operación del motor. PROPIEDADES DE LA GASOLINA La gasolina tiene cuatro propiedades principales: Octanaje: se refiere a la medida de la resistencia de la gasolina a ser comprimida en el motor. Esta se mide como el golpeteo o detonación que produce la gasolina comparada con los patrones de referencia conocidos de iso-octano y N-heptano, cuyos números de octano son 100 y cero respectivamente. Curva de destilación: esta propiedad se relaciona con la composición de la gasolina, su volatilidad y su presión de vapor. Indica la temperatura a la cual se evapora un porcentaje determinado de gasolina. Volatilidad: registra de manera indirecta el contenido de los componentes volátiles que brinden la seguridad del producto durante su transporte y almacenamiento. Esta propiedad debe a su vez estar en relación con las características del ambiente de altura, temperatura y humedad, para el diseño del almacenamiento del producto. Contenido de azufre: esta propiedad se encuentra altamente relacionada con la cantidad poseída de azufre (S) presente en el producto. Por su parte el gasóleo o diésel, también denominado gasoil, es un hidrocarburo líquido compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como combustible en calefacción y en motores diésel.
PROPIEDADES DEL DIESEL Número de cetano: en términos sencillos, el número de cetano (o habilitación) es una medida de qué tan rápido se enciende el combustible después de la carrera de compresión en un motor diesel. El combustible diesel está diseñado para quemar de forma rápida y completamente después de la carrera de compresión (después de que alcance el punto muerto superior). Los combustibles diesel con índice de cetano más bajos tienden a quemar más lento, que no es óptima en la mayoría de aplicaciones de automoción pues provocará dificultades de arranque y una reducción en el consumo de combustible. Viscosidad: es un factor importante en la atomización y la combustión del combustible a través de los inyectores. No cumplir con las especificaciones viscosidad al igual que un número de cetano incorrecto generará pérdidas de poder, mala economía de combustible y daños al sistema de inyección del motor. Punto de enturbiamiento: El petróleo crudo contiene, naturalmente, cera de parafina, que permanece en el combustible diesel en cantidades significativas, incluso después de refinamiento. Esta cera se derrite y es inerte de 100 a 180 grados Fahrenheit. Esto es normal. Sin embargo, cuando el combustible se enfría a temperaturas más bajas, la cera comenzará a "precipitarse" fuera del combustible, el combustible queda con un aspecto turbio. El punto en el que la cera de parafina se vuelve más notable se considera el punto de enturbiamiento. Combustibles diesel típicos tienen un punto de enturbiamiento de alrededor de 40 grados Fahrenheit. Pour Point: El punto de fluidez es el punto en el que la parafina se hace tan gruesa que el combustible tiene una consistencia similar a gel y no se vierta, este se produce en de 6 a 10 grados Fahrenheit por debajo del punto de enturbiamiento para los combustibles que no tienen depresores del punto añadido. PREPARACIÓN DE LA MEZCLA AIRE-COMBUSTIBLE PARA EL MOTOR Para que el motor de gasolina funcione adecuadamente, debe prepararse la mezcla de aire y combustible de manera adecuada. Esta mezcla comienza a formarse desde el punto donde se unen gasolina y aire, continua por el conducto de admisión, luego durante la carrera de admisión del pistón y termina durante la carrera de compresión, en la cual el calentamiento del aire debido al incremento de la presión (los gases se calientan cuando se comprimen) evapora la gasolina y la mezcla íntimamente con el aire. Químicamente hablando, existe una cantidad exacta de aire (que proporciona el oxígeno) para hacer la combustión de la gasolina sin que sobre ni aire ni combustible, esta cantidad se llama relación estequiométrica, y para las gasolinas comerciales, está entre 14 y 15 veces la cantidad de aire en peso, por la cantidad de gasolina, pero en la práctica, en el motor real no puede usarse esa relación porque parte del combustible saldría por el escape sin quemar, debido al escaso tiempo que tienen para encontrarse y reaccionar los miles de millones de moléculas de oxígeno, con las otras tantas de combustible. Por esto, en el motor de combustión interna, se introduce al cilindro más aire del estequiométricamente necesario, para garantizar el quemado total del combustible cuando se quiere obtener gases de escape limpios de combustible sin quemar. Esta cantidad de exceso de aire no puede ser indiscriminada, ya que si es demasiado grande, parte de la energía de la gasolina se gasta calentando el aire sobrante, que luego es desechada por el escape reduciendo la potencia y eficiencia del motor, de manera que hay un óptimo que los dispositivos de preparación de la mezcla tratan de seguir lo mejor posible. De acuerdo a los requerimientos a que se destine el motor, este "óptimo" puede ser variable siguiendo más o menos estas reglas generales:
1) Para obtener la máxima potencia se usa algo menos de aire que el necesario. 2) Para obtener la menor producción de gases tóxicos por el escape se una con más aire del necesario. Esta proporción puede variar desde el 95 al 125% de la cantidad de aire estequiométrico. Es bueno aclarar aquí, que para la marcha en vacío (ralentí) o "en baja", resulta necesario usar una mezcla rica en gasolina si se quiere un trabajo estable del motor, por tal motivo este es el régimen más contaminante del motor, y es el clásico problema de contaminación durante congestión de vehículos en las vías, en las grandes ciudades. Lo mismo sucede cuando el acelerador se pisa a fondo para obtener potencia elevada; por ejemplo para adelantar otro vehículo, aquí también debe usarse una mezcla pobre el aire (óptimo para gran potencia). CÁMARA DE COMBUSTIÓN La cámara de combustión es el lugar donde se realiza la combustión del combustible con el comburente, generalmente aire, en el motor de combustión interna. La cámara de combustión es fundamental en el funcionamiento del motor. El inyector introduce en ella el combustible pulverizado, el cual se mezcla con el aire; de ahí que la forma de la cámara de combustión deba facilitar esta mezcla del combustible con el aire. Tanto la mezcla como la combustión deben realizarse en un tiempo mínimo lo más cerca posible al punto muerto superior. Una cámara de combustión eficiente debe reunir ciertos requisitos
Ser pequeña para reducir al mínimo la superficie que absorbe calor al inflamarse la mezcla aire-combustible. No tener grietas o rincones que causen combustión espontánea o golpeteo (cascabeleo). Debe poseer un espacio para la bujía, en el centro de la cámara con el fin de reducir el tiempo necesario, para que se inflame toda la mezcla de combustible, ya que la velocidad con que avanza la llama de la combustión en la cámara está limitada.
TIPOS DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN Cámara de combustión hemisférica: Son tal vez las mejores cámaras, se logra un llenado del cilindro más eficiente que con los demás tipos de cámaras ya que posibilita utilizar válvulas de gran tamaño, y se logra un menor recorrido de la llama de la mezcla para llegar desde la chispa de la bujía a la cabeza del pistón gracias a la simetría de su forma. Posee suficiente espacio para que los orificios de admisión y de escape sean de gran tamaño, que sirve para que el motor tenga un máximo de entrada y salida de gases en cada cilindro, lo cual produce gran potencia cuando el motor está muy revolucionado. La bujía colocada en el centro, inflama toda la mezcla de combustible en el menor el tiempo posible. Cámara de tina: Tiene la forma de una tina invertida con las válvulas en la parte inferior de la misma. Ya que las válvulas se pueden colocar en una sola hilera, el mecanismo que las hace funcionar es muy sencillo. La forma alargada y ovalada de la tina controla la turbulencia excesiva, y las paredes lisas por donde sube el pistón hasta el tope, hacen que se produzcan los chorros necesarios para que la mezcla forme turbulencias o remolinos. Los cilindros de gran diámetro y cortas cerreras del pistón hacen posible el uso de las válvulas grandes, para lograr el paso adecuado de los gases. Cámara en forma de cuña: Tienen la particularidad de presentar las bujías lateralmente y válvulas en la culata. Entre sus ventajas encontramos una menor turbulencia de la mezcla, un menor picado de las bielas. Es más bien reducida, el corto es una variante de cualquiera de los recorridos de la
llama. La zona de la bujía al punto más distante de la expulsión que es la superficie plana de la cámara, reduce la propensión a la cabeza, la cual casi toca la cabeza del autoencendido (pre– ignición) o pistón. Cuando este sube en el tiempo de detonación. La explosión produce de compresión, expulsa los gases remolinos turbulentos cuando el quemado a chorros y en forma de pistón expulsa la mezcla de remolino hacia la cámara de zona más estrecha. La turbulencia de combustión. El movimiento hace que mantenga bien mezclado el aire y el combustible se mezclen combustible de principio a fin, para totalmente logrando una vaporización que exista combustión uniforme. Y una combustión más completa. La expulsión también enfría la mezcla se enfría al rozar las paredes que se encuentra en las de la cámara, que están menos esquinas y reduce los puntos calientes gracias a los conductos de calientes que causen enfriamiento. Cámara situada en la cabeza del pistón: La cámara de combustión situada en la cabeza del pistón, la poseen los motores diesel y algunos motores de gasolina para automóviles europeos. Desaparece la ventaja de fabricar pistones con cabeza plana y eleva el costo de fabricación de este tipo de pistones y aumenta el peso de estos. 66. Describa la construcción y el funcionamiento de la bomba de combustible de alta presión. En los sistemas de inyección de bomba, la alimentación de combustible al cilindro del motor a través de los inyectores se efectúa por medio de las bombas de combustible de alta presión, las cuales alcanzan una presión nominal de 420 kgf/cm2 en los motores Diesel y de hasta 160 kgf/cm2 en la inyección de gasolina. En estos sistemas se suele emplear equipo de combustible dividido, compuesto de bombas de émbolos buzos de alta presión y de diferentes inyectores, unidos con aquellas por medio de tubos de acero de pared gruesa. En caso de que se requiera crear una presión de inyección sumamente elevada (mayor de 1000 kgf/cm2) con frecuencia se emplea equipo de combustible no dividido, las denominadas bombasinyectores, que unen la bomba de alta presión y el inyector. En este caso no hay tubería de alta presión. La bomba-inyector se instala directamente en la culata (tapa) del cilindro del motor. Las construcciones de las bombas de alta presión son de lo más variadas, en dependencia de las particularidades de los motores para los cuales ellas están diseñadas. Su principio de funcionamiento es muy simple: el combustible se carga por medio de una válvula de llenado de la bomba, estando su émbolo de bombeo en reposo. Cuando llega el momento de la inyección, una leva empuja el émbolo y éste a su vez impulsa el combustible que, por ser un fluido incompresible, produce una altísima presión de salida como ya se había mencionado. La mayor difusión la tienen las bombas con accionamiento de leva mecánico del émbolo buzo y con dosificación de distribuidor o de válvula. En el plano del diseño tales bombas son de una sección o de bloques que unen varias secciones de bombeo en un cuerpo. Las bombas de bloque con número de secciones mayor que dos, por regla tienen su propio árbol de levas para el accionamiento de los émbolos buzos de las secciones de bombeo. Las bombas de una sección y de dos secciones con frecuencia no tienen árbol de levas propio. En este caso el cuerpo de la bomba tiene una brida para la sujeción en el motor, y para el accionamiento de los émbolos buzos se instalan arandelas de leva en el árbol de distribución o en un árbol especial de transmisión (de accionamiento). Las levas de las bombas de combustible deben realizar una revolución completa durante el ciclo de funcionamiento del motor, es decir en los motores de cuatro tiempos ellas deben girar con la mitad del número de revoluciones del árbol cigüeñal. La disposición de las levas en el árbol se concuerda con la disposición de los codos del árbol del motor. El desplazamiento angular recíproco de las levas de las secciones de la bomba de combustible que funcionan consecutivamente corresponde al desplazamiento angular de las fases del proceso de trabajo en los cilindros del motor que funcionan consecutivamente. Para variar la
posición angular del árbol de accionamiento de las bombas de combustible respecto al árbol cigüeñal en el sistema de accionamiento (de transmisión) se prevé un acoplamiento de ajuste, que permite la regulación con precisión de hasta 1. Para variar el momento de la inyección de combustible al variar el régimen de funcionamiento, muchos motores tienen un acoplamiento automático o dirigido de regulación del ángulo de adelanto de la inyección que varía la posición angular relativa del árbol de accionamiento (de transmisión) de las bombas de combustible. 67 – DESCRIBA LA CONSTRUCCIÓN Y EL FUNCIONAMIENTO DE LOS INYECTORES DE TIPO CERRADO.
El inyector es el dispositivo que permite el paso del combustible hacia la cámara de combustión, debidamente pulverizado. Los motores Diesel de automóviles y tractores llevan consigo el inyector de tipo cerrado en el cual la aguja de cierre se abre y se cierra bajo la presión del combustible. En el orifico central del pulverizador 18 entra con un juego muy pequeño (0.002 – 0.003 mm) la aguja 17. El pulverizador y la aguja están fabricados en acero aleado y sometidos a tratamiento térmico; estas piezas pasan por las operaciones de acabado y se seleccionan en conjunto, y no se permite intercambiar las parejas. El muelle 14 permite al cono de cierre 23 de la aguja 17ajustarse estrechamente a la superficie cónica del asiento del pulverizador; en el extremo del pulverizador sale el extremo inferior de la aguja llamado tetón el cual tiene un cono dirigido inversamente al de cierre 23. El combustible procedente de la bomba llega, a través de los canales 3 practicados en el cuerpo, la ranura anular 21 y los canales 1 a la cavidad 19. Debido a que inicialmente la presión del combustible no es capaz de levantar la aguja la presión crecerá. Cuando la presión es suficiente para levantar la aguja el combustible pasará por la estreche rendija anular entre el orificio de salida del pulverizador y el tetón 24 de la aguja. El cono inverso que lleva el tetón le da la forma cónica al combustible pulverizado para que este se mezcle bien con el aire en la cámara de combustión. Cuando el combustible comienza a salir del inyector se presenta un alivio en la presión que inicialmente elevó la aguja, a raíz de esto la aguja tenderá a bajar y cerrar nuevamente el paso de combustible. Para evitar que la aguja suba y baje la presión debe subir brusca y rápidamente, lo cual lo logramos mediante un perfil especial de la leva del árbol de la bomba de combustible. Casi instantáneamente cuando la bomba deja de mandar combustible la aguja debe cerrarse bruscamente y no debe quedar gota alguna colgando pues desmejora el proceso de la combustión. Para el inyector tomado como ilustración el diámetro de la aguja del pulverizador es de 6 mm, el diámetro del orificio de salida es de 2 mm, el ángulo del cono de difusión es de 5°; todas las piezas del inyector están sujetas en el cuerpo de acero, su extremo inferior lleva enroscada la tuerca del pulverizador en la cual se coloca el pulverizador con la aguja. El tope del extremo superior de la aguja 17 apoya en el fondo del asiento del vástago 2 y el muelle 14 apoya con su tope inferior en el platillo del vástago 2 y con su tope superior, en el platillo del
tornillo de regulación 12 que está enroscado en la tuerca 13 fija en la rosca del cuerpo 15 del inyector. La contratuerca 11 evita que se desenrosque el tornillo de regulación. La regulación del inyector, que se realiza mediante el apriete del muelle 14, se lleva a cabo por el tornillo 12. La presión alcanzada en el momento que la aguja se levanta se encuentra entre 125 y 130 Kgf/cm2. El combustible penetrado en el juego existente entre el pulverizador y la aguja se deriva, a través del orificio 7 practicado en la tuerca 13, el perno hueco 9 y el tubo de vaciado 8, al filtro de depuración fina o bien al depósito de combustible. El inyector se sujeta a la culata de cilindros mediante dos espárragos que pasan a través de los orificios de la brida del inyector. Para crear la empaquetadura deseada, bajo la tuerca 16 de fijación del pulverizador se coloca la junta de cobre 20. Las tuercas de fijación se deben apretar de manera uniforme. 71. Describa el influjo de diferentes factores en la pulverización del combustible en los diéseles. ¿Cuáles son las ventajas y las fallas del método de inyección directa del combustible a los cilindros del diesel? Los diferentes factores que influyen en la pulverización del combustible son: La presión de la inyección, la velocidad del chorro y la cámara de combustión. Aumentando la presión de la inyección se crea gran velocidad a la salida del combustible una pulverización fina y homogénea. Disminuyendo el diámetro de los orificios de las toberas del inyector aumenta la velocidad de salida lo que mejoraría la pulverización. En las precámaras de combustión debido a la elevada turbulencia y a la eficaz mezcla de combustible y aire la calidad del combustible no tiene que ser elevada como para otros modelos de cámaras de combustión. Las ventajas de la inyección directa son: Debido a su forma compacta, el área de superficie de la cámara de combustión es reducida, lo que se traduce en una pérdida de calor relativamente baja por el sistema de refrigeración teniendo así una eficiencia térmica elevada. Debido a la escasa pérdida de calor, el aire comprimido se mantiene muy caliente, dando como resultado una buena capacidad de arranque en frío sin necesidad de utilizar calentadores. Una vez más debido a la escasa pérdida de calor pueden utilizarse relaciones de compresión bajas, sin que deje de darse un buen encendido y una combustión eficaz. DESVENTAJAS DE LA INYECCIÓN DIRECTA: Ya que se utilizan varios agujeros pequeños en la boquilla del inyector, en lugar de uno grande. Los bloqueos por sedimentos de carbono son bastante frecuentes. Para asegurar la penetración de las partículas de combustible, en el aire comprimido son necesarias elevadas presiones de inyección de mayor precisión y calidad del que sería necesario si se utilizan presiones de inyección más bajas. Se da un funcionamiento desigual a velocidades reducidas, debido al largo período de retardo obtenido con la limitada turbulencia del aire de admisión. En este modelo la turbulencia depende en gran medida de la velocidad del aire que entra, que obviamente aumenta con la velocidad de giro del motor.
72. ¿Qué puede provocar la humosidad del motor? ¿Por qué es perjudicial el polvo del aire atmosférico y que métodos existen para purificarlo? Los productos normales de una combustión completa, como la que debería desarrollarse en el interior de un motor, son el bióxido de carbono CO2 y el agua H2O. Sin embargo, existen una serie de productos contaminantes que se emiten debido a la combustión incompleta y a efectos secundarios. Productos de la combustión incompleta. Los productos son: Hidrocarburos no quemados: Parafinas, olefinas, materias aromáticas. Hidrocarburos parcialmente quemados: aldehídos, cetonas, ácidos carbónicos, monóxido de carbono. Productos térmicos de craqueo y productos resultantes: Acetileno, etileno, hidrógeno, hollín, hidrógenos de carbono policíclicos. Productos secundarios de la combustión: Del nitrógeno del aire: óxidos azoicos. De los aditivos del combustible: Óxidos de plomo, haluros de plomo. De las impurezas del combustible: óxidos de azufre. Oxidantes: Mediante la reacción secundaria fotoquímica se forman, bajo la acción de la luz solar y a partir de los componentes de los gases de escape, los llamados oxidantes: peróxidos orgánicos, ozono, nitratos de peroxiacilo. El componente principal de los gases de diesel es el hollín (60%-80%). Eso es lo que produce la humosidad; se ve cuando sale del tubo de escape. El polvo del aire atmosférico y arenilla es perjudicial porque actúan como abrasivos que propician el desgaste prematuro de los pistones (émbolos), anillos y pared de los cilindros; así como también dañaran las guías de las válvulas. Cuando el motor trabaja en forma continua con aire sin filtrar, el polvo llegará hasta el aceite lubricante y producirá daños en los cojinetes y otras superficies lubricadas en el motor. Los filtros de aire se instalan de modo que todo el aire se filtre antes de que entre al motor. Se utilizan diversos tipos de filtros de aire. Pues tienen un elemento para retener el polvo cuando el aire pasa a través de él; también sirven como silenciadores del ruido de admisión del aire. 73. ¿Qué puede provocar el funcionamiento inesperado del motor “en desbocamiento”? mencione las posibles fallas en el sistema de lubricación, en el sistema de enfriamiento, en el sistema de alimentación. ¿Cómo distinguir las causas de las fallas del motor por el color de los gases de escape? Si el número de revoluciones se eleve más que en el nominal (Nnom) la potencia no aumenta debido a la disminución brusca de la presión media Pe, mientras crece la carga dinámica, sobre las piezas principales y su desgaste, por ello un motor cargado no se debe explotar con un número de revoluciones mayor al nominal, siendo intolerable hacerlo con superar a este puede producir embalamiento. Para excluir la posibilidad del paso del régimen de embalamiento, cuando el motor funciona con el régimen nominal se instala un limitador, es decir un regulador de revoluciones que cuando disminuye la carga del motor cierra automáticamente la mariposa de gases. Fallas del Sistema de Lubricación: Lubricantes inadecuados: el lubricante no cumple con las especificaciones del fabricante, por una viscosidad mayor que la recomendada produce taponamientos. Por una viscosidad inferior el lubricante tiende a licuarse con el calor de perdiendo sus cualidades.
Lubricante sucio o contaminado: produce ralladuras, desgastes excesivos y prematuros. Fallas en el enfriador de aceite: se crean obstrucciones, dejando pasar el refrigerante al aceite contaminándolo. Nivel demasiado alto del aceite en el carter: se provocan en el carter burbujas y elevadas presiones. Altas temperaturas en el aceite de lubricación. Baja presión de aceite: se debe a: Aceite diluido con el combustible. Bomba de aceite defectuosa. Campana de aspiración de aceite obstruida. Enfriador o filtro de aceite obstruido y sus válvulas de derivación no abren o lo hacen parcialmente. Agarrotamiento en la válvula de alivio de la bomba de aceite. Fugas internas.
Fallas en el sistema de enfriamiento: Refrigerante contaminado: se debe al paso del aceite al refrigerante. Temperatura anormal del refrigerante: falla el termostato. Bajo nivel del refrigerante. Fallas del radiador y del ventilador: cuando el funcionamiento de uno de estos es escaso, el enfriamiento es insignificante y ocurre un recalentamiento del motor. Fallas en el sistema de alimentación: El turbo cargador puede presentar acumulación de carbón en las aspas de la turbina: debido al peso de gases; se sufre golpes en las aspas o el eje deformado, el carbón se acumula en los bordes de las aspas, que al girar arrastraran carbón en ellas con el peligro de rozar con la carcasa. Fugas en el sistema de aros. Resorte de las válvulas rotas: este produce daños peores en el frente de las válvulas. Válvulas dobladas o rotas acompañado de una caída de potencia del motor. Desgaste excesivo en las guías de las válvulas se detecta por la presencia de aceite en los gases de escape, consumo de aceite superior al normal. Calibración deficiente en las válvulas: da como resultado una disminución en la potencia del motor, la holgura excesiva en las válvulas por las siguientes razones: Lóbulos de levas muy desgastados. Levanta- válvulas desgastadas o rotas. Desgastes en las puntas superiores de las válvulas. Calibración defectuosa: la holgura puede ser muy cerrada y se debe a un desgaste en el asiento de los mismos. Como detectar fallas con el motor por los colores de los gases de escape: Cantidad excesiva de humo negro o gris: Insuficiente cantidad de aire para la combustión. Boquilla inyectora de combustible obstruida o con gases. Sincronización incorrecta de la inyección de combustible. Control de relación de combustible incorrectamente ajustada.
Cantidad excesiva de humo blanco o azul: Desgaste en las guías de válvulas Anillos de pistones desgastados, agarrotados ó rotos. Nivel de aceite en el cárter demasiado alto. Sincronización errónea de la bomba de inyección de combustible. Aire en el sistema de combustible.
77. Clasificación de los motores de combustión interna. Los motores de combustión interna se clasifican de la siguiente forma: Motores alternativos: Estos poseen el mismo principio de funcionamiento de la máquina de vapor, solo que aquí el fluido de trabajo si experimenta el proceso de la combustión. En la Figura se muestra esquemáticamente un motor alternativo. Estos a su vez se clasifican por: Ignición o encendido: Motor Otto o de encendido provocado, en los que la combustión se inicia mediante una chispa. Los primeros motores incorporaban una llama externa para el encendido, sin embargo este sistema quedó pronto obsoleto siendo sustituido por un tubo caliente que se empleó hasta la Primera Guerra Mundial. Desde entonces, la ignición es eléctrica (bujía) ya que permite controlar la ignición (el momento en el que se ha de producir) y subsana los problemas de reducida vida útil y riesgo de explosión de los sistemas anteriores. Para evitar la explosión espontánea de la mezcla, estos motores no pueden alcanzar grandes presiones, limitándose en la práctica hasta relaciones de compresión de 11 a 1, mientras que los motores diesel pueden alcanzar valores de hasta 21 a 1, ya que el combustible diesel es introducido en la cámara de combustión en el momento preciso de la ignición, y no antes de la compresión. Motor diesel o de encendido por compresión, en los que la compresión de la mezcla es suficiente para provocar su autoinflamación. En este motor se utilizan valores elevados de compresión para lograr lo que se denomina "temperatura de ignición" cuando el pistón se encuentra en el PMS, y es en ese momento cuando se inyecta el combustible dentro de la cámara por medio de una bomba de alta presión y un inyector, variando la cantidad de combustible para controlar la potencia entregada por el mismo. Cabe destacar que en este tipo de motores se obtienen rendimientos superiores al de ciclo Otto, mientras gran parte por la compresión a la que pueden trabajar, aprovechando mejor el combustible ya que son del tipo "mezcla pobre”. Por el Ciclo:
Ciclo de cuatro tiempos, en los que el ciclo termodinámico se completa en cuatro carreras del émbolo y dos vueltas del cigüeñal. En estos motores, la renovación de la carga se controla mediante la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. Ciclo de dos tiempos, el ciclo termodinámico se completa en dos carreras del émbolo y una vuelta del cigüeñal. La renovación de la carga se logra por barrido, al desplazar la nueva mezcla los gases de la combustión previa, sin la necesidad de válvulas, ya que es ahora el propio émbolo el que con su movimiento descubre las lumbreras de admisión y escape regulando el proceso. Rotativos o Wankel: Esta consta básicamente de una serie de alabes unidos radialmente a un eje, los cuales lo hacen rotar cuando incide sobre ellos el fluido de trabajo, es decir, los gases producto de la combustión, en el caso de una turbina de gas de ciclo abierto, tal como se muestra en la figura: Motores a reacción: Son aquellos que adquieren un movimiento del conjunto del motor, mediante la expulsión a alta velocidad del fluido de trabajo (gases producto de la combustión), en el sentido contrario al movimiento deseado, es decir, que utilizan el principio de acción-reacción.
Existen dos tipos básicos de motores a reacción: los que toman el comburente del medio que los rodea (el aire), y los que no lo hacen (estos se conocen como Motores-cohete). Todos los motores a reacción que poseen admisión de aire del exterior, constan básicamente de un conducto en el cual se realiza el proceso de la combustión del fluido de trabajo, el cual posee una admisión de aire exterior, una entrada de combustible, una bujía que encienda la mezcla y una abertura para expulsar los gases de la combustión a alta velocidad. Lo anteriormente mencionado se muestra en la figura siguiente.
El principal inconveniente técnico que presentan los motores a reacción con admisión de aire del exterior, es el de asegurar el sentido del flujo del fluido de trabajo, o en otras palabras el de impedir que los gases de combustión salgan por la admisión de aire. Según el método que se emplee para asegurar el correcto flujo dentro del motor a reacción con admisión del aire del exterior, se encuentra la siguiente subdivisión de motores:
Pulsorreactor: En este motor se colocan una serie de válvulas de admisión, las cuales se abren para permitir la entrada del aire, y se cierran cuando se inyecta el combustible y se produce el encendido. Un motor de este tipo se muestra en la figura:
Estatorreactor: En este motor es la presión de los gases admitidos la que asegura el correcto flujo dentro del mismo, lo cual se logra a altas velocidad del aire admitido. En la figura se muestra un estatorreactor.
Turborreactor: En este motor es un compresor accionado por una turbina de gas, el que impide la salida de los gases de la combustión por el conducto de admisión. En la figura se muestra un turborreactor.
En el Motor-Cohete no se tiene una admisión de aire, lo que implica que la máquina que es movilizada por este motor, deba llevar tanto al combustible como al comburente. Lo anterior hace que este motor conste simplemente de una cámara de combustión y de una salida de gases (tobera). En la figura se muestra un Motor-Cohete.
78. Diferencias de la construcción y del principio de funcionamiento de los motores de cuatro tiempos y de dos tiempos. Los motores de combustión interna se amoldan a ciclos termodinámicos. Cada ciclo de un motor se compone de los siguientes procesos: Proceso de admisión: entrada de la mezcla combustible al cilindro. Proceso de compresión: se reduce el volumen de la cámara de combustión comprimiendo la mezcla hasta las condiciones de presión y temperatura propicias para inflamación Proceso de combustión: se inflama la mezcla combustible generando productos con altas presiones y temperaturas. Proceso de expansión: se expanden los gases moviendo al émbolo del PMS al PMI. Proceso de escape: los gases de desecho salen de la cámara de combustión. En el tiempo y la manera de realizar estos procesos es que radica la mayor diferencia de funcionamiento entre los motores de dos y cuatro tiempos.
En los motores de cuatro tiempos, realiza la transformación de energía calorífica en mecánica fácilmente utilizable en cuatro fases, durante las cuales un pistón que se desplaza en el interior de un cilindro efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas y, gracias a un sistema bielamanivela, transforma el movimiento lineal del pistón en movimiento de rotación del árbol cigüeñal, realizando este dos vueltas completas en cada ciclo de funcionamiento, mientras que en los motores de dos tiempos funciona con un ciclo durante el cual el pistón efectúa dos carreras y el cigüeñal da sólo una vuelta o giro de360º. En la práctica el trabajo producido por los motores de dos tiempos, resulta inferior al previsto, debido a la forma de llenado y barrido de los gases en el cilindro, ya que si en los motores de cuatro tiempos, la admisión y el escape se realizan durante dos carreras completas del pistón y el trabajo durante toda la carrera útil del mismo, en los de dos tiempos, la admisión y el escape de gases se realizan durante un corto recorrido del pistón que depende de la posición de las lumbreras. De tal forma que su posición es fundamental en el funcionamiento de estos motores, ya que cuanto más próximas estén del PMI, el trabajo teórico desarrollado será mayor, si bien el llenado y vaciado e gases es insuficiente, obteniéndose una menor potencia real del motor. Por el contrario, si las lumbreras se sitúan muy alejadas del PMI, aunque el llenado y evacuado de gases se efectúa en mejores condiciones, se acorta la carrera de trabajo y se obtiene un trabajo desarrollado inferior dando lugar, además, a una mayor pérdida de gases frescos que aumenta el consumo del motor. El motor de cuatro tiempos es el más empleado en la actualidad, y la entrada y salida de gases en el cilindro es controlada por dos válvulas situadas 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. Una diferencia que se puede mencionar es el gasto de combustible, en el motor de dos tiempos es mayor que en el de cuatro ya que parte de la mezcla de combustible se desaprovechada, porque es utilizada en el barrido de la cámara y una parte considerable de mezcla combustible es arrojada a la atmósfera sin combustionar. Una diferencia constructiva entre el motor de cuatro tiempos y el motor de dos tiempos es el número de partes que lo conforman, ya que en el diseño el motor de dos tiempos posee menos partes móviles, por lo tanto es un diseño más sencillo que el motor de cuatro tiempos y además la forma de la superficie de fondo del émbolo en los motores de cuatro tiempos generalmente es plana, mientras que en los motores de dos tiempos, esta superficie tiene formas diversas que dependen de las condiciones de admisión y escape, es decir, el fondo debe direccionar la admisión y el escape. 81. ¿Qué caracteriza el índice de octano del combustible? El octanaje o índice de octano es una escala que mide la resistencia que presenta un combustible (como la gasolina) a detonar prematuramente cuando es comprimido dentro del cilindro de un motor. También se denomina RON (Research Octane Number). Algunos combustibles, como el GLP, GNL, etanol y metanol, dan un índice de octano mayor de 100. Utilizar un combustible con un octanaje superior al que necesita un motor, no lo perjudica ni lo beneficia. Si se tiene previsto que un motor vaya a usar combustible de octanaje alto puede diseñarse con una relación de compresión más alta y mejorar el rendimiento del motor. El octanaje indica la presión y temperatura a que puede ser sometido un combustible carburado (mezclado con aire) antes de auto-detonarse al alcanzar su temperatura de auto ignición debido a la Ley de los gases ideales. Si el combustible no tiene el índice de octano suficiente en motores con elevadas relaciones de compresión (oscilan entre 8,5 y 10,5:1), se producirá el "autoencendido" de la mezcla, es decir la combustión es demasiado rápida y dará lugar a una detonación prematura en
la fase de compresión que hará que el pistón sufra un golpe brusco y se reduzca drásticamente el rendimiento del motor, llegando incluso a provocar graves averías. Este fenómeno también se conoce entre los mecánicos como "Picado de bielas". Dicho índice de octano se obtiene por comparación del poder detonante de la gasolina con el de una mezcla de heptano e isooctano. Al isooctano se le asigna un poder antidetonante de 100 y al heptano de 0, de esta manera una gasolina de 95 octanos correspondería en su capacidad antidetonante a una mezcla con el 95% de isooctano y el 5% de heptano. Hay tres clases de octanajes: 1. Research Octane Number (RON) - Octanaje medido en el laboratorio, 2. Motor Octane Number (MON) - Octanaje probado en un motor estático y 3. Road ON - Octanaje probado en la carretera. RON. El valor del RON se determina comparando el golpeteo que produce la gasolina con respecto al golpeteo que produce una sustancia patrón. Como patrón se utiliza una mezcla de isooctano (2, 2,4-Trimetilpentano) y n-heptano. De esta forma se determina el número de octanos del combustible, con respecto al porcentaje de isooctano en la mezcla estándar. De esta forma, una gasolina que produce el mismo ruido que la mezcla de 87, 87% isooctano (y 13% n-heptano), se dice que tiene un octanaje de 87 octanos. Para comparar; gas licuado del petróleo (GLP) tiene un RON de +/- 110. En los motores a gasolina de baja eficiencia, se recomienda usar gasolinas con bajo nivel de octanaje, ya que tienen poca compresión. Donde se nota mucho esta relación, es en caso de un coche nuevo al que, si se le suministra gasolina con bajo octanaje, se nota un cascabeleo, generado por explosión prematura del combustible en la cámara de combustión. A mayor compresión se requiere mayor octanaje, para que sea eficiente el uso del combustible. MON. Existe otro tipo de octanaje llamado MON que indica de manera más exacta cómo se comporta el combustible cuando se carga. Esta definición también se basa en la mezcla de isooctano y n-heptano. La diferencia con el RON es que se sobrecarga más el motor en el ensayo: se utiliza una mezcla precalentada, el motor más revolucionado y tiempos de ignición variables. Dependiendo de la composición del combustible, el MON de una gasolina moderna estará 10 puntos por debajo del RON. Normalmente las especificaciones de combustible requieren de un RON y MON. 83. Detonación. Su influencia en el funcionamiento del motor. Es sumamente conveniente y deseable aumentar la relación de compresión del motor hasta determinado límite, definido por la clase de gasolina empleada. Sin embargo, al superarse la relación de compresión admisible para una clase dada de gasolina, varía el desarrollo del proceso de combustión, adquiriendo un carácter más o menos explosivo. En estos casos después de que aparece la chispa comienza el proceso de combustión, que se difunde con velocidades corrientes para la combustión normal, determinadas por el traslado y la difusión del calor. La elevación de las temperaturas de la mezcla combustionada provoca el crecimiento de su presión y el aumento del volumen. En una parte de la mezcla carburante, que suele ser la más alejada de la fuente de inflamación, a consecuencia de la termo transferencia y de la compresión de esa parte de la mezcla por la mezcla que ha ardido, la presión y la temperatura crecen, y la preparación química de esta parte de la mezcla para la combustión termina antes de que a ella alcance a llegar el frente de flama. Esta parte de la mezcla se autoinflama y prácticamente arde instantáneamente, sus temperaturas y presiones
crecen muy bruscamente, superando las temperaturas y presiones medias de toda la masa de gases que se hallan en la cámara de combustión. La presión instantáneamente creciente de una pequeña parte dela mezcla no alcanza a igualarse, a nivelarse, y en la cámara de combustión se forman ondas de choque, que se mueven con velocidades supersónicas y que provocan el movimiento oscilatorio de toda la masa de productos de la combustión recluidos en la cámara. Tal proceso de combustión con autoinflamación instantánea incontrolable, que lleva aparejados un crecimiento local brusco de las temperaturas y presiones y formación de ondas de choque, se llama combustión detonante o detonación. La detonación trae consigo algunos síntomas que se manifiestan externamente tales como: Humosidad de los gases de escape; como consecuencia de la acentuada disociación de la combustión y el aflujo de calor en el proceso de expansión provocados por la elevación local instantánea de la temperatura. Chamuscamiento de los fondos y bordes de los cilindros y destrucción de los cojinetes; producto de la detonación fuerte y prolongada. Disminución de los indicadores de economía (eficiencia) y de potencia del motor por la elevación de las temperaturas de las paredes de la culata de cilindro, del émbolo y del plato de la válvula de escape, lo que produce la disminución del llenado de los cilindros. La aparición de la combustión detonante principalmente es resultado de la clase de gasolina incorrectamente seleccionada para el motor de carburador con determinada relación de compresión. Sin embargo además de esto, en la aparición y la intensidad de combustión detonante ejerce también influencia una serie de otros factores tales como:
Clase de gasolina (valor octánico) Construcción de la cámara de combustión Diámetro del cilindro del motor Composición de la mezcla carburante Número de revoluciones del árbol cigüeñal y carga del motor Formación de carbonilla en la culata del bloque y en el émbolo Adelanto del encendido Temperatura del agua de enfriamiento y de la mezcla carburante
Algunos factores acentúan la capacidad antidetonante del combustible; como es el adicionar antidetonantes para elevar el índice de octano de la gasolina. Antidetonante se llama a las sustancias que no son combustibles y se añaden a las gasolinas en muy pequeñas cantidades (fracciones porcentuales) para elevar sus cualidades antidetonantes. Algunos de estos antidetonantes son el tetraetilo de plomo (TEP) Pb (C2H5)4 y el ciclopentadieniltracarbonilo de manganeso (CTM) MnC5H5 (CO)3. 84. ¿Qué procesos ocurren con el fluido motor durante el funcionamiento del motor? El conjunto de procesos que se realizan en los cilindros en determinadas secuencias se conocen como ciclo de trabajo, el cual lleva el siguiente orden: El combustible y el aire en determinadas proporciones se mezclan bien fuera del cilindro formando la mezcla carburante, la cual entra al cilindro (admisión), después de lo cual se somete a compresión.
La compresión de la mezcla es necesaria para aumentar el trabajo durante el ciclo, ya que, durante ella se amplían los límites de temperatura y presión en los cuales transcurre el ciclo. La compresión previa crea también mejores condiciones para la combustión. Durante la admisión- compresión en el cilindro se realiza un mezclado complementario. La mezcla carburante se inflama por la acción de una chispa eléctrica de alta tensión debido a lo esto se da una rápida combustión de la mezcla, se eleva bruscamente la temperatura y la presión en el cilindro, produciéndose el desplazamiento del pistón en el cilindro. Luego, durante el proceso de expansión, los gases a alta temperatura producen trabajo útil. La presión y la temperatura de los gases durante este proceso descienden. Después de esto sigue el proceso de limpieza del cilindro de los productos de la combustión (escape), y se repite el ciclo de trabajo. Este tipo de formación de mezcla es característico de los motores de carburador. En el caso de los motores Diesel, el cilindro se llena inicialmente sólo de aire, el cual se comprime durante lo cual, al cilindro a través de un inyector bajo elevada presión se inyecta combustible. Así, se atomiza el combustible finamente y se mezcla con el aire comprimido; las partículas de combustible contactando con el aire caliente se vaporizan formando una mezcla con el aire. La autoinflamación de la mezcla se realiza a resultas de la elevada compresión del aire. Los procedimientos posteriores se realizan de la misa manera que en los motores de carburador. 87. ¿Qué se denomina potencia indicada y potencia efectiva del motor y como se determinan? La potencia indicada es la potencia desarrollada por los gases en el cilindro del motor. Se suele determinar mediante procesamiento de los diagramas de indicador obtenidos durante las pruebas del motor. La potencia indicada del motor puede ser también determinada por medio de la presión indicada, el volumen de trabajo del motor (pues el producto de estas dos magnitudes es igual al trabajo indicado del ciclo) y el número de revoluciones del árbol. De acuerdo con estas dependencias, la potencia indicada es directamente proporcional a la presión indicada, al volumen de trabajo y al número de revoluciones del árbol cigüeñal. La potencia efectiva es la potencia que llega a la transmisión del automóvil o del tractor y se determina mediante la diferencia de la potencia indicada y potencia de las perdidas mecánicas del motor. 88. ¿Con qué rendimiento se evalúa la eficiencia del funcionamiento del motor y como se determina? El rendimiento térmico es el que determina la eficiencia (economía). Al aumentar la relación de compresión simultáneamente aumenta el rendimiento térmico. Se puede determinar de la siguiente manera: 𝜂𝑡 = 𝐴𝐿𝑡/𝑄1 89. ¿De qué componente se forma el balance térmico de un motor de combustión interna? El calor que se desprende durante la combustión del combustible no puede ser completamente transformado en trabajo útil, pues incluso en el motor teórico parte del calor introducido inevitablemente debe ser cedida a la fuente fría. En el motor real la pérdida es mayor en comparación con el motor teórico. Por eso el aumento de la economía (eficiencia) del motor real es posible solo a costa de la Reducción de las pérdidas, y para ello es necesario establecer en que se gasta el calor que no se ha convertido en trabajo útil, es decir determinar el balance térmico del motor.
El análisis de los distintos procesos que tienen lugar en los motores y su cálculo permiten establecer los índices previsibles del ciclo, así como la potencia y el rendimiento económico del motor y la presión de los gases en función del ángulo de giro del cigüeñal. Por los datos que proporcionan los cálculos se pueden determinar las dimensiones fundamentales del motor (diámetro del cilindro y carrera del émbolo) y comprobar la resistencia de sus piezas principales. El balance térmico del motor da la noción sobre la repartición del calor que se desprende durante la combustión del combustible. Puede ser compuesto, de un modo aproximado, a base de cálculos teóricos o determinado mediante un estudio de laboratorio. La ecuación del balance térmico del motor tiene la forma siguiente
Qe Qq Qr Qc.in Qres
𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ Donde Qc es el calor que es desprendido por el combustible en 1 h al quemarse en el motor, en kcal/h; Qe es el calor equivalente al trabajo efectivo del motor, en kcal/h; Qr es el calor que se evacúa por el líquido refrigerante, en kcal/h; Qg es el calor que se evacúa por los gases de desecho, en kcal/h; Qc.in son las pérdidas de calor originadas por una combustión incompleta o imperfecta del combustible en el cilindro del motor, en kcal/h; Qres es el así llamado término residual del balance que toma en consideración todas las demás pérdidas de calor no entradas en las magnitudes de Qr, Qg y Qc.in, en Kcal./h; Calor de combustible .El calor Qc que puede desprenderse durante la combustión completa del combustible. Gch = gasto de mayor, ha = poder calorífico 𝑄𝑐 = 𝐺𝑐ℎ. ℎ𝑎 Calor convertido en trabajo útil Qe. El calor transformado en trabajo puede ser determinado por medio del equivalente térmico de 1CV.h, equivalente a 632 Kcal. por medio de la potencia del motor Qe. 𝑄𝑒 = 632. 𝑁𝑒𝐾𝑐𝑎𝑙./ℎ 93. ¿En qué se diferencia un inyector cerrado de un inyector abierto? El inyector abierto, tiene varios orificios de salida. Las válvulas cierran las salidas sin introducirse en dichos orificios estando más expuestos a taponarse por la carbonilla. Sin embargo tienen la ventaja de que permiten la orientación y reparto del gasoil, asegurando una completa combustión aunque no haya gran turbulencia de aire, de ahí que sean muy utilizados en la inyección directa. Abiertos ellos representan en si una boquilla en el extremo de una tubería de alta presión con sección de salida estranguladora en forma de pulverizador con uno o varios orificios de tobera. El número, el diámetro, la disposición y la dirección de los orificios de la tobera permiten crear la distribución deseada de combustible en la cámara de combustión.
La presión de inyección es superior a los de espiga, alcanzando valores entre 150 y 300 kg/cm2.
El inyector cerrado, tiene la válvula terminando en forma de espiga que sale y entra en el orificio de paso del combustible al cilindro, siendo difícil que se tapone. El cierre se efectúa por la parte cónica que lleva por encima de la espiga o tetón. Es empleado particularmente en motores de combustión separada o cámara auxiliar y en general en todos los que el aire comprimido tiene una gran turbulencia. La presión de inyección oscila entre 60 y 150 atmósfera. 94. ¿Cómo se realiza la formación de la mezcla en los diesel? La formación de la mezcla carburante en el motor Diesel ocurre dentro de su cilindro del modo siguiente: En el cilindro el combustible se inyecta a través del inyector bajo una presión que varias veces supera la del aire en el final del tiempo de compresión. Con ello la velocidad de movimiento del combustible alcanza 150 – 400 m/s. Debido al frotamiento contra el aire, el chorro de combustible se fracciona formando pequeñas gotitas de 0,002 a 0,003 mm las cuales constituyen una llama de combustible que tiene el aspecto de un cono. El ángulo del cono de pulverización depende, en lo fundamental, de la forma y tamaño de la tobera, de la presión de la inyección, de la viscosidad del combustible y la presión del aire en el cilindro. La formación de la mezcla en los motores Diesel transcurre en un lapso de tiempo muy breve. Esta circunstancia, así como una mala evaporabilidad de los combustibles de motor Diesel dificultan el proceso de formación de la mezcla. Para obtener la mezcla carburante capaz de quemarse rápida y completamente, es preciso que el combustible sea pulverizado lo más finamente posible, o sea, formando partículas más pequeñas posibles y cada partícula disponga en torno a sí misma de una cantidad de oxígeno necesaria para la combustión completa. Una distribución tan uniforme del combustible pulverizado en el aire que se halla en la cámara de combustión es difícil alcanzarla. Por eso en el cilindro del motor Diesel el aire se introduce en cantidades mayores que es necesario teóricamente, ( = 1,20 – 1,65). 95. Describa el sistema de alimentación de los motores de carburador. El sistema de alimentación de los motores de carburador comienza en la parte superior del bloque del motor donde se encuentra un mecanismo encargado de suministrar o permitir el acceso del aire para formar la mezcla aire-combustible (el carburador), este mecanismo es regulado de forma mecánica. La regulación del aire se realiza mediante una compuerta o válvula de forma especial ( mariposa de estrangulación) encargada de controlar la cantidad de aire que ingresa o pasa por dicho conducto según su ángulo de apertura, conducto que además posee una estrangulación (vénturi) en la que desemboca la tubería que viene del depósito de combustible, en dicha estrangulación se crea una depresión que causa un efecto de eyección que succiona el combustible que va mezclándose con el aire a medida que este va pasando y circula por la tubería de admisión antes de entrar al cilindro para iniciar el proceso de combustión.
96. Describa el sistema de encendido de los motores de carburador y de gas. En la figura se muestra un diagrama de bloques de los componentes del sistema de encendido. Resulta imprescindible una fuente de suministro de energía eléctrica para abastecer al sistema, este puede ser una batería de acumuladores o un generador. Luego será necesario un elemento que sea capaz de subir el bajo voltaje de la batería, a un valor elevado para el salto de la chispa (varios miles de voltios). Este generador de alto voltaje tendrá en cuenta las señales recibidas de los sensores de llenado del cilindro y de la velocidad de rotación del motor para determinar el momento exacto de la elevación de voltaje. Para la elevación del voltaje se usa un transformador elevador de altísima relación de elevación que se le llama bobina de encendido en trabajo conjunto con un generador de pulsos que lo alimenta. Será necesario también un dispositivo que distribuya el alto voltaje a los diferentes cables de cada uno de los productores de la chispa dentro de los cilindros (bujías) en concordancia con las posiciones respectivas de sus pistones para el caso del motor policilíndrico. 101. ¿Cómo están constituidos los motores turbo-pistón? Los motores de combustión interna al terminar cada ciclo, desechan una buena cantidad de gases de la combustión, los cuales aún poseen una buena cantidad de energía térmica; este calor es aprovechado para aumentar la potencia del motor; este procedimiento se denomina sobrealimentación y es el fundamento de los motores de turbo pistón. La sobrealimentación se aplica de dos formas: la sobrealimentación gaseosa en la cual se acoplan un compresor y una turbina la cual aprovecha la energía térmica de los gases de desecho para producir trabajo, y la sobrealimentación mecánica en la cual se acopla el compresor directamente al árbol cigüeñal. Sobrealimentación de gas o turboalimentación: Se lleva a cabo por medio de un turbocompresor es básicamente un compresor accionado por los gases de escape. La misión fundamental de la turboalimentación es presionar el aire de admisión para, de este modo incrementar la cantidad que entra en los cilindros del motor, en la carrera de admisión, permitiendo que se queme eficazmente más cantidad de combustible. Sobrealimentación mecánica: Esta se lleva a cabo por medio de un turbocompresor, que utiliza energía mecánica del motor para su funcionamiento y tiene la misma misión que el turbocompresor.
Según estos conceptos se puede deducir que aunque el compresor y el turbocompresor tienen la misma función, el primero utiliza energía del motor para su accionamiento, y el segundo utiliza la energía de los gases de escape para este mismo fin. 102. Describa las características de los motores de combustión interna ¿ellas que revelan? Las características esenciales que definen a los motores de explosión de combustión interna son: a. Forma de realizar la carburación: El llenado de los cilindros se realiza con la mezcla airecombustible, la cual se prepara en el exterior de los cilindros por medio del carburador, o los sistemas de inyección, para después ser comprimida en el interior de los mismos. Debido a esta forma de carburación los motores necesitan consumir combustibles ligeros y fácilmente vaporizables, para que la mezcla se realice en perfectas condiciones de carburación y para obtener así una rápida combustión. b. Relación de compresión y potencia: Debido a los combustibles utilizados, la relación de compresión en estos motores no puede ser elevada, ya que está limitada por la temperatura alcanzada por la mezcla durante la compresión en el interior del cilindro, la cual no puede ser superior a la temperatura de inflamación de la mezcla. Estas relaciones de compresión limitan la potencia de estos motores. Sin embargo, la preparación de la mezcla fuera del cilindro, con tiempo suficiente durante la aspiración y compresión para obtener una buena carburación de la misma, permite una rápida combustión, con lo que se puede obtener un elevado número de revoluciones en el motor. c. Forma de realizar la combustión: Otra de las características esenciales de estos motores es la forma de realizar su combustión (volumen constante). Esta se produce cuando el embolo se encuentra en el punto de máxima compresión y se realiza de una forma rápida, por capas como si fuera una explosión, pero sin que los gases puedan expansionarse o sea, aumentar su volumen. Esto hace que la presión y la temperatura interna se eleven extraordinariamente al final de la combustión y se alcancen presiones considerables (40 a 70 kgf/cm2) que ejerce un empuje notable sobre el pistón, desplazándolo para realizar el trabajo motriz. d. Forma de encendido: Estos motores se caracterizan por la forma de encendido, el cual se produce por ignición de la mezcla a través de una chispa eléctrica, que hace expansionar los gases una vez iniciada la combustión. 103. Característica de velocidad del motor durante el funcionamiento con regulador limite. El regulador del límite de velocidades máxima del cigüeñal del motor se instala en los motores de automóvil y tractor especiales, sirve para evitar el desgaste acelerado de las piezas del motor y el consumo excesivo del combustible que tiene lugar al desarrollar el cigüeñal revoluciones extremadamente altas. El limitador de revoluciones máximas de cigüeñal de los motores ZIL130GA253 es neumático y centrífugo. Si la frecuencia de rotación no supera al límite admisible (3200rpm) el rotor del limitador no desarrolla fuerza centrífuga suficiente, en este caso el servomecanismo se actúa de ningún modo sobre el eje y las mariposas del gas y el mecanismo funciona cuando se llegan a las 3200 rpm, la rotación del rotor cerrará el orificio del suministro del aire, luego las mariposas del gas se cerraran un poco evitando la posibilidad de que la velocidad del cigüeñal aumente. Este número de revoluciones en el cual el limitador comienza a funcionar se puede variar, aunque éste ya viene regulado de la fábrica con ayuda de aparatos especiales. 109. ¿En qué se diferencian los motores de embolo de combustión interna de las instalaciones de turbina de gas? Motores de Émbolo. La idea básica de los motores de explosión es: aprovechar la energía generada por el combustible, al quemarse dentro de un cilindro. La energía que se libera de esta forma se
transmite a un pistón móvil: así se produce trabajo mecánico que, por ejemplo, puede usarse para mover un vehículo. En los motores de ciclo Otto, la combustión se inicia mediante el salto de una chispa eléctrica proveniente de una bujía. Los combustibles de estos motores deben tener capacidad antidetonante, o sea, que no se enciendan antes de recibir la chispa -fenómeno conocido como autoencendido. Los combustibles más usados son las naftas y gases (GNC). A diferencia de los motores de ciclo Otto, en los motores Diésel el cilindro no aspira una mezcla de aire y combustible, sino sólo aire. El pistón comprime este aire a una presión alta, elevando mucho su temperatura. En ese instante se inyecta el combustible, que, al encontrarse con el aire caliente, se enciende y va quemándose a medida que entra en el cilindro. Los combustibles que se utilizan deben tener una velocidad de auto ignición adecuada al régimen de operación de cada motor. De acuerdo a su tipo, se los clasifica en veloces, medios y lentos, que corresponden al gasoil, Diésel oil, bunker y fuel oil, en ese orden Turbina de Gas. En ella, a diferencia de los casos anteriores, no hay pistones ni bielas que conviertan el movimiento longitudinal en circular. Por el contrario, constan de un rotor, provisto de pequeñas paletas (álabes), que es movido por los gases de combustión. El combustible líquido se inyecta continuamente a una cámara de combustión, donde se produce una corriente constante de gases a elevada presión y temperatura. Este chorro es el que genera la potencia que, por reacción, impulsa los aviones. Otro tipo de motor ampliamente utilizado, sobre todo en aeronaves, es la turbina. 110. Describa las turbinas de reacción, particularidades de su diseño (construcción) y el proceso térmico en sus escalones. La turbina de vapor mostrada en la Fig. 4. El vapor fresco hacía los álabes de la turbina ingresa de la cámara anular para vapor fresco 10. En la parte inmóvil (fija) del cuerpo 4 y en la parte móvil del tambor 7 (del rotor) están sujetos los álabes guías (directrices) y los álabes motrices (de trabajo), que forman los canales para el paso del vapor. De la cámara 10 el vapor, fluyendo a través de los canales interálabes, ingresa al tubo 1 y luego al condensador. A medida que se mueve desde la cámara 10 hacia el tubo 1 el vapor se expande. Paulatinamente desde la presión P0 hasta la presión P2. La expansión del vapor y la disminución de su contenido calórico entalpía ocurren en todos los canales interálabes, tanto de los alabes móviles como de los inmóviles. Inicialmente el vapor fresco de la cámara 10 ingresa a los canales de la primera fila de álabes guías 5, sujetos en el cuerpo 4. De los canales de 1os álabes inmóviles (guías) de la primera fila el vapor ingresa a los canales de la primera fila de álabes giratorios (motrices) 6, sujetos en el tambor giratorio 7. De los canales de los álabes motrices de la primera fila el vapor ingresa a los canales de los alabes inmóviles de la segunda fila 2, pasando consecutivamente a través de los canales de todas las filas de alabés guías y de álabes motrices 3. El vapor que abandona la última fila de álabes móviles de la turbina se llama vapor de desecho (agotados, trabajado). El tubo de vapor 8 une la cámara detrás del émbolo de descarga 9 con la parte de escape 1; por dicho tubo se extrae el vapor de la parte anterior de la turbina. Dos hileras contiguas de álabes, sujetos respectivamente en el cuerpo y en el rotor, forman la así denominada etapa (escalón). La turbina que tiene varias hileras dispuestas consecutivamente de álabes guías y correspondientemente la misma cantidad de hileras de álabes motrices, se llama multietápica (multiescalonada). Todas las etapas de la turbina conforman su parte corriente (de flujo). En la turbina considerada, a diferencia de la anterior, la expansión del vapor ocurre tanto en los canales entre los álabes guías, como en los canales entre los álabes motrices. Tales turbinas se llaman turbinas reactivas La curva P0 – P2 muestra la variación de la presión del vapor; la línea a trazos quebrada caracteriza la variación de la velocidad absoluta en las etapas (escalones) de la turbina. La velocidad c 1 crece a costa del descenso de la entalpía i en los álabes guías. El trabajo en el árbol de la turbina se crea a
costa de la variación de la entalpía en los canales de los álabes guías y motrices. La curva superior representa la variación de la entalpía en las etapas de la turbina, la entalpía baja continuamente tanto en los canales de los álabes guías, como en los canales de los álabes motrices. La construcción industrial de la turbina que funciona de acuerdo con el principio analizado, fue propuesta por primera vez en 1884 por el ingeniero. Inglés Parsons.
Fig. 4 Esquema de una turbina reactiva de pequeña potencia. En la Fig. 5 , a, b se muestran respectivamente los procesos térmicos de la turbina de vapor y de la etapa en el diagrama i-s. El estado del vapor para las turbinas en el diagrama i-s a los parámetros po y To se determina por medio del punto Ao.
El salto de calor disponible (adiabático) para la turbina a una presión final después del tubo de escape p2k correspondientemente es igual a Ho. E1 salto de calor disponible para la parte corriente de la turbina desde el punto Ao’ hasta el punto A1t’ constituye Ho’:
Ho' Ho ( Hv Ht .e)
1.
Donde: ΔHv = son las pérdidas térmicas en las válvulas de distribución (las válvulas de cierre automática y reguladoras), kJ/kg; ΔHt.e = son las pérdidas térmicas en el tubo de escape, en kJ/kg. Los estoados del vapor antes de las toberas de la primera y de la segunda etapas se determinan por medio de los puntos Ao’ y a1, y de la tercera y siguientes etapas (tomándose en cuenta los parámetros de frenado ) se determinan por medio de los puntos a2, a3, etc. Los saltos térmicos disponibles en las etapas de turbina son: ho’, ho’’, ho’’’, etc. Los saltos térmicos empleados útilmente en las etapas de la turbina son : Hi io i 2 hi hi ' hi ' '... h z i 2. El estado del fluido motor después de los álabes motrices de la última etapa se determina por medio del punto A1, y después del tubo de escape de la turbina por medio del punto A2. Las pérdidas térmicas sumarias (la suma de las pérdidas térmicas) para cualquiera etapa intermedia de la turbina son: hp htob hál hv hf hhum hs 3.
Donde hhum son las pérdidas térmicas por humedad del vapor; para las etapas que funcionan en la región de vapor sobrecalentado hhum = 0. El rendimiento relativo interno de la turbina es
oi
Hi 4. Ho
Fig. 5 Proceso térmico a) de la turbina de vapor, b) de la etapa o escalón en el diagrama i-s. 115. ¿Cómo varia la presión del vapor en los escalones de una turbina al disminuir el gasto de vapor a través de ella? La variación del gasto de vapor a través de la turbina provoca redistribución de las presiones y de los saltos térmicos en sus etapas. Flugel estableció la dependencia analítica entre el gasto y las presiones en las etapas de la turbina. En forma general esta dependencia para las velocidades del vapor en las toberas menores que las críticas se expresa por medio de la ecuación:
G Go
T 10 ( p12 p 2 2 ) 1. T 1 ( p102 p 202 )
Aplicable sólo para el grupo de etapas. Aquí G0 y G son los gastos de vapor a través de la turbina correspondientemente en el régimen de cálculo y en el régimen considerado; T10, T1 son las temperaturas absolutas correspondientemente en el régimen considerado; p10, p1 son las presiones delante de las toberas de la primera etapa o de cualquier etapa correspondiente en el régimen de
cálculo y en el régimen considerado; p20, p2 son las presiones después de los álabes motrices de la última etapa o de cualquier etapa correspondientemente en el régimen considerado. Para la turbina de vapor la relación T 10 T 1 comúnmente es cercana a la unidad. Por eso se suele emplear la ecuación 1 en la siguiente forma:
G G0
( p12 p 2 2 ) 2. ( p102 p 202 )
Para turbinas que funcionan con vacío profundo, se puede despreciar los miembros p20 y p2 en vista de su pequeñez. Entonces para la turbina de condensación se puede escribir:
G p1 G ó p1 p10 3. G0 G0 p10 De la ecuación 3 se analiza que para la turbina de condensación la presión del vapor antes de las toberas de cualquier etapa varía directamente proporcional a la variación del gasto de vapor. Al determinarse las presiones en las etapas la ecuación 3 a diferencia de las ecuaciones 1, 2 y 3 con suficiente precisión pueden emplearse en los cálculos de la turbina o de un grupo de etapas (no menos de tres). Ha de tomarse también en consideración que estas ecuaciones son aplicables para aquellos casos en que las áreas de todas las secciones de paso de la turbina considerando o de un grupo de sus etapas se conservan invariables. La ecuación 3 indica que la presión en la etapa varía directamente proporcional al gasto de vapor. De tal manera, la variación de las presiones en las etapas de la turbina de condensación con vacío profundo en dependencia del gasto se representa por medio de un haz de rayos que parten del origen de coordenadas. En la figura 14, a se muestran las líneas de variación de las presiones para cuatro etapas intermedias de una turbina de condensación. En los puntos a1, a2, a3 y a4 están señaladas las presiones del vapor para el régimen de cálculo (económico) de la turbina, y en los puntos a1’, a2’, a3’, y a4’ para el régimen máximo. La variación de la presión en la etapa de La turbina con contrapresión o con vacío desmejorado en dependencia del gasto de vapor se determina por medio de la ecuación 1 o aproximadamente por la ecuación 2. Si estas ecuaciones para diferentes G (gasto) a p2 = p20 const se resuelven respecto de p1 se obtiene
T 1 G p10 2 p 20 2 p 2 2 T 10 G 0 2
p1 ó
G ( p10 2 p 20 2 ) p 2 2 G0 2
p1
4.
Si para diferentes valores de G se calcula las presiones en las etapas de la turbina por medio de una de las ecuaciones indicadas y se construye las gráficas de la dependencia de p1 respecto de G, se obtiene una familia de líneas curvas con origen en el punto b (Fig. b). En esta gráfica están trazadas las curvas de variación de las presiones sólo para cuatro etapas de la turbina. En los puntos b1, b2, b3 y b4 están dadas las presiones de cálculo, y en los puntos b1’, b2’, b3’, y b4’ las presiones a Gmáx.
Frecuentemente en los cálculos hay que determinar el gasto de vapor a través de la turbina o de un grupo de etapas a presión inicial invariable para contrapresiones variables. Entonces, resolviendo la ecuación 1 o la ecuación 2 respecto de G, se obtiene:
T 10 ( p12 p 2 2 ) G G0 T 1 ( p102 p 202 ) ó
G G0
( p12 p 2 2 ) ( p102 p 202 ) 5.
Si se supone, acorde con la condición adoptada, que p1 = p10 = const., entonces para diferentes presiones p2 por medio de una de las ecuaciones señaladas se puede calcular G. La dependencia de G respecto de p2 para la turbina de condensación está representada por la curva a0c0, para la turbina con contrapresión por la curva a0c0c (véase Fig. a y b). La recta c0c en la figura b indica el gasto logrado límite de vapor Glim a través de la turbina al disminuirse la contrapresión. En este gasto de vapor a través de la turbina en la sección de salida de las toberas o de los alabes motrices de la última etapa de la turbina se establece la presión crítica pcr. Por eso a todas las contrapresiones menores que la presión crítica pcr, el gasto de vapor a través de la turbina permanece constante. Por medio de la ecuación 1 o la ecuación 2 se puede determinar cualquier magnitud, por ejemplo, la presión en la etapa o el gasto de vapor a través de la turbina o de un grupo de etapas al recalcular la turbina para diferentes regímenes. En la figura c la línea curva ac0 muestra la variación de la presión del vapor en la cámara de sobrecarga para gastos de vapor a través de la turbina que varían de cero a G0. la variación del gasto de vapor de G0 a Gmáx ocurre al elevarse la presión en la cámara de sobrecarga por la línea c0c. La presión del vapor en la cámara de sobrecarga al aumentar el gasto de vapor de cero a G 0 se eleva de p2 a ps0, mientras que al aumentar el gasto de G0 a Gmáx la presión del vapor en la cámara de sobrecarga crece de pso a ps máx. El máximo gasto de vapor a través de la turbina constituye Gmáx, al cual se logra la máxima potencia de la turbina. El gasto de vapor a través de la válvula de derivación constituye Gder. A través de las etapas de la turbina hasta la cámara de sobrecarga a potencia máxima el gasto de vapor es igual a Gmin.
Fig. Gráficas de la variación de la presión del vapor en las etapas de la turbina en dependencia del gasto G. 116. ¿Qué esquema de regulación se emplea en las turbinas? ¿Cuál es su objeto? El objeto o la tarea principal de la regulación de la turbina es la conservación de la frecuencia de rotación del rotor del turbogenerador y, por consiguiente, de la turbina, constante y próxima a la
nominal, a pesar de los cambios de carga. La frecuencia de la corriente alterna f se determina por la frecuencia de rotación n del alternador sincrónico accionado por la turbina y está vinculada con ésta por la relación: f = pn Donde p es el número de pares de polos del generador. La regulación de la frecuencia y de la potencia activa tiene por base la regulación separada de los cambios, planificados y no previstos por el plan, de la potencia activa. La distribución de los cambios planificados de la potencia activa se realiza sobre la base de los cálculos de optimización, tomándose en consideración las limitaciones según los recursos energéticos y las limitaciones de explotación según el régimen de la red y de los bloques energéticos mediante el planeamiento de los diagramas de carga para cada central eléctrica. A la variación de la carga en los bornes del generador debe corresponder determinada variación del trabajo mecánico en el árbol de la turbina. La turbina debe funcionar establemente en toda la gama de variación de las cargas desde marchas en vacío hasta máxima potencia. Entre cualquier potencia en el árbol de la turbina y el gasto de vapor se establece una correlación plenamente determinada, por tanto, la variación de la carga en el árbol debe provocar la correspondiente variación del gasto de vapor conservándose los parámetros calculados. Al variar la carga de la turbina se presenta la no-correspondencia entre el momento rotacional y el gasto de vapor, lo que lleva a la variación del número de revoluciones. El número de revoluciones variará hasta tanto no comiencen a actuar los órganos de regulación. Los esquemas de regulación más difundidos son: Esquema de regulación indirecta: En la figura se muestra el esquema básico de regulación con servomotor de émbolo. El desplazamiento del acople 5 del regulador centrífugo 6 provoca el desplazamiento de los discos 2 y 3. En dependencia del desplazamiento de estos discos el aceite bajo presión de la bomba de aceite 4 ingresa a la cavidad K o a la cavidad k1 del servomotor 7. Al ingresar el aceite a la cavidad K la válvula 9 se cierra, disminuyendo el gasto de vapor a través de la turbina y su potencia. Al mismo tiempo el aceite de la cavidad K1 fluye a través del distribuidor para vaciado. El ingreso del aceite a la cavidad K1 provoca la apertura de la válvula 9, el aumento del gasto de vapor y la elevación de la potencia de la turbina, y también el vaciado de la cavidad K. Esquema de regulación con servomotor giratorio:
Este esquema se muestra en la figura el aceite al salir de la bomba de piñones se ramifica en 2 flujos: bajo presión de 4,9 bares (ducto de aceite 1) él ingresa al sistema de regulación a través del distribuidor del regulador, y a través de la válvula reductora, que baja la presión hasta 1,36 bares, por el ducto de aceite 2 se dirige a los cojinetes. En el árbol del servomotor está sujetada una leva especialmente perfilada, cuyo giro asegura la apertura o la clausura de la válvula reguladora. La sujeción en el árbol del servomotor de varias levas con perfiles especiales de acorde con el número de válvulas reguladoras permite asegurar la secuencia necesaria de la apertura de ellas al aumentar la carga y de la clausura de ellas al disminuir la carga de la turbina. Esquema de regulación con transmisión hidráulica: Este esquema de observa en la figura con el acople del regulador centrífugo 5, accionado a través de la transmisión 4, está ligado rígidamente el distribuidor 8. Al variar el número de revoluciones de la turbina el distribuidor 8 se desplaza hacia abajo o hacia arriba, aumentando o disminuyendo la sección de la lumbrera en la caja de grasa 7 para el vaciado del aceite a través del tubo 6. Debido a ello la presión del aceite debajo del émbolo 10 del servomotor con distribuidor de corriente disminuye o aumenta, y la válvula reguladora 12 correspondientemente se cierra o se abre. El aceite de la bomba de piñones 3 ingresa del tanque 2 a través de la malla y del tubo de admisión 1. Al salir de la bomba 3 este ingresa al sistema de regulación a través de la válvula de ajuste 11 dicho aceite aquí se ramifica en 2: uno ingresa para el vaciado a través de la lumbrera en la caja de grasa 7, y el otro ingresa debajo del émbolo del servomotor, fluyendo a través de la segunda válvula de ajuste 11. Esquema de regulación hidrodinámica de turbinas de condensación:
El principio de funcionamiento de los reguladores hidrodinámicos se basa en la proporcionalidad de la presión del aceite, que se impele por medio de una bomba centrífuga instalada en el árbol, al cuadrado del número de revoluciones. En la figura podemos apreciar la bomba de aceite centrífuga 4 la cual es al mismo tiempo bomba y reguladora. La carga de la turbina varía al variar la presión en la línea de impulsión 8. Por ejemplo, l disminuir la carga eléctrica aumenta el número de revoluciones de la turbina y se eleva la presión del aceite en la línea de impulsión. Los distribuidores de cierre del transformador de presión y del servomotor principal suben. La lumbrera superior del servomotor principal 7 se comunica con la cámara inferior del distribuidor de cierre 6, y el aceite se dirige al sistema de ductos de aceite a la línea de succión de la bomba-reguladora 4. Las válvulas se cierran y nuevamente se restablece el número de revoluciones de la turbina.
117. ¿Cuál es el objeto de las protecciones empleadas en las turbinas de vapor? El objetivo que se persigue es el de proteger a la turbina de la elevación del número de revoluciones y proteger las turbinas del corrimiento axial de los rotores. Lo primero se logra utilizando interruptores de seguridad para desconexión de avería de las turbinas. Cuando no hay funcionamiento satisfactorio de la regulación del número de revoluciones, en caso de una caída de carga este número de revoluciones puede alcanzar un valor peligroso, determinado por las condiciones de resistencia de los rotores de la turbina y el regenerador. El número admisible de revoluciones se puede tomar como un 10-12% mayor que el número de revoluciones de trabajo. Por eso cada turbina se equipa con uno o dos interruptores de seguridad, que suspenden el acceso del vapor a la turbina al aumentar el número de revoluciones hasta un valor límite. Este regulador en sí es un regulador centrífugo inestable. La protección contra el corrimiento axial de los rotores consiste en el equipamiento de una turbina con instrumentos que indican la posición axial de los rotores, y con dispositivos que desconectan automáticamente en el caso de desplazamiento axial límite de los rotores. El instrumento indicador permite observar la posición axial del rotor giratorio durante su funcionamiento con cojinetes de empuje en buen estado. 121. Métodos de fijación de los tubos en los condensadores. ¿Por cuáles medios se logra completa estanqueidad? En los condensadores viejos se empleó profundamente la sujeción de los tubos condensadores en las placas (tableros) de tubo de un lado en abocardado de los extremos de los tubos, y del otro lado, en prensaestopas. En tal procedimiento de suspensión de los tubos las dilataciones de temperatura se compensan a costa del deslizamiento de los tubos en el prensaestopa y suplementariamente a costa de la flexión. En los casos de empaquetadura (relleno) de insuficiente calidad y de mal ajuste de los prensaestopas en el curso del tiempo de explotación del condensador se viola la estanqueidad de los prensaestopas y al condensado pasa agua cruda (de circulación, de enfriamiento). Hace unos 40 a 50 años, debido al empleo de vapor de alta presión se pasó a la sujeción de los condensadores
por medio de su abocardado de los dos lados. Este género de sujeción de los tubos es mucho más sencillo que el de prensaestopa y, tal como ha mostrado la experiencia de explotación de los condensadores, asegura una más elevada estanqueidad. En el caso de abocardado de los tubos en sus dos extremos, sus dilataciones de temperatura se compensan con la flexión y las tensiones (esfuerzos) internas. Los tubos condensadores, abocardados en ambos lados, pueden asegurar un suficiente esfuerzo espaciador para percibir las presiones que se ejercen sobre las placas de tubo debido a la diferencia depresiones del agua y del vapor. Los requisitos a la estanqueidad acuosa de los condensadores debido a la ulterior elevación de los parámetros del vapor fresco los últimos treinta años se han tornado más rígidos, estrictos. Por ejemplo, para la alimentación de las calderas de flujo directo los requisitos a la calidad del condensado son muy elevados; la infiltración de agua cruda (de circulación), con contenido medio de sales al espacio de vapor de condensador no debe superar 0.0005/0.001%. Por eso se concede gran importancia a las cuestiones de elevación de la estanqueidad acuosa de los condensadores. El agua de circulación al espacio de vapor puede pasar sólo a través de las destanqueidades de las uniones de abocardado. Las fábricas constructoras de turbinas prestan mucha atención a la calidad de las uniones abocardadas y al control del abocardado de los tubos. La elevación de la estanqueidad (hermeticidad) de las uniones abocardadas se puede lograr ejecutando los orificios en las placas de tubo con ranuras anulares o helicoidales. En este procedimiento ha aumentado la dispendiosidad (laboriosidad) de la fabricación de las placas de tubo, lo que es una falla. El empleo de placas de tubo delgadas permite aumentar la profundidad del abocardado y disminuir las infiltraciones de agua cruda al condensador, pero no siempre puede eliminar completamente su succión. Para la completa hermeticidad de las uniones se han propuesto diferentes tipos de recubrimiento hermetizantes especiales de las uniones abocardadas del lado de las cámaras acuosas, que tienen buenas propiedades de adherencia con el metal (figura 1-74): aspersión (espolvoreo) de zinc, de zinc bituminoso y recubrimientos de composición resinosa. Los más adecuados resultaron los recubrimientos bituminosos de zinc, y los bituminosos con espesor de 1/1.5 mm. Se la puede eliminar a través del tubo 5 por medio de la bomba de drenaje con cierta cantidad de condensado. Para disminuir la condensación del vapor deshecho en los compartimientos salados el aire no se extrae de ellos.
Fig. 1-74. Pieza del recubrimiento hermetizante de la placa de tubo: 1. Placa de tubo; 2. Recubrimiento hermetizante; 3. Tubos condensadores
Fig. 1-76. Esquema de la instalación de placas de tubo dobles: a) unión embridada de la cámara acuosa con el cuerpo del condensador; b) construcción soldada del condensador.
Fig. 1-77. Instalación de placas de tubo intermedias y su sujeción al cuerpo del condensador
Se emplean placas de tubo dobles de cada lado del condensador con distancia entre las paredes interna y externa de la orden de 15 mm y abocardado en ellas de los tubos condensadores (figura 1-76). El espacio entre las placas de tubo se llena 1,5 mm con condensado del tanque de presión, cuya altura se elige de tal manera que la presión del condensado sellante sea mayor que la presión del agua de circulación en la cámara acuosa del condensador aproximadamente en 1,5 mm de col. H2O. Tal construcción de sello hidráulico del condensador se utiliza en condensadores soldados. El empleo de placas de tubo dobles está ligado con dificultades tecnológicas y de explotación. En la soldadura de las placas con el cuerpo del condensador pueden desplazarse recíprocamente los orificios, lo que provoca la necesidad de ajustarlas suplementariamente y puede desmejorar la calidad de las uniones abocardadas. Las placas de tubo internas son inaccesibles para su revisión; por eso es difícil buscar los lugares de fugas al violarse la estanqueidad del abocardado. Se dificulta también cambiar los tubos averiados debido a las deformaciones elásticas que se forman en el proceso de abocardado. En las instalaciones de turbina de vapor de potencia media (Nel =25/50 MW) los condensadores tienen grandes medidas en diámetro y en longitud. Sus medidas para las instalaciones de turbina de gran potencia resultan en extremo voluminosas. Por eso, además de la sujeción de los extremos de los tubos condensadores en las placas de tubo principales que separan el espacio de vapor de agua de enfriamiento, se instalan placas de tubo intermedias. Por medio de ellas se fija la posición de los tubos condensadores y se eleva su fiabilidad en el funcionamiento. En la figura 1-77a, se muestra el esquema de la instalación de placas de tubo intermedias y la posición del eje del tubo condensador 2 respecto del eje de condensador 1(los tubos condensadores están abocardados en ambos extremos). Con tal disposición de los tubos condensadores con flexión hacia arriba se asegura su fijación más rígida y se elimina la vibración elevada. Los orificios en las placas de tubo intermedias se ejecutan en 0,3 a 0,5 mm mayores que el diámetro externo de los tubos y de ambos lados se avellanan, lo que facilita su embocamiento en el montaje y en las reparaciones del condensador. Un ejemplo de sujeción de placas de tubo intermedias en condensadores con sujeción embridada de las placas de tubo principales se muestra en la figura 1-77b. En los condensadores soldados enterizos las placas de tubo intermedias 3 se sueldan al cuerpo del condensador 4 del mismo modo que las placas de tubo principales. Las placas que tubo principal e intermedio para los condensadores destinados para funcionar en agua dulce, se fabrican de acero. El espesor de las placas de tubo principales para los condensadores de las instalaciones de turbina de parámetros medios suele construir 20 a 25 mm. Para las instalaciones de turbina de parámetros altos y superaltos se emplean placas de tubo de los condensadores de mayor espesor: 30 a 35 mm. Las placas de tubo intermedias pueden fabricarse de menor espesor: 15 a 25 mm. Los tubos condensadores, destinados para el funcionamiento de los condensadores en agua dulce, se fabrican de latón (aleación de 68% de cobre y 32% de níquel). La experiencia de explotación de los condensadores ha mostrado que el empleo de tubos condensadores de acero no se justifica, debido a su intensa corrosión. Los últimos años en Estados Unidos se fabrican los tubos condensadores de aceros austeníticos. 122. ¿Por qué en los tubos enfriadores en los condensadores, en los límites del haz de tubos, se colocan de determinado modo, cuál es el objeto de ello? El objetivo que se logra con la disposición que se le dé a los tubos, es prever pasos profundos entre haces de tubos para el vapor, lo que propicia la disminución de la resistencia del vapor, y colocándolos alejados del colector de condensado se evita el subenfriamiento del fluido.
125. ¿Qué es el grado de regeneración, de qué depende y cómo se determina su magnitud en una itg? Existe una serie de métodos para elevar la eficiencia (la economía) de una ITG, uno de ellos es el del empleo de la regeneración (recuperación) donde se utiliza el calor de los gases de desecho de la turbina para el calentamiento del aire que entra a la cámara de combustión. Para ello, el aire después del compresor 1(figura 2-5,a) se pasa a través del regenerador 2. Al mismo regenerador 2, después de la turbina de gas 4, se dirigen los gases de escape, que mediante intercambio térmico ceden parte de su calor al aire y luego se expulsan a la atmósfera. El aire calentado luego ingresa por medio común a la cámara de combustión 3.
Figura 2-5 Instalación de turbina de gas con regeneración Examinemos el ciclo con regeneración en el diagrama T-s (figura 2-5, b). Las líneas en la figura simbolizan: 3-4--- compresión del aire en el compresor; 4-5--- calentamiento del aire en el regenerador a p=const.; 5-1--- suministro de calor en la cámara de combustión a p=const.; 1-2--expansión en la turbina; 2-6 --- extracción de calor de los gases de desecho en el regenerador a p=const.; 6-3--- extracción isobárica de calor con los gases que salen a la atmósfera (cierre convencional del ciclo). El área rayada a-4-5-b representa en el diagrama T-s la cantidad de calor q1 recibido por 1 Kg de aire en el regenerador, y el área d-6-2-e representa la cantidad de calor cedido por 1 Kg de gas al aire. Ellos serán, evidentemente, iguales bajo la condición de la ausencia de pérdidas al medio circundante. El calor de los gases de desecho de la turbina se utilizaría completamente en el caso de que el aire en el regenerador se pudiera calentar hasta T2, es decir, hasta la temperatura con la cual el gas sale de la turbina. Esta cantidad de calor q2 en el diagrama Ts se puede representar por medio del área a-4-5’-c, donde T’5 = T2. La relación q1 / q2 = área a-4-5-b / área a-4-5’-c = R se llama relación de regeneración, de recuperación. En otras palabras, se llama grado de regeneración a la relación de la cantidad de calor realmente trasmitido al aire en el regenerador, con aquella cantidad de calor que podría ser trasmitida en el calentamiento del aire hasta la temperatura de los gases que salen de la turbina. La forma de calcular R, expresando q1 y q2 por medio de los parámetros del ciclo es la siguiente: R = (T5 – T4) / (T2 – T4). De la ecuación anterior se colige que el grado de regeneración en una ITG depende en gran parte de la temperatura con que salen los gases de la turbina y del tipo de intercambiador de calor que se utilice como regenerador ya que en este dispositivo es que se realiza el intercambio térmico, teniendo en cuenta también, la cantidad de gas de desecho que va a circular por él.
127. ¿Qué se logra mediante la compresión escalonada de aire y su enfriamiento intermedio? Mediante la compresión escalonada del aire y su interenfriamiento se logra disminuir el trabajo gastado en la compresión, ya que se está tratando de aproximar el proceso al isotérmico. De esto se puede deducir que entre más escalones haya en la compresión, el trabajo gastado es menor, y el proceso se acerca más el isotérmico, pero esto aumenta la complejidad de la instalación y a la vez, aumentan las pérdidas y en él, lo que hace que disminuya el rendimiento de la ITG. El número de escalones recomendados para una instalación de turbina de gas es dos. El enfriamiento intermedio, es el que provoca que el trabajo en la compresión disminuya, esto se puede ver en el diagrama en diagrama P-v adjunto, ya que el enfriamiento intermedio, disminuye la entropía del aire, y a la vez aumenta la densidad de este, haciendo que aumente el flujo de aire en la parte corriente de la turbina, lo que provoca que llegue suficiente aire a la cámara de combustión. 128. ¿Qué es lo que sirve de tope a la potencia unitaria libre de una itg de tipo abierto? Existe la tendencia a aumentar en las centrales eléctricas la potencia unitaria de las turbinas, pues esto permite bajar considerablemente las inversiones de capital y los gastos de explotación (operación y mantenimiento). La necesidad de unidades de gran potencia tiene lugar también en la construcción de barcos. Pero si la potencia unitaria de las turbinas de vapor en la actualidad es de 800Mw y más, en cambio la potencia de las ITG no supera los 100Mw. Esto se explica de la siguiente manera. El salto térmico utilizado en la turbina de gas es 3/5 veces menor que en la turbina de vapor; por eso para obtener la misma potencia hay que aumentar correspondientemente el gasto poderla de gas, y a presiones iguales también el gasto volumico de gas lo que exige mayor altura de los álabes, sobre todo de los primeros escalones. Pero, como es sabido, las tensiones en los álabes de trabajo de las turbinas crecen al aumentar su altura y el número de revoluciones de la turbina. De tal manera, la altura de los álabes y el número de revoluciones limitan la potencia unitaria de las turbinas. 131 - Describa el esquema de una instalación de gas-vapor con generador de vapor de alta presión.
En la figura 2-15 se muestra el esquema básico de la instalación de vapor-gas IVG – 200-130 con potencia de 200MW. Ella consta del siguiente equipo principal: El generador de vapor de elevada presión LC con productividad de 450500 T/h de vapor con presión de hasta 137 bar y temperatura de 570/570oC; La turbina de vapor 16, para parámetros del vapor de 127,5 bar y 565/565oC; El conjunto o unidad de turbina de gas 2 con potencia de 35-50 MW para parámetros del gas de 6,38 bar y 770oC. La turbina de vapor funciona en conjunto con el Figura 2-15 Esquema básico de la generador eléctrico 15 con potencia de 165 instalación-gas IVG-200-130 MW. La turbina de gas 2 hace girar el compresor L, y la potencia de exceso la cede al generador eléctrico 3. La instalación funciona de la siguiente manera. El aire atmosférico se comprime en el compresor 1 hasta la presión de 5,9-6,87 bares y se envía al generador de vapor 10, a donde se suministra
combustible gaseoso o líquido. El combustible arde en el generador de vapor a la temperatura de unos 2300 K, y en la salida de él la temperatura de los productos de la combustión baja hasta 1040 K. Esto ocurre, como en cualquier caldera a costa de la transmisión de calor para el calentamiento del agua y la producción de vapor. El vapor sobrecalentado obtenido en el generador de vapor 10 con P0 =127.5 bar y T0= 838k ingresa a la turbina de vapor 16 donde, expandiéndose hasta el vació profundo, realiza trabajo y luego se condensa en el condensador 14. el condensado se envía por medio de la bomba 13 a través de los calentadores regenerativos de vapor de baja presión 12 y 7 y del economizador del tercer escalón 6 al desaireador 11, donde a la presión de 5.9 bar tiene lugar la desaireación del agua. Del desaireador el agua se toma por medio de la bomba de alimentación 8, se trasiega a través del calentador regenerativo de alta presión 9 y de los economizadores del segundo escalón 5 y del primer escalón 4, donde se calienta hasta la temperatura de ebullición y luego se suministra al generador de vapor 10. De tal manera se cierra el ciclo de vapor. La parte de turbina de gas de la instalación funciona de acuerdo con el principio de la ITG abierta. Los productos de la combustión con T1= 1040K del generador de vapor 10 ingresan a la turbina de gas 2 y se expanden allí. Una vez que se han agotado (que han trabajado) en la turbina, ellos pasan a través de los economizadores 4, 5 y 6, donde se enfrían por medio del agua de alimentación hasta la temperatura de aproximadamente 410 K y luego se expulsan a la atmósfera.
132. ¿Por qué una instalación de vapor-gas tiene mayor rendimiento que las instalaciones de turbina de vapor y de turbina de gas? Las instalaciones de vapor-gas del tipo examinado en comparación con las instalaciones de vapor de fuerza de igual potencia y con los mismos parámetros del vapor permiten bajar el gasto de combustible en 6-8%. El ciclo de vapor-gas, desde el punto de vista de la termodinámica, representa en sí un ciclo binario, compuesto de los escalones o etapas de gas y de vapor. Puesto que en escalón de gas se utiliza una temperatura más elevada del fluido motor (970-1100°K) que en las instalaciones de vapor de fuerza (840-920°K), el nivel de temperatura medio de entrada del calor en el ciclo de vapor-gas será más elevado en comparación con el ciclo de vapor. Al mismo tiempo el escalón de vapor en el ciclo de vapor-gas permite en determinado grado utilizar las ventajas del ciclo d vapor, en el cual el nivel de temperatura de salida del calor al intercambiador de calor es cercano a la temperatura del medio circundante. Por eso el rendimiento de una instalación de vapor-gas será más elevado que el rendimiento de las instalaciones de vapor y de gas tomadas por separado. 133. ¿Qué determina la temperatura inicial del gas antes de la turbina de gas y qué métodos que existen para elevarla? La magnitud admisible la temperatura inicial es T1=900/1100K, partiendo de las condiciones de un funcionamiento fiable y duradero de las turbinas estacionarias de potencia considerable. Su ulterior elevación está limitada principalmente por la termorresistencia y la resistencia a la oxidación a elevadas temperaturas de los materiales existentes, de los cuales se fabrican los álabes y los rotores de las turbinas. Sin embargo, es preciso subrayar que en las turbinas de gas forzadas con motorrecurso limitado, por ejemplo, en las turbinas de avión, la temperatura T1 alcanza los 1500K. En el caso general, la elección de la temperatura inicial T1 depende de una serie de factores y en primer lugar, de la destinación de la instalación y del motorrecurso requerido de la ITG, así como del género de combustible empleado. Así, en el funcionamiento de la ITG con mazuts especialmente los que contienen vanadio, a fin de limitar la corrosión la temperatura del gas antes de la turbina se suele bajar hasta 920K y menos, lo que naturalmente disminuye el rendimiento. Mucho más complejo es el carácter de la dependencia i f ( ) Véase la figura 2-4. La cuestión consiste en
que el rendimiento de la ITG tiene su máximo a una relación de elevación de la presión plenamente determinada, la denominada óptima: OPT . La magnitud OPT depende del esquema de la ITG; ella aumenta al elevarse T1 y al disminuirse T3. Pero en OPT también influyen oi , k y otros factores. Por eso la magnitud de OPT debe calcularse para un esquema concreto de ITG y para indicadores principales plenamente determinados. 137. ¿Cómo se regula la potencia de una itg? Durante la explotación de las TIG, considerable parte del tiempo les corresponde funcionar a cargas parciales, y a las instalaciones de transporte frecuentemente les toca trabajar con números variables de revoluciones. Partiéndose de esto, es necesario asegurar en todos los regímenes de funcionamiento a) La más elevada posible economía de la ITG. b) la temperatura de los gases antes de la turbina que no supere la magnitud admisible en cuanto a condiciones de fiabilidad y de durabilidad del aparato de alabes. c) un proceso de combustión estable en la cámara de combustión sin rupturas de la flama. d) regímenes sin pompage de funcionamiento de los compresores. En todos los casos la variación de la potencia útil de la ITG en final de cuentas se logra variando el gasto de combustible quemado. Para ello antes de ingresar a la cámara de combustión el combustible pasa a través del regulador de alimentación de combustible, que se halla bajo acción del regulador de velocidad. Pero en dependencia de cómo se realiza el propio proceso de regulación, se distinguen dos métodos principales de regulación cualitativa y cuantitativa. La regulación cualitativa, se efectúa mediante la variación de la temperatura de los gases antes de la turbina a una pequeña variación del gasto de aire comprimido. En este caso al bajar la carga el regulador de velocidad, actuando sobre el regulador de alimentación de combustible, disminuye la cantidad de combustible que ingresa a la cámara de combustión. Como resultado aumenta el coeficiente de exceso de aire y disminuyen la temperatura y la presión del gas, lo que lleva a la disminución de la relación de elevación de la presión y del salto térmico H T utilizado en la turbina. Pero de las ecuaciones (2-17) y (2-25) se ve que al disminuir y H T disminuye el trabajo útil especifico l 1, y por consiguiente, también la potencia de la ITG. En la regulación cualitativa tiene lugar una variación, pequeña en magnitud, de los gastos de aire comprimido por el compresor y de gas a través de la turbina, a consecuencia de lo cual debido a la desviación del régimen de funcionamiento respecto al régimen de cálculo, bajan los rendimientos de las turbo maquinas. La regulación cualitativa es el método más sencillo de asegurar en funcionamiento de la ITG en cualesquiera regímenes. Se emplea este método o procedimiento principalmente en instalaciones mono árboles sencillos, que funcionan con número constante de revoluciones. Su falla consiste en que en cargas parciales la economía de la ITG disminuye bruscamente a resultas de la considerable disminución de la temperatura del gas antes de la turbina, y también debido a la disminución del rendimiento de las turbinas. Por ejemplo, en una ITG con relación de elevación de la presión b = 5 y a temperatura inicial T 1 = 920 K, al disminuir la carga hasta 50 % de la nominal el rendimiento efectivo disminuye aproximadamente en 20% en comparación con aquel valor que se obtuvo a carga plena.
I) Calcular un motor de carburador de cuatro tiempos, destinado para un automóvil de carga. Potencia efectiva Ne = 110 kW, a n = 3200 RPM del árbol cigüeñal y número de cilindros i = 8. Relación de compresión ε = 7.
DATOS DE ENTRADA Ne = 110 Kw n = 1800 RPM i=4 Cámara de combustión no separada ε = 17
Combustible.
Para este motor se adoptan las normas técnicas del combustible diesel. Con un índice de Cetano del combustible no menor de 45. COMPOSICIÓN ELEMENTAL MEDIA DEL COMBUSTIBLE DIESEL: C = 0., 855; H = 0.145. CALOR INFERIOR DE COMBUSTIÓN DEL COMBUSTIBLE:
H u 33.91C 125.6H - 10.89O - S - 2.519H W
H u 33.910.87 125.60.125 - 10.890.004 - 2.5190.126 H u 42440kJ / kg
Parámetros del fluido motor.
CANTIDAD TEÓRICA PARA LA COMBUSTIÓN DE 1kg DE COMBUSTIBLE: L0
l0
1 C H O 1 0,87 0,126 0,004 0.5kmol aire / kg comb. 0.208 12 4 32 0.208 12 4 32
1 8 1 8 C 8H - O 0.87 80.126 - 0.004 14.452kg aire / kg comb. 0.23 3 0.23 3
COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE: Tomando como referencia las conferencias de cálculo térmico de motores de automóvil y de tractor. 1.4 Para el diesel sin sobrealimentación 1.7 Para el diesel con sobrealimentación CANTIDAD DE CARGA FRESCA: Para
1.4 M1 L0 1.4 0.5 0.7kmol carga fresca / kg comb.
Para
1.7 M1 L0 1.7 0.5 0.85kmol carga fresca / kg comb.
CANTIDAD DE DIFERENTES COMPONENTES DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN: c 0.87 M CO 2 0.0725kmol CO2 / kg comb. 12 12 H 0.126 M H 2O 0.063kmol H 2O / kg comb. 2 2 Como
M O2 0.208 - 1L0 0.208 1.4 - 1 0.5 0.0416kmol O2 / kg comb.
1.4
M N 2 0.792L0 0.792 1.4 0.5 0.5544kmol O 2 / kg comb. Para
1.7
M O2 0.208 - 1L0 0.208 1.7 - 1 0.5 0.0728kmol O2 / kg comb.
M N 2 0.792L0 0.792 1.7 0.5 0.6732kmol O2 / kg comb. CANTIDAD TOTAL DE PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN: M 2 = M CO2 + M H2O + M O 2 + M N2
Si α = 1.4 M 2 = 0.0725 + 0.063 + 0.0416 + 0.5544 = 0.7315kmol prod. combust. / kg comb . α = 1.7 Para M 2 0.0725 0.063 0.0728 0.6732 0.8815kmol prod. combust. / kg comb.
Parámetros del medio circundante y gases residuales.
CONDICIONES ATMOSFÉRICAS:
p0 0.1MPa;
T0 293K
PRESIÓN DEL MEDIO CIRCUNDANTE PARA LOS DIESELES:
p K = p 0 = 0.1MPa; Con sobrealimentación: pK 1.85 p0 1.85 0.1 0.185MPa; (media sobrealimentación) Un motor diesel sin sobrealimentación:
TEMPERATURA DEL MEDIO CIRCUNDANTE PARA LOS DIESELES: Por lo anterior, si utiliza sin sobrealimentación: TK = T0 = 293K;
TK T0 pK p0 K K 2930.185 0.1 377.47K Con sobrealimentación: Donde el exponente de la politrópica de compresión del aire nK es igual a 1.7 (compresores axiales y centrífugos ( n -1)/n
(1.7 -1)/1.7
TEMPERATURA Y PRESIÓN DE LOS GASES RESIDUALES: Sin sobrealimentación: Tr Con sobrealimentación:
800K ; p r 1.1 p0 1.1 0.1 0.11MPa Tr 900K ;
pr 0.865 pK 0.865 0.185 0.18MPa
Proceso de admisión.
TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO: El motor calculado no presenta dispositivo especial para el precalentamiento natural de la carga fresca. Entonces si se adopta en los diéseles Sin sobrealimentación: ΔT = 20ºC Con sobrealimentación: ΔT = 5ºC DENSIDAD DE LA CARGA EN LA ADMISIÓN: K 10 6 p K / Ra TK
Sin sobrealimentación K 10 6 0.1 287 293 1.189kg / m 3 Con sobrealimentación: K
106 pK / RaTK 106 0.1 287 293 1.708kg / m3
PERDIDAS DE PRESIÓN EN LA ADMISIÓN DEL MOTOR:
pa 2 ad Wad2 K 10-6 2
2
ad 3
Wad2 80 Sin sobrealimentación: p a Con sobrealimentación:
3.25 90 2 1.189 10 -6 2 0.012MPa p a 3.25 90 2 1.708 10 -6 2 0.016MPa
PRESIÓN AL FINAL DE LA ADMISIÓN: pa = pK - Δpa
pa 0.1 - 0.012 0.088MPa pa 0.185 - 0.022 0.168MPa Con sobrealimentación: Sin sobrealimentación:
COEFICIENTE DE GASES RESIDUALES:
r
TK T pr Tr pa - p r 293 20 0.11 0.03 800 17 0.088 - 0.11 293 5 0.16 r 0.028 900 17.8 0.156 - 0.16
Sin sobrealimentación: r Con sobrealimentación:
TEMPERATURA AL FINAL DE LA ADMISIÓN:
Ta TK T rTr 1 r Sin sobrealimentación: Ta 293 20 0.03 800 1 0.03 327.56K Ta 377.47 5 0.025 900 1 0.025 396.9K Con sobrealimentación:
COEFICIENTE DE LLENADO:
V TK pa - p r TK T - 1 p K Sin sobrealimentación: V 29317 0.088 - 0.11 293 2017 - 10.1 0.82 nV 377.4717.8 0.163 - 0.16 377.47 517.8 - 10.185 0.895 Con sobrealimentación:
Proceso de compresión.
EXPONENTES MEDIOS DE LA ADIABATA Y DE LA POLITROPA DE COMPRESIÓN: En el funcionamiento del diesel con régimen nominal se puede con suficiente grado de exactitud adoptar el exponente de la politropa de compresión aproximadamente igual al exponente de la adiabata, el cual se determina por medio de la adiabata (Nomograma de la Figura 25 de las conferencias de Calculo Térmico de motores de automóvil y de Tractor). Sin sobrealimentación: para ε = 17 y Ta = 327.56K Con sobrealimentación: para ε = 17 y Ta = 396.9K PRESIÓN Y TEMPERATURA AL FINAL DE LA COMPRESIÓN:
pC pa n1 Sin sobrealimentación:
TC Ta n1 -1
pC 0.088 171.371 4.31MPa
n1≈ k1 = 1.371 n1≈ k1 = 1.361
TC 327.56 171.371-1 937.12 K pC 0.168 171.361 7.97 MPa
Con sobrealimentación:
TC 396.9 171.361-1 1103.76 K CAPACIDAD CALORÍFICA MOLAR MEDIA EN EL FINAL DE LA COMPRESIÓN: - Del aire:
mcV tt
C 0
20.6 2.638 10-3TC
Sin sobrealimentación Tc = 937.12 – 273 ;
mc
tC V t0
Tc = 664.12 ºC.
20.6 2.638 10 -3 664.12 22.35kJ / kmolº C
Con sobrealimentación: Tc =1103.76 – 273 ;
mcV
tC t0
Tc = 827.8ºC.
20.6 2.638 10 -3 827.8 23.53kJ / kmolº C
- De los gases residuales: Se determina por medio de la Tabla 8, utilizando la interpolación. Sin sobrealimentación. Para α = 1.4 y Tc = 664.12 ºC.
mcV tt
Con sobrealimentación:
C 0
24.19kJ / kmolº C
para α = 1.7 y Tc = 827.8ºC
mcV tt
C 0
24.4kJ / kmolº C
- De la mezcla de trabajo:
mc'V tt 1 1 r (mcV ) tt r (mcV ) tt t Sin sobrealimentación: mc' V t 1 1 0.0322.35 0.03 24.19 22.41kJ / kmolº C t Con sobrealimentación: mc' V t 1 1 0.02823.58 0.028 24.4 22.84kJ / kmolº C C
C
C
0
0
0
C 0
C 0
Proceso de combustión. COEFICIENTE DE VARIACIÓN MOLECULAR DE LA MEZCLA FRESCA:
M 2 0.7315 1.045 M1 0.7 M 0.8815 0 2 1.037 M1 0.85
Sin sobrealimentación: 0 Con sobrealimentación:
COEFICIENTE DE VARIACIÓN MOLECULAR DE LA MEZCLA DE TRABAJO:
0 r 1 r 1.045 0.03 1 0.03 1.044 0 r 1 r 1.037 0.028 1 0.028 1.036
Sin sobrealimentación:
Con sobrealimentación:
CALOR DE COMBUSTIÓN DE LA MEZCLA DE TRABAJO: Sin sobrealimentación: H m.t . H u M 1 1 r 42440 0.71 0.03 58882.42kJ / kmol mezcla trab Con sobrealimentación: H m.t . H u M 1 1 r 42440 0.851 0.028 48592.08kJ / kmol mezcla trab
CAPACIDAD CALORÍFICA MOLAR MEDIA DE LOS PRODUCTOS:
mcV tt
Z 0
mc P tt
Z 0
1 M CO2 (mcV CO2 )tt 0Z M H 2O (mcV H 2O )tt 0Z M O2 (mcV O2 )tt 0Z M N 2 (mcV N 2 )tt 0Z ; M2
mcV t 0Z 8.315 t
Sin sobrealimentación: mcV tt 1 0.072539.123 0.003349tZ 0.06326.67 0.004438tZ 0.041623.723 0.00155tZ Z
0
0.7315
0.554421.951 0.001457t Z 24.16 0.00191TZ
mcP tt
Z 0
24.16 0.00191tZ 8.315 32.475 0.00191tZ
Con sobrealimentación: (mc V )tt 0Z = 1 [0.0725(39.123 + 0.003349t Z ) + 0.063(26.67 + 0.004438t Z ) + 0.0728(23.723 + 0.00155t Z ) 0.8815 + 0.3732(21.951 + 0.001457t Z )] = 23.847 + 0.00183t Z ;
mcP tt
Z 0
23.847 0.00183tZ 8.315 32.162 0.00183tZ
COEFICIENTE DE UTILIZACIÓN DEL CALOR (ξ): Como el coeficiente de utilización de calor en motores diéseles con cámaras no separadas está en un rango de: 0,7 – 0,88. Sin sobrealimentación: ξZ = 0.8 Con sobrealimentación: ξZ = 0.86 COEFICIENTE DE ELEVACIÓN DE PRESIÓN (λ): Para los diéseles con cámaras de combustión no separadas, λ = 1,6 - 2,5: Sin sobrealimentación: λZ = 2.0 Con sobrealimentación: λZ = 1.5
TEMPERATURA EN EL FINAL DEL PROCESO VISIBLE DE COMBUSTIÓN:
z Hm.t. (mc'V )tt 8.315 tC 2270 - (mcP )tt tZ C 0
Z
0
Sin sobrealimentación:
0.8 58882.42 22.41 8.315 2.0664.12 22702.0 - 1.044 1.044(32.475 0.00191t Z )t Z
ó 0.001991t2z + 33.9tz – 75201.49 = 0 de donde
t Z - 33.9 33.9 2 4 0.001991 75201.49 2 0.001991 2060K
Con sobrealimentación:
0.86 48782.77 23.55 8.315 1.5837.54 22701.5 - 1.036 1.036(32.162 0.00183tZ )tZ
ó 0.0019t2 + 33.33t – 72175.47 = 0 de donde
t Z - 33.33 33.332 4 0.0019 72175.47 2 72175.47 2222.16K PRESIÓN MÁXIMA DE COMBUSTIÓN: Sin sobrealimentación: p Z Con sobrealimentación:
pC 2.0 4.31 8.62MPa
pZ pC 1.5 7.97 11.9MPa
RELACIÓN DE EXPANSIÓN PREVIA:
TZ 1.044 2060 1.26 TC 2.0 937.12 TZ 1.036 2222.16 1.39 Con sobrealimentación: TC 1.5 1103.76 Sin sobrealimentación:
Proceso de expansión. RELACIÓN DE EXPANSIÓN CONSIGUIENTE:
17 13.5 1.26 17 12.2 Con sobrealimentación: 1.39 Sin sobrealimentación:
EXPONENTES MEDIOS DE LA ADIABATA Y DE LA POLITROPA DE EXPANSIÓN: En el régimen nominal se puede adoptar el exponente de la politropa de expansión por medio de la adiabata (Figura 30 de las conferencias de Calculo Térmico de motores de automóvil y de Tractor). Sin sobrealimentación: Para δ = 13.5, TZ = 2060K, y 1.18 – 1.28. Con sobrealimentación: Para δ = 12.2, TZ = 2222.16K,
α = 1.4;
y
K2 = 1.278 y n2 varía para diéseles de Se asume n2 igual a 1.25
α = 1.7; K2 = 1.284 y
PRESIÓN Y TEMPERATURA AL FINAL DE LA EXPANSIÓN:
n2 se asume igual a 1.23
Sin sobrealimentación: pb pnZ 8.62 0.332MPa 2 13.51.25 T 2060 Tb nZ2 -1 1157.5K 13.51.25-1 Con sobrealimentación: pb pnZ 11.19.23 0.55MPa 2 12.2
Tb
TZ
n2 -1
2222.16 1249.35K 12.21.23-1
VERIFICACIÓN DE LA TEMPERATURA DE LOS GASES RESIDUALES: Sin sobrealimentación: Tr
Tb
1157.5
815K p r 3 0.332 0.11 Δ = 100 (815 - 800)/815 ; Δ = 1,8 %, lo que es admisible.
Con sobrealimentación: Tr
Tb
3
pb
pr
3
pb
1249.35
3
0.55 0.18
864 K
Parámetros indicados del ciclo de trabajo (del ciclo motriz). PRESIÓN INDICADA MEDIA TEÓRICA:
p'i pc - 1 - 1 (n2 - 1) 1 - 1 n2 -1 - 1 (n1 - 1) 1 - 1 n1 -1 Sin sobrealimentación:
p'i 4.31 17 - 1 21.26 - 1 2 1.26 (1.25 - 1) 1 - 1 13.51.25-1 - 1 (1.37 - 1) 1 - 1 171.37-1
p'i 0.964MPa Con sobrealimentación:
p' i 7.97 17 - 1 1.51.39 - 1 1.5 1.39 (1.23 - 1) 1 - 1 12.21.23-1 - 1 (1.361 - 1) 1 - 1 171.358-1
p' i 1.386MPa
PRESIÓN INDICADA MEDIA: Donde P es el coeficiente de perfección (de plenitud) del diagrama que se adopta pi P p' i ; igual a 0.94. Sin sobrealimentación: pi 0.94 0.964 0.907MPa Con sobrealimentación: pi 0.94 1.386 1.303MPa
RENDIMIENTO INDICADO PARA LOS DIESELES:
i
pi l0 H u K V
0.907 14.45 1.4 0.445 42.44 1.189 0.82 1.303 14.45 1.7 Con sobrealimentación: i 0.5 42.44 1.708 0.895
Sin sobrealimentación: i
GASTO ESPECÍFICO INDICADO DEL COMBUSTIBLE:
3600 3600 190.7 g / KWh H u i 42.44 0.445 3600 3600 172 g / KWh Con sobrealimentación: g i H u i 42.44 0.5
Sin sobrealimentación: g i
Indicadores efectivos del motor. PRESIÓN MEDIA DE PÉRDIDAS MECÁNICAS: p M = 0.089 + 0.0118v P.M. ; Donde vP.M. Velocidad media del pistón se adoptó igual a 8 m/s pM 0.089 0.0118 8 0.18MPa
PRESIÓN EFECTIVA MEDIA: Sin sobrealimentación: pe = pi - pM = 0.907 – 0.18 = 0.72 MPa. Con sobrealimentación: pe = pi - pM = 1.303 – 0.18 = 1.12 MPa
RENDIMIENTO MECÁNICO:
pe 0.72 0.79 pi 0.907 p 1.12 e 0.86 pi 1.303
Sin sobrealimentación: M Con sobrealimentación: M RENDIMIENTO EFECTIVO:
Sin sobrealimentación: e
i M 0.445 0.79 0.35 Con sobrealimentación: e i M 0.5 0.86 0.42
GASTO ESPECIFICO EFECTIVO DEL COMBUSTIBLE:
3600 3600 242.35 g / KWh H u e 42.44 0.35 3600 3600 200.1 g / KWh Con sobrealimentación: g e H u e 42.44 0.42 Sin sobrealimentación: g e
Parámetros principales del cilindro y del motor. EMBOLADA (LITRAJE) DEL MOTOR:
Vl
30N e 30 4 66 6.32 Lt pe n 0.69 1800
VOLUMEN DE TRABAJO DEL CILINDRO: Vh
Vl 6.32 1.58Lt i 4
El diámetro y la carrera del émbolo del diesel, por regla se ejecutan con relación de la carrera del émbolo al diámetro del cilindro S/D >1. Sin embargo, la disminución de S/D para el diesel, como también para el motor del carburador, disminuye la velocidad del émbolo y eleva ηM. Por eso es conveniente adoptar S/D=11.
D 100 3
4Vh 4 1.58 100 3 126.3mm S D 1
En definitiva se adopta D = S = 126 mm. Por medio de los valores adoptados en definitiva de D y S se determinan los principales parámetros e indicadores del motor:
D 2 Si 126 2 126 4 6.3Lt 4 10 6 4 10 6 D 2 126 2 125cm 2 AREA DEL EMBOLO: FP 4 4
CILINDRADA DEL MOTOR: Vl
Sn 126 1800 7,56m / s 4 3 10 3 10 4 Lo que es suficientemente cercano al valor al vp.m. = 8 m/s. antes adoptado.
VELOCIDAD DEL EMBOLO:
v P.M .
PARA MOTOR DE TRACTOR SIN SOBREALIMENTACIÓN: POTENCIA EFECTIVA: N e
peVl n 0.72 6.3 1800 68.12kW 30 30 4
3 10 4 N e 3 10 4 68.12 542.42 Nm MOMENTO TORSIONAL: M e n 1800 GASTO HORARIO DE COMBUSTIBLE: 1
Ge N e g e 68.12 0.242 20.58kg / h
Tomado de las conferencias de Calculo Térmico de motores de automóvil y de Tractor. Catedrático Iván Caneva Rincón. Pág. 119
N l N e Vl 68.12 6.3 16.27kW / dm 3 PARA MOTOR DE TRACTOR CON SOBREALIMENTACIÓN: POTENCIA EFECTIVA: N e
peVl n 1.12 6.4 1800 105.53kW 30 30 4
3 10 4 N e 3 10 4 105.53 559.84 Nm MOMENTO TORSIONAL: M e n 1800 GASTO HORARIO DE COMBUSTIBLE:
Ge N e g e 105.53 0.2 21.11kg / h
N l N e Vl 105.53 6.4 16.8kW / dm 3
DIAGRAMA DE INDICADOR MOTOR DE TRACTOR SIN SOBREALIMENTACIÓN: OX OB/OX Px OB/OX Px 7,411764706
17
4,308 13,51 8,616
7,875
16
3,965 12,73 7,999
8,4
15
3,629 11,95 7,391
9
14
3,301 11,17 6,793
9,692307692
13
2,982 10,39 6,205
10,5
12
2,672 9,609 5,629
11,45454545
11
2,372 8,829 5,063
12,6
10
2,081 8,049
14
9
1,801 7,269 3,971
15,75
8
1,533 6,489 3,446
18
7
1,276 5,709 2,936
21
6
1,033 4,929 2,443
25,2
5
0,805 4,149
31,5
4
0,593 3,369 1,518
42
3
0,399 2,589 1,093
63
2
0,229 1,809 0,698
4,51
1,97
126
1
0,089 1,029 0,345
126
1
0,089
1
0,333
MOTOR DE TRACTOR CON SOBREALIMENTACIÓN OX OB/OX Px OB/OX Px 7,411764706
17
7,971 12,224 11,957
7,875
16
7,3397 11,524 11,12
8,4
15
6,7225 10,824 10,295
9
14
9,692307692
13
5,5329 9,4242 8,6825
10,5
12
4,9618 8,7242 7,8962
11,45454545
11
4,4077 8,0242 7,1243
12,6
10
3,8714 7,3242 6,3677
14
9
3,3543 6,6242 5,6276
15,75
8
2,8575 5,9242 4,9052
18
7
2,3826 5,2242 4,2023
21
6
1,9317 4,5242 3,5208
25,2
5
1,5072 3,8242 2,8632
31,5
4
1,1124 3,1242 2,2328
42
3
0,752 2,4242 1,6344
63
2
0,4331 1,7242 1,0748
126
1
0,1686 1,0242 0,5664
126
1
0,1686
6,12
10,124 9,4824
1
0,5499
BALANCE TÉRMICO. CALOR TOTAL INTRODUCIDO AL MOTOR CON EL COMBUSTIBLE:
H u GC 42440 20.58 192024.68 J / s 3.6 3.6 H G CON SOBREALIMENTACIÓN Q0 u C 42440 21.12 248925.31J / s 3.6 3.6
SIN SOBREALIMENTACIÓN Q0
CALOR EQUIVALENTE AL TRABAJO EFECTIVO EN 1S: SIN SOBREALIMENTACIÓN CON SOBREALIMENTACIÓN
Q0 1000 N e 1000 68.12 68120 J / s
Q0 1000 N e 1000 105.53 105528.53J / s
CALOR TRANSFERIDO AL MEDIO ENFRIADOR:
Qa C i D1 2mn m 1
Donde C es un coeficiente de proporcionalidad; para los motores de cuatro tiempos C = 0.45 – 0.532. i = 4 cilindros D = 12,63 cm. n = 1800 rpm. m es el exponente de la potencia; para los motores de cuatro tiempos m = 0.6 – 0.7. SIN SOBREALIMENTACIÓN α = 1.4
Qa 0.5 4 12.631 20.65 1800 0.65 1 1.4 63340.48 J / s CON SOBREALIMENTACIÓN α = 1.7
Qa 0.53 6 12.51 20.65 1800 0.65 1 1.7 98176.72 J / s CALOR ARRASTRADO CON LOS GASES DE DESECHO:
Qr GC 3.6 M 2 (mcP )tt0r tr - M1 (mcP )tt0K tK
(mc P ) tt0r (mcV ) tt0r 8.315 Según la tabla 8:
para α = 1.4 y Tr = 542 ºC
(mcV ) tt0r 23.7kJ / kmolº C
SIN SOBREALIMENTACIÓN
(mcP ) 23.7 8.315 32.015kJ / kmolº C tr t0
(mcP )tt0K (mcV )tt0K 8.315 CON SOBREALIMENTACIÓN Para α = 1.7 y Tr = 591 ºC
2
(mcV ) tt0r 23.9kJ / kmolº C
Tomado de las conferencias de Calculo Térmico de motores de automóvil y de Tractor. catedrático Iván Caneva Rincón. Pág. 122
Según la tabla 5:
(mcV )tt0r 20.775kJ / kmolº C
SIN SOBREALIMENTACIÓN para α = 1.4 y TK = 20ºC
(mcP )tt0K 20.775 8.315 29.09kJ / kmolº C CON SOBREALIMENTACIÓN para α = 1.7 y Tr = 542 ºC
(mcP ) tt0r 23.9 8.315 32.2kJ / kmolº C Remplazando: SIN SOBREALIMENTACIÓN
Qr 20.58 3.60.731 32.015 542 - 0.7 29.09 20 55532.86 J / s
CON SOBREALIMENTACIÓN
Qr 21.12 3.60.881 32.2 608.12 - 0.849 29.165 104.47 83015.8J / s
PERDIDAS NO CONSIDERADAS (RESTANTES) DE CALOR:
Qrest Q0 - Q e Qa Qr
SIN SOBREALIMENTACIÓN
Qrest 68120 - 68125.26 63340.48 55532.86 5026.09 J / s
CON SOBREALIMENTACIÓN
Qrest 248925.3 - 105525.53 55292.51 83015.8 5088.46 J / s
COMPONENTES DEL BALANCE TERMICO
DIESEL CON SOBREALIMENTACION MOTOR DIESEL PARA TRACTOR Q J/s
q%
Q J/s
q%
Qe
68125,25
35.48
105528,533
42,39
Qa
63340,47
32.99
55292,5121
22,21
Qr
55532,86
28.92
83015,8007
33,35
Qres
5026,09
2.62
5088,46267
2,04
Q0
192024,68
100.00
248925,308
100,00
CARACTERISTICAS DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES En base al cálculo térmico efectuado para el régimen de potencia nominal se obtuvieron los siguientes parámetros necesarios para el cálculo de la construcción de la característica de
velocidad externa del motor diesel3:
o o o o o o
Potencia efectiva: 68,125 kW Frecuencia de rotación del árbol cigüeñal a potencia máxima nN= 1800rpm. Carrera del émbolo s=126 Tiempo del motor t = 4 Cilindrada Vl =6.3 litros. Cantidad teóricamente necesaria de aire para la combustión de un Kg de combustible lo= 14.5 Kg aire/ Kg de combustible. DIESEL SIN SOBREALIMENTACION
o Densidad de la carga en la admisión ρk= 1.189 kg/m3. o Coeficiente de exceso de aire αN= 1.4. o Gasto especifico de combustible geN = 239,11 g/(kW.h). DIESEL CON SOBREALIMENTACION o o o
Densidad de la carga en la admisión ρk= 1.708 kg/m3. Coeficiente de exceso de aire αN= 1.7. Gasto especifico de combustible geN = 21,11 Kg/(kW.h).
LA POTENCIA EN LOS PUNTOS DE CÁLCULO
N ex ( N e n x / n N )0.87 1.13n x / n N (n x / n N ) 2
kW
MOMENTO TORCIONAL EFECTIVO M ex (9554 N ex / n x )
N*m
PRESIÓN EFECTIVA MEDIA. Pex N ex * 30T / Vl n x )
MPa
VELOCIDAD MEDIA DEL PISTÓN
Vmpx ( Sn x / 30000)
m/s
PRESIÓN MEDIA DE PERDIDAS MECANITAS.
3
Tomado de las conferencias de Calculo Térmico de motores de automóvil y de Tractor. catedrático Iván Caneva Rincón. Pág. 124-133
PMX (0.089 0.0118 * v mp )
Mpa
PRESIÓN INDICADA MEDIA. Pix ( Pex Pmx )
Mpa
MOMENTO TORCIONAL INDICADO.
M ix ( Pix * Vl 10 3 /( )
Nm
GASTO ESPECIFICO DE COMBUSTIBLE
g ex g eN 1.55 1.55n x / n N (n x / n N ) 2
g/kWh
GASTO HORARIO DE COMBUSTIBLE
Gex 10 3 g ex N ex
Kg/h
COEFICIENTE DE LLENADO
vx Pex lo x g ex /(3600 k ) DIESEL SIN SOBREALIMENTACION potencia rpm efectiva nominal
tao
Vl
S
Vmp
68,125
1800
4
6,3
126
4,2
68,125
1800
4
6,3
126
5,04
68,125
1800
4
6,3
126
5,88
68,125
1800
4
6,3
126
6,72
68,125
1800
4
6,3
126
7,56
rpm
Nex
Mex
Pex
vmpx
Pmx
1000
45,01
429,77
0,86
4,2
0,14
1200
53,54
426,07
0,85
5,04
0,15
1400
60,61
413,44
0,82
5,88
0,16
1600
65,66
391,89
0,78
6,72
0,17
1800
68,13
361,41
0,72
7,56
0,18
Pix
Mix
gex
Gex
alfax
Nvx(rediminto)
1,00
860,38
238,52
10,73
1,2
0,83
1,00
862,56
229,81
12,30
1,25
0,83
0,98
849,36
227,01
13,76
1,3
0,82
0,95
820,78
230,11
15,11
1,35
0,82
0,90
776,83
239,11
16,29
1,4
0,82
DIESEL CON SOBREALIMENTACION potencia rpm efectiva nominal tao
Vl
S
Vmp
105,53
1800
4
6,08
126
4,2
105,53
1800
4
6,08
126
5,04
105,53
1800
4
6,08
126
5,88
105,53
1800
4
6,08
126
6,72
105,53
1800
4
6,08
126
7,56
gasto espesifico
lo
pk
200,1
14,5
1,185
200,1
14,5
1,185
200,1
14,5
1,185
200,1
14,5
1,185
200,1
14,5
1,185
rpm
Nex
Mex
Pex
vmpx
Pmx
1000
69,72
665,74
1,38
4,2
0,14
1200
82,94
660,00
1,36
5,04
0,15
1400
93,89
640,44
1,32
5,88
0,16
1600
101,71
607,06
1,25
6,72
0,17
1800
105,53
559,85
1,16
7,56
0,18
Pix
Mix
gex
Gex
alfax
Nvx(rediminto)
1,51
1308,56
199,61
13,92
1,25
1,17
1,51
1306,88
192,32
15,95
1,36
1,21
1,48
1280,52
189,97
17,84
1,475
1,26
1,42
1229,47
192,57
19,59
1,5875
1,30
1,34
1153,73
200,10
21,12
1,7
1,34
1. Durante el proceso de expansión con un suministro de 120kj de calor, 1kg de aire efectúa un trabajo de 90 KJ. determinar la variación de la temperatura del aire del proceso despreciándose la dependencia de la capacidad calorífica respecto de la temperatura.
Figura 1. Esquema del problema DATOS:
Q = 120 KJ M = 1Kg (aire) W = -90 KJ (Porque el trabajo es efectuado por el sistema) ∆T =?
De la primera ley de la termodinámica se tiene lo siguiente:
Pero
. Entonces
De la ecuación 1 se sabe que: Reemplazando los datos suministrados por el problema y este valor en la ecuación1 se tiene que la variación de temperatura del aire en el proceso es:
3. El poder calorífico del combustible para motor diesel es de 42000 KJ/KG. Determinar el trabajo que se puede obtener al utilizarlo en un motor térmico con rendimiento del 45%.
i
Li (Ecuación 33 de conferencia Motores de Automóvil y de Tractores) HU
Donde i,: es el rendimiento indicado. Li: es el trabajo indicado. Hu: calor del combustible que podría desprenderse de la combustión completa.
Despejando Li
Li H U i Li 0.45 42000 KJ
Kg
Li 18900 KJ
4) Un motor de combustión interna con potencia de 3000 cv funciona con un consumo especifico de calor de 8800 KJ/ (KWH). Determinar el consumo horario de combustible, si su poder calorífico inferior CINFERIOR = 42000 KJ/KG.P.
Solución:
Qe = 632 Ne [kCal/h] (Ecuación de Pág. 199 de las conferencia, Motores de Automóvil y de Tractores)
Donde Qe, es el calor transformado en trabajo efectivo útil. Ne, es el trabajo específico.
Qe = 632 Ne Qe = 632 x 3000 CV [kCal/h]
Qe = 1896000 kCal/h
Sabiendo que,
qe = [Qe / Qch] = Qe / (Gch h)
Donde qe, es el porcentaje o coeficiente del calor desprendido durante la combustión completa. Gch, es el gasto de combustible horario. Entonces
Gch = Qe/ (qe Hu)
Y qe = 8800 kJ/(kWh) qe = 8800 kJ/(kJ/s (3600 s)) qe = 2.44
Así: Gch = Qe/ (qe Hu) Gch = 1896000 (kCal/h) x 4.19/ (2.44 x 42000 kJ/kgf) Gch = 77.52 kgf / h 7. ¿Qué cantidad de calor hay que suministrar a 1 kg de aire que tiene una temperatura de 20 °c, para que su volumen a presión constante aumente dos veces? Determinar la temperatura del aire al final del proceso. Considérese constante la capacidad calorífica del aire. R/ Se tiene lo siguiente: V2 = 2V1 ;Cv = 0,718kJ/k°Catempamb. Entonces se hallas primero la temperatura final: P1 T1 V1 = P2 T2 V2 → perolaspresionessoniguales
T1 V1 = T2 2V1 → T2 =
T1 20°C = = 10°C 2 2
El calor que hay que suministrar sería: Q = mCv ∆T = 1kg ∗ 0,718kJ/kg°C ∗ (10°C − 20°C) 𝐐 = −𝟕, 𝟏𝟖𝐤𝐉
8. En un cilindro debajo del pistón se encuentra a la presión absoluta p1 = 0.12 MPa. Determinar el desplazamiento del pistón y la presión p2 al final del proceso de compresión isotérmica, si sobre el pistón se coloca un peso adicional g = 5 kg. El diámetro del pistón es D = 100 mm, la altura de la posición inicial del mismo es h1 = 500 mm. Solución: A = π (d2 / 4) A = 0.0079 m2 V = A h1 V = 0.0079 m2 x 0.5 m V = 0.0039 m3
P0 V0 T0 = P1 V1 T1
V0 = (P1 V1 T1) / (P0 T0)
P2 = F / A = (5 kg x 9.8 m/s2) / 0.0079 P2 = 6202.53 Pa
Pfin = P1 + P2 = 0.12 MPa + 0.0062 Mpa Pfin = 0.1262 Mpa
Entonces
Pfin Vfin = P0 V0 Vfin = (P0 V0)/ Pfin Vfin = (0.12 Mpa x 0.0039 m3) / 0.1262 Mpa Vfin = 0.0037 m3
V=hxA h = V/A h = 0.0037 m3 / 0.0079 m2
h = 469.42 mm
9. Se expande adiabáticamente 1 kg. De aire, que tiene una temperatura t1 = 20 ºC y la presión P1 = 0.8 MPa, hasta la presión P2 = 0.21 MPa. Determinar los parámetros de estado final del proceso de expansión, el trabajo del proceso y la variación de la energía interna del gas. Solución: Datos suministrados:
Supondremos que el proceso de expansión es reversible y adiabático, con lo cual podemos utilizar la expresión:
Tomaremos k = 1.4. Reemplazando en la Ec.1 los valores conocidos tenemos que:
Aplicamos la primera ley de la termodinámica:
La variación de la energía interna del gas está dada por:
