Motores Iii
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Tapachula
Índice
Introducción
Conclusión ------------------------------------------------------------------------------------
Anexo ------------------------------------------------------------------------------------------
Bibliografía ------------------------------------------------------------------------------------
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Máquinas y Equipos Térmicos II Motores de Combustión Interna
Introducción
Los motores de turbinas de gas son muy usados para impulsar aeronaves porque
son ligeros, compactos y tienen una elevada relación entre potencia y peso. Las
turbinas de gas para aviones operan en un ciclo abierto llamado ciclo de propulsión
por reacción. El ciclo de propulsión por reacción ideal difiere del ciclo Brayton ideal
en que los gases no se expanden hasta la presión ambiente en la turbina. En
cambio, se expanden hasta una presión tal que la potencia producida por la turbina
es suficiente para accionar tanto el compresor como el equipo auxiliar, por ejemplo
un generador pequeño y bombas hidráulicas. Es decir, la salida de trabajo neto de un
ciclo de propulsión por reacción es cero. Los gases que salen de la turbina a una
presión relativamente alta se aceleran en una tobera para proporcionar el empuje
que impulsa al avión. También las turbinas de gas para aviones operan a mayores
relaciones de presión (por lo común entre 10 y 25) y el fluido pasa primero a través
de un difusor, donde se desacelera y su presión se incrementa antes de que entre al
compresor.
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Figura 5. 1 Componentes básicos de un motor de propulsión por reacción y el diagrama T-s del ciclo ideal de propulsión por
reacción.
Baja velocidad entra al motor y con que los gases de escape de alta velocidad salen
de él; esto se determina de la segunda ley de Newton. Las presiones en la entrada y
la salida del turborreactor son idénticas (la presión ambiente), por lo tanto el empuje
neto desarrollado por el motor es
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en la ecuación se toma como el flujo másico del aire en el motor. Un avión que vuela
a una velocidad constante utiliza el empuje para superar el arrastre del aire, y la
fuerza neta que actúa sobre el cuerpo del avión es cero. Los aviones comerciales
ahorran combustible al volar a mayores altitudes durante largos viajes, ya que el aire
a altitudes más grandes es menos denso y ejerce una fuerza de arrastre más
pequeña sobre el avión. La potencia desarrollada a partir del empuje de una máquina
recibe el nombre de potencia de propulsión W. P, que es la fuerza de propulsión
(empuje) por la distancia en que esta fuerza actúa sobre el avión por unidad de
tiempo; es decir, el empuje multiplicado por la velocidad del avión.
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Figura 5.4 Motor moderno de reacción utilizado para impulsar el avión Boeing 777. Es un turboventilador Pratt & Whitney
PW4084 capaz de producir 84 000 lbs de empuje. Tiene 4.87 m (192 pulg) de longitud, tiene un ventilador de 2.84 m (112
pulg) de diámetro y pesa 6 800 kg (15 000 lbm).
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Ejemplo
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Solución
Conocido: Un turborreactor ideal opera de manera estacionaria. Se especifican las
condiciones fundamentales de operación.
Se debe hallar: La velocidad en la salida de la tobera, en m/s y la presión, en atm, en
cada punto principal.
Datos conocidos y diagramas:
Consideraciones e hipótesis:
1. Cada componente se analiza como un volumen de control en estado estacionario.
Los volúmenes de control se muestran en el esquema con líneas de puntos.
2. El difusor, compresor, turbina y tobera realizan procesos isoentrópicos.
3. No hay pérdida de presión en el flujo a lo largo del combustor
4. El trabajo obtenido en La turbina es justamente el necesario para accionar el
compresor.
5. Excepto a la entrada y salida de la instalación, los efectos de la energía cinética se
desprecian. Los efectos de la energía potencial no se tienen en cuenta en ningún
momento.
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o bien
Despejando h4r
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Obviamente, ningún proceso puede tener una eficiencia superior al 100% porque eso
sería tanto como decir que se estaría creando energía nueva. El primer principio de
la termodinámica (conservación de la energía) niega esta posibilidad. Por otro lado,
cuando el trabajo realizado es menor que la energía consumida, la pérdida o
diferencia entre ambos valores se transforma en calor, que podemos considerar
como energía inútil y por lo tanto perdida.
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Los motores de gasolina y diésel son máquinas térmicas y, por tanto, están limitadas
por el máximo absoluto de Carnot, pero su funcionamiento es sustancialmente
distinto y, por definición, menos eficiente, que el de la máquina reversible y perfecta
por muchos motivos. Así pues, sería más exacto hacer un modelo teórico de un
motor diésel o gasolina ideales para conocer su eficiencia máxima e insuperable.
Este modelo existe y es una especie de adaptación del ciclo reversible de Carnot al
ciclo de funcionamiento de estos motores en concreto. No vamos a bucear en sus
fórmulas, pero sí vamos a curiosear en sus resultados.
Empezando por un motor de Ciclo Otto (gasolina convencional) y según este cálculo
explicado por la Universidad de Sevilla, tomando datos razonables para las variables
implicadas, la eficiencia máxima de un motor teórico perfecto de gasolina con
relación de compresión 8:1 es de un 56,5%.
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En todos los casos, hablamos de que el calor generado por el motor de un coche
convencional engulle al menos el 60% de la energía química del combustible en el
caso del diésel y al menos un 70% en el caso de una gasolina. Falta descontar
todavía la resistencia a la rodadura, la resistencia aerodinámica y todas las pérdidas
de transmisión hasta poner el vehículo en movimiento…
Conclusión
Anexo
Bibliografía
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