Introducción a los motores térmicos para la asignatura Tecnología Industrial II

1. Motores térmicos
Tecnología Industrial II

2. Índice
Máquinas térmicas
Ciclo de Carnot
Ciclo Rankine
Ciclo Brayton
Ciclo Otto
Ciclo Diesel
Motores de cuatro y de dos tiempos
Máquinas frigoríficas

3. Máquinas térmicas
Máquina: conjunto de elementos que permiten
vencer una resistencia o transformar una
información aplicando una energía
Máquina térmica: dispositivo que trabaja de
forma cíclica o de forma continua para producir
trabajo mientras se le da y cede calor,
aprovechando las expansiones de un gas que
sufre transformaciones de presión, volumen y
temperatura en el interior de dicha máquina

4. Hipótesis usadas con
máquinas térmicas





El gas del interior de la máquina es ideal.
Se analiza un volumen fijo, como si fuera siempre
el mismo gas el que se calienta, se enfría, recibe
o realiza trabajo.
Las combustiones se consideran como aportes de
calor desde una fuente a temperatura elevada
La expulsión de gases quemados con la pérdida
de calor que eso supone, se considera enfriar el
volumen fijo.
Los procesos que sufre el gas son cíclicos, y el
final de cada ciclo coincide con el estado inicial
del gas.

5. Representación simplificada
MOTOR
Q = ΔE i + W
En un ciclo TF=TI ∆E i = 0
W = Q ENTRA − QSALE
η=
E ÚTIL
E CONSUMIDA
=
W
Q ENTRA

6. Clasificación de los motores

Por la forma del aporte de calor:
−
−

De combustión interna
De combustión externa
Por el movimiento de sus piezas:
−
Alternativos
−
Rotativos
−
De chorro

7. Frigoríficos

8. Ciclo de Carnot

9. Descripción
Transformaciones
A-B: Isoterma
B-C: Adiabática
C-D: Isoterma
D-A: Adiabática
Pulsa para ver la animación

10. Cálculos
W = Q ENTRA − QSALE
W Q E − QS
QS
η=
=
=1−
QE
QE
QE
QS TBAJA
=
Q E TALTA
ηTÉRMICO
TBAJA
=1−
TALTA

11. Consecuencias




El rendimiento de Carnot sólo depende de las
temperaturas máxima y mínima que se alcanzan
en el ciclo
El rendimiento es mayor cuanto más elevada es la
temperatura alta y cuanto menor es la
tempreratura baja
No existe ninguna máquina que genere trabajo de
forma continua si sólo le damos energía calorífica
y no la refrigeramos.
No puede existir una máquina térmica que
funcionando entre dos temperaturas dadas tenga
mayor rendimiento que una de Carnot.

12. Ciclo Rankine

13. Diagrama p-V con cambio de fase

14. Descripción
Transformaciones
1-2: Compresión
de líquido
2-3: Vaporización
isocora
3-4: Expansión
adiabática
4-1: Condensación
Pulsa para ver la animación

15. Cálculos
W = Q ENTRA − QSALE
W Q E − QS
QS
η=
=
=1−
QE
QE
QE
QS TBAJA
=
Q E TALTA
ηTÉRMICO
TBAJA
= 1−
TALTA
Nunca se alcanza este rendimiento ideal

16. Aplicaciones


Centrales
termoeléctricas
Locomotoras
de vapor

17. Ciclo Brayton

18. Descripción
Transformaciones
1-2: Compresión
adiabática
2-3: Calentamiento
isobárico
3-4: Expansión
adiabática
Pulsa para ver la animación
4-1: Refrigeración
isobara

19. Cálculos
W = Q ENTRA − QSALE
Q E = m · C P · (T3 − T2 )
QS = m · CP · (T4 − T1 )
T4 − T1
η =1−
T3 − T2
T3 − T2  p 2 
= 
T4 − T1  p1 
 
ηTÉRMICO = 1 −
γ −1
γ
1
rP
γ −1
γ

20. Aplicaciones


Centrales termoeléctricas
de gas
Reactores

21. Partes

22. Ciclo Otto

23. Descripción
Transformaciones
2-3: Compresión
adiabática
3-4: Calentamiento
a V constante
4-5: Expansión
adiabática
5-6: Refrigeración
a V constante
Pulsa para ver la animación
6-7/1-2: Renovación
de gases

24. Valores geométricos del motor
Carrera

Valores
derivados
Diámetro

Datos

Relación de compresión rC

Cilindrada

Volumen de la cámara de
combustión

Volumen máximo

Radio de giro del cigüeñal

25. Descripción del motor de
gasolina
Pulsa para ver la animación

26. Descripción del motor de
gasolina

27. Cálculos
W = Q ENTRA − QSALE
Q E = m · C V · (T4 − T3 )
QS = m · CV · (T5 − T6 )
η =1−
1
γ −1
rC

28. Correcciones a los ciclos
Pulsa para ver la animación

29. Correcciones a los ciclos

Adelanto del encendido
Adelanto apertura de la admisión (AAA)

Retraso cierre de la admisión (RCA)

Adelanto apertura del escape (AAE)

Retraso cierre del escape (RCE)

Ciclo indicado
WINDICADO
ηDIAGRAMA =
WTEÓRICO

30. Correcciones al ciclo indicado

Teniendo en cuenta los rozamientos
ηMECÁNICO =
WEJE
WINDICADO

31. Rendimientos
Q ENTRA
Rozamiento
Ciclo ideal
Trabajo teórico
ηTEÓRICO
WTEÓRICO
Q ENTRA
ηTOTAL
Ciclo indicado
Trabajo indicado
ηDIAGRAMA
WINDICADO
WTEÓRICO
Trabajo útil
ηMECÁNICO
WÚTIL
WINDICADO
WÚTIL
=
= ηTÉRMICO · ηDIAGRAMA · ηMECÁNICO
Q ENTRA

32. Cálculo de la potencia
• Cada ciclo se produce un trabajo W ÚTIL
• Un ciclo completo se realiza en dos vueltas
• La velocidad de giro del motor n se mide en
r.p.m.
WÚTIL
P=
t
En 2 vueltas se hace un trabajo WÚTIL
El motor gira n vueltas en 60 segundos
El tiempo que se tarda en girar dos vueltas es:
n vueltas → 60 s
2 · 60
t=
2 vueltas → t s
n

33. Cálculo del par motor
• Se usa el par en vez de fuerza en la mecánica de
rotación
En mecánica lineal:
W F·d
P=
=
= F· v
t
t
En mecánica de rotación: P = F · v = F · ω · r = C · ω
ω en rad/s:
1 vueltas → 2π rad
n vueltas → ω rad
rad  1 min  2π · n
ω = 2π · n
·
 60 s  = 60

min 


34. Cuatro cilindros en línea

35. Otros motores

36. Otros motores

37. Otros motores

38. Motores Wankel
• Motor rotativo de cuatro tiempos

39. Motores de dos tiempos
Pulsa para ver la animación

40. Ciclo Diesel

41. Descripción
Transformaciones
2-3: Compresión
adiabática
3-4: Calentamiento
a p constante
4-5: Expansión
adiabática
5-6: Refrigeración
a V constante
Pulsa para ver la animación
6-7/1-2: Renovación
de gases

42. Valores geométricos del motor
Datos




Diámetro
Carrera
Relación de compresión rC
Relación de volúmenes rV

43. Cálculos
W = Q ENTRA − QSALE
Q E = m · C P · (T4 − T3 )
QS = m · C V · (T6 − T7 )
γ
rV − 1
η = 1 − γ −1 ·
rC γ·(rV − 1)
1

44. Introducir combustible

45. Gasolina

46. Gasolina

47. Diesel

48. Sobrealimentación

49. Ciclos frigoríficos

50. Máquinas frigoríficas

Funcionamiento inverso respecto a los motores
MOTOR
FRIGORÍFICO

51. Tipos de máquinas frigoríficas
REFRIGERADOR
COPFRIGO
Q ENTRA
=
W
TB
COPFRIGO =
TA − TB
BOMBA DE CALOR
QSALE
COPBOMBA =
W
TA
COPBOMBA =
TA − TB

52. Refrigeración por absorción

Cambio de fase

Ciclo Brayton inverso
Pulsa para ver la animación

53. Refrigeración por compresión

Sin cambio de fase

Ciclo Rankine inverso

54. FIN
José Ramón López - 2013