Características de un motor de combustión interna

Definición de máquina térmica, motor térmico, motores de combustión interna y motores de combustión externa. Ejemplos de cada uno. Máquina térmica:
Máquina por la que evolucionan fluidos de compresibilidad no despreciable. La compresibilidad juega un papel importante en el intercambio energético entre el fluido y el eje de la máquina. Ejemplo: Turbina de vapor.

Motor térmico:

Conjunto de elementos mecánicos que permiten intercambiar energía mecánica con el exterior (generalmente a través de un eje) a partir de la térmica generada en el mismo, mediante un proceso de combustión tradicional o mediante una reacción nuclear. Ejemplo: Motor de combustión interna o externa.

Motor de combustión interna:

“La energía térmica se genera en el propio fluido de trabajo”, es decir, el mismo fluido que circula por el interior del motor. Ejemplo: Turbina de gas de ciclo abierto.

Motor de combustión externa:

La energía térmica NO se genera en el propio fluido de trabajo. La aportación de calor al fluido de trabajo se da a través de una pared a medida que el fluido evoluciona por el motor. Ejemplo: Motor Stirling.

Diferencias entre motor térmico y máquina térmica. Ejemplos de ambos

La diferencia fundamental reside en que en el motor térmico la energía térmica se genera en el propio motor por combustión tradicional o reacción nuclear. Sin embargo, en una máquina térmica, la obtención de energía térmica se lleva a cabo mediante la variación de volumen que sufre el fluido a su paso por la máquina. Ejemplo motor térmico: motor Stirling (motor de combustión externa, fluido no condensable, volumétrico y alternativo). Ejemplo máquina térmica:
turbina de vapor (máquina térmica motora, volumétrica y alternativa)

1.Justificar por qué al aumentar la temperatura de admisión en la turbina de vapor, aumenta el rendimiento térmico y el trabajo específico.
Cuando se eleva la temperatura del vapor a la entrada de la turbina, manteniendo la presión de admisión y la presión del condensador constantes, el rendimiento térmico del ciclo aumenta.
Esto es debido a que la temperatura termodinámica media de aportación de calor aumenta. La subida de la temperatura de admisión, puede considerarse como el resultado de añadir otro ciclo. Ese ciclo, el 3’4’433’ tiene mayor rendimiento, puesto que la temperatura media de aportación de calor en este último es mayor y ambos tienen la misma temperatura de cesión de calor. La suma de un ciclo de mayor rendimiento conduce a un ciclo total de mayor rendimiento que el inicial. Por otra parte, el salto entálpico en la turbina también se ve incrementado con el aumento de la temperatura inicial. Como se observa en el diagrama T-s, el aumento de la temperatura inicial conlleva un aumento del título en el escape de la turbina y, por tanto, una disminución de la humedad, lo que conlleva un aumento del rendimiento interno de la turbina. Para destacar la importancia de la disminución del título en el escape, se exponen los efectos negativos que genera. Erosiones en los álabes (acción mecánica, cavitación, impactos). Diferentes velocidades en magnitud, y sentido de las fases de vapor líquido. Rozamiento entre fases. Pérdidas de borde (aumento del espesor relativo del borde de ataque y en el juego axial entre estátor y rotor). Pérdidas por choque –El límite de humedad está comprendido entre el 10% y el 16%.Para evitar las pérdidas por humedad se recurre a los siguientes medios además de elevar la temperatura de admisión: Extraer humedad del estátor. Reducir en lo posible el número de álabes para disminuir los efectos de borde. Aumentar el juego axial entre el estátor y rotor. Materiales más resistentes. Las temperaturas del vapor vivo de admisión en la turbina varían entre 530ºC y 565ºC.La mejora de rendimiento que se obtiene al elevar la temperatura de vapor vivo de 530ºC a 540ºC es del orden de 0,3%. El crecimiento de los gastos, en lo concerniente al generador de vapor y a los conductos de vapor vivo, es relativamente pequeño, de manera que la rentabilidad de esta medida está garantizada. El aumento de la temperatura de 540ºC a 565ºC mejora el rendimiento en un 0,79%, pero implica que deban utilizarse en la turbina materiales con mejores propiedades (efecto de corrosión bajo tensión: Medio agresivo + Esfuerzo cte) aunque no necesariamente deben ser aceros austeníticos, aunque los álabes sí que deben estar hechos de ese material incluso para temperaturas inferiores. A partir de una Tª de pared de tubo del orden de 600ºC, en el recalentador final son necesarias superficies de tubo mayores y aceros austeníticos. Las tuberías entre generador de vapor y turbina también austeníticos. Conviene hacer notar que, aunque resulte rentable, la tasa de fallos aumenta con dicha elevación, sobre todo en los generadores de vapor, ya que las turbinas se ven menos afectadas.

2.  Al realizar un recalentamiento intermedio de las turbinas de vapor. ¿Aumenta siempre el rendimiento del ciclo? ¿Por qué?
En el ciclo con recalentamiento intermedio, el vapor parcialmente expansionado en la turbina se vuelve a recalentar generalmente hasta una temperatura igual a la inicial. La ventaja fundamental de este ciclo consiste en la disminución de la humedad por el aumento del título en el escape de la turbina cuando se utilizan presiones de admisión altas. Esto representa una mejora del rendimiento interno de la turbina. Como ventaja adicional, se puede obtener una mejora del rendimiento térmico dependiendo de la presión a la que se realice el recalentamiento. Según el diagrama T-s, el ciclo con recalentamiento intermedio puede considerarse como la suma de los ciclos 1-2-3-4-1 y 4-R-3’-4’-4. Como la temperatura de cesión de calor es en ambos ciclos la misma, si la temperatura termodinámica media de aportacióndel ciclo adicional (T’ AR) es mayor que la del primero (Ta), el ciclo con recalentamiento intermedio resultante, tendrá un rendimiento mayor que el original de Rankine. A medida que se aumenta la temperatura TR, crecerá la temperatura termodinámica media del ciclo adicional, pero su peso específico en el ciclo total será menor. Al contrario sucede si se disminuye la temperatura TR, por tanto, existirá una temperatura TR óptima a la cual corresponderá la presión óptima de recalentamiento, que producirá a máxima ganancia de rendimiento térmico del ciclo. Esta ganancia máxima corresponde a realizar el recalentamiento aproximadamente cuando el vapor realizado un salto del orden de 1/3 del salto isentrópico total del ciclo original de Rankine, que coincide con una presión de aproximadamente 1/4 – 1/5 de la inicial. El aumento de la temperatura final de recalentamiento de 530ºC a 540ºC permite mejorar el rendimiento un 0,2%, mientras que la elevación de la misma de 540ºC a 565ºC mejora el rendimiento un 0,4% aproximadamente.

3.¿Qué problemas presenta la utilización de presiones elevadas de admisión en la turbina de vapor? ¿Cómo se resuelve este problema?
El aumento de la presión de admisión (con Tª admisión y presión del condensador ctes) ocasiona una disminución del título en el escape (aumento de la humedad), que trae consigo una disminución del rendimiento interno de la turbinay hacen problemática la viabilidad de las centrales supercríticas. Para mejorar el rendimiento del ciclo. El aumento de Padm, debe hacerse manteniendo constantes la temperatura de admisión y la presión del condensador. Dicho aumento es debido al incremento de temperatura termodinámica media de aportación de calor, como se observa en el diagrama (Ta àTa’). Ahora bien, a medida que se va aumentando más y más la presión, dicha temperatura cree después se frena el crecimiento y posteriormente disminuye. Esto es debido a que cada vez va teniendo más importancia el calor aportado desde el punto 2 hasta la línea de saturación, el cual se aporta a temperaturas relativamente bajas. Para evitarlo se puede recurrir a elevar la temperatura del agua de alimentación de la caldera mediante el ciclo regenerativo, de tal forma que el vapor expansionado parcialmente en la turbina de vapor se vuelve a recalentar hasta una temperatura igual a la inicial, disminuyendo así la humedad y aumentando así el rendimiento total del ciclo.

7.  ¿Con qué objeto se utiliza el recalentamiento intermedio en las plantas de potencia de vapor de combustible fósil?
En estas instalaciones se trabaja con presiones de admisión elevadas ya que la turbina trabaja con vapor saturado debido a las exigencias del reactor. Al trabajar con presiones de admisión altas, aumenta la humedad y disminuye el rendimiento térmico. Por ello, se recurre al recalentamiento intermedio. En el que se recalienta el vapor parcialmente expansionado en la turbina hasta una temperatura igual a la inicial, de tal forma que se produce un aumento en el título de escape (disminución de la humedad), aumentando así el rendimiento interno de la turbina y en consecuencia del ciclo.

8.Tenemos 2 turbinas de vapor con la misma presión, temperatura de entrada e igual presión en el condensador. La “A” con un ciclo simple y la “B” con un ciclo regenerativo. Si ambas dan la misma potencia, ¿Cuál de ellas trabaja con un gasto másico mayor?
La turbina “B” (ciclo regenerativo) trabaja con mayor gasto másico, ya que, al tener extracciones, el trabajo desarrollado por la turbina disminuye, por lo que es necesario aumentar el gasto másico para obtener la misma potencia. Ahora bien, el rendimiento también será mayor en “B”, ya que el gasto aumentará más en la zona de alta presión que en la de baja, por lo que el rendimiento interno de la máquina aumenta, ya que la zona de baja presión tiene comparativamente peor rendimiento a causa de la humedad.

9.¿Por qué se utilizan temperaturas elevadas de vapor vivo en las turbinas de vapor? ¿Qué factores lo limitan?

Cuando se eleva la temperatura del vapor a la entrada de la turbina, manteniendo la presión de admisión y la presión del condensador constantes, el rendimiento térmico del ciclo aumenta. Esto es debido a que la temperatura termodinámica media de aportación de calor aumenta. La subida de la temperatura de admisión, puede considerarse como el resultado de añadir otro ciclo. Ese ciclo, el 3’4’433’ tiene mayor rendimiento, puesto que la temperatura media de aportación de calor en este último es mayor y ambos tienen la misma temperatura de cesión de calor. La suma de un ciclo de mayor rendimiento conduce a un ciclo total de mayor rendimiento que el inicial. Por otra parte, el salto entálpico en la turbina también se ve incrementado con el aumento de la temperatura inicial. Como se observa en el diagrama T-s, el aumento de la temperatura inicial conlleva un aumento del título en el escape de la turbina y, por tanto, una disminución de la humedad, lo que conlleva un aumento del rendimiento interno de la turbina. Los factores que limitan estas mejoras son: Limitaciones impuestas por los materiales de turbinas, álabes y tuberías. Aumenta la tasa de fallos, en los generadores de vapor en mayor medida, ya que se las turbinas se ven menos afectadas.

10.¿Cómo influye en la potencia efectiva (W’e) de una turbina de vapor el aumento de la temperatura de admisión de la turbina? Razone su respuesta.
Al aumentar la temperatura de admisión de la turbina aumenta el rendimiento, el trabajo específico y por tanto la potencia efectiva. Justificación: Cuando se eleva la temperatura del vapor a la entrada de la turbina, manteniendo la presión de admisión y la presión del condensador constantes, el rendimiento térmico del ciclo aumenta. Esto es debido a que la temperatura termodinámica media de aportación de calor aumenta. La subida de la temperatura de admisión, puede considerarse como el resultado de añadir otro ciclo. Ese ciclo, el 3’4’433’ tiene mayor rendimiento, puesto que la temperaturamediadeaportaciónde calor en este último es mayor y ambos tienen la misma temperatura de cesión de calor. La suma de un ciclo de mayor rendimiento conduce a un ciclo total de mayor rendimiento que el inicial.Por otra parte, el salto entálpico en la turbina también se ve incrementado con el aumento de la temperatura inicial. El aumento de la temperatura inicial conlleva un aumento del título en el escape de la turbina y, por tanto, una disminución de la humedad, lo que conlleva un aumento del rendimiento interno de la turbina. Aumenta la potencia efectiva ya que aumenta el trabajo específico. Esto se debe a que el salto entálpico en la turbina es mayor, por lo que aumenta el trabajo de realizado por la turbina.

¿Con qué criterio optimizamos la relación de compresión de una turbina de gas deaviación?

Las relaciones de compresión más interesantes se encuentran entre las de máxima potencia y la de máximo rendimiento. Se tiende hacía una u otra según se desee alta potencia específica (aviación militar) o alto rendimiento, lo que viene ligado al tipo de servicio. Las altas relaciones de compresión presentan dificultades respecto del diseño del compresor, siendo necesario a partir de 7-8, utilizar dos compresores axiales en serie (por inestabilidad del flujo). En este caso elegimos variar la relación de compresión para obtener la máxima potencia, ya que, a alturas elevadas, la densidad del aire es menor, por tanto, es preferible aumentar la potencia para poder mantener al avión en el aire. En este caso mejorar el rendimiento no es tan decisivo como la mejora de potencia.

3.¿Qué influencia tiene la temperatura de entrada a la turbina y la relación de compresión sobre el trabajo específico y el rendimiento en una turbina de gas

Primero estudiamos la relación de compresión. Si representamos el trabajo W en función de ρ, tenemos la siguiente gráfica, para valores de θ, ƞc y ƞt constantes. Los puntos de corte de dicha curva con el eje de abscisas son los que hacen W=0, es decir:
δ = 0 y δ = θ ƞc ƞt
El rendimiento se hace nulo para los mismos valores de δ que el trabajo específico trabajo específico, que son vemos que el valor de la relación de compresión que hace máximo el rendimiento es superior al que hace máximo el trabajo específico: Los valores de θ, ƞc y ƞt aumentan notablemente los valores del trabajo específico y del rendimiento para cualquier relación de compresión, desplazando las correspondientes a máxima potencia y máximo rendimiento hacia valores más elevados. La tempera de entrada a la turbina T03 se define como la temperatura media del flujo de gases que llega a la primera corona del estátor de la turbina; para una turbina de álabes no refrigerados es la misma que a la entrada de la primera corona del rotor. En turbinas refrigeradas, los gases procedentes de la cámara de combustión se mezclan con el aire de refrigeración de la primera corona de estátor, aumentando el gasto y disminuyendo su temperatura antes de incidir en el primer rotor. Esta temperatura de entrada al rotorde la turbina es la que comienza la extracción de trabajo y define realmente la temperatura máxima del ciclo termodinámico. Al aumentar T03, aumenta el grado de recalentamiento y por tanto, los valores de máxima potencia y rendimiento.

¿Qué ventajas e inconvenientes presenta la regeneración en las turbinas de gas de ciclo simple?

Ventajas: La regeneración aumenta el rendimiento. Ejemplos: Turbina no regenerativa: 30-40 % Turbina regenerativa: 32-43 % Disminuye notablemente la relación de compresión de máximo rendimiento, lo que incide favorablemente en el diseño del compresor. Disminuye porque aumenta T01 y, en consecuencia, disminuye θ. El aumento de la temperatura de admisión de la turbina T03 (o lo que es lo mismo de θ) conduce a mayores aumentos del rendimiento del ciclo que en el caso de la turbina no regenerativa. Esta carácterística es importante desde el punto de vista del progreso que experimentan los materiales y técnicas de refrigeración de los álabes. Inconvenientes: Mayor peso de la instalación debido al intercambiador de calor y a la disminución del trabajo específico de la planta. Como la relación de compresión de máximo rendimiento es menor que la de máxima potencia, sobre todo si el rendimiento del intercambiador es alto, es inevitable que una planta diseñada para alto rendimiento resulte penalizada en cuanto a volumen y peso. Los tamaños y pesos delos intercambiadores aumentan con sus respectivos rendimientos. El trabajo específico disminuye ligeramente en la práctica debido a las pérdidas suplementarias de carga que supone la introducción de un intercambiador. Debe tenerse en cuenta que, en turbinas de gas, las pérdidas de carga tienen mayor importancia relativa que en las turbinas de vapor. El coste de la planta para una potencia dada aumenta, por lo que habrá que establecer una solución de compromiso entre los gastos de primer establecimiento y los de explotación. Posible riesgo de incendio en el intercambiador.

¿Por qué las turbinas de gas de ciclo simple regenerativo no se diseñan con la relación decompresión de máximo trabajo específico?
El aumento de la relación de compresión = disminución del rendimiento del ciclo La relación de compresión de máximo rendimiento es inferior a la de máxima potencia. Ello es debido a que la cantidad de calor aportado es creciente con la relación de compresión. El ciclo regenerativo se basa en la posibilidad de aprovechar el estado térmico a la salida de la turbina como fuente de calor para precalentar el aire a la salida del compresor y reducir, consecuentemente, la energía aportada en la cámara de combustión, de esta forma, lo que buscamos es un aumento del rendimiento. Para que esta transmisión de calor sea posible es necesario disponer de un gradiente suficientemente elevado que compense el empleo de 5un intercambiador de calor. Los ciclos regenerativos, se diseñan con relaciones de compresión más reducidas para disponer de un gradiente de temperaturas más elevado.

1.Explicarporquédesdeelpuntodevistatermodinámico,enlosciclos combinados de vapory gas se puede alcanzar un rendimiento térmico alto.

OPCIÓN 1: El rendimiento aumenta puesto que se combina el ciclo de turbina de gas, en el cual la aportación de energía se hace a alta temperatura, y la de la turbina de vapor, en el que la cesión de calor se realiza a temperatura baja (relativamente próxima a la del ambiente) consiguiendo así un rendimiento térmico alto. El rendimiento de Carnot es el máximo rendimiento de un proceso termodinámico ideal entre dos temperaturas extremas (foco caliente y foco frío). Sin embargo, los procesos reales siempre tienen rendimientos más bajos debido a las pérdidas: pérdidas enérgicas y pérdidas exergéticas. Las primeras se deben fundamentalmente a pérdidas de calor (radiación y convección) y las exergéticas son pérdidas internas originadas por las irreversibilidades del proceso. Para mejorar el rendimiento térmico de las plantas de potencia es por tanto necesario: Maximizar la exergía termomecánica suministrada al fluido de trabajo, reduciendo la pérdida en el proceso de combustión o de transferencia de calor. Maximizar la conversión de la exergía termomecánica del fluido de trabajo en trabajo útil reduciendo las pérdidas exergéticas en la evolución del mismo por la instalación El primer punto requiere transferir tanto calor como sea posible al fluido de trabajo a la temperatura más alta posible. Esto depende fundamentalmente del tipo de planta y de sus restricciones prácticas El segundo, requiere el desarrollo de máquinas más eficientes Comparando la turbina de gas con la de vapor, la primera tiene una ventaja inherente en lo que se refiere a la reducción de pérdidas en la transferencia de exergía al fluido de trabajo (primer punto de los dos señalados anteriormente para obtener un alto rendimiento térmico en una planta de potencia). Sin embargo, en el segundo punto, la turbina de gas presenta alguna desventaja frente a la de vapor pues más exergía es destruida después de la transferencia inicial debido a: Necesidad de refrigerar los álabes de la turbina. La exergía de los gases de escape está diluida y es difícil de recuperar ya que está contenida en un gran gasto másico a modesta Tª No obstante, la ventaja primera es tan grande que la combinación de ambos ciclos permite alcanzar rendimientos de hasta el 60% frente al 45% de las plantas de vapor más eficientes.

OPCIÓN 2: Las modificaciones a los ciclos simples de la turbina de vapor y la turbina de gas están encauzadas a la obtención de un mejor rendimiento económico de la planta, sin embargo, es posible llegar a rendimientos todavía más altos mediante la utilización de plantas basadas en la combinación de dos ciclos termodinámicos que trabajan con el mismo o distinto fluido de trabajo. El ciclo al cual se suministra la mayor parte del calor asociado al combustible se denomina ciclo de cabeza y el que recibe todo el aporte de calor del otro se denomina ciclo de cola. Si podemos aumentar la temperatura termodinámica media de aportación de calor y/o disminuir la cesión de calor, se podrá obtener una planta con mayor rendimiento térmico siempre que no se introduzcan irreversibilidades sustanciales.

4. Diferencia entre una turbina de gas que trabaja de forma aislada y otra turbina de gas quetrabaja dentro de un ciclo combinado.
En una turbina de gas que trabaja de forma aislada, nos interesa tener un gradiente de temperatura elevado, de forma que, la temperatura de escape sea la mínima posible para obtener así un mayor rendimiento. Sin embargo, en una TG que trabaja dentro de un CC, la turbina de gas puede asemejarse a una TG regenerativa, ya que, en dichos ciclos buscamos obtener la máxima Tª de escape para poder aprovechar esos gases para calentar la caldera y así mejorar el rendimiento de la TV porque el vapor entra a mayor temperatura y, en consecuencia, el rendimiento del ciclo.