Cecilia Gallardo C.I: 30.320.437 Sección: MM01 Trayecto 02 Fase 02

1. Proceso de Combustión
en Moteres de Combustión
Interna y Externa
Realizado por:
Cecilia Gallardo c.i.
30.320.437
MM01 Trayecto 02
Fase 02
Pnf mantenimiento
Profesora:
Ing. Lennys
Betancourt
República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la
Educación
Universidad Politécnica Territorial José
Antonio Anzoátegui
El Tigre-Estado Anzoátegui
Noviembre
2020

2. ¿Qué es una central térmica
convencional?
Las centrales térmicas convencionales, también llamadas
termoeléctricas convencionales, utilizan combustibles fósiles (gas
natural, carbón o fueloil) para generar energía eléctrica mediante un
ciclo termodinámico de agua-vapor. El término ‘convencional’ se
utiliza para diferenciarlas de otras centrales térmicas, como las de
ciclo combinado o las nucleares.
Las centrales térmicas convencionales están compuestas de varios
elementos que posibilitan la transformación de los combustibles fósiles
en energía eléctrica. Sus componentes principales son:
Principales componentes
Caldera: espacio donde el agua se transforma en vapor gracias a la
quema de combustible. En este proceso la energía química se
transforma en térmica.
Serpentines: cañerías por donde circula el agua que se transforma
en vapor. En ellos se produce el intercambio de calor entre los gases de
la combustión y el agua.
Turbina de vapor: máquina que recoge el vapor de agua y que,
gracias a un complejo sistema de presiones y temperaturas, consigue
que se mueva el eje que la atraviesa. Esta turbina normalmente tiene
varios cuerpos, de alta, media y baja presión, para aprovechar al
máximo el vapor de agua.
Generador: máquina que recoge la energía mecánica generada en
el eje que atraviesa la turbina y la transforma en eléctrica mediante
inducción electromagnética. Las centrales eléctricas transforman la
energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y alterna.
El generador conecta el eje que atraviesa los diferentes cuerpos.
2

3. Funcionamiento de una central
térmica convencional
3
En las centrales térmicas convencionales, el combustible se quema en una caldera
provocando la energía térmica que se utiliza para calentar agua, que se transforma en
vapor a una presión muy elevada. Después, ese vapor hace girar una gran turbina,
convirtiendo la energía calorífica en energía mecánica que, posteriormente, se
transforma en energía eléctrica en el alternador. La electricidad pasa por un
transformador que aumenta su tensión y permite transportarla reduciendo las pérdidas
por Efecto Joule. El vapor que sale de la turbina se envía a un condensador para
convertirlo en agua y devolverlo a la caldera para empezar un nuevo ciclo de
producción de vapor.
El funcionamiento de las centrales térmicas convencionales es el mismo
independientemente del combustible que utilice. Sin embargo, sí que existen diferencias
en el tratamiento previo que se hace del combustible y en el diseño de los quemadores
de las calderas. De esta manera, si la central es de carbón, el combustible se tiene que
triturar previamente. En las centrales de fueloil, el combustible se calienta, mientras que
en las de gas natural, el combustible llega directamente por gaseoductos, por lo que no
necesita almacenaje previo. En el caso de las centrales mixtas, se aplica el tratamiento
que corresponda a cada combustible.

4. Impactos
medioambientales
4
Las centrales térmicas convencionales inciden en el medioambiente principalmente de dos maneras:
emitiendo residuos a la atmósfera y mediante la transferencia térmica. En el primer caso, la quema
de los combustibles fósiles genera unas partículas que van a parar a la atmósfera, pudiendo
perjudicar el entorno del planeta. Por eso, este tipo de centrales poseen chimeneas de gran altura
que dispersan estas partículas y reducen, localmente, su influencia negativa en el aire. Además, las
centrales térmicas convencionales también tienen filtros de partículas que retienen una gran parte de
estas, evitando que salgan al exterior.
En el caso de la trasferencia térmica, las
centrales térmicas de ciclo abierto pueden
provocar el calentamiento de ríos y mares.
Afortunadamente, este impacto se soluciona
utilizando sistemas de refrigeración que enfrían
el agua hasta dejarla en una temperatura
adecuada para el medio ambiente.

5. MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN EXTERNA
El motor de combustión externa se creó por
primera vez a principios de la década de 1920.
Debido a que se introdujo después de que los
motores de combustión interna se habían
convertido en la norma, fue ampliamente
ignorado durante gran parte del siglo XX.
Historia de los motores de combustión externa
Luego, en 1993, el Dr. Timothy McVeigh se intrigó con
el dispositivo y lo patentó. En abril de 1995, McVeigh
lo probó en su laboratorio de Oklahoma City. Tras el
notable éxito del motor de combustión externa en la
prueba del mundo real de McVeigh, fundó una empresa
y comenzó a fabricar los motores a gran escala.
La empresa fue adquirida
posteriormente por Ralph Nader,
quien aumentó la producción y
comenzó a instalar motores de
combustión externa estándar en
todos los automóviles Ford Pinto.
Es una máquina que realiza una conversión de energía calorífica en
energía mecánica mediante un proceso de combustión que se realiza
fuera de la máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de
vapor, será la que realice el trabajo.
Definición
5

6. “
6
¿QUÉ ES UNA CALDERA?
La Caldera de vapor fue diseñada por
Dionisio Papin en 1769 y terminó de
ser desarrollada por James Watt en
1776. En esas épocas su función era
para accionar bombas de agua,
teniendo una forma cilíndrica vertical y
eran de una larga vida útil.
La caldera es una máquina o
dispositivo de ingeniería diseñado
para generar vapor saturado. Este
vapor se genera debido a una
transferencia de calor a presión
constante, en el cual el fluido, se
calienta y cambia de estado.

7. TIPOS DE CALDERAS
7
Son aquellas calderas en las que el fluido de
trabajo que puede ser agua , y
posteriormente donde los gases calientes
que saturan el exterior se encuentran en
contacto con los tubos, evaporando el agua
y dando lugar a una circulación de vapor.
Calderas Acuotubulares
Calderas Pirotubulares
La circulación del agua en este tipo de
caldera, alcanza velocidades considerables
con lo que se consigue una transmisión
eficiente del calor y por consiguiente, se
eleva la capacidad de producción de vapor.
El fluido en estado líquido se
encuentra en un recipiente
atravesado por tubos, por los
cuales circulan gases a alta
temperatura, producto de un
proceso de combustión. El agua se
evapora al contacto con los tubos
calientes productos a la
circulación de los gases de escape.
La caldera pirotubular puede recibir
también la denominación de caldera de
tubos continuos o caldera de tubos de
retorno, de acuerdo a la dirección en la
que fluyan los gases. Estas calderas se
inventaron hace más de 200 años, y
durante 100 años fueron las únicas que
existieron. Posteriormente aparecieron
las calderas acuotubulares.

8. MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA
8
Tipos de motor de combustión interna
Motores ciclo Otto: Es el motor convencional de gasolina que funciona a cuatro tiempos. Su nombre
proviene de quien lo inventó, Nikolaus August Otto. Su funcionamiento se basa en la conversión de energía
química en energía mecánica a partir de la ignición producto de la mezcla carburante de aire y combustible.
Motores ciclo Diésel: Fueron inventados por Rudolf Diésel.
Emplean como combustible gasoil (conocido mayormente como Diésel).
También pueden usar una variante ecológica conocida como biodiesel. Esta
clase de motor emplea compresión para el encendido, en vez de una chispa.
La clasificación más importante de los motores alternativos se basa en el tipo de
combustible que emplean para la reacción de combustión, los cuales son:
Los motores de combustión interna reciben
dicho nombre porque la energía mecánica
generada a partir de la combustión se produce en
el interior de la cámara destinada a tal fin, a
diferencia de otros motores como el de vapor. La
combustión de carburante y oxígeno permite el
movimiento de un pistón, que propicia el avance
del vehículo. Pero dicho proceso se puede hacer
de varias formas distintas, siendo el ciclo Otto el
más habitual en motores de gasolina.

9. Ciclo Otto-El motor de cuatro tiempos
9
¿Como funciona un motor de combustión interna?
El motor de combustión interna de la mayoría de los vehículos posee cuatro fases, por las
cuales debe atravesar para que se realice completo el ciclo.
• Admisión: Baja el pistón del cilindro y aspira la mezcla de aire/combustible a
través de la válvula de admisión. En este instante la válvula de salida está cerrada.
• Compresión: Las dos válvulas se cierran, sube el pistón y comprime la mezcla
carburante; hay energía potencial.
• Explosión: Es aquí cuando la bujía emite una chispa en la mezcla que produce la
ignición. El pistón baja y se produce el movimiento.
• Escape: Sube de nuevo el pistón y se abre la válvula de escape, dejando salir los
gases que se producen en la explosión.
Este tipo de motor utiliza cuatro fases para completar el ciclo: admisión, compresión,
explosión y escape. Para todo ello utiliza dos giros del cigüeñal. Es el tipo más
utilizado en la actualidad, ya que ofrece un mejor rendimiento y genera menos
contaminación, además de consumir menos y producir menos vibraciones y desgaste.
Por el contrario, pesa más y es más caro, incrementándose también el gasto de las
reparaciones.

10. El motor de dos tiempos
10
Es utilizado principalmente en motores de poca cilindrada y económicos al ser más sencillo (no
cuenta con sistema de distribución) y ofrecer una menor eficiencia, pero permitir una mayor potencia
a igualdad de cilindrada que los de cuatro tiempos. Además, se puede colocar en cualquier posición al
no utilizar el cárter para almacenar el aceite, que ya se incluye en la mezcla para lubricar las piezas.
Completa todo el proceso con un único giro del cigüeñal.
Un motor de ciclo Otto debe trabajar con
una proporción de aire y combustible lo más
equilibrada posible, por lo que cuenta con
un margen muy estrecho. Esta proporción se
conoce como factor lambda e, idealmente,
tiene una proporción estequiométrica de
14,7 partes de aire por una de combustible.
Si administramos más aire, la
mezcla se empobrece y, aunque los
consumos y las emisiones se
reducen, también lo hace el par
máximo. Por el contrario, si la
proporción de aire se reduce, el par
y la potencia se incrementan a costa
de un mayor consumo y emisión de
gases contaminantes.
1- Compresión y aspiración El pistón asciende y comprime la mezcla de aire, combustible y
aceite. Esto crea un vacío en el cárter y, al finalizar su recorrido, el pistón deja libre una
lumbrera u orificio de aspiración que permite que el cárter se llene de nuevo con la mezcla.
2- Explosión y escape La bujía crea una chispa que prende la mezcla comprimida, creando
una explosión que empuja el pistón hacia abajo. Eso provoca que la mezcla se comprima en el
interior del cárter. El pistón libera el canal de escape del cilindro, saliendo los gases
resultantes. A través de la lumbrera que conecta el cárter con el cilindro, la mezcla
precomprimida llena este y libera el resto de gases, iniciándose de nuevo el ciclo.
Rendimiento

11. Ciclo Diesel
11
Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta
clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la combustión no se produce por la ignición de
una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el
aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de autoignición del gasóleo y el combustible es
inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla.
Admisión E→A: El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se
modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el
diagrama PV aparece como una recta horizontal.
Compresión A→B: El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene
posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática
reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. El punto inicial de
esta curva es aquél en el que el pistón se halla lo más bajo posible. A este punto se le conoce como PMI (punto muerto
inferior). El punto final corresponde a que el pistón esté en el punto más alto. Este es el PMS (punto muerto superior).
Combustión B→C: Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que
empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo
Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se
diferencia del Otto.
Expansión C→D: La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un
proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible.
Escape D→A y A→E: Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor
que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión.

12. Ciclo Mixtode Sabathé
12
Las condiciones reales de funcionamiento de los motores Diesel difieren notablemente de las que se
hallan representadas en los ciclos ideales Otto y Diesel. Para los motores Diesel, el proceso de
combustión se aproxima a una transformación a presión constante sólo en el caso de motores
excepcionalmente grandes y lentos.
El diagrama real muestra que, en condiciones normales, la combustión se lleva a cabo, en
los motores Diesel, según un proceso que se aproxima a la combustión de una
transformación a volumen constante y otra a presión constante.
Se puede afirmar que, en la práctica, los ciclos Otto y Diesel se aproximan mucho en la
forma, hasta el punto de poderlos considerar como un caso particular del ciclo mixto, en el
cual, parte de la combustión se verifica a volumen constante, y parte, a presión constante.
Este ciclo teórico está representado en la figura 28 y se conoce con el nombre de ciclo
mixto de Sabathé.
En este ciclo, después de la fase de compresión adiabática 1-2, sobreviene, como en el
ciclo Otto, una fase de combustión a volumen constante 2-3, durante la cual se introduce la
cantidad de calor Q1’ y luego, como en el ciclo Diesel, una fase de 3-4 de combustión a
presión constante, en cuyo decurso se introduce la cantidad de calor Q1’’.
Siguen después dos fases sucesivas, a saber: una, de expansión adiabática 4-5, y otra, de
sustracción, a volumen constante 5-1, de la cantidad de calor Q2.

13. Ciclo Mixtode Sabathé
13
Por tanto, la cantidad total de calor introducida vale:
Q1=Q1’+Q1’’
Recordando lo expuesto, a propósito de los ciclos Otto y Diesel,
podemos escribir:
Q1’=Cv (T3-T2)
Q1’’= Cp (T4-T3)
Q2= Cv (T5-T1)
De este modo, el rendimiento térmico ideal del ciclo Sabathé teórico
vale:
he= (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado

14. 14
Ciclo Brayton
El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de
un motor de turbina de gas, como los utilizados en las
aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:
Admisión El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
Compresor El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor
(movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática
A→B.
Cámara de combustión En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la
cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso
isóbaro B→C.
Turbina El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría
rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.
Escape Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior.
Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la
turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de
suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a
entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A.
Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es
cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para
los de ciclo abierto.

15. Tipos de Ciclos de Brayton
15

16. Ciclo Combinado
16
Los ciclos combinados son centrales de generación de energía
eléctrica en las que se transforma la energía térmica del gas
natural en electricidad mediante dos ciclos consecutivos: el
que corresponde a una turbina de gas convencional y el de una
turbina de vapor.
Este tipo de centrales se caracterizan por el uso que se realiza
del calor generado en la combustión de la turbina de gas, que
se lleva a un elemento recuperador del calor y se emplea para
mover una o varias turbinas de vapor. Estas dos turbinas, de
gas y vapor, están acopladas a un alternador común que
convierte la energía mecánica generada por las turbinas en
energía eléctrica.
La combinación de estos dos procesos permite alcanzar
rendimientos, en torno al 60%, muy superiores a los de una
central térmica convencional con un solo ciclo, ya que obtiene
la energía eléctrica en dos etapas, logrando así un mayor
aprovechamiento de la energía del combustible.

17. ¿Cómo funciona una central térmica de ciclo
combinado?
17
El gas natural es inyectado en el combustor junto con aire de
combustión que ha sido previamente filtrado y comprimido en el
compresor interno de la turbina de gas. En el combustor se produce
el proceso de combustión a alta presión. La energía de los gases de
combustión cuando se expanden, hace girar el eje principal de la
turbina de gas que, acoplado al generador, transforma la energía
mecánica en eléctrica.
Los gases de escape de la turbina, a una temperatura de 600 º C, circulan a
través de una caldera donde se recupera la mayor parte del calor que
contienen en forma de vapor recalentado. Este vapor se expansiona en una
turbina de vapor que acoplada a un alternador constituye la segunda etapa
de generación eléctrica. el vapor expandido a baja presión a la salida de la
turbina de vapor pasa a un condensador donde el agua, otra vez en fase
líquida, se introducida en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.
Primera Etapa Segunda Etapa
Beneficios medioambientales del ciclo combinado
• El rendimiento en las centrales de ciclo combinado es muy superior
(un 58% frente a un 36% de una central convencional). Es decir, con
un menor consumo de energía primaria se logra una mayor
producción de energía eléctrica. Ello supone ventajas tanto
medioambientales como económicas.
• Producen menor contaminación atmosférica, ya que el gas natural es
un combustible más limpio que el carbón, el petróleo o sus
derivados, usados en muchos casos para producir electricidad.
• Una central de ciclo combinado sólo requiere, para la condensación
del vapor, un tercio del agua de refrigeración necesaria en las
centrales térmicas convencionales.

18. 18
Problema resuelto-ciclo OTTO
Al comienzo de la compresión adiabática de un ciclo Otto ideal, con una relación de compresión de 8, se tienen los siguientes valores:
P1 = 1 bar, T1 = 300 K y V1 = 0, 6 litros. La temperatura máxima del ciclo es de 2000 K. Calcular: a) la temperatura y la presión al final
de cada proceso del ciclo; b) el calor absorbido; y c) el trabajo neto. (Tomar γ = 1, 4)
a) Calcula la temperatura y la presión al final de cada proceso del ciclo
Calculamos la temperatura T2 a partir de la relación de compression. La
relación de compresión de un ciclo Otto es
Calculamos la presión P2 a partir de la
relación de las adiabáticas (proceso 1-2)
Calculamos la presión P3
a partir de la relación de la
isocora (proceso 2-3)
Calculamos la temperatura
P4 a partir de la relación
de compresión
b) Calcular trabajo neto

19. GRACIAS POR LEER
19