Procesos de combustión en motores de combustión interna y externa

1. Profesora:
Ing. Lennys Betancourt
Integrante:
Ruthmely Maestre, V-25892371
Sección: MM02, T2-F2
El Tigre, Noviembre del 2020.

2. PLANTAS DE ENERGÍA DE VAPOR
A continuación se mostrarán algunos de los equipos más relevantes de una planta de energía (ciclo
agua-vapor).
Se debe tener en cuenta que no siempre se encontrarán estos equipos en la disposición mostrada,
esto es sólo un ejemplo:

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GENERADOR DE VAPOR
Un generador de vapor es una máquina o dispositivo de ingeniería, donde la energía química, se
transforma en energía térmica. Generalmente es utilizado en las turbinas de vapor para generar vapor,
habitualmente vapor de agua, con energía suficiente como para hacer funcionar una turbina en un ciclo
de Rankine modificado y, en su caso, producir electricidad. Los generadores de vapor se diferencian de
las calderas por ser mucho más grandes y complicados.
Existen generadores de vapor que no utilizan la energía química, sino que directamente concentran la
energía térmica, como es el caso de la energía termosolar de concentración.
Partes de un generador de vapor
• Economizador.
• Sobrecalentador.
• Recalentador.
• Precalentador de aire regenerativo.
• Hogar (caldera).

4. 
MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN EXTERNA
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.
CALDERA
Es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para
generar vapor. Este vapor se genera a través de una
transferencia de calor a presión constante, en la cual el
fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia
su fase.

5. 
TIPOS DE CALDERA
 Calderas acuotubulares: calderas en las que
el fluido de trabajo se desplaza por tubos
durante su calentamiento. Son las más
utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya
que permiten altas presiones a su salida y
tienen gran capacidad de generación.
 Calderas pirotubulares: 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.

6. 
CLASIFICACIÓN
 Máquinas de émbolo: Es muy ineficiente
porque los vapores que se vierten al exterior
están aun calientes y a suficiente presión como
para realizar mas trabajo útil. Se utilizan las
máquinas de varias etapas, donde el vapor de
desecho de una etapa se introduce en otra con
un émbolo mas grande para aprovechar mas aun
la energía que contiene.
 Turbinas: Un chorro de vapor de agua a
elevada presión y temperatura, se hace
incidir de manera adecuada sobre una hélice
con álabes de sección apropiada. Durante el
paso del vapor entre los álabes de la hélice,
este se expande y enfría entregando la
energía y empujando los álabes

7. 
MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA
Se denomina así todo motor en el cual la energía mecánica se obtiene mediante la transformación
de la energía térmica derivada de una combustión, que se produce en el interior del propio motor y
en el seno del propio fluido, llamado fluido activo, que genera el movimiento de los órganos del
motor (alternativo o rotativo) o el empuje (motores a chorro).
Un motor de combustión interna es un tipo de motor térmico en que la combustión se da en el
interior de sí mismo, es decir dentro del cilindro; es un proceso donde se transforma la energía
química del combustible en energía mecánica.
Estos motores están impulsados por un combustible (gasolina si es Ciclo Otto o diésel si es de
ciclo diésel); dentro del cilindro tendremos los distintos componentes como válvulas, pistones,
bielas, etc.; es aquí donde se realizan los 4 tiempos del ciclo termodinámico: Admisión,
Compresión, Explosión y Escape.

8. 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.
Como funciona un motor de combustión interna
1. 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.
2. Compresión: Las dos válvulas se cierran, sube el pistón
y comprime la mezcla carburante; hay energía potencial.
3. Explosión: Es aquí cuando la bujía emite una chispa en
la mezcla que produce la ignición. El pistón baja y se
produce el movimiento.
4. Escape: Sube de nuevo el pistón y se abre la válvula de
escape, dejando salir los gases que se producen en la
explosión.

9. 
CICLO OTTO
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en
los motores de combustión interna de encendido
provocado por una chispa eléctrica (motores de gasolina,
etanol, gases derivados del petróleo u otras sustancias
altamente volátiles e inflamables). Inventado por Nicolaus
Otto en 1876, se caracteriza porque en una primera
aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen
constante.
Ciclo de 4 tiempos (2 vueltas de cigüeñal)
Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto creados por IO, los motores de dos
tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado
en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos
tiempos.
El ciclo de 4 tiempos consta de seis procesos, dos de los cuales (E-A y A-E) no participan en el
ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del
mismo:

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1. E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga).
2. A-B: compresión de los gases e isoentrópica.
3. B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de
comenzar el tiempo útil.
4. C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo.
5. D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante.
6. A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga.)(isobárico).

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1. Durante la primera fase, el pistón se desplaza hasta el PMI (Punto
Muerto Inferior) y la válvula de admisión permanece abierta,
permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia
dentro del cilindro (esto significa que entra de forma gaseosa).
2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón
se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y
combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, una chispa
en la bujía enciende la mezcla.
3. Durante la tercera fase, se produce la combustión de la mezcla,
liberando energía que provoca la expansión de los gases y el
movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de
la energía química contenida en el combustible en energía mecánica
trasmitida al pistón, que la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al
cigüeñal, de donde se toma para su utilización.
4. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve
hacia el PMS (Punto Muerto Superior), expulsando los gases
producidos durante la combustión y quedando preparado para
empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga).
5. Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de
sobrealimentación, ya sea mediante empleo del turbocompresor o
mediante compresores volumétricos o también llamados
compresores de desplazamiento positivo.

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Ciclo de 2 tiempos (1 vuelta de cigüeñal)
1. (Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto
Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto
Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y
gasolina por la lumbrera de admisión hacia el cárter de precompresión .(Esto
no significa que entre de forma gaseosa). Cuando el pistón tapa la lumbrera,
deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido descendente, el pistón
la comprime en el cárter inferior, hasta que se descubre la lumbrera de
transferencia que lo comunica con la cámara de compresión, con lo que la
mezcla fresca precomprimida ayuda a expulsar los gases quemados del
escape.
Cuando el pistón empieza a subir la lumbrera de transferencia permanece
abierta una parte de la carrera y el cárter no coge aire fresco sino que
retornan parte de los gases, perdiendo eficiencia de bombeo. A altas
revoluciones se utiliza la inercia de la masa de los gases para minimizar este
efecto.(renovación de la carga)
2. (Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el
PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los
dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y
temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando
trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas
presiones, los gases quemados salen por ese orificio.

13. 
CICLO DIÉSEL
El ciclo del motor diésel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad)
ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diésel, en el que
se omiten las fases de renovación de la carga., y se asume que el fluido termodinámico que
evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos son ideales
y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy
aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones
cualitativas con respecto a este tipo de motores. No hay que olvidar que los grandes motores marinos
y de tracción ferroviaria son del ciclo de 2 tiempos diésel.

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1. Admisión E-A. El pistón desciende mientras la válvula de admisión permanece abierta,
absorbiendo aire a presión constante de la atmósfera. Se representa como una línea horizontal.
2. Compresión A-B. Asciende el pistón estando cerradas las válvulas de admisión y de escape, se
produce la comprensión del aire sin intercambio de calor, es decir es una transformación
adiabática.
3. Combustión B-C. Un instante antes de que el pistón alcance el PMS y hasta un poco después de
que comience la carrera descendente, el inyector introduce gasoil en el cilindro produciéndose la
combustión a presión constante durante un instante de tiempo mayor que en el motor de encendido
por chispa (es la diferencia más notable con el ciclo de Otto, estudiado anteriormente). Ambas
válvulas se mantienen cerradas.
4. Expansión C-D. La reacción química exotérmica producida en la combustión genera energía que
impulsa el pistón hacia abajo, aportando trabajo al ciclo, correspondiendo esta transformación a
una curva adiabática, las válvulas de admisión y de escape permanecen cerradas.
5. Escape D-A y A-E. La válvula de escape se abre, el pistón prosigue su movimiento ascendente y
va barriendo y expulsando los gases de la combustión, cerrándose el ciclo al producirse una nueva
admisión de aire cuando se cierra la válvula de escape, a continuación se abre la de admisión y el
pistón continúa su carrera descendente.
FASES

15. CICLO COMBINADO
Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la coexistencia de dos ciclos
termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo
fluido de trabajo es un gas producto de una combustión o quema.1​ En la propulsión de buques se
denomina ciclo combinado al sistema de propulsión COGAS.

16. Una central de ciclo combinado es una central eléctrica en la que la energía térmica del combustible se
transforma en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de gas,
generalmente gas natural, mediante combustión (ciclo Brayton) y el convencional de agua/turbina de vapor (ciclo
de Rankine).
El funcionamiento de una central de ciclo combinado es algo más complejo que el de las centrales
convencionales. En primer lugar, se quema gas natural en una cámara de combustión y se hace pasar por una
turbina de gas conectada a un alternador. Los gases calientes ya turbinados se aprovechan para calentar agua y
convertirla en vapor en un recuperador de calor. Este vapor se hace pasar por una segunda turbina conectada a otro
alternador, de forma que ambos generan energía eléctrica.
Ciclo combinado a condensación
Central termoeléctrica ciclo combinado
Una variante del ciclo combinado de contrapresión clásico es el ciclo combinado a condensación, que se realiza
en procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran capacidad de regulación ante demandas de vapor
muy variables.
El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración consiste en evacuar gases a través del bypass
cuando la demanda de vapor es menor a la producción y utilizar la post-combustión cuando sucede lo contrario.
Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue adaptarla a la demanda de vapor, debido a una importante
bajada en el rendimiento de recuperación, ya que los gases de escape mantienen prácticamente su caudal y bajan
ostensiblemente su temperatura. Por ello, las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes, y la planta
deja de cumplir los requisitos de rendimiento.

17. CICLO BRAYTON
Este es un ciclo con aire, que es ampliamente utilizado en los motores de reacción de los aviones, y
en todas aquellas centrales termoeléctricas que no operan con vapor de agua. Consiste en dar presión
al aire para luego calentarlo a base de quemar combustible. Posteriormente este gas a alta temperatura
se hace pasar por una turbina donde se extrae su energía; una parte de esa energía se emplea para
impulsar el compresor, y la energía restante se utiliza para girar un generador eléctrico.

18. 1. En el proceso 1-2 se produce una compresión del gas en la que apenas se pierde calor, por lo que
se considera adiabática.
2. Durante el proceso 2-3 se introduce calor manteniendo constante la presión.
3. La expansión del proceso 3-4 también se realiza de forma adiabática. Del trabajo total que se
obtiene en la turbina, una parte se aprovecha para hacer girar el compresor, con lo cual el trabajo
útil será la diferencia de ambos.
4. Por último, en la transformación 4-1 se refrigera el gas para devolverlo a sus condiciones iniciales.
En la realidad este paso consiste en liberar los gases de escape a la atmósfera.

19. Tanto en el caso de las centrales termoeléctricas como
en los turborreactores de avión, las máquinas son
siempre rotativas, y realizan la compresión de dos
posibles formas:
1. En los compresores axiales se impulsa la corriente
de aire hacia secciones menores mediante una serie de
hélices provistas de aspas o álabes giratorios alternados
con álabes fijos. A cada pareja de hélice móvil y hélice
fija se le llama escalón de compresión.
2. Los compresores centrífugos basan su
funcionamiento en impulsar el aire por fuerza centrífuga
hacia una cámara que recorre toda la periferia del
compresor. En los dibujos se puede ver la forma del
rodete y el funcionamiento de un ventilador centrífugo
de pequeña potencia.

20. La expansión en las turbinas se realiza haciendo pasar el gas de alta energía por escalones similares
a los del compresor, pero de sección cada vez mayor para compensar la progresiva pérdida de presión.
En la siguiente animación hay que hacer notar que el estator está colocado delante del rotor, para así
adaptar la corriente y que incida de la forma más eficiente sobre los álabes del rotor.
Funcionamiento de una turbina de gas
En los aviones a reacción, la turbina sólo extrae el trabajo necesario para hacer girar al compresor, y
como el gas aún tiene energía en forma de presión, temperatura y velocidad, se aprovechan éstas para
impulsar la aeronave, haciendo pasar la corriente de gas a través de una pieza con forma de embudo
llamada tobera.
Turboreactor

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