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ISBN : 978-84-362- dición : ÍNDICE PREFACIO .......................................................................................................................................................................... 19 BLOQUE TEMÁTICO I GENERALIDADES CAPÍTULO 1. MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES ........ 27 Objetivos fundamentales del capítulo .................................................................................... 27 1.1. Introducción ................................................................................................................................................ 27 1.2. Concepto de máquina térmica .............................................................................................. 28 1.2.1. Clasificación de las máquinas de fluido............................................... 28 1.2.2. Distinción entre máquina hidráulica y máquina térmica . 30 1.2.3. Clasificación de las máquinas térmicas ................................................ 31 1.3. Motores térmicos de combustión interna y de combustión ex- externa. Distinción entre máquina térmica y motor térmico .......... 33 1.4. Rendimiento de los motores térmicos ........................................................................ 39 1.4.1. Rendimiento del ciclo y rendimiento de la instalación ..... 39 1.4.2. Rendimiento exergético ............................................................................................ 40 1.5. Cogeneración ............................................................................................................................................. 41 1.6. Campos de aplicación de los motores térmicos ............................................. 43 CAPÍTULO 2. PROCESOS EN FLUÍDOS COMPRENSIBLES ............................................ 53 Objetivos fundamentales del capítulo .................................................................................... 55 2.1. Introducción ................................................................................................................................................ 55 2.2. Procesos termodinámicos de importancia en el estudio de las máquinas y los motores térmicos ..................................................................................... 57 2.3. Principios y ecuaciones que rigen el comportamiento de los flujos compresibles ............................................................................................................................ 60 2.3.1. Principio de conservación de la masa ..................................................... 61 2.3.2. Primer Principio de la termodinámica .................................................... 61 7 8 MÁQUINAS TÉRMICAS 2.3.3. Ecuación de conservación de la cantidad de movi- miento ............................................................................................................................................. 64 2.3.4. Segundo Principio de la termodinámica .............................................. 64 2.3.5. Exergía y balance energético ............................................................................. 66 2.3.6. Ecuaciones de Gibbs..................................................................................................... 68 2.3.7. Ecuaciones calóricas ..................................................................................................... 69 2.3.8. Trabajo intercambiado con el entorno .................................................... 71 2.4. Propiedades termodinámicas de mezclas de gases ideales ............... 76 2.5. El Factor de Carnot. Rendimiento máximo de los motores tér- micos.................................................................................................................................................................... 78 2.6. Concepto de velocidad del sonido y número de mach .......................... 81 2.6.1. Velocidad del sonido.................................................................................................... 81 2.6.2. Concepto de número de Mach.......................................................................... 84 2.6.3. Concepto de onda de choque ............................................................................. 85 2.7. Expansión y compresión en conductos, toberas y difusores .......... 86 2.7.1. Efecto de la compresibilidad .............................................................................. 86 2.7.2. Forma del conducto en toberas y difusores...................................... 88 2.7.3. Parámetros críticos de un gas ............................................................................ 90 2.7.4. Comportamiento del fluido en conductos sin fricción ....... 91 2.7.4.1. Expresión del gasto en toberas y difusores .............. 91 2.7.4.2. Expansión en conductos convergentes .......................... 93 2.7.4.3. Comportamiento del fluido en un conducto convergente- divergente ................................................................... 95 2.7.4.4. Evaluación de las pérdidas en toberas y difuso- res................................................................................................................................. 102 2.7.4.4.1. Comparación de los casos de expan- sión y compresión....................................................... 103 2.7.4.4.2. Coeficientes para evaluar la fricción en toberas y difusores ............................................ 106 CAPÍTULO 3. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN ........................................................... 109 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 111 3.1. Introducción ................................................................................................................................................ 112 3.2. Fenómenos que intervienen en el proceso de combustión. Ecuaciones de gobierno................................................................................................................ 113 3.3. Reacción estequiométrica .......................................................................................................... 115 3.3.1. Ajuste de la reacción estequiométrica ....................................................115 3.3.2. Cálculo del dosado estequiométrico.......................................................... 116 9 ÍNDICE 3.4. Combustión completa con exceso de aire ............................................................. 117 3.4.1. Ajuste de la reacción con exceso de aire ............................................ 119 3.5. Mecanismo de la reacción de combustión ............................................................ 120 3.5.1. Velocidad de la reacción química ................................................................ 121 3.6. Combustión incompleta................................................................................................................ 122 3.6.1. Composición de los productos de la combustión ..................... 123 3.7. Balance energético en el proceso de combustión......................................... 125 3.7.1. Procesos estacionarios en sistemas abiertos .................................... 126 3.7.1.1. Procesos de combustión adiabáticos. Tempera- tura adiabática de la llama............................................................. 126 3.7.1.2 Procesos de combustión con transmisión de ca- lor a un segundo fluido caloportador ............................... 128 3.7.2. Procesos no estacionarios en sistemas cerrados ......................... 130 3.8. Rendimiento de la combustión ............................................................................................ 138 3.9. Clasificación de los procesos de combustión.................................................... 140 3.10. Autoinflamación de la mezcla aire-combustible........................................ 141 3.11. Llamas de premezcla .................................................................................................................... 143 3.11.1. Deflagración ..................................................................................................................... 143 3.11.2. Detonación.......................................................................................................................... 147 3.12. Llamas de difusión .......................................................................................................................... 148 3.12.1. Llamas de difusión con combustible gaseoso......................... 149 3.12.2. Llamas de difusión con combustible líquido ........................... 152 3.12.3. Llamas de difusión con combustible sólido .............................. 154 CAPÍTULO 4. COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS .................................................................................................................................................................... 155 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 157 4.1. Introducción ................................................................................................................................................ 158 4.2. Clasificación de los combustibles ................................................................................... 159 4.2.1. Clasificación de los combustibles atendiendo a su ori- gen ....................................................................................................................................................... 160 4.2.2. Clasificación de los combustibles atendiendo a su ori- gen a su estado físico ................................................................................................... 161 4.2.3. Clasificación de los combustibles atendiendo a su ca- rácter renovable o no.................................................................................................... 163 4.2.4. Otras clasificaciones ..................................................................................................... 164 4.3. Combustibles de origen fósil. Características y aplicaciones ....... 165 4.3.1. El carbón ..................................................................................................................................... 165 10 MÁQUINAS TÉRMICAS 4.3.2. Combustibles derivados del petróleo ....................................................... 168 4.3.3. Gas natural ................................................................................................................................ 172 4.4. Combustibles alternativos o de sustitución. Características y aplicaciones ................................................................................................................................................. 173 4.5. Propiedades de los combustibles ...................................................................................... 179 4.5.1. Propiedades relacionadas con la composición del com- bustible........................................................................................................................................... 179 4.5.2. Propiedades físicas del combustible.......................................................... 180 4.5.3. Propiedades químicas del combustible .................................................. 181 4.5.4. Comportamiento del combustible en relación con la combustión................................................................................................................................ 182 4.5.5. Propiedades más importantes de los principales com- bustibles ........................................................................................................................................ 185 BLOQUE TEMÁTICO II MÁQUINAS Y MOTORES VOLUMÉTRICOS CAPÍTULO 5. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN IN- TERNA ALTERNATIVOS.................................................................................................................................. 189 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 191 5.1. Componentes y procesos básicos de un motor de combustión interna alternativo ................................................................................................................................ 192 5.2. Clasificación de los MCIA....................................................................................................... 195 5.2.1. Según el proceso de combustión ................................................................... 195 5.2.2. Según el modo de realizar el ciclo .............................................................. 197 5.2.3. Según el tipo de refrigeración ........................................................................... 202 5.2.4. Según la presión de admisión............................................................................ 203 5.2.5. Según el número y disposición de cilindros.................................... 204 5.3. Evolución del fluido de trabajo durante el funcionamiento del motor Diagrama p- α y diagrama del indiciador .......................................... 205 5.3.1. Diagrama p-α ........................................................................................................................ 205 5.3.2. Diagrama del indicador ............................................................................................. 206 5.4. Parámetros, prestaciones y curvas características del motor ......... 209 5.5. Ciclos del aire equivalente........................................................................................................ 222 5.5.1. Ciclo de aire equivalente de volumen constante........................ 223 5.5.2. Ciclo de aire equivalente de presión limitada ............................... 231 5.6. Otros motores volumétricos .................................................................................................... 247 11 ÍNDICE CAPÍTULO 6. EL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO PROVOCADO Y EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN.............................................................................................................................................................251 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 253 6.1. Tipos de combustión en motores de combustión interna alter- nativos ................................................................................................................................................................ 254 6.2. Combustión en MEP ........................................................................................................................ 255 6.2.1. Conceptos básicos de combustión en MEP...................................... 255 6.2.2. Fases de la combustión.............................................................................................. 258 6.2.2.1. Primera fase..................................................................................................... 258 6.2.2.2. Segunda fase................................................................................................... 259 6.2.2.3. Tercera fase...................................................................................................... 263 6.2.3. Factores que influyen en la determinación del avance del encendido ......................................................................................................................... 263 6.2.4. Combustión anormal en MEP. Combustión detonante y encendido superficial ................................................................................................... 266 6.2.4.1. Combustión detonante........................................................................ 266 6.2.4.2. Encendido superficical....................................................................... 270 6.3. Combustión en MEC ....................................................................................................................... 271 6.3.1. Conceptos básicos en combustión en MEC..................................... 271 6.3.2. Principales funciones de la inyección en MEC. Micro- mezcla y macromezcla ............................................................................................... 273 6.3.3. Fases de la combustión.............................................................................................. 275 6.3.3.1. Fase del tiempo de retraso............................................................. 275 6.3.3.2. Combustión rápida .................................................................................. 277 6.3.3.3. Combustión por difusión................................................................. 279 6.3.4. Factores que influyen en el diagrama p-α ......................................... 280 6.4. Otros tipos de combustión en MCIA........................................................................... 284 6.4.1. Motores duales ..................................................................................................................... 284 6.4.2. Motores de mezcla estratificada ..................................................................... 285 6.4.3. Motores de combustión HCCI.......................................................................... 286 CAPÍTULO 7. COMPRESORES VOLUMÉTRICOS....................................................................... 287 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 289 7.1. Introducción. Definición y clasificación ................................................................. 289 7.2. Compresores alternativos ........................................................................................................... 291 7.2.1. Principio de funcionamiento. Diagrama p-V ................................. 291 7.2.2. Análisis termodinámico ............................................................................................ 294 7.2.2.1. Consideraciones generales ............................................................ 294 7.2.2.2. Potencia absorbida .................................................................................. 297 7.2.2.3. Rendimiento volumétrico. Selección de la cilin- drada ......................................................................................................................... 304 7.2.2.4. Rendimiento isotermo......................................................................... 310 7.2.2.5. Rendimiento isentrópico.................................................................. 312 7.2.3. Compresión en etapas ................................................................................................. 312 7.2.4. Tipos y configuraciones mecánicas ........................................................... 316 7.2.5. Campos de aplicación ................................................................................................. 318 7.2.6. Compresores alternativos de membrana .............................................. 319 7.2.7. Métodos de regulación de los compresores alternativos . 321 7.3. Compresores rotativos.................................................................................................................... 324 7.3.1. Compresores de tornillo ........................................................................................... 324 7.3.1.1. Principio de funcionamiento. Diagramas p-V ...... 324 7.3.1.2. Tipos......................................................................................................................... 325 7.3.1.3. Ventajas e inconvenientes y campos de aplica- ción............................................................................................................................. 327 7.3.2. Compresores de paletas............................................................................................. 328 7.3.2.1. Principio de funcionamiento y tipo.................................... 328 7.3.2.2. Campos de aplicación ......................................................................... 329 7.3.3. Compresores ScrolL...................................................................................................... 329 7.3.3.1. Principio de funcionamiento....................................................... 329 7.3.3.2. Campos de aplicación ......................................................................... 330 7.3.4. Compresores Roots......................................................................................................... 331 7.3.4.1. Principio de funcionamiento....................................................... 331 7.3.4.2. Campos de aplicación ......................................................................... 332 7.4. Soplantes y bombas de vacío ................................................................................................ 332 BLOQUE TEMÁTICO III PLANTAS DE POTENCIA BASADAS EN TURBOMÁQUINAS CAPÍTULO 8. TURBINAS DE GAS PARA LA OBTENCIÓN DE POTENCIA ME- CÁNICA I ....................................................................................................................................................................... 335 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 337 8.1. Introducción ................................................................................................................................................ 337 8.2. Tipos de instalaciones .................................................................................................................... 339 8.3. Análisis termodinámico de los ciclos de aire ideales.............................. 345 MÁQUINAS TÉRMICAS 12 8.3.1. Ciclo Brayton ideal de aire simple.............................................................. 346 8.3.2. Ciclo Brayton ideal de aire regenerativo............................................. 349 8.3.3. Ciclo ideal compuesto................................................................................................. 351 8.4. Elección de losparámetros que definen del ciclo termodiná- mico de una turbina de gas ...................................................................................................... 355 8.4.1. Ciclo simple............................................................................................................................. 357 8.4.2. Ciclo simple regenerativo ...................................................................................... 365 8.4.3. Ciclo compuesto................................................................................................................. 370 8.4.4. Ciclo compuesto regenerativo .......................................................................... 379 8.5. Comportamiento de las turbinas de gas en el punto de diseño ... 380 Capítulo 9. TURBINAS DE GAS PARA LA OBTENCIÓN DE POTENCIA ME- CÁNICA II..................................................................................................................................................................... 383 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 385 9.1. Criterios de diseño de las instalaciones de turbina de gas ................ 385 9.2. Evolución en el diseño y estado del arte de las turbinas de gas .. 387 9.3. Regulación de la potencia de las turbinas de gas industriales...... 392 9.4. Cogeneración con turbinas de gas................................................................................... 395 9.5. Turbinas de gas de aviación.................................................................................................... 397 9.5.1. Turborreactor. Esquema mecánico y principio de fun- cionamiento.............................................................................................................................. 398 9.6. Descripción del proceso de combustión en turbinas de gas............ 399 9.7. Sistemas de control de la contaminación en turbinas de gas ......... 403 CAPÍTULO 10. INSTALACIONES DE POTENCIA BASADAS EN TURBINAS DE VAPOR ..................................................................................................................................................................... 407 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 409 10.1. Componentes principales de las instalaciones de potencia ba- sadas en turbinas de vapor..................................................................................................... 410 10.2. Influencia de los parámetros termodinámicos de las centrales de ciclo de vapor................................................................................................................................ 424 10.2.1. Influencia de la presión del vapor a la entrada de la turbina....................................................................................................................................... 425 10.2.2. Influencia de la temperatura del vapor vivo ............................. 427 10.2.3. Influencia de la presión de condensación .................................... 428 10.3. Ciclos de vapor utilizados en grandes centrales de vapor.............. 429 10.3.1. Ciclos de vapor con recalentamiento intermedio ............... 429 10.3.2. Ciclos de vapor regenerativos .................................................................... 431 ÍNDICE 13 10.4. Turbinas de vapor en usos industriales.................................................................. 441 10.4.1. Cogeneración en plantas de ciclo de vapor................................ 442 10.4.1.1. Turbinas con toma intermedia ...................................... 443 10.4.1.2. Turbinas de contrapresión .................................................. 443 10.5. Definición y clasificación de las calderas .......................................................... 444 10.5.1. Calderas de tubos de humo o pirotubulares .............................. 447 10.5.2. Calderas de tubos de agua o acuotubulares ............................... 448 10.5.3. Procesos que tienen lugar en las calderas .................................... 451 10.5.3.1. Proceso de combustión .......................................................... 451 10.5.3.2. Mecanismos de transferencia de calor entre el gas y el agua................................................................................. 452 10.5.4. Diseño de calderas y generadores de vapor .............................. 454 10.5.4.1. Parámetros y fundamentos del diseño de calderas ...................................................................................................... 454 10.5.4.2. Balance de energía....................................................................... 457 10.5.4.3. Otras consideraciones y especificaciones de los diseños.............................................................................................. 458 CAPÍTULO 11. INSTALACIONES DE CICLO COMBINADO GAS-VAPOR ........... 465 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 467 11.1. Definición y clasificación de ciclos combinados ...................................... 467 11.2. Esquema general de una planta de ciclo combinado de turbi- na de gas y de vapor...................................................................................................................... 471 11.3. Características de las turbinas de gas....................................................................... 473 11.3.1. Influencia de los parámetros de diseño de la turbina de gas......................................................................................................................................... 473 11.3.2. Configuraciones de ciclo simple, de ciclo compuesto y de ciclo regenerativo ........................................................................................ 476 11.3.3. Turbinas de gas refrigeradas ........................................................................ 477 11.3.4. Regulación de carga de la turbina de gas..................................... 478 11.3.5. Configuraciones 2x1 y 3x1 ............................................................................ 479 11.4. Caldera de recuperación de calor .................................................................................. 480 11.5. Características del ciclo de vapor ................................................................................. 487 MÁQUINAS TÉRMICAS 14 BLOQUE TEMÁTICO IV TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS CAPÍTULO 12. CONCEPTOS BÁSICOS GENERALES SOBRE TURBOMÁQUI- NAS TÉRMICAS ........................................................................................................................................................ 503 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 507 12.1. Ecuación fundamental de las turbomáquinas ................................................. 508 12.2. Análisis del intercambio energético que tiene lugar en las tur- bomáquinas............................................................................................................................................... 514 12.3. Estructura de las turbomáquinas térmicas.......................................................... 517 12.4. Clasificación de las turbomáquinas térmicas ................................................. 518 12.5. Aplicación de las ecuaciones y conceptos anteriores a turbinas y compresores. Tipos de escalonamientos......................................................... 521 12.5.1 Turbomáquinas térmicas axiales ............................................................. 521 12.5.1.1. Turbomáquinas axiales de reacción ....................... 523 12.5.1.2. Turbomáquinas axiales de acción............................. 526 12.5.1.3. Turbocompresores axiales..................................................528 12.5.2. Turbomáquinas térmicas radiales........................................................... 534 12.5.2.1. Turbinas centrípetas ................................................................... 535 12.5.2.2. Turbocompresores centrífugos ..................................... 536 12.6. Criterios que se utilizan para definir el rendimiento de las tur- bomáquinas térmicas .................................................................................................................... 539 12.7. Origen de las pérdidas en las turbomáquinas térmicas ...................... 543 12.7.1. Pérdidas internas ......................................................................................................... 543 12.7.2. Pérdidas externas ........................................................................................................ 545 12.8. Potencia interna y potencia efectiva .......................................................................... 546 CAPÍTULO 13. TURBINAS AXIALES ...................................................................................................... 549 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 551 13.1. Campos de aplicación de las turbinas axiales y de las turbinas centrípetas .................................................................................................................................................. 552 13.2. Parámetros que definen la geometría de una corona de álabes y el flujo que la atraviesa ........................................................................................................ 552 13.2.1. Flujo alrededor de un perfil aerodinámico en cascadas de álabes ................................................................................................................................ 555 13.2.2. Relación entre la geometría de la máquina y los trián- gulos de velocidades .............................................................................................. 557 ÍNDICE 15 13.3. Parámetros que permiten definir el diagrama de velocidades en un escalonamiento de turbina ................................................................................... 559 13.4. Factores de los que dependen las pérdidas y el rendimiento en los escalonamientos de turbinas axiales ............................................................... 565 13.4.1. Importancia del diagrama de velocidades en el predi- seño de la máquina ................................................................................................... 567 13.5. Valores óptimos de los parámetros que caracterizan la forma del diagrama de velocidades ............................................................................................... 571 13.5.1. Escalonamientos en los que se recupera la velocidad de salida ................................................................................................................................. 571 13.5.2. Escalonamientos en los que no se recupera la veloci- dad de salida ..................................................................................................................... 576 13.6. Comparación entre escalonamientos de acción y de reacción .... 578 13.7. Justificación de la necesidad de fraccionar el salto en una tur- bina axial ..................................................................................................................................................... 579 13.8. Rendimiento de una turbina formada por múltiples escalona- mientos ........................................................................................................................................................... 584 CAPÍTULO 14. COMPRESORES AXIALES ........................................................................................ 589 Objetivos fundamentales del capítulo...................................................................................... 591 14.1. Introducción............................................................................................................................................. 591 14.2. Parámetros de los que dependen las pérdidas en compresores axiales.............................................................................................................................................................. 595 14.3. Valores óptimos de los parámetros que caracterizan la forma del diagrama de velocidades ............................................................................................... 598 14.4. Razones por las que es necesario utilizar múltiples escalona- mientos en compresores axiales ..................................................................................... 603 14.5. Relación entre el rendimiento de los escalonamientos que componen la máquina y el rendimiento del turbocompresor en su conjunto ................................................................................................................................................ 610 14.6. Consideraciones sobre el diseño de turbomáquinas axiales ........ 615 14.7. Comparación entre compresores axiales, centrífugos y volu- métricos ......................................................................................................................................................... 617 14.8. Curvas características de las turbomáquinas térmicas ........................ 619 MÁQUINAS TÉRMICAS 16 ANEXOS ANEXO I. CÁLCULO DE LA COMPOSICIÓN EN EQUILÍBRIO QUÍMICO ......... 625 A1.1. Cinética química y constantes de equilibrio................................................. 627 A1.2. Cálculo de la composición de los productos de la combus- tión suponiendo equilibrio químico ........................................................................ 629 ANEXO II. EFICIENCIA DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE SUPER- FICIE ................................................................................................................................................................................... 635 ANEXO III. CORRELACIONES DE PERDIDAS EN TURBOMÁQUINAS TÉR- MICAS ................................................................................................................................................................................ 641 A3.1. Turbinas axiales............................................................................................................................... 643 A3.2. Turbocompresores axiales .................................................................................................. 648 ANEXO IV. TABLAS DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y ENTALPÍAS DE FORMACIÓN...................................................................................................................................................... 655 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................................................. 665 LISTA DE SÍMBOLOS .............................................................................................................................................. 669 ÍNDICE 17 19 PREFACIO El presente texto se ha elaborado con el objetivo de constituir el material base que debe permitir, a los alumnos de la Universidad Nacional de Educación a Distancia, abordar el estudio de la asignatura Máquinas Térmicas, que se imparte en el Grado de Ingeniería Mecánica (4.o curso), en el Grado en Ingeniería Eléctrica (3.er curso) y en el Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales (4.o curso). Se pretende, por tanto, que sea un material que permita al alumno asimilar los contenidos de manera autóno- ma, sin requerir las explicaciones de un profesor, para lo cual el presente texto se apoya en un manual de ejercicios prácticos: Problemas resueltos de Máquinas y Motores Térmicos, también editado por la UNED y en el manual Prácticas Virtuales de IngenieríaTérmica1. La asignatura Máquinas Térmicas se dedica al estudio de la generación de energía térmica a través del proceso de combustión, así como al análisis de las características de diseño de los equipos en los que se aprovecha la energía térmica generada, prestando especial atención al estudio de las plan- tas de potencia y los motores térmicos. Dentro del plan de estudios, la presente asignatura forma parte de la materia denominada Ingeniería Térmica. Esta materia incluye asimismo a la asignatura Termodinámica, y en el caso de los Grados en Ingeniería Mecánica y en Ingeniería en Tecnologías Industriales, también incluye la asignatura Termotecnia. Dichas asignaturas son previas en el diseño del plan de estudios. Para valorar la importancia que tienen para la sociedad los contenidos abordados en Máquinas Térmicas, cabe destacar que en la actualidad la gran mayoría de la energía mecánica y eléctrica consumida en el mundo se gene- ra a través de motores térmicos. Por el momento, en la mayoría de los casos, 1 N. García Herranz, M. Muñoz Domínguez, Prácticas virtuales de Ingeniería Térmica, Colec - ción Cuadernos de Prácticas UNED 2005. la energía generada proviene de la energía primaria asociada a los combus- tibles fósiles, a través de un proceso de combustión, pero no hay que olvi- dar que, aunque todavía con menor incidencia, otras fuentes de energía renovables también generan fluidos con elevada energía térmica que se transforma en energía mecánica en un motor térmico (biocombustibles, energía solar térmica y energía geotérmica). Asimismo en el caso de la ener- gía nuclear, la energía liberada en el reactor es evacuada por un fluido que adquiere un elevado nivel térmico y se aprovecha posteriormente en una planta de potencia de las estudiadas en esta materia. De todo ello se des- prende la importancia de la presente asignatura, que aborda el diseño y prin- cipio de funcionamiento de las máquinas y motores encargados de transfor- mar la energía térmica generada a partir de diferentes fuentes de energía primaria en energía mecánica y eventualmente, a través de un alternador, en energía eléctrica. Estructura del texto. Breve análisis del contenido La materia está estructurada en cuatro bloques temáticos. El primer blo- que temático, que podría denominarse «generalidades», está constituido por cuatro capítulos. Comienza con un capítulo en el que se presenta una pano- rámica general de los distintos tipos de máquinas y motores térmicos, des- tacando algunas diferencias básicas en su principio de funcionamiento y revisando los principales campos de aplicación en cada caso. Se trata de poner de manifiesto el papel fundamental que juegan los motores térmicos en el contexto de las transformaciones energéticas. A continuación se incluye un capítulo, al que se ha denominado proce- sos en fluidos compresibles, en el que se revisan los conceptos que se con- sideran fundamentales para llegar entender, en profundidad, el principio de funcionamiento de los equipos y las máquinas térmicas que se estudian en la asignatura, así como de los ciclos en las que éstos intervienen. Estos con- ceptos previos imprescindibles se han debido abordar fundamentalmente en la asignatura previa de termodinámica, aunque también es conveniente haber cursado con anterioridad una mecánica de fluidos básica y transmi- sión de calor o termotecnia. No obstante, con el objetivo de facilitar el estu- dio y de poner de relieve qué conocimientos son indispensables para asimi- lar adecuadamente la materia, se ha incluido este segundo capítulo de MÁQUINAS TÉRMICAS 20 repaso. En cualquier caso, si el alumno comprueba que sus lagunas en los conocimientos previos requeridos son importantes y no le es suficiente con estudiar dicho capítulo del texto base, deberá recurrir a manuales específi- cos de termodinámica, mecánica de fluidos y transmisión de calor, donde estos conceptos se expliquen de forma más detallada. En el tercer capítulo de este primer bloque se analizan los distintos tipos de procesos de combustión desde una perspectiva general. Dicho capítulo pretende servir de referencia para el estudio de los equipos concretos en los que tiene lugar el proceso de combustión: motores de combustión interna alternativos, cámaras de combustión y calderas, e incluye una primera parte en la que se presentan los fundamentos de básicos de la combustión. Para terminar este bloque temático, el capítulo 4 revisa las propiedades funda- mentales de los diferentes combustibles que liberan su energía mediante un proceso de combustión, comenzando por acometer una clasificación de los mismos atendiendo a distintos criterios. El segundo bloque temático está dedicado a las máquinas y motores volumétricos: los motores de combustión interna alternativos (capítulos 5 y 6) y los compresores volumétricos (capítulo 7). En relación con los prime- ros, no obstante, sólo se presentan los conceptos fundamentales que consi- deramos que es imprescindible que conozca un futuro Graduado en Ingeniería, entre los que cabe destacar: clasificación de los motores de com- bustión interna alternativos atendiendo a diferentes criterios, ciclos de tra- bajo, curvas características y particularidades de los procesos de combus- tión en los motores de encendido provocado y en los motores de encendido por compresión. El alumno que tenga interés por esta materia tendrá ocasión de profundizar en el diseño de estos motores cursando la asignatura optati- va: Motores de Combustión Interna. El segundo bloque temático finaliza con el estudio de los distintos tipos de compresores volumétricos, máquinas térmicas generadoras que se utili- zan en muy variadas aplicaciones. Ha parecido conveniente acometer el estudio de estas máquinas a continuación de los motores de combustión interna alternativos dado que una parte importante del capítulo se dedica al análisis de los compresores de tipo alternativo, que tienen ciertos paráme- tros y aspectos de diseño en común con los anteriores. El tercer bloque temático, más homogéneo en contenido, consta de cua- tro capítulos que se dedican al estudio de las turbinas de gas (capítulos 8 y PREFACIO 21 9) incluyendo ciertas nociones sobre cámaras de combustión, las instalacio- nes de potencia basadas en turbinas de vapor (capítulo 10) incluyendo la descripción de las calderas asociadas y las plantas de ciclo combinado gas- vapor (capítulo 11), haciendo referencia, en este caso, a las calderas de recu- peración de calor. El cuarto y último bloque temático se dedica al análisis del principio de funcionamiento y criterios básicos de diseño de las turbomáquinas térmicas —turbinas y compresores— (capítulos 12, 13 y 14). Se trata de dar una visión general, profundizando, en cierta medida, en el diseño de las turbo- máquinas de tipo axial, que son las más empleadas. Por último, cabe resaltar que, como se ha mencionado anteriormente, el presente texto está especialmente diseñado para estudiantes que pretenden abordar el estudio de la asignatura de manera autónoma. Para lograr este objetivo se han establecido los objetivos fundamentales de los distintos capítulos al inicio de éstos y se insiste de manera particular en las conclu- siones más importantes a lo largo de los diferentes temas. Asimismo, el texto incluye 56 ejemplos, de diversa extensión, insertados en los distintos capítulos, explicados paso a paso, de forma que el texto incluye aproxima- damente 95 páginas en total dedicadas a este fin. MÁQUINAS TÉRMICAS 22 BLOQUE TEMÁTICO I GENERALIDADES Capítulo 1. MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES Marta Muñoz Domínguez Capítulo 2. PROCESOS EN FLUJOS COMPRESIBLES Marta Muñoz Domínguez Capítulo 3. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN Marta Muñoz Domínguez Capítulo 4. COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS Antonio J. Rovira de Antonio 25 Capítulo 1 Máquinas y motores térmicos. Generalidades 1.1. Introducción 1.2. Concepto de máquinatérmica 1.2.1. Clasificación de las máquinas de fluido 1.2.2. Distinción entre máquina hidráulica y máquina tér- mica 1.2.3. Clasificación de las máquinas térmicas 1.3. Motores térmicos de combustión interna y de combustión externa. Distinción entre máquina térmica y motor térmico 1.4. Rendimiento de los motores térmicos 1.4.1. Rendimiento del ciclo y rendimiento de la instala- ción 1.4.2. Rendimiento exergético 1.5. Cogeneración 1.6. Campos de aplicación de los motores térmicos 27 OBJETIVOS FUNDAMENTALES DEL CAPÍTULO � Distinguir entre máquina hidráulica y máquina térmica � Distinguir entre máquina térmica motora y motor térmico. � Entender la diferencia entre motor de combustión interna y externa. � Que el alumno tenga clara la clasificación de las máquinas térmicas y los motores térmicos, entendiendo en qué se diferencian unos tipos de otros en cuanto a su principio de funcionamiento y esquema construc- tivo. � Conocer cómo de define el rendimiento en el caso de los motores de combustión externa y en el caso de los de combustión interna. � Que el alumno conozca los principales campos de aplicación de los distintos tipos de motores y máquinas térmicas, así como las razones por las cuales entran en competencia en las distintas aplicaciones, pudiendo justificar cuáles son más idóneos en cada caso. � Comprender el papel que juegan los equipos térmicos, generadores de vapor y cámaras de combustión, en las instalaciones de potencia. 1.1. INTRODUCCIÓN En este capítulo se va a presentar una panorámica general de los distintos tipos de máquinas y motores térmicos destacando algunas diferencias bási- cas en su principio de funcionamiento y revisando los principales campos de aplicación en cada caso. A pesar de que este capítulo se lee con cierta facilidad lo cierto es que algunas de las ideas que se presentan no se asimi- lan correctamente si no se repasan ciertos conceptos estudiados en Termo- MÁQUINAS TÉRMICAS 28 Figura 1.1. Esquema de máquina de fluido. dinámica, algunos de los cuales se han sintetizado en el capítulo 2. Por otra parte, las razones por las cuales, por ejemplo, unos tipos de motores son más adecuados para determinados campos de aplicación, no se entenderán en profundidad hasta que no se haya abordado el estudio del fundamento y diseño de las máquinas y motores térmicos que se realiza en posteriores capítulos. No obstante, ha parecido conveniente empezar el estudio con este capítulo de generalidades, si bien se considera imprescindible volver sobre el mismo una vez estudiado el resto de la materia, ya que al releerlo, se ana- lizará, sin duda, con otra perspectiva. 1.2. CONCEPTO DE MÁQUINA TÉRMICA 1.2.1. Clasificación de las máquinas de fluido Antes de exponer el concepto de máquina térmica es conveniente aclarar que estas máquinas están englobadas dentro de un conjunto de máquinas más amplio, bajo la denominación de máquinas de fluido. Se va a empezar por indicar qué se entiende por máquina de fluido para poner de manifiesto qué particularidades tienen las máquinas térmicas que las distinguen de otro tipo de máquinas de fluido. Se denomina máquina de fluido a toda máquina por la que circula un fluido (fluido de trabajo) de forma que el conjunto de elementos que la constituyen permiten que se realice un intercambio de energía mecánica con el exterior, generalmente a través de un eje, por variación de la energía dis- ponible en el fluido que atraviesa la máquina. Las máquinas de fluido se pueden clasificar atendiendo a distintos crite- rios: � Dependiendo de si el fluido disminuye o aumenta su energía a su paso por la máquina: — Motoras E1>E2 El fluido disminuye su energía1 a su paso por la máquina, y en consecuencia se obtiene energía mecánica aprovechable en forma de par motor en el eje de la máquina. Ejemplos: turbina térmica, turbina hidráulica, máquina de vapor. — Generadoras E1<E2 El fluido aumenta su energía a su paso por la máquina debido a que la máquina absorbe energía mecánica del exterior mediante un par de accionamiento. Ejemplos: bomba centrífuga, compresor axial, compresor alterna- tivo, compresor rotativo de paletas, etc. � Dependiendo si el fluido de trabajo es incompresible o compresible: — Máquinas hidráulicas ρ1 ≅ ρ2 El fluido que evoluciona por la máquina es incompresible o se comporta como tal, lo que tiene importantes implicaciones, como se pone de manifiesto en el epígrafe siguiente. Ejemplos: bomba, turbina hidráulica, ventilador. — Máquinas térmicas ρ1 ≠ ρ2 El fluido que evoluciona por la máquina es compresible y varía su densidad de forma significativa al atravesar la máquina. Ejemplos: – Motoras ρ1 > ρ2: turbina térmica, máquina de vapor. – Generadoras ρ1 < ρ2: turbocompresor, compresor volumétrico de lóbulos, etc. MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 29 1 Desde otro punto de vista se podría decir que disminuye su exergía al atravesar la máquina. MÁQUINAS TÉRMICAS 30 � Dependiendo de si el fluido circula de manera continua o en cada ins- tante evoluciona una cantidad bien definida de fluido: — Dinámicas o turbomáquinas Ejemplos: turbina, bomba centrífuga, turbocompresor. — Volumétricas o de desplazamiento positivo Ejemplos: bomba alternativa, compresor alternativo, compresor rotativo de paletas, compresor rotativo de tornillo, etc. Figura 1.2. Ejemplo de máquina térmica dinámica. 1.2.2. Distinción entre máquina hidráulica y máquina térmica Como puede verse, tanto las máquinas hidráulicas como las máquinas térmicas pueden ser motoras o generadoras, volumétricas o turbomáquinas; lo que diferencia a ambos tipos de máquinas es concretamente qué tipo de fluido, compresible o incompresible, evoluciona por su interior. En ese sen- tido hay que destacar que la compresibilidad del fluido juega un papel fun- damental en el intercambio energético que tiene lugar entre el fluido com- presible y el exterior, tal como se expone en el capítulo 2, basándose en la ecuación del Primer Principio de la Termodinámica. En los fluidos compre- sibles es posible transformar energía térmica en energía mecánica expan- diendo el fluido, así como aumentar la energía térmica de un fluido, y por tanto su nivel de presión, comprimiendo el fluido. Como consecuencia de ello, al distinguir entre máquinas térmicas y máquinas hidráulicas se está diferenciando qué tipos de energías estarán presentes en el término que se ha denominado genéricamente «E», en la clasificación de las máquinas de fluido. Las máquinas térmicas utilizan fluidos compresibles y en ellas es MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 31 posible transformar parte de la energía térmica de estos fluidos en energía mecánica y viceversa; por tanto, «E» incluirá energía térmica y energía cinética, ya que la variación de la energía potencial entre la entrada y la sali- da de la máquina puede despreciarse. En los fluidos incompresibles esta transformación no es posible, de forma que sólo se podrá aprovechar su energía mecánica, en concreto su energía cinética. Por tanto, si a la entrada de una máquina hidráulica el fluido tiene una energía térmica asociada, que se puede incrementar por la fricción a su paso por la máquina, ésta no inter- vendrá en el intercambio energético y no será aprovechada. 1.2.3. Clasificación de las máquinas térmicas � Turbomáquinas o máquinas dinámicas (sistemas abiertos): — Máquinas motoras (turbinas): Debido a la compresibilidad del fluido, dicho fluido transforma su energía térmica en energía ciné- tica mediante un proceso de expansión. Dicha energía cinética será aprovechada para generar un par motor en el eje de la máquina. Posteriormente, en el capítulo 13, se analizará cómo son las turbinas térmicas internamente, es decir, cuál es su diseño cons- tructivo para que se pueda realizar esa transformación de energía térmica en energía mecánica y que a su vez, posteriormente, la energía mecánica se manifieste en forma de par motor en el eje de la máquina. Se puede, no obstante, anticipar que en este tipo de máquina, el fluidoatraviesa en la mayoría de los casos conductos convergentes. — Máquinas generadoras (turbocompresores): De forma análoga, un par de accionamiento conseguirá incrementar la velocidad del fluido y, debido a la compresibilidad de éste y al diseño especifico de la máquina, esta energía cinética se transformará mediante un proceso de difusión (deceleración) en energía de presión, incre- mentándose, por tanto, su nivel térmico. También tendrá el alumno ocasión de estudiar cuál es el diseño interno de estas máquinas (capítulo14), pero se puede anticipar que en el caso de los turbocompresores, el fluido atraviesa a su paso por la máquina conductos en su mayoría divergentes. � Máquinas térmicas volumétricas (Sistemas cerrados): — Máquinas motoras (máquina de vapor): Un fluido con elevada energía térmica, en concreto, vapor de agua, se introduce en la máquina y su elevada presión provoca el desplazamiento de un émbolo, generando un par motor debido al mecanismo biela-mani- vela. Al modificarse el volumen ocupado por el fluido en el pro- ceso de expansión el fluido está disminuyendo su energía térmica, debido a su compresibilidad. — Máquinas generadoras (compresores volumétricos): El incremen- to de energía térmica (aumento de temperatura) y/o de exergía (aumento de presión)2 se produce por disminución del volumen3, compresión que se realiza absorbiendo trabajo del exterior. Figura 1.3. Esquema general de un motor térmico en contraposición al esquema de una máquina térmica motora. MÁQUINAS TÉRMICAS 32 2 En un compresor refrigerado con compresión isoterma no se eleva la energía térmica del fluido, al permanecer la temperatura constante. Sin embargo, el incremento de presión a T constante disminu- ye la entropía, incrementándose en consecuencia la exergía. 3 En ciertos compresores volumétricos esto no es exactamente correcto como se tendrá ocasión de analizar en el capítulo 7. MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 33 1.3. MOTORES TÉRMICOS DE COMBUSTIÓN INTERNA Y DE COMBUSTIÓN EXTERNA. DISTINCIÓN ENTRE MÁQUINA TÉRMICA Y MOTOR TÉRMICO La gran mayoría de las fuentes de energía primaria (combustibles fósi- les, combustibles nucleares, biomasa, energía solar térmica y energía geo- térmica) para ser aprovechadas transforman previamente su energía poten- cial en energía térmica asociada a un fluido de trabajo. Por ejemplo, la energía asociada a la estructura molecular de los combustibles fósiles o de la biomasa se libera en la mayor parte de los casos mediante un proceso de combustión, generándose gases con un elevado nivel térmico. En el caso de un reactor nuclear, la energía liberada por la fisión del núcleo del átomo del combustible nuclear es evacuada del reactor mediante un fluido refrigerante que adquiere una elevada energía térmica. En todos estos casos, será posible mediante una máquina térmica motora transformar dicha energía térmica asociada al correspondiente fluido de trabajo en energía mecánica utilizable. Cuando el conjunto de elementos mecánicos que permiten obtener ener- gía mecánica a partir del estado térmico de un fluido de trabajo incluye el equipo donde tiene lugar la generación de dicho estado térmico, a dicho conjunto de elementos se le denomina motor térmico o planta de potencia. Es habitual que exista una confusión entre los conceptos de máquina tér- mica motora y de motor térmico. Cabe destacar que, en algunos casos el motor térmico incluye una o varias máquinas térmicas, mientras que en otros no es posible establecer tan claramente la distinción. Para esclarecer la cuestión es importante distinguir entre dos tipos de motores térmicos: moto- res de combustión externa y motores de combustión interna. Motores de combustión externa En estos motores el fluido experimenta un proceso cíclico cerrado que incluye, tanto el proceso en el que el fluido adquiere un elevado nivel tér- mico, como el proceso en el que se transforma la energía térmica adquirida en energía mecánica. Además, en este tipo de motores dichos procesos siempre tienen lugar en equipos diferentes; por ejemplo, el fluido adquiere su energía térmica en un intercambiador de calor, generador de vapor o cal- dera, siempre por transmisión de calor a través de una pared, y cede su ener- gía térmica en una máquina térmica motora. Es importante resaltar que en este tipo de motores el fluido térmico no interviene en el proceso de com- bustión, no experimentando, por tanto, transformación química, de ahí su denominación de combustión externa. A los motores de combustión externa también se les denomina máquinas térmicas cíclicas4 o motores caloríficos, porque el fluido de trabajo absorbe calor de un foco caliente y cede calor a un foco frío. � De fluido que se condensa en la instalación Un ejemplo de este tipo de motor puede ser el ciclo de vapor de Rankine que se analiza en el capítulo 10. En él, la energía liberada en el proceso de combustión se aprovecha para producir vapor en una cal- dera. Dicho vapor será el fluido de trabajo (también llamado fluido motor) que luego atravesará la turbina de vapor (máquina térmica motora) cediendo gran parte de su energía térmica, energía que se pro- yectará al exterior en forma de par motor en el eje de la turbina. El fluido motor no experimentará transformaciones químicas y evolucio- nará usualmente según un ciclo cerrado. En este caso, en el ciclo más elemental, para completar su evolución el fluido atravesará un conden- sador y una bomba para retornar de nuevo a la caldera en forma de agua líquida a alta presión. La instalación con máquina de vapor es otro ejemplo de este tipo de motores, aunque en la actualidad está prácticamente en desuso. � De fluido que no se condensa Turbinas de gas de ciclo cerrado (capítulo 8): El fluido se compri- me en un compresor, a continuación se calienta a expensas de un foco caliente, atravesando un intercambiador de calor, posteriormente se expande desarrollando trabajo en la turbina, parte del cuál se emplea en accionar el compresor, y finalmente el fluido retorna a su estado inicial cediendo calor a un foco frío en un segundo intercambiador de calor. MÁQUINAS TÉRMICAS 34 4 Es frecuente, especialmente en terminología inglesa, utilizar la denominación máquina térmica cíclica (cyclic heat engine), para denominar al conjunto de elementos que constituyen el motor térmico incluyendo sólo los tubos de la caldera (que recibirán calor del foco caliente) y los del condensador (que cederán calor al foco frío) y planta de potencia si se considera el conjunto de la caldera y el con- densador. Motores Stirling: Son motores de los denominados de combustión externa de tipo alternativo. El gas que evoluciona (por ejemplo, helio, nitrógeno, o simplemente aire) se calienta mediante una fuente de energía primaria y al expandirse en el interior del cilindro, desarrolla trabajo. Posteriormente debe ceder energía térmica a un foco frío para reanudar el ciclo. Estos motores, muy poco utilizados industrialmente, están siendo utilizados en instalaciones solares térmicas con discos parabólicos. La luz solar recogida por el disco se concentrada en su zona focal, donde se sitúa el motor, aprovechando dicha energía para calentar el fluido de trabajo. Motores de combustión interna En este tipo de motores son los propios reactantes y posteriormente gases de la combustión los que constituyen el fluido motor. Al sufrir trans- formaciones fisicoquímicas, el fluido motor no podrá evolucionar según un ciclo cerrado, dado que no puede retornar a su estado inicial. Sin embargo, dado que el fluido sí experimenta una secuencia de procesos que se repiten en el tiempo, su evolución podrá asimilarse a un ciclo termodinámico, que se denominará ciclo abierto, el cual incluye un proceso de admisión de aire fresco y combustible, así como un proceso de escape de los productos de la combustión, una vez que han cedido buena parte de su energía térmica, transformándola en par motor. Por otra parte, el ciclo termodinámico básico incluye los procesos de compresión del fluidomotor, determinante para la obtención de un elevado rendimiento, combustión y expansión. A los motores de combustión interna también se les denomina motores adiabáticos porque, en principio, el fluido de trabajo no tiene por qué inter- cambiar calor con ningún otro fluido en el interior del motor5. � De tipo alternativo (MCIA) Los gases de resultantes de la combustión, con elevada energía tér- mica y nivel de presión, desplazan un pistón con movimiento alterna- tivo, desarrollando potencia mecánica durante el proceso de expansión (motores Otto o de encendido provocado (MEP) y diesel o de encen- dido por compresión (MEC)) estudiados en los capítulos 5 y 6). En MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 35 5 La necesidad de refrigerar el cilindro, en el caso de los MCI alternativos, viene motivada por exi- gencias mecánicas: para controlar la dilatación de las piezas y la temperatura del aceite. MÁQUINAS TÉRMICAS 36 este caso no es posible distinguir la máquina térmica motora del motor térmico. — Motores de encendido provocado, ciclo Otto (MEP) — Motores de encendido por compresión, diesel (MEC) � De tipo rotativo — Turbina de gas: Los propios gases de la combustión se introducen directamente en la turbina (máquina térmica motora) para ceder su energía térmica y obtener potencia mecánica en el eje de la máqui- na. Antes de introducirse en la cámara de combustión, el aire com- burente debe comprimirse en un compresor (máquina térmica generadora) para que luego dichos gases puedan expandirse en la turbina (capítulos 8 y 9). — Motor Wankel: se trata de un motor rotativo volumétrico. El principio de funcionamiento es en gran medida similar al de los motores MCIA, pero en este caso un rotor triangular de caras conve- xas gira de forma excéntrica en el interior de una cámara, de manera que los tres volúmenes libres existentes entre las caras del rotor y las paredes interiores de dicha cámara varían con el giro, permitiendo los procesos de admisión, compresión, expansión y escape. Son motores muy compactos que, sin embargo, tienen problemas a la hora de con- seguir la necesaria estanqueidad y una correcta lubricación, por lo que tienen la desventaja, frente a los de tipo alternativo, de un elevado con- sumo de aceite, además de mayores emisiones contaminantes. � De reacción Los gases de la combustión transforman parte de su energía térmi- ca en energía mecánica, pero ésta no se manifiesta en forma de par motor en un eje sino en forma de energía cinética, obteniéndose una propulsión por chorro debido a la salida de los gases de la combustión a gran velocidad debido a su expansión en una tobera. — Motores cohete La energía primaria del combustible que utilizan se libera mediante una reacción química que no precisa el aporte de oxígeno desde el exterior. — Aerorreactores Toman aire del exterior como comburente para la reacción de combustión. – Con compresor (turborreactor, turbofan y turbohélice) – Sin compresor (estatorreactor y pulsorreactor) El principio básico de funcionamiento de los turborreactores se estudia en el capítulo 8. Los alumnos que deseen profundizar en el funcionamiento y características de diseño de los distintos tipos de turbinas de gas de avia- ción, deberán cursar la asignatura optativa Motores de Combustión Interna, dedicada a estos motores así como a los de tipo alternativo. Para acabar de clarificar conceptos, poniendo de manifiesto la distinción entre motor térmico y máquina térmica motora, analice la figura 1.4 en la que se presenta el papel de los motores térmicos y las máquinas térmicas motoras en el contexto de las transformaciones energéticas. Puede observar- se que los motores térmicos no constituyen el único sistema de obtener ener- gía mecánica a partir de un combustible, ya que mediante una pila de com- bustible se puede aprovechar la energía química asociada a la estructura molecular del hidrógeno para generar directamente energía eléctrica mediante un proceso inverso al de la electrolisis6. Posteriormente la energía generada se podría utilizar para accionar un motor eléctrico con el fin de producir energía mecánica. Las pilas de combustible, actualmente en fase de desarrollo, tienen todavía baja incidencia, de manera que los motores térmi- cos son los sistemas utilizados de manera generalizada para llevar a cabo la transformación en energía mecánica de la energía contenida en los combus- tibles fósiles y en los combustibles nucleares. Analizando la figura 1.4 y a modo de resumen se puede concluir que las máquinas térmicas permiten transformar energía térmica en mecánica o viceversa, mientras que los motores térmicos permiten transformar la ener- gía primaria asociada a la constitución de la materia (enlaces químicos en la molécula o fuerzas asociadas al núcleo del átomo) en energía mecánica. Para ello se produce una primera transformación de la energía primaria en energía térmica asociada a un fluido de trabajo. Se incluye dentro del motor MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 37 6 Dado que el hidrógeno no está disponible en la naturaleza, es necesario obtenerlo previamente, en general a partir de combustibles fósiles como el gas natural. MÁQUINAS TÉRMICAS 38 térmico el equipo donde tiene lugar el proceso de liberación de la energía contenida en la fuente primaria (motores de combustión interna) o bien el equipo donde el fluido motor recibe energía térmica, a través de una pared, procedente de otro fluido, fuente primaria o proceso (motores de combus- tión externa). Esquema 1.1. Clasificación de los motores térmicos. Debido a la complejidad y volumen de los motores de combustión exter- na de fluido condensable, constituidos por gran número de equipos (capítu- lo 9) es habitual denominar a estas instalaciones plantas de potencia, emplean do la denominación de motores térmicos fundamentalmente en el caso de los motores de combustión interna, que son instalaciones más com- pactas. Conviene insistir en que pesar de la denominación empleada de motores de combustión interna o externa, los motores térmicos pueden aprovechar diferentes tipos de energía primaria: combustible fósil (reacción de combus- tión), combustible nuclear (reacción de fisión), energía solar (aprovechando MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 39 esta energía para producir vapor o calentar un fluido, como por ejemplo aceite), biomasa (transformándola previamente en un combustible líquido o gaseoso, o bien aprovechándola directamente mediante un proceso de com- bustión). Figura 1.4. Las máquinas y los motores térmicos en el contexto de las transformaciones energéticas. 1.4. RENDIMIENTO DE LOS MOTORES TÉRMICOS 1.4.1. Rendimiento del ciclo y rendimiento de la instalación En primer lugar, en el caso de los motores de combustión externa o calo- ríficos, es riguroso definir el rendimiento térmico, o rendimiento del ciclo termodinámico que experimenta el fluido de trabajo: [1.1] No obstante, en motores térmicos, particularmente en los de combustión interna, el rendimiento que más se utiliza para evaluar la bondad del proceso es el que puede denominarse rendimiento de la instalación, que refleja en qué medida se aprovecha la energía primaria introducida por unidad de tiempo en el motor, a través del gasto másico de combustible, para producir potencia mecánica, y se expresa como el cociente de ambas magnitudes: MÁQUINAS TÉRMICAS 40 [1.2] En el caso de los motores de combustión externa, este rendimiento está estrechamente relacionado con el rendimiento térmico definido en [1.1], e incluye el rendimiento del equipo donde tiene lugar la transformación de la energía primaria en energía térmica, es decir, el rendimiento de la caldera o generador de vapor ηcal (ver capítulos 2 y 14), de forma que: [1.3] En el caso de los motores de combustión interna, la expresión [1.1] sólo se utiliza en el análisis de los ciclos teóricos en los que se considera que el fluido realiza un proceso cíclico (ciclo cerrado) y se supone, en una primera aproximación, que el procesode combustión que experimenta el fluido se puede considerar como una aportación de calor al mismo. Por otra parte, la evacuación del fluido (gases de combustión) al ambiente se supone que constituye una cesión de calor a un foco frío. 1.4.2. Rendimiento exergético El rendimiento exergético de un motor térmico se define como el trabajo que desarrolla el motor respecto del máximo que podría haberse obtenido a partir del combustible. El trabajo máximo de referencia es precisamente la exergía del combustible, que se obtiene a través de la expresión que aparece en el denominador de la ecuación [1.4]. [1.4] Se puede comprobar que: , y tal como se explica en el capítulo 3, este último término coincide con el poder calo- rífico del combustible, de manera que se comprueba que el rendimiento exergético y el rendimiento de la instalación definido en [1.2], son práctica- mente coincidentes. MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 41 Es importante resaltar que aunque el 100% del calor producido en el pro- ceso de combustión se transfiera al fluido de trabajo, dado que éste se calienta a una temperatura finita, se destruye exergía, ya que la energía tér- mica que adquiere dicho fluido no puede convertirse totalmente en trabajo, tal como se recuerda en el capítulo 2. Si la exergía del combustible, liberada en el proceso de combustión, fuera posible transferirla a un fluido de trabajo a temperatura constante infinita, sólo entonces no se destruiría exergía en dicha transformación. Por ello, cuanto mayor es la temperatura media del fluido de trabajo durante el proceso de combustión o de absorción de calor del foco caliente, menor es la destrucción de exergía y mayor es el rendi- miento del proceso. La temperatura del foco frío entra en consideración implícitamente, ya que el concepto de exergía siempre va ligado a una tem- peratura ambiente de referencia (foco frío). 1.5. COGENERACIÓN Hay que tener en cuenta que el rendimiento de la instalación de los motores térmicos modernos no supera como valor medio el 40%. El valor del rendimiento para los distintos motores en el caso de plantas grandes, como mínimo de unos 15 MW, oscila en los siguientes rangos: � Planta de potencia con turbina de vapor 39-41% � Turbinas de gas 35 – 45% � Motores de combustión interna alternativos 35-52% � Ciclos combinados turbina de gas-turbina de vapor 45-60% El rendimiento depende en gran medida del tamaño de la planta, y por tanto de su potencia, de las simplificaciones constructivas y de la tecnología más o menos de vanguardia empleada en la construcción de los equipos. Por todas estas circunstancias, los valores medios de los rendimientos de los motores térmicos son algo inferiores a los señalados. Esto significa que en torno a un 60 % de la energía del combustible utilizado se desperdicia y se evacua al ambiente en forma de calor. Hay que tener en cuenta que las pér- didas que se producen en la transformación energética que tiene lugar en los motores térmicos son inherentes en gran medida al propio ciclo termodiná- mico de estos motores y, por tanto, sólo pueden reducirse en parte, tal como MÁQUINAS TÉRMICAS 42 se comenta en el capítulo 2. En el estado del arte actual estamos muy pró- ximos al límite máximo del rendimiento alcanzable en motores térmicos, de ahí el interés de la cogeneración como medio de mejora del rendimiento global. La cogeneración es la producción conjunta de energía térmica y mecá- nica; energía térmica aprovechable en forma de gases o líquidos calientes y energía mecánica que se puede utilizar directamente para ac cionamiento mecánico pero que en la mayoría de los casos se convierte en energía eléc- trica mediante un alternador. Por ejemplo, analicemos el caso de una industria que requiera importan- tes consumos de energía térmica y energía eléctrica; energía térmica que puede ser en forma de vapor para distin tos procesos industriales (por ejem- plo industrias de papel y celulosa o industrias quími cas) y energía eléctrica para el abastecimiento de sus instalaciones y el accionamiento de su ma - quinaria. La industria tiene dos alternativas: la primera de ellas es la solu- ción clásica que consiste en comprar la energía eléctrica a través de una empresa comercializadora o distribuidora y utilizar una caldera para produ- cir vapor o agua caliente quemando un com busti ble para cubrir sus necesi- dades de energía térmica; la otra alternativa es instalar un sistema de coge- neración de energía térmica y eléctrica. En ese caso la energía prima ria contenida en un combustible se introduce en un motor térmico, por ejemplo una turbina de gas, generando energía mecánica que puede ser posterior- mente transformada en energía eléctrica mediante un alternador. Como con- secuencia de la conversión energética que tiene lugar en el motor térmico se producen una serie de pérdidas (de calor por radiación, por rozamiento, etc.) y energías térmicas residuales en forma de fluidos calientes (gases de esca- pe, fluidos refrigerantes, etc.) dependiendo del sistema. Los sistemas de cogeneración se basan en apro vechar la mayor parte posible de dichos calo- res residuales, ya que constitu yen un foco o fuente de energía térmica que puede ser utilizado directamente en procesos industriales o indirec tamente mediante cambiadores de calor para producir vapor o agua caliente para necesidades industriales o también para aplicaciones en el sector tercia rio. Como consecuen cia se logra un mejor aprovechamiento de la energía poten- cialmen te con tenida en los combustibles y por consiguiente un ahorro de energía primaria para producir las mismas cantidades finales de energía tér- mica y energía eléctrica. MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 43 Se puede definir el rendimiento de la planta de cogeneración de la forma siguiente, entre otras: [1.5] En el numerador aparece la suma de la energía térmica aprovechada y la energía mecánica-eléctrica obtenida, ambas por unidad de tiempo, y en el denominador la energía aportada por el combustible por unidad de tiempo (gasto másico de combustible por el poder calorífico). Hay que tener en cuenta que se están sumando en el numerador energías de categorías muy diferentes por lo que este rendimiento proporciona simplemente una idea de la calidad del proceso. 1.6. CAMPOS DE APLICACIÓN DE LOS MOTORES TÉRMICOS Producción de energía eléctrica Aproximadamente el 80% de energía eléctrica que consume la sociedad se obtiene a través de motores térmicos accionando generadores eléctricos. Actualmente en este campo compiten asimismo los sistemas basados las energías renovables hidráulica, eólica y solar fotovoltaica, y en mucha menor escala las pilas de combustible. También es interesante destacar que cuando se desarrolle la tecnología de la fusión nuclear, la energía térmica desarrollada también será aprovechada a través de motores térmicos de combustión externa. � Grandes potencias En la generación de energía eléctrica para grandes centrales de pro- ducción, las plantas de vapor se han venido utilizando sin competencia hasta muy recientemente. La primera razón de este hecho radica en que este tipo de motor térmico es el más versátil en relación al com- bustible, ya que puede utilizar combustibles fósiles sólidos, líquidos y gaseosos, combustibles nucleares, o incluso energías renovables como biomasa o energía solar; no obstante, la utilización del carbón como fuente de energía primaria llevó inicialmente al desarrollo de estas ins- talaciones, obteniéndose altos rendimientos (40%). Por otra parte, este tipo de instalaciones son las que desarrollan mayor potencia unitaria, MÁQUINAS TÉRMICAS 44 ya que la energía disponible por unidad de masa en el vapor es tres veces superior a la disponible en el gas y, por tanto, para desarrollar la misma potencia serán necesarios gastos másicos de fluido muy supe- riores en el caso de las turbinas de gas y los MCI alternativos. A pesar de que es factible diseñar instalaciones basadas en el ciclo de Rankine con potencias superioresa los 1000 MW, hoy en día, en el caso de que se utilicen combustibles fósiles, las centrales de producción estén inte- gradas por varios grupos de menor potencia (350 MW -550 MW), lo que conlleva ventajas de cara a la planificación de las paradas por mantenimiento. Debido a ello, las turbinas de gas, que han mejorado espectacularmente sus prestaciones en los últimos años existiendo modelos comercializados que superan los 330 MW con rendimientos del 39%, podrían actualmente estar en condiciones de competir, siem- pre y cuando el combustible a utilizar sea líquido o gaseoso. Los gases de la combustión que se generan a partir de combustibles sólidos con- tienen un elevado nivel de cenizas que producen erosiones inacepta- bles en la turbina. En cuanto a los motores de combustión interna alternativos, éstos tienen las mismas limitaciones que las turbinas de gas en cuanto al tipo combustible, pero además consiguen potencias muy inferiores, con valores máximos del orden de los 100 MW, por lo que únicamente se han venido utilizando para la producción de energía eléctrica en las Islas Baleares y Canarias, en el caso de España. La decisión de utilizar el gas natural como fuente de energía prima- ria para la producción de energía eléctrica a gran escala, con el fin de diversificar el origen de las fuentes y reducir las emisiones contaminan- tes, ha motivado que los ciclos combinados gas-vapor estén utilizándo- se cada vez más en el campo de la producción de energía eléctrica debi- do a su elevado rendimiento. Los ciclos combinados deben su éxito al espectacular desarrollo de las turbinas de gas en los últimos años y a la creciente fiabilidad de estas instalaciones como consecuencia de la mejora en la tecnología de las calderas de recuperación. Por todo ello, actualmente se comercializan plantas de ciclo combinado con rendi- mientos superiores al 60%, ya que al buen rendimiento de la turbina de gas que incorporan se une el hecho de que su principio de funciona- miento implica el aprovechamiento de la energía residual asociada a los gases de escape de la turbina de gas para producir una parte o bien el total del vapor que luego se expansiona en una turbina de vapor. MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 45 � Generación distribuida y cogeneración Se refiere a aplicaciones en las que la generación de energía eléc- trica se realiza prácticamente en el punto de consumo, siendo las potencias requeridas pequeñas en comparación con el caso anterior. Por tanto, son potencias que, en general, no superan los 30 MW, sien- do más habituales las instalaciones con potencias entre 5-10 MW en el sector industrial e inferiores a 1 MW en el sector terciario. En esta aplicación es precisamente donde compiten las pilas de combustible, la tecnología solar fotovoltaica y la mini-hidráulica, por el bajo nivel de potencia demandado. En cuanto al tipo de plantas que se utilizan, en el caso concreto de la cogeneración, las instalaciones con turbinas de vapor se utilizaron mucho en el pasado por ser una tecnología conocida y para determina- dos requerimientos la única disponible en su momento. El desarrollo de las turbinas de gas, con la mejora de sus rendimientos, motivó que las instalaciones basadas en este elemento motor crecieran en número, desplazando a las instalaciones con turbina de vapor por su mayor coste de instalación, operación y manteni miento, así como tiempos de construcción y puesta en servicio muy superiores a los de las turbinas de gas (consultar cuadro al final del capítulo). Por todo ello, las insta- laciones basadas en turbinas de vapor sólo se utilizan en la actualidad cuando se desea utilizar un combustible sólido, especialmente si se dispone de un combustible sólido de desecho. A medida que se ha extendido la cogeneración a aplicaciones de menor potencia, especialmente en el sector terciario, las instalaciones basadas en motores de combustión interna alternativos han ido incre- mentando su participación en este mercado. Hay que tener en cuenta que en el rango de potencias reducidas (<10MW), los motores de combustión interna alternativos tienen mayores rendimientos a plena potencia que las turbinas de gas. Por otro lado, su funcionamiento se adapta mejor en situaciones que requieren variaciones de carga y fre- cuentes paradas y arranques. Esto se debe, en primer lugar, a que, a diferencia de las turbinas de gas, los motores alternativos mantienen dentro de un rango aceptable su rendimiento ante variacio nes de carga, siempre que trabajen por encima del 50% de su potencia nomi- nal; por otra parte, su vida útil y el periodo entre revisiones se acortan MÁQUINAS TÉRMICAS 46 menos ante frecuentes paradas y arranques que en el caso de las tur- binas de gas. Por otra parte, la elección de un tipo de motor térmico para coge- neración también depende de las características de la demanda térmica requerida que en ocasiones determinan el tipo de motor a utilizar. En ese sentido, hay que tener en cuenta en relación con las plantas con motores de combustión interna alternativos, que el nivel térmico del calor residual de estos motores es inferior al de las turbinas de gas. Esto hace que las instalacio nes dotadas con estos motores puedan uti- lizarse sólo en aplicaciones en las que se requiera vapor a baja presión o agua caliente. Las denominadas microturbinas de gas (aproximadamente en el rango: 30 kW - 500 kW) son indicadas en esta aplicación, en la que se requiere bajo ruido y reducidas emisiones, pero tienen el inconvenien- te de su bajo rendimiento eléctrico, que no suele superar el 20%. La mayor parte de ideas presentadas anteriormente son aplicables a la elección del tipo de motor térmico más conveniente en otras apli- caciones de generación distribuida, como pueden ser los grupos elec- trógenos. Transporte En este campo la única competencia a los MCIA reside actualmente en las pilas de combustible y en los motores eléctricos con baterías, si bien, en este último caso hay que tener en cuenta que dichas baterías se recargan con energía eléctrica generada en centrales de producción generalmente basadas en motores térmicos. Las instalaciones de potencia con turbina de vapor son muy complejas y requieren gran cantidad de espacio, entre otras cosas por la presencia de la caldera, el condensador y el resto de los equipos auxiliares, todos ellos equi- pos muy voluminosos. Esto no supone un inconveniente en aplicaciones estacionarias, pero sí en aplicaciones de transporte. En esta aplicación se utilizan motores de combustión interna, mucho más compactos y por tanto de mayor potencia específica. MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 47 � Automoción En automoción se trabaja muy frecuentemente a cargas parciales y las turbinas de gas tienen el grave inconveniente frente a los motores de combustión interna alternativos de que su rendimiento empeora mucho al variar la potencia en relación a las condiciones de diseño (potencia nominal). Además, para el reducido nivel de potencia carac- terístico de esta aplicación, el rendimiento de las turbinas de gas en condiciones nominales es algo inferior y además no existe un ahorro significativo de peso frente a los MCI alternativos. Las únicas ventajas que presentan las turbinas de gas, en este caso, son: una menor emi- sión de contaminantes, menor ruido y menos mantenimiento; estas ventajas no contrarrestan el inconveniente de su peor rendimiento, especialmente a cargas parciales. Es interesante hacer un inciso para comentar que los motores de com- bustión interna alternativos a partir de una determinada potencia son todos motores tipo diesel (MEC). Los motores Otto o MEP, de gasolina generalmente, quedan circunscritos a motores de automoción y a motores auxiliares de poca potencia. En éstos el pistón no puede tener un diáme - tro mayor de 150 mm por problemas de detonación. Esto se debe a que medida que el motor aumenta sus dimensiones se reduce la relación superficie / volumen del cilindro, de forma que se dificulta su refrigera- ción y la temperaturamedia del fluido de trabajo aumenta, lo que conlle- va una tendencia inevitable a la detonación, que es indeseable. En el caso de turismos se utilizan tanto motores de encendido pro- vocado (ciclo Otto / MEP) como de encendido por compresión (diesel /MEC). Estos últimos tiene menor potencia específica y, en general, un mayor coste de adquisición y mantenimiento. Sin embargo, su mejor rendimiento supone una característica muy importante debido al incremento del precio de los combustibles. Este factor, unido a la mejora de la potencia específica mediante la sobrealimentación ha supuesto un incremento notable del porcentaje de motores diesel en el sector del automóvil; en concreto son motores diesel de los denomina- dos extrarrápidos (3800 – 5000 r.p.m.). Los motores de competición son motores MEP de cuatro tiempos a altas revoluciones, ya que en este tipo de aplicación prima más la ven- taja de una alta potencia específica. MÁQUINAS TÉRMICAS 48 En autobuses y camiones, se utilizan motores diesel de los denomi- nados rápidos (1900 – 2700 r.p.m.) por su mejor rendimiento, aunque en el caso de autobuses urbanos, por su menor contaminación y ruido, cada vez hay mayor presencia de motores MEP a gas o utilizando bio- combustibles. Las motocicletas de pequeña cilindrada incorporan motores MEP de dos tiempos por el bajo coste asociado a la simplicidad constructi- va. Las motocicletas de mayor potencia utilizan motores de MEP de cuatro tiempos por su mejor rendimiento frente a los dos tiempos. � Propulsión marina En motores marinos lo más extendido es el motor diesel, aunque en pequeñas potencias también se utilizan motores de gasolina (ciclo Otto) de dos tiempos En grandes buques, el diesel lento (como mínimo 90 r.p.m.), ha desplazado completamente a las antiguas instalaciones con turbina de vapor. La turbina de gas tiene por el momento mucha menor incidencia, salvo en embarcaciones en las que se requiere muy alta potencia específica (hidrofoil, overcraft, lanchas rápidas) o en marina de guerra, por su menor nivel de ruido. � Tracción ferroviaria En tracción ferroviaria, a pesar de que la turbina de gas parece en principio idónea, ya que aquí las condiciones de trabajo son bastante constantes, todavía hay poca presencia de este tipo de motores. En esta aplicación lo más extendido son las locomotoras diesel-eléctricas, que consisten básicamente en motores diesel sobrealimentados rápidos (1000 – 1500 r.p.m.), accionando motores eléctricos encargados de proporcionar la tracción a las ruedas. � Propulsión aérea Aunque en aplicaciones deportivas y comerciales (avionetas) toda- vía se utilizan motores de combustión interna alternativos de gasolina, el campo de la aviación está dominado por las turbinas de gas de avia- ción. En los inicios del desarrollo de las turbinas de gas se pusieron de manifiesto las posibilidades de este motor para la propulsión aérea. Hay que tener en cuenta que en el caso de propulsión de aviones utili- MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES 49 zando hélice, la propulsión se origina como consecuencia del empuje que ejerce el aire sobre la hélice, en el sentido de avance del aparato, como reacción a la aceleración en sentido inverso que experimenta el caudal de aire que trasiega la hélice. Con este mismo fundamento, las turbinas de gas de aviación, que son motores de reacción de la catego- ría de los aerorreactores con compresor, producen un empuje sobre el fuselaje como consecuencia de la variación de la cantidad de movi- miento experimentada básicamente por el aire a su paso por el motor, despreciando el gasto de combustible frente al del aire. Existen diversas configuraciones de turbinas de gas de aviación, siendo las más importantes: el turborreactor, el turbofán y el turbohé- lice. La propulsión por hélice tiene limitaciones en cuanto a altura de vuelo y velocidad máxima de crucero, por problemas de desprendi- miento de la corriente fluida y caída del rendimiento propulsivo de la hélice. Por estas razones, este tipo de propulsión, característica de aeronaves equipadas con motores turbohélice o bien con motores de combustión interna alternativos, es adecuada para aplicaciones donde se requieren velocidades de vuelo relativamente bajas en trayectos relativamente de corto alcance, en donde un incremento de la veloci- dad máxima de vuelo no tiene gran repercusión. En los aviones de transporte civil (carga o pasajeros) se utilizan de forma generalizada turbofanes con grados de derivación de hasta 6:1, por su menor consumo. Sólo en determinados casos, para transportes civiles de corto alcance o bien en transporte militar, siguen utilizándo- se turbohélices. En la aviación militar de combate, en donde interesa alcanzar en momentos determinados velocidades supersónicas, se uti- lizan los turborreactores con postquemador, pues tienen un rendimien- to más elevado a muy altas velocidades. Sin embargo, los aviones de combate modernos también están equipados, hoy en día, con motores con un cierto grado de derivación (entre 0,3:1 y 1,5:1), a los que se denomina turborreactores con by-pass. � Otras aplicaciones aéreas En las lanzaderas de naves espaciales y la propulsión de misiles se utilizan motores cohete; para el lanzamiento de los denominados misi- les de crucero, de largo alcance, se utilizan pequeñas turbinas de gas de aviación. Otras aplicaciones � Maquinaria agrícola y motores auxiliares Para accionar tractores y cosechadoras se utilizan motores de com- bustión interna alternativos diesel. En motores auxiliares de pequeña potencia como cortacésped o motosierras mecánicas, se utilizan motores de combustión interna alternativos de gasolina. En aplicaciones de mayor potencia como accionamiento de maquinaria de obras públicas o carretillas elevado- ras, se emplean motores diesel. En el caso de motores auxiliares de apoyo en tierra de aeronaves se utilizan turbinas de gas (GPU). MÁQUINAS TÉRMICAS 50 M Á Q U IN A S Y M O T O R E S T É R M IC O S. G E N E R A L ID A D E S 5 1 Parámetro MCIA alternativo Turbinas de gas1 Instalación ciclo Rankine Ciclos combinados gas-vapor Tipos ciclo diesel, ciclo Ciclos: simple, rege- En contrapresión, en Sin o con Otto gas nerativo, compuesto condensación postcombustión Rango de potencia 0,5 kW-98 MW 28 kW-334 MW 1 MW-1000 mW 7 MW-990 MW Rendimiento máximo 0,35 (gas) 0,45 (ciclo simple) 0,4 (ciclo en condensación 0,6 0,52 (diesel) 0,48 (ciclo regenerativo) Rango de rendimiento 0,3 a 0,52 0,2 a 0,43 (simple) 0,3-0,42 0,48-0,6 Factor η a media carga 1,00 0,8 a 0,85 0,91 a 0,96 0,8 a 0,85 Tamaño y peso/kW medio pequeño grande medio Vida típica de la planta 10 a 20 años 15 a 30 años 25 a 35 años 30 a 35 años Período de mantenimiento2 semanal y mensual mensual y anual diario diario Período de inspección total anual varios años anual anual Tipo de combustible líquido o gas líquido o gas sólido, líquido, gas líquido o gas Calidad requerida combustible alta alta / media media / baja alta / media Necesidades personal algunos pocos o ninguno muchos varios Lubricación cambios frecuentes control nivel aceite control nivel aceite control nivel aceite de aceite y filtros Característica fundamental Buen η cargas parciales Es el motor de mayor Única planta que puede utilizar Es la planta de más alto a destacar y alta potencia específica potencia específica combustibles sólidos rendimiento (60%) 1 Se hace referencia a las turbinas de gas de ciclo abierto para producción de potencia. 2 Se refiere a instalaciones en aplicaciones estacionarias de producción de energía eléctrica de uso continuado. COMPARACIÓN ENTRE DISTINTOS MOTORES TÉRMICOS (1) M Á Q U IN A S T É R M IC A S 5 2 COMPARACIÓN ENTRE DISTINTOS MOTORES TÉRMICOS (2) Parámetro MCI alternativo Turbinas de gas Instalación con turbina Ciclos combinados de vapor, ciclo Rankine gas-vapor Requerimientos para la instalación – Cimentación para absor- ción de vibraciones – Celda para absorber ruido, silenciador de escape. – Filtros parael aire de admisión – Silenciadores de ad - misión y escape – Sistema de tratamiento de cenizas y escorias, si combustible sólido – Almacenamiento y trata- miento del combustible sólido – Gran caudal de agua refrigeración – Tratamiento especial del agua del ciclo – Gran caudal de agua refrigeración – Tratamiento especial del agua del ciclo – Filtros para el aire de admisión – Silenciadores de admi- sión y escape Campos de aplicación – Automoción – Propulsión marina – Tracción ferroviaria – Obras públicas – Maquinaria agrícola – Propulsión aérea – Cogeneración – Producción de energía eléctrica – Propulsión aérea (turbo- rreactor, turbofan y tur- bohélice) – GPU (Ground Power Units) en aeropuertos – Propulsión marina – Cogeneración – Producción de energía eléctrica – Producción de energía eléctrica – Cogeneración – Producción de energía eléctrica – Cogeneración Capítulo 2 Procesos en fluidos compresibles 2.1. Introducción 2.2. Procesos termodinámicos de importancia en el estudio de las máquinas y los motores térmicos 2.3. Principios y ecuaciones que rigen el comportamiento de los flujos compresibles 2.3.1. Principio de conservación de la masa 2.3.2. Primer Principio de la termodinámica 2.3.3. Ecuación de conservación de la cantidad de movi- miento 2.3.4. Segundo Principio de la termodinámica 2.3.5. Exergía y balance exergético 2.3.6. Ecuaciones de Gibbs 2.3.7. Ecuaciones calóricas 2.3.8. Trabajo intercambiado con el entorno 2.4. Propiedades termodinámicas de mezclas de gases ideales 2.5. El Factor de Carnot. Rendimiento máximo de los motores térmicos. 2.6. Concepto de velocidad del sonido y número de mach 2.6.1. Velocidad del sonido 2.6.2. Concepto de número de Mach 2.6.3. Concepto de onda de choque 2.7. Expansión y compresión en conductos, toberas y difusores 2.7.1. Efecto de la compresibilidad 2.7.2. Forma del conducto en toberas y difusores 2.7.3. Parámetros críticos de un gas 2.7.4. Comportamiento del fluido en conductos sin fricción 2.7.4.1. Expresión del gasto en toberas y difusores 2.7.4.2. Expansión en conductos convergentes 2.7.4.3. Comportamiento del fluido en un conducto convergente- divergente 53 2.7.4.4. Evaluación de las pérdidas en toberas y difusores 2.7.4.4.1. Comparación de los casos de expansión y compresión 2.7.4.4.2. Coeficientes para evaluar la fric- ción en toberas y difusores OBJETIVOS FUNDAMENTALES DEL CAPÍTULO � Recordar las ecuaciones fundamentales que rigen el comportamiento del flujo compresible en sistemas cerrados y abiertos: ecuación de la continuidad, ecuación de conservación de la energía, segundo princi- pio de la termodinámica, ecuación de conservación de la cantidad de movimiento, ecuaciones de Gibbs, ecuaciones calóricas. � Recordar el concepto de exergía y el balance exergético como una forma alternativa de expresar el 2.o principio de la termodinámica. � Recordar las distintas formas de expresar el trabajo intercambiado con el entorno en sistemas cerrados y abiertos. � Recordar los conceptos de velocidad del sónido, número de Mach y onda de choque, que tienen importancia a la hora de analizar los pro- cesos de expansión y compresión. � Analizar los procesos de expansión y compresión en toberas y difuso- res para llegar a entender la influencia de la forma del conducto y del número de Mach de la corriente. � Entender las limitaciones que presentan las toberas convergentes fren- te a las convergente-divergentes. � Presentar los distintos parámetros que se utilizan para evaluar las pér- didas mecánicas en toberas y difusores. 2.1. INTRODUCCIÓN En las máquinas térmicas evolucionan fluidos compresibles (vapor de agua, aire, mezcla de aire y combustible, gases de la combustión) a veloci- dades apreciables, que sufren procesos en los que se producen cambios en 55 su densidad. Es importante destacar que es precisamente la característica de compresibilidad la que da a los fluidos la capacidad de almacenar y liberar grandes cantidades de energía, y jugará un importante papel en el funciona- miento de las máquinas térmicas, como se pondrá de manifiesto a lo largo del texto. El presente capítulo tiene por objeto presentar las ecuaciones fundamen- tales que rigen el comportamiento del flujo compresible y, posteriormente, estudiar y presentar ciertos procesos termodinámicos y termo-fluidomecáni- cos característicos que tienen lugar en las máquinas y los motores térmicos, así como mostrar las herramientas necesarias para el análisis de dichos pro- cesos. En las máquinas térmicas los gases evolucionan en sistemas que pueden ser cerrados o abiertos. Ejemplos de evolución en sistemas cerrados o sin flujo serían los procesos en el interior del cilindro una vez cerradas las vál- vulas o las lumbreras de admisión y escape en motores de combustión inter- na alternativos, en máquinas de vapor alternativas o en compresores volu- métricos. Cuando el fluido experimenta un proceso en un sistema cerrado, la velocidad del fluido respecto de las paredes no es elevada, de forma que las pérdidas de carga no son muy importantes de manera que se puede supo- ner, en una primera aproximación, que los procesos son reversibles. Sin embargo, las pérdidas de calor sí pueden ser considerables y despreciarlas supondría introducir un error importante en el análisis1. Por otra parte, los procesos en sistemas cerrados son claramente no estacionarios. Por otro lado, una turbomáquina térmica, turbina o compresor, constitu- ye un ejemplo de sistema abierto o con flujo2. En este caso, las pérdidas mecánicas por fricción no pueden ser despreciadas sin incurrir en un error considerable, debido a la elevada velocidad de circulación del fluido por el interior de estas máquinas, constituidas internamente por conductos conver- gentes o divergentes, como se verá en los capítulos 13 y 14, por tanto, deben tratarse como irreversibles. Sin embargo, debido a la corta permanencia de una partícula de fluido en el interior de estas máquinas, las pérdidas de calor por unidad de gasto no son importantes y estos procesos pueden considerar- 1 La necesidad de refrigerar el cilindro, en el caso de los MCI alternativos, viene motivada por exi- gencias mecánicas: para controlar la dilatación de las piezas y la temperatura del aceite. 2 Otro ejemplo serían los colectores de admisión y escape durante los procesos de renovación de la carga en MCI alternativos. MÁQUINAS TÉRMICAS 56 se adiabáticos. Además, los procesos en las turbomáquinas pueden suponer- se estacionarios y para mayor simplicidad, unidimensionales, ya que la máquina puede tratarse como un volumen de control con una entrada y una salida, en las que se supone que el campo fluido es uniforme. Por otra parte, los procesos que se van a considerar en los motores tér- micos pueden ser abiertos (proceso experimentado por el fluido en una tur- bina de gas) o bien procesos cíclicos o cerrados (proceso experimentado por el agua en una instalación de turbina de vapor). Otra hipótesis importante que se realiza frecuentemente en el estudio de las máquinas y motores térmicos es que los gases que evolucionan se com- portan como gases ideales e incluso como gases perfectos. Con esta hipóte- sis no se incurre en errores significativos en los cálculos y en el análisis del comportamiento de las máquinas y motores térmicos3, en la mayoría de los casos. Esta hipótesis no es aplicable, no obstante, al caso del vapor de agua. Recordar que la ecuación de estado de los gases ideales establece que: p · V = R · T [2.1] 2.2. PROCESOS TERMODINÁMICOS DE IMPORTANCIA EN EL ESTUDIO DE LAS MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS A continuación se hace referencia a distintos tipos de procesos de suma importancia en el estudio del fundamento de las máquinas y los motores tér- micos. En cada caso se han incluido ejemplos concretos de procesos de ese tipo que tienen lugar en dichasmáquinas y motores. En figuras posteriores se representan algunos de estos procesos en diagramas p-V y T-s. Las ecua- ciones que se indican entre paréntesis corresponden al comportamiento de gases ideales, que se derivan de la ecuación de estado [2.1]. Proceso isobárico: p = cte Ejemplo: los procesos que tiene lugar en las calderas y en las cámaras de combustión de las turbinas de gas, si se desprecia la pérdida de carga4. 3 Una razón de este comportamiento es que las presiones de trabajo son moderadas. 4 En rigor se refiere a la pérdida de presión de parada o remanso: . PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 57 Figura 2.1. Diferentes procesos politrópicos de compresión y expansión. Proceso isocoro: V = cte Ejemplo: el proceso de aporte de calor a volumen constante en un ciclo ideal de un motor de combustión interna de encendido provocado (MEP). Proceso isotermo: T = cte (pV=cte) Ejemplos: los procesos ideales de compresión o expansión isotermas, a los que se tiende en los ciclos compuestos de turbinas de gas para reducir el trabajo de compresión o incrementar el trabajo de expansión. Proceso isentálpico: h = cte Ejemplo: el flujo a través de válvulas de laminación o de estrangulación para regulación del caudal, válvulas de expansión en máquinas frigoríficas. En el caso de gases ideales, dado que la entalpía es función únicamente de la temperatura y no de la presión, los procesos isotermos serán también isentálpicos. Proceso adiabático: Q = 0 La adiabaticidad es una característica del proceso y no un proceso en sí mismo. MÁQUINAS TÉRMICAS 58 Ejemplo: en general, se pueden considerar como adiabáticos los proce- sos que tienen lugar en las turbomáquinas térmicas (turbinas y compresores) o en conductos tales como toberas o difusores5. Proceso isentrópico. Proceso reversible y adiabático: s = cte ( p·v γ = cte) Ejemplo: los procesos ideales que sirven de referencia para establecer el rendimiento de los procesos reales en turbomáquinas térmicas, en toberas o en difusores. Puede existir un proceso isentrópico que sea no reversible ni adiabático, de forma que llegue a mantenerse la entropía constante; éste podría llegar a ser el caso del proceso de expansión en una turbina refrigerada. Proceso politrópico (p·v n = cte) Ejemplo: todos aquellos procesos que responden con suficiente aproxi- mación a la relación pv n = cte. Los procesos mencionados anteriormente obedecen a dicha ecuación eligiendo el valor de n entre los siguientes: 0, ∞, 1, γ. No obstante, es más habitual utilizar la denominación de procesos poli- trópicos para caracterizar y referirse a procesos no isentrópicos, bien porque existan pérdidas por fricción y/o porque el proceso no sea adiabático. A continuación se presentan algunos ejemplos de procesos politrópicos que se reflejan en un diagrama T-s en la figura 2.1: — Proceso de compresión reversible, con pérdidas de calor (1-2) En este proceso disminuye la entropía del fluido6 y se comprueba que 1< n < γ . — Proceso de expansión reversible, con pérdidas de calor (1-2’). En este proceso también disminuye la entropía del fluido al haber trans- misión de calor al exterior, pero en este caso se comprueba que los sucesivos estados termodinámicos pueden representarse mediante una politrópica con n > γ. Este proceso y el anterior pueden ser repre- sentativos de los experimentados por el fluido en compresores volu- métricos alternativos. 5 Si se fuerza la refrigeración, se puede modificar la tendencia natural a la adiabaticidad. 6 Se puede deducir del Segundo Principio de la Termodinámica (ecuación A.9). PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 59 Figura 2.2. Procesos de compresión: isotermo (0-1), politrópico (0-1’) e isentrópico (0-1’’). — Proceso de compresión adiabático e irreversible (1-2’’). En este pro- ceso aumenta la entropía del fluido y se puede comprobar que n > γ. Proceso característico del flujo en difusores y en compresores. — Proceso de expansión adiabático e irreversible (1-2’’’). En este pro- ceso aumenta la entropía del fluido y se comprueba que 1< n < γ . Proceso característico del flujo en toberas y en turbinas. En la figura 2.2 se comparan, en un diagrama p-v tres procesos de com- presión: isotermo (0-1), politrópico (0-1’) e isentrópico (0-1’’). 2.3. PRINCIPIOS Y ECUACIONES QUE RIGEN EL COMPORTAMIENTO DE LOS FLUJOS COMPRESIBLES A continuación se resumen los principios y ecuaciones que rigen el com- portamiento de los flujos compresibles. Para mayor claridad se distinguen, en cada caso, las expresiones aplicables a sistemas cerrados y a sistemas abiertos, y además se incorporan las hipótesis simplificativas más extendi- das en el estudio de las máquinas y motores térmicos con el fin de mostrar las formulaciones adecuadas en cada caso. MÁQUINAS TÉRMICAS 60 Es importante resaltar que las ecuaciones se presentan en general en forma integral, es decir, algunas de las ecuaciones provienen de la integra- ción de las ecuaciones en forma diferencial al volumen de control (sistema abierto) o al volumen fluido (sistema cerrado) que representa una máquina o bien un conducto. Debido a ello, estas ecuaciones permiten analizar los procesos que experimentan los fluidos y las propiedades de los mismos de forma macroscópica, obteniendo información de los valores medios de las variables a la entrada y a la salida (sistemas abiertos) o bien un valor medio de la variable asociada al conjunto del volumen de control en cada instante, no siendo posible obtener información sobre la distribución espacial de las distintas variables (presión, temperatura, velocidad, etc.). Conviene aclarar que en el caso de un sistema abierto, los subíndices 1 y 2 corresponden a la entrada y a la salida de la máquina o el conducto, considerado como volu- men de control, mientras que en sistemas cerrados denotarán instantes de tiempos sucesivos. 2.3.1. Principio de conservación de la masa Sistema cerrado masa = ρ · V = cte [2.3] Donde ρ representa la densidad del fluido y V el volumen. Sistema abierto Ecuación de la continuidad para flujo estacionario: m· = A · ρ · c ⇒ m· 2 = m· 1 [2.4] Donde m· es el gasto másico y c es la componente de la velocidad per- pendicular a la sección A en una determinada localización. 2.3.2. Primer Principio de la Termodinámica Sistema cerrado El Primer Principio de la Termodinámica es un enunciado de conserva- ción de la energía. Para un sistema cerrado se enuncia de la siguiente forma: PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 61 ΔU = Q – W [2.5] ΔΔU es la variación de la energía interna del sistema, Q es el calor inter- cambiado en el proceso y W el trabajo ya sea desarrollado o absorbido en el proceso. La ecuación [2.5] expresada en magnitudes específicas (por unidad de masa o mol del sistema), en cuyo caso se notarán las magnitudes con letras minúsculas, será: Δu = q – w[J / kg, J / mol] [2.6] La ecuación 2.5 está expresada en términos de energía del sistema para un proceso dado, pero puede ser expresada para un proceso diferencial: dU = δQ – δW [2.7] du = δq – δw [2.8] Es conveniente recordar que la energía interna (U) (y otras como la pre- sión, temperatura, volumen, densidad, entalpía o entropía) es una función de estado, que solamente depende del estado térmico del sistema en equilibrio, mientras que el calor y el trabajo son funciones de línea (formas de energía en tránsito) y no dependen del estado del sistema sino del proceso efectua- do, de ahí que su variación se denote con el símbolo δ en lugar de con el diferencial d. Criterio de signos: Se considera W positivo si es desarrollado por el sis- tema y Q positivo si es absorbido por el sistema. Sistema abierto Partiendo de la ecuación 2.5 y aplicándola a un volumen fluido dado que evoluciona por un sistema fijo abierto, del que entra y sale fluido, se puede llegar a la siguiente expresión del Primer Principio para sistemas abiertos en régimen no estacionario: [2.9] En la ecuación anterior, es la variación de energíainterna del sistema con el tiempo, es la potencia térmica que absorbe el sistema del exterior, la potencia producida por el sistema y h es la entalpía7 específica por uni- MÁQUINAS TÉRMICAS 62 7 Se recuerda que h = u + p·v. dad de masa. Por otro lado, los subíndices e y s hacen referencia a las entra- das y salidas del sistema respectivamente. Si el proceso es estacionario, la energía del sistema no varía en el tiempo, y si además solo existe una corriente (una entrada y una salida) se tiene la ecuación 2.10 en términos de potencia o la 2.11 en términos de energía específica (por kg de masa o por mol): [2.10] h2 – h1 = q – w [2.11] Si la energía interna del sistema se generaliza con otras energías además de la térmica, por ejemplo, con la energía cinética y la potencial en un campo de fuerzas, se obtiene: [2.12] [2.13] Considerando que la energía potencial es despreciable en el caso de gases frente a los otros términos, se tiene: [2.14] Los términos h02 y h01 comprenden la entalpía estática (h) de las corrien- tes de salida o entrada junto con su energía cinética (1/2 c2) y se denomina entalpía de parada o de remanso (h0). Será empleado muy frecuentemente a lo largo del texto. El punto de parada (o de remanso) sería el estado teó- rico que alcanzaría la corriente si se frenara por vía isentrópica (sin roza- miento ni transferencia de calor) y sin intercambio de trabajo hasta veloci- dad nula. m h c g z h c g z⋅ + ⋅ + ⋅ ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ − + ⋅ + ⋅ ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠2 2 2 2 1 1 2 1 1 2 1 2 ⎟⎟ ⎡ ⎣ ⎢ ⎤ ⎦ ⎥ = −Q W PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 63 2.3.3. Ecuación de conservación de la cantidad de movimiento Sistema cerrado Aplicando la ecuación de conservación de la cantidad de movimiento al conjunto del sistema cerrado, éste variará su cantidad de movimiento si se aplica sobre él una fuerza neta resultante: [2.15] Sistema abierto La ecuación de conservación de la cantidad de movimiento aplicada al volumen de control, queda reducida a la siguiente expresión en el caso de flujo estacionario: Ecuación en la dirección x: [2.16] Cuando el sistema considerado está sometido a una rotación es más ade- cuado aplicar el Teorema del Momento Cinético, según el cuál: la variación experimentada de momento cinético8 es igual al par total aplicado sobre el sistema. A partir de este Teorema se deduce la Ecuación Fundamental de las Turbomáquinas, tal como se explica en el capítulo 12. 2.3.4. Segundo Principio de la termodinámica Sistema cerrado El Segundo Principio de la Termodinámica, que tiene varios enuncia- dos, es un principio relacionado con la direccionalidad de los procesos y con su reversibilidad y permite cuantificar las irreversibilidades. Por ejem- plo, queda de manifiesto el hecho de que el rozamiento y la fricción interna del fluido reducen la potencia o el trabajo producido (o bien aumentan el trabajo que se requiere aportar), asimismo se manifiesta la pérdida de carga 8 Momento de la cantidad de movimiento: MÁQUINAS TÉRMICAS 64 debido a las irreversibilidades, haciendo imposible efectuar el proceso con- trario bajo las mismas condiciones; también, se pueden cuantificar las pér- didas causadas por el hecho de que el calor se transfiera de cuerpos de mayor temperatura a cuerpos de menor temperatura y no al contrario, lo que asimismo implica que sea imposible hacer un proceso inverso volvien- do al estado inicial. En sistemas cerrados se usará habitualmente el balance de entropía en términos específicos (ecuación 2.17). [2.17] Donde δσi es la generación entrópica por irreversibilidades internas en un proceso diferencial, siempre de valor positivo, que es función de línea como el calor, y que cuantifica las irreversibilidades en unidades de entropía. [2.18] La integral [2.18] representa el trabajo de rozamiento debido a la fric- ción del fluido con las paredes y a la fricción interna como consecuencia de la viscosidad del mismo, aunque en el caso de sistema cerrado este término es pequeño. Sistema abierto De la misma forma, a partir de la ecuación 2.17, aplicándola a un volu- men de control que representa un sistema abierto, se puede establecer el Segundo Principio para sistemas abiertos: [2.19] Donde es la variación temporal de entropía del sistema, es la gene- ración de entropía del sistema y ss, se son las entropías específicas (por uni- dad de masa) salientes y entrantes del sistema. Por otro lado al término del calor se le denomina flujo entrópico calorífico, y es la integral del calor reci- bido por el sistema a través de su superficie Sc, que es la superficie del volu- men de control, y que llega al fluido con una temperatura T que podría ser distinta en cada punto. PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 65 Si el sistema es estacionario y sólo existe una entrada y una salida, se tie- nen las ecuaciones 2.20 y 2.21.Hay que señalar que en la ecuación 2.19 el término de generación de entropía tiene unidades de potencia por unidad de temperatura mientras que en la 2.21 es una magnitud medida en unidades de entropía específica (energía por unidad de masa y temperatura). [2.20] [2.21] De esta ecuación se deduce que en un sistema abierto adiabático, la entropía a la salida es mayor a la entropía a la entrada, ya que un proceso real es siempre irreversible, siendoσi positivo y no despreciable por tratarse de un sistema abierto. No obstante, la entropía podría disminuir si durante el proceso el fluido cediese calor al exterior y se diera la circunstancia de que el miembro izquierdo de la ecuación [2.21] resultase negativo. 2.3.5. Exergía y balance exergético La exergía es una propiedad termodinámica del fluido que, combinando los conceptos de energía y entropía, representa el máximo trabajo que puede extraerse del fluido en un determinado estado (p y T) respecto de un estado inerte de referencia (subíndice 0) que coincide con el del medio ambiente9: Sistema cerrado Aunque para sistemas cerrados no se emplee a lo largo del texto, convie- ne recordar el balance de exergía de un sistema cerrado, que es otro enun- ciado del Segundo Principio. La expresión de la exergía (B) en función del estado del sistema se muestra en la ecuación 2.22, mientras que el balance de exergía en un proceso se muestra en la ecuación 2.23: [2.22] 9 En el caso de sistemas reactivos habría que considerar, asimismo, la exergía química de la sus- tancia. MÁQUINAS TÉRMICAS 66 [2.23] El término T0σi cuantifica la destrucción de exergía y, por tanto, pérdida de la posibilidad de realizar trabajo debido a las irreversibilidades internas que pueden ser de distinta naturaleza (habitualmente transmisión de calor y fricción). A dicho térmico se le denomina habitualmente irreversibilidad (I). Se comprueba que la exergía no sólo puede destruirse sino que también puede transferirse al sistema o desde el sistema. La transferencia de exergía por trabajo es el trabajo en sí mismo, exceptuando el que realiza el sistema contra el entorno al aumentar su volumen. Sin embargo, el término (1-T0/ T) que múltiplica el diferencial de calor, pone de manifiesto que no toda la energía térmica puede convertirse en trabajo, de forma que el calor aportado será tanto más útil para producir trabajo cuanto mayor sea la temperatura a la que se aporta. Sistema abierto La formulación del Segundo Principio en términos de exergía se obtiene a partir de las ecuaciones 2.9 y 2.19 para un sistema abierto (ecuación [2.24]). En este caso se han considerado también las energías cinética y potencial en la definición de los flujos exergéticos de entrada y salida (ecua- ción [2.24b]). El término representa la variación temporal de exergía del sistema en el caso de que el proceso no sea estacionario. [2.24] [2.24b] Si el proceso es estacionario y solamente hay una entrada y una salida de masa del sistema, se obtendrá la ecuación de balance de exergía [2.25]: [2.25] [2.26] PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 67 Es decir, la exergía de flujo quesale del sistema es igual a la suma (con sus respectivos signos) de la exergía de flujo entrante, el calor intercambia- do (expresado como contenido exergético), la potencia mecánica producida y las pérdidas, que habitualmente tendrán como origen la fricción del fluido o el intercambio interno de temperatura dentro del sistema. Resumen de ideas: El Primer Principio de la Termodinámica es un enunciado de conserva- ción de la energía Con el Segundo Principio se pueden cuantificar las pérdidas causadas por las irreversibilidades tanto en términos de entropía como de exergía. En un sistema abierto y en régimen estacionario, la suma del calor y del trabajo (con sus correspondientes signos) es igual a la variación de ental- pía del fluido que atraviesa el sistema. El fluido que atraviesa un sistema abierto, en régimen estacionario, aumenta la capacidad de realizar trabajo si se le aporta calor o trabajo, y reduce su capacidad de realizar trabajo si cede calor, produce trabajo o si existen irreversibilidades. El aporte de calor es tanto más útil, de cara a producir trabajo, cuanto mayor es la temperatura a la que se aporta. Las irreversibilidades, debidas tanto a la fricción como a la transferen- cia de calor, merman la capacidad de realizar trabajo de un sistema, por tanto, disminuyen su exergía. 2.3.6. Ecuaciones de Gibbs Una función termodinámica fundamental proporciona una descripción completa del estado termodinámico de una sustancia. En el caso de una sus- tancia pura, dos propiedades independientes determinan dicho estado ter- modinámico. Las funciones termodinámicas fundamentales son: — La energía interna que puede expresarse, por ejemplo, en función de la entropía y del volumen: U(S, V); MÁQUINAS TÉRMICAS 68 — La entalpía (H = U + p·V) que puede expresarse, por ejemplo, en fun- ción de la entropía y de la presión: H(S, p); — La energía libre de Helmholtz (A = U –T·S) que puede expresarse, por ejemplo, en función de la temperatura y del volumen: A(T, V); — La energía libre de Gibbs (G = U + p·V – T·S) que puede expresarse, por ejemplo, en función de la temperatura y de la presión: G(T, p). Al contener toda la información del sistema, de ellas se deriva cualquier otra variable de estado, por diferenciación y/o combinación, por ejemplo, los poderes caloríficos. Se puede comprobar que se cumplen las siguientes ecuaciones, que se denominan ecuaciones de Gibbs, que relacionan las fun- ciones termodinámicas fundamentales anteriores: dU = T · dS – p · dV [2.27] dH = T · dS + V · dp [2.28] dA = –S · dT – p · dV [2.29] dG = –S · dT + V · dp [2.30] Las dos primeras ecuaciones se comprueba que se obtienen fácilmente a partir de la propia definición de la variable de estado entropía y del Primer Principio de la Termodinámica. Las dos últimas se obtienen a su vez a partir de las propias definiciones de las funciones de Helmholtz y Gibbs por dife- renciación y combinación con las dos primeras. Las ecuaciones de Gibbs son aplicables a procesos reversibles o irrever- sibles en sistemas cerrados o abiertos. No obstante, no pueden aplicarse a procesos en los que la composición varíe. En ese caso las expresiones se modifican para tener en cuenta este dicha variación. 2.3.7. Ecuaciones calóricas También son de utilidad las ecuaciones calóricas, que definen la energía interna y la entalpía en función de la presión, temperatura y volumen, expre- sando la energía interna como U(T, V) y la entalpía como H(T, p). Se hace notar que en este caso se ha considerado el sistema como no reactivo. A par- tir de las ecuaciones calóricas se definen los calores específicos a presión constante y a volumen constante: PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 69 [2.31,32] Como se pone de manifiesto más adelante, los calores específicos a volumen y a presión constante permiten relacionar la variación de tempera- tura en función del calor aportado cuando el proceso se produce, respectiva- mente, a volumen constante o a presión constante. La variación de energía interna con el volumen y la variación de entalpía con la presión, ambos a temperatura constante, son nulos en el caso de gases ideales, pero no en otras sustancias reales. La variación de la energía interna respecto del volu- men a temperatura constante también es nula para los líquidos ideales, pero no la variación de entalpía a presión constante. Esto quiere decir que en gases ideales, tanto la energía interna como la entalpía dependen solamente de la temperatura, pero esto no es cierto para otros fluidos. Igualmente, para líquidos ideales, la energía interna sólo depende de la temperatura. Los calores específicos a volumen y a presión constante relacionan la variación de temperatura que experimenta el sistema con el calor aportado al mismo a volumen o a presión constante, respectivamente. Para gases ideales, la energía interna y la entalpía solo dependen de la temperatura, al igual que sus calores específicos. Para gases reales u otros fluidos o sustancias esto no se cumple y la dependencia es, por lo general, de la temperatura y de la presión. Para líquidos ideales, la energía interna es sólo función de la tempera- tura pero la entalpía es función de la temperatura y de la presión. Por tanto, en gases ideales: u(T) → du = cv · dT [2.33] h(T) → dh = cp · dT [2.34] Sin embargo, se comprueba que la entropía sí depende de la presión en el caso de un gas ideal. Teniendo en cuenta las ecuaciones [2.1], [2.28] y [2.34]: MÁQUINAS TÉRMICAS 70 Figura 2.3. Representación gráfica del trabajo y el calor intercambiados con el exterior por un sistema cerrado en un proceso cíclico (ciclo Otto de MCIA). [2.35] 2.3.8. Trabajo intercambiado con el entorno Sistema cerrado Combinando las ecuaciones [2.7], [2.17] y [2.27], el trabajo de compre- sión o de expansión resulta ser: [2.36] En donde Wrozamiento representa la pérdida de energía mecánica (trabajo perdido) debido a las irreversibilidades como consecuencia de la viscosidad del fluido. Si el proceso es reversible: [2.37] Si en un sistema cerrado el proceso que se desarrolla es cíclico, el trabajo neto estará representado en un diagrama p-V por el área encerrada por las PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 71 líneas que representan los distintos procesos que conforman dicho proceso cíclico, siempre y cuando los procesos sean mecánicamente reversibles. Ese área coincidirá con el calor neto intercambiado con el exterior, ya que la energía interna es una función de punto y no de línea, tal como se comentó anteriormente y la variación total en un proceso cíclico será nula (figura 2.3a). Representando la evolución cíclica en un diagrama T-s (figura 2.3 b), si los procesos son reversibles, el área encerrada se corresponderá con el calor neto intercambiado, teniendo en cuenta el 2º Principio: [2.38] En ambos casos, calor neto aportado es igual al trabajo neto desarro - llado. Para un sistema que realiza un ciclo cerrado, con todos sus procesos reversibles, el área encerrada en un p-V o en un T-s se corresponde con el trabajo neto, desarrollado o consumido y con el calor neto, aportado o cedido. Sistema abierto La ecuación de balance de energía mecánica10 permite obtener una expresión para el trabajo en el caso de sistemas abiertos, estacionarios con equilibrio interno durante toda la evolución del fluido. Esta ecuación se obtiene combinando las ecuaciones del Primer y del Segundo Principio de la termodinámica y las ecuaciones de Gibs (ecuaciones [2.14], [2.21] y [2.28]): [2.39] Si el proceso es reversible y no existe variación de energía cinética ni potencial del fluido entre la entrada y la salida del volumen de control, el trabajo específico, por unidad de masa, se obtendrá a través de la ecuación [2.40]: [2.40] 10 También denominada Ecuación de Conservación de la Energía Cinética despreciando la ener- gía potencial en el caso de gases. MÁQUINAS TÉRMICAS 72 Figura 2.4. Trabajo de expansión en sistemas abiertos y cerrados. Figura2.5. Proceso cíclico a lo largo de sistemas abiertos. (a) procesos politrópicos en turbina y en compresor y (b) procesos reversibles en dichas turbomáquinas. Se muestran magnitudes por unidad de masa. Hay que insistir que esta expresión es válida para procesos reversibles, sean o no adiabáticos, y por tanto no es adecuada para evaluar el trabajo intercambiado con el exterior en las turbomáquinas térmicas, ya que el pro- ceso en éstas no se puede suponer reversible. PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 73 En la figura 2.4, en un diagrama p-v se compara el trabajo desarrollado en un proceso de expansión en un sistema abierto con el desarrollado en un proceso de expansión en un sistema cerrado. En ambos casos, tal como se ha indicado anteriormente, los procesos deben ser reversibles para que las áreas correspondientes representen el trabajo intercambiado con el exterior. Si un fluido experimenta un proceso cíclico, evolucionando a través de diferentes sistemas abiertos (compresor, cámara de combustión, turbina, intercambiador..), al representar su evolución en un diagrama p-V, el área encerrada se corresponderá con el trabajo neto desarrollado por el ciclo (= calor neto intercambiado) sólo en el caso de que los procesos experimen- tados por el fluido sean mecánicamente reversibles. Como se ha comentado en el epígrafe 2.1 está hipótesis no se aproxima a la realidad en los procesos en sistemas abiertos en Máquinas Térmicas. Figura 2.6. Diagrama p-v proceso isotermo y proceso isotrópico. Representando dicha evolución en un diagrama T-S (figura 2.5) el área , en cada subproceso abierto, representará el trabajo de rozamiento (o energía degradada) + el calor intercambiado durante dicho proceso (según ecuación 2.9).El área total encerrada representará el trabajo neto y el calor neto sólo en el caso de que todos los procesos sean reversibles (figura 2.5-b). MÁQUINAS TÉRMICAS 74 En la figura 2.6 se han representado procesos de expansión y compresión isotermos e isentrópicos en un diagrama p-V. Aunque el trabajo se corres- ponde con sólo si el proceso es reversible11, la figura permite compro- bar que comprimir por vía isoterma requiere menos trabajo que comprimir por vía isentrópica y lo mismo se puede decir en relación con un proceso de expansión; un fluido al expandirse por vía isoterma desarrolla más trabajo que al expandirse por vía isentrópica. Segunda expresión del trabajo para sistemas abiertos: A partir de la ecuación del Primer Principio de la Termodinámica, si el flujo es adiabático y se desprecia la variación de energía potencial, el trabajo puede expresarse como: [2.41] Esta expresión es válida para procesos abiabáticos reversibles e irrever- sibles y, por tanto, es adecuada para evaluar el trabajo en las turbomáquinas, ya que el proceso en las mismas puede suponerse adiabático, pero no rever- sible. Figura 2.7. Representación del ciclo de Rankine en un diagrama h-s. 11 Hipótesis que puede ser admisible en las máquinas de émbolo. PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 75 En la figura 2.7 se ha representado en un diagrama h-s el proceso que experimenta el fluido en un ciclo de Rankine. Suponiendo que la velocidad a la entrada y la salida de la turbina coinciden, el trabajo de expansión en la turbina (ecuación [2.41]) se refleja claramente en el diagrama. El trabajo de la bomba se puede calcular a partir de la ecuación [2.40] teniendo en cuenta que al ser el fluido incompresible el volumen específico es constante y sale fuera de la integral: wbomba = v · (p2 – p1) [2.42] 2.4. PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE MEZCLAS DE GASES IDEALES Las propiedades termodinámicas de una mezcla se expresan en función de los valores correspondientes a las distintas especies que la constituyen así como de la cantidad relativa de cada una de las especies en la mezcla total. Se considera que tanto la mezcla como las distintas especies se compor- tan como gases ideales, de forma que los calores específicos, la entalpía y la energía interna son únicamente función de la temperatura. En caso de los productos de la combustión, el vapor de agua se comporta asimismo como un gas ideal debido a su reducida presión parcial. Dichas propiedades, por unidad de mol, se obtienen a partir de las siguientes expresiones en función de las fracciones molares de cada especie [2.43]: yi = ni / NT [2.43] [2.44] [2.45] Para obtener dichas propiedades termodinámicas por unidad de masa, basta con dividir por el peso molecular de la mezcla que puede calcularse mediante la expresión [2.46]: [2.46] MÁQUINAS TÉRMICAS 76 El caso de la entropía es ligeramente diferente, ya que para los gases ide- ales esta propiedad termodinámica depende no sólo de la temperatura sino también de la presión (ecuación 2.35). En el caso de formar parte de una mezcla de sustancias, la entropía de una especie se evalúa a la presión par- cial correspondiente de dicha especie en la mezcla, que a su vez depende de la fracción molar [2.47], por tanto: pi = yi · p [2.47] [2.48] Los valores de las propiedades termodinámicas de las especies básicas que componen el aire y los productos de la combustión están tabuladas en función de la temperatura (tablas en el anexo IV). No obstante, diversos autores han ajustado funciones polinómicas a los datos de las tablas12. Por ejemplo, a partir de un polinomio de quinto grado, que permite obtener el calor específico molar a presión constante como función de la temperatura, se pueden obtener el resto de las propiedades termodinámicas: [2.49] Dada la relación que existe entre la entalpía y el calor específico a pre- sión constante (ecuación 2.34), integrando [2.49], se obtiene: [2.50] La expresión [2.50] permite obtener la entalpía de una especie en fun- ción de la temperatura. Dicha entalpía incluye la entalpía sensible y la ental- pía de formación. La entalpía sensible es consecuencia del nivel de tempe- ratura de la sustancia respecto de un estado de referencia, cuya entalpía sensible se considera nula (h(Tref)=0), mientras que la entalpía de formación representa la energía química de la sustancia, ya que se define como la ener- 12 Hay que destacar por su precisión las Tablas Termodinámicas JANAF (Nacional Bureau of Standards). PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 77 gía requerida para formar una sustancia en el estado estándar a partir de sus elementos en ese mismo estado, se ahí el superíndice «0». Se considera que una sustancia está en estado estándar cuando la presión es de una atmósfera y la temperatura de 25ºC. También conviene recordar que se supone, por conveniencia, que los elementos estables (O2, N2, H2, C) en el estado de referencia estándar tienen entalpía de formación nula. En el anexo IV están reflejadas las entalpías de formación de las distintas especies que intervienen habitualmente en las reacciones de combustión. En el caso de la entropía: [2.51] La entropía a la presión estándar será: [2.52] De forma que la entropía de una mezcla en función de la presión y la temperatura puede también expresarse como: [2.53] La Función de Gibbs será también función de la presión y la temperatura, no obstante a la presión estándar se calculará mediante la siguiente relación: [2.54] 2.5. EL FACTOR DE CARNOT. RENDIMIENTO MÁXIMO DE MOTORES TÉRMICOS En termodinámica se justificaba a través de su Segundo Principio, que no puede existir una máquina térmica cíclica o motor térmico monotermo MÁQUINAS TÉRMICAS 78 que sea capaz de desarrollar trabajo a expensas de un único foco de calor. Dicho Principio establece que la entropía de un sistema aislado y, por tanto, adiabático siempre crece debido a las irreversibilidades (ecuación 2.17), de forma que, considerando el sistema aislado representado en la figura 2.8-a, formado por el hipotético motor térmico monotermo y la fuente de donde extrae la energía térmica, aplicando el Segundo Principio, se tendría: [2.55] No obstante, analizando los incrementos de entropía que experimentanlos distintos elementos del sistema aislado definido anteriormente, se obser- va que: — ΔSMT = 0, ya que el proceso que experimenta el fluido es cíclico y la entropía es una función de punto. — ΔSFC < 0, dado que la fuente está cediendo calor al motor térmico. Las dos expresiones anteriores implicarían que en el conjunto del siste- ma aislado la entropía decrece (Σ ΔS < 0), lo cual se contradice con el Segundo Principio de la termodinámica. De esto se deduce que los motores térmicos deben ser bitermos, intercambiando calor con dos focos; un foco caliente, del que reciben calor, y con un foco frío, al que entregan energía térmica. Figura 2.8 (a) y (b) motor monotermo y bitermo. PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 79 Analizando, por tanto, a continuación el caso de sistema aislado inclu- yendo un motor bitermo, como el representado en la figura 2.8-b, suponien- do que todos los subprocesos que forman el proceso cíclico que experimenta el fluido en el motor son reversibles y que los intercambios de calor con las dos fuentes son asimismo reversibles13, se tendrá: 1er Principio aplicado al proceso cíclico en el motor: Wrev = QC rev – QF rev [2.56] 2ndo Principio aplicado al sistema aislado: [2.57] Combinando las ecuaciones [2.56] y [2.57]: [2.58] El rendimiento térmico de un motor o máquina térmica cíclica refleja el trabajo realizado en relación al calor recibido de la fuente caliente, siendo, por tanto, su expresión: [2.59] El máximo rendimiento se obtendrá en el caso de que todos los procesos sean reversibles, de forma que, teniendo en cuenta la ecuación [2.58] el máximo rendimiento será: [2.60] A este rendimiento máximo se le denomina rendimiento o factor de Carnot. El trabajo máximo que se puede obtener a partir de la ecuación [2.60] dependerá del valor de la temperatura del foco frío TF , interesando que ésta 13 Se considera Q siempre positivo y se otorga el signo correspondiente según sea calor cedido (-) o absorbido (+). MÁQUINAS TÉRMICAS 80 sea la menor posible. Considerando que TF coincide con el estado inerte o ambiente T0, se tiene [2.61] De las ecuaciones anteriores se deduce lo siguiente: — Para maximizar el rendimiento interesa que la temperatura del foco frío sea la menor posible, siendo el límite inferior la temperatura del medio ambiente. — El rendimiento de los motores térmicos, incluso cuando no existen irreversibilidades mecánicas, es siempre inferior a la unidad como consecuencia del segundo principio de la termodinámica y la nece- sidad de entregar energía térmica a un foco frío. — Mediante procesos reversibles sólo es posible transformar una parte de la energía térmica disponible en energía mecánica, sin embargo, mediante procesos reversibles se comprueba que sí es posible trans- formar toda la energía mecánica en energía eléctrica, aunque aquí no se demuestra. — La energía térmica es tanto más utilizable cuanto mayor es su tem- peratura (mayor factor de Carnot). De ahí la importancia de incluir un proceso previo de compresión del aire de combustión en los moto- res térmicos. — La energía térmica de un fluido a temperatura ambiente (T= T0) no es utilizable para producir trabajo mecánico, tal como se deduce de la ecuación [2.61]. 2.6. CONCEPTO DE VELOCIDAD DEL SONIDO Y NÚMERO DE MACH 2.6.1. Velocidad del sonido La velocidad del sónico es una propiedad importante en el estudio de flu- jos compresibles, como se pondrá de manifiesto posteriormente. Por ese PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 81 motivo se va a comenzar por recordar la definición de esta magnitud, así como los conceptos de número de Mach y de onda de choque, tratando de resaltar su importancia en el análisis del comportamiento de este tipo de fluidos. La velocidad del sonido es la velocidad con la que se propaga una per- turbación u onda en todas direcciones en un determinado fluido, siendo una propiedad intensiva que depende del estado del medio fluido. Puede ser un ejemplo de perturbación, la variación de la presión a la sali- da de un conducto, que se propaga aguas arriba del mismo para modificar el gasto másico. Otro ejemplo sería la perturbación provocada por el desplaza- miento de un émbolo, que inicialmente afecta a las partículas de fluido con- tiguas que ven incrementada su energía cinética, o bien, otro ejemplo sería la onda generada por un cuerpo que se mueve en el seno de un fluido ini- cialmente en reposo. Se comprueba que cuando una determinada variación de presión en el medio da lugar a una variación de densidad importante, como ocurre en el caso de los gases, la velocidad del sonido será pequeña. En un líquido, sin embargo, una variación de la presión da lugar a una variación pequeña de densidad, luego la velocidad del sonido en ese medio será más grande que en los gases, pero lógicamente menor que en los sólidos. Conforme a esto, se puede demostrar que la velocidad del sonido puede calcularse por la siguiente expresión [2.62] y en el caso de gases ideales puede comprobarse que resulta la expresión [2.63], en función de la relación de calores específicos y de la constante del gas R: [2.62] [2.63] Hay que tener en cuenta, que si la perturbación se produce en un gas que no se encuentra inicialmente en reposo, sino que tiene una velocidad c, la onda se verá arrastrada por el fluido a dicha velocidad. Se podrán dar en ese caso dos situaciones: MÁQUINAS TÉRMICAS 82 — Si la velocidad del fluido es inferior a la del sonido en el medio (c < a) la perturbación podrá hacerse sentir aguas arriba del origen de la perturbación, ya que la onda se desplazará en sentido contrario al de desplazamiento del fluido con una velocidad igual a a – c > 0 (figura 2.9-a). — Si la velocidad del fluido es superior a la del sonido (c > a) la pertur- bación no podrá propagarse aguas arriba, hacia la izquierda del foco (figura 2.9-b). Figura 2.9. Distintas situaciones de propagación de una perturbación: (a) y (b) foco fijo, ondas arrastradas por el fluido a velocidad c; (c) y (d) foco móvil con velocidad c. Si en vez de moverse el fluido se mueve el foco de perturbación (por ejemplo, un proyectil en un fluido en reposo), ocurre básicamente lo mismo PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 83 que en el caso anterior. Si la velocidad del foco es superior a la del sonido la perturbación no se nota con anticipación a la llegada de dicho foco, tal como se pone de manifiesto en la figura 2.9-d. 2.6.2. Concepto de número de Mach El número de Mach relaciona la velocidad del fluido con la velocidad del sonido en dicho fluido en idénticas condiciones termodinámicas, de forma que: M=c/a. Cuando M >1 el flujo se denomina supersónico, cuando M <1 el flujo se llama subsónico y cuando M = 1 el flujo será sónico. En líquidos el número de Mach es muy pequeño, ya que la velocidad del sonido es muy grande, de forma que este número adimensional no se consi- dera en el análisis del comportamiento de los fluidos incompresibles. En este sentido, un flujo compresible con número de Mach < 0,2 se puede con- siderar incompresible de cara a su comportamiento y análisis. Es importante tratar de analizar qué representa el número de Mach y, de alguna manera, cuál es su sentido físico. Para variaciones diferenciales de presión que provocan cambios prácti- camente despreciables de densidad se puede aplicar la ecuación de Bernou- lli a gases (ecuación 2.64). En ese caso, se llega a la conclusión de que un incremento de presión es proporcional a la velocidad del fluido al cuadrado multiplicada por la densidad, despreciando la energía potencial: [2.64] Teniendo en cuenta la definición de velocidad del sonido ecuación [2.62], se obtiene: [2.65] Esta expresión corrobora que el fluido puede considerarse como incom- presible si el Mach es bajo, ya que se comprueba que a medida que el núme- ro de Mach es más elevado, la compresibilidad del fluido tiene mayor importancia, ya que las variaciones relativas de densidad serán mucho mayores a medida que aumentael número de Mach. MÁQUINAS TÉRMICAS 84 Por otra parte, el número de Mach refleja la importancia que tienen los efectos de inercia (aceleración o deceleración de la corriente) en la variación de la presión14. Si la velocidad del fluido es alta en relación a la del sonido (Mach alto), la variación de presión se deberá, no sólo al efecto de los efectos viscosos (pérdida de carga) y al efecto de la variación de sección, sino que también será consecuencia de la variación de la velocidad (efectos de inercia). Posteriormente, en la ecuación [2.67] se establecerá la influencia del número de Mach sobre la variación de presión. Se comprueba, por ejemplo, que cuanto mayor es la velocidad de la corriente mayor es la variación de presión. En relación con lo comentado en el anterior epígrafe, se puede afirmar que cuando el régimen es subsónico cualquier perturbación establece una distribución continua de presión y velocidad, sin embargo, en régimen supersónico el cono de perturbación representado en la figura 2.9-b consti- tuye una superficie de discontinuidad en el campo fluido u onda de choque. 2.6.3. Concepto de onda de choque En una onda de choque tiene lugar un cambio en el estado del fluido rápido y brusco. En concreto se produce un aumento acusado de la presión (onda de compresión) y una disminución de la velocidad, pasando el flujo de supersónico a subsónico; la onda de choque, por tanto, constituye una discontinuidad en el campo fluido. En una onda de choque tiene lugar un proceso muy irreversible y, en consecuencia, un gran aumento de entropía. La energía total del fluido, sin embargo, se mantiene, ya que no existe intercambio de calor ni trabajo con el entorno al atravesarla. Por ejemplo, un proyectil que se mueve a velocidad supersónica origina delante de él una onda de choque, ya que la perturbación no tiene tiempo de propagarse anticipadamente aguas arriba, tal como se ha explicado en el epí- grafe 2.6.1. 14 El número de Mach aparecía al adimensionalizar las ecuaciones de Navier-Stokes, al dividir el término convectivo por la presión. Por tanto, representa la variación de presión debido a las fuerzas de inercia (aceleraciones o deceleraciones) en comparación con la presión misma. PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 85 En otras circunstancias, por ejemplo, en procesos de expansión o com- presión en conductos de sección variable, se forman ondas de choque cuan- do las condiciones del campo fluido hacen que no se puedan satisfacer simultáneamente las leyes de conservación de la masa, de la energía y de la cantidad de movimiento, salvo que se produzca dicha discontinuidad. Las ondas de choque pueden ser planas u oblicuas. Las denominadas planas se forman en la dirección normal al flujo, por ejemplo, en el interior de conductos de sección variable (ver epígrafe 2.7.4.3), mientras que las lla- madas oblicuas, que tienen una cierta inclinación respecto a la dirección del flujo, se originan cuando un flujo supersónico incide sobre un cuerpo sumergido en la corriente fluida; este es el caso de las ondas de choque que se forman en la admisión de los motores de reacción si las velocidades de vuelo son supersónicas. 2.7. EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN EN CONDUCTOS, TOBERAS Y DIFUSORES 2.7.1. Efecto de la compresibilidad Las turbomáquinas están constituidas internamente por conductos de sección variable, de forma que el fluido al atravesar estas máquinas, tal como se detalla en los capítulos 12, 13 y 14, se ve sometido a procesos de expansión o de compresión. Es importante analizar dichos procesos básicos de expansión y de compresión para clarificar, entre otras cuestiones, la influencia que ejerce el número de Mach y cómo la forma del conducto con- diciona el proceso que experimenta el fluido en cada caso. Por las razones que se indicaron anteriormente, se va a considerar que el flujo a través de estos conductos (sistemas abiertos) es unidimensional y en régimen estacionario, el proceso adiabático y el gas que evoluciona perfecto. Pensemos ahora en un conducto de paredes fijas en el que el fluido se acelera, al que se denomina tobera. Aplicando la ecuación del primer prin- cipio, al no existir la posibilidad de intercambiar trabajo con el exterior, la ecuación [2.41] se simplifica reduciéndose a la siguiente expresión: [2.66] MÁQUINAS TÉRMICAS 86 Figura 2.10. Evolución en una tobera. Como ya se ha mencionado anteriormente, se denomina entalpía de parada15 a la suma de la entalpía, que representa la energía térmica de la corriente de fluido, y de la energía cinética. Si se frenara la corriente de flui- do hasta velocidad cero por vía isentrópica (q=0, w=0, c2=0), el fluido aumentaría su energía térmica, a expensas de su energía cinética, hasta un valor de la entalpía (h02) que se corresponde con el valor de la entalpía de parada, de ahí su denominación. Por tanto, en este conducto de paredes fijas se mantiene la entalpía de parada. Dado que en una tobera el fluido se acelera por definición, de la ecuación [2.66] se deduce que al atravesar la tobera el fluido disminuye su entalpía y su presión, tal como se comprueba en el diagrama termodinámico (Figu- ra 2.10). Dicho de otra forma, al expandirse el fluido en la tobera disminuye su energía térmica transformándose en energía cinética. La compresibilidad del fluido permite que la energía almacenada en el fluido en forma de ener- gía térmica, pueda convertirse en energía cinética, la cuál puede transfor- marse en trabajo prácticamente en su totalidad. Asimismo, cuando el fluido se comprime en un conducto (difusor) sucede lo contrario; al atravesarlo el fluido se decelera y se comprime, transformando parte de su energía cinética en energía térmica. 15 También denominada entalpía de remanso o entalpía total. PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 87 2.7.2. Forma del conducto en toberas y difusores A continuación se va a analizar cómo será la forma del conducto en tobe- ras y difusores dependiendo del valor del número de Mach. Se partirá ini- cialmente de un análisis en el que se desprecia la fricción, considerándose el flujo isentrópico. Combinando la ecuación de la continuidad [2.2], la ecuación para proce- sos isentrópicos p·vγ = cte, la ecuación de la conservación de la energía para intercambios de trabajo y calor nulos [2.58] y la ecuación de Gibbs [2.12], se obtiene una expresión que permite analizar el efecto del cambio de área en flujos compresibles sobre la presión del fluido: [2.67] Teniendo en cuenta la expresión de la velocidad del sonido a la tempe- ratura T (ecuación 2.63) y la definición de número de Mach de la corriente [2.68], sustituyendo en [2.67] resulta finalmente: [2.68] [2.69] En la figura 2.11 se indica la forma requerida del conducto, deducida de la ecuación diferencial anterior, para producir procesos de expansión o com- presión en los casos de regímenes subsónico, sónico y supersónico. Como se puede comprobar en el cuadro, la forma del conducto cambia totalmente al pasar de flujo subsónico a supersónico. Si nos referimos a una expansión supersónica, por ejemplo, la disminución de la densidad es tan fuerte que, para que se cumpla la ecuación de la continuidad m· = A · c · ρ, tienen que crecer simultáneamente c y A. A continuación se resumen las ideas anteriores: Una tobera es un conducto en el que el fluido se acelera y expande. MÁQUINAS TÉRMICAS 88 Figura 2.11. Forma del conducto para expansionar o comprimir el fluido. — La tobera será un conducto convergente si el régimen es subsónico (lo habitual en turbomáquinas16). — La tobera será un conducto divergente si el régimen es supersónico. Un difusor es un conducto en el que el fluido se decelera y comprime. — El difusor será un conducto divergente si el régimen es subsónico (lo habitual en turbomáquinas). — El difusor será un conducto convergente si el régimen es supersó - nico. PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 89 16 Los conductos interálabes en las turbomáquinas presentanimportantes analogías con las toberas (en el caso de turbinas) y con los difusores (en el caso de los compresores). Asimismo se puede demostrar que: — La variación de presión que experimenta un flujo compresible depen- de de la variación de sección y del número de Mach, teniendo en cuenta la ecuación [2.70] que se ha deducido en el caso isentró pico. [2.70] — Si el proceso no es reversible y existen pérdidas por fricción habrá términos adicionales en la ecuación anterior y la variación de presión también se deberá, en una pequeña parte, a la existencia de estas pér- didas. — En el caso de flujo incompresible la variación de presión se debe exclusivamente a la variación de sección y a las pérdidas por fricción (pérdida de carga). 2.7.3. Parámetros críticos de un gas Cuando en algún punto del conducto se alcanza la velocidad local del sonido (M=1), los parámetros del gas correspondientes reciben el nombre de parámetros críticos. Para obtener expresiones que permitan evaluar dichos parámetros se considerará que el fluido alcanza la velocidad del soni- do expandiéndose en un conducto. Aplicando la ecuación de conservación de la energía (ecuación 2.66) entre un punto de parada 00 de entrada al conducto y un punto genérico de la expansión en el cuál la temperatura sea T y teniendo en cuenta la expre- sión del número de Mach, en el caso de un gas perfecto (calor específico constante) se cumplirá: [2.71] [2.72] MÁQUINAS TÉRMICAS 90 La temperatura crítica se obtendrá haciendo M = 1, resultando la siguiente relación: [2.73] La expresión anterior seguirá siendo válida en el caso de que exista fric- ción, ya que para su deducción no ha sido necesario realizar ninguna hipó- tesis al respecto. Por tanto, la temperatura crítica depende de la relación de calores espe- cíficos del gas (γ) y de la temperatura de parada a la entrada del conducto y no depende de si el proceso es o no es reversible. La presión crítica, por el contrario, sí depende de esta circunstancia, como se justifica a continuación. En el caso de proceso isentrópico (p · vγ = cte), y por lo tanto sin fricción, la presión crítica se obtendrá de la relación: [2.74] En el caso de que exista fricción el proceso puede considerarse politró- pico (p · vn = cte), en cuyo caso se comprueba que el salto crítico resulta ser: [2.75] Se comprueba que cuando existe fricción la presión crítica disminuye respecto del valor isentrópico (manteniendo p00 y γ), ya que en los procesos de expansión adiabáticos se comprueba que 1<n<γ (epígrafe 2.2). 2.7.4. Comportamiento del fluido en conductos sin fricción 2.7.4.1. Expresión del gasto en toberas y difusores El gasto se establece debido a la existencia de una diferencia de presio- nes entre la entrada y la salida del conducto. A medida que la diferencia de presiones se incrementa el gasto tiende a aumentar hasta alcanzar un máxi- PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 91 mo (figura 2.12-a). Desde otra perspectiva, no menos cierta, al hacer circu- lar un determinado gasto másico por un conducto de sección variable, se produce una variación de presión en el fluido que dependerá de la geometría del conducto17, al margen de las pérdidas de carga, que serán despreciadas en una primera aproximación. La relación entre el gasto másico y el salto de presiones se obtiene a partir de la ecuación de la continuidad, sustituyendo la velocidad por una expresión deducida de la ecuación del primer principio de la termodinámi- ca [2.71] y teniendo en cuenta la ecuación de estado [2.1]. En este caso, que se supone el proceso isentrópico, se obtiene la expresión [2.76] para el gasto: [2.76] El gasto másico puede obtenerse en función de las condiciones de parada a la entrada del conducto, así como del área y de la presión en una determi- nada localización del mismo, siendo quizá la más significativa la sección de salida. Al ser el gasto másico constante, en la sección de área mínima del conducto la función Φ alcanzará el valor máximo de todos los que se obtie- nen en dicho conducto. Además, derivando la función Φ respecto de p/p00 se puede obtener el valor de dicho parámetro para el que se obtiene el valor máximo de la función. Se comprueba que el máximo de la función Φ se obtiene para una rela- ción de presiones que se corresponde con el salto crítico: [2.77] Esto implica que si se alcanzan las condiciones sónicas en el conducto, dichas condiciones se obtendrán siempre en la sección de área mínima. 17 Representada únicamente por su sección de salida si no se considera fricción. MÁQUINAS TÉRMICAS 92 Figura 2.12. Evolución del gasto en toberas convergentes. Sin embargo, puede comprobarse que cuando existe fricción no se alcan- zan las condiciones críticas exactamente en la garganta, ya que al derivar la función Φcon fricción correspondiente, se obtiene: [2.78] No obstante, cuando la fricción no es muy importante se puede suponer que las condiciones sónicas se alcanzan en la garganta o en la sección de área mínima. 2.7.4.2. Expansión en conductos convergentes El razonamiento anterior tiene una serie de implicaciones en relación con la expansión en conductos convergentes que se resaltan a continuación: — No es posible acelerar un fluido por encima de la velocidad del soni- do en un conducto convergente, ya que dicha velocidad del sonido se deberá alcanzar en la sección de área mínima (sección de salida, en este caso). — Si la diferencia de presiones a la que está sometido un conducto con- vergente, sea cual sea su geometría, es superior al salto crítico, la PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 93 tobera se hallará bloqueada18 de forma que en la sección de salida las condiciones de presión y temperatura serán las críticas. — Se dice que la tobera está bloqueada porque una vez alcanzado M =1 en la garganta (sección de salida si es convergente), al disminuir la presión de salida no aumenta el gasto másico, sino que se genera una onda de choque que va aumentando en intensidad. — La función gasto (ecuación 2.76) está representada en la figura 2.12, como ya se ha indicado. Cada tobera, dependiendo de su geometría, tendrá una curva característica diferente. — El bloqueo de una tobera no depende de su geometría, de forma que dos toberas con diferente sección de salida se bloquearán cuando al aumentar el salto de presiones la presión de salida coincida con el valor crítico, que es exclusivamente función de las condiciones de parada a la entrada y de la relación de calores específicos del gas que circula. Es decir, se bloquea en las mismas condiciones una tobera grande que una pequeña, aunque el gasto másico de bloqueo será lógicamente diferente (figura 2.12). — El bloqueo también puede justificarse teniendo en cuenta que una vez alcanzadas las condiciones críticas en la salida (con M=1), la perturbación que supone una disminución de presión en la descarga, no puede propagarse aguas arriba de la sección de salida del conduc- to para intentar modificar el gasto, ya que la velocidad del fluido es la del sonido, de forma que a-c = 0, tal como se comentó en el epí- grafe 2.6.1. — Cuando una tobera convergente está sometida a un salto de presiones superior al salto crítico, está bloqueada y el gasto permanecerá cons- tante cuando baja la presión de salida. Se puede bloquear la tobera aumentando la presión de entrada (para una de descarga fija) o dis- minuyendo la de descarga (para una presión de entrada de parada fija). Ejemplos de expansión en conductos convergentes en máquinas y moto- res térmicos: 18 También se denomina tobera estrangulada. MÁQUINAS TÉRMICAS 94 — Conductos interálabes en las turbinas. Se diseña para que el flujo sea subsónico, no obstante, puede producirse bloqueo sónico cuando la turbina trabaja fuera de las condiciones de diseño y aumenta la rela- ción de expansión. — Tobera propulsiva de un turborreactor o turbofán. Lo habitual es que la tobera convergente esté bloqueada en una buena parte de las con-diciones operativas, salvo durante la operación del motor en tierra, dado que para velocidad de vuelo igual a cero, al no existir compre- sión dinámica, la relación de expansión en la tobera es muy inferior a la que le corresponde en crucero. 2.7.4.3. Comportamiento del fluido en un conducto convergente- divergente Si se quiere acelerar un fluido por encima de la velocidad del sonido se tendrá que utilizar un conducto convergente-divergente. En un conducto convergente-divergente, al igual que en el caso de un conducto convergente, un salto de presiones establece un gasto másico que irá creciendo a medida que aumenta dicho salto de presiones. En la figu- ra 2.13 se representa el efecto de disminuir la presión de descarga mante- niendo constante la presión de parada a la entrada. Siempre y cuando el salto de presiones no provoque condiciones sónicas en la garganta, el flujo será subsónico a lo largo de todo el conducto y, por tanto, primero se producirá una expansión en la parte convergente, seguida de una compresión en el tramo divergente. En esas condiciones, lógicamen- te, el gasto no habrá alcanzado su valor máximo (caso a). La velocidad de sonido se alcanza en este conducto convergente-diver- gente en la garganta o sección de área mínima, si el proceso es isentrópico (caso b). Una vez que se alcanza M=1 en la garganta, el conducto estará en con- diciones de bloqueo. Si se aumenta el salto de presiones, el fluido podrá continuar acelerándose en el tramo divergente, alcanzándose régimen super- sónico en una parte del conducto (caso c). Hay que señalar que mientras que, en una tobera convergente con salto subcrítico, disminuir la presión de salida lleva consigo un aumento del PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 95 gasto, en toberas convergente-divergentes no siempre sucede así. A partir del momento en que se alcanzan condiciones críticas en la garganta, aún siendo el salto global subcrítico, el gasto se mantendrá en el valor corres- pondiente a dichas condiciones críticas al disminuir la presión de descarga. Figura 2.13. Conducto covergente-divergente. Evolución de la presión. Tal como se comprueba en la figura 2.13, a partir del caso (b), si se con- tinúa disminuyendo la presión de descarga, parte del tramo divergente actuará como tobera y parte como difusor. Para alcanzar el valor de la pre- sión en el escape ps = pd será necesario que el flujo pase de supersónico a subsónico, por lo que se generará una onda de choque plana (caso c). La posición de dicha onda de choque va variando, de forma que se va despla- zando hacia la salida al ir disminuyendo la presión de descarga. Una vez situada la onda de choque en la sección de salida (caso d), al disminuir aún más la presión de descarga se produce una onda oblicua para adaptar la presión del fluido a la salida a la del depósito (caso e). Dicha onda de choque se irá reduciendo a medida que decrece la presión de descarga. Llega un momento en que el conducto convergente-divergente actúa todo él MÁQUINAS TÉRMICAS 96 como tobera, disminuyendo la presión del fluido a lo largo del mismo sin existencia de onda de choque de ningún tipo. Se dice entonces que la tobera convergente-divergente está adaptada al salto de presiones (caso f). Para presiones en el depósito inferiores a la correspondiente a tobera adaptada, se formará una onda de choque oblicua de expansión a la salida. De manera análoga se puede analizar que un conducto convergente- divergente puede actuar todo él como difusor, en cuyo caso la presión aumenta a lo largo del mismo. En ese caso el fluido entrará al conducto con velocidad supersónica y saldrá del mismo con velocidad subsónica. A modo de ejemplo en relación con procesos de expansión en conductos convergentes-divergentes en motores térmicos, se puede destacar que en los motores utilizados en aviación supersónica se emplean toberas convergen- tes-divergentes con el fin de incrementar el empuje a base de acelerar por encima de la velocidad del sonido la corriente de gases de escape. Conviene resaltar que en este apartado se ha analizado el comportamien- to de una tobera de geometría conocida al ir modificando la presión de des- carga, de forma que el gasto másico era una consecuencia del salto de pre- siones. No obstante, es interesante aclarar que el planteamiento puede lógicamente ser a la inversa, es decir, al hacer circular un determinado gasto másico por una tobera de sección conocida, se originará un determinado salto de presiones. En determinados análisis de procesos en las máquinas y motores térmicos este planteamiento es más adecuado, pero es importante resaltar que se llega a las mismas conclusiones. EJERCICIO 2.1 En una tobera convergente-divergente de 5 cm2 de sección de salida, se expande aire desde unas condiciones iniciales de 40 bar y 1800º C, hasta una presión final de descarga de 1 bar (se supondrá que la tobera trabaja en condiciones de diseño adaptada al salto). Comparar el gasto y la velocidad de descarga de esta tobera con los valores que se obtendrían cortando dicha tobera por la parte convergente, de forma que la sección final de salida, resulte de 5 cm2. Se mantendrán en este caso las condiciones exteriores de entrada y salida. Se supondrá el flujo isentrópico en ambas toberas con cp = 1 kJ/kgK y γ = 1,4 PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 97 SOLUCIÓN: Caso a): la tobera trabaja en condiciones de diseño ps = pd = 1 bar. En la garganta se alcanzan las condiciones críticas. Caso b): Cortando la tobera de forma que la sección de salida sea 5 cm2, obtendremos una tobera convergente operando con salto supercrítico, y por tanto, la tobera se encontrará bloqueada manteniéndose las condiciones crí- ticas en la sección de salida. Expresando en ambos casos el gasto en función de las condiciones en la garganta (en el caso (b) coincidente con la sección de salida) obtendremos la siguiente relación: Por ser Aga < Agb, el gasto en el caso a) será menor. A continuación se va a calcular el gasto en función de la velocidad de salida: Para ello se debe obtener en primer lugar la velocidad de salida, multi- plicado por 103 para obtener la velocidad en unidades del sistema interna- cional: MÁQUINAS TÉRMICAS 98 Operando se obtiene A continuación se procede a calcular el valor del volumen específico. Por tratarse de un gas perfecto: Se tiene: En el caso b) la velocidad de salida coincidirá con la del sonido en ese punto: El volumen específico es el correspondiente a las condiciones críticas, por ser el salto supercrítico y encontrarse la tobera bloqueada, por tanto: PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 99 Sustituyendo los valores: Sustituyendo en la expresión del gasto los valores del volumen específi- co y de la velocidad de salida para este caso, se tendrá: Por tanto, como ya habíamos adelantado, el gasto en el caso de la tobera convergente-divergente será menor que en el caso de tobera convergente. Comparando los valores obtenidos para las velocidades de salida se observa que csa > csb, como podría haberse deducido a priori. EJERCICIO 2.2 Comparar en cuanto a presión en la salida y gasto, dos toberas conver- gentes, una de ellas con sección de salida mayor que la otra, que trabajan con las mismas condiciones de entrada y salida, ambas con salto supercrí - tico. SOLUCIÓN: Por tratarse de dos toberas convergentes trabajando con salto supercríti- co, presión del depósito de descarga menor que el valor crítico, la presión de salida en ambos casos coincidirá con el valor crítico, de forma que ambas toberas se encuentran bloqueadas. La presión crítica depende tan sólo de las condiciones de entrada, que son idénticas, y del valor de γ. Suponiendo que dichas toberas expansionan el mismo gas, el valor de la presión crítica y, por tanto, la presión en la sección de salida es coincidente. MÁQUINAS TÉRMICAS 100 Dividiendo estas dos expresiones se obtiene: Dado que As1 > As2 resulta, por tanto: m · 1 > m · 2. EJERCICIO2.3 Una tobera convergente descarga aire (γ=1,4) desde un depósito que se mantiene a 8 bar, hasta otro que se encuentra a la presión de 1 bar. Si se aumenta la presión del primer depósito al valor de 10 bar, manteniendo la temperatura en dicho depósito, ¿cómo se verá modificado el gasto? SOLUCIÓN: La presión crítica tendrá los siguientes valores en función de la presión de parada de entrada: Por tanto, en ambos casos el salto es supercrítico, ya que la presión crí- tica es superior a la presión de descarga. En ambas situaciones la tobera se encontrará bloqueada, de forma que en la sección de salida la presión será la presión crítica correspondiente. Expresando el gasto en función de las condiciones en la sección de salida tendremos: PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 101 Al incrementar la presión en el depósito de entrada p00 se comprueba que el gasto aumentará, ya que en la expresión anterior, T00 no varía, como indi- ca el enunciado del problema, el área de la sección de salida (As) tampoco varía, y el salto crítico pc/p00 tampoco se modifica, ya que sólo depende del valor de γ. La variación del gasto al modificar la presión de parada de entra- da, se muestra en la siguiente relación: Figura 2.14. Evolución en una tobera (a) y en un difusor (b). 2.7.4.4. Evaluación de las pérdidas en toberas y difusores Se indican a continuación los coeficientes más frecuentemente utilizados para definir el grado de irreversibilidad mecánica de los procesos que tienen lugar en toberas y difusores. Como los procesos en conductos se producen con el fluido evolucionan- do a altas velocidades, en la mayoría de los casos es posible depreciar las pérdidas de calor, pero no las de fricción, relacionadas con la viscosidad y la velocidad del flujo. Por tanto, el proceso adiabático ideal sería reversible y, consecuentemente, isentrópico. MÁQUINAS TÉRMICAS 102 2.7.4.4.1. Comparación de los casos de expansión y compresión En la figura 2.14-a se ha representado el proceso de expansión de un flui- do en un diagrama h-s. Como consecuencia de la fricción puede observarse que el fluido sale de la tobera con una velocidad inferior a la que alcanzaría si la evolución fuera isentrópica, para la misma presión y la misma veloci- dad de entrada e idéntica presión estática de salida. Por tanto, la fricción trae consigo una pérdida de energía mecánica que puede evaluarse fácilmente obteniendo en cada caso la energía cinética de descarga a través de la ecua- ción de conservación de la energía basada en el primer principio de la ter- modinámica. En el caso de un difusor (figuras 2.14-b y 2.15) la evolución real se com- para con un proceso isentrópico en el que el fluido alcanza la misma presión estática de salida y sale con la misma energía cinética. Por tanto, al contrario que en el caso de la tobera, la velocidad con la que entra al fluido en el difu- sor no es la misma en el caso isentrópico y en el real. La velocidad de entra- da debe ser superior en el caso real, de forma que se deduce que es necesario disponer de mayor energía cinética para obtener finalmente la misma ener- gía cinética y la misma energía térmica (idéntica presión de salida), por lo que el proceso difiere del ideal (isentrópico)19. Tobera Difusor Proceso isentrópico: [2.80] Proceso real: [2.82] Restando las ecuaciones correspondientes al proceso real y el isentrópi- co, resulta, en cada caso, la siguiente pérdida de energía mecánica: PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 103 19 Se supone c1=c1s. Tobera Difusor [2.84] Figura 2.15. Procesos a comparar a la hora de evaluar la pérdida de energía mecánica en un difusor. Para valorar en ambos casos la pérdida de energía mecánica h1-h1s se puede recurrir a un análisis gráfico en las figuras 2.16-a y 2.16-b. Hay que tener en cuenta que como el proceso 1-1s es, en ambos casos, a presión constante, la ecuación 2.29 y permite deducir: [2.85] Como consecuencia de lo anterior, en el caso de la tobera la pérdida de energía mecánica se corresponde con el área rayada B y en el caso del difu- sor se corresponde con el área C+B. Por otra parte, la energía degradada por fricción en el proceso de expan- sión 0-1 se representa en la figura por el área A+B. Esto se debe a que el segundo principio de la termodinámica establece que en un proceso irrever- sible se produce un incremento de entropía, precisamente debido a la degra- dación de energía por fricción e irreversibilidades internas. A dicho incre- mento se le ha denominado σi en la ecuación 2.20. Se tendrá, por tanto: [2.86] Si el proceso es adiabático, la energía específica degradada por fricción será: MÁQUINAS TÉRMICAS 104 [2.87] Se demuestra, por tanto, que la pérdida energía mecánica en una tobera es menor que la energía inicialmente degradada por fricción. Existe una cierta recuperación, dado que debido a la irreversibilidad, el fluido se calienta y aumenta su estado térmico y a lo largo de la expansión se va trans- formando de nuevo la energía térmica en energía mecánica. Figura 2.16. Representación de la energía degradadapor fricción y la pérdida de energía mecánica en (a) tobera y (b) difusor. En el caso de un difusor ocurre lo contrario; la energía inicialmente degrada (área C) es inferior a la energía mecánica finalmente perdida (área C+B). La pérdida aquí debe entenderse de la siguiente forma: partiendo de un mismo estado entálpico 0, para comprimir el fluido hasta el nivel de pre- sión p1, con velocidad de salida c1 el fluido se tiene que decelerar más si la evolución no es isentrópica; es decir, deberá partir de una mayor velocidad inicial, luego se puede considerar que ha habido una pérdida de energía mecánica. La explicación en este caso es la siguiente: la degradación de energía mecánica del fluido trae consigo un calentamiento del mismo, ya que la ener- gía mecánica se degrada a energía térmica. El fluido al calentarse tiende a disminuir su densidad y es más difícil comprimirlo, de manera que se absor- be más energía mecánica para comprimir el gas, si el proceso es irreversible. PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 105 2.7.4.4.2. Coeficientes para evaluar la fricción en toberas y difusores Toberas Se utilizan los siguientes parámetros adimensionales: Coeficiente de pérdida de velocidad [2.88] Dado que la velocidad real de salida es siempre inferior a la velocidad de salida isentrópica, este coeficiente será inferior a la unidad, salvo que el proceso sea isentrópico, en cuyo caso será igual a la unidad. Coeficiente de pérdida de energía mecánica Se obtiene dividiendo la pérdida de energía mecánica por el salto entál- pico real y puede expresarse en función del coeficiente anterior. [2.89] Si se conoce su valor, permite calcular las pérdidas de energía mecánica mediante la expresión: [2.90] Este coeficiente será igual a cero si el proceso es isentrópico. Rendimiento isentrópico ηTO Compara el salto entálpico real con el salto entálpico isentrópico, toman- do la entalpía de parada a la entrada de referencia, de forma que dichos sal- tos entálpicos se corresponden con la energía cinética del fluido a la salida de la tobera en cada caso. Compara, por tanto, cuánto se ha acelerado el flui- do en el proceso real respecto de lo que se abría acelerado en el proceso isentrópico. [2.91] MÁQUINAS TÉRMICAS 106 Este parámetro será igual a la unidad si el proceso es isentrópico. Difusores Coeficiente de pérdida de energía mecánica Se define de forma similar al caso de la tobera, pero en este caso en el denominador aparece la energía cinética a la entrada al difusor, en lugar de la energía cinética a la salida. [2.92] Rendimiento isentrópico ηD Establece la relación entre la energía mecánica necesaria para comprimir por vía isentrópica, dividida por la necesaria en el caso del proceso real. [2.93] PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES 107 Capítulo 3 Fundamentos de la combustión 3.1. Introducción 3.2. Fenómenos que intervienen en elproceso de combustión. Ecuaciones de gobierno 3.3. Reacción estequiométrica 3.3.1. Ajuste de la reacción estequiométrica 3.3.2. Cálculo del dosado estequiométrico 3.4. Combustión completa con exceso de aire 3.4.1. Ajuste de la reacción con exceso de aire 3.5. Mecanismo de la reacción de combustión 3.5.1. Velocidad de la reacción química 3.6. Combustión incompleta 3.6.1. Composición de los productos de la combustión 3.7. Balance energético en el proceso de combustión 3.7.1. Procesos estacionarios en sistemas abiertos 3.7.1.1. Procesos de combustión adiabáticos. Tem- peratura adiabática de la llama. 3.7.1.2. Procesos de combustión con transmisión de calor a un segundo fluido caloportador 3.7.2. Procesos no estacionarios en sistemas cerrados 3.8. Rendimiento de la combustión 3.9. Clasificación de los procesos de combustión 3.10. Autoinflamación de la mezcla aire-combustible 3.11. Llamas de premezcla 3.11.1. Deflagración 3.11.2. Detonación 3.12. Llamas de difusión 3.12.1. Llamas de difusión con combustible gaseoso 3.12.2. Llamas de difusión con combustible líquido 3.12.3. Llamas de difusión con combustible sólido 109 OBJETIVOS FUNDAMENTALES DEL CAPÍTULO � Entender la complejidad que entraña el proceso de combustión, en el que intervienen procesos físicos y químicos. � Revisar los aspectos básicos de la química del proceso de combustión: — Reacción estequiométrica – Ajuste de la reacción global estequiométrica – Cálculo del dosado estequiométrico – Cálculo del poder calorífico del combustible – Cálculo de la temperatura adiabática de la llama — Combustión completa con exceso de aire – Ajuste de la reacción – Cálculo de la temperatura de los productos de la combustión — Combustión incompleta – Análisis de las causas – Discusión sobre la composición de los productos de la combus- tión, teniendo en cuenta la posible disociación. � Conocer los diferentes tipos de procesos de combustión, entender cómo tiene lugar el proceso en cada caso y de qué factores depende, así como de su asociación a determinadas máquinas y motores tér - micos: — Autoinflamación de la mezcla aire-combustible — Llamas de premezcla: 111 – Deflagraciones: a velocidad laminar y a velocidad turbulenta. – Detonaciones — Llamas de difusión: – Combustión de combustibles gaseosos – Combustión de combustibles líquidos – Combustión de combustibles sólidos 3.1. INTRODUCCIÓN La combustión es una reacción química fuertemente exotérmica entre una sustancia combustible y el oxígeno del aire. Como en toda reacción quí- mica exotérmica se produce la rotura de enlaces químicos y se forman otros nuevos que requieren menor energía, dando lugar a sustancias con menor energía química. Los productos de la combustión, debido a su alto nivel tér- mico en la zona de reacción, emiten radiación electromagnética en el espec- tro visible, por tanto, la energía liberada en el proceso de combustión se irra- dia directamente al entorno o bien se manifiesta en forma de energía térmica de los productos de la combustión. En la actualidad la gran mayoría de la energía consumida en el mundo tiene como origen la combustión, ya que los combustibles fósiles, de los que dependemos mayoritariamente en la actualidad, y algunos combustibles de origen renovable, liberan la energía química asociada a su estructura mole- cular a través de dicho proceso. La sociedad demanda tres tipos de energía: energía térmica, para procesos de calentamiento, energía mecánica para tracción, propulsión o accionamien- to mecánico y energía eléctrica para iluminación y suministro eléctrico. Se podría decir que a grosso modo el 50% de la energía primaria se utiliza en procesos de calentamiento, en calderas, hornos y cámaras de combustión, mientras que el otro 50% de la energía primaria consumida a nivel mundial se utiliza para cubrir las demandas de energía mecánica y energía eléctrica. En los procesos de calentamiento prácticamente el total de la energía prima- ria proviene de combustibles fósiles y en una escasa proporción de la bioma- sa. En ambos casos, el combustible libera su energía mediante un proceso de MÁQUINAS TÉRMICAS 112 combustión. Como alternativa se tiene la energía solar térmica, pero la con- tribución de ésta a nivel global es por el momento muy reducida. En cuanto a la energía primaria empleada en cubrir las demandas de energía mecánica y energía eléctrica, en el primer capítulo se ha destacado el papel fundamental de los motores térmicos, en los que tienen lugar un proceso de combustión. Insistiendo en el tema, cabe destacar que sólo en torno a un 30-35% de la energía eléctrica producida procede de fuentes pri- marias que se aprovechan mediante procesos en los que no interviene la combustión, como es el caso de las centrales de combustible nuclear o las instalaciones basadas en ciertas energías renovables, en concreto, hidráuli- ca, eólica y solar. Por otra parte, la demanda de energía mecánica, que está asociada en gran medida al sector del transporte, también depende actual- mente de combustibles que liberan su energía mediante en un proceso de combustión, como ya se ha resaltado en el capítulo 1. En la primera parte del presente capítulo se van a presentar conceptos básicos en relación con el proceso de combustión, la mayoría de ellos ya estudiados en termodinámica. Posteriormente, en los capítulos 6, 9 y 10 se analizarán con más detalle los casos particulares del proceso de combustión en motores de combustión interna alternativos (capítulo 6), combustión en turbinas de gas (capítulo 9) y combustión en calderas (capítulo 10), resal- tando los parámetros de diseño específicos de cada aplicación. 3.2. FENÓMENOS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN. ECUACIONES DE GOBIERNO El proceso de combustión es básicamente una reacción química comple- ja entre el oxígeno del aire y un combustible, cuya composición no se ajusta, en general, a una sustancia concreta sino que es una mezcla de compuestos orgánicos. Al tratarse de una reacción química será de suma importancia analizar de qué factores depende la velocidad de la reacción y, por tanto, el ritmo de formación y destrucción de los distintos compuestos que intervie- nen. Por otra parte, los mecanismos de la reacción de combustión son com- plejos, con múltiples reacciones intermedias que es necesario conocer para predecir adecuadamente la velocidad de combustión global. A la luz de los conocimientos adquiridos por el alumno en materias previas (química, ter- modinámica y mecánica de fluidos) se intuye que el desarrollo del proceso FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 113 dependerá de las condiciones termodinámicas de los reactantes (presión y temperatura), de las concentraciones de los mismos en la mezcla inicial y de las condiciones del campo fluido en cuyo seno se desarrolla la combustión, existiendo diferencias en el caso de que el flujo sea laminar o bien turbulen- to, ya que en el inicio y en la propagación del proceso de combustión son muy importantes los fenómenos de transporte de masa y de calor, como ten- dremos ocasión de resaltar en este capítulo. Por tanto, para analizar en profundidad el proceso de combustión y poder llegar a predecir con exactitud la composición de los productos de la com- bustión y la temperatura final de dichos productos, a partir de una determi- nada composición y estado termodinámico de los reactantes, es necesario abordar aspectos químicos de la combustión pero también tomar en conside- ración aspectos físicos del proceso, lo que conlleva resolver conjuntamente las ecuaciones que gobiernan dichos fenómenos, que serían las siguientes: 1. Ecuación de conservación de la masa o de la continuidad 2. Ecuaciones de la conservación de la cantidad de movimiento (una por cada coordenada espacial) 3. Ecuación de conservación de la energía 4. Ecuaciones que establecen la variación de la concentración de cada una de las especies químicas (nº de especies –1) y ecuación que esta- blece que la suma de las fracciones másicas es igual a la unidad. 5. Ecuaciónde estado de los gases perfectos aplicada a la mezcla de gases reactantes y a la mezcla de los productos de la combustión. 6. Modelo de turbulencia para calcular la intensidad y la escala de la tur- bulencia. Si se pretende conocer cómo se desarrolla el proceso de combustión en un determinado equipo de forma detallada con el fin de analizar problemas que puedan surgir de forma local en determinados puntos en la cámara (apa- gado de llama, formación de especies contaminantes,..) será necesario resol- ver el sistema anterior, realizando determinadas simplificaciones que permi- tan abordar el cálculo con éxito. Sin embargo, en el presente capítulo sólo se pretende poner de manifiesto la complejidad del proceso de combustión y resaltar aquellos parámetros que influyen en mayor medida en su desarro- llo, de forma global, para justificar su influencia sobre el diseño de los dife- MÁQUINAS TÉRMICAS 114 rentes equipos y motores. Por tanto, no se tendrán en consideración aspectos multidimensionales y las ecuaciones se plantearán integradas al volumen de control que define el equipo. Por ejemplo, en general se plantearán las ecua- ciones, entre los instantes inicial (reactantes mezclados uniformemente y en condiciones adecuadas para iniciar la reacción) y final (productos de la combustión en disposición de abandonar el equipo), tal como se verá en el epígrafe 3.4. 3.3. REACCIÓN ESTEQUIOMÉTRICA 3.3.1. Ajuste de la reacción estequiométrica Se va a considerar que el combustible responde a una formulación gene- ral1 tal como Cα Hβ Oγ , de forma que al reaccionar con el oxígeno del aire según una reacción estequiométrica, los únicos productos de la reacción serán el CO2, H2O, y N2. Se supone que el aire tiene una composición en volumen de 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, despreciándose el argón y el vapor de agua por simplicidad en el planteamiento: [3.1] Estableciendo las ecuaciones de balance de número de átomos para cada uno de los cuatro elementos, por mol de combustible, se pueden obtener las cuatro incógnitas que aparecen en la reacción anterior (va, σ1, σ2, σ3), en función de: α, β y γ. Carbono [3.2] Hidrógeno [3.3] Oxígeno [3.4] Nitrógeno [3.5] Resolviendo el sistema de ecuaciones anterior se obtienen las siguientes expresiones para los cuatro coeficientes que figuran en [3.1]: 1 No se ha considerado la posible presencia de nitrógeno o bien de azufre en la composición. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 115 [3.6] [3.7] [3.8] [3.9] 3.3.2. Cálculo del dosado estequiométrico Se denomina dosado estequiométrico al cociente entre la masa de com- bustible y la masa de aire en una reacción en la que los reactantes están en la proporción justa o estequiométrica. Dicho parámetro se puede calcular teniendo en cuenta la ecuación [3.9] y los pesos moleculares de los reac - tantes: [3.10] [3.11] EJEMPLO 3.1 Se van a utilizar las expresiones anteriores para ajustar las reacciones estequiométricas de combustión de tres combustibles de formulación cono- cida: el metano, el etanol y el queroseno, suponiendo que este último com- bustible se ajusta a la formulación media C12H24. También se obtendrá el dosado estequiométrico en cada caso. SOLUCIÓN: Metano: Su formulación es CH4, de forma que: α = 1, β = 4, γ = 0. Aplicando las ecuaciones [3.6] a [3.9] y [3.11] se obtiene: [3.12] MÁQUINAS TÉRMICAS 116 Etanol Formulación: C2H6O ⇒ α = 2, β = 6, γ = 1. [3.13] Queroseno C12H24 ⇒ α = 12, β = 24, γ = 0 : [3.14] 3.4. COMBUSTIÓN COMPLETA CON EXCESO DE AIRE En muchas aplicaciones, por razones que se irán destacando en éste y en posteriores capítulos, el proceso de combustión se lleva a cabo con una pro- porción de aire que supera la cantidad estequiométrica calculada anterior- mente. En motores térmicos lo habitual es utilizar el parámetro dosado relativo (ecuación [3.15]), que permite de forma sencilla identificar si se está traba- jando con exceso o bien con defecto de aire en relación con la proporción estequiométrica. En ese sentido, un dosado pobre (FR<1) indica un exceso de aire. [3.15] En calderas, sin embargo, lo habitual es utilizar el coeficiente de exceso de aire, que relaciona la masa de aire empleada con la necesaria para llevar FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 117 a cabo una reacción estequiométrica con la misma cantidad de combustible. Este coeficiente, que se suele expresar en tanto por ciento, se relaciona con el dosado relativo a partir de las siguientes expresiones: [3.16] [3.17] Un dosado pobre de 0,8 implica un coeficiente de exceso de aire n = 1,25 y, por tanto, un exceso de aire del 25%. En importante aclarar que hasta el momento, en el presente capítulo, se está suponiendo que los reactantes se hallan mezclados homogéneamente En esas condiciones, para que la combustión se inicie y se desarrolle, el dosado de la mezcla tiene que estar comprendido entre ciertos valores deno- minados límites de inflamabilidad, lo que supone que el dosado relativo debe estar comprendido aproximadamente en el rango: 3 > FR > 0,5 (incluso en las llamas de difusión que se estudian en el epígrafe 3.12 la combustión tiene lugar en las zonas de la cámara donde el combustible y el aire se encuentran mezclados en una proporción adecuada). Los límites de inflama- bilidad dependen, no obstante, del combustible, de la posible presencia de gases inertes y, de manera particular, de las condiciones de presión y tem- peratura de la mezcla. Conviene destacar, no obstante, que en muchos equipos en los que tiene lugar un proceso de combustión, se introduce un exceso de aire importante. Éste es el caso de las calderas industriales, que suelen trabajar con excesos de aire del 150%-200%, dependiendo del tipo de combustible, las cámaras de combustión de las turbinas de gas, donde son habituales excesos de aire de incluso el 300% o los motores diesel que también trabajan con exceso de aire, que se incrementa a cargas parciales, si bien a plena potencia suele ser del orden del 25%. No obstante, es imprescindible aclarar que en los casos mencionados, donde el tipo de combustión es por llama de difusión (epígra- fe 3.12), una buena parte del aire introducido no participa directamente en la reacción de combustión, de forma que en la zona de reacción (llama) el dosado es prácticamente el estequiométrico. En capítulos posteriores (6 y 9) se explicarán las razones que justifican el empleo de tales excesos de aire, MÁQUINAS TÉRMICAS 118 pero cabe adelantar dos razones importantes: 1) garantizar que el combusti- ble encuentra oxígeno suficiente para su combustión completa y 2) diluir los productos de la reacción de combustión para disminuir la temperatura final de los mismos. 3.4.1. Ajuste de reacción con exceso de aire Se va a suponer también en este caso que la combustión se realiza de forma completa, no existiendo presencia de monóxido de carbono ni hidro- carburos sin quemar en los productos de la combustión que estarán forma- dos exclusivamente por CO2, H2O, N2 y O2 como consecuencia del exceso de aire. En este caso las cuatro ecuaciones de balance atómico de los 4 ele- mentos: C, H, O y N, serán suficientes para obtener la composición de los productos de la combustión por mol de combustible. EJEMPLO 3.2 Se va a ajustar la reacción de combustión completa del octano (C8H18) si el dosado relativo de la mezcla combustible-aire es 0,87. Calcular el coefi- ciente de exceso de aire correspondiente. SOLUCIÓN: Se parte de la ecuación estequiométrica del combustible [3.18]: [3.18] Un dosado relativo de 0,87, implica un coeficiente de exceso de aire n =1,15, lo que equivale a un exceso de aire del 15% (ecuación [3.17]). Teniendo en cuenta que para idéntica cantidad de combustible la rela- ción entre el aire real y el aire estequiométrico es precisamente el coeficien- te de exceso de aire, la reacción con exceso de aire será: [3.19] FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 119 Los balances de números de átomos de carbono e hidrógeno quedan inal- terados por la introducción de un exceso de aire, mientras queel nitrógeno se ve afectado directamente por el coeficiente de exceso de aire, tal como se comprueba en la ecuación [3.32]. Para obtener el oxígeno presente en los productos de la combustión se utiliza la ecuación de balance de número de átomos correspondiente: [3.20] 3.5. MECANISMO DE LA REACCIÓN DE COMBUSTIÓN La reacción global de combustión [3.1] no representa realmente el trans- curso de la reacción química del combustible con el aire. Cuando en una reacción intervienen más de dos moléculas, como ocurre en las reacciones de combustión, la reacción de produce por pasos, mediante reacciones intermedias, con roturas de enlaces, formación de radicales libres2 y disociación de moléculas. Las reacciones elementales intermedias pueden llegar a ser cientos e incluso miles para determinados combustibles, siendo unas exotérmicas y otras endotérmicas. La reacción de combustión es, por tanto, compleja y lleva asociado un mecanismo de reacción en el que intervienen como reactantes un número de compuestos inestables que aparecen en la mayoría de los casos de forma temporal, ya que las moléculas del combustible se descomponen por efecto del calor en compuestos más ligeros y radicales (por ejemplo, CH3, C2H3, etc). Se produce un proceso en cadena al interaccionar distintos compuestos, reaccionando, combinándose y descomponiéndose. En el caso de la com- bustión del metano, forman parte del mecanismo de combustión reacciones como las siguientes: [3.21] [3.22] 2 Moléculas inestables con valencias libres MÁQUINAS TÉRMICAS 120 [3.23] [3.24] [3.25] Cada una de estas reacciones intermedias tendrá asociada su correspon- diente velocidad de reacción. Cuando la secuencia de las reacciones termina, los productos finales de la combustión son compuestos de menor energía química que el combusti- ble, de manera que la suma de las entalpías de formación de los productos será inferior a la entalpía de formación del combustible, ya que las entalpías de formación del oxígeno y del nitrógeno son nulas por definición. 3.5.1. Velocidad de la reacción química Por la ley de acción de masas, la velocidad de reacción depende de una constante de velocidad k y es proporcional al producto de las concentracio- nes de los reactantes elevadas a sus coeficientes estequiométricos. Las reac- ciones se producen en ambos sentidos, hacia productos y hacia reactantes. En el caso de las dos ultimas reacciones planteadas ([3.24 y [3.25]), las velocidades en sentido directo (penúltima reacción) e inverso (última reac- ción) serán respectivamente: [3.26] [3.27] Los radicales mencionados anteriormente se forman pero desaparecen rápidamente porque las reacciones están muy orientadas en un determinado sentido. Si las velocidades inversa y directa se igualan (vi = vd) se alcanza lo que se denomina equilibrio químico de la reacción. La constante de velocidad «k» tiene, según el modelo Arrhenius, la siguiente expresión: FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 121 [3.28] donde A es la constante de frecuencia y Ea la energía de activación. En el caso de reacciones que lleven a asociado un mecanismo de reac- ción, los exponentes de las concentraciones no serán los coeficientes este- quiométricos, sino valores a ajustar en cada caso. Por tanto, la velocidad de la reacción global de combustión podría expresarse de la siguiente forma: [3.29] donde n, m, A y Ea deben ser determinados experimentalmente. Es importante resaltar que el término exponencial hace que la velocidad de reacción sea muy sensible al valor de la temperatura de los reactantes, de tal modo que para valores moderados de este parámetro la velocidad es muy pequeña y, sin embargo, a partir de cierto valor de la temperatura, la veloci- dad se incrementa extraordinariamente. De igual modo, partiendo de valores altos de la temperatura para los cuales la velocidad de reacción es elevada, ocurre que un ligero descenso de la misma puede originar una bajada de la velocidad reacción tan acusada que prácticamente la reacción se interrumpa. 3.6. COMBUSTIÓN INCOMPLETA Es muy frecuente que no se produzca la reacción de combustión de forma completa, es decir, que el proceso de combustión no termina realmen- te, debido, entre otros, a los siguientes motivos: — Se requiere un tiempo de reacción que varía para las distintas reac- ciones simples que intervienen en el mecanismo de reacción, y a veces no se dispone de ese tiempo, por ejemplo, porque la reacción se apaga por contacto de los reactantes con las paredes frías del reci- piente o con una corriente fría de aire, o bien debido a un tiempo insuficiente de residencia en el equipo en relación con el tiempo de combustión. — Falta de oxígeno suficiente para la reacción debido a un dosado inadecuado o a una mezcla imperfecta del combustible y el aire. MÁQUINAS TÉRMICAS 122 — Se producen reacciones de disociación del CO2 y el H2O, formándose CO, OH, H, H2 , O, etc. Habrá que diseñar adecuadamente los equipos donde tiene lugar la com- bustión para evitar en la medida de lo posible los problemas mencionados y se hará referencia a ello en los capítulos 6 y 9. 3.6.1. Composición de los productos de la combustión La composición de los productos de la combustión depende de las con- diciones finales de presión y temperatura de los mismos, así como del com- bustible y del dosado de la mezcla inicial. En relación con la influencia del dosado, hay que resaltar que en el caso de dosado rico (defecto de aire) aparecen en los productos de la combustión CO y H2, y para dosados muy ricos, incluso hidrocarburos sin quemar que proceden de la descomposición del combustible, así como partículas de car- bón. Por otra parte, en cuanto a la influencia de la temperatura, se puede des- tacar que para temperaturas superiores a 1500 K, aproximadamente, hay que tener en cuenta la disociación del CO2 y el H2O, con la consecuente presen- cia en los productos de la combustión de las siguientes especies: CO, H2, O, H y OH, incluso en el caso de que la mezcla tenga exceso de aire. A medida que la presión es más elevada, la temperatura para la que tiene importancia la disociación es cada vez más alta. A temperaturas de combustión superiores a 1600 K se favorecen las reacciones de formación de óxidos de nitrógeno (NO, NO2). Teniendo en cuenta lo anterior, la ecuación genérica [3.43] trata de refle- jar una reacción de combustión global, que evidentemente conlleva un com- plejo mecanismo de reacción, al que se ha hecho referencia anteriormente. [3.30] FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 123 Cabe destacar algunas de las reacciones que se producen de forma simul- tánea entre los principales compuestos que pueden aparecer en los produc- tos de la combustión en el caso de que exista disociación: [3.31] [3.32] [3.33] [3.34] [3.35] [3.36] Hay que destacar que en las circunstancias que concurren durante el pro- ceso de combustión es posible considerar que las reacciones [3.31]-[3.36] alcanzan el equilibrio químico. Sin embargo, las reacciones de formación de los óxidos de nitrógeno (fundamentalmente NO) son lentas y no se puede considerar que se alcanza el equilibrio químico. Por ello, no se han incluido las reacciones de formación de estos compuestos entre las anteriores. Teniendo en cuenta la influencia que tiene la presión y la temperatura sobre la constante de equilibrio (anexo I) se puede afirmar lo siguiente: � A mayor temperatura mayor disociación y más presencia de CO, H, O, OH, etc. � A menor presión mayor disociación y más presencia de CO, H, O, OH, etc. A modo de resumen se puede concluir, que dependiendo del dosado de la mezcla inicial, se producirán una serie de compuestos que se pueden con- siderar como mayoritarios, así como otros minoritarios cuya presencia sólo es apreciable en el caso de que la temperatura de los productos sea superior, como mínimo a 1500 K, en el caso de que la combustión tenga lugar a pre- sión ambiente. — Mezcla pobre (FR<1) Productos mayoritarios3: N2, H2O, CO2, O2. MÁQUINAS TÉRMICAS 124 3 En orden aproximado enfunción de su fracción molar en los productos. — Mezcla estequiométrica (FR=1) Productos mayoritarios: N2, H2O, CO2. — Mezcla rica (1<FR<3): Productos mayoritarios: N2, H2O, CO2, CO, H2. — Mezclas muy ricas (FR>3) dentro de los límites de inflamabilidad. En este caso, además de los correspondientes a mezcla rica, entre los productos de la combustión se encuentran partículas de carbono e hidrocarburos sin quemar de menor peso molecular que el combus- tible. El resto de las especies aparecen en los gases producto de la com- bustión debido a la disociación en proporciones muy reducidas (OH, NO, H, O, N, en todos los casos, CO y H2 en mezclas pobres, O2 en mezclas ricas) y sólo para temperaturas de los gases superiores a los 1500 K a la presión atmosférica. A mayores presiones la presencia de estas especies es incluso menos relevante. El máximo de NO se produce para una mezcla ligeramente pobre FR ≈ 1. A pesar de su baja proporción, debido a su carácter contami- nante, hay que tener en cuenta que se tiende a formar a partir de los 1500 K. 3.7. BALANCE ENERGÉTICO EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN A continuación se va a aplicar el Primer Principio de la termodinámica a sistemas en los que tiene lugar un proceso de combustión. Dicha ecuación establece un balance de energía y relaciona la energía liberada en dicho pro- ceso (reacción fuertemente exotérmica), con la temperatura y con la compo- sición de los productos de la combustión. El balance de energía no puede basarse simplemente en la energía sensible, dado que las especies químicas antes y después de la reacción de combustión son diferentes, sino que hay que tener en cuenta asimismo las entalpías de formación de las distintas especies involucradas para tener un origen común de entalpías antes y des- pués de la reacción. Tal como se ha comentado en el capítulo 2, la entalpía total se obtiene, por tanto, como suma de la entalpía sensible y la entalpía de formación. Se recuerda que la entalpía sensible es consecuencia del nivel FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 125 de temperatura de la sustancia respecto de un valor de referencia estándar, mientras que la entalpía de formación representa la energía química de la sustancia, y se define como la energía requerida para formar una sustancia en el estado estándar a partir de sus elementos en ese mismo estado4. 3.7.1. Procesos estacionarios en sistemas abiertos En el caso de procesos de combustión estacionarios en sistemas abiertos cabe distinguir dos situaciones diferentes, según los productos de la com- bustión cedan o no energía térmica al entorno. En cada caso se hace referen- cia a las situaciones y los equipos concretos en que pueden aplicarse los conceptos que se exponen. 3.7.1.1. Procesos de combustión adiabáticos. Temperatura adiabática de la llama En el caso de que el proceso de combustión se realice de forma adiabá- tica en un sistema abierto la energía liberada en el proceso de combustión se empleará íntegramente en aumentar la energía sensible de los productos de la combustión, tal como se justifica a continuación. Se está considerando que el proceso de combustión tiene lugar en un sis- tema abierto en régimen estacionario, a presión básicamente constante, sin intercambio de trabajo ni de calor con el entorno. La ecuación de balance de energía basada en el Primer Principio de la Termodinámica aplicada entre la entrada (mezcla de los reactantes) y la salida (mezcla de los productos de la combustión), queda reducida a la siguiente expresión (ecuación [2.5] 5): hreactantes = hproductos [3.37] Teniendo en cuenta que los reactantes y los productos son mezclas de distintas especies y expresando las entalpías de los productos y de los reac- tantes por mol de especie, se tendrá: [3.38] 4 Se recuerda que se considera que el estado estándar es el correspondiente a 1 atm.y 25ºC. La entalpía sensible será nula si t=25ºC. 5 Se desprecian las variaciones de las energías cinética y potencial. MÁQUINAS TÉRMICAS 126 En este caso se han considerado las entalpías por mol de combustible, de forma que σi son los coeficientes estequiométricos de la reacción, que repre- sentan los moles de las distintas sustancias en la reacción de combustión por mol de combustible (por ejemplo, ver ecuación [3.1]). La entalpía de las diferentes especies, que se consideran gases ideales, incluye la entalpía de formación y se expresa: [3.39] Es importante recordar que por convenio la entalpía de formación de los elementos en su estado estable, que es el estado molecular, es nula. La ecuación [3.38] puede expresarse, por tanto, como: [3.40] Se ha considerado que los reactantes están a una temperatura T1 y que la temperatura final de los productos es T2 En el caso de que interesase expresar la ecuación de balance en función del calor específico de las distintas especies, teniendo en cuenta [2.34]: [3.41] La ecuación de balance [3.18] permite obtener, mediante un cálculo ite- rativo, el valor de la temperatura alcanzada por los productos para una deter- minada temperatura inicial de los reactantes, ya que se conocen los valores de los coeficientes estequiométricos, una vez ajustada la reacción, las ental- pías de formación de las especies se pueden consultar a partir de diversas fuentes (ver anexo IV) y las entalpías sensibles también están tabuladas en función de la temperatura (anexo IV). Se denomina temperatura adiabática de la llama a la temperatura de los productos de la combustión, suponiendo combustión completa6 y proceso adiabático. Dicha denominación obedece al hecho de que es precisamente 6 Quiere decir que se desprecian las reacciones de disociación, lo cuál no implica que la reacción sea estequiométrica, ya que puede ser que F ≠ Fe. Si se tiene en cuenta la posible disociación el valor es ligeramente diferente. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 127 ésta la temperatura de los productos de la combustión en la zona de reac- ción, como se detallará en el epígrafe 3.11. El valor de la temperatura adia- bática de la llama tiene gran importancia para el diseño de los equipos moto- res, ya que influye, por ejemplo, en el diseño de las zonas calientes de las cámaras de combustión y hogares para estimar la formación de ciertos con- taminantes, como los óxidos de nitrógeno, así como para determinar la tem- peratura de radiación de los productos de la combustión. La temperatura adiabática de la llama máxima es la que se alcanza cuan- do tiene lugar la combustión completa de una mezcla estequiométrica; para otros valores de dosado su valor será inferior. Hay que tener en cuenta que en la combustión incompleta se libera menor energía que en caso de la com- bustión completa estequiométrica, de forma que la temperatura de la llama será menor, debido a que las reacciones de disociación son endotérmicas y absorben parte de la energía liberada para formar compuestos de mayor energía química, como el CO. Por otra parte, si existe exceso de aire, parte de la energía liberada se emplea en incrementar la energía térmica del oxí- geno excedente, de forma que la temperatura adiabática de la llama será inferior. 3.7.1.2. Procesos de combustión con transmisión de calor a un segundo fluido caloportador La energía liberada en la reacción puede transmitirse desde los gases producto de la combustión al entorno, interviniendo los mecanismos de radiación, convección y conducción. Dicha energía se emplea, en ese caso, en aumentar el estado térmico de otro fluido que ve incrementada su ener- gía sensible incluso puede llegar a vaporizarse si se le aporta la energía tér- mica suficiente (calor latente de vaporización). Este sería el caso de las cal- deras, donde la energía liberada se transmite a través de las paredes internas del hogar donde tiene lugar la combustión y se emplea en calentar agua u otros fluidos térmicos, o bien el caso de los generadores de vapor, donde dicha energía se utiliza para producir el cambio de estado de un flui- do y generar vapor. Cabe destacar que en los motores de combustión exter- na la energíaliberada en el proceso de combustión se transmite a través de una pared al fluido de trabajo del ciclo, tal como se explica en los capítulos 1 y 10. MÁQUINAS TÉRMICAS 128 Es importante precisar que en estos equipos los gases producto de la combustión (humos) conservan parte de la energía liberada en el proceso, ya que su temperatura debe ser superior a la atmosférica (como mínimo 100 ºC) a la salida de la chimenea, tal como se justifica posteriormente en el capítulo 10. Teniendo en cuenta que también en este caso el proceso de combustión tiene lugar en un sistema abierto a presión constante en régimen estaciona- rio, no existiendo intercambio de trabajo con el exterior, la ecuación de balance de energía [2.14] permite obtener el calor que se transmite al segun- do fluido. Dicho calor, por mol de combustible, puede evaluarse por la siguiente expresión7: [3.42] Considerando positivo el calor que recibe el sistema, en la ecuación anterior q será negativo, por ser la reacción exotérmica. Por otra parte, las entalpías de formación tienen en la mayoría de los casos valores negativos, dado que las reacciones de formación de los compuestos son normalmente asimismo exotérmicas. Considerando también en este caso que reactantes y productos están a diferente temperatura, T1 y T2 respectivamente, se tendrá: [3.43] Es fácil intuir que el calor transmitido será mayor en valor absoluto a medida que disminuya la temperatura de los productos de la combustión. En el caso de que la temperatura final de los productos coincida con la de los reactantes, a la energía térmica extraída se la denomina calor de reac- ción: [3.44] 7 En general puede considerarse que todo el calor cedido por los gases de escape se emplea en incrementar la energía térmica del fluido caloportador, despreciándose las pérdidas de calor en el pro- ceso de transmisión de calor entre ambos fluidos. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 129 Poder calorífico inferior del combustible En el supuesto de que tanto los productos como los reactantes estén a la temperatura estándar (25ºC) se obtendrá el calor de reacción en condiciones estándar. Dado que en ese caso las entalpías sensibles de todas las especies son nulas, las entalpías de las distintas especies coincidirán con las de for- mación, y se tendrá la siguiente expresión: [3.45] El calor de reacción a condiciones estándar, pero con signo positivo, recibe el nombre de poder calorífico del combustible. El poder calorífico se denomina inferior cuando el agua formada en la combustión está en estado gaseoso y superior si se halla en estado líquido, habiendo cedido su calor latente de vaporización como parte del calor de reacción. En este texto se hará referencia, en general, al poder calorífico inferior. Este parámetro es especialmente útil cuando no se conoce la entalpía de formación del com- bustible, porque su composición no se ajusta a una fórmula química exacta, como se comprobará más adelante. 3.7.2. Procesos no estacionarios en sistemas cerrados El planteamiento es más complejo si el proceso no es estacionario, como ocurre en los motores de combustión interna alternativos, donde la combus- tión tiene lugar en un sistema cerrado. La presión y la temperatura del fluido en el interior de la cámara de combustión varían con el tiempo debido a la variación del volumen, por el desplazamiento del pistón y como consecuen- cia de la liberación de energía del combustible. Al aplicar el Primer Princi- pio de la Termodinámica entre los instantes inicial y final del proceso habrá que tener en cuenta que tiene lugar un intercambio de trabajo con el exterior y que durante el proceso de combustión se produce transmisión de calor al agua de refrigeración (ver capítulo 4), se tendría: [3.46] [3.47] MÁQUINAS TÉRMICAS 130 Es necesario resaltar que la ecuación [3.47] se está aplicando entre dos instantes de tiempo, mientras que la ecuación [3.42] se aplica entre la entra- da y la salida del sistema en un proceso estacionario. Teniendo en cuenta la expresión de la entalpía, en función de la entalpía sensible y la entalpía de formación, así como la ecuación de los gases idea- les, se tendrá: [3.48] A partir de la ecuación [3.48], para una reacción de combustión concreta y suponiendo que se conozca la temperatura de los reactivos (T1) y la de los productos (T2), se podría obtener, por ejemplo: — El calor extraído por mol de combustible, suponiendo que el proceso de combustión se desarrolla a volumen constante (w=0). — El trabajo desarrollado, suponiendo que el proceso es adiabático (q=0). En los siguientes ejemplos se van a ilustrar los conceptos expuestos en el presente epígrafe, obteniendo, para diferentes combustibles y situaciones, la energía liberada en el proceso de combustión y la temperatura adiabática de la llama o bien la temperatura de los productos de la combustión. EJEMPLO 3.3 En este ejemplo se llevará a cabo el cálculo de la energía que se libera en la reacción estequiométrica de combustión del metano para compararla con la liberada en la combustión del etanol, suponiendo, en ambos casos, que los reactantes se encuentran a la temperatura de referencia (25ºC) y que dicha energía se transmite al exterior a través de una pared, por ejemplo cediéndose a otro fluido, de forma que los productos de la combustión salen del equipo a la temperatura de referencia. En definitiva, se van a obtener y a comparar los poderes caloríficos de ambos combustibles. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 131 SOLUCIÓN: Recordando la ecuación de la reacción estequiométrica del metano [3.12]: [3.12] Dado que se especifica que la temperatura, tanto de los reactantes como la de los productos, es la estándar de referencia, las entalpías sensibles res- pecto de estado de referencia serán nulas y las entalpías de las especies, tanto de los reactantes como de los productos coincidirán con las entalpías de formación, que se obtendrán en la tabla correspondiente del anexo IV. El valor obtenido coincide con el poder calorífico inferior del combus- tible, ya que se ha utilizado el valor de la entalpía de formación del agua en estado gaseoso. Operando de igual modo en el caso del etanol: Se comprueba que el etanol tiene menor poder calorífico que el metano. EJEMPLO 3.4 En este ejemplo se va a analizar el caso de la combustión completa del propano (C3H8, Hc = 46.359,5 kJ / kg) en el supuesto de que los reactantes MÁQUINAS TÉRMICAS 132 se hallen a la temperatura de referencia. En concreto, se va a calcular el calor que se debe extraer para que los gases de escape salgan a una tempe- ratura de 127ºC, por ejemplo, en una caldera, donde la temperatura de los productos debe superar un valor mínimo, que depende del tipo de combus- tible, para evitar la corrosión ácida y garantizar el tiro. También se trata de comprobar que el calor transferido se reduce al aumentar la temperatura final de los productos; o dicho de otra forma, la temperatura de los productos de la combustión se va incrementando, en rela- ción con la de los reactantes, a medida que se reduce el calor que se extrae de los mismos. SOLUCIÓN: En primer lugar se ajusta la reacción para obtener los coeficientes este- quiométricos de las distintas especies que intervienen en la reacción: [3.50] A continuación, aplicando la ecuación [3.43] entre la entrada a la caldera (reactantes a temperatura T0) y la salida (productos a 127ºC), reordenando los términos para agrupar por un lado las entalpías de formación y por otro las entalpías sensibles, y sustituyendo los valores de las tablas, se obtiene: En el caso de que los productos se hallaran a la temperatura de referencia el calor de reacción habría sido –2.039.818 kJ/kmol (primer sumando en la ecuación anterior). Se comprueba, por tanto, que el calor extraído disminu- ye al aumentar la temperatura de los productos. Por otra parte, en el caso de que se desconociese la entalpía de formación del propano, se observa que el término entre llaves en la expresión anterior, que incluye las diferentes entalpíasde formación de las especies que inter- FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 133 vienen en la reacción8, puede expresarse en función del poder calorífico de combustible, tal como se justificaba en el ejemplo 3.3, de forma que: Se comprueba que, lógicamente, se obtiene el mismo resultado. Por tanto, se ha puesto de manifiesto que el poder calorífico del combustible puede uti- lizarse en el balance de energía para calcular el calor de reacción, sustituyen- do a las entalpías de formación. Hay que tener en cuenta que sólo se conocen las entalpías de formación de los combustibles puros y no se dispone de dicho dato cuando se trata de mezclas de hidrocarburos, como es lo habitual9. En ese caso es necesario basar el planteamiento en el dato del poder calorí- fico, como se ha mostrado en este ejemplo. EJEMPLO 3.5 A continuación se va a calcular la temperatura adiabática de la llama en el caso de la combustión estequiométrica del gasóleo, considerando que dicho combustible tiene una composición en masa de 87,4% en elemento carbono y 12,6% en elemento hidrógeno, siendo su peso molecular 197,7 kg/kmol. El poder calorífico inferior de este combustible es de 43.324,5 kJ/kg. Se considerará que los reactantes se hallan a la temperatura de referencia. SOLUCIÓN: A partir del peso molecular del combustible y de los pesos atómicos del carbono y del hidrógeno, se pueden obtener los valores α y β del combusti- ble. Se comprueba que se obtienen números no enteros para dichos coefi- cientes, dado que el combustible no corresponde a una formulación exacta, por estar constituido por una mezcla de hidrocarburos. 8 La entalpía de formación del nitrógeno molecular es cero, por ser éste el estado estable de dicho elemento. Lo mismo puede decirse del oxígeno molecular. 9 Por ejemplo, las gasolinas, los gasóleos, el gas natural, etc. son mezclas de hidrocarburos con diferente formulación química. MÁQUINAS TÉRMICAS 134 A partir de la formulación del combustible (C14,4H24,9) se pueden obtener tanto los moles de oxigeno que se precisan para la reacción de combustión estequiométrica, como de los moles de los productos de la combustión, todos ellos por mol de combustible, a partir de las ecuaciones [3.6] a [3.9]: [3.49] Dado que la reacción es adiabática y que los reactantes están a la tempe- ratura de referencia, la ecuación [3.43] resulta: La temperatura T de los productos debe obtenerse por iteración hasta conseguir que se cumpla la ecuación anterior. Las entalpías sensibles se obtienen de las tablas del anexo IV. Dado que no se conoce la entalpía de formación del gasóleo, se emplea el planteamiento basado en el poder calo- rífico del combustible: Para T = 2.400 K se obtiene: Para T = 2.500 K: Iterando, la temperatura adiabática de la llama resulta ser: T = 2458K = 2185 oC La temperatura adiabática de la llama suele estar comprendida entre 1.950ºC y 2.300ºC, dependiendo del combustible, de la temperatura inicial de los reactantes y del dosado de la mezcla, viéndose poco afectada por la pre- sión. En relación con el dosado, se comprueba que la temperatura adiabática de la llama es máxima en las proximidades del dosado estequiométrico. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 135 EJEMPLO 3.6 Se va a ajustar la reacción de combustión completa del queroseno, para el que se supone una formulación media C12H24, (Hc= 42.550 kJ/kg), supo- niendo que se introduce un exceso de aire de un 300%. Asimismo se calcu- lará la temperatura de los gases de combustión al abandonar la cámara de combustión. Para calcular la temperatura final de los productos de la combustión se planteará el balance de energía entre la entrada al equipo de los reactantes y la salida del equipo de los productos considerando el proceso adiabático. En dicho balance energético se tiene en cuenta todo el aire introducido, aunque, como ya se ha mencionado, una gran parte del mismo no participa en el pro- ceso de combustión y simplemente adquieren energía térmica de forma que la temperatura final de la mezcla es más reducida. Se suponen los reactantes a la temperatura de referencia. SOLUCIÓN: Se parte de la ecuación estequiométrica del combustible obtenida en el ejemplo 3.1, ecuación [3.14]: [3.14] Un exceso de aire del 300% implica un coeficiente de exceso de aire n = 4 y un dosado relativo de 0,25 calculado a partir de la expresión [3.17]. Teniendo en cuenta que para idéntica cantidad de combustible la rela- ción entre el aire real y el aire estequiométrico es precisamente el coeficien- te de exceso de aire, la reacción con exceso de aire será: [3.32] Los balances de números de átomos de carbono e hidrógeno quedan inal- terados por la introducción de un exceso de aire y el nitrógeno se ve afecta- do directamente por el coeficiente de exceso de aire, tal como se comprueba en la ecuación [3.32]. Para obtener el oxígeno presente en los productos de la combustión se utiliza la ecuación de balance de número de átomos correspondiente: MÁQUINAS TÉRMICAS 136 [3.33] A continuación se va a calcular la temperatura de los productos de la combustión al abandonar la cámara, teniendo en cuenta que se aplica la ecuación de balance de energía entre la entrada y la salida del equipo, de forma que el oxígeno que no interviene en la reacción de combustión pro- piamente dicha (ver, por ejemplo, epígrafe 3.12) absorberá, no obstante, parte de la energía liberada en el proceso de combustión incrementando su entalpía sensible. Como consecuencia de ello la temperatura final de los gases de combustión será inferior. Procediendo de forma análoga a los ejemplos anteriores y utilizando el poder calorífico del combustible, dado que no se conoce su entalpía de for- mación: Consultando las tablas para T = 1000 K, se obtiene: Iterando se obtiene finalmente la temperatura de los gases de combus- tión, que resulta ser aproximadamente: 949K = 676ºC. Se comprueba que los gases de combustión tienen una temperatura muy inferior a la temperatura adiabática de llama calculada en el ejemplo 3.5, aunque no es exactamente comparable por tratarse de otro combustible. No obstante, se puede concluir que el exceso de aire reduce notablemente la temperatura de los gases a la salida del equipo10. EJEMPLO 3.7 Se va a comparar la temperatura de rocío de los gases de la combustión estequiométrica del queroseno a la presión de 1 bar con la temperatura de FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 137 10 En la cámara de combustión de una turbina de gas los reactantes están a mayor presión y tem- peratura que los de referencia, con lo que se incrementará la temperatura de salida. rocío correspondiente a la combustión del queroseno con exceso de aire de 300% (ejemplo 3.6) y a la presión de 20 bar. Este último caso sería más típi- co de la combustión en turbinas de gas (capítulos 8 y 9). SOLUCIÓN: Hay que recordar que la temperatura de rocío de una mezcla de gases es la de saturación correspondiente a la presión parcial del vapor de agua en la mezcla. Dado que la presión parcial se calcula a partir de la fracción molar del vapor de agua en la mezcla de gases (ecuación [2.47]), y teniendo en cuenta la reacción estequiométrica del queroseno, ecuación [3.32], se tendrá: Consultando el diagrama de Mollier, se comprueba que la temperatura de rocío, en este caso, resulta ser 51,2 ºC. Si los gases de la combustión este- quiométrica del queroseno alcanzan una temperatura inferior a dicho valor, a la presión de 1 bar, se condensarán. Realizando un cálculo similar en el caso del ejemplo 3.6 (exceso de aire del 300%) y teniendo en cuenta que la presión de los gases es de 20 bar (valor que puede perfectamente corresponder al caso de una cámara de com- bustión de una turbina de gas), se tendrá: Consultando el diagrama de Mollier, se comprueba que la temperatura de rocío, en este caso, resulta ser 89,5ºC, por tanto, muy superior al caso anterior. 3.8. RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN En primer lugar, a la vista de lo estudiado hasta el momento, se puede afirmar que se producirá el máximo aprovechamiento de la energíaprimaria contenida en el combustible cuando se logre la combustión completa del mismo en una reacción estequiométrica. Por tanto, la pérdida de rendimien- MÁQUINAS TÉRMICAS 138 to del proceso de combustión está asociada a la combustión incompleta, dado que la aparición de monóxido de carbono, hidrocarburos sin quemar, partículas de carbón, etc., ya sea por defecto de oxígeno o por disociación, supone una disminución del calor liberado. La introducción de aire en exce- so disminuye la temperatura de los productos y con ello el nivel exergético de los mismos. De cara a definir el rendimiento de los equipos donde se realiza el pro- ceso de combustión cabe distinguir entre: (a) dispositivos en los que tiene lugar transmisión de calor desde el fluido en cuyo seno se produce la com- bustión hacia un fluido caloportador y (b) dispositivos en los que no hay transferencia de calor, distinción que se realizaba también en el epígrafe 3.4. El rendimiento de la combustión establece el cociente entre la energía aprovechada y la energía teórica obtenible. (a) Existe transmisión de calor a un segundo fluido caloportador Este es el caso de las calderas y los generadores de vapor, ya sean equi- pos empleados en procesos de calentamiento o bien integrados en los moto- res de combustión externa. El rendimiento de estos equipos puede definirse a través de la siguiente relación: [3.70] El rendimiento anterior incluye las pérdidas debidas a la entalpía sensi- ble de los gases de la combustión (humos) que abandonan el equipo por la chimenea11, las pérdidas por la energía química asociada a los humos debido a la combustión incompleta y las posibles pérdidas de calor al entorno12. b) La combustión se realiza en el seno del propio fluido de trabajo En este caso (cámaras de combustión) en la definición de rendimiento se incluyen las pérdidas por combustión incompleta y pérdidas de calor al entorno. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 139 11 Los humos tienen que tener un cierto nivel de temperatura para garantizar el tiro y evitar la con- densación de ácidos. 12 El calor que absorbe el fluido caloportador es inferior al cedido por los gases de la combustión si existen pérdidas de calor. El rendimiento puede definirse a través de relaciones como las siguien- tes13: [3.71] [3.72] 3.9. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE COMBUSTIÓN Los procesos de combustión se pueden clasificar teniendo en cuenta diferentes aspectos como, por ejemplo: Dependiendo de cómo se inicie el proceso: — Autoinflamación — Encendido provocado Dependiendo de si los reactantes están previamente mezclados — Llamas de premezcla — Llamas de difusión Cabe puntualizar que para que se produzca el proceso de combustión es necesario que los reactantes se encuentren mezclados en una proporción que se halle dentro de los límites de inflamabilidad mencionados anteriormente. No obstante, tal como se detallará en el epígrafe 3.12 el proceso de mezcla puede producirse prácticamente en simultáneo al de combustión. A su vez, dentro de las llamas de premezcla, dependiendo de si la velo- cidad de propagación es menor o es mayor a la del sonido, se distinguirá entre: – Deflagraciones (velocidad subsónica) – Detonaciones (velocidad supersónica) MÁQUINAS TÉRMICAS 140 13 Las entalpías incluidas en esta definición son entalpías sensibles. A continuación se van a describir los tipos de combustión mencionados, destacando los factores fundamentales que controlan el proceso en cada caso. 3.10. AUTOINFLAMACIÓN DE LA MEZCLA AIRE-COMBUSTIBLE Una mezcla homogénea de combustible y oxidante cuyo dosado esté dentro de los límites de inflamabilidad tiene muy poca reactividad en con- diciones ambientales de presión y temperatura, de forma que las posibles reacciones de oxidación que pueden producirse entre los reactantes tienen lugar a un ritmo muy lento, no habiendo posibilidad de que tenga lugar en su seno un proceso de combustión como tal, que como se define en 3.1 es una reacción rápida y fuertemente exotérmica. Sin embargo, teniendo en cuenta la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción, comentada en el epígrafe 3.5.1, se intuye que si se elevan las condiciones de presión y temperatura llegará un momento en el que un suficiente número de moléculas tendrán una energía superior a la de activación, llegándose a producir una reacción de combustión entre el combustible y el oxidante. Es importante precisar que existen límites de autoinflamación específi- cos para cada mezcla de combustible y oxidante. Los límites de autoinfla- mación se establecen por medio del conjunto de las parejas de valores (pre- sión, temperatura) que separan la región donde no es posible la autoinflamación de la mezcla, de aquella en la cuál las condiciones reinantes de presión y temperatura pueden conducir a la autoinflamación si se man- tienen durante un tiempo suficiente, denominado tiempo de retraso (figu- ra 3.1). Hay que tener en cuenta que en la zona comprendida dentro de los límites de autoinflamación el tiempo de retraso se reduce a medida que aumenta la presión y la temperatura, ya que dicho retraso está asociado al mecanismo de reacción, de tal forma que se podría decir que el tiempo de retraso es el requerido para que tengan lugar las reacciones iniciales de for- mación de radicales, que son las precursoras de la reacción de combustión. Los límites de autoinflamación o autoencendido son diferentes para cada combustible y, en general, al aumentar el peso molecular de éste, aumenta la tendencia a la autoinflamación de la mezcla, como se explica en el capítulo 6, es decir, se requieren valores menos elevados de presión y temperatura para que sea factible la autoinflamación, lo que se pretende poner de mani- fiesto en la figura 3.1. Por otra parte, dentro de la zona de autoinflamación el FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 141 tiempo de retraso depende de forma acusada de la temperatura, mientras que a partir de cierto nivel de presión, se hace independiente de este parámetro. Si la temperatura de la mezcla alcanza el valor de la temperatura adiabática de la llama el tiempo de retraso puede considerarse despreciable. Figura 3.1. Límites de Autoinflamación. En el caso de que las condiciones termodinámicas sean homogéneas en la mezcla de reactantes, la autoinflamación conduce a una combustión gene- ralizada (explosión), produciéndose en consecuencia la liberación de la energía química de forma simultánea de todo el combustible presente en la mezcla homogénea, lo que puede provocar, en el caso de sistemas de com- bustión de volumen constante, incrementos de la presión excesivamente bruscos que pueden dañar el equipo. Esta forma de iniciar el proceso de combustión es característica de los motores de combustión interna alternativos de encendido por compresión (diesel), siendo, sin embargo, no deseable en el caso de los motores denomi- nados de encendido provocado, como se explicará en detalle en el capítulo 6. Cuando se desea que la liberación de energía tenga lugar en una deter- minada localización, de forma controlada y progresiva, iniciándose en un determinado instante, se recurre a provocar el encendido mediante la apor- tación de energía a través de una fuente externa, con el fin de conseguir las condiciones apropiadas para que se inicie y sustente el proceso de combus- MÁQUINAS TÉRMICAS 142 tión en un volumen reducido de mezcla. En ese caso se crea un frente reac- tivo, cuya velocidad y mecanismo de propagación se analiza en los siguien- tes epígrafes. 3.11. LLAMAS DE PREMEZCLA Se refiere al caso en el que los reactantes están previamente mezclados de forma homogénea. La combustión se inicia por un agente externo y se forma una llama o frente reactivo que separa la zona en la que se encuentran los reactantes de la zona en la que se hallan los productos de la combustión. Dicha llama se propaga a cierta velocidad relativa a la mezcla fresca y es muy importante analizar cuál es el mecanismo por el cuál progresa la llama y, en consecuencia, de que factoresdepende la velocidad de combustión, ya que ello tiene gran repercusión en el diseño de los equipos donde tiene lugar este proceso (cierto tipo de cámaras de combustión y motores de combus- tión interna alternativos), como se tendrá ocasión de analizar en posteriores capítulos. Hay que distinguir dos situaciones muy diferentes, dependiendo, básica- mente, de cómo se provoca el encendido de la mezcla de reactantes. En el caso de que se provoque el encendido, como es más usual, mediante una chispa eléctrica, se produce un tipo de combustión de llama de premezcla al que se denomina deflagración en el que la velocidad de propagación del frente reactivo es subsónica. Se trata de una combustión localizada con dis- continuidad de temperatura, pero los reactantes y los productos se mantie- nen a idéntica presión, es decir, la presión es uniforme en la cámara. Sin embargo, si se provoca el encendido, por ejemplo, mediante una carga explosiva en una determinada localización, se inicia un tipo de combustión al que se denomina detonación que se propaga a velocidad supersónica, estableciéndose una discontinuidad de presión en el campo fluido. 3.11.1. Deflagración Cabe resaltar que este tipo de combustión es el que tiene lugar, por ejem- plo, en los motores de combustión interna alternativos de encendido provo- cado, que se estudian en los capítulos 5 y 6. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 143 Figura 3.2. Estructura del frente de llama en una deflagración. Se han planteado diversas teorías sobre el mecanismo de propagación del frente reactivo en este tipo de combustión. La más aceptada actualmente es la teoría híbrida que considera que los fenómenos de transporte de calor y especies químicas (fundamentalmente radicales activos), juegan un papel fundamental en el mecanismo de propagación de la combustión junto con la propia reacción química. Por tanto, la velocidad a la que se desarrolla la combustión no sólo depende de la velocidad de las reacciones químicas sino también de la velocidad a la que se producen los procesos de transporte. Teniendo esto en cuenta, se describe un frente reactivo o llama en el que se pueden diferenciar dos zonas: una zona en la que la mezcla fresca va modificando progresivamente su estado hasta que se alcanzan las condicio- nes bajo las cuales se activa la reacción de combustión y otra zona de com- bustión en la que tiene lugar la reacción química propiamente dicha. Tal como se destaca en el epígrafe 3.5 para que la reacción química de com- bustión tenga lugar, es necesario que la mezcla de los reactantes alcance una temperatura elevada, muy próxima a la temperatura adiabática de la llama, dado que hasta que la temperatura no supera dicho valor la velocidad de reac- ción es muy baja. Deben iniciarse ciertas prerreacciones que forman parte del complejo mecanismo de combustión para formar ciertos radicales activos que son precursores de la reacción fuertemente exotérmica de combustión. En la figura 3.2 se representa la estructura del frente reactivo. Se distin- gue la zona de precalentamiento a la que también se suele denominar con- MÁQUINAS TÉRMICAS 144 vectiva-difusiva, donde hay transmisión de calor, fundamentalmente por conducción debido al gradiente de temperaturas, y en la que tienen lugar pocas reacciones químicas. La temperatura crece inicialmente a un ritmo lento en dicha zona y la concentración de reactantes se reduce de forma moderada, apareciendo cierta concentración de productos por difusión. Obviamente, el frente reactivo incluye, asimismo, una zona de combustión o reactivo-difusiva, más estrecha, en que la que se produce la liberación de la energía química del combustible. La figura 3.3 trata de mostrar la propagación del frente en relación a la mez- cla fresca. Para ello, se representa la posición de la discontinuidad de la tem- peratura en cuatro instantes diferentes que se suceden en el tiempo. El punto P corresponde a una situación fija en la cámara de combustión. Una porción de fluido en dicha localización se hallará a la temperatura de la mezcla fresca (Tsq) en el instante t1, posteriormente se irá calentando y se modificará su composi- ción debido a las prerreacciones y al transporte de radicales hasta esa locali - zación, de forma que, por ejemplo, en el instante t2 se habrá alcanzado una temperatura intermedia Ti. Llega un momento en el que se alcanzan las condi- ciones óptimas para que se produzca en ese punto la reacción de combustión (temperatura próxima a la adiabática de la llama), disminuyendo de forma drástica la fracción másica de los reactantes a la vez que aumenta la fracción de los productos de la combustión (instante t3). Finalmente, el instante t4 corresponde a una situación en la que dicho punto se halla en la zona de pro- ductos. De esta manera se observa que el frente de llama se va desplazando, hacia la izquierda en este caso, considerando los reactantes en reposo. Si la mezcla de reactantes está en movimiento, la velocidad de desplaza- miento respecto a un observador fijo en tierra puede ser distinta de la velo- cidad característica de combustión, ya sea mayor (caso de los motores debi- do a la dilatación de los gases quemados), menor o incluso nula, si la mezcla fresca tiene un movimiento en sentido contrario que contrarresta la veloci- dad de propagación del frente, permaneciendo la llama en una posición esta- cionaria determinada. Una vez provocada la ignición inicial, la llama se automantiene porque el calor liberado en el frente reactivo se transmite por conducción aguas arriba del mismo elevando la temperatura de la mezcla de reactantes, lo que da lugar a un aumento de la velocidad de reacción, provocando finalmente su combustión. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 145 Figura 3.3. Propagación del frente de llama. Teniendo en cuenta las consideraciones hechas hasta el momento en el capítulo, se puede concluir lo siguiente: — A mayor temperatura de los reactantes mayor velocidad de reacción y mayor temperatura de los productos, luego mayor velocidad de combustión. Esta relación no es lineal sino exponencial de manera que este parámetro tiene una influencia muy importante. — El dosado influye en la temperatura adiabática de la llama y ésta en la velocidad de reacción. Por tanto, la velocidad de combustión será máxi- ma en el caso de que el dosado sea aproximadamente estequiométrico. Por otra parte, si el dosado no está dentro de los límites de inflamabili- dad no hay posibilidad de que se propague el frente reactivo. — El tipo de combustible influye en la velocidad de combustión, si bien algunos hidrocarburos tienen velocidades muy similares. Este hecho está relacionado con el valor de la difusividad térmica de la mezcla de reactantes, que puede variar significativamente con el combusti- ble empleado. En general, los combustibles con pesos moleculares más altos y formulaciones más ramificadas tienen asociadas menores velocidades de combustión. Se puede concluir que la velocidad de la llama, o velocidad de combus- tión, es mayor cuanto mejor sea la transmisión de calor y más rápidas sean las reacciones químicas. Deflagración laminar En este caso el frente reactivo tiene un aspecto liso y su espesor es redu- cido. La llama será más delgada cuanto mayor sea la velocidad de la reac- MÁQUINAS TÉRMICAS 146 ción química, que a su vez depende de la composición de la mezcla fresca, de la presión y de la temperatura. En condiciones laminares la velocidad de la llama relativa a la mezcla sin quemar, a la que se denomina velocidad de combustión está comprendi- da, aproximadamente, en el rango: 0,4 m/s - 5 m/s. Deflagración turbulenta En condiciones turbulentas se observa una modificación importante en la estructura del frente de llama, que abarca una zona más amplia, dado que fragmentos de mezcla sin quemar se introducen por efecto de la turbulencia en la zona de reacción en la que coexisten con los productos quemados (ver figura 6.8, capítulo 6). La turbulencia incrementa las difusividades térmica y másica de la mez- claaumentando los fenómenos de transporte. Como consecuencia de ello se produce un aumento de la velocidad de combustión que alcanza valores varias veces superiores al correspondiente valor laminar Por otra parte, los torbellinos de mayor tamaño son los responsables de la distorsión del frente, aumentando el área efectiva del mismo. Ello conlle- va un incremento del ritmo de combustión que depende tanto de la veloci- dad como del área del frente de llama (ecuación [3.70]). [3.73] 3.11.2. Detonación Es importante no confundir este tipo de combustión con el fenómeno indeseable que puede tener lugar en los motores de combustión interna alternativos de encendido provocado, al que en la terminología de motores alternativos se da idéntica denominación (ver capítulo 6). En la figura 3.4 se representa la estructura del frente reactivo en este tipo de combustión, suponiendo que la detonación es unidimensional. Se obser- va una zona de pequeño espesor, que es precisamente la onda de choque, donde aumenta bruscamente la presión y en cierta medida la temperatura. Dicha onda de choque se mueve a la velocidad del sonido (en este caso FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 147 hacia la izquierda) y está seguida por de una zona reactiva de mucho mayor espesor que es donde principalmente se produce la liberación de energía del proceso de combustión. Dentro de la zona reactiva se pueden distinguir a su vez dos zonas: zona de inducción y una zona de reacción La temperatura sube suavemente en la primera y de forma más considerable en la segunda, ya que es en ésta donde tienen lugar las reacciones principalmente. Figura 3.4. Estructura del frente reactivo en una detonación. Este tipo de combustión se automantiene porque la onda de choque que se desplaza delante del frente reactivo eleva la presión y la temperatura de mezcla, propiciando el comienzo de la combustión de la mezcla sin quemar por incremento de la velocidad de reacción. Por otra parte, la onda de cho- que se mantiene por la energía liberada en el proceso de combustión. 3.12. LLAMAS DE DIFUSIÓN En este tipo de combustión los reactantes no están mezclados inicial- mente de forma homogénea, por lo que se debe producir en primer lugar un proceso de difusión de masa y formación de mezcla, previo al proceso de combustión como tal. Este proceso será el que controle fundamentalmente el desarrollo de la combustión en este caso. MÁQUINAS TÉRMICAS 148 Cabe destacar como ejemplos, la combustión de una vela y el proceso de combustión en cámaras, en las que se inyecta el combustible en el hogar mediante un inyector (cámaras de combustión de turbinas de gas, capítulo 9). Es importante resaltar que en las llamas de difusión la combustión se ini- cia, asimismo, mediante un agente externo, salvo en el caso de los motores de encendido por compresión (capítulo 6). 3.12.1. Llamas de difusión con combustible gaseoso Ya se ha mencionado repetidamente a lo largo del capítulo que para que tenga lugar la reacción de combustión tienen que cumplirse una serie de requisitos; en concreto, debe existir una mezcla de reactantes en proporcio- nes adecuadas y la temperatura de dicha mezcla tiene que ser alta para que la velocidad de reacción sea elevada. Al igual que en caso de las llamas de premezcla, es de gran importancia el ritmo con el que se produce la transferencia de calor, para que la temperatura de los reactantes llegue a ser la adecuada. No obstante, en este tipo de com- bustión es fundamental que se produzca una elevada velocidad de difusión de los reactantes, para garantizar que la proporción combustible-aire llegue a alcanzar el valor estequiométrico en alguna localización. Es precisamente el proceso de difusión el que controla la combustión en este caso, por ser más lento que los procesos de transmisión de calor y de reacción química. La combustión estará en este caso muy influenciada por la velocidad de difusión (Ley de Fick) siendo importante recordar que el coeficiente de difusión molecular depende de manera importante de la temperatura y es inversamente proporcional a la presión. En la figura 3.5 se representa la estructura del frente reactivo, que englo- ba las zonas en la que se produce la difusión del combustible en el aire y viceversa, y está caracterizada por el perfil de la temperatura y la variación de la las concentraciones de las distintas especies involucradas. Se ha supues- to que el combustible se introduce en el seno de aire en la dirección de eje y en el punto de coordenada x = 0. La difusión del combustible en el aire se realiza básicamente en sentido radial14 (coordenada x), de forma que a cierta FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 149 14 Salvo en la punta del chorro de combustible. distancia del eje del chorro de combustible, a ambos lados del mismo, se establece una zona en la que el dosado es estequiométrico. En esa localiza- ción estará situada la llama y, en consecuencia, la liberación de la energía del combustible. La reacción química es muy rápida, de forma que la llama es una zona muy estrecha y en la figura se ha despreciado su espesor. En la zona central del chorro de combustible, la concentración de éste es cercana a la unidad, si bien se encuentra cierta cantidad de nitrógeno procedente del aire, así como pequeñas proporciones de productos de la combustión (CO2, H2O, N2...) que penetran en dicha zona por difusión. Por otra parte, en las zonas exteriores, suficientemente alejadas del chorro de combustible, se encuentra básicamente aire, siendo las proporciones de oxígeno y de nitrógeno las características de este medio (21% y 79% en volumen, respectivamente). No obstante, puede existir cierta presencia de productos de la combustión, fun- damentalmente CO2, H2O, debido a la difusión de estas especies. En la dos posiciones en las que se localiza la llama se observa que se consume tanto el oxígeno (la concentración tiende a cero desde la zona exterior), como el com- bustible (la concentración tiende a cero a partir del valor máximo correspon- diente al eje del chorro)15. Por otra parte, las concentraciones de las diferentes especies producto de la combustión alcanzan los máximos valores en la superficie de la llama, donde se localiza la reacción de combustión. Es importante insistir en que la llama se sitúa precisamente donde la pro- porción entre el combustible y el oxígeno se ajusta a la relación estequiomé- trica, de forma que la llama se podría definir como el lugar geométrico de los puntos del hogar en los que el dosado relativo es la unidad. Por otra parte, es interesante destacar que la temperatura en esa zona alcanza preci- samente el valor al que se ha denominado anteriormente temperatura adia- bática de la llama. En este tipo de combustión la llama no se propaga, de manera que no tiene sentido hablar de velocidad de la llama, parámetro que, sin embargo, tenía gran importancia en el caso de llamas de premezcla de cara al diseño de los equipos. En este caso será, no obstante, muy importante llegar a cono- cer la geometría de la llama, su longitud y su forma, porque afecta al diseño de los hogares en cuyo interior tiene lugar la combustión. MÁQUINAS TÉRMICAS 150 15 Las líneas que representan las fracciones molares de combustible y oxígeno se interrumpen en las proximidades de la llama para indicar que realmente existe una zona de reacción, aunque muy estre- cha, donde los reactantes se consumen debido a la reacción de combustión, dando lugar a los pro ductos. Figura 3.5. Frente reactivo de las llamas de difusión. Cuando se favorece la formación de la mezcla del combustible con el aire, introduciendo, por ejemplo, el aire de combustión en el interior de la cámara en forma de torbellino, se logra aumentar el área de contacto aire- combustible, ya que porciones de aire se situarán en la zona de combustible. De esta forma se logra incrementar el ritmo de combustión, de manera simi- lar a lo comentado en el caso de llama de premezcla turbulenta, en cualquier caso se mantiene el mecanismo descrito de llama de difusión a nivellocal. Es importante aclarar que, en contra de lo que pudiera parecer, la com- bustión en cocinas de gas, mecheros Bunsen y calentadores de gas para cale- facción y/o agua caliente sanitaria es, en principio, llama de premezcla y no de difusión. En estas aplicaciones, para mejorar el proceso de combustión y evitar la formación de inquemados, se propicia la formación previa de una mezcla de aire y combustible a partir del aire primario que se introduce en el quemador debido a la depresión que se crea en el venturi del inyector de combustible, si bien puede haber asimismo aporte de oxígeno por difusión a partir del aire que rodea la llama. De esta forma se consigue que la com- bustión sea completa, dando lugar a una llama de color azul. No obstante, en estas aplicaciones se podría trabajar sin premezcla de aire inicial, en cuyo caso el oxígeno para la combustión se obtendría exclusivamente del aire cir- FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 151 cundante por difusión. Sin embargo, se comprueba que en ese caso la llama tiene un contorno más distorsionado y alargado y se producen inquemados, por lo que la llama tiene un color rojizo amarillento. 3.12.2. Llamas de difusión con combustible líquido Conviene realizar alguna puntualización sobre cómo se lleva a cabo el proceso de combustión en el caso de un combustible líquido. El combustible se introduce a presión a través de un inyector a elevada presión (hasta 2.000 bar) de forma que el chorro de combustible, que pene- tra inicialmente en la cámara en estado líquido, a corta distancia del inyector se atomiza en gotas de distinto tamaño. El tamaño medio de las gotas, carac- terizado por el denominado diámetro medio de Sauter, depende fundamen- talmente de los siguientes factores: — Presión de inyección; a mayor presión menor diámetro de las gotas. — Densidad del combustible; a mayor densidad mayor diámetro. Una vez formada la gota comienza la vaporización de la misma, favore- cida por la alta temperatura reinante debido a la transferencia de calor desde la llama, ya que, en general, se está produciendo simultáneamente el proce- so de combustión. La velocidad de evaporación depende, entre otros factores, del diámetro de la gota (dg ↑ ve ↓), de la densidad y del calor específico del combustible, así como del gradiente de temperaturas (ΔT ↑ ve ↓). Dicha velocidad tam- bién aumenta si se incrementa la velocidad relativa entre la gota y el aire cir- cundante, dado que se aumenta la transmisión de calor por convección. La llama se sitúa en torno a las gotas individuales de combustible, alre- dedor de las cuales se halla el combustible vaporizado, si bien, puede haber frentes de llama que envuelvan a grupos de gotas. Resulta ilustrativo analizar cómo se quema una gota aislada, basándose en el esquema simple representado en la figura 3.6. Puede observarse la zona de combustible en estado gaseoso en torno a la gota líquida y cómo la llama se sitúa a una cierta distancia de su superficie (rLL – dg/2), precisa- mente donde el dosado de la mezcla de los reactantes es el estequiométrico MÁQUINAS TÉRMICAS 152 (la mezcla del combustible y el aire se produce por difusión molecular de forma análoga a la descrita en el epígrafe anterior). Figura 3.6. Proceso de combustión de una gota de combustible líquido. En la llama, que debido a su reducido espesor se representa mediante un círculo, la fracción molar de los productos de la combustión alcanza su valor máximo16, disminuyendo a ambos lados a medida que aumenta la distancia al frente de llama debido a la difusión. Las fracciones molares tanto de oxí- geno, por el lado exterior, como del combustible, por el interior, se reducen debido a la difusión de los productos quemados hasta hacerse cero en la superficie de la llama. La temperatura alcanza su máximo valor precisamen- te en la llama, dado que la liberación de energía tiene lugar en dicha locali- zación, y el entorno se calienta por transmisión de calor. En la zona del com- bustible, la energía requerida para la vaporización del mismo actúa de sumidero, por lo que la temperatura desciende; en la zona de aire hay que tener en cuenta que se está produciendo una aportación continua de aire exterior para la combustión a temperatura inferior, lo que justifica el perfil de la temperatura. 16 La suma de las fracciones molares es igual a la unidad, de forma que: Yprod + YN2 + YO2 + Yfuel = 1 FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN 153 Hay que resaltar que el proceso de difusión combustible vaporizado - aire limita más el ritmo de combustión que el proceso de vaporización del combustible. La llama va reduciendo su diámetro a medida que se consume el com- bustible y disminuye el diámetro de la gota. Finalmente se apaga por falta de uno de los reactantes. 3.12.3. Llamas de difusión con combustible sólido Este apartado se refiere a la combustión en concreto del carbón. Se trata de una reacción heterogénea dado que el combustible está en fase sólida y el comburente en fase gaseosa. En este caso la velocidad de combustión depende de la superficie de contacto entre las dos fases, de lo que se deduce la necesidad de pulverizar el carbón, como paso previo, para conseguir que la superficie de la fase sólida sea muy elevada. Por otra parte, hay que tener en cuenta que la partícula de carbón es porosa, de manera que la superficie involucrada en el proceso se incrementa notablemente. El combustible sólido siempre tiene un cierto contenido de materia volá- til, de manera que lo primero que tiene lugar en el interior de la caldera es la descomposición del carbón, por efecto de la temperatura, produciéndose la separación de la parte volátil de la sólida, a la que se denomina char. En primer lugar tendrá lugar la combustión de los componentes volátiles del carbón y finalmente la combustión del char. La combustión de la parte volátil, que se desprende rodeando a la partícula de carbón, se lleva a cabo de forma similar al caso de la gota de líquido que se evapora gradualmente. Cuando finaliza la combustión de los volátiles, la llama se sitúa en la super- ficie de la partícula de char. Durante el proceso de combustión del char se forma CO y posteriormente tiene lugar la oxidación del CO a CO2 en fase gaseosa en la zona de reacción que se sitúa prácticamente en la superficie de la partícula de carbón, tanto exterior como interior, debido a la porosidad de la misma. MÁQUINAS TÉRMICAS 154 Capítulo 4 Combustibles empleados en sistemas y motores térmicos 4.1. Introducción 4.2. Clasificación de los combustibles 4.2.1. Clasificación de los combustibles atendiendo a su origen 4.2.2. Clasificación de los combustibles atendiendo a su estado físico 4.2.3. Clasificación de los combustibles atendiendo a su carácter renovable o no 4.2.4. Otras clasificaciones 4.3. Combustibles de origen fósil. Características y aplicaciones 4.3.1. El carbón 4.3.2. Combustibles derivados del petróleo 4.3.3. Gas natural 4.4. Combustibles alternativos o de sustitución. Características y aplicaciones 4.5. Propiedades de los combustibles 4.5.1. Propiedades relacionadas con la composición del combustible 4.5.2. Propiedades físicas del combustible 4.5.3. Propiedades químicas del combustible 4.5.4. Comportamiento del combustible en relación con la combustión 4.5.5. Propiedades más importantes de los principales com- bustibles 155 OBJETIVOS FUNDAMENTALES DEL CAPÍTULO � Repasar qué es un combustible, saber qué combustibles han sido his- tóricamente empleados y por qué y cuáles son las tendencias en el empleo y producción de combustibles. � Saber clasificar, dependiendo de las características de cada uno de ellos, los distintos tipos de combustibles atendiendo a distintos crite- rios: — Origen del combustible. — Estado físico del combustible. — Carácter renovable o no renovable. — Elaboración natural o sintética. — Composición del combustible. � Estudiar los combustibles de origen fósil: — El carbón: distintos tipos de carbones, propiedades, usos, tipos de combustión u emisiones contaminantes.— El petróleo: estudiar los distintos combustibles derivados del petróleo, sus campos de aplicación, su combustión y las emisiones contaminantes de cada uno de ellos. — El gas natural: conocer las principales características del gas natu- ral y su empleo. � Estudiar los combustibles alternativos o de sustitución: — Saber qué es un combustible alternativo o de sustitución y qué ventajas pueden tener frente a los combustibles convencionales. 157 — Estudiar los principales combustibles alternativos, los principales biocombustibles y el hidrógeno: procedencia, proceso de produc- ción, aplicaciones y principales ventajas e inconvenientes. � Conocer las principales características de los combustibles. Distinguir qué propiedades son importantes según el tipo de aplicación en la que se vaya a emplear el combustible y según el tipo de combustión. 4.1. INTRODUCCIÓN En el ámbito de las máquinas y motores térmicos, se define como com- bustible a aquella sustancia que reacciona con oxígeno dando lugar a una reacción de combustión, en la que se pone en juego gran cantidad de energía en forma de calor. Por lo general, los combustibles suelen ser sustancias con alto contenido en carbono y/o hidrógeno. Existe una gran variedad de com- bustibles que han sido empleados con mayor o menor intensificación en las distintas épocas del desarrollo de la humanidad. El preciado valor de los combustibles, sobre todo a raíz del desarrollo de la industria tal y como la conocemos en la actualidad, es debido, precisamente, a su naturaleza de fuente de energía. Los primeros combustibles empleados fueron aquellos que se encontra- ban y se recogían fácilmente en la naturaleza: la madera, los aceites, las sus- tancias bituminosas y los alquitranes. Desde que comenzó el desarrollo industrial en el siglo XIX, el combustible más empleado fue el carbón. Pos- teriormente, con el desarrollo de la petroquímica y el descubrimiento de yaci- mientos, los combustibles más ampliamente empleados hasta la actualidad han pasado a ser, además del carbón, los derivados del petróleo y el gas natu- ral. Todos los combustibles mencionados se fueron imponiendo los unos a los otros por diversas razones, entre las que han destacado históricamente las económicas, la disponibilidad de los recursos naturales, la facilidad de sumi- nistro y la calidad del combustible, razones que han contribuido al gran des- arrollo tecnológico experimentado desde el desarrollo industrial. Estos últi- mos combustibles mencionados (carbón, derivados del petróleo y gas natural), sus propiedades y sus aplicaciones se estudian en el apartado 4.3. El estado de bienestar de la sociedad está ligado al consumo de energía, que aumenta en el tiempo con un crecimiento acelerado. Este aumento del MÁQUINAS TÉRMICAS 158 consumo energético conlleva una importante demanda de combustible, lo que se constituye como el origen de problemas de distinta índole; por un lado, el carbón, el petróleo y el gas natural son recursos naturales limitados, por lo que existen problemas de agotamiento de las reservas. Por otro lado, al ser la base de los combustibles el carbono, en su combustión se forma CO2 (gas que contribuye al efecto invernadero y, por tanto, su proporción en la atmósfera influye sobre el clima del planeta). Un tercer problema se deri- va de la emisión de contaminantes, bien debidas a la propia naturaleza de la combustión (óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, hidrocarburos o partículas) o bien debido a la composición, a impurezas y los aditivos del combustible (óxidos de azufre, compuestos metálicos, cenizas o escorias, entre otros), que afectan a la calidad del aire, la generación de residuos y al deterioro del medioambiente. Por último la concentración de los recursos naturales se halla en determinadas zonas del planeta, por lo que se pueden generar conflictos de naturaleza política y económica —debido a la alta dependencia y falta de autoabastecimiento de algunos países—. Por todas las razones anteriores, en la actualidad ya se están empleando fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles, por lo general de carácter renovable, apareciendo también entre ellas nuevos combustibles, con los que se pretende diversificar y sustituir progresivamente las fuentes de ener- gía tradicionales. Estos nuevos combustibles presentan una serie de caracte- rísticas adicionales a las anteriormente enumeradas (económicas, calidad del combustible, suministro…) que se deben tener en cuenta, como son la naturaleza renovable o no renovable del mismo, la potencialidad de emisio- nes contaminantes y la potencialidad de autoabastecimiento. Éstos, llama- dos combustibles alternativos (a los de origen fósil) o de sustitución proce- den, en su mayoría, de materia orgánica1, y son estudiados en el epígrafe 4.4 así como sus propiedades y sus aplicaciones. 4.2. CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES Se pueden hacer diversas clasificaciones de los combustibles atendien- do a distintos criterios. En este epígrafe, las clasificaciones se van a realizar 1 Los combustibles de origen fósil también proceden de materia orgánica, pero su formación tuvo lugar hace millones de años sin intervención humana. COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 159 en función de su origen, de su estado físico, de su composición, de su carácter renovable o no y de su elaboración natural o sintética. Las más comúnmente empleadas son: la clasificación atendiendo al origen del com- bustible —la procedencia de los combustibles ha marcado la evolución de la tecnología—, la clasificación atendiendo a su estado físico —por las implicaciones que éste tiene sobre las propiedades físicas del combustible y sobre su transporte y almacenamiento— así como la clasificación aten- diendo a la naturaleza renovable o no del combustible —por el agotamiento de los recursos naturales—. 4.2.1. Clasificación de los combustibles atendiendo a su origen Dependiendo del origen del combustible, éstos se pueden clasificar en tres grandes grupos: combustibles de origen fósil, combustibles procedentes de la biomasa y un tercer grupo constituido por el hidrógeno. En la figura 4.1 se esquematiza esta clasificación con sus respectivas subclasificaciones. Figura 4.1. Clasificación de los combustibles atendiendo a su origen. Los combustibles de origen fósil son el carbón, los derivados del petró- leo y el gas natural (y derivados del gas natural). Las materias primas pro- ceden de minas (en el caso del carbón) y de yacimientos (en el caso del petróleo y del gas natural). Se denominan combustibles fósiles ya que los recursos se localizan en el interior de la tierra y se originaron hace del orden MÁQUINAS TÉRMICAS 160 de millones de años a partir de materia orgánica. Los distintos combustibles y sus propiedades se estudiarán en el apartado 4.3. Los combustibles procedentes de la biomasa son aquellos que derivan de materia orgánica (actual). La materia rica en lignocelulosa (como la madera, los tallos o las hojas) ha sido históricamente utilizada como combustible. De forma más general, se denomina biomasa a la materia de origen vegetal, ani- mal o de residuos orgánicos. La biomasa tiene una composición rica en car- bono, hidrógeno y oxígeno. Tratada convenientemente, puede dar lugar a combustibles alternativos a los fósiles con la ventaja, como se verá, de ser una fuente renovable de energía y producible por cualquier país. Este tipo de combustibles, conocidos como biocombustibles, se estudiarán en el epí- grafe 4.4. El último grupo lo constituye el hidrógeno. A diferencia de los grupos anteriores, el hidrógeno es un combustible y no una fuente a partir de la cual se puedan producir combustibles. El hidrógeno molecular no se encuentra libre y en grandes cantidades en la naturaleza, por lo que se debe producir (característica común a la mayoría de combustibles, aunque, en este caso con un alto coste energético). Las fuentes a partir de las cuales se puede obtener son los recursos fósiles (por ejemplo, de hidrocarburoscon alto con- tenido en hidrógeno, como el metano) y la biomasa (la materia orgánica es también rica en hidrógeno), por lo que podría incluirse dentro de cualquiera de los dos grupos anteriores. Sin embargo, también se puede producir hidró- geno a partir del agua. Por este motivo y, sobre todo, porque su utilización sólo produciría como residuo agua (la combustión de hidrógeno con aire puede dar lugar también a la formación de NOx, pero la utilización en pilas de combustible sólo produce agua), el hidrógeno se suele mencionar sepa- rado de los combustibles fósiles y de los biocombustibles. 4.2.2. Clasificación de los combustibles atendiendo a su estado físico Según su estado físico, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos y gaseosos. El estado al que se hace referencia puede hacer alusión al estado físico del combustible en condiciones ambientales o bien a las condiciones de almacenamiento. El estado físico en el almacenamiento no tiene por qué coincidir con el estado físico durante el empleo a presión atmosférica, como puede suceder con combustibles como el butano, el propano (o la mezcla de COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 161 ambos en el GLP) e, incluso, en el gas natural. La figura 4.2 muestra dicha clasificación, mostrando ejemplos de combustibles dentro de cada tipo. Figura 4.2. Clasificación de los combustibles atendiendo a su estado físico. Dentro de los combustibles sólidos se encuentran, principalmente, los distintos tipos de carbón, la materia lignocelulósica e, incluso, los residuos orgánicos, que pueden ser quemados en parrilla, en calderas de lecho fluido o ser sometidos a un proceso de gasificación para obtener un combustible gaseoso. Dentro de los combustibles líquidos se incluyen las fracciones pesadas del petróleo (aceites pesados, fuelóleos, gasóleos), las ligeras (queroseno, gasolinas), los alcoholes (metanol, etanol, propanol, líquidos por la polari- dad de sus moléculas), los aceites, algunos ésteres y algunos éteres. En este grupo se pueden incluir los gases licuados del petróleo o GLP, compuesto por propano y butano principalmente, con una ligera composición de etano. El propano y el butano son gaseosos en condiciones atmosféricas, pero su almacenamiento se realiza en estado líquido a presión (entre 5 y 15 bar). Del mismo modo, el gas natural, compuesto principalmente por metano, se puede almacenar licuado (GNL) para uso en algunas aplicaciones del sector de transporte, aunque en este caso la presión de los depósitos es muy eleva- da (cercana a los 400 bar). La gran ventaja de los combustibles líquidos frente a los sólidos es la facilidad de suministro a las cámaras de combus- tión, su mejor vaporización (la combustión siempre se produce en estado gaseoso, ya que es en este estado cuando el oxígeno se puede mezclar con MÁQUINAS TÉRMICAS 162 el combustible) y la menor emisión de contaminantes, ya que tienen menos contenido en cenizas y no producen escorias. Las ventajas de los combusti- bles líquidos frente a los gaseosos son su mayor densidad energética por unidad de volumen, de especial interés en el sector transporte, que pueden ser más fácilmente almacenados y su mayor facilidad para mezclarse con el aire, al pulverizarse y posteriormente vaporizarse, conveniente para conse- guir mezclas homogéneas, lo que mejora los procesos físicos de la combus- tión y puede conducir a menores emisiones contaminantes. Por último, dentro de los combustibles gaseosos destacan el gas natural, los GLP (gaseosos en condiciones de uso) el hidrógeno, algunos éteres y otros gases o mezclas de gases, de distinta procedencia, como el gas de sín- tesis (mezcla de CO, CO2 y H2) o el biogas (CH4 y CO2). El abastecimiento de gas puede realizarse mediante gaseoductos y tuberías (aplicaciones esta- cionarias) o como gas comprimido (por ejemplo, el gas natural comprimido o GNC a muy alta presión, del orden de 200 bar). El hidrógeno, igualmente, es muy difícil de licuar y se sirve habitualmente a presión en botellas. Entre las ventajas de los combustibles gaseosos destacan las menores emisiones de CO2, debido a que estos combustibles (CH4, H2) son elementos muy ligeros, con alto contenido en hidrógeno (o hidrógeno puro) en detri- mento del carbono, y la menor tendencia a emitir partículas sólidas, más característica de los combustibles líquidos y sólidos, en los que pequeñas gotas líquidas no vaporizadas o pequeñas partículas sólidas no encuentran oxígeno para quemarse. 4.2.3. Clasificación de los combustibles atendiendo a su carácter renovable o no Los combustibles, por lo general, no son productos que se encuentren en su estado final en la naturaleza. Por el contrario, deben ser producidos a par- tir de ciertas fuentes o recursos naturales. La clasificación de los combusti- bles atendiendo a su carácter renovable o no renovable está relacionada, pre- cisamente, con la necesidad de obtener el combustible a partir de unos recursos. Se definen como combustibles no renovables a aquellos que proceden de recursos naturales agotables, es decir, de recursos que el ser humano no COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 163 puede reponer al mismo ritmo que los consume. Son combustibles no reno- vables todos aquellos que derivan del carbón, del petróleo y del gas natural. Entre otros, se encuentran el propio gas natural, el GLP, las gasolinas, los gasóleos, algunos alcoholes e, incluso, el hidrógeno (cuando provenga del reformado de hidrocarburos procedentes del petróleo u otras fuentes no renovables). Los combustibles renovables son aquellos que, o bien proceden de fuen- tes que el ser humano es capaz de reponer al mismo ritmo que los consume, o bien proceden de fuentes no agotables. Entre los primeros cabe destacar los que proceden de materia orgánica (vegetal, animal o residuos): la mate- ria lignocelulósica, algunos alcoholes (o bioalcoholes), los aceites vegeta- les, algunos ésteres de aceites, algunos éteres, el gas de síntesis (que proceda de biomasa) y el biogas. En el segundo grupo lo constituiría principalmente el hidrógeno producido por electrolisis del agua a partir de alguna fuente no agotable de energía eléctrica (eólica, solar, mareomotriz, geotérmica…). Como se observa, esta clasificación coincide prácticamente con la del apartado 4.2.1, ya que el carácter renovable o no es una propiedad de la fuente y no del combustible. Sin embargo, es habitual hacer esta clasifica- ción a los propios combustibles. 4.2.4. Otras clasificaciones Otras clasificaciones menos usuales, pero a las que ocasionalmente se hace mención, son las clasificaciones atendiendo a la composición del com- bustible y a su modo de producción. Dependiendo de la composición del combustible, se pueden hacer tres grupos: los hidrocarburos no oxigenados, los combustibles oxigenados y, de nuevo, el hidrógeno. En el primer grupo se encuentran aquellos hidrocarbu- ros compuestos fundamentalmente2 por carbono e hidrógeno, es decir, aque- llos que no tienen oxígeno en su composición. Son, por ejemplo, el gas natu- ral, el GLP, las gasolinas, el queroseno, los gasóleos, etc. Éstos están formados, dependiendo de cada uno de ellos, por parafinas, olefinas e hidro- 2 Pueden contener otros elementos, como azufre, nitrógeno e, incluso, oxígeno, en pequeñas pro- porciones. MÁQUINAS TÉRMICAS 164 carburos aromáticos. Por otro lado, los combustibles oxigenados son aque- llos que contienen oxígeno en sus moléculas, además de carbono e hidróge- no. Son los alcoholes, los éteres, los ésteres y los aceites, entre otros. Por último, como grupo aparte, se encontraría el hidrógeno, compuesto por hidrógeno molecular H2. Por su modo de producción, se distinguen los combustibles naturales de los sintéticos. Los combustibles naturales son aquellos que se obtienen mediante procesos físicos aplicados a los distintos recursos naturales (desti- lación, fraccionamiento, reformado, prensado). Son la mayaría de los estu- diados. Por otro lado, los combustibles sintéticos son aquellos queen los que se diseña específicamente su formulación química. Son, por ejemplo, el MTBE y el ETBE (éteres que se estudian en el apartado 4.4), el dimetil-éter (CH3-O-CH3, gaseoso) o el BTL (biomass to liquid), que se estudia también en el apartado 4.4. 4.3. COMBUSTIBLES DE ORIGEN FÓSIL. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES 4.3.1. El carbón El carbón fue el combustible más empleado como fuente de calor y para producción de energía mecánica desde la revolución industrial hasta que a principios del siglo XX se empezó a desarrollar la petroquímica. El carbón se extrae de minas. Como ya se ha dicho durante el desarrollo del capítulo, su origen fue la descomposición de la materia vegetal hace millones de años. Según su composición en carbono fijo, también llamada rango, que depende de la descomposición que haya sufrido dicha materia, existen dis- tintos tipos de carbón: Turba: se constituye como el primer paso en la formación de carbón. Es prácticamente materia orgánica compacta con alto contenido en carbono (pero mucho menor que los carbones que se estudiarán posteriormente). En su formación sólo intervienen bacterias. Debido a su alto grado de humedad, es el carbón con menor poder calorífico inferior. No se usa en procesos industriales. COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 165 Lignito: Después de la turba, es el carbón con menor carbono fijo, mayor contenido en humedad y, por tanto, menor poder calorífico inferior. Se usa principalmente en centrales de producción de energía eléctrica aunque es considerado un carbón de baja calidad. Carbones sub-bituminosos: son carbones de un rango superior al lignito. Tienen menor humedad y menor contenido en volátiles que el anterior. Su formación se produce en condiciones de alta presión y temperatura y no sólo debido a la acción de bacterias. Carbones bituminosos: Siguiendo el orden de rango, son los siguientes a los sub-bituminosos. Su formación se produjo en condiciones de presión y temperatura más severas, de forma que se produce cierto craqueo debido a la acción geotérmica. Es considerado un carbón de alta calidad. Al contener poca humedad y contar todavía con elementos volátiles (ricos en hidrógeno), es el carbón con mayor poder calorífico. La hulla es un carbón bituminoso. Antracita: Es el carbón con mayor composición en carbono fijo. Las condiciones en su formación son las más severas de todas las anteriores, lle- gándose a desprender aceites y gases. Es el carbono con menor humedad y con menor contenido en volátiles. Por esto último, su poder calorífico dis- minuye con respecto a los bituminosos, ya que tienen muy poca proporción de hidrógeno. Coque: El coque no es un tipo de carbón en sí mismo sino un producto. En concreto, es el resultado de calentar en ausencia de aire el carbón (o, incluso, el petróleo), de forma que se deshidrogena y se obtiene carbono puro. Al no contener elementos volátiles ni vapor de agua, su combustión produce menor cantidad de humos. Ha sido un combustible muy empleado sobre todo en altos hornos. La tabla 4.1 muestra los valores usuales para distinguir unos carbones de otros (según la norma ASTM). Las características que se suelen medir a la hora de evaluar un carbón son su composición en carbono fijo, la masa volá- til, la humedad y el contenido en cenizas. Todas estas propiedades constitu- yen el análisis aproximado del carbón y se deben medir siguiendo un ensa- yo normalizado. Existe otro tipo de análisis, llamado análisis final del carbono en el que se especifica la proporción en peso de humedad, cenizas y de los distintos elementos que lo pueden componer (carbono, hidrógeno, azufre, nitrógeno, oxígeno…). MÁQUINAS TÉRMICAS 166 Tabla 4.1. Clasificación de carbones por rango (ASTM D 388) El carbón es un combustible sólido, lo que condiciona y hace complejas las instalaciones que lo emplean. Su consumo a gran escala requiere de todo un conjunto de instalaciones que permitan su transporte desde su lugar de almacenamiento hasta el hogar de la caldera donde va a ser quemado. A pesar de que algunos tipos de carbón son muy volátiles, los mejores procesos de combustión se consiguen con carbón pulverizado y soplado dentro de la caldera en suspensión con el aire. De esta forma se consigue un proceso de combustión por difusión (de un sólido) que se realiza con gran eficiencia. Una característica a tener en cuenta en el almacenamiento de carbón es la temperatura de autoinflamación, que se estudia en el epígrafe 4.5. La tem- peratura de autoinflamación del carbón es muy baja. De hecho, la superficie del carbón, en estado sólido, en contacto con el oxígeno se encuentra some- tida siempre a un proceso de oxidación. Si los depósitos de carbón no son convenientemente ventilados, estas pequeñas oxidaciones pueden empezar a elevar la temperatura del carbón, empezando éste a consumirse. El carbón, al estar compuesto mayoritariamente por carbono, es el com- bustible que mayor cantidad de CO2 emite en relación a la energía produci- COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 167 Carbono fijo Contenido en Poder calorífico (sin Clase Grupo (%) volátiles (%) humedad) (Btu/lb) Min. Max. Min. Max. Min. Max. Meta-antrac. 98 2 Antracita Antracita 92 98 2 8 No aglomerado Semi-antrac. 86 92 8 14 Bit. poco vol. 78 86 14 22 Bit. med. vol. 69 78 22 31 Bituminoso Bit. volátil A 69 31 14000 Común. Bit. volátil B 13000 14000 aglomerado Bit. volátil C 11500 13000 10500 11500 aglomerado Sub-bituminoso Sub-bit. A 10500 11500 Sub-bit. B 9500 10500 Sub-bit. C 8300 9500 aglomerado Lignito Lignito A 6300 8300 Lignito B 6300 da. En cuanto a las emisiones contaminantes, aunque dependen del proceso de combustión, por lo general destacan la emisión gases de combustión con alto contenido en partículas no quemadas o parcialmente quemadas prove- nientes del carbón que no se haya vaporizado o que no haya encontrado oxí- geno para quemarse, generando humo. La emisión de óxidos de azufre, res- ponsables de la lluvia ácida, es también elevada, ya que la mayoría de los carbones tiene un alto contenido en azufre. Por último, son importantes la producción de escorias y la formación de partículas de elementos metálicos y otras no quemables en suspensión en los humos. En la actualidad, la tec- nología clásica de combustión del carbón está considerada como una de las más contaminantes. Además, el agotamiento de las minas acarrea que la producción de carbón tenga cada vez más contenido en silicatos, lo que pro- duce mayores cantidades de escoria. Se están desarrollando tecnologías más respetuosas con el medioambiente, como es la gasificación del carbono para producir gas de síntesis, de poco poder calorífico pero con una combustión mucho más limpia. 4.3.2. Combustibles derivados del petróleo El petróleo, junto con el desarrollo de la petroquímica, desplazó al car- bón en muchos de los campos tecnológicos donde se empleaba. El petróleo es un líquido compuesto por una mezcla de gran variedad de hidrocarburos. Su rica composición en hidrocarburos permite que de él se puedan derivar gran cantidad de productos: combustibles, monómeros (bases para la fabri- cación de plásticos, alcoholes, éteres, etc.), aceites, alquitranes y asfaltos. Estos productos se obtienen por destilación directa del petróleo. Posterior- mente, la petroquímica permite la transformación de dichas sustancias en los productos finales, empleados en casi todos los sectores industriales actuales. En lo referente a los combustibles, estos se obtienen directamente de la destilación (a falta de purificar y de incorporar aditivos). El estado físico de los combustibles derivados del petróleo es líquido, con excepciones entre las que destaca la del GLP. Esto les confiere las ventajas anteriormente comentadas frente a los sólidos y a los gaseosos. Además, la composición de cada uno de los combustibles obtenidos prácticamente no depende del origen del crudo y, por tanto, sus propiedades son muy constantes. MÁQUINAS TÉRMICAS 168 Durante la destilación, las fraccionesque se obtienen a más baja tempe- ratura son los compuestos más volátiles: el etano, el propano y el butano, gaseosos a temperatura ambiente y que, como se ha dicho anteriormente, constituyen el GLP. Inmediatamente después se obtienen las gasolinas, líquido muy volátil, seguido del queroseno, los gasóleos y finalmente los fuelóleos, muy viscosos y poco volátiles. En la tabla 4.2 se muestran los dis- tintos combustibles derivados del petróleo por orden de temperatura de des- tilación. Tabla 4.2. Productos de destilación del petróleo. A continuación se describen muy brevemente las principales caracterís- ticas y las aplicaciones de los principales combustibles derivados del pe - tróleo: Gases licuados del petróleo (GLP): El GLP es una mezcla de propano, butano y, en muy pequeña proporción, etano. La proporción en propano y butano dependen de la aplicación en la que se utilicen, destacando el propa- no puro en aplicaciones de calefacción, el butano puro para aplicaciones domésticas y mezclas del 20-40% de propano y 60-80% de butano en auto- moción. Tanto en las aplicaciones domésticas y de calefacción como en las aplicaciones de automoción (en motores de encendido provocado), se quema por deflagración. Al ser almacenado en estado líquido pero ser gase- oso a presión atmosférica, las mezclas son fáciles de homogeneizar, ya que se trata de la evaporación de un líquido muy volátil. Por ese motivo, la com- bustión es bastante limpia en comparación con la de otros hidrocarburos, sobre todo en motores de automoción que incorporan catalizadores de tres vías. Su alto contenido en hidrógeno, además, le convierte en un combusti- COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 169 Producto Num. De carbonos Intervalo aprox. de destilación GLP C1 - C4 -5 ºC – 20ºC Gasolina C4 – C12 20 ºC – 200ºC Queroseno C12 – C16 200 ºC – 300ºC Gasóleo C16 – C22 220 ºC – 350ºC Fuelóleo industrial C22 – C34 350 ºC – 400ºC Otros (aceites mayores Residuos pesados, asfaltos) ble con emisiones bajas de CO2. Entre sus principales inconvenientes desta- can la densidad en estado gaseoso, mayor que la del aire (por lo que es difí- cil de ventilar en caso de eventuales fugas). Además, es un gas inodoro al que hay que añadir odorizantes para detectarlo. Por otro lado, su almacena- miento en estado líquido saturado puede resultar peligroso en situaciones de almacenamiento inseguro3, no sólo existiendo riesgo de inflamación sino también riesgo de explosiones debido a su súbita evaporación que pueden finalmente causar una deflagración (explosiones BLEVE). Gasolina: La gasolina es una mezcla de hidrocarburos, compuestos por cadenas desde 4 átomos de carbono hasta 12 (C4 - C12). Entre ellos es habitual encontrar una cierta composición de hidrocarburos cíclicos y aromáticos. Destila a mayor temperatura que los gases licuados del petróleo. Es líquida en condiciones ambientales y muy volátil. La volatilidad de cada gasolina depende de su composición, siendo habitual que las gasolinas de verano con- tengan un menor contenido en volátiles (hidrocarburos más ligeros) y en invierno uno mayor. Debido a su estado físico, líquido, y a su volatilidad, es un combustible idóneo para su uso en motores alternativos de encendido pro- vocado, siendo dicho campo su principal aplicación, donde, además, es el combustible más empleado. Su combustión se produce en dichos casos por deflagración. Sus límites de inflamabilidad son estrechos comparados con los combustibles gaseosos, pero, aún así, se puede quemar desde mezclas pobres de dosado relativo de 0,8 hasta mezclas ricas de 1,6. Lo habitual en automoción es quemarlo con dosado estequiométrico para poder utilizar catalizadores de tres vías. Cuando esto ocurre (y al igual que con el gas natu- ral y el GLP) el gas de escape es muy limpio reduciéndose notablemente las emisiones contaminantes. Actualmente, las gasolinas casi no contienen azu- fre, por lo que la emisión de óxidos de azufre es muy reducida. Queroseno: El queroseno es una mezcla de hidrocarburos desde C12 hasta C16. Es empleada principalmente en motores de reacción (aerorreacto- res) y menos frecuentemente en usos industriales, maquinaria pesada, bar- cos de pesca, refrigeración y calefacción. Es una fracción del petróleo que destila a mayor temperatura que la gasolina. Al ser una fracción más pesada, su volatilidad no es tan alta como en la gasolina, por lo que no es un com- 3 Los depósitos de combustibles líquidos en estado saturado nunca son llenados al completo sino que existe un cierto volumen sin líquido para que pueda existir cierta fase de vapor y reducir el riesgo de evaporaciones bruscas que conduzcan a explosiones. MÁQUINAS TÉRMICAS 170 bustible tan apropiado para quemar en motores de ciclo Otto. Aún así, su volatilidad a baja temperatura es adecuada para motores que trabajen en alti- tud, como los aerorreactores. Su tiempo de retraso, por otro lado, es dema- siado largo para ser utilizado en motores diesel, por lo que no es el combus- tible idóneo para este tipo de motores. Además, su poder lubricante no es tan efectivo como el de los gasóleos. El queroseno se quema generalmente mediante un proceso de combustión por difusión, por lo que los contami- nantes típicos de las aplicaciones que emplean queroseno como combusti- bles son los típicos de este tipo de combustión, es decir, principalmente emi- sión de NOx, asociado a la alta temperatura de la llama y al exceso de oxígeno en la combustión (globalmente) y la formación de partículas por pirólisis del líquido no volatilizado. Gasóleo: El gasóleo es una mezcla de hidrocarburos más pesados, típi- camente desde C16 hasta C22. Debido a su viscosidad y a su poder lubricante es un combustible adecuado para los pequeños motores diesel de automo- ción. Los gasóleos más pesados, de menor calidad, también son usados en motores diesel estacionarios o marinos, en calderas de centrales térmicas y en turbinas de gas estacionarias. En las aplicaciones de motores diesel, los contaminantes típicos son las emisiones de NOx y las de partículas, ligada esta última, como se verá, a la fase de difusión de la combustión. En las apli- caciones en las que se emplean quemadores, los contaminantes son los típi- cos de los procesos clásicos de combustión por difusión. El contenido en azufre es mayor que en las gasolinas. Fuelóleo: Los fuelóleos son las fracciones más pesadas del petróleo que se utilizan habitualmente como combustibles (de hasta C30). Son líquidos muy viscosos, por lo que se emplean en aplicaciones donde los requerimien- tos del combustible no son muy exigentes, por ejemplo, en calderas indus- triales, en calderas de centrales térmicas o en grandes motores diesel esta- cionarios. Se clasifican en 6 tipos según su grado4 (desde fuelóleo nº1 hasta fuelóleo nº6, aunque los nº 1 y 2 son los más utilizados), siendo los de menor grado los más ligeros y volátiles. Los fuelóleos de mayor grado requieren ser precalentados para disminuir su viscosidad. Otros combustibles derivados del petróleo: Los combustibles típicos derivados del petróleo son los estudiados hasta ahora. Sin embargo, la petro- 4 Según las normas ASTM. COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 171 química permite fabricar casi cualquier tipo de hidrocarburo por medio de diversas reacciones partiendo de las distintas fracciones de la destilación del petróleo. De esa forma, es posible fabricar combustibles sintéticos que pue- den ser útiles en distintas aplicaciones. Entre ellos destacan los alcoholes, el dimetiléter, el MTBE y el ETBE e, incluso, el coque y el hidrógeno. 4.3.3. Gas natural El gas natural se encuentra en los mismos yacimientos que el petróleo o bien en otros de forma independiente. Está compuesto entre un 90% y 98%, dependiendo del yacimiento, por metano (CH4). Aunque minoritariamente, el gas natural también contiene etano, propano, butano e, incluso, hidrocar- buros más pesados. También se pueden encontrar fracciones de otros gases como el nitrógeno, vapor de agua, dióxidode carbono o sulfuro de hidróge- no (H2S). El gas natural es extraído en fase gaseosa y es sometido a diversos pro- cesos (condensación, desecado, filtros, desulfuración, deshidrogenación, entre otros) para eliminar elementos no deseados, aunque en la extracción ya se obtiene el producto casi en su composición final. Una vez extraído, el gas se presuriza y se distribuye por medio de gaseoductos (GNC) o bien se licua (GNL) y se transporta a presión en buques metaneros, proceso que consume una gran cantidad de energía. En ambos casos, se eliminan el pro- pano, butano e incluso el etano y el pentano, bien por condensación o bien por destilación, para que el gas final sea de mayor pureza (más rico en meta- no). En dichos procesos, se obtiene GLP como subproducto. Su campo de aplicación es muy amplio. Destacan sobre todo las siguientes: � Calderas industriales � Centrales de generación de energía eléctrica, bien sean mediante motores alternativos, turbinas de gas, en calderas de ciclo de vapor o en ciclos combinados � Sistemas de cogeneración � Automoción (autobuses y camiones) � Aplicaciones domésticas MÁQUINAS TÉRMICAS 172 La combustión del gas natural es una combustión más limpia comparada con las de otros hidrocarburos. Al tratarse de un gas muy ligero, se difunde bien en el aire, resultando muy reducidas las emisiones de partículas y las de hidrocarburos no quemados. Las emisiones de NOx, como se vio en el capítulo 2, dependen fuertemente de la temperatura de la llama. En este sen- tido, aunque la temperatura de combustión en condiciones estequiométricas del gas natural es similar a la de cualquier hidrocarburo, sus límites de infla- mabilidad son muy amplios, por lo que la temperatura de la llama puede ser reducida si se quema en mezclas pobres o se introducen elementos inertes como el vapor de agua o gases quemados recirculados. Por su pequeño tamaño molecular y su buena difusión, se puede quemar en mezclas con bastante exceso de aire. Las emisiones de elementos metálicos formando partículas son casi inexistentes ya que no se encuentran prácticamente en su composición, y las emisiones de óxidos de azufre también se ven muy redu- cidas debido al bajo contenido en azufre del gas natural (que además puede ser eliminado en cierta medida). Otra de las ventajas del empleo de gas natural es la baja emisión de CO2; el metano es el combustible con menor proporción de carbono en peso, por lo que el dióxido de carbono resultante por unidad de masa consumida es la menor de todos los hidrocarburos. Además, debido también a su composi- ción rica en hidrógeno, su poder calorífico es el mayor de todos los hidro- carburos, por lo que las emisiones de CO2 en relación a la energía liberada toman mayor ventaja aún. El inconveniente más acusado del gas natural es su transporte y almacena- miento. Al ser un gas, se requiere un gran consumo energético, bien para com- primirlo o bien para licuarlo, lo que puede desvirtuar el balance total energé- tico y de CO2 (depende de las cogeneraciones que se hagan en el proceso). 4.4. COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS O DE SUSTITUCIÓN. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES Los combustibles alternativos o de sustitución son aquellos que tratan de sustituir al carbón y al petróleo de sus aplicaciones habituales, de forma que, por un lado, se reduzca la dependencia mayoritaria de estos recursos y, por otro, se consigan procesos de combustión más respetuosos con el medioam- biente, bien sea por sus menores emisiones contaminantes o bien sea por su COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 173 menor repercusión sobre el efecto invernadero (consecuencia de la emisión de CO2 proveniente de combustibles fósiles). Dentro de los combustibles alternativos o de sustitución, es necesario diferenciar entre los no renova- bles y los renovables. De entre los primeros destacan el gas natural, el GLP, el gas de gasificación del carbón y el hidrógeno obtenido por medio de reformado de hidrocarburos. Entre los renovables se encuentran la materia lignocelucósica, los alcoholes, los éteres, los aceites vegetales, los ésteres FAME y los FAEE, el biogas, el gas de gasificación de biomasa y el hidró- geno obtenido de fuentes renovables y a partir de energía renovables. En el epígrafe anterior ya se estudiaron el gas natural y el GLP, por lo que a con- tinuación se estudian el resto de los enumerados. Materia lignocelulósica: La lignocelulósa es el principal constituyente de la materia orgánica vegetal. Está compuesta por celulosa, hemicelulosas y lignina (todas ellas polímeros) y forma, como se ha dicho a lo largo del capítulo, la madera y los tallos de los vegetales. Se ha utilizado siempre como combustible a nivel doméstico y en el sector agrícola. Su interés actual radica en que, a partir de ella, pueden derivarse diversos combustibles mediante distintos procesos químicos. Entre ellos destacan el etanol (a partir de hidrólisis), el gas de síntesis (por medio de oxidación parcial), el dimetil éter (por hidrólisis) y otros combustibles sintéticos (por medio de reacciones de Fischer-Tropsch). Su principal ventaja es su prácticamente nula contri- bución a las emisiones de CO2, ya que para su formación se ha consumido de la atmósfera una cantidad equivalente de CO2 a la emitida. Los alcoholes: Son hidrocarburos que contienen, al menos, un grupo –OH, por lo que son combustibles oxigenados. Como combustible tienen aplicación, principalmente, en motores de combustión interna alternativos, aunque pueden ser empleados en otros usos. Los más empleados son el metanol y el etanol. Su uso es conveniente, sobre todo, en motores de encen- dido provocado debido a su volatilidad, aunque el etanol también puede ser empleado en motores diesel en mezcla con gasóleo o ésteres FAME o FAEE, en proporciones de hasta un 5% de etanol. Ambos, metanol y etanol, pueden derivar del petróleo o ser obtenidos a partir de biomasa. El metanol de origen orgánico se obtiene a partir del gas de síntesis que proceda de biomasa. El gas de síntesis de origen orgánico se obtiene mediante pirólisis o mediante oxidación parcial de la biomasa, resultando más económica la primera de ellas. MÁQUINAS TÉRMICAS 174 El etanol de origen orgánico o bioetanol, se puede obtener a partir de la biomasa mediante un proceso de fermentación de los azúcares. El proceso de fermentación puede aplicarse a los cultivos ricos en azúcares o en almi- dón. En este último caso, se debe aplicar un proceso previo de hidrólisis y otro de sacarificación de forma que se transforme el almidón en glucosa y fructosa para que puedan ser fermentados. El bioetanol puede producirse también por hidrólisis de la materia lignocelulósica (una vez pretratada). En este caso se denomina bioetanol de segunda generación, que se caracteriza por tener un balance de CO2 más favorable. El etanol de origen orgánico se produce en mayores cantidades que el metanol. Además, el etanol es biodegradable, por lo que los vertidos acci- dentales tienen menor repercusión sobre el medioambiente que los vertidos de metanol, que además es tóxico. Por estas razones, el etanol cuenta con ventajas sobre el metanol a la hora de ser utilizado como combustible. MTBE y ETBE: El MTBE (metil terbutil éter) y el ETBE (etil terbutil éter) son éteres sintéticos derivados, respectivamente, del metanol y del eta- nol y son líquidos de propiedades casi idénticas a la gasolina. Se usan como aditivo antidetonante en las gasolinas en mezclas de hasta el 15 %. Al igual que pasa con sus respectivos alcoholes de procedencia, el MTBE no es bio- degradable y su obtención a través de la biomasa prácticamente no existe, sino que se obtiene en las refinerías. Por el contrario, el ETBE, si es biode- gradable y puede obtenerse en mayores cantidades a partir de fuentes vege- tales. No obstante, en ambos casos nunca se trata de un biocombustible al 100% ya que necesitan isobutileno para su fabricación, que es un derivado del petróleo. Se calcula que la proporción de biocombustible del ETBE es del 47% y la delMTBE el 36%. Otro éter, no derivado del etanol ni del metanol, es el dimetil éter (CH3- O-CH3). Es un combustible sintético gaseoso, que puede ser usado en moto- res de encendido provocado y que puede ser obtenido a partir de la materia lignocelulósica por hidrólisis. Su uso es prácticamente experimental. Aceites vegetales: Los aceites vegetales se pueden obtener a partir de muy diversos cultivos oleaginosos, mediante el prensado de las semillas o los frutos. Están principalmente compuestos por triglicéridos (en su mayo- ría), diglicéridos y monoglicéridos, que son ésteres procedentes de diversos ácidos grasos y de la glicerina. En concreto, los triglicéridos tienen la siguiente estructura molecular: COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 175 Se pueden utilizar como combustibles para obtener energía térmica, sobre todo en el sector agrícola. También pueden emplearse, aunque no es lo más conveniente, como combustibles (en estado puro o como mezclas con gasóleo) en motores de encendido por compresión, debido a que sus propiedades son parecidas a las de los gasóleos. Ésteres FAME y FAEE: Los ésteres FAME (Fatty Acid Methyl Esters) y FAEE (Fatty Acid Ethyl Esters) son, respectivamente, ésteres metílicos de ácidos grasos y ésteres etílicos de ácidos grasos. Derivan de los aceites vegetales y constituyen el llamado biodiesel, ya que sus propiedades son muy similares, cuando no idénticas, a las de los gasóleos. Son utilizados en estado puro o en mezclas con el gasóleo. Se producen por medio de un pro- ceso de transesterificación de los aceites vegetales. Dicho proceso consiste en transformar los triglicéridos —que provienen de glicerina y ácidos gra- sos— en ésteres metílicos o etílicos de los mismos ácidos grasos, emplean- do metanol o etanol y obteniendo como subproducto glicerina. Es decir, en la transesterificación se obtiene un éster metílico o etílico a partir de otro proveniente de la glicerina, cambiando el alcohol de origen (glicerina, que se obtiene como subproducto en el proceso, por metanol o etanol). Se pue- den transesterificar tanto aceites vegetales puros como usados en alimenta- ción. El BTL: Se conoce por BTL (biomasa to liquid) al combustible sintético obtenido de fuentes lignocelulósicas y que tienen propiedades similares al gasóleo. Al proceder de la lignocelulosa de los vegetales se le considera un biocombustible de segunda generación. Su producción consiste en la gasi- ficación y el reformado de la lignocelulosa para obtener gas de síntesis y, posteriormente, someter a éste a un proceso de Fischer-Tropsch y un cra- queo hasta conseguir el combustible deseado. Su principal ventaja, como el MÁQUINAS TÉRMICAS 176 bioetanol de segunda generación, es el mayor aprovechamiento de la bioma- sa, por lo que el balance de CO2 es más favorable. El biogas: Se denomina biogas a la mezcla de CH4 y CO2 (mayoritaria- mente) proveniente de la digestión anaerobia de materia orgánica por medio de bacterias. Su procedencia puede ser cualquier tipo de materia orgánica, ya sean origen vegetal como animal o residuos. Es un gas de poco poder calorífico, ya que el CO2 es inerte, pero no requiere de grandes consumos energéticos para su fabricación y es totalmente renovable. El biogas es un subproducto resultante de la depuración de aguas, por lo que su producción acarrea un doble beneficio. Se puede emplear en cualquier tipo de aplica- ción que admita combustibles gaseosos. El gas de gasificación: El gas de gasificación es gas de síntesis (una mezcla de CO, CO2 y H2) obtenido por un proceso de gasificación5 de mate- ria rica en carbono e hidrógeno. Es un gas pobre, de poco poder calorífico, pero su uso puede ser ventajoso en dos circunstancias. La primera de ella es cuando proviene del carbón. En este caso, constituye una tecnología limpia para el consumo de carbón (en el lugar donde se quema), evitando su com- bustión directa que produce gran cantidad de contaminantes y cenizas y escorias. La segunda circunstancia se da cuando su origen es la biomasa. En este caso, se obtiene un combustible gaseoso6 a partir de cualquier materia orgánica (incluidos los residuos sólidos), renovable y, por tanto, con contri- bución nula al aporte de CO2 ya que sigue un ciclo cerrado. En ambos caso se considera como un combustible alternativo o de sustitución. El hidrógeno: El hidrógeno molecular (H2) es un magnífico combustible. Es el gas de mayor poder calorífico, y es muy ligero y difusivo, por lo que sus límites de inflamabilidad son extraordinariamente amplios. La combus- tión del hidrógeno, teóricamente, sólo produciría agua como producto7, lo que es enormemente interesante ya que se evita la emisión de CO2 y de la mayoría de contaminantes. Como ya se dijo en el epígrafe 4.1, el hidrógeno 5 El gas de síntesis puede ser obtenido también por oxidación parcial de hidrocarburos. 6 El gas de síntesis procedente de materia lignocelulósica suele ser utilizado tanto como combus- tible en sí mismo o como materia prima para fabricar otros biocombustibles. 7 En la práctica, la emisión de productos contaminantes dependerá de la tecnología empleada. En cualquier proceso de combustión con aire es inevitable que aparezcan NOx, ya que el aire es muy rico en nitrógeno, pero si se usa en tecnologías en las que el hidrógeno no esté en contacto con aceites o cualquier otro lubricante, se evitan las emisiones de CO, hidrocarburos, radicales, compuestos oxige- nados y partículas. COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 177 no es una fuente ni un recurso sino que es un combustible que hay que pro- ducir. Su procedencia puede ser, como se ha dicho a lo largo del capítulo, bien de origen fósil (reformado de hidrocarburos), bien de biomasa (la mate- ria orgánica también es rica en hidrógeno, de la que puede ser obtenido mediante procesos de reformado) o bien puede proceder del agua (mediante electrólisis o mediante disociación a alta temperatura). El hidrógeno es considerado (al igual que el resto de combustibles) como un vector energético, ya que en su proceso de producción se invierte cierta energía que es almacenada en forma de hidrógeno y trasladada hasta su lugar de consumo. La energía almacenada en el hidrógeno se puede extraer no sólo mediante un proceso de combustión sino también en pilas de hidró- geno (o pilas de combustible, que quedan fuera del alcance del texto), sien- do esta tecnología aún más limpia debido, precisamente, a la ausencia de combustión y, por tanto, de cualquier emisión contaminante. Los principales problemas del hidrógeno son, por un lado, el alto coste energético que hay que invertir en su fabricación. Además, al contabilizar el impacto y las emisiones achacables al hidrógeno, se deben considerar las que procedan de su proceso de producción, ya que éste consume gran can- tidad de energía. De esa forma, sólo se puede hablar de una tecnología lim- pia cuando la fuente de energía de origen sea igualmente limpia. La otra gran desventaja tiene como causa su gran ligereza y difusividad. En efecto, el hidrógeno es un gas muy poco denso (ver la tabla 4.3) que ocupa, por tanto, un gran volumen. Su almacenamiento suele realizarse en botellas a muy alta presión (del orden de 400 bar), con los consecuentes problemas de peso, resistencia de los materiales y consumo energético asociados, y resul- tando, aún así, muy baja su densidad. Otra forma de almacenamiento es como líquido a presión, con el que se aumenta notablemente la densidad (aunque muy inferior a la de otros líquidos) pero se consume igualmente gran cantidad de energía para su licuefacción. En ambos casos, debido a la alta difusividad, es común la pérdida de hidrógeno de los depósitos. Por últi- mo, existen también las posibilidades de almacenamiento como hidruros metálicos (muy pesados) y la de reformado de gas natural in situ en la apli- cación final. MÁQUINAS TÉRMICAS 178 4.5. PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES 4.5.1. Propiedades relacionadas con la composición del combustible Humedad: El grado de humedadde un combustible indica la composi- ción de agua en peso que contiene el combustible. El contenido en agua de un combustible no es deseable ya que es un producto inerte que resta poder calorífico, sobre todo cuando la humedad está en fase líquida. La humedad es, sobre todo, característica de los combustibles sólidos (madera y carbón) y de algunos combustibles líquidos de origen vegetal (alcoholes y aceites vegetales). En este último caso, la humedad puede afectar de manera deci- siva a algunas de las propiedades físicas del combustible de forma que éste pierda calidad. Además, en el caso de los alcoholes y los aceites vegetales, un excesivo grado de humedad puede inutilizarlos para los procesos de transesterificación para obtener ésteres metílicos o etílicos (FAME y FAEE). Contenido en volátiles: Es una característica de los combustibles sóli- dos. Indica la composición en peso de los componentes más volátiles del combustible, fundamentales para facilitar la ignición. Un contenido excesi- vo en volátiles puede ser perjudicial, ya que el combustible volatilizado durante el almacenamiento se pierde, pudiendo dar lugar, además, a acci- dentes por alguna fuente de ignición no controlada. Contenido en carbono fijo: Es característica de los carbones. Indica la cantidad en peso de combustible que ni se evapora ni forma parte de las cenizas, de la escoria o de la humedad. Se determina mediante el pesado del carbón antes y después del un calentamiento en un ensayo normalizado. En primer lugar se registra la pérdida de peso correspondiente al contenido en volátiles y en humedad y, posteriormente, se pesan las cenizas, siendo la diferencia entre una y otra pesada el contenido en carbono fijo. Contenido en cenizas y escoria: El contenido en cenizas y en escoria es típico del carbón. El origen de ambas son principalmente las impurezas del combustible (arena y otros elementos no quemables) o el mismo carbón no volatilizado, no quemado o descompuesto por la acción de la alta tempera- tura. Las cenizas forman parte del humo de la combustión mientras que la escoria está formada por materia más pesada quedando como residuo en el hogar de la combustión. COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 179 Contenido en azufre: Es característico de los combustibles fósiles. El contenido en azufre de un combustible no es deseable debido a que en su combustión origina SO2 que, emitido a la atmósfera y junto con la humedad presente en ésta, es el principal responsable de la lluvia ácida. El contenido en azufre, por tanto, se debe reducir o eliminar (por medio de procesos de hidrodesulfuración) aunque en algunos casos, la desulfuración no se realiza completamente ya que el azufre puede mejorar la lubricidad de los combus- tibles líquidos como el gasóleo o el fuelóleo. Contenido en oxígeno: El contenido en oxígeno es típico de los combus- tibles derivados de la biomasa, como los alcoholes, los éteres, los aceites vegetales y los ésteres. El oxígeno es un comburente y no un combustible, por lo que cuanto mayor sea su composición en el combustible, menor será el poder calorífico y mayor el dosado estequiométrico. Al contener la propia molécula oxígeno, la física y la cinética de la combustión se ven influencia- das por lo que las emisiones contaminantes son ligeramente distintas a las obtenidas con combustibles fósiles (se tiende a emitir menor cantidad de CO a favor de CO2, mayor cantidad de NOx en detrimento de N2, menor canti- dad de partículas ya que es más difícil la pirólisis por falta de oxígeno y menor cantidad de hidrocarburos sin quemar siempre que la causa de forma- ción sea química y no física). 4.5.2. Propiedades físicas del combustible Volatilidad: Es la tendencia que tiene una sustancia líquida a vaporizarse en unas determinadas condiciones de temperatura y presión. Se mide por la presión de vapor (que depende sólo de la temperatura); cuanto mayor sea, mayor será la tendencia que tenga el combustible a evaporarse. Es una pro- piedad muy importante de cara al encendido en frío de un combustible y en los procesos de combustión donde se requiera una mezcla homogénea de aire y combustible, como en los motores de encendido provocado. Calor latente de vaporización: Es el calor que debe absorber el combus- tible del entorno para pasar de estado líquido a gaseoso. Al enfriarse el aire circundante (o el de la mezcla), es de nuevo un factor a tener en cuenta en los encendidos en frío. El los motores de encendido provocado, el poder latente de vaporización influye también en el llenado de los cilindros y, por tanto, en la potencia que desarrolla el motor. MÁQUINAS TÉRMICAS 180 Viscosidad: La viscosidad de los combustibles líquidos es importante a la hora de diseñar el sistema de alimentación. La viscosidad, muy relacio- nada con el poder lubricante del combustible, es especialmente importante en los gasóleos y los fuelóleos empleados en motores de encendido por compresión o motores diesel, ya que es el combustible el que tiene la misión de lubricar el sistema de bombeo y los inyectores. Punto de cristalización: Es la temperatura en la que empiezan a aparecer los primeros cristales sólidos en el combustible al someterlo a un enfriamien- to. Se le conoce también como punto de niebla. Existe otra temperatura, lla- mada punto de vertido, a partir de la cual el combustible se comporta como una sustancia gelatinosa que se vierte con gran dificultad. Existe un ensayo, denominado prueba de obstrucción de filtros en frío (POFF) para cuantificar el comportamiento de los combustibles a baja temperatura. Estas propieda- des son importantes, sobre todo, en combustibles que vayan a ser empleados en zonas de muy baja temperatura o en condiciones de gran altitud. Estabilidad térmica: La estabilidad térmica mide la resistencia de un com- bustible a degradarse a alta temperatura. Cuando esto ocurre, aparecen partí- culas sólidas insolubles en el combustible que pueden obstruir los conductos y los filtros además de hacer perder ciertas propiedades al combustible. Es importante en aplicaciones donde interesa que el combustible tenga propieda- des lubricantes, ya que su descomposición le haría perder dicho poder. 4.5.3. Propiedades químicas del combustible Poder calorífico: Como ya se ha dicho en el capítulo 2, el poder calorí- fico de un combustible es la cantidad de calor por unidad de masa de com- bustible que se libera al quemar el combustible en una combustión completa y dejando los productos de la combustión en condiciones estándar. Debido precisamente a esta última condición, es importante distinguir entre el poder calorífico superior e inferior. El poder calorífico superior cuantifica la can- tidad de energía puesta en juego en forma de calor dejando los productos en condiciones estándar y el agua producto de la combustión en estado líquido, mientras que el poder calorífico inferior, más ampliamente utilizado, cuan- tifica el calor al dejar los productos en condiciones estándar pero el agua en estado de vapor. La diferencia entre ambos es función del calor latente de vaporización del agua a la presión atmosférica. En la práctica, el agua pro- COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 181 ducto de la combustión se vierte a la atmósfera en estado vapor, desaprove- chando el calor latente y siendo éste muy difícil de recuperar. Por ese moti- vo, a la hora de definir los rendimientos es más usual emplear el poder calo- rífico inferior. Dosado estequiométrico: Como ya se definió en el capítulo 2, se define el dosado estequiométrico como la relación másica de combustible y aire necesario para que la reacción de combustión tenga lugar estequiométrica- mente, sin que sobre ni aire ni combustible. Poder calorífico volumétrico de la mezcla estequiométrica: Para evaluar el calor que se puede extraer de un combustible se suele emplear el poder calorífico inferior, que representa la cantidad de calor que se pone en juego por unidad de masa de combustible. Sin embargo, en algunas aplicaciones, comopor ejemplo en los motores de combustión interna alternativos (MEP), puede ser más representativo estudiar la cantidad de energía que se puede obtener de la mezcla gaseosa de aire y combustible por unidad de volumen, ya que estos motores son de tipo volumétrico y aspiran una cierta cantidad masa fresca o de mezcla en cada ciclo de funcionamiento. Por tanto, se puede definir como el poder calorífico volumétrico de la mezcla estequiométrica como el calor que se extrae por unidad de volumen de una mezcla estequiométrica de aire y combustible, dejando los productos en condiciones estándar. Se puede relacionar con el poder calorífico inferior una vez conocido el dosado estequiométrico y las densidades del aire y del combustible en estado gaseoso. 4.5.4. Comportamiento del combustible en relación con la combustión Límite de inflamabilidad: Son los límites de dosado pobre y rico (exceso y defecto de aire con respecto al estequiométrico respectivamente) que admite una mezcla para que pueda ser inflamada. Los límites son más amplios en los combustibles gaseosos. Temperatura o punto de inflamabilidad: Es la temperatura mínima a la que un combustible líquido puede inflamarse al ponerle en contacto con una fuente de ignición. Es decir, el punto de inflamabilidad es aquella tempera- tura a la que los compuestos volatilizados del combustible pueden inflamar- se. Está íntimamente relacionado con la presión de vapor, ya que, cuanto MÁQUINAS TÉRMICAS 182 mayor sea ésta, mayor será la fracción evaporada que se pueda mezclar con oxígeno y quemarse y, por tanto, menor la temperatura de inflamación. No es un parámetro de gran importancia en la aplicación final pero sí en el almacenaje de combustible. Temperatura de autoinflamación o autoignición: Es la temperatura a partir de la cual el combustible (en mezcla o contacto con el aire) se inflama sin la necesidad de un agente externo. Es especialmente baja en los carbo- nes, que pueden autoinflamarse, aunque muy lentamente, en la condiciones de almacenamiento. Por lo general, la temperatura de autoinflamación es menor en los combustible pesados y más elevada en los ligeros. Tendencia al autoencendido; índices de octano y de cetano: El índice de octano (que se estudia con más detalle en el capítulo 6), es un parámetro que mide la calidad de un combustible en relación al tiempo que tarda en autoin- flamarse una vez alcanzadas las condiciones de autoinflamación. Se aplica a los combustibles que se emplean en los motores de encendido provocado, siendo deseable un alto índice —equivalente a un largo tiempo de retraso del autoencendido—. Para los motores de encendido por compresión se define el índice de cetano (se estudia con mayor profundidad en el capítulo 6), que mide igualmente la calidad del combustible en relación al tiempo de retraso, pero interesa, en este caso, que dicho tiempo sea breve —lo que equivale a un alto índice de cetano—. Índice de Conradson: Mide el residuo carbonoso de los gasóleos y los fuelóleos, que provienen de las fracciones más pesadas de dichos combus- tibles que no se vaporizan y, por tanto, se craquean dando lugar a partículas no quemadas. Se determina mediante un ensayo normalizado a una determi- nada muestra de combustible. Índice de Wobbe de los gases: El índice o número de Wobbe, que se aplica a los combustibles gaseosos, se define como el cociente entre el poder calorífico (por unidad de volumen) y la densidad específica8: [4.1] 8 La densidad específica de un gas es el cociente entre la densidad del gas y la del aire, ambos en condiciones normales. Es, por tanto, adimensional. COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS 183 Su utilidad deriva de que, cuando el flujo es muy subsónico (práctica- mente incompresible), el índice de Wobbe es proporcional a la potencia calorífica que se puede obtener del gas inyectado bajo una diferencia de pre- siones dada. Es decir, dos combustibles con el mismo índice de Wobbe, inyectados con un mismo salto de presiones, proporcionarán la misma potencia calorífica con independencia de que su poder calorífico y sus den- sidades sean distintos. Por tanto, se puede emplear para comparar combus- tibles para ser usados en aplicaciones concretas y para estudiar su intercam- biabilidad. MÁQUINAS TÉRMICAS 184 4.5.5. P rop ied ad es m ás im p ortan tes d e los p rin cip ales com b u stib les C O M B U S T IB L E S E M P L E A D O S E N S IS T E M A S Y M O T O R E S T É R M IC O S 1 8 5 PCI Densidad Dosado T. ebullición pres. vapor Calor latente PC Mezcla N. Octano Num Viscos. P. Inflam. (MJ/kg) (kg/m3) estequiom. (oC) Reid* (kPA) (kJ/kg)* gas. (kJ/l) RON. Cetano (mm2/s) (oC) Gas ~ 48 0,79 (a) 1/17,3 –161,6 Muy elevada 509 3,3 120 – – –188 natural ~450 (b) Propano 46,4 520 (b) 1/15,7 –42,1 1430 341 3,67 112 – – –104 Butano 45,7 560 (b) 1/15,5 –0,5 485 362 3,7 93 – – –60 GLP ~ 46 ~ 550 (b) 1/15,6 –42,1-–0,5 ~ 800 ~ 350 3,69 ~ 100 – – –60 Gasolina 44 720-775 1/14,6 30-190 40-100 ~ 330 3,78 85-98 5-20 – –43 Queroseno 42,5 760-840 1/14,6 190-280 20 – – – – 53-60 Gasóleo 42,5 820-845 1/14,5 180-360 – ~ 180 3,89 – 40-55 3 69,5 Fuelóleo 44 800-1020 1/14,6-1/13,8 175-600 – – – 1,4-750 – Metanol 19,9 796 1/6,5 64,7 32 1100 3,87 105 – – 12 Etanol 26,8 794 1/9 78,3 16 854 3,90 106 5 – 13 MTBE 34,8 746 1/11,9 55 55 269 3,69 118 – – –30 ETBE 36,2 745 1/12,3 73 28 260 3,73 118 – – –19 Aceites ~40 ~880 – – – – – – 37-38 ~035 230-280 Biodiésel (FAME ~37,5 ~920 1/12,5 – – – ~ 3,9 – 50-54 ~ 4 120-170 FAEE) Hidrógeno 120 0,090 (a) 1/34,8 –252,9 Muy elevada – 3,1 >120 – – – 70,8 (b) Carbón: ver tabla 3.1. Tabla 3.3. Propiedades más importantes de los combustibles más habituales (a) gas a 0o y 1–atm (b) gas licuado * a presión atmosférica (1 bar) BLOQUE TEMÁTICO II MÁQUINAS Y MOTORES VOLUMÉTRICOS Capítulo 5. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS Antonio J. Rovira de Antonio Capítulo 6. EL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO PROVOCADO Y EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN Antonio J. Rovira de Antonio Capítulo 7. COMPRESORES VOLUMÉTRICOS Marta Muñoz Domínguez Capítulo 5 Generalidades de los motores de combustión interna alternativos 5.1. Componentes y procesos básicos de un motor de combus- tión interna alternativo 5.2. Clasificación de los MCIA 5.2.1. Según el proceso de combustión 5.2.2. Según el modo de realizar el ciclo 5.2.3. Según el tipo de refrigeración 5.2.4. Según la presión de admisión 5.2.5. Según el número y disposición de cilindros 5.3. Evolución del fluido de trabajo durante el funcionamiento del motor. Diagrama p-α y diagrama del indiciador 5.3.1. Diagrama p-α 5.3.2. Diagrama del indicador 5.4. Parámetros, prestaciones y curvas características del motor 5.5. Ciclos del aire equivalente 5.5.1. Ciclo de aire equivalente de volumen constante 5.5.2. Ciclo de aire equivalente de presión limitada 5.6. Otros motores volumétricos 189 OBJETIVOS FUNDAMENTALES DEL CAPÍTULO � Conocer qué es un motor de combustión interna alternativo, su consti- tución física, sus elementos constructivos fundamentales, así como los cinco procesos que tienen lugar en este tipo de motores: admisión, compresión, combustión, expansión y escape. � Saber establecer la clasificación de los motores de combustión interna alternativos atendiendo a distintos criterios: — Según el proceso de combustión: distinguir entre motores de encendido provocado y motores de encendido por compresión, conociendo básicamente las diferencias en el proceso de admisión y de combustión. — Según el modo de realizar el ciclo: conocer cómo se distribuyen los cinco procesos en los motores de cuatro y de dos tiempos. Saber representar el diagrama de distribución en ambos tipos de motores y conocer los ángulos que caracterizan la distribución, así como su función. — Según el tipo de refrigeración: conocer las principales zonas a refrigerar del motor y saber qué repercusión tiene la refrigeración sobre el rendimientodel motor. Distinguir y conocer las principa- les características de los motores refrigerados por agua y por aire. — Según la presión de admisión: distinguir entre los motores de aspi- ración natural y los sobrealimentados y conocer el objetivo de la sobrealimentación. — Según el número y disposición de cilindros: conocer los distintos tipos de motores según el número de cilindros y la disposición del bloque. 191 � Estudiar el diagrama p-V y p-α del motor y saber cómo quedan refle- jados cada uno de los procesos del motor. Conocer qué es el diagrama de indicador, cómo es en el caso de motores de cuatro tiempos y cómo en el de motores de dos tiempos. Saber qué es el ciclo de potencia y qué es el lazo de bombeo. � Conocer los principales parámetros del motor, geométricos, operativos y de funcionamiento. Manejar los distintos parámetros de los motores. Saber calcular el par, la potencia, los rendimientos y el consumo del motor, el concepto de rendimiento volumétrico y conocer las curvas características. � Conocer los ciclos de aire equivalentes de volumen constante y de pre- sión limitada, que permiten estudiar desde un punto de vista termodi- námico los motores. — Conocer las hipótesis en que se basan cada uno de los ciclos y saber a qué tipos de motores representan. — Conocer los diagramas p-V y T-s de los ciclos. — Saber dónde quedan reflejadas las distintas pérdidas. — Discutir desde un punto de vista termodinámico cómo afectan los parámetros de diseño del motor sobre su rendimiento. � Describir brevemente otros ciclos termodinámicos y configuraciones de motores también alternativos usados minoritariamente. 5.1. COMPONENTES Y PROCESOS BÁSICOS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO Los motores de combustión interna alternativos (MCIA), según la clasi- ficación realizada en el capítulo 1, son motores térmicos de desplazamiento positivo (o volumétricos), en los que el trabajo se obtiene mediante el des- plazamiento lineal del émbolo de un mecanismo biela-manivela. Se deno- minan motores de combustión interna porque el estado térmico se genera en el propio fluido que evoluciona en el motor. La figura 5.1 representa el esquema básico de los MCIA y la tabla 5.1 describe brevemente los compo- nentes que aparecen en la figura. MÁQUINASTÉRMICAS 192 Figura 5.1. Componentes principales del MCIA. Tabla 5.1. Elementos básicos del MCIA GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 193 Pistón Elemento con movimiento rectilíneo alternativo. Es el émbolo del mecanismo biela-manivela y aumenta o disminuye el volumen del cilindro. Biela Elemento que, junto con la manivela, convierte el movimiento lineal del pistón en el rotativo del cigüeñal. Cigüeñal Elemento rotativo del motor. En él se integra la manivela del mecanismo. Cilindro Es el volumen que aloja el fluido de trabajo. Cámara de Es el volumen que queda por encima del pistón al finalizar la compresión y donde básicamente tiene Combustión lugar la combustión de la mezcla. Culata Elemento que constituye el cerramiento superior de los cilindros Bloque Elemento que contiene los cilindros Cárter Cierre inferior del motor. Contiene el aceite para la lubricación El motor, durante su funcionamiento, realiza una serie de procesos que se repiten periódicamente y constituyen un ciclo termodinámico abierto (no puede ser cerrado al ser un motor de combustión interna). Los cinco proce- sos básicos que tienen lugar en un MCIA son: � Admisión: proceso en el que tiene lugar la entrada del fluido de trabajo (mezcla aire-combustible o aire, dependiendo del tipo de motor). � Compresión: proceso fundamental para incrementar el rendimiento termodinámico del motor, como se verá en el apartado 5.5. � Combustión: mecanismo de reacciones químicas globalmente muy exotérmicas mediante las cuales se genera el estado térmico del fluido de trabajo (alta presión y temperatura). � Expansión: proceso responsable de la producción de trabajo. En él, los gases producto de la combustión se expanden y desplazan al pistón, aumentando el volumen del cilindro. Dicha variación de volumen es la responsable de la producción de trabajo. La presión ejercida por los gases sobre el pistón se transforma, por equilibrio de fuerzas, en el par motor en el eje del cigüeñal. � Escape: proceso en el que se desalojan los gases producto de la com- bustión para que se pueda proceder a un nuevo proceso de admisión. Los procesos de admisión y de escape constituyen lo que se denomina renovación de la carga y en ellos se intercambia masa con el exterior del motor. Los procesos de compresión, combustión y expansión constituyen el ciclo termodinámico del motor y son procesos confinados en los que no hay intercambio de materia con el exterior. Por el propio funcionamiento del motor, los procesos no son continuos sino que tienen lugar consecutivamente. Por lo tanto, el flujo de masa es pulsante. Junto con los procesos básicos mencionados anteriormente se tienen que dar otra serie de procesos secundarios. Los más importantes son: la forma- ción de la mezcla de aire-combustible, la ignición o encendido, la lubrica- ción, la refrigeración, así como otros procesos mecánicos del motor como, por ejemplo, el accionamiento de las válvulas. MÁQUINASTÉRMICAS 194 5.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MCIA Figura 5.2. Clasificaciones de los MCIA. 5.2.1. Según el proceso de combustión a) Motores de encendido provocado, MEP: También reciben el nombre de motores de encendido por chispa o moto- res de ciclo Otto. Se debe evitar la denominación de motor de explosión, menos correcta que las anteriores ya que en el seno del motor tiene lugar una combustión inducida por un agente, no una explosión (que no implica nece- sariamente una combustión). GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 195 Figura 5.3. Esquema de combustión en los MEP. Son motores en los que al final del proceso de compresión se dispone de una mezcla de aire-combustible homogénea. La combustión se produce mediante la deflagración1 de la mezcla, que se propaga mediante un frente de llama y la ignición o encendido se consigue mediante un agente externo —como puede ser el salto de una chispa—. b) Motores de encendido por compresión, MEC: Usualmente reciben también el nombre de motores Diesel o motores de ciclo Diesel. Figura 5.4. Esquema de combustión en los MEC. En este tipo de motores, el fluido que se comprime es aire y el combus- tible se inyecta en la cámara una vez finalizado el proceso de compresión. 1 La combustión por deflagración en los MEP se explicará en el capítulo 6. MÁQUINASTÉRMICAS 196 La ignición se produce por la autoinflamación de parte del combustible inyectado, mientras que el resto se quema mediante una combustión por difusión que es simultánea a la propia inyección2. Las condiciones que se deben alcanzar en el proceso de compresión serán aquellas que aseguren la autoinflamación de la mezcla. Figura 5.5. Esquema del funcionamiento del motor de cuatro tiempos 5.2.2. Según el modo de realizar el ciclo a) Motores de cuatro tiempos: Requieren de cuatro carreras del pistón (o dos revoluciones del cigüeñal) para realizar el ciclo completo. Las cuatro carreras se esquematizan en la figura 5.5. Los procesos que se realizan en cada una de los tiempos o carreras son los siguientes: — 1er tiempo o admisión: Se realiza el proceso de admisión. El pistón se separa del punto muerto superior (PMS) descendiendo por el cilindro. Esto genera una depresión en el cilindro que permite su lle- nado con masa fresca, sin quemar. Las válvulas de admisión están abiertas y las de escape cerradas. 2 Las distintas fases de la combustión en los MEC se desarrollan en el capítulo 6. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 197 — 2º tiempo o compresión: Tiene lugar el proceso de compresión. El pistón se desplaza desde el punto muerto inferior (PMI) hacia el superior (PMS), comprimiéndose la masa fresca al estar las válvulas de admisión y de escape cerradas.En las cercanías del PMS se produce la ignición de la mezcla (bien sea por un agente externo o por la autoinflamación de la mez- cla), empezando el proceso de combustión. — 3er tiempo o expansión: El pistón vuelve a descender, empezando la 2ª revolución del cigüeñal. Durante esta carrera finaliza el proceso de combustión y se realiza el de expansión. Las válvulas permanecen cerradas. En las proximidades del PMI, pero todavía en la carrera de expansión, se abren las válvulas de escape comenzando la evacua- ción de los gases a la atmósfera como consecuencia de que su pre- sión es mayor que la atmosférica. A esta evacuación, anterior a la propia carrera de escape, se le denomina escape espontáneo. — 4º tiempo o escape: El pistón vuelve a desplazarse desde el PMI hacia el PMS. Las válvulas de escape continúan abiertas, por lo que el movimiento del pistón permite expulsar los gases quemados hacia la atmósfera. Como puede observarse, debe existir una sincronización entre las aper- turas y los cierres de las válvulas y las carreras del pistón o revoluciones del cigüeñal. Al diagrama que representa la apertura y cierre de las válvulas en función del ángulo de giro del cigüeñal se le denomina diagrama de la dis- tribución. En la figura 5.6 se representa dicho diagrama para un motor de cuatro tiempos. En dicho diagrama de la distribución se han definido una serie de instan- tes característicos que dan lugar a avances o retrasos en la apertura y el cie- rre de las válvulas (con respecto al PMS o PMI). Las razones para definirlos son la imposibilidad de aperturas o cierres instantáneos de las válvulas, así como la necesidad de tener en cuenta los efectos fluidomecánicos que expe- rimentan las corrientes de masa (inercia de las corrientes y propagación de ondas de presión en los conductos). Éstos son: — Avance de la apertura de la admisión (AAA): La válvula de admisión debe comenzar a abrirse antes de que el pistón inicie la carrera de MÁQUINASTÉRMICAS 198 admisión con el objetivo de que se encuentre abierta al inicio de dicha carrera y el llenado de masa fresca sea más eficiente. — Avance de la apertura del escape (AAE): La válvula de escape se abre durante la carrera de expansión, antes de llegar al PMI, para empezar a vaciar el cilindro antes de la propia carrera de escape (escape espontáneo) aprovechando la alta presión del cilindro. De no existir dicho avance, la renovación de la carga no sería eficiente debido a que la presión a la que se realizaría la carrera escape sería demasiado elevada, lo que dificultaría el propio escape (podría lle- garse al bloqueo sónico en la válvula) y la admisión. Figura 5.6. Diagrama de distribución de un motor de 4 tiempos. — Retraso del cierre de la admisión (RCA): La válvula de admisión continúa abierta después de finalizar la carrera de admisión para aprovechar la inercia de la corriente de masa fresca que entra y, de esa forma, mejorar el llenado del cilindro. — Retraso del cierre del escape (RCE): Análogamente al RCA, el retraso del cierre del escape tiene como objetivo aprovechar la iner- cia de la corriente de los gases de escape para vaciar más eficiente- mente el cilindro. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 199 En la mayoría los motores de 4 tiempos las válvulas de admisión y escape están simultáneamente abiertas en las cercanías del PMS durante el 4º y el 1er tiempo. A este intervalo de tiempo se le denomina cruce de válvulas y es necesario para una buena renovación de la carga debido, como se ha dicho, a los efectos fluidomecánicos a los que están sometidos las corrientes. b) Motores de dos tiempos: En los motores de dos tiempos se realizan los cinco procesos fundamen- tales en sólo dos carreras o tiempos (una revolución del cigüeñal). Al dispo- ner sólo de dos carreras para desarrollar todos los procesos, la admisión y el escape (renovación de la carga) se realizan conjuntamente en un proceso denominado barrido. La figura 5.7 muestra la evolución de los procesos durante las carreras descendente y ascendente del pistón. Como se observa en la misma figura, el intercambio de masa con el exterior se realiza por medio de lumbreras (orificios en el cilindro) en lugar de válvulas, aunque algunos motores de dos tiempos sí tienen válvulas de escape. Figura 5.7. Esquema del funcionamiento del motor de 2 tiempos. El proceso de renovación de la carga en los motores de 2 tiempos (barri- do) es menos eficiente que en los de 4 tiempos debido a que se efectúa mucho más rápidamente (comparar las figuras 5.6 y 5.8). Además, al trans- MÁQUINASTÉRMICAS 200 currir la admisión y el escape simultáneamente, es más difícil asegurar que no se pierde combustible por las lumbreras o por las válvulas de escape, lo que se conoce como cortocircuito3. El diagrama de distribución de los motores de 2 tiempos se muestra en la figura 5.8. Figura 5.8. Diagrama de distribución de un motor de 2 tiempos. En dicha figura se han definido, análogamente a los motores de cuatro tiempos, los instantes en los que se abren o se cierran las lumbreras (o, en su caso, las válvulas). Estos son la apertura de la admisión (AA), la aper- tura del escape (AE), el cierre de la admisión (CA) y el cierre del escape (CE). El proceso de barrido comprende toda la renovación de la carga, es decir, desde la primera apertura (de la admisión o del escape) hasta el últi- mo cierre. Los motores de 2 tiempos, al realizar un ciclo termodinámico por cada vuelta del cigüeñal (el doble que los de 4 tiempos) proporcionan más poten- cia específica, aunque no llega a ser el doble debido a que la carrera de 3 La pérdida de combustible por las lumbreras o las válvulas de escape sólo es posible en los MEP, ya que en los MEC la masa fresca es solamente aire. Por tanto, el cortocircuito en los MEC de dos tiem- pos no supone problema alguno. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 201 expansión está limitada por el proceso de barrido y a la dificultad de desalo- jar adecuadamente todos los gases residuales. Por otro lado, su rango de funcionamiento óptimo es más reducido que en los de 4 tiempos, siendo su comportamiento menos elástico4. 5.2.3. Según el tipo de refrigeración Los procesos de combustión son procesos en los que pone en juego una gran potencia calorífica que eleva la temperatura de los gases que intervie- nen en ella hasta valores muy altos (alrededor de 2000 ºC). En los MCIA, Los gases producto de la combustión se encuentran, por tanto, a muy altas temperaturas durante la carrera de expansión y la de escape. Debido a esas altas temperaturas, los componentes que se encuentran en contacto con dichos gases en esas carreras —la culata, la zona superior del bloque, el pis- tón y las válvulas de escape— trabajan igualmente a temperaturas elevadas (de hasta 700 ºC en la válvula de escape) y deben ser refrigerados (sobre todo la culata y el bloque, ya que son los más fácilmente accesibles) para evitar su deterioro mecánico. La refrigeración, desde un punto de vista termodinámico, conduce a unas pérdidas de calor que reducen el rendimiento del motor. Sin embargo es, como ya se ha dicho, absolutamente necesaria para que sus componentes no alcancen temperaturas excesivas y sufran deterioros mecánicos. a) Motores refrigerados por aire: En los MCIA refrigerados por aire, la refrigeración del motor se efectúa con el aire de la atmósfera. Los componentes del motor a refrigerar están aleteados para favorecer la transmisión de calor al ambiente. En motores estacionarios o en vehículos donde el motor se encuentra aislado del exte- rior, compar timentado, suelen requerir de un ventilador para aumentar la velocidad del refrigerante y, así, mejorar la transmisión de calor. Esto no suele ser necesario en el caso de que estén en contacto con aire en movi- miento debido al propio desplazamiento del vehículo donde estén instalados (por ejemplo, en motores de motocicletas o de aviación). 4 El concepto de elasticidad se define en el apartado 4.4. MÁQUINASTÉRMICAS202 Esta refrigeración es típica en los motores pequeños y en los de aviación. También fue usada en motores de deportivos, por su mayor ligereza. b) Motores refrigerados por líquido: En estos motores, el motor cede calor al fluido refrigerante, que suele ser agua —con aditivos anticongelantes— o aceite. El fluido refrigerante actúa como un agente intermedio, ya que, a su vez, debe ceder el calor disipado del motor a la atmósfera. Como equipos auxiliares se requieren la bomba de agua o aceite (para mantener el fluido en movimiento por el circuito de refri- geración) y el radiador (para ceder finalmente el calor a la atmósfera). Este tipo de refrigeración, más eficiente y controlable que la refrigera- ción por aire, se utiliza generalmente en motores de media y alta potencia, ya que estos motores son más adiabáticos (presentan mayores problemas de temperatura) y, además, la magnitud del calor a disipar es mayor. 5.2.4. Según la presión de admisión a) Motores de aspiración natural: el aire se introduce en el motor a pre- sión atmosférica o ligeramente inferior (debido a las pérdidas de carga). b) Motores sobrealimentados: Se introduce aire a una presión mayor a la atmosférica, habitualmente mediante un turbocompresor acciona- do por una turbina en el escape o mediante un compresor accionado mecánicamente, aunque existen más tipos de sobrealimentación. El objeto de la sobrealimentación es introducir más aire a los cilindros —y, por tanto, más combustible— para que el motor proporcione mayor potencia. El origen de la sobrealimentación tuvo lugar en los motores de aviación, donde fue necesaria para compensar las bajas presiones atmosféricas que existen en los vuelos a gran altura. En la actualidad, su aplicación se ha extendido a otros campos (automoción y motores estacionarios) y su misión es simplemente la de proporcionar mayor potencia, si bien el empleo de turbocompresores accionados con tur- binas mejora el rendimiento del motor. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 203 5.2.5. Según el número y disposición de cilindros El número de cilindros puede diferir mucho de unos motores a otros; existen motores desde un cilindro (monocilíndricos) hasta más de 20 en la actualidad. En cuanto a su disposición, se puede hacer la siguiente clasificación: Figura 5.9. Disposiciones habituales de los cilindros. a) Motores en línea: una bancada de cilindros. b) Motores en V: dos bancadas de cilindros dispuestas en forma de V, habitualmente a 60, 90 o 120º, aunque pueden formar otros ángulos, con un cigüeñal común. c) Motores de cilindros opuestos o en bóxer: que es un caso particular de los motores en V, con dos bancadas opuestas (V a 180º). d) Otras disposiciones: aunque son menos habituales, caben destacar los motores en W, con tres o cuatro bancadas de cilindros, y los moto- res en estrella, usados en aviación, que alcanzan una muy alta poten- cia por unidad de peso. La figura 5.9 muestra las disposiciones más usuales. MÁQUINASTÉRMICAS 204 5.3. EVOLUCIÓN DEL FLUIDO DE TRABAJO DURANTE EL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR. DIAGRAMA p-α Y DIAGRAMA DEL INDICADOR Una vez que se conoce el funcionamiento básico de los MCIA así como los distintos tipos que pueden existir, el siguiente paso en el estudio es cono- cer la evolución termodinámica del fluido de trabajo durante el funciona- miento del motor. Dicho estudio permite conocer la evolución de variables como la temperatura y la presión en cada uno de los procesos del motor. En este apartado se muestran los diagramas presión-ángulo del cigüeñal y presión-volumen, que son fundamentales para profundizar en el estudio del funcionamiento del motor y para optimizar su diseño; con ellos, por ejemplo, se puede calcular el trabajo que realiza el ciclo, las principales fuentes de pérdidas y las temperaturas y las presiones que se alcanzan den- tro del cilindro. 5.3.1. Diagrama p-α El diagrama p-α es el diagrama que representa la presión en función del ángulo de giro del cigüeñal (giro del motor). La figura 5.10 muestra el dia- grama p-α de un motor de cuatro tiempos mientras que la 5.11 muestra el de uno de dos tiempos. En los mismos diagramas se han incluido los perio- dos donde tienen lugar cada una de las carreras. Figura 5.10. Diagrama p-α de un motor de 4 tiempos. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 205 Figura 5.11. Diagrama p-α de un motor de 2 tiempos. Como se puede observar, el ciclo del motor de 4 tiempos se repite cada 720º (dos revoluciones del cigüeñal) mientras que el de 2 tiempos se repite cada 360º (una revolución). 5.3.2. Diagrama del indicador Si en lugar de representar la presión en función del ángulo de giro del cigüeñal se representa frente al volumen del cilindro en cada instante se obtiene el denominado diagrama del indicador. Por tanto, el diagrama del indicador se puede definir como el diagrama presión-volumen (p-V) corres- pondiente al gas que evoluciona en el cilindro durante el funcionamiento del motor. Para un motor de 4 tiempos es el representado en la figura 5.12. En él se pueden distinguir los cinco procesos que se mencionaban en el aparta- do 5.1. El lazo superior del diagrama del indicador, en el que el fluido evolucio- na en el sentido de las agujas del reloj, se corresponde con el ciclo termodi- námico del motor (compresión, combustión y expansión) y el área que encierra es el trabajo neto positivo desarrollado por el motor durante dicho ciclo termodinámico (trabajo indicado). El proceso 1→2 es el proceso de compresión. En los MEP se comprime una mezcla de aire y combustible (junto con parte de los gases de escape no evacuados del ciclo anterior); y en los MEC aire (junto con gases de escape MÁQUINASTÉRMICAS 206 Figura 5.12. Diagrama del indicador de un motor de 4 tiempos no evacuados). El proceso es prácticamente adiabático, ya que no existe un gradiente de temperaturas muy elevado entre las paredes del cilindro y el gas que evoluciona. A su vez, en el proceso casi no hay rozamiento entre las paredes del cilindro y el gas (sí hay rozamiento entre los distintos compo- nentes del motor). El proceso 2→3 se corresponde con el proceso de combustión. En él se libera la energía primaria asociada al combustible (m· f · HC) muy rápidamen- te pero no de forma instantánea. La presión es homogénea en toda la cámara (para velocidades de combustión subsónicas) pero la temperatura no, ya que los productos quemados están a mayor temperatura que la masa sin quemar. Durante este proceso existe transmisión de calor del gas hacia las paredes por convección y por radiación. La combustión es ligeramente incompleta, como se explicará en el capítulo 6. El proceso 3→4 es el proceso de expansión. En él se expanden los gases quemados (CO2, H2O, N2 y O2 principalmente) de forma no adiabática (exis- te convección hacia las paredes del cilindro debido a la alta temperatura de los gases). En este caso, el rozamiento entre el fluido y las paredes también se puede considerar despreciable. El proceso que ocurre desde el punto 4 hasta el que el cilindro alcanza el volumen máximo se corresponde escape espontáneo. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 207 Por otro lado, el lazo inferior se corresponde con los procesos de reno- vación de la carga (admisión y escape). En los motores de aspiración natu- ral, la admisión, que evoluciona de izquierda a derecha, se produce a menor presión que el escape, sobre todo en los MEP trabajando a cargas parciales5. En ese caso, el lazo se realiza en sentido anti-horario y el proceso consume trabajo. Se denomina ciclo o lazo de bombeo. En los motores sobrealimen- tados la presión de admisión es mayor a la de escape y el ciclo de bombeo, ahora en sentido horario, aporta trabajo en lugar de consumirlo. En los motores de 2 tiempos el diagrama del indicador es el representado en la figura 5.13. En él también se pueden observar los cinco procesos fun- damentales: compresión (1→2), combustión (2→3), expansión (3→4) yadmisión y escape o barrido (4→1). Figura 5.13. Diagrama del indicador de un motor de 2 tiempos El proceso escape sucede con anterioridad en los motores de 2 tiempos que en los de 4 tiempos, lo que se traduce en una pérdida de trabajo. Esto es debido a que las lumbreras de escape (o las válvulas, en su caso) deben abrirse con la suficiente antelación para que el proceso de barrido sea efec- tivo. En este caso no existe necesariamente el lazo de bombeo (sí puede existir un pequeño lazo debido a las fluctuaciones de presión en el barrido, cerca del PMI), pero la renovación de la carga implica que parte de las carreras de expansión y de compresión sean ineficaces. 5 Como se indica en el apartado siguiente. MÁQUINASTÉRMICAS 208 5.4. PARÁMETROS, PRESTACIONES Y CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR Hasta el momento se han estudiado los conceptos y los fenómenos bási- cos que se presentan en los MCIA desde un punto de vista cualitativo. En este apartado se procede a introducir una serie de parámetros, también ele- mentales, que afectan al diseño del motor y/o definen sus prestaciones. Estos parámetros son el punto de partida para abordar un análisis cuantita- tivo con el que se pueda determinar, por ejemplo, la potencia, el par, el ren- dimiento o el consumo de los distintos tipos de motores, lo que se conoce como prestaciones del motor. Estos factores se dividen en tres grupos: parámetros geométricos, pará- metros operativos (que definen el punto de funcionamiento del motor) y parámetros de funcionamiento (entre los que se encuentran las prestaciones del motor). Parámetros geométricos: — diámetro del cilindro (D); — carrera (S): distancia que recorre el pistón entre el PMS y el PMI; — relación carrera-diámetro (S/D). Por lo general, es menor cuanto más rápido es el motor. A los motores con S/D = 1 se les denomina cua- drados y a los que tienen S/D < 1 supercuadrados; — área del pistón: [5.1] — cilindrada unitaria: VD = Ap · S [5.2] — que es el volumen desplazado por el pistón en una carrera; — número de cilindros (z); — cilindrada total: VT = z · VD [5.3] — volumen de la cámara de combustión (VC); — relación de compresión: [5.4] que siempre es volumétrica en los MCIA; GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 209 — longitud de la biela (l); — longitud de la manivela (R): longitud del brazo del cigüeñal. Coinci- de con la mitad de la carrera S; — relación biela-manivela (l/R); — otros parámetros: la geometría de las válvulas (sección, número de válvulas por cilindro, alzado., etc.), la longitud de los colectores de admisión y de escape, el diagrama de la distribución, entre otros muchos. Figura 5.14. Parámetros geométricos de los MCIA. Parámetros operativos: En lo sucesivo, se va a denominar parámetros operativos a aquellos parámetros que definen el punto de funcionamiento del motor, entendiéndo- se por punto de funcionamiento a las distintas condiciones de trabajo en las que puede estar funcionando el motor. Es decir, el motor no sólo admite una condición de trabajo, por ejemplo, de máxima potencia, sino que puede estar trabajando en otras muy diversas condiciones dependiendo de los paráme- tros operativos que se le impongan. MÁQUINASTÉRMICAS 210 En cada una de estas condiciones se obtienen unas prestaciones deter- minadas (potencia, par, consumo) y, por tanto, los parámetros operativos, al determinar el punto de funcionamiento del motor, determinan sus pres- taciones. Los parámetros operativos de los MCIA son principalmente dos, el régi- men de giro y el grado de carga: — régimen de giro (n): es la velocidad de rotación del motor. Se mide en revoluciones por minuto (min-1) o por segundo (s-1), con unidades de frecuencia. La relación entre el régimen de giro y la velocidad angular del motor (ω) es la siguiente: [5.5] — grado de carga (gc): es el parámetro que determina, para cada régi- men de giro del motor, su punto de funcionamiento. Es decir, un motor que gire a un determinado régimen puede desarrollar más o menos potencia dependiendo del grado de carga con el que se le haga trabajar. En los MEP, la regulación de la carga se logra mediante la estran- gulación del conducto de admisión con una válvula llamada válvula de mariposa. Es decir, la potencia del motor se controla mediante la introducción de más o menos mezcla aire-combustible. El dosado6 de la mezcla se mantiene cercano al estequiométrico (o exactamente estequiométrico en la mayoría de los casos) para que se asegure la propagación del frente de llama durante la combustión. En los MEC, la regulación de la carga se realiza mediante la inyec- ción de más o menos combustible en el proceso de combustión (varia- ción del dosado). La riqueza de la mezcla es siempre pobre (dosados bajos), pero crece conforme aumenta el grado de carga del motor. 6 La definición de dosado se dio en el capítulo 2. En el caso de los MCIA el dosado se puede expresar como el cociente entre gastos másicos de combustible y aire o como el cociente entre la masa de combustible y la de aire que se introducen en el cilindro en cada ciclo: GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 211 El funcionamiento a cargas parciales de los MEC es más eficien- te que el de los MEP al no existir un estrangulamiento en la admi- sión, que produce una mayor depresión en el cilindro que, a su vez, aumenta el trabajo del lazo de bombeo. La expresión para calcular el grado de carga del motor se puede expresar en función de la presión media efectiva del motor (como se verá más adelante) o en función de la apertura de la válvula de mari- posa (sólo en los MEP). Otro parámetro importante, muy relacionado con la velocidad del motor y del que dependerán en gran medida las pérdidas mecánicas, es la veloci- dad lineal media del pistón: — Velocidad lineal media del pistón: Cm = 2 · S · n [5.6] Existen otros parámetros que pueden modificar, dado un régimen de giro y un grado de carga, el punto de operación del motor. Se les denomina reglajes. El usuario final del motor no suele tener control sobre ellos, sino que es el diseñador o fabricante el que los selecciona y ajusta para cada con- dición operativa del motor. Entre ellos están los ángulos que definen el dia- grama de distribución. Parámetros de funcionamiento: De cara a la resolución de problemas, es conveniente saber relacionar los parámetros referidos al ciclo termodinámico (generalmente parámetros indicados) con los referidos al motor (generalmente efectivos). Las siguien- tes expresiones suelen ser de utilidad. a) Parámetros indicados Son los resultados que se obtienen a partir del diagrama del indicador. Consideran exclusivamente el ciclo termodinámico del motor y no el lazo de bombeo (evaluado como una pérdida mecánica y no como parte de los parámetros «indicados»). Se pueden calcular a partir de la evolución de la presión en el cilindro, que se obtiene a través de un captador de presión en la cámara de combustión: — trabajo indicado (Wi): es el trabajo neto desarrollado por el ciclo ter- modinámico básico (procesos de compresión, combustión y expan- MÁQUINASTÉRMICAS 212 sión) en el diagrama del indicador sin tener en cuenta la renovación de la carga; es decir: [5.7] El trabajo indicado específico (wi) es al trabajo indicado por uni- dad de masa por cilindro: [5.8] — Presión media indicada (pmi): es la presión constante a la que debe- ría trabajar el fluido durante una carrera, manteniendo la misma rela- ción de compresión volumétrica, para obtener el mismo trabajo indi- cado: Wi = pmi · VD [5.9] Figura 5.15. Interpretación geométrica de la presión media indicada. La presión media indicada se puede considerar un parámetro equivalente al trabajo indicado pero que es independiente del tamaño del motor. Por ese motivo permite comparar las prestaciones de motores de diferente tamaño. Representa un valor del nivel tecnoló- gico del motor; — potencia indicada (Ni): es la potencia correspondiente al trabajo indi- cado para un determinado régimende giro: GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 213 [5.10] siendo i = 1 para motores de 2 tiempos (una carrera de trabajo por revolución) e i = 1/2 para motores de 4 tiempos (una carrera de tra- bajo cada 2 revoluciones). b) Parámetros efectivos Son los resultados que se pueden obtener en los ensayos del motor en banco de pruebas. Son análogos a los parámetros indicados pero, a diferen- cia de éstos, consideran el motor en su conjunto; por tanto, tienen en cuenta las distintas pérdidas mecánicas del motor, entre las que se incluye el trabajo consumido en el lazo de bombeo, y las magnitudes se refieren a la totalidad del motor y no a un sólo cilindro. — par efectivo (Me); — potencia efectiva (Ne)7. Ne = Me · ω [5.11] — potencia específica efectiva (Ne/VT): Expresa la potencia efectiva del motor por volumen de cilindrada. Es independiente del tamaño del motor, por lo que permite comparar tecnológicamente motores de distinto tamaño; — presión media efectiva (pme) el valor equivalente a la pmi pero con- tabilizando el trabajo efectivo en lugar del indicado: [5.12] es, de nuevo, un valor que mide el nivel tecnológico del motor (cuan- to mayor sea la pmi y menores las pérdidas mecánicas, mayor será la pme) con independencia de su tamaño. Se puede considerar una medida equivalente al par efectivo pero independiente del tamaño del motor. la pme permite cuantificar el grado de carga del motor a partir de la siguiente expresión: [5.13] 7 Se suele expresar en kW o MW, aunque otras unidades utilizadas son el CV (1 CV = 0,7355 kW) y el HP (1 HP = 0,7457 kW) MÁQUINASTÉRMICAS 214 Siendo pmemax,n la presión media efectiva máxima con la que el motor puede trabajar para un régimen de giro n dado. c) Parámetros de pérdidas mecánicas: — potencia consumida por pérdidas mecánicas del motor: Npm = Ni – Ne [5.14] — presión media de pérdidas mecánicas (pmpm): [5.15] d) Rendimientos y consumos — rendimiento indicado. Es el cociente entre la potencia indicada y el calor aportado por el combustible: [5.16] donde HC es el poder calorífico inferior del combustible; — rendimiento efectivo: es la potencia efectiva que desarrolla el motor dividida por la cantidad de calor aportado por el combustible: [5.17] el rendimiento efectivo de los MEP suele tomar valores máximos (a plena carga) aproximadamente de 0,25 a 0,30, mientras que los MEC alcanzan de 0,30 hasta 0,50. En los MEP, además, el rendimiento se reduce cuando opera a cargas parciales por la forma de efectuar la regulación de la carga, mientras que en los MEC se mantiene casi constante e incluso aumenta, como se verá, por utilizar dosados más pobres. — rendimiento mecánico: es el cociente entre la potencia efectiva y la indicada: [5.18] GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 215 — consumo específico efectivo: es el gasto másico de combustible por unidad de potencia desarrollada: [5.19] se expresa en e indica la cantidad de combustible necesaria para desarrollar 1 kWh de energía. Es inversamente proporcional al rendimiento efectivo: [5.20] Llenado del motor: La introducción de masa fresca en el motor (llenado del motor) durante la renovación de la carga es una cuestión de gran relevancia en las presta- ciones del motor. En efecto, cuanto más eficiente sea la renovación de la carga, mayor cantidad de masa fresca será introducida (con el incremento de potencia asociado) y existirán menores pérdidas de carga (con el aumento de rendimiento que conlleva). Por ese motivo, existen parámetros para eva- luar la bondad del llenado del motor respecto de una condición de referen- cia, considerada el llenado ideal. Este llenado ideal es inalcanzable debido a las ineficiencias de los procesos. En el caso de motores de cuatro tiempos, se define el rendimiento volu- métrico como el cociente de la masa fresca introducida en el cilindro en cada ciclo frente a una masa de referencia. Esta masa de referencia es el volumen de desplazamiento del pistón por la densidad en condiciones ambientales (si el motor está sobrealimentado se debe tener en cuenta la densidad en el colector de admisión, justo antes de la entrada al cilindro). El proceso más adecuado para obtener dicha masa de referencia sería un llena- do cuasiestático del motor, sin efectos dinámicos ni pérdidas por rozamien- to. Se define en la ecuación 5.21. [5.21] MÁQUINASTÉRMICAS 216 La masa fresca es masa de aire en los MEC y mezcla aire-combustible en los MEP. Sin embargo, en éstos últimos, se puede considerar la masa de aire despreciando la de combustible sin cometer grandes errores. En caso de trabajar con gastos másicos en lugar de masa de por cilindro, se puede emplear la siguiente expresión: [5.22] Para medir la bondad del llenado en los motores de dos tiempos se defi- nen otra serie de coeficientes que no serán objeto de estudio en el presente texto. Curvas características: Las curvas características de un MCIA son las curvas que representan las prestaciones del motor en función del los parámetros operativos. Las curvas más importantes son las que relacionan la potencia, el par y el gasto efectivo en función del régimen de giro y el grado de carga del motor. Se ilustran unos ejemplos en la figura 5.16. Figura 5.16. Curvas características de los MEP y los MEC sin sobrealimentar. Las curvas de potencia y par a plena carga indican la potencia efectiva y el par efectivo máximo que el motor puede alcanzar en cada régimen de giro. Es decir, el motor puede funcionar en cualquier punto que se encuentre en dichas curvas (gc = 1) o por debajo de ellas (gc < 1). GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 217 En las curvas se observa que la potencia efectiva máxima del motor se alcanza a mayor régimen de giro que el par máximo. Este rango de funcio- namiento (entre el régimen de máximo par y el de máxima potencia) es donde el motor tiene un mejor comportamiento, puesto que se trabaja con una potencia y un par elevado y, además, la pendiente de la curva de par es descendente, lo que mejora la respuesta del motor ante aumentos en los requerimientos de par. A la diferencia entre el régimen de giro de potencia máxima y el de par máximo se le denomina elasticidad del motor. Por lo general, los MEC alcanzan el par máximo a menor régimen de giro que en los MEP y su curva de potencia, en algunos casos, no presenta un máximo (como ocurre en los MEP) sino que hay motores en los que es siempre cre- ciente con el régimen de giro. El régimen de giro máximo de los MEC (régi- men de corte de la inyección) también es menor que el de los MEP (los MEC son motores más lentos). Finalmente, las curvas de iso-consumo específico son curvas de nivel de consumo específico efectivo (g/kWh) constante. El punto de consumo míni- mo se encuentra, tanto en los MEP como en los MEC, a bajo régimen de giro y sin llegar a plena carga. Como se observa, las curvas características dan información sobre los parámetros efectivos. Por tanto, se obtienen en los ensayos del motor en los bancos de prueba. En lugar de representar la potencia, el par y el gasto efec- tivo se pueden representar las variables equivalentes independientes del tamaño del motor: la potencia específica8, la presión media efectiva y el ren- dimiento efectivo respectivamente. EJEMPLO 5.1 Un motor diesel de automoción de cuatro tiempos y 6 cilindros en línea tiene una cilindrada de 3798 cm3, una relación carrera-diámetro de 1,2, una relación de compresión de 18:1 y una relación biela-manivela de 2,5. Se propone calcular el diámetro y la carrera de cada cilindro, el área del pistón, el volumen total del cilindro y el de la cámara de combustión así como la longitud de la biela y de la manivela. Se propone, igualmente, determinar la velocidad media lineal del pistón si el motor gira a 2300 min-1. 8 Se emplea con mayor frecuencia la potencia por unidad de superficie del pistón o carga térmica. MÁQUINASTÉRMICAS 218 SOLUCIÓN: Se sabe que la cilindrada del motor es VT = 3798cm3 y que el número de cilindros es z = 6. Por tanto, la cilindrada unitaria se calcula con la siguiente expresión: A su vez, se conoce la relación diámetro-carrera (S/D = 1,2), por lo que el diámetro y la carrera del cilindro, así como el área del pistón se pueden calcular con el siguiente desarrollo: Para calcular el volumen total y el de la cámara de combustión de cada cilindro es necesario emplear el valor de la relación de compresión propor- cionada: Por otro lado, la longitud de la manivela es la mitad de la carrera, por lo que su valor es R = S/2= 5,25 cm. Como se conoce la relación biela-mani- vela (l/R = 2,5), la longitud de la biela se deduce según la expresión: l = 2,5R = 13,14 cm Por último, se propone calcular la velocidad media lineal del pistón si el motor gira a 2300 min-1. Para ello se debe utilizar la siguiente expresión: GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 219 EJEMPLO 5.2 El motor del ejemplo anterior se monta en un banco de ensayo donde desarrolla, bajo unas determinadas condiciones y a 2300 min-1, una potencia efectiva de 88 kW y un trabajo indicado de 870 J. Se pide determinar la potencia específica, el par efectivo y la presión media efectiva en dichas condiciones así como la potencia indicada y la presión media indicada. Determinar igualmente la potencia perdida por las pérdidas mecánicas. SOLUCIÓN: La potencia específica es la potencia que proporciona el motor por uni- dad de cilindrada. De ese modo se obtiene: El par efectivo se relaciona directamente con la potencia efectiva y la velocidad de giro del motor según la expresión: En cuanto a la presión media efectiva, ésta se puede calcula a través de la siguiente expresión: MÁQUINASTÉRMICAS 220 Por otro lado, la potencia y la presión media indicada se pueden calcular utilizando el valor del trabajo indicado: La potencia perdida en pérdidas mecánicas es la diferencia entre la potencia indicada y la efectiva. De esa forma: Npm = Ni – Ne = 100,1 – 88 = 12,1 kW EJEMPLO 5.3 Del motor de los ejemplos anteriores, se pide calcular el gasto másico de combustible y de aire, el dosado con el que trabaja, la masa de aire por embolada admitida en cada cilindro en cada ciclo, el rendimiento indicado, el mecánico y el consumo específico, sabiendo que el rendimiento efectivo del motor es del 43%, el rendimiento volumétrico es del 82%, que la densi- dad del aire en condiciones ambientales es de 1,22 kg/m3 y que el poder calorífico del combustible es 42500 kJ/kg. SOLUCIÓN: El gasto de combustible se puede conocer sabiendo el rendimiento efec- tivo del motor, la potencia efectiva y el poder calorífico del combustible, según la siguiente expresión: El gasto másico de aire, por su parte, se puede calcular con el rendimien- to volumétrico, la cilindrada y el régimen de giro: GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 221 Por tanto, el dosado con el que trabaja el motor es: La masa de aire por embolada es: El rendimiento indicado es el cociente entre la potencia indicada y la potencia térmica aportada al motor: El rendimiento mecánico se puede calcular dividiendo la potencia efec- tiva entre la indicada: El consumo específico se define como el cociente entre el gasto de com- bustible y la potencia desarrollada, por tanto: 5.5. CICLOS DE AIRE EQUIVALENTE El estudio del ciclo termodinámico de los motores no se puede realizar de una forma sencilla a través del ciclo termodinámico real que sigue el flui- do de trabajo porque los procesos reales son complejos de modelar con pre- cisión. Para un primer estudio del comportamiento termodinámico de los MCIA se debe, por tanto, adoptar una serie de simplificaciones que permi- tan extraer conclusiones razonables a través de modelos teóricos simples MÁQUINASTÉRMICAS 222 que se asemejen con cierta precisión a la realidad. En este apartado se des- arrollan los modelos teóricos sencillos que se utilizan para estudiar a los MEP y a los MEC. Se debe destacar que estos ciclos son válidos para estudiar el comporta- miento del motor desde un punto de vista cualitativo. Los resultados numé- ricos que se desprenden de ellos no son válidos debido a las simplificacio- nes adoptadas. 5.5.1. Ciclo de aire equivalente de volumen constante El ciclo de aire equivalente de volumen constante es el ciclo teórico, simplificado, a través del cual se estudia el comportamiento de los MEP. Hay que resaltar que el ciclo equivalente es un ciclo de aire, no una simula- ción del ciclo real, en el que el fluido de trabajo es primero una mezcla de aire y combustible y posteriormente gases de combustión. En este ciclo equivalente se mantienen en común con el ciclo real: — la sucesión de los procesos; — la relación de compresión volumétrica; — la energía aportada por unidad de masa de aire (F · HC); — la presión y la temperatura al inicio de la compresión. Las simplificaciones adoptadas son: — no existen fugas de masa; — no hay rozamiento del fluido con las paredes; — el fluido es simplemente aire y se considera que es un gas ideal; — el aporte de calor es instantáneo y en el PMS; — no hay pérdidas de calor; — el escape espontáneo es instantáneo y en el PMI. El diagrama p-V de este ciclo teórico se muestra en la figura 5.17. Teniendo en cuenta las simplificaciones anteriores, el proceso de compre- sión (1→2) es adiabático y sin rozamiento, el aporte de calor (equivalente GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 223 al proceso de compresión) (2→3), se produce a volumen constante, la expansión (3→4) es adiabática y sin rozamiento y el escape espontáneo (4→1) es a volumen constante. Figura 5.17. Diagrama p-V del ciclo de aire equivalente de volumen constante Cálculo del trabajo y del rendimiento térmico del ciclo ideal: El trabajo producido por el motor (según el ciclo teórico) será la diferen- cia entre el trabajo producido durante el proceso de expansión y el consu- mido durante la compresión. Partiendo del Primer Principio de la Termodi- námica y sabiendo que el proceso de expansión es isentrópico (adiabático sin rozamiento) se tiene: [5.23] o bien [5.24] donde tanto el trabajo como la energía interna se expresan como magni- tudes específicas (por unidad de masa). Si se considera el aire como un gas ideal de calor específico constante, u = cv · t, y se obtiene: [5.25] Análogamente, para el proceso de compresión se llega a la expresión: [5.26] MÁQUINASTÉRMICAS 224 El trabajo del ciclo será, por tanto: [5.27] El rendimiento térmico del ciclo se obtiene dividiendo el trabajo produ- cido entre el calor aportado: [5.28] El calor aportado, al liberarse a volumen constante en el PMS se puede expresar como: [5.29] La expresión para calcular el rendimiento se obtiene sustituyendo las ecuaciones [5.27] y [5.29] en la [5.28]: [5.30] Teniendo en cuenta que el proceso de compresión (1→2) es isentrópico y que el gas es ideal se tiene que [5.31] Operando análogamente para el proceso de expansión (3→4): [5.32] Y, por tanto: [5.33] Introduciendo las relaciones [5.31], [5.32] y [5.33] en [5.30] se obtiene la expresión: GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 225 [5.34] siendo r la relación de compresión volumétrica y γ la relación de calores específicos del gas. Las conclusiones que se pueden extraer de la expresión anterior son las siguientes: Figura 5.18. Diagrama T-s de dos ciclos de diferente relación de compresión e igual calor aportado. 1. El rendimiento térmico del ciclo teórico depende únicamente de la relación de compresión y de γ. Esta dependencia es cierta también para el rendimiento térmico real del motor, aunque intervienen ade- más otros factores. Los rendimientos reales son menores que los obtenidos para el ciclo teórico con la expresión [5.34]. 2. Cuanto mayor es la relación de compresión mayor es el rendimiento que se alcanza. Por lo tanto, en el diseño de los MEP se tiende a aumentar la relación de compresión, aunque el valor queda limitadopor la aparición de la combustión detonante9. A esta conclusión se puede llegar tanto desde el análisis de la ecuación [5.34] como desde el diagrama T-s del ciclo (figura 5.18). 9 Lo que se conoce en el campo de los MCIA como combustión detonante se explica en el capí- tulo 6. MÁQUINASTÉRMICAS 226 GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 227 En la figura anterior se comparan dos ciclos con distinta relación de compresión en los que el calor aportado es el mismo (F·HC). Al aportar el mismo calor, las áreas que se encuentran por debajo de las líneas de los procesos 2→3 y 2’→3’ son iguales. Por el contrario, se observa que el área bajo la línea del proceso 4→1 (ciclo de menor relación de compresión) es mayor que la del 4’→1’. Por tanto, se deduce que el área encerrada o el trabajo desarrollado por el ciclo 1- 2-3-4-1 es menor que el correspondiente al 1’-2’-3’-4’-1’ y lo mismo ocurre con el rendimiento, al aportar el mismo calor a ambos ciclos (ver ecuación [5.28]). 3. El rendimiento del ciclo de aire equivalente aumenta cuando se incre- menta γ. Para el aire, la relación entre calores específicos vale γ ≈ 1,4. Sin embargo, hay que tener en cuenta que, en el ciclo real, durante la compresión, el fluido que evoluciona en un MEP es una mezcla de aire y combustible y, durante la expansión, evolucionan los gases resultantes de la combustión. Ambos gases tienen un γ menor que el del aire y, además, disminuye cuanto más rica es la mezcla (al aumentar el dosado, la mezcla y los gases de combustión se parecen menos al aire). Por lo tanto, para aumentar el rendimiento termodiná- mico del motor, es recomendable utilizar mezclas pobres (dosados pequeños). El rendimiento de un MEP mejora conforme se aumenta la relación de compresión y se disminuye el dosado Cálculo del trabajo y del rendimiento indicado: El diagrama indicado real de un MEP difiere del diagrama p-V del ciclo de aire equivalente de volumen constante. Estas diferencias son debidas a que el ciclo real presenta pérdidas por transmisión de calor (aproximada- mente el 12% del Wid), pérdidas de tiempo en la combustión (aprox. 7%) y pérdidas debidas al escape espontáneo (aprox. 3%). Por esos motivos, el tra- bajo y el rendimiento indicado son menores en el proceso real que en el teó- rico. A la relación entre el rendimiento indicado y el rendimiento termodiná- mico teórico se le denomina coeficiente de calidad del ciclo y depende de las pérdidas enumeradas anteriormente. Se calcula según la siguiente expre- sión: [5.38] Figura 5.19. Pérdidas del ciclo real con respecto al de aire equivalente. EJEMPLO 5.4 De un ciclo de aire de volumen constante se conocen los siguientes datos: — las condiciones del aire al inicio del ciclo ...............288,15 K y 1 bar — la relación de compresión...............................................................9:1 — la presión máxima del ciclo ....................................................150 bar — las propiedades del aire.......................................cp = 1 kJ/kg, γ = 1,4 Se pretende calcular la temperatura y la presión en cada uno de los pun- tos, así como el calor por unidad de masa aportado al ciclo. MÁQUINASTÉRMICAS 228 SOLUCIÓN: Punto 1: De los datos del se sabe que: T1 = 288,15 K p1 = 1 bar Aunque no es estrictamente necesario para la resolución del problema, se procede a calcular el volumen específico en el estado 1: donde se ha tenido en cuenta que R = cp – cv y que cp / cv = γ, por lo que resulta R = 285,7 J/(kg K). Punto 2: El proceso 1→2 es adiabático y sin rozamiento, por lo que la evolución del aire es isentrópica. Una vez que se ha supuesto que el aire es gas ideal con cp constante se cumple: Como se conoce la relación de compresión, se puede calcular p2: Asimismo, se puede hallar la temperatura en el punto 2, dado que la evo- lución es isentrópica y se supone gas ideal con cp constante: El cálculo de la temperatura del punto 2 se podría haber hecho a través del cálculo del volumen específico de la siguiente forma: v2 = v1 / rc = 0,091 m3/kg GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 229 Punto 3: La presión del punto 3 se conoce del enunciado, y se sabe que el proceso 2→3 es un aporte de calor a volumen constante. Por tanto se tiene: La temperatura calculada se corresponde con la máxima temperatura del ciclo de aire a volumen constante. Se observa, su valor es excesivamente alto, y sería inadmisible para el motor real. En la realidad, la temperatura alcanzada en la combustión es de unos 2000 ºC. La presión del punto 3 tam- bién es elevada, ya que en los ciclos reales no se suele llegar a los 100 bar. El calor aportado por unidad de masa se puede calcular a partir del pri- mer principio aplicado al proceso, sabiendo que es un proceso a volumen constante y, por tanto, en ausencia de trabajo: donde se ha tenido en cuenta de nuevo que cp / cv = γ, por lo que resulta cv = 0,714 kJ/(kg K). Punto 4: La evolución 3→4 se considera, de nuevo, adiabática y reversible en el ciclo teórico. Por tanto, la presión y la temperatura se calculan de la siguien- te forma: Se observa que la temperatura es igualmente demasiado alta comparada con las reales, que toman el valor de aproximadamente 400-500 ºC. MÁQUINASTÉRMICAS 230 5.5.2. Ciclo de aire equivalente de presión limitada El ciclo de aire equivalente de presión constante es el ciclo teórico que se utiliza para estudiar los MEC. Se reitera que es un ciclo equivalente, ide- alizado, por el que solo evoluciona aire durante todo el ciclo y cuyo objetivo es evaluar cualitativamente el comportamiento de un MEC y no su simula- ción de forma precisa. En este caso, mantiene en común con el ciclo real las mismas características mencionadas para el ciclo de volumen constante (es decir, la sucesión de los procesos, la relación de compresión volumétrica, la energía aportada por unidad de masa y la presión y la temperatura al inicio de la compresión). Además, se mantiene también la presión máxima que se alcanza en la combustión. Las simplificaciones son las mismas que se adoptaban en el ciclo de volumen constante excepto que el aporte de calor (equivalente al proceso de combustión) no se considera instantáneo sino que se realiza en dos etapas: la primera a volumen constante y la segunda a presión constante (igual a la presión máxima del proceso real). Esta última simplificación se adopta para asemejar mejor el ciclo teórico al real, ya que, como se verá en el capítulo de combustión en los MEC, la combustión se realiza en tres fases; las dos primeras son rápidas y se puede suponer, en el ciclo teórico, que suceden a volumen constante mientras que la tercera es más larga y se produce junto con la expansión. De esa forma, los procesos que considera el ciclo de aire de presión limi- tada son los siguientes: el proceso de compresión (1→2) adiabático y sin rozamiento, el de aporte de calor (2→3b) que se realiza en las dos etapas descritas, la expansión (3b→4) adiabática y sin rozamiento y el escape espontáneo (4→1) a volumen constante. El diagrama p-V se representa en la figura 5.20: Como se considera que el aporte de calor sucede en dos etapas se deben definir los siguientes parámetros: Grado de aporte de calor a volumen constante: [5.36] Grado de aporte de calor a presión constante: [5.37] GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 231 Figura 5.20. Diagrama p-V del ciclo de aire equivalente de presión limitada. Cuando el grado de aporte de calor a volumen constante toma el valor unidad, el ciclo se denomina ciclo de aire de presión constante, y se puede emplear para analizar cualitativamente motores diesel muy lentos (aplica- ciones marinas o producción de energía eléctrica). Cálculo del trabajo y del rendimiento térmico del ciclo teórico: El rendimiento térmico del ciclo se define como el trabajo producido dividido por el calor aportado, es decir: [5.38] El trabajo producido se podría calcular,al igual que en el ciclo de volu- men constante, como la diferencia entre el trabajo de expansión menos el de compresión. Sin embargo, en este caso es más sencillo calcularlo aplicando el balance de energía al ciclo completo: [5.39] Teniendo en cuenta que Q2→3b = Q2→3a + Q3a→3b, que se aportan a volu- men constante y a presión constante respectivamente, y que Q4→1 se cede a volumen constante, la expresión [5.38] se puede escribir10: 10 MÁQUINASTÉRMICAS 232 GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 233 [5.40] Teniendo en cuenta que los procesos 1→2 y 3b→4 son isentrópicos, que los procesos 2→3a y 4→1 son isócoros y que el proceso 3a→3b es isóbaro, la ecuación anterior se puede expresar en función de la relación de compre- sión volumétrica y los parámetros α y β: [5.41] Esta expresión sirve para hallar las tendencias fundamentales que sigue el rendimiento térmico de los MEC. Las conclusiones más importantes son las siguientes: 1. Para un calor aportado dado (mf HC = Q2→3b = cte) y una relación de compresión volumétrica dada, el rendimiento es mayor cuanto mayor es α (y, por tanto, cuanto menor es β). Esta conclusión se puede extraer, de nuevo, tanto desde el análisis de la ecuación [5.41] como desde el diagrama T-s. Efectivamente, como se ve en la figura 5.21, manteniendo el calor aportado al ciclo (área por debajo de los proce- sos 2→3b y 2’→3b’) y la relación de compresión volumétrica, cuan- to mayor es el calor que se cede al ambiente, equiva- lente al área por debajo de los procesos 4→1 y 4’→1’, es menor y, por tanto, el rendimiento es mayor. Lo anterior significa, como se ve en la misma figura, que el ren- dimiento aumenta conforme aumenta la presión máxima. Por ese motivo se tiende a diseñar los MEC con una presión máxima elevada, aunque se debe limitar (actualmente a unos 200 bar) por razones de resistencia mecánica, resistencia térmica y ruido. Igualmente, se puede decir que el rendimiento aumenta cuando la combustión es más rápida. 2. Para un calor aportado dado y una presión máxima limitada dada, el rendimiento aumenta conforme crece la relación de compresión. En MÁQUINASTÉRMICAS 234 Figura 5.21. Diagrama T-s de dos ciclos de diferente α y β e igual calor aportado y r. la figura 5.22 se analizan dos casos en los que se mantiene el calor aportado y la presión máxima de combustión La explicación termo- dinámica se puede razonar de forma similar al caso anterior. Figura 5.22. Diagrama T-s de dos ciclos de distinta r e igual calor aportado y presión máxima. Dicho crecimiento es menos significativo conforme se continúa aumentando la relación de compresión (figura 5.23), por lo que no se suele llegar al caso extremo de α = 1. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 235 Figura 5.23. Variación del rendimiento térmico en función de r. La razón por la que no se llega al ciclo extremo de α = 1 se debe a que, a la hora de maximizar el rendimiento termodinámico real del motor (no el teórico), no sólo influye la relación de compresión, sino que también influyen otros parámetros que determinan la evolución del proceso de combustión (como, por ejemplo, el ángulo de avance de la inyección, el tiempo de retraso o la ley de inyección, que se estudiarán en el capítulo 6) que modifican el comportamiento predi- cho por el modelo teórico. Para una relación de compresión constante y una presión máxima dada, si se modifica el calor aportado (equivalente a inyectar combustible durante más tiempo), el grado de aporte de calor a presión constante (β) aumenta y el rendimiento térmico disminuye (este comportamiento es se justifica sobre el diagrama T-s porque las línea de presión constante 3a-3b tiende a conver- ger con la de volumen constante 4-1, resultando que la relación de tempera- turas de aporte y cesión de calor disminuye. También se puede deducir de la expresión 5.41). Estas condiciones se dan en los motores reales al aumen- tar el grado de carga del motor. El comportamiento predicho por el modelo teórico se manifiesta también en el motor real, aún incluso más acusado ya que la combustión se dificulta al aumentar la inyección de combustible y, además, el valor de γ disminuye al ser la mezcla global más rica, lo que con- tribuye también a la disminución del rendimiento. El rendimiento de un MEC mejora conforme se aumenta la presión máxima y conforme se disminuye el dosado. Para una presión máxima dada, el rendimiento aumenta conforme crece la relación de compresión. MÁQUINASTÉRMICAS 236 Cálculo del trabajo y del rendimiento indicado: Al igual que en el caso del ciclo de volumen constante, para el ciclo de presión limitada se define el coeficiente de calidad del ciclo como la rela- ción entre el rendimiento indicado y el rendimiento termodinámico del ciclo teórico. [5.42] EJEMPLO 5.5 Del un ciclo de aire de presión limitada a 180 bar se conocen los siguien- tes datos: — las condiciones del aire al inicio del ciclo ...............288,15 K y 1 bar — temperatura al finalizar el proceso de compresión ...................875 K — el grado de aporte de calor a presión constante .............................1,2 — las propiedades del aire.......................................cp = 1 kJ/kg, γ = 1,4 Se pide calcular la relación de compresión, el grado de aporte de calor a volumen constante, el calor aportado a volumen constante y a presión cons- tante y el trabajo específico producido por el ciclo. SOLUCIÓN: Relación de compresión: Para hallar la relación de compresión, es preciso conocer los puntos 1 y 2 del ciclo. De los datos del se sabe del punto 1 que: T1 = 288,15 K p1 = 1 bar Y del punto 2 se conoce la temperatura y que ha sido obtenido mediante un proceso isentrópico desde el punto 1. Por tanto se cumple: GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 237 Las igualdades anteriores son válidas en procesos isentrópicos para gases ideales de cp constante. Utilizando la última igualdad de las mostra- das, que relaciona las temperatura y el volumen específico se tiene: Al igual que en el ejemplo 5.4, la presión en el punto 2 se puede calcular con la segunda de las igualdades indicadas para los procesos isentrópicos: Grado de aporte de calor a volumen constante: El grado de aporte de calor a volumen constante se define como α = p3/p2. Por tanto, resulta: Calor aportado a volumen constante y a presión constante: El calor aportado a volumen constante tiene lugar en el proceso 2→3a. Aplicando el Primer Principio, se tiene: Como se observa, resulta necesario calcular la temperatura del punto 3a. Al ser el proceso isócoro: Donde el calor específico a volumen constante se ha hallado mediante el calor específico a presión constante y la relación entre calores específicos γ. Del enunciado se sabe que β = 2, por lo que se puede calcular la tempe- ratura del punto 3b, sabiendo que el proceso 3a→3b es isóbaro: MÁQUINASTÉRMICAS 238 Se observa, de nuevo, que la temperatura al final del proceso de combus- tión es muy alta comparada con las temperaturas reales, cercanas a 2000ºC. El calor aportado a un sistema cerrado a presión constante es, como se recordaba en el capítulo 2, el salto entálpico. Por tanto: Desarrollo que es solo válido si el proceso es isóbaro y se supone gas ideal con cp constante. El calor aportado total sería la suma de los dos: q2→3b = q2→3a + q3a →3b = 2326,2 kJ/kg Cálculo del trabajo del ciclo: Para calcular el trabajo que se obtiene del ciclo de presión limitada se puede aplicar el Primer Principio al ciclo completo: Para calcular el calor cedido en el proceso 4→1 es necesario conocer el estado térmico del aire en el punto 4. El volumen específico es el mismo que en el punto 1 y se sabe que el proceso desde el punto 3b hacia 4 isentrópico: La temperatura de escape es también, en este caso, muy elevada compa- rado con las reales. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 239 Como el proceso 4→1 es isócoro, el calorcedido es: Finalmente: EJEMPLO 5.6 De un motor de 1998 cm3 de cilindrada, cuatro cilindros y cuatro tiem- pos se desarrollan dos versiones; una de gasolina con una relación de com- presión 9:1 y otra de gasóleo con una relación de compresión de 19:1. La temperatura y la presión ambiental son, respectivamente, 15 ºC y 0,90 bar. Si se supone que las condiciones de entrada en la admisión de los motores son exactamente las ambientales se propone calcular la temperatura y pre- sión en cada punto de los ciclos teóricos de aire equivalente para cada motor, así como el trabajo indicado de dichos ciclos, el rendimiento y la potencia que se obtendría si ambos motores trabajasen a 3000 min-1 siendo los rendimientos volumétricos del 80% para el MEP y 90% para el MEC. Si las potencias efectivas reales de los motores son 60 kW para el de gasolina y 55 kW para el de gasóleo se pide determinar los coeficientes de calidad del ciclo sabiendo que los rendimientos mecánicos son 90% para el MEP y 92% para el MEC. Datos adicionales: Dosado relativo del motor de gasolina: FR = 1. Dosa- do relativo del motor de gasóleo FR = 0,7. Fórmula equivalente de la gaso- lina y el gasóleo: C7H14 y C16H28, respectivamente. Poder calorífico de la gasolina: 42000 kJ/kg. Poder calorífico del gasóleo: 42500 kJ/kg. Calor específico del aire: 1 kJ/(kg K). Relación entre calores específicos del aire: 1,4. Presión máxima de combustión en el MEC: 140 bar. SOLUCIÓN: Realizando los cálculos análogos a los del ejemplo 5.1 se puede calcular la cilindrada unitaria y el volumen de las cámaras de combustión en las dos versiones del motor, que en este caso quedan: MÁQUINASTÉRMICAS 240 VD = 499,5 cm3 VC gasolina = 62,44 cm3 VC gasóleo = 27,75 cm3 A continuación se calcula el dosado de ambos motores, que posterior- mente será necesario para calcular el calor aportado al ciclo en el proceso de combustión. A tal efecto, se debe hallar el dosado estequiométrico, cal- culando la cantidad de aire que hace falta para quemar cada kg de combus- tible. En el caso de la combustión de la gasolina, la reacción directa de com- bustión es: Según la reacción, son necesarios g de aire por cada 7 · 12 + 14 = 98 g de gasolina. Por tanto, el dosado este- quiométrico para el motor de gasolina vale: El dosado del motor es el estequiométrico al ser FR=1. En cuanto a la reacción del gasóleo se tiene: El dosado estequiométrico es, en este caso: y, al ser FR = 0,7, el dosado del motor es F = 0,7·1/14,4 = 0,0488 (∼1/20,5). GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 241 Cálculo de la versión de gasolina: La versión del motor que emplea gasolina como combustible será un MEP, por lo que el ciclo teórico equivalente será el ciclo de aire de volumen constante. El diagrama p-V que sigue dicho ciclo se representa en la figura 5.17, y se desea saber la presión y la temperatura en cada uno de los puntos que apa- recen en la figura. Punto 1: De los datos del ejemplo se sabe que: T1 = 15 + 273,15 = 288,15 K p1 = 0,90 bar Punto 2: El proceso 1→2 en el ciclo teórico se supone adiabático y sin rozamien- to, por lo que la evolución del aire es isentrópica: donde V1 = VD + VC = 499,5 + 62,44 = 561,94cm3 y V2 = VC = 62,44cm3. Conocidos la presión en el punto 1 y los volúmenes V1 y V2 se despeja el valor de p2: Por su parte, la temperatura del punto 2 se puede calcular usando la ecua- ción de los gases perfectos: Punto 3: El proceso 2→3 se considera un aporte de calor a volumen constante, por tanto, aplicando el Primer Principio de la termodinámica se obtiene la temperatura del punto 3: Δu = cv · (T3 – T2) = q MÁQUINASTÉRMICAS 242 De los cálculos realizados anteriormente se conoce el dosado del motor, por lo que se puede calcular el calor aportado en cada ciclo: Para calcular cv se deben utilizar la siguiente relación: Finalmente, la temperatura T3 queda: Como se dijo en el ejemplo 5.4, la temperatura obtenida es la correspon- diente al ciclo teórico equivalente y se observa que su valor es excesivamen- te alto. La presión se puede calcular utilizando de nuevo la ecuación de los gases ideales, aplicado en este caso a un proceso isócoro: Punto 4: La evolución 3→4 se considera, de nuevo, adiabática y reversible en el ciclo teórico. La presión y la temperatura son las siguientes: GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 243 Se observa de nuevo que la temperatura es igualmente demasiado alta comparada con las reales, que toman el valor de aproximadamente 400- 500 ºC. Cálculo del trabajo, del rendimiento y de la potencia: El trabajo que se obtiene según el ciclo teórico es el trabajo desarrollado en la expansión menos el invertido en la compresión: Por otro lado, el rendimiento toma el siguiente valor: cuyo valor es extraordinariamente alto al tratarse de un ciclo ideal. Finalmente, la potencia que desarrollaría el motor según dicho ciclo sería: Donde se tiene en cuenta que el fluido que evoluciona según el ciclo teó- rico es exclusivamente aire, que llena el cilindro completamente en el pro- ceso de admisión. Se advierte igualmente que las unidades empleadas para el régimen de giro en la expresión anterior son 1/s. Para calcular la densidad en el punto 1 es preciso conocer la constante R del aire: R = cp – cv = 0,286 kJ/(kg K) Y la potencia queda: MÁQUINASTÉRMICAS 244 Cálculo de la versión de gasóleo: La versión de gasóleo será un MEC, siendo el ciclo de aire de presión limitada el ciclo teórico empleado en su estudio. La presión máxima de combustión, como cita el enunciado, es 140 bar. El diagrama que representa el ciclo de presión limitada se ilustra en la figura 5.20. Punto 1: T1 = 15 + 273,15 = 288,15 K p1 = 0,90 bar Punto 2: El proceso 1→2 se considera adiabático y sin rozamiento. Análogamen- te al caso del MEP, la presión y la temperatura son: donde se ha tenido en cuenta que V1 = VD + VC = 499,5 + 27,75 = 527,25cm3 y que y V2 = VC = 27,75cm3. Punto 3a: Del punto 3ª se conoce la presión, que será la máxima del ciclo, es decir: P3a = 140 bar La temperatura se calcula mediante la siguiente expresión: Punto 3b: Para llegar a la temperatura anterior se ha necesitado invertir q2→3a = cv · (T3a – T2) = 0,714 · (2359,12 – 935,73) = 1016,76kJ / kg. Como el calor aportado por el combustible es GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 245 , el calor que resta por introducir es: El proceso 3a→3b, por definición, es isóbaro. La presión es constante e igual a 140 bar y la temperatura en el punto 3b se calcula mediante la siguiente expresión: Se observa, al igual que en el caso anterior, que la temperatura máxima alcanzada es muy elevada. Esto se debe a que el ciclo empleado es un ciclo teórico idealizado. No obstante, la temperatura en el ciclo de presión limi- tada es menor que en el ciclo de volumen constante, ya que parte del aporte de calor tiene lugar durante la carrera de expansión, lo que atenúa en parte el aumneto de temperatura. El volumen del cilindro en el punto 3b se calcula a continuación: Punto 4: Por último, la evolución entre el punto 3b y 4 se considera adiabática reversible, por lo que la presión y la temperatura son: De nuevo, la temperatura de escape es muy elevada por las razones ya apuntadas. MÁQUINASTÉRMICAS 246 Cálculo del trabajo, del rendimiento y de la potencia: Para calcular el trabajo que se obtiene del ciclo de presión limitada se puede aplicar el Primer Principio al ciclo completo: El rendimiento se calcula dividiendo el trabajo entre el calor aportado al ciclo: Como se observa, el rendimiento vuelve a ser extraordinariamente alto, debido a que se trata del ciclo teórico. Estos ciclos, como se dijo en el texto, sólo sirven para extraer conclusiones cualitativas y no cuantitativas, ya que los resultados se alejan bastante de la realidad. La potencia se obtiene como en el caso del MEP: Cálculo de los coeficientes de calidad: El coeficiente de calidad del ciclo equivalente se define como elcociente entre el trabajo indicado y el trabajo obtenido por el ciclo teórico. Para cada una de las versiones del motor es el siguiente: 5.6. OTROS MOTORES VOLUMÉTRICOS Aunque no son objeto de estudio en el presente texto, a lo largo de la his- toria de los motores térmicos han existido numerosos otros tipos distintos de los aquí estudiados (que son los mayoritariamente empleados). Entre ellos cabe destacar los que se mencionan a continuación. El antecedente más cercano a los motores de combustión interna alterna- tivos, que coexistió con las últimas máquinas de vapor, fue el motor de Lenoir (mediado el siglo XIX). Dicho motor deflagraba una mezcla de aire y combustible (gas de hulla) gracias a una chispa eléctrica para producir una carrera de trabajo, pero sin carrera de compresión previa a la combustión, lo que se conoce por motor atmosférico. Por ese motivo el rendimiento alcan- zado era inferior al de las máquinas de vapor contemporáneas, que ya ha - bían sido muy mejoradas a lo largo de su historia. Simultáneamente al motor de Lenoir, también se desarrollaron y utiliza- ron motores denominados de aire caliente, siendo los más relevantes los motores Stirling y Ericsson. Estos motores son también alternativos, pero de combustión externa y con aire como fluido en todos los procesos, y tratan de seguir los ciclos termodinámicos denominados con esos mismos nombres. El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico que consiste en dos isocoras y dos isotermas. Ese ciclo, si se hace regenerativo11, permite alcanzar el ren- dimiento de Carnot entre las temperaturas máxima y mínima. El motor Stir- ling (figura 5.24), que trata de seguir dicho ciclo regenerativo, consiste en dos cámaras supuestamente isotermas. A una de las cámaras se le aporta calor de forma continua, que se transfiere al aire (u otro gas) que hay en su interior. Como consecuencia y en conjunto con la acción de un émbolo, el aire se expande y se dirige hacia la otra cámara, refrigerada. Con la cesión de calor en esta cámara, el aire se contrae y, con la ayuda de otro émbolo, se vuelve a dirigir a la cámara caliente. El aire, en su camino desde la cáma- ra caliente a la fría, cede calor a un regenerador que luego pre-calienta el aire enfriado que se dirige desde la cámara fría a la caliente. A día de hoy, los motores Stirling se emplean mino ri tariamente para aplicaciones de coge- neración y también en sistemas de discos parabólicos alimentados con ener- gía solar. 11 El concepto de regeneración se estudia en el capítulo 8 para las turbinas de gas. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 247 MÁQUINASTÉRMICAS 248 Figura 5.24. Esquema de funcionamiento de las configuraciones de motor Stirling usuales. Por otro lado, el ciclo Ericsson consiste en dos procesos isóbaros y dos isotermos. La materialización de este ciclo, el motor Ericsson, es similar al Stirling, con la diferencia de que en este caso es un motor de ciclo abierto en el que la admisión de aire y el escape (del aire del ciclo anterior) se rea- lizan a presión atmosférica. El interés del ciclo Ericsson, también mencio- nado por ello en el tema de turbinas de gas, radica en que si se hace regene- rativo, puede alcanzar el rendimiento del ciclo de Carnot entre las dos isotermas (como en el caso del ciclo Stirling) y es el antecedente del ciclo Joule-Brayton compuesto, que trata de aproximarse a él. Otro ciclo a destacar es el ciclo Atkinson que, aunque ideado para un motor específico rotativo, puede ser implantado en los MCIA. Se caracteri- za por tener una carrera de expansión mayor que la de compresión (figu- ra 5.25). Si se mantiene la relación de compresión, se puede obtener mayor trabajo específico frente al mismo aporte de calor y el mismo trabajo de Figura 5.25. Diagramas p-V y T-s de un ciclo Atkinson idealizado. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS 249 compresión, lo que da como resultado un aumento de rendimiento. Como contrapartida, la potencia específica es menor ya que, para una misma cilin- drada, la carga de masa fresca del motor es menor. Algunos motores esta- cionarios, e incluso de automoción (vehículos híbridos), siguen este ciclo con la misma estructura que un MCIA pero con el diagrama de distribución convenientemente alterado. Una variante es el motor de ciclo Miller, idén- tico a un motor alternativo de ciclo Atkinson pero sobrealimentado. También se han comercializado en aplicaciones de automoción los motores Wankel (figura 5.26). Estos motores siguen un ciclo Otto pero en una disposición rotativa. El motor consiste en una cavidad con una forma particular, dentro de la cual se encuentra un rótor triangular (triángulo de Reuleaux), a modo de pistón rotativo, que está ubicado de manera excéntri- ca al eje del motor y que mueve al cigüeñal por medio de un engranaje cicloidal. La cavidad adopta la forma de la curva trocoide que describen los vértices del rótor. El rótor divide la cavidad en tres partes, en cada una de las cuales se encuentra un volumen de trabajo en una parte concreta del ciclo termodinámico. Con el movimiento del rótor, el gas se pone en contacto con las lumbreras de admisión y de escape, así como con la zona donde se encuentran las bujías que provocan la combustión y con zonas intermedias donde se produce la expansión y la compresión. Entre las ventajas de este tipo de motor se encuentran el mejor equilibrado de masas al no existir ele- mentos con movimiento alternativo, el diseño compacto y una alta potencia específica. Como desventajas, el diseño geométrico desfavorable de la cámara de combustión, problemas de sellado, elevado consumo de aceite, altos gradientes térmicos, problemas de refrigeración y de emisión de hidro- carburos no quemados. Además no es muy apropiado para emplear con ciclos diesel. Figura 5.26. Esquema de un motor Wankel. Capítulo 6 El proceso de combustión en los motores de encendido provocado y en los motores de encendido por compresión 6.1. Tipos de combustión en motores de combustión interna alternativos 6.2. Combustión en MEP 6.2.1. Conceptos básicos de combustión en MEP 6.2.2. Fases de la combustión 6.2.2.1. Primera fase 6.2.2.2. Segunda fase 6.2.2.3. Tercera fase 6.2.3. Factores que influyen en la determinación del avance del encendido 6.2.4. Combustión anormal en MEP. Combustión detonan- te y encendido superficial 6.2.4.1. Combustión detonante 6.2.4.2. Encendido superficical 6.3. Combustión en MEC 6.3.1. Conceptos básicos en combustión en MEC 6.3.2. Principales funciones de la inyección en MEC. Micromezcla y macromezcla 6.3.3. Fases de la combustión 6.3.3.1. Fase del tiempo de retraso 6.3.3.2. Combustión rápida 6.3.3.3. Combustión por difusión 6.3.4. Factores que influyen en el diagrama p-α 6.4. Otros tipos de combustión en MCIA 6.4.1. Motores duales 6.4.2. Motores de mezcla estratificada 6.4.3. Motores de combustión HCCI 251 OBJETIVOS FUNDAMENTALES DEL CAPÍTULO � Estudiar la combustión en motores de encendido provocado: — Conocer cómo se realiza la combustión en este tipo de motores y qué requisitos tienen que cumplir los combustibles. — Estudiar qué es una deflagración, en qué consiste el encendido y qué es un frente de llama. Conocer la evolución de la presión y la temperatura de los gases quemados y de la mezcla no quemada. Estudiar qué se conoce como fracción de masa quemada. — Estudiar las fases de la combustión y los procesos que ocurren en cada una de ellas. Estudiar la velocidad del frente de llama. — Discutir cómo afecta el avance del encendido y saber en qué con- siste una combustión centrada. — Estudiar los distintos tipos de combustión anormal en MEP. Estu- diar los conceptos de combustión detonante o picado, el tiempo de retraso y el de índice de octano de un combustible. Conocer qué es el encendido superficial. � Estudiar la combustión en motores de encendido por compresión: — Conocer cómo se realiza la combustión en este tipo de motores y qué requisitos tienen que cumplir los combustibles. — Estudiar
