combustión. volumen 2. e. brizuela, j. c. lorza

5/25/2018 Combusti n. Volumen 2. E. Brizuela, J. C. Lorza

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67.30 Combustin

2daParte

Dr. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza

Departamento de Ingeniera Mecnica y Naval

Facultad de Ingeniera, UBA

Ao 2003


2/104

i

INDICE

Unidad VI: Estabilidad de llama, encendido, apagado

6.1. Estabilizacin de llamas 114

6.1.1 Introduccin 114

6.1.2 Estabilizacin en capa lmite 1146.1.3 Estabilizacin en una zona de recirculacin 116

6.2. Encendido y apagado 119


6.2.2 Apagado de una llama 120

6.2.3 Encendido por chispa 122

Unidad VII: Detonacin, combustin en recipientes cerrados

7.1 Detonacin 126


7.1.2 Teora simple de detonacin 126

7.2 Combustin en un recipiente cerrado 129

7.2.1 Experimentos en bomba esfrica 129

7.2.2 Recipientes de forma arbitraria 129

7.2.3 Llamas en motores de gasolina

130

Unidad VIII: Combustin en turbinas de gas

8.1General 132

8.1.1 Descripcin y usos 1328.1.2 Condiciones tpicas de operacin 132

8.1.3 Requisitos de operacin y diseo 132

8.2 Combustibles y combustin 132

8.2.1 Mezcla combustible 132

8.2.2 Combustibles 133

8.2.3 Combustin, exceso de aire 135

8.3Aspectos fsicos 1378.3.1 Combustin de rocos 137

8.3.2 Inyeccin 137

8.3.3 Mezcla y difusin 139

8.4 Quemado 1408.4.1 Velocidad de llama 140

8.4.2 Ignicin, energa mnima 142

8.4.3 Retardo 143

8.5 Valores caractersticos de diseo 143

8.5.1 Tiempos 143

8.5.2 Escala transversal 144

8.5.3 Escala longitudinal 144

8.6 Intensidad de combustin 144

8.7 Diseo 145

8.7.1 Tipos de combustores 1458.7.2 Regiones 148

8.7.3 Elementos constitutivos

149


3/104

ii

8.8 Control de temperaturas 151

8.8.1 Temperatura de metal 151

8.8.2 Temperatura de mezcla 151

8.8.3 Prdidas de carga 151

8.9 Condiciones anormales 152

8.9.1 Blowout 152

8.9.2 Extincin 1528.9.3 Hot start 152

8.9.4 Factor de carga, estabilidad 152

8.9.5 Reencendido en vuelo 153

8.10 Performance 153

8.10.1 Eficiencia de la combustin 153

8.10.2 Distribucin de temperaturas en la salida a toberas 154

8.10.3 Perfil radial 154

8.11 Polucin 154

Unidad IX: Combustin en Motores de Combustin Interna

9.1. Motores Ciclo Otto 156

9.1.1 Ignicin 156

9.1.1.1 General 156

9.1.1.2 Mezcla inflamable 157

9.1.1.3 Ignicin, tipos, energa mnima 158

9.1.1.4 Ignicin anormal 160

9.1.2 Cmaras de combustin

160

9.1.2.1 Requisitos generales 160

9.1.2.2 Diseos tpicos 1619.1.3 Combustibles para motores de CI 164

9.1.3.1 Tipos 164

9.1.3.2 Descripcin 164

9.1.3.3 Obtencin de combustibles 164

9.1.3.4 Combustin completa, parmetros 164

9.1.4 Combustibles para motores Ciclo Otto 165

9.1.4.1 General 165

9.1.4.2 Requisitos de las naftas para motores ciclo Otto 166

9.1.4.3 Antidetonancia 166

9.1.4.4 Otros requisitos 169

9.1.4.5 Otros combustibles 1719.2. Motores Ciclo Diesel 173

9.2.1 Ignicin 173

9.2.2 Retardo de ignicin 174

9.2.3 Cmaras de combustin Diesel 174

9.2.4 Requisitos para combustibles Ciclo Diesel 176

9.2.4.1 General 176

9.2.4.2 Requisitos 176

9.2.4.3 Propiedades fsicas 176

9.2.4.4 Propiedades relativas a la combustin 177

9.3. Contaminacin por los motores de CI 1789.3.1 General 178

9.3.2 Control de contaminantes 182


4/104

iii

Unidad X: Quemadores de premezcla

10.1 Llamas de premezcla 183

10.1.1 General

183

10.1.2 Forma de la llama 183

10.1.3 Propiedades 18510.1.4 Quemador Bunsen 185

10.2.1 Quemadores de premezcla a presin 186

10.2.1.1 Calado o retroceso de llama 187

10.2.1.2 Desprendimiento de llama o soplado 187

10.2.1.3 Caractersticas de funcionamiento 189

10.2.2 Quemadores atmosfricos 189

10.2.2.1 Caractersticas que intervienen antes de la combustin 189

10.2.2.2 Caractersticas que intervienen durante de la combustin 190

10.2.2.3 Caractersticas que intervienen despus de la combustin 190

10.2.2.4 Diagrama de funcionamiento de un quemador atmosfrico

190

10.2.2.5 Quemadores oxi-gas 192

Unidad XI: Quemadores de difusin

11.1 General 193

11.2 Quemadores con mezcla en el hogar, para hornos utilizados en la industria del vidrio193

11.3 Quemador con craqueo, para hornos utilizados en la industria del vidrio 194

11.4 Quemador a llama larga y luminosa 195

11.5: Quemadores con mezcla en la tobera 195

11.6 Quemadores de llama de difusin pura en rgimen turbulento 19911.7 Quemadores corrientes con abertura lateral para combustin, alimentados por aire y gas a

presin

200

11.7.1 Quemadores con escurrimientos convergentes de aire y gas 200

11.8 Quemadores con escurrimiento giratorio 201

11.9 Quemadores a flujos paralelos divididos 204

11.10 Quemadores especiales

205

11.10.1 Quemador con abertura lateral escalonada 205

11.10.2 Quemador de molinete o de palas rotativas 205

Unidad XII: Combustin de combustibles lquidos

12.1 General 207


5/104

iv

12.2 Atomizadores 207

12.2.1 Atomizadores a presin 207

12.2.2 Atomizadores con fluido auxiliar 208

12.3 Quemadores de combustible lquido 209

12.4 Rango de operacin del quemador 212

12.5 Quemador de fuel oil 212

12.6 Atomizadores a vapor 21212.7 Atomizadores a presin mecnica 213

12.8 Exceso de aire 213

12.9 Operacin con bajo rgimen de carga 213


6/104

67.30 Combustin Unidad VI


114

Unidad VI: Estabilidad de llama, encendido, apagado, detonacin, combustin en recipientes

cerrados

6.1. Estabilizacin de llamas

6.1.1 Introduccin

Cuando la velocidad de la mezcla fresca es mayor que la velocidad de quemado (laminar o

turbulenta) la llama debe ser estabilizada, o sostenida, en algn punto corriente arriba del flujo, para

obtener una llama estable. La llama puede estabilizarse en una capa lmite, como ocurre en los bordes deun pico de quemador. Alternativamente la llama puede estabilizarse en una zona de recirculacin, como

ocurre detrs de un parallama formado por un objeto romo, o en un ensanchamiento sbito del conducto,

como en el domo del tubo de llama de un combustor de turbina de gas, o en el centro de un vrtice fuerte.

6.1.2 Estabilizacin en capa lmite

La Figura 6.1 muestra el mecanismo bsico de estabilizacin en la capa lmite del borde de un

pico de quemador:

Figura 6.1: Estabilizacin por capa lmite

Experimentalmente se observa que el anclaje de las llamas laminares ocurre a aproximadamente

1 mm del borde del pico. En s, la estabilizacin de la llama ocurre dentro de la capa lmite. Por

simplicidad se asume que la variacin de velocidad con la distancia al centro del tubo es lineal y vara en

forma monotnica con el caudal.

Para que la estabilizacin tenga lugar es necesario que la velocidad de quemado de la mezcla sea

igual a la velocidad de la mezcla fresca en algn punto, y menor en el resto de la regin. Si la velocidad

de quemado excede la del flujo la llama se mover corriente arriba, y si es menor, la llama se propagar

como una llama oblicua.

La velocidad de quemado de la mezcla se reduce cuando la llama est muy cerca del borde delpico debido a la prdida de calor y de radicales activos por la presencia de la superficie fra. La figura

muestra la variacin de la velocidad de quemado (curvas 2,3y 4) para las llamas en la posiciones 2, 3 y

4. En estas posiciones las llamas estn estabilizadas.

Si el caudal, y por consiguiente el gradiente de velocidad cerca de la pared, aumenta por encima

del caso 2, la llama es barrida corriente abajo. A este fenmeno se lo denomina soplado (blow off).

Si el caudal disminuye por debajo del del caso 4 la llama se propaga hacia adentro del tubo; a

esto se lo denomina flash-back.

Los valores crticos de gradiente de velocidad en la capa lmite para soplado y flash-back

dependen de la mezcla como se muestra en la Figura 6.2 para gas natural:


7/104



115

Figura 6.2: Gradientes de velocidad crticos para soplado y retorno de llama

El efecto del tipo de combustible se muestra en la Figura 6.3. Estas correlaciones son casi

independientes del dimetro del tubo, lo que indica que el gradiente de velocidad en el borde, g =(dU/

dy)oes el parmetro apropiado.

Figura 6.3: Soplado para varios gases

Un razonamiento dimensional indicara que el gradiente de velocidad crtico g cpara soplado y

flash-back se correlacionan con la velocidad de la llama Suy su espesor . El parmetro adimensionalapropiado sera


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116

kS

gcu

c

Para el caso de soplado esta parmetro se puede interpretar en trminos de la teora de

estiramiento de Karlovitz y d buenos resultados para soplado desde placas delgadas. Para soplado desde

picos de quemadores la situacin es ms compleja debido a la dilucin con aire ambiente por encima del

borde del quemador. Si las mezclas son ricas pueden aparecer llamas levantadas como muestra la Figura6.4:

Figura 6.4: Soplado de quemadores

El mecanismo de estabilizacin de llamas levantadas es objeto de gran controversia. El flujo es

usualmente turbulento. De acuerdo a la teora tradicional, la llama se estabiliza donde la mezcla es

estequiomtrica y la velocidad de llama y de mezcla son iguales y opuestas. Otras teoras consideran la

extincin de las llamas locales de difusin y an otras teoras consideran las estructuras de gran escala.

La presencia de un flujo externo co-fluyente aumenta grandemente la tendencia de las llamas levantadas a

soplarse.

6.1.3 Estabilizacin en una zona de recirculacin

La Figura 6.5 muestra una llama estabilizada en un flujo de alta velocidad en un conducto. La

llama es premezclada y la estabilizacin se realiza por un parallama cilndrico.


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117

Figura 6.5: Llama estabilizada por un parallama cilndrico

En la Figura 6.6 se muestran resultados tpicos para la velocidad de soplado del flujo corriente

arriba, tal que si se la excede la llama se desprende del parallamas:

Figura 6.6: Lmites de estabilidad para parallamas cilndricos

Se aprecia que las velocidades de soplado son alrededor de 100 veces ms altas que la velocidad

laminar. La llama es estabilizada en la zona de recirculacin detrs del parallama. En presencia de

combustin el desprendimiento de vrtices (calle de vrtices de von Krmn), normal en flujo isotrmico,

no existe, y es reemplazado por un par de vrtices o un toroide (en 3D), relativamente estables, que

forman la zona de recirculacin (Figura 6.7):


10/104



118

Figura 6.7: Estabilizacin por recirculacin

El mecanismo completo es muy complejo y es difcil formular una teora adecuada. Spalding ha

planteado una teora en trminos de la velocidad de engolfamiento en la capa de mezcla (laminar o

turbulenta) y un tiempo qumico relacionado con la velocidad de llama laminar. La correlacin de la

Figura 6.8 sale de esta teora:

Figura 6.8: Correlacin de Spalding

Tambin se han formulado teoras en base a mediciones de soplado en reactores bien mezclados

(ver 6oSimposio).

En flujos con rotacin se forma una zona de recirculacin en el centro del vrtice, cuya

intensidad depende de la intensidad del vrtice y el gradiente axial de presiones. Presumiblemente la

estabilizacin ocurre en esta zona de recirculacin, aunque hay alguna evidencia que, bajo ciertas

condiciones, la estabilizacin puede deberse a la mucho mayor velocidad de quemado turbulenta que

resulta de los altos niveles de turbulencia que se generan. Estos altos niveles de turbulencia a su vez son

debidos a una estratificacin inestable en el flujo en rotacin.


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119

6.2. Encendido y apagado

6.2.1 Introduccin

Encendido por chispa y apagado son a menudo considerados juntos no slo porque representan

el nacimiento y muerte de una llama, sino porque estn relacionados fsicamente, como se aprecia en las

correlaciones que muestra la Figura 6.9:

Figura 6.9: Distancia de apagado y energa mnima de ignicinPara analizar esta correlacin, consideramos una esferita de mezcla fresca a la que se le entrega

calor suficiente para llevarla a la temperatura de ignicin. Considerando las prdidas de calor por


12/104



120

conduccin y radiacin habr un tamao mnimo (dimetro mnimo) de la esferita tal que an quede

suficiente calor para calentar las capas adyacentes de fludo a la temperatura de ignicin y propagar la

combustin. Luego, el encendido exitoso supone un dimetro mnimo de encendido, y la energa mnima

de ignicin ser proporcional al rea de la esferita a travs de la cual se pierde calor, es decir,

proporcional al cuadrado del radio de la esferita mnima. Podemos estimar que la distancia de apagado

ser del orden del dimetro de la esferita mnima, por lo que

2amin dE

relacin que confirma la figura anterior.

Si se considera el espesor y la velocidad de la llama laminar, puede llegarse tambin a las

siguientes relaciones:

RT

En

a epd22

2

31 n

min pE

El tratamiento simple dado ms arriba se presenta con un poco ms de detalle en la mayora de

los textos de combustin. Sin embargo, los desarrollos ms elaborados no dan resultados muy diferentes

de estos. Todas las teoras son teoras trmicas y por lo tanto no predicen efectos importantes producidos

por la difusin de reactantes y especies radicales activas, tales como el corrimiento hacia lo ricoquedemuestran los ensayos de apagado y energa de ignicin.

6.2.2 Apagado de una llama

La distancia de apagado estndar, da, es la distancia entre dos placas paralelas entre las cuales

una llama cesa de propagarse. El dimetro de un tubo, d a,t, a lo largo del cual una llama no se propaga

est relacionado tericamente con dapor da,t= 1.5 da.

Los efectos de tipo de combustible y presin en la distancia de apagado dase muestran en las

Figuras 6.10 y 6.11.

Figura 6.10: Distancia de apagado y riqueza de mezcla


13/104



121

Se aprecia el efecto de corrimiento hacia lo rico para los hidrocarburos ms pesados. Esto se

explica considerando que la distancia de apagado debiera ser mnima cuando la energa de encendido

fuera mnima, lo que sucede cuando la generacin de calor por unidad de tiempo en la esferita es

mxima, es decir, cuando la velocidad de reaccin es mxima, o sea para 1.1.

Figura 6.11: Distancia de apagado y presin

El orden del exponente de la presin es 1, lo que, considerando la expresin dada para la

distancia de apagado, indica n=2, es decir que las reacciones son aproximadamente bimoleculares (n=2).

Hay cierta evidencia que el orden de reaccin global aparente crece con la presin y an se vuelve

independiente de la presin cuando esta excede las 100 atmsferas.

La distancia de apagado es importante en el diseo de trampas de llama.

Algo parecido al apagado ocurre cuando una llama se aproxima o pasa una pared aunque no

haya otras superficies cercanas. Una zona oscura aparece entre la llama y la pared. Por muchos aos se

crey que este apagado de pared era una causa principal de emisiones de los motores de combustin

interna, y muchos millones de motores fueron diseados para minimizar el cociente rea/volumen de la

cmara de combustin. Hoy se sabe que aunque se dejan hidrocarburos no quemados cerca de la paredcuando pasa la llama, este combustible se difunde rpidamente hacia los gases quemados cuando ha

pasado la llama, donde es consumido rpidamente por los radicales remanentes.


14/104



122

El apagado s ocurre en rendijas entre el pistn y el cilindro y alrededor de los aros de pistn,

pero la mayor fuente de hidrocarburos no quemados aparenta ser debida al combustible absorbido y luego

liberado por el aceite que cubre el interior del cilindro.

6.2.3 Encendido por chispa

Los efectos de forma de electrodo y espaciamiento sobre la energa de ignicin se muestran en la

Figura 6.12:

Figura 6.12: Distancia de apagado y energa mnima

Los efectos de la presin, concentracin de oxgeno y estequiometra se muestran en la Figura

6.13 para mezclas de propano y aire:

Figura 6.13: Distancia de apagado y energa mnima vs. Estequiometra

Los efectos de tipo de combustible se muestran en la Figura 6.14:


15/104



123

Figura 6.14: Energa mnima y tipo de combustible

De estas figuras se puede deducir lo siguiente:- El espaciamiento entre electrodos est limitado por la distancia de apagado si los electrodos son planos.

- El efecto de la presin corresponde a n = 2, o sea Emin P-2

- El efecto del tipo de combustible en la energa mnima de ignicin no es importante, pero

- Los pesos moleculares ms altos evidencian un corrimiento hacia lo rico en la curva Emin- .

Este ltimo efecto se puede explicar en base a difusin preferencial de oxgeno y combustible

hacia un pequeo foco encendido.

Tambin hay un efecto sobre la velocidad inicial del frente de llama, como muestra la Figura

6.15:


16/104



124

Figura 6.15: Estequiometra y velocidad de llama

La energa mnima de ignicin requerida es mayor, como cabe esperar, si hay un flujo barriendo

los electrodos, como se ve en la Figura 6.16.

Figura 6.16: Energa mnima y velocidad de flujo


17/104



125

La turbulencia tambin aumenta Emin, como se ve en la Figura 6.17:

Figura 6.17: Energa mnima e intensidad de la turbulencia

Lo mismo sucede si se incrementa la duracin de la chispa, como es lgico, lo que se muestra en

la Figura 6.18:

Figura 6.18: Energa mnima y duracin de chispa

Los efectos de flujo y turbulencia se pueden explicar en trminos de distorsin del foco de llama,

mientras que una duracin de chispa mayor aumenta las prdidas de calor por conduccin.

Los efectos del circuito elctrico usado para producir la chispa son considerados menoresexcepto en lo que respecta a la duracin de la chispa. Por otro lado, si el espaciado de electrodos produce

efectos de apagado significativos, el circuito elctrico puede hacer mucha diferencia.

Volviendo a la dependencia de Emincon estequiometra, se ve que para los hidrocarburos ms

pesados la energa de ignicin requerida aumenta rpidamente para mezclas pobres. La operacin de

motores de rgimen pobre es de inters corriente para el control de polucin, y el problema de ignicin de

mezcla pobre ha adquirido importancia.


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67.30 Combustin Unidad VII 126

Unidad VII: Detonacin, combustin en recipientes cerrados

7.1 Detonacin

7.1.1 IntroduccinEl trmino detonacin se usa para una onda de combustin que viaja a velocidad supersnica

respecto a la mezcla fresca, siendo el proceso de combustin inducido por la onda de choque. Las

detonaciones tienen una estructura caracterstica denominada ZND (de Zeldovich, Von Neumann,Dring) que se muestra en la Figura 7.1.

Figura 7.1: Estructura de una onda de detonacin

La Figura 7.2 muestra algunas velocidades tpicas de detonacin:

Figura 7.2: Velocidades de detonacin

La literatura sobre detonaciones es extensa, y en lo que sigue slo se d una simple introduccin.

7.1.2 Teora simple de detonacinSe parte de la adicin de calor a un flujo unidimensional de un gas perfecto. Las condiciones

generales se muestran en la Figura 7.3:

Figura 7.3: Flujo con detonacin


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Las ecuaciones bsicas para este flujo son

Continuidad:

Cantidad de movimiento:

Energa:

Estado:

1 1 2 2

1 1 12

2 2 22

112

22

2

1

1 1

2

2 2

2 2

u u

p u p u

CpT u

q CpT u

p

T

p

TR

=

+ = +

+ + = +

= =

En stas, q es la adicin de calor por unidad de masa. Eliminando u 2 entre las dos primeras

ecuaciones da:

p p u m V V1 2 12

12

1 2

21 2

1 1 = =

( ) ( )

donde V = 1/y m = u. Esta es la ecuacin de una lnea recta (la lnea de Rayleigh) en un diagrama p-V, para el estado 2.

De las ltimas ecuaciones obtenemos la ecuacin de Hugoniot:

/ -1 (p2V2- p1V1) -q = (p2- p1)(V2+ V1)/2

donde = Cp/ Cvy Cp= Cv+ R. El nmero de Mach para el estado 2 es dado por

1

2

1

2

112

1)()(

CpT

q

M

MMfMf

++= ,

siendo

22

2

2

)1(

)2

11(

)(M

M

MMf

+

+

= .

Las curvas de Hugoniot representan ondas de choque (q = 0) o de combustin (q >0), y la Figura7.4 muestra una forma tpica:

Figura 7.4: Lnea de Hugoniot


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Las lneas de pendiente -u1

2(1/V12) que pasan por el punto (p1V1) son lneas de Rayleigh, y por

lo tanto el estado 2 debe estar en la interseccin de esta lnea con la curva de Hugoniot correspondiente.La lnea tangente a la curva de Hugoniot para onda de choque (q = 0) en (p1V1), es la lnea de

velocidad snica para el estado 1. Lneas de mayor pendiente representan flujo supersnico en el estado 1,y viceversa.

Las lneas de Rayleigh supersnicas pueden cortar la curva de Hugoniot de combustin en doslugares, uno correspondiente a un estado 2 subsnico (detonacin fuerte) y la otra a un estado 2

supersnico (deflagracin supersnica).Cuando la lnea de Rayleigh es tangente a la curva de Hugoniot de combustin hay una sola

solucin para el estado 2, y es la combustin snica. Este caso especial es la detonacin de Chapman-Jouguet, y es el caso ms comn en la prctica para las detonaciones autoinducidas. Para este caso M2= 1y M1sale de

2/12

1

2/12

1

12

1

2

11

+

+=

RT

q

RT

qM

Las lneas de Rayleigh subsnicas pueden cortar la rama inferior de la curva de Hugoniot decombustin en otros dos lugares, un estado 2 subsnico (deflagraciones dbiles, el caso usual decombustin) y uno supersnico (deflagraciones fuertes, no hallado en la prctica). Cuando la lnea de

Rayleigh es tangente a la curva de Hugoniot de combustin nuevamente M2 = 1 y se trata de unadeflagracin de Chapman- Jouguet.


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7.2 Combustin en un recipiente cerrado

7.2.1 Experimentos en bomba esfrica

La propagacin transitoria de una llama desde un punto de ignicin a travs del contenido de unrecipiente cerrado de forma arbitraria es un fenmeno de gran inters y significacin prctica. La formams simple de este experimento es la bomba esfrica con ignicin central. Se pueden presentar las

siguientes conclusiones:i) En toda la duracin del experimento la velocidad de llama relativa a la mezcla fresca puede tomarse

como la velocidad usual de llama en un ambiente a presin constante, para los valores locales de presiny temperatura.ii) Dada la geometra esfrica el comienzo de la combustin puede considerarse a presin constante.iii) Al comienzo de la combustin la presin aumenta con el cubo del tiempo.iv) La velocidad de quemado no es constante en toda la propagacin de la llama. La compresinadiabtica de la parte exterior a la llama (mezcla fresca) aumenta la presin y temperatura de los

reactantes.v) El proceso de combustin termina con una masa de gas que es significativamente ms caliente en elcentro.

Las Figuras 7.5 y 7.6 muestran registros tpicos de presin versus tiempo. Estos experimentos se

pueden usar para determinar la velocidad de llama:

Fig 7.5: Grfica de presin en la detonacin de ozono

Figura 7.6: Presin y avance del frente de llama en bomba esfrica

7.2.2 Recipientes de forma arbitrariaLas conclusiones del punto anterior se aplican en general a un recipiente de forma arbitraria con

ignicin en un punto muy pequeo. Sin embargo, la situacin se complica por efectos aerodinmicossecundarios resultantes de la expansin de los gases quemados, que producen ondas de presin y flujo enla mezcla fresca. Si el recipiente es suficientemente largo, como en un tubo cerrado, las ondas de presin

pueden alcanzarse unas a otras y formar una onda de choque y eventualmente una detonacin. El flujo enla mezcla fresca puede volverse turbulento, alterando la velocidad de llama. Tambin pueden producirseinteracciones entre la llama y las capas lmite, con la llama propagndose por la capa lmite antes que por

el frente principal.


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7.2.3 Llamas en motores de gasolinaLa combustin en motores de gasolina es un tema muy extenso, y se pueden consultar muchos

textos, partiendo de la bibliografa de Starkman (11oSimposio). Las siguientes observaciones generales

son vlidas:i) La velocidad de la llama aumenta con la turbulencia de la mezcla.ii) La distancia recorrida por la llama inicialmente no produce cambio de presin pero toma un tiempo

significativo, lo que requiere el avance de encendido. Las Figuras 7.7, 7.8 y ilustran este punto:

Figura 7.7: Efecto de la velocidad del motor en el avance del frente de llama

Figura 7.8: Velocidad de llama, real, de transporte y medida


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Figura 7.9: Efecto de la estequiometra en el avance del frente de llama

iii) Los productos de combustin son ms calientes en el centro, como muestra la Figura 7.10:

Figura 7.10: Temperaturas en la cmara de combustin

iv) La compresin de la ltima porcin de los reactantes produce reacciones previas al arribo de la llama,

llamas fras, autoignicin, y frentes separados de llamas originados en puntos calientes. Tales fenmenospueden producir golpeteo, tambin llamado detonacin, aunque no se sabe si lo que ocurre es unaverdadera detonacin. Las ondas de choque originadas en la combustin sbita de la ltima porcin demezcla han sido observadas propagndose en los productos de combustin. Los depsitos y los electrodos

de las bujas pueden causar pre-ignicin, anterior a la chispa.v) La variabilidad de la riqueza de la mezcla y del nivel de turbulencia cerca de los electrodos produce

tiempos variables para el crecimiento del foco de ignicin, dando lugar a la variabilidad ciclo a ciclo(CBCV), e incluso falla de encendido. La CBCV afecta a la suavidad de marcha, golpeteo, lmite deoperacin pobre, MEP, avance de chispa, emisin de contaminantes, etc.


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67.30 Combustin Unidad VIII


132

Unidad VIII: Combustin en turbinas de gas

8.1General

8.1.1 Descripcin y usos

La combustin en turbinas de gas tiene lugar en la cmara de combustin, ubicada entre el compresor y laturbina (Figura 8.1):

Figura 8.1: Turbina de gas tpica

La cmara consiste en un recipiente al cual ingresa el aire comprimido, al que se le aade el combustible quequemar en forma ininterrumpida. Los gases producto de la combustin dejan la cmara a elevada temperatura y

velocidad, para ser utilizados en impulsar la turbina y/o proveer un chorro de empuje.

Las turbinas de gas tienen su uso principal en la aviacin, ya sea como propulsoras por reaccin o como

mquinas turbohlice (aviones de ala fija) o turboeje (helicpteros). Entre las aplicaciones de superficie se cuentan lasnavales (turboeje), y aplicaciones industriales (generacin de electricidad, bombeo de gas). Tambin se emplean en

pequeo nmero para incineracin y para calefaccin (hornos metalrgicos)

8.1.2 Condiciones tpicas de operacin

Las turbinas de gas operan en muy variadas condiciones, que requieren especial consideracin en el diseo dela cmara de combustin. Podemos citar:

Ambiente: desde STP hasta 0.2 ata, con temperaturas entre 50 C y +50 C. Descarga del compresor: de 1 a 20 atmsferas, temperaturas entre 300 y 900K, nmeros de Mach entre

0.1 y 0.2.

Condiciones de combustin: de 1500 a 1700K a 20 atmsferas, M=0.2.Para cubrir estos requisitos y a la vez obtener un diseo liviano para aplicaciones aeronuticas se recurre a la

filosofa de diseo de dividir las solicitaciones por medio de una doble carcasa; una externa, que soporta la presin y

est protegida de las altas temperaturas por una carcasa interna, perforada, que asla del calor pero no soporta una

diferencia de presin.

8.1.3 Requisitos de operacin y diseo

Los requisitos a cumplir por una adecuada realizacin de la cmara de combustin son:

Combustin completa (eficiencia de la combustin) Poca prdida de presin total Estabilidad de la combustin Buena distribucin de temperaturas en la salida Corta y de mnima seccin Operacin aceptable en un amplio rango de riquezas de mezcla Reencendido

8.2 Combustibles y combustin

8.2.1 Mezcla combustibleLa mezcla combustible est formada por el comburente (normalmente aire), tpicamente a unas 20 atmsferas

pero ocasionalmente (arranque) a mucha menor presin, y temperaturas iniciales entre la ambiente y 10 veces la misma,

y el combustible.


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133

8.2.2 Combustibles

Tpicamente los combustibles son hidrocarburos lquidos o gaseosos, aunque ha habido numerosos intentos de

operar con polvo de carbn y otros slidos.

Entre los hidrocarburos lquidos se pueden citar los gasoils y dieseloils, fuel oils, kerosene y nafta, y entre losgaseosos el gas natural y el gas licuado, y otros gases de proceso.

Las turbinas aeronuticas operan exclusivamente con combustibles lquidos de muy precisa especificacin,

particularmente el JP-1, Jet A-1 o Avtur (un kerosene de bajo punto de congelamiento), el JP-4, Jet B o Avtag (unkerosene de ms amplio rango de destilacin que el anterior) y el Jet A (versin similar al Jet A-1). Las Figuras 8.2 y 8.3

ilustran las especificaciones de combustibles para estas turbinas, civiles y militares:

Figura 8.2: Especificaciones de kerosenes para uso civil


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134

Figura 8.3: Especificaciones de kerosenes para uso militar


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135

Las turbinas marinas y terrestres normalmente funcionan con combustibles de menor costo, y especificacionesmenos rgidas. La figura 8.4 ilustra algunas especificaciones tpicas:

ESPECIFICACIONES TIPICASDE COMBUSTIBLES

PARA TURBINAS DE GASDiesel Oil:

Viscosidad mnima: 35-45 SSU a 100 F Cenizas: 0.01% en peso, mx. Azufre: 0.7% en peso, mx. Corrosin: 3, mx Neutralizacin: 0.5, mx Destilacin: 10% mx. a 460 F

85% mx a 675 F

Punto de escurrimiento: +5 C en verano, -5 C en inviernoPetrleo Crudo

Calcio: 10 ppm mx. Plomo: 5 ppm mx. Sodio ms Potasio: 5-10 ppm mx. Vanadio: 2 ppm mx.

Fuel Oil Pesado (FOP

Cenizas total: 0.03% en peso, mx. Plomo: 5 ppm mx. Calcio: 10 ppm mx. Sodio ms Potasio: 5-10 ppm mx. Vanadio: 2 ppm mx. Viscosidad a 100 F: 1.8 cSt mx

Nafta

Viscosidad a 100 F: 0.5 cSt mnimo.Gas

Slidos: 30 ppm mx., de no ms de 10 Azufre: 30 ppm mx. Alcalis: 50 ppm mx. Agua: 0.25% de sobresaturacin, mx. Condensables: nada por encima de 20 F PCI: 300-5000 BTU/ft3 (2670-44500 kcal/m3) Rango de inflamabilidad: 2.2 mnimo

Figura 8.4: Especificaciones de combustibles para uso industrial

Es de notar que los combustibles de uso industrial tienen lmites especiales para las cenizas (corrosin), el

vanadio y los lcalis (tambin causa de corrosin), la viscosidad (por problemas de bombeo a baja temperatura) y el

punto de escurrimiento (congelacin en aplicaciones marinas o bajas temperaturas ambientes).

8.2.3 Combustin, exceso de aire

Los combustibles pesados tpicamente contienen compuestos de 8 a 12 carbonos, los lquidos livianos de 5 a 7carbonos, y los gases de 1 a 4 carbonos.

La reaccin de combustin se puede plantear de la forma usual, obtenindose los parmetros usuales de

fracciones en peso y volumen, relaciones aire/combustible, equivalencia, etc. Lo diferente es que en la turbina de gas, si

bien en la zona de llama la combustin es aproximadamente estequiomtrica, en general la relacin aire/combustible es


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muy pobre. Como ejemplo, con temperaturas de entrada y salida de 650 y 1700k (cp de 1004 y 1250 m2/s

2K

respectivamente), y un calor de reaccin de 46 MJ/kg, podemos plantear:

( ) entasalpcarc TGTcGGhG += ,y aproximar

30=

entpsalp

r

c

a

TcTc

h

G

G.

Las turbinas de gas pueden operar con relaciones A/C an mayores, hasta 70/1.

En la zona de llama, sin embargo, los lmites de riqueza son mucho ms estrictos, y estn condicionados por

los lmites de inflamabilidad. La Figura 8.5 ilustra las condiciones de operacin tpicas para un kerosene:

Figura 8.5: Inflamabilidad de mezclas de kerosene

El poder calorfico de los combustibles de tipo hidrocarburos es relativamente constante, del orden de las

10200 kcal/kg o 42600 kJ/kg. Por unidad de volumen, sin embargo, los combustibles son muy diferentes. Por ejemplo, si

tomamos como datos las siguientes densidades:Nafta, densidad 0.75

Dieseloil, kerosene: 0.8

GLP:0.6GNC a 200 atm:0.14

resulta que el dieseloil y el kerosene tienen la ms alta densidad de energa por unidad de volumen, un 7% ms que la

nafta, un 33% ms que el GLP y un 470% ms que el GNC. Esto puede ser muy importante para las aplicaciones devolumen y/o peso de combustible limitado (aviones, barcos, locomotoras).

Otro punto a tener en cuenta es el calor latente de vaporizacin del agua producto de la combustin. Su valor

estndar es de 2465 kJ/kg de agua, pero es importante calcularlo por kg de combustible, ya que as es igual a la

diferencia entre los poderes calorficos superior e inferior del combustible. Por ejemplo, 1 mol de C8H18(peso molecular

114) produce 9 moles de H2O (peso molecular 18), con lo que la diferencia es de

comb.kJ/kg35032465114

189== x

xPCIPCS

Para los combustibles ms livianos la diferencia es mayor: para el metano CH4 es de 5546 kJ/kg de

combustible. Vale decir, el vapor de agua no condensado se lleva una parte ms importante del calor de combustin.

El exceso de aire tiene su importancia en relacin a la corrosin de los sistemas de escape. Consideremos por

ejemplo la combustin del octano con un 200% de exceso de aire (=3). Planteada la reaccin de un solo paso se obtiene


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137

( ) ( )2222222188 76.32576.35.129876.35.37 NONxOHCONOHC ++++++ De aqu resulta una fraccin molar del agua igual a 0.0492, lo que a presin atmosfrica (101325 Pa) equivale

a una presin parcial de H2O de 4983 Pa. De tablas obtenemos la temperatura de saturacin del vapor de agua a esta

presin, siendo de 33C.Por otra parte, sin exceso de aire resulta una fraccin molar de agua de 0.141, una presin parcial de 14249

Pa, y una temperatura de saturacin de 53C.

Luego, con un 200% de exceso de aire podemos enfriar los gases de escape hasta 33C sin que se condense el

agua, mientras que en el caso sin exceso de aire debemos mantener el escape por encima de los 53C. Es decir, podemosaprovechar algo del calor del escape sin correr el riesgo que se condense el agua y forme compuestos (por ejemplo, con

azufre y sodio) corrosivos del sistema de escape.

El peso molecular del combustible tambin tiene su importancia. Si consideramos la combustin del metano ydel octano, las relaciones aire/combustible en peso de ambos son similares, del orden de 16/1. Sin embargo, el gramo de

combustible gasificado que debemos suministrar para los 16g de aire ocupa 0.2 litros en el caso del octano, y 1.4 litros

para el metano. Es decir, para la misma potencia, el combustor deber ser fsicamente ms grande.

Finalmente, el nmero de moles de los productos de combustin tambin debe ser considerado. Si

consideramos nuevamente la combustin (estequiomtrica) del metano y el octano, obtenemos que por cada gramo de

combustible se obtienen ms moles (litros) de productos con el combustible ms liviano (metano). Luego, por unidad demasa de combustible (por unidad de energa entregada) se obtienen productos con ms volumen, lo que causa mayor

velocidad de escape y mayor empuje de la turbina o mayor potencia entregada al eje.

8.3 Aspectos fsicos8.3.1 Combustin de rocos

La combustin de rocos de combustibles lquidos en aire es un tema muy complejo, cuyos aspectos tericos y

prcticos estn lejos de ser totalmente conocidos. Sin embargo, se pueden hacer las siguientes consideraciones:

El combustible quema en fase gaseosa, no lquida, formando una pluma de llama del orden de 20 a 30dimetros de largo. En la pluma se presentan procesos de evaporacin, difusin mutua, mezcla y combustin. Al ser la

llama continua la ignicin se produce por aumento de la temperatura de la mezcla, por lo que es importante la velocidad

a la que el fludo evapora.La evaporacin del fludo consume un calor latente, calor que es recibido de la llama por radiacin y

conduccin. A medida que la gota evapora su rea disminuye con el cuadrado del radio, pero su masa (volumen) con elcubo del radio. Luego, la absorcin de calor se acelera, y puede conclur en la evaporacin simple, la ebullicin y/oexplosin de la gota, o la coquizacin de la gota formando esferas de carbn o ceniza.

Es por consiguiente vital el control del tamao y la distribucin de tamao de las gotas del roco.

8.3.2 Inyeccin

El combustible sale del inyector como un chorro de lquido que inicialmente forma hilos, luego se rompe en

largos de hilos, y finalmente forma gotas, tpicamente de entre 10 y 200 .La velocidad del chorro bsicamente controla no slo el caudal msico sino tambin la atomizacin, vale

decir, el tamao de gota. Luego, sera necesario tener un rea variable para poder cambiar separadamente el caudal

manteniendo la velocidad y el tamao de gota. Esto no es prctico en los tamaos de orificio usuales, y se adoptan otras

soluciones a este problema, como ser:

Rotadores mecnicos para impulsar el chorro y acentuar la rotura de hilos (Figura 8.6)


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138

Figura 8.6: Inyector con rotador mecnico

Inyectores con piloto (Duplex) que acenta la rotura de hilos (Figura 8.7):

Figura 8.7: Inyectores Duplex


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139

Inyectar a muy alta presin, con lo que los menores caudales an se producen con muy altas presiones deinyeccin, y el tamao de gota no vara tanto. Esta tcnica tiene el problema que los orificios deinyeccin resultan muy pequeos, y susceptibles a taparse con partculas de suciedad.

Inyectar con el combustible aire a alta presin, lo que favorece la rotura de hilos.Otro problema a considerar es la carbonizacin del combustible en el pico: la cercana de la llama puedecarbonizar el combustible que moja los bordes del pico, formando depsitos que interfieren con el chorro y degradan laatomizacin. Una tcnica para contrarrestar esto es la de lavar el frente del inyector con combustible, mantenindolo fro

y libre de depsitos (Figura 8.8):

Figura 8.8: Inyector con lavado por combustible

8.3.3 Mezcla y difusin

Al evaporar la gota el combustible evaporado tendera a permanecer cerca de la gota; esto aumenta la

concentracin y por lo tanto la presin parcial de combustible cerca de la superficie, retardando la evaporacinsubsiguiente. Adems, esto afecta ms a las fracciones de hidrocarburos ms pesadas y menos a las livianas, con lo que

la gota se vuelve ms densa y aumenta el riesgo de coquizacin. Es necesario entonces barrer el combustible evaporado

de las cercanas de la gota para acelerar la evaporacin.


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140

Esto se logra creando un flujo altamente turbulento, pero a costa de una prdida de presin total por lacreacin de turbulencia, que es un proceso tpicamente irreversible. Es necesario balancear el nivel de turbulencia con

una adecuada atomizacin y control del rango de tamaos de gota para asegurar la penetracin adecuada, es decir, el

largo de la pluma de llama, sin llegar a la coquizacin o el lavado de las paredes de la cmara con gotas sin evaporar.Adems, la generacin de turbulencia debe ser adecuada para todo el rango de flujo msico.

La difusin turbulenta es de vital importancia pues controla la riqueza de la mezcla en la zona de llama. En la

zona primaria generalmente se disea para condiciones estequiomtricas, pero los altos niveles de turbulencia hacennecesario proveer un sostn de llama, como se ver.

8.4 Quemado

8.4.1 Velocidad de llama

La llama es de difusin turbulenta, por lo que su velocidad no est definida y depende del nivel deturbulencia. La Figura 8.9 muestra velocidades tpicas de llamas de kerosene segn la riqueza de la mezcla, y una

velocidad tpica en la zona primaria del combustor del orden de los 40 m/s:

Figura 8.9: Velocidades de llamas de kerosene

La velocidad del flujo en la cmara de combustin se ilustra en la Figura 8.10, en trminos de nmeros de

Mach. A las temperaturas esperables esto equivale a unos 70 m/s a la entrada, reduciendo a unos 25-30 m/s en la zonaprimaria. Luego, es necesario no slo una llama turbulenta sino tambin, como se dijo, retencin de llama para evitar su

soplado corriente abajo:


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141

Figura 8.10: Condiciones tpicas en turbinas de gas


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142

8.4.2 Ignicin, energa mnima

Supongamos una esferita de mezcla de oxidante y combustible en condiciones p0, T0, en concentraciones

molares xc, xo. Para iniciar la combustin es necesario llevar la esferita a una temperatura tal que el calor liberado iguale

o exceda el calor perdido a travs de la superficie.La velocidad de reaccin de la mezcla en moles por segundo y por metro cbico est dada por una frmula de

tipo de Arrhenius:

RTE

oc exAx

= 2 donde E es la energa de activacin, la densidad molar (moles por metro cbico) y A un factor propio de la reaccinqumica (metros cbicos por mol-segundo).

Si Q es el calor de reaccin en Joules por mol, y el volumen de la esferita es3

3

4r , el calor liberado por

unidad de tiempo es

[ ]J/s3

4 23 RTEoc exAxQr

Si k es el coeficiente de transmisin del calor a travs de la superficie de la esferita el calor transmitido ser

( )02 44 TTrk

r

TTrk

dr

dTkS o =

Igualando despejamos el radio de la esferita:

( )2/1

2

03

=

oc

RTE

xAQx

eTTkr

La energa necesaria para llevar la esferita de T0a T ser:

( )0

3

3

4TTcrH p =

siendo cpel calor especfico molar a presin constante. Reemplazando el valor del radio:

( ) ( )

2/3

2

00

3

3

4

=

oc

RTE

pxAQx

eTTkTTcH

Podemos abreviar:

( ) 2/321

ocxxH

Como la densidad molar es ,/ Tp = siendo la constante universal, resulta la energa mnima deignicin

2/1 pH La energa mnima de ignicin es inversamente proporcional al cuadrado de la presin, lo que tiene

implicancias para, por ejemplo, el reencendido a gran altura en turbinas de aviacin, y el arranque de turbinas de gas engeneral.

Por otra parte,

Como la suma de la fracciones molares debe ser uno, debe haber un valor mximo de su producto, que har

mnima a H. Este valor resulta ser ligeramente superior al estequiomtrico, como muestra la Figura 8.11:

( ) 2/31

ocxxH


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143

Figura 8.11: Energas mnimas de ignicin para varios hidrocarburos en funcin de la riqueza

8.4.3 Retardo

De la expresin de la velocidad de reaccin deducimos que el tiempo necesario para alcanzar la temperatura

de ignicin es funcin de la temperatura inicial

0RTE

et La Figura 8.12 muestra algunos tiempos de retardo caractersticos de combustibles en aire:

Figura 8.12: Tiempos de retardo de ignicin

8.5 Valores caractersticos de diseo

El diseo de cmaras de combustin para turbinas de gas se basa sobre todo en la experiencia y el ensayo, yaque son demasiado complejas an con las herramientas computacionales actuales para modelarlas con precisin en base

a modelos tericos. El prediseo o seleccin de tamaos y parmetros se basa en el uso de valores caractersticos quepueden estimarse como sigue:

8.5.1 Tiempos

Los tiempos caractersticos de ignicin se ilustran en la Figura 8.13 en funcin de la riqueza de la mezcla:


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Figura 8.13: Tiempos caractersticos de ignicinEstos tiempos son los que la mezcla debe permanecer en la zona primaria para encender correctamente; caso

contrario la llama sera soplada corriente abajo (blowoff). Si, como es usual, hay en la zona primaria una zona derecirculacin para retener la llama, de longitud L y la velocidad media del flujo es V, el tiempo caracterstico debiera ser

menor que el tiempo de residencia en la zona de recirculacin, L/V.Tambin se encuentra que el tiempo caracterstico es inversamente proporcional a la presin y a la

temperatura elevada a una potencia del orden de 2.5. Ambas observaciones tienen influencia en el diseo de la zona de

recirculacin o retencin de llama para el encendido y reencendido a gran altura.

8.5.2 Escala transversal

El valor caracterstico es un rea de referencia, relacionada al caudal volumtrico a travs de las ecuaciones

de flujo conocidas. Valores usuales de nmero de Mach son M=0.05 a la entrada (zona primaria), M=1 en la salida a

toberas, M=0.15-0.2 entre el tubo de llama y la caja de aire. La relacin de aspecto largo/ancho es comnmente delorden de 3-4.

8.5.3 Escala longitudinal

El tiempo de residencia se asume inversamente proporcional a la velocidad de reaccin. Como la velocidad dereaccin es proporcional a las fracciones molares de los reactantes (elevadas a ciertos exponentes) y (del estudio de

energa mnima de ignicin) a la raz cuadrada de la temperatura, podemos asumir el tiempo de residencian

res pt /1 El tiempo de residencia en una cmara de seccin A y caudal volumtrico Q es LA/Q. Reemplazando para el

caudal volumtrico las ecuaciones de flujo compresible resulta

1

1

n

ttPT

L

siendo Tty p tlos valores de remanso a la salida de la cmara. Experimentalmente se encuentra que el exponente n vale

1.8 para bajas presiones y 1.0 para altas presiones, con lo que el exponente de p resulta ser de orden unitario. Luego:

pTL 1

Resumiendo, la longitud de la cmara es inversamente proporcional a la presin y la raz cuadrada de la

temperatura, y no es funcin de la potencia. Es por esto que en las turbinas primitivas, de baja presin y temperatura, las

cmaras eran ms largas que las actuales.

8.6 Intensidad de combustin

Otro valor caracterstico de prediseo es la intensidad de combustin, medida en MW/m3.atm (Figura 8.14):


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Figura 8.14: Intensidad de combustin y prdidas de presin en la cmara

Esto nos permite estimar el volumen de la cmara.Como ejemplos de comparacin, una caldera de vapor de 30 MW trabajando a presin atmosfrica tiene un

volumen de aproximadamente 400 m3, lo que d una intensidad de combustin del orden de 0.8. La turbina T56,trabajando a 10 atmsferas, tiene una intensidad de combustin ms de 20 veces superior.

En este ltimo caso, la liberacin de calor es de 20x10=200 MW/m3. Un motor de CI alternativo de 1500 cc

de mxima performance (motor de F1 turbocargado) ronda los 500 HP, o 220 MW/m3.

8.7 Diseo

8.7.1 Tipos de combustores

Los combustores primitivos consistan en cmaras separadas, aproximadamente cilndricas, denominadas

latas (cans), interconectadas para asegurar el encendido. Para alivianar el diseo y uniformizar la presin se adopt

luego el diseo de latas para el tubo de llama y envoltura anular para la caja de aire, forma que se llam en inglscannular. Finalmente, cuando se pudo asegurar la simetra del flujo y la combustin se adoptaron las cmaras

totalmente anulares. La Figura 8.15 muestra las distintas formas:

Figura 8.15: Tipos de cmaras de combustin


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146

Las Figuras 8.16 y 8.17 muestran ejemplos de cmaras separadas y anulares:

Figura 8.16: Cmara separada (Rolls Royce Dart)

Figura 8.17: Cmara de combustin anular


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147

El flujo en las cmaras puede ser directo en la direccin del compresor a la turbina, inverso, o biende retorno, con la entrada y la salida adyacentes. La Figura 8.18 muestra realizaciones de cmaras directas y

de retorno antigua y moderna:

Figura 8.18: Cmaras de combustin

Las cmaras plegadas o de retorno permiten acortar el largo del motor, utilizando ejes ms cortos y

rgidos. Al ser los nmeros de Mach tan bajos en la entrada no hay gran prdida de presin al invertir el flujo.


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148

Las turbinas terrestres no tienen restricciones de tamao, rea frontal y peso, y pueden inclusoutilizar cmaras fsicamente separadas del resto del motor (Figura 8.19):

Figura 8.19: Turbina Spartan con combustor separado

8.7.2 Regiones

Las cmaras de combustin se pueden considerar divididas en zonas o elementos que cumplen

funciones diversas. La Figura 8.20 indica la nomenclatura en ingls y castellano de las zonas tpicas:


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149

Fig 8.20 : Zonas de cmaras de combustin

El aire ingresa por un difusor y encuentra el tubo de llama, dividindose en aire primario y

secundario/terciario. El aire primario entra al tubo de llama a travs de giradores y otros elementos

generadores de turbulencia. El combustible es inyectado a la zona primaria donde se produce la ignicin ycombustin estequiomtrica o ligeramente rica.

Parte del resto del aire ingresa como aire secundario, cuya funcin es completar la combustin

quemando el CO que pudiera haber, y refrigerar el tubo de llama. El resto del aire (terciario o de dilucin)ingresa cerca de la salida para reducir la temperatura de los gases al grado aceptable para la primera tobera de

la turbina.

8.7.3 Elementos constitutivos

El girador es un simple juego de paletas fijas que imparte una rotacin al aire primario paraestabilizar la llama en el centro del tubo.

El difusor es un elemento de gran importancia, ya que debe decelerar el aire en la mnima distancia

sin grandes prdidas de presin. Los hay de dos tipos: gradual y brusco. El difusor de entrada es un difusor

gradual, y parte del girador acta como un difusor brusco.

Los difusores graduales tienen lmites al ngulo de divergencia dados por la posibilidad de

separacin del flujo (Figura 8.21):


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150

Fig 8.21: Lmites para difusores rectos

La eficiencia del difusor se define como

idealpp CC ,/= ,

donde Cpes el coeficiente de recuperacin de presin total:

2

2

1ent

entsalp

v

PPC

= .

La Figura 8.22 muestra las eficiencias tpicas de difusores graduales:

Figura 8.22: Eficiencia de difusores graduales

Para los difusores bruscos se pueden utilizar las ecuaciones de flujo compresible con una

modificacin emprica:

+=

61

21

2

2exp

,

,

salA

entA

salA

entA

entM

enttp

saltp

donde las reas estn definidas en la Figura 8.23:

Figura 8.23: Difusor brusco


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151

Conociendo el flujo de masa y el nmero de Mach de entrada se pueden calcular las presiones

estticas y el coeficiente de recuperacin de presin.

La eleccin del tipo de difusor no es sencilla: el difusor brusco tiene menor eficiencia pero el flujose separa en un rea conocida. El gradual es ms eficiente, pero el flujo puede separarse en cualquier lugar, e

incluso separarse en una sola cara, volvindose asimtrico.

8.8 Control de temperaturas

8.8.1 Temperatura de metal

El tubo de llama requiere refrigeracin que se logra por dos vas: por el pasaje de aire secundario yterciario por el exterior, y por el ingreso de aire por orificios y ranuras hacia el interior.

Como estimacin de diseo la prdida de presin en el aire de refrigeracin se puede tomar igual a

la presin dinmica2

21 v en el pasaje, estimando un M=0.1

El aire secundario y terciario ingresa por orificios relativamente grandes para mezclarse con la

llama, y por orificios ms pequeos y ranuras (10 a 15% del total) solamente para refrigerar el metal.

Hay muchas variantes de formas para los orificios de refrigeracin, algunas patentadas, perforadas,troqueladas, punzonadas, soldadas, etc. La Figura 8.24 muestra algunas formas tpicas:

Figura 8.24: Enfriamiento del tubo de llamaLa diferencias se deben a la bsqueda de formas ms robustas (evitar rajaduras por los

cambios de temperatura, tensin, fatiga), ms econmicas de fabricar, con menor prdida de presin y mejor

enfriamiento por conveccin del metal.

8.8.2 Temperatura de mezcla

El control de temperatura de la mezcla se efecta por medio del aire secundario y terciario. Elobjetivo es terminar de quemar el CO y especies intermedias tales como Hidrgeno e hidrocarburos

complejos (aire secundario, aproximadamente 20% del total) y reducir la temperatura de los gases y

uniformar (aire terciario, aproximadamente 30% del total).

8.8.3 Prdidas de carga

Se estima que una prdida de un 1% de presin de remanso en la cmara de combustin causa una

prdida de empuje en una turbina de aviacin del 0.2%, lo que en trminos econmicos es muy considerable.La prdida en el domo o nariz del tubo de llama (girador, turbuladores) se puede estimar en un 70%

de la presin dinmica local. En el espacio entre la carcasa o caja de aire y el tubo de llama, prdidas

despreciables; en el pasaje por los orificios de refrigeracin, una presin dinmica local, y en el difusor (ver

grfico de eficiencia), 30% de la presin dinmica local.

Como ejemplo, si aceptamos una relacin aire/combustible con 300% de exceso (valor usual enturbinas de gas), y una relacin de compresin de 10 a 1, podemos estimar:

Densidad: 10; Velocidad de entrada: (M=0.1) 35 m/s, Presin dinmica: 22

1 v =10kPa, o

sea, 1% de la presin total de 10 atm, pero sobre el 33% del caudal, es decir, 0.33%


44/104



152

En el pasaje, una presin dinmica (10 kPa o 1%), sobre un 15% del caudal, o sea 0.15% En el difusor, 30% de la presin dinmica, sobre el 100% del caudal, o sea 0.3%La suma es del orden del 0.8 al 1% de la presin total de 10 atmsferas.

8.9 Condiciones anormales

8.9.1 Blowout

El blowout es el apagado por exceso de velocidad de aire. Se puede presentar en condiciones de

mezcla rica y pobre, ya que la velocidad de llama es mxima en condiciones estequiomtricas. Las

condiciones de blowout se pueden presentar si se cambia el caudal de combustible muy rpidamente, sin darlugar a que la nueva demanda de potencia cambie el caudal de aire entregado por el compresor, alterando la

riqueza de la mezcla.

Tambin puede deberse, en los aviones, a cambios en la velocidad, altitud o actitud de vuelo, comoser, la puesta en ralent (condiciones de patrulla) al fin de una trepada, o una picada sin potencia

(empobreciemiento en ambos casos) o en el despegue o una aceleracin brusca en altura (enriquecimiento en

ambos casos).

8.9.2 ExtincinAn si la mezcla es estequiomtrica en la zona primaria, la cantidad de calor liberada puede ser

insuficiente para mantener la vaporizacin del combustible y calentar la mezcla hasta la tmeperatura de

ignicin, particularmente debido a las prdidas por radiacin. Luego, la bola de fuego es muy pequea y se

extingue. Las causas pueden ser reduccin muy brusca de potencia, mal funcionamiento de los inyectores,falla de la unidad de control de combustible.

8.9.3 Hot start

En el arranque la cmara de combustin est fra, no hay radiacin infrarroja, y las gotas no

evaporan totalmente. Puede suceder que una cantidad importante de gotas alcance las paredes de la cmara,

escurrindose y acumulndose en el fondo. Al producirse la ignicin se eyecta el combustible lquido,quemando en la zona de toberas y turbina, con grave riesgo de sobre temperaturas.

Para evitar esto el fabricante de la turbina de gas usualmente especifica severos lmites para lasmaniobras de arranque, incluyendo perodos de encendido e inyeccin, y de descanso y giro en vaco

(motoring) para casos de fallo en encender.

8.9.4 Factor de carga, estabilidad

La estabilidad de la llama, incluyendo la posibilidad de blowout, puede estudiarse en formaexperimental utilizando el parmetro de carga del combustor, definido por:

Vn

p

GCLP =)ParameterLoadn(Combustio ,

siendo G el caudal msico de aire en libras masa por segundo, p la presin en atmsferas y V el volumen de la

cmara en pies cbicos. El exponente n, ya visto, vale 1.8 a bajas presiones y 1.0 a altas presiones.

Para cada valor del CLP (variando el caudal o la presin) se vara el caudal de combustible hastalograr blowout o algn signo de inestabilidad (tos). Los resultados se resumen en la Figura 8.25:

Figura 8.25: Diagrama de estabilidad de llama


45/104



153

Como la llama se sopla ms fcilmente a menor presin, puede facilitarse el experimento

manteniendo todas las condiciones constantes y reduciendo la presin hasta soplar la llama.

Se nota que, a CLP fijo, puede producirse soplado tanto en mezcla rica como pobre, como ya semencion. Tambin, que con riqueza fija la llama se sopla aumentando el caudal (potencia) o reduciendo la

presin (altura)

8.9.5 Reencendido en vuelo

Supongamos dado el diagrama velocidad-altura para el avin, con sus lmites dados por la

aerodinmica y la resistencia estructural.De las caractersticas de la turbina de gas obtenemos el rango de riqueza con que se puede operar a

mnima potencia, y con este rango el valor mximo de CLP (por ejemplo, 0.51.7, CLP=10).Con el CLP mximo y el caudal msico a mnima potencia obtenemos la presin, y con la relacin

de compresin del compresor la presin de admisin y por ende la altura de vuelo.Por otro lado, con las condiciones a mnima potencia obtenemos el empuje y por consiguiente la

velocidad del avin.

Graficando estos pares altura-velocidad a CLP mximo obtenemos un nuevo lmite a laoperacin del avin dado por la estabilidad de la combustin (Figura 8.26):

Figura 8.26: Lmites operativos del avinSe nota que la estabilidad de la combustin reduce la habilidad de volar a bajas velocidades a gran

altura. Esto tambin implica que puede ser necesario acelerar (aumentar la presin de admisin por efecto de

la presin dinmica) para poder reencender el motor: es por ello que se debe acelerar picando el avin para

reencender.Otras observaciones a este respecto seran que en la picada el rotor de la turbina debe poder

acelerar (por efecto de la presin dinmica y efecto de molinete) al menos hasta un 60% de la velocidad

nominal de rotacin para que se pueda reencender, y que sera necesario aumentar la energa de encendido ya

que la mezcla seguramente ser rica.

8.10 Performance

8.10.1 Eficiencia de la combustin

La eficiencia de la combustin es una medida de cunto se aproximan las condiciones reales a la

reaccin de combustin completa con agua y dixido de carbono como nicos productos de combustin. Enun buen diseo se requieren eficiencias del 98% y ms.

No existe una manera sencilla de estimar esta eficiencia sin modelar completamente la mecnica de

los fludos y la combustin turbulenta en la cmara por medios computacionales, lo que no est andisponible para el diseador.

Existen frmulas empricas en unidades mixtas (USA). Se computa un parmetro de reaccin:

G

xeAHp bT

entt

ent575.1

, 10

= ,

donde A y H son el rea y la altura de la cmara y el parmetro bviene dado por


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154

=

03.1ln2382

b .

La Figura 8.27 muestra los valores de eficiencia de combustin esperables segn el parmetro de

reaccin:

Figura 8.27: Eficiencia de la combustin

Por ejemplo, con p=20 atm, T=850K, G=30 kg/s, A=0.1 m2y H=5 cm y =0.8. Convertimos todo alb, ft

2, ft, psi y F, y obtenemos b=444, =30, con lo que resulta =0.995.

Se debe notar que el valor de riqueza es un valor local, por lo que se debe repetir el clculo en un

nmero de zonas de riqueza aproximadamente uniforme e integrar numricamente para estimar la eficienciaglobal.

8.10.2 Distribucin de temperaturas en la salida a toberas

La uniformidad circular de las temperaturas de salida de la cmara anular o del conjunto de

cmaras separadas se mide con un factor denominado Pattern Factor que se define como:

enttpromt

promtmaxt

TT

TTPF

,,

,,

= .

Se utiliza aqu la mayor temperatura observada y el promedio radial y circunferencial. Este factor

suele estar entre 0.2 y 0.5, y el objetivo es mantenerlo entre 0.15 y 0.25. El mnimo es cero.

8.10.3 Perfil radial

La distribucin de temperaturas en cualquier tobera en la direccin radial tambin tiene sus lmites,

medidos por un factor de perfil:

enttpromt

enttprommaxtf

TTTTP,,

,,,

=

Se utilizan aqu las temperaturas mximas en cada tobera, cualquiera sea su posicin radial,

promediadas circunferencialmente pero no radialmente. El mnimo de este perfil es 1, y el objetivo es que no

exceda 1.06.

8.11 Polucin

La contaminacin producida por la turbina de gas es baja comparada con otros motores, como

muestra la Figura 8.29:


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155

Comparacin de concentraciones de especies en el escape, Indice de Emisin (EI)

y concentraciones equivalentes a =1,

para varias especies y motores representativos

Especies

HC* CO NO

Motor CondicinOperativa

Equivalencia

ppm EI ppm

=1ppm EI ppm

=1ppm EI ppm

=1Otto** 30 mph 1.0

+ 138 6.13 138 16100 241.0 16100 1050 16.3 1050

TG regen** 30 mph 0.1+ 0.58 0.26 5.8 37 5.3 370 89 13.5 890

TG aviacin Crucero 0.2 0.17 0.378 8.5 46 3.3 230 71 5.5 355

Notas:

* Equivalente a hexano; Ciclo Otto medido por infrarrojo no-dispersivo (NDIR), otros por detector deionizacin de llama (FID); el mtodo FID d valores aproximadamente 1.8 veces ms altos que el mtodo

NDIR.

** Valores adaptados de informacin publicada

+ Estimado

Figura 8.29: Contaminantes producidos por motores de combustin interna

Se debe notar que, como la Turbina de Gas trabaja con relaciones de riqueza globales muy pobres,los valores se han corregido a riqueza estequiomtrica.

La emisin de hidrocarburos sin quemar es prominente en la operacin en ralent, de donde el olor

a kerosene en los aeropuertos. Las emisiones de CO se reducen aumentando el aire secundario, lo que redundaen mayor produccin de xidos de Nitrgeno. Este compromiso impulsa nuevos desarrollos tales como la

combustin en dos etapas rica-pobre.La emisin de holln (carbn) est generalmente asociada a un pobre diseo de la zona primaria, y

es ms comn en diseos antiguos, aunque es casi inevitable a mxima potencia.

Para las turbinas que funcionan con Gas Natural es de especial preocupacin la produccin dexidos de Nitrgeno.


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67.30 Combustin Unidad IX

D. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza

156

Unidad IX: Combustin en Motores de Combustin Interna

9.1. Motores Ciclo Otto

9.1.1 Ignicin

9.1.1.1 GeneralEn el motor ciclo Otto se quema una mezcla de aire y combustible dentro de la cmara de

combustin. El quemado de la mezcla se inicia por medio de una chispa elctrica antes de que el pistn llegue

al punto muerto superior (PMS). El control del instante en que se inicia la combustin es vital para obtener la

mejor prestacin del motor. La Figura 9.1 muestra el efecto del avance de chispa sobre el ciclo indicado. Se

nota cmo caen la presin media indicada (IMEP) y el rendimiento cuando la chispa se produce antes o

despus del momento ptimo.

Fig 9.1: Efecto del avance de encendido sobre el ciclo indicado

La Figura 9.2 muestra cmo vara el consumo de un motor a distintas velocidades del vehculo, al variar el

momento de encendido, medido en grados de giro del cigeal antes del PMS:

Fig 9.2: Efecto del avance de encendido sobre la potencia


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157

En la figura precedente se indican curvas de avance centrfugo y por vaco. El momento de

encendido debe variarse de acuerdo a la velocidad de rotacin y a la potencia desarrollada por el motor.

Luego, el avance de la chispa es controlado, dentro del distribuidor o la computadora de encendido, por lavelocidad de rotacin (avance centrfugo) y por la presin (o mejor dicho vaco) existente en el mltiple de

admisin (a menos vaco ms potencia).

9.1.1.2 Mezcla inflamable

La mezcla se puede preparar en un carburador o, en motores modernos, inyectando combustible

finamente pulverizado, ya sea en el mltiple de admisin (inyeccin mono o multipunto) o bien dentro de la

cmara de combustin (inyeccin directa).

La cantidad de combustible que se aade al aire se regula por medios mecnicos (en el carburador) o

electrnicos (inyeccin electrnica). El objetivo es lograr una mezcla inflamable aproximadamente

estequiomtrica, aunque en ciertas condiciones de operacin se requieren desviaciones en ms o en menos.

El sistema de generacin de mezcla inflamable debe estar diseado para producir ciertos efectos que

se consideran indispensables, tales como:

-Completa evaporacin del combustible-Homogenizacin de la mezcla

-Uniformidad en la provisin a todos los cilindros

-Uniformidad en la provisin ciclo a ciclo.

La mezcla inflamable as preparada ingresa al cilindro por va de la/s vlvula/s de admisin, aspirada

por el movimiento del pistn en la carrera de admisin, y en ciertos casos, impulsada por medios mecnicos

(turbo alimentacin). La mezcla es luego comprimida al ascender el pistn en la carrera de compresin. En

todos los casos, cerca del PMS, se requiere que, al producirse la ignicin, la mezcla est en un estado de

movimiento turbulento.

Al producirse la chispa se genera un frente de llama aproximadamente esfrico, que comienza a

propagarse en la mezcla, consumiendo mezcla fresca y dejando detrs los productos de combustin (gases de

escape) (Figura 9.3).

Fig 9.3: Avance del frente de llama

La velocidad de propagacin del frente de llama es funcin de un nmero de factores, siendo la

turbulencia de la mezcla fresca uno de los ms importantes.

La combustin en el Ciclo Otto es premezclada, turbulenta.

La proporcin de combustible define la riqueza de la mezcla: rica (en combustible) o pobre. La

combustin podr iniciarse y propagarse dentro de ciertos valores de riqueza que pueden estimarse


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158

considerando los lmites de inflamabilidad del combustible (Figura 9.4)

Fig 9.4: Lmites de inflamabilidad de algunos combustibles

9.1.1.3 Ignicin, tipos, energa mnima

El encendido de la mezcla se produce cuando en un volumen dado se eleva la temperatura en un

grado tal que las reacciones qumicas (cuya velocidad es funcin exponencial de la temperatura) se aceleran

tanto que la generacin de calor por unidad de tiempo es suficiente para calentar la mezcla adyacente a igualo mayor temperatura y as propagar la reaccin de combustin. No existe una temperatura de ignicin sino

que la aceleracin exponencial de la velocidad de reaccin hace parecer que el encendido se produce a una

cierta temperatura.

El calentamiento local (ignicin) puede producirse de varias maneras, como ser:

-Por un cuerpo caliente (por ejemplo, la partcula incandescente que enciende el encendedor de cigarrillos).

En el motor de CI puede suceder por la presencia de escoria mineral que, al ser mala conductora del calor, se

mantenga incandescente entre explosiones. Esto d origen a dos modos anormales de ignicin, la pre-ignicin

y la post-ignicin o encendido mltiple, que se consideran ms adelante.

-Por chispa elctrica: ste es el modo normal de ignicin del Ciclo Otto.

Considerando el modo normal, el sistema de encendido del motor produce una chispa elctrica entre

dos electrodos metlicos colocados dentro de la cmara de combustin. Para que la ignicin tenga xito es

necesario que la chispa posea cierta Energa Mnima. Esta es la energa necesaria para elevar la temperatura

de la mezcla, en un volumen alrededor de la chispa, lo suficiente para iniciar la combustin. El volumen as

encendido debe ser de tamao suficiente como para que el calor producido pueda calentar las capas

adyacentes y propagar la combustin an cuando cierta cantidad de calor se pierda por conduccin y

radiacin, especialmente si hay paredes metlicas cercanas. Como las paredes metlicas ms cercanas son

precisamente los electrodos que producen la chispa, esto define la luz mnima de electrodos en la buja de

encendido. Esta luz es tambin la distancia de apagado, ya que identifica regiones (hendiduras) hacia cuyo

interior el frente de llama no se podr propagar pues se pierde demasiado calor hacia las paredes. Lo mismo

sucede en regiones muy cercanas a paredes metlicas (pared del cilindro, etc.)

La energa mnima de encendido es aproximadamente proporcional a la superficie del frente esfrico

de llama, es decir, al cuadrado del radio o de la distancia entre electrodos para la esferita primaria, siendo del

orden de 10 mJ para 1 cm. para un gran nmero de hidrocarburos en aire.

La energa mnima de encendido es tambin aproximadamente inversamente proporcional al

cuadrado de la presin (Figura 9.5). Esto explica porqu al operar un motor a grandes alturas (aviones, zonas


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159

de montaa) el encendido puede fallar, pues se requiere mayor energa de chispa.

Fig 9.5: Efecto de la presin sobre la energa mnima de chispa

La energa mnima es tambin funcin de la riqueza de la mezcla, siendo en general mnima para

mezcla ligeramente ricas. Es por esto que el encendido suele fallar cuando el motor funciona en vaco

(mezcla pobre) ya que la energa de la chispa es insuficiente, y la marcha se regulariza al enriquecer

ligeramente la mezcla.

La Figura 9.6 muestra el efecto de la riqueza de la mezcla sobre la energa mnima de ignicin para

varios hidrocarburos. Se debe notar que la escala de energa es logartmica: la energa mnima requerida esmucho mayor apenas se aparta la mezcla de la estequiometra.


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160

Fig 9.6: Efecto de la estequiometra sobre la energa de encendido

9.1.1.4 Ignicin anormal

El pre-encendido y el post-encendido por cuerpos calientes son situaciones que normalmente se

controlan con buen mantenimiento (limpieza).Existe otro mecanismo de ignicin anormal ms importante: la detonacin. Aunque las causas y

explicaciones de este fenmeno son varias y no totalmente conocidas, se puede considerar la siguiente

progresin de eventos: al avanzar el frente de llama no slo avanza por consumir mezcla adyacente sino que

es impulsado hacia adelante por los gases producto de la combustin que estn mucho ms calientes y buscan

expandirse, empujando al frente de llama y comprimiendo la mezcla fresca delante del frente de llama.

La mezcla fresca as comprimida aumenta su temperatura y presin, y pude suceder que, o bien se

alcancen las condiciones para que toda la mezcla fresca combustione instantneamente (detonacin

propiamente dicha) o bien se origine uno o ms nuevos frentes de llama en zonas calientes de la cmara de

combustin, que avancen los unos hacia los otros. En este ltimo caso, los mltiples frentes de llama, o bien

causan la detonacin final de la mezcla atrapada entre ellos, o bien continan avanzando hasta colisionar,

produciendo ondas de presin en la colisin.

En cualquier caso el resultado global es la aparicin de picos de presin (evidenciados por un

caracterstico martilleo metlico) de gran amplitud, que pueden causar serios daos mecnicos a las partes delmotor.

Esta ignicin anormal se controla por medio de las cualidades antidetonantes del combustible, que se

discuten ms adelante.

9.1.2 Cmaras de combustin

9.1.2.1 Requisitos generales

La cmara de combustin del motor ciclo Otto debe cumplir un gran nmero de requisitos, muchos

de ellos mutuamente incompatibles. Podemos citar:

-Obtener altas potencias, para lo cual es necesario:

Alta compresin (llama corta, veloz, cmara fra (1), buja cerca del escape)

Alto rendimiento gravimtrico (vlvulas grandes(2), fras)

Operar bien con mezclas ricas (turbulencia)


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161

-Obtener altas velocidades, para lo cual se requiere:

Mecanismo liviano (vlvulas chicas (2))

Combustin rpida (turbulencia)

-Obtener altos rendimientos, lo que requiere:Alta compresin

Operar bien con mezcla pobre (compacta (3), turbulenta)

Mnima prdida de calor (cmara caliente (1))

Separar las vlvulas para evitar prdidas de mezcla fresca (3)

-Buena regulabilidad del motor, o sea:

Insensible a la velocidad (turbulencia por apriete)

Insensible a la riqueza (cmara refrigerada (1))

Insensible a la temperatura

-Marcha suave, regular, que requiere:

Velocidad de llama proporcional a las rpm (turbulencia por apriete)

Evitar detonacin (rea del frente de llama decreciente)

Las llamadas (1)-(3) indican requisitos incompatibles, y los diseos de cmaras de combustin sonsoluciones de compromiso para optimizar algunos de estos requisitos a expensas de otros.

9.1.2.2 Diseos tpicos

Consideramos primero cmaras de combustin para motores de cuatro tiempos. La Figura 9.7

muestra algunos diseos antiguos, con vlvulas laterales, a saber:

a) Poca turbulencia, muy propenso a detonacin, bajas velocidades de rotacin.

b) Diseo mejorado, con las dos vlvulas del mismo lado, pero posible prdida de mezcla.

c) Al llegar el pistn al PMS expulsa violentamente la mezcla en la zona de apriete, causando intensa

turbulencia casi independiente de la velocidad del motor, lo que permite ms altas velocidades. La buja de

encendido y la vlvula de escape caliente pueden dar lugar a encendido mltiple.

d) La buja sobre la vlvula de escape y la mayor separacin fsica entre vlvulas mejoran el diseo.

Fig 9.7: Cmaras con vlvulas laterales


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162

En la Figura 9.8 se muestran diseos ms modernos con vlvulas a la cabeza.

a) Diseo ptimo, pero poco lugar para la buja.

b) Mejor, pero difcil refrigeracin del block del motor.c) El rea de vlvulas sobresale, causando prdidas de calor

c variante) Buen diseo, muy frecuente.

c1 y c2) Diseos para motores de aviacin, restringiendo la turbulencia por apriete para motores de aviacin

de velocidad casi constante.

Fig 9.8: Cmaras con vlvulas a la cabeza

La Figura 9.9 muestra la disposicin general de una cmara de combustin de muy alta performance:


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163

el motor de Frmula 1 Coventry Climax; se trata de un tipo c) desarrollado al mximo.

Fig 9.9: Motor Coventry Climax

Para los motores Ciclo Otto de dos tiempos existen tambin mltiples variantes, algunas de las

cuales se muestran en la Figura 9.10, como ser :

a) Cmara simple, baja velocidad. Notar el deflector para asistir en el barrido.

b) Con turbulencia por apriete para mayor velocidad.c) Similar pero ms compacta.

d) Con mayor apriete

Fig 9.10: Cmaras para motores de dos tiempos


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164

9.1.3 Combustibles para motores de CI

9.1.3.1 Tipos

Los motores de CI utilizan combustibles gaseosos (gas natural comprimido o GNC, gas de gasgeno,gas licuado o GLP, hidrgeno), lquido (naftas, gasoils, alcoholes, hidrocarburos puros o mezclados) e

incluso slidos (polvo de carbon).

9.1.3.2 Descripcin

El GLP est compuesto de propano (aprox. 40%) y butano (aprox. 50%), ms CO2, metano, etc. Su

densidad es del orden de 2.2, y su poder calorfico inferior ronda las 11000 Kcal/Kg (45 MJ/Kg). El GNC

consiste principalmente en metano, con una densidad de 0.72 y 12000 Kcal/Kg.

Los combustibles lquidos son hidrocarburos destilados del petrleo, productos de la industria

petroqumica, alcoholes y productos de otras industrias (destilado de hulla).

Los hidrocarburos son los parafnicos (frmula genrica CnH2n+2), los iso-parafnicos (ismeros de

los anteriores) de los cuales se destaca el isooctano C8H18 o 2-2-4-trimetil-pentano, las cicloparafinas o

naftnicos como el ciclohexano de frmula genrica CnH2n, los aromticos CnH2n-6 como el benceno y el

tolueno (o metil-benceno), las olefinas CnH2ny CnH2n-2, los alcoholes etlico CH3OH, metlico C2H5OH, etc.

9.1.3.3 Obtencin de combustibles

Los combustibles gaseosos se obtienen de pozos petrolferos o gasferos, de gasgenos, de plantas de

cokizacin, de refineras y de la industria petroqumica.

Los lquidos se obtienen del petrleo mediante variadas operaciones tales como

-Destilacin fraccionada

-Cracking trmico o cataltico (ruptura de cadenas largas)

-Polimerizacin (creacin de ramas)

-Hidrogenado (rupture de enlaces dobles)

-Isomerizacin

-Alkilacin (generacin de alkilos)

-Ciclizacin y aromatizacin (aumento de aromticos)

-Mezclado (de tipos diversos)-Aditivacin con productos mejoradores de ciertas propiedades, etc.

9.1.3.4 Combustin completa, parmetros

La reaccin de combustin completa no estequiomtrica es de un compuesto de carbono e hidrgeno

en aire es:

o bien

Los principales parmetros que definen la combustin son:

Porciento de carbono en el combustible: 100 12x/(12x+y)

Relacin aire-combustible estequiomtrica, en peso:( )( )

yx

xyx

PCA

+

++=

12

2876.3324//

y en volumen( )( )

1

76.314//

++=

yx

VCA

( ) ( ) ( ) ( ) 1si211

4/276.34/

22

2276.32

4/++

++++

++

OyxN

yxOH

yxCONO

yxyHxC

( )

( )

( )1si

11

276.3

4/

222276.3

2

4/+

++++

++

yH

xCN

yxOH

yCO

xNO

yx

yH

xC


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165

Fraccin de aire:

esteqCA

CA

/

/1==

Exceso de aire: )1(100 = e

Parmetro Gamma: 10;/1

1

/11

1

+=

+=

estqAA

9.1.4 Combustibles para motores Ciclo Otto

9.1.4.1 General

Los combustibles ms usuales son las naftas, y para los motores de aviacin las aeronaftas. La Figura

9.11 muestra las especificaciones fsicas y qumicas de un nmero de naftas y aeronaftas del pasado,

indicando las normas ASTM que rigen los ensayos.

Fig 9.11: Especificaciones de naftas

En nuestro pas, para las naftas (motonaftas) existen las normas IRAM, que son muy similares o simplemente

refieren a las normas ASTM. La Figura 9.12 muestra las especificaciones tpicas de motonaftas argentinas.

Fig 9.12: Motonaftas argentinas


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166

Las razones de algunas de estas especificaciones se dan en lo siguiente.

9.1.4.2 Requisitos de las naftas para motores ciclo OttoLos requisitos generales son:

-Combustin normal (no detonante)

-Fcil arranque (volatilidad, presin de vapor)

-Aceptable para uso en transporte (densidad, presin de vapor, solubilidad de agua, punto de congelacin,

toxicidad)

-Facilidad de distribucin (estabilidad qumica con el tiempo, evaporacin, corrosin)

9.1.4.3 Antidetonancia

La determinacin de las cualidades del combustible respecto a la detonancia se dificulta por ser este

fenmeno funcin de muchos parmetros tales como el combustible mismo, el clima, el uso del motor, el

diseo de la cmara, su estado de mantenimiento, el sistema de encendido, etc.

Luego, para definir la calidad antidetonante se fijan todas las variables menos una: el combustible.

Los ensayos se realizan

combustión. volumen 2. e. brizuela, j. c. lorza

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