UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTINFACULTAD DE INGENIERIA CIVILESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA SANITARIA

FISICOQUIMICA

MAQUINAS TERMICAS

ALUMNAS:Arce Mendoza, Keyla LuzHancco Zea, DorisTejada Perfecto, Kelly

DOCENTE:Dr. Janet Zegarra

Per, Arequipa 20 de Julio del 2015

INDICEI.RESUMEN.3

II.INTRODUCCION 4

III.MAQUINAS TERMICAS 6 3.1.1CLASIFICACION 8 3.1.2SEGN EL SENTIDO DE TRANSFERENCIA DE ENERGIA 3.2.SEGN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 3.2.1.TERMODINAMICA APLICABLE A MAQUINAS TERMICAS.. 9 3.3PRINCIPIOS TERMODINAMICOS. 9 3.3.1CONCEPTOS TERMODINAMICOS BASICOS .10 3.3.2CICLOS TWERMODINAMICOS 11

IV.MAQUINAS TERMICAS (Funcionamiento y aplicaciones).124.1MOTOR WANKEL12 4.1.1 .INTRODUCCIN12 4.1.2. PRINCIPIOS TERMODINMICOS DE FUNCIONAMIENTO...13 4.1.3. ASPECTOS TECNOLGICOS14 4.1.4. ASPECTOS AMBIENTALES..16 4.1.5. DESCRIPCIN TERMODINMICA Y TECNOLGICA DE UN CASO ESPECFICO......18

4.2. MOTOR STERLING24 4.2.1 INTRODUCCIN 4.1.2 PRINCIPIOS TERMODINMICOS DE FUNCIONAMIENTO 4.2.3. ASPECTOS TECNOLGICOS 4.2.4. ASPECTOS AMBIENTALES 4.2.5. DESCRIPCIN TERMODINMICA Y TECNOLGICA DE UN CASO ESPECFICO

4.3. MOTOR A HIDROGENO.32 4.3.1. INTRODUCCIN 4.3.2. PRINCIPIOS TERMODINMICOS DE FUNCIONAMIENTO 4.3.3. ASPECTOS TECNOLGICOS 4.3.4. ASPECTOS AMBIENTALES 4.3.5. DESCRIPCIN TERMODINMICA Y TECNOLOGA DE UN CASO ESPECFICO

4.4. CELDAS DE COMBUSTIBLE.40 4.4.1. INTRODUCCIN 4.4.2. PRINCIPIOS TERMODINMICOS DE FUNCIONAMIENTO 4.4.3 ASPECTOS TECNOLGICOS 4.4.4. USO DE LA CORRIENTE 4.4.5. ASPECTOS AMBIENTALES 4.4.6. DESCRIPCIN TERMODINMICA Y TECNOLOGA DE UN CASO ESPECFICO

V.CONCLUSIONES-------------------------------------------------------------------------------------------------------------50VI.BIBLIOGRAFIA--------------------------------------------------------------------------------------------------------------51

RESUMEN

Decidimos hacer este trabajo porque se nos hizo interesante el funcionamiento de las maquinas trmicas al igual que su historia ya que de no haber sido su invencin, el mundo de ahora sera diferente.

Tambin se nos hace increble pensar que una simple mquina de vapor pueda tener tantas aplicaciones como poder generar movimiento mecnico con un principio tan sencillo como es el del pistn, o en un motor de cuatro tiempos, la intervencin de los combustibles hechos gases utilizando el mismo principio de una mquina de vapor, solo que en manera ms evolucionada.

De igual manera, se nos hizo interesante el poder poner en prctica una mquina de vapor hecha por nosotras mismas, en la que se demuestre uno de los usos ms simples que pueden ser empleados en una mquina de vapor, y lo tiles que pudieron haber sido a principios del siglo as como tambin pueden ser utilizadas hoy en da.

Objetivo.Esperamos aprender a poner en uso los conocimientos que ahora tenemos a cerca de las mquinas trmicas, as como para saber que con un poco de imaginacin y conceptos, se pueden sacar maquinas a escala e incluso mquinas reales.

INTRODUCCION

La evolucin histrica de la ingeniera trmica empieza con el dominio del fuego que en sus principios, serva para calentarse y como medio de iluminacin.Ya por el 10000 a.C empiezan a utilizar en la fusin de metales, la alfarera y cermica por medio de hornos. Pero para aquella poca los conceptos termodinmicos son imprecisos: fuego, calor y temperatura, eran poco ms que percepciones condicionales a la mitologa.

En varias partes del mundo existen diversos tipos de sistemas para este tema, por ejemplo en Egipto se desarrolla sistemas de refrigeracin por vaporizacin, luego en Creta y Roma se implantan las primeras calefacciones centrales.

Uno de los problemas de la ingeniera es la transformacin de unas fuentes de energa en otras que sean fcilmente aprovechadas por el hombre.

Una maquina es el conjunto de mecanismos combinados que tienen como misin convertir o transformar una forma de energa con unas condiciones concretas en otra o en la misma pero cn otras condiciones. (Q W).

CLASIFICACION:Podemos determinar que una primera clasificacin de las maquinas puede ser en funcin de las fuentes de energa.Mquinas de fluido:Maquinas hidrulicasMaquinas trmicas

Maquinas elctrica

Dentro de cada tipo pueden dividirse en si producen energa mecnica o si utilizan:Maquinas motorasMaquinas generadorasMaquinas transformadoras

MAQUINAS TERMICAS

Es un conjunto de elementos mecnicos que permiten intercambiar energa, generalmente a travs de un eje, mediante la variacin de energa de un fluido que vara su densidad significativamente al atravesar la mquina, tambin realiza una serie de transformaciones termodinmicas de forma cclica, para que la maquina pueda funcionar de forma continua.

A travs de dichas trasformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente de un foco trmico) que transforma en trabajo.El desarrollo de la termodinmica y ms concreto en el segundo principio se dio por la necesidad de aumentar el trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. ENUNCIADO DE KELVIN PLANCK:

No es posible ninguna transformacincclicaque transforme ntegramente el calor absorbido en trabajo.caque transforme ntegramente el calor absorbido en trabajo.

Podemos concluir que la cantidad de energa que no ha podido ser transformada debe cederse en forma de calor a otros focos trmicos, es decir que una maquina por lo menos debe trabajar en dos focos trmicos.ESQUEMA 1:

Absorbe una cantidad de calor Q de un foco caliente a una temperatura TProduce una cantidad de trabajo WCede una cantidad de calor Q a un foco frio a una temperatura T

Como la maquina debe trabajar en ciclos, la variacin de energa interna es nula.

Al aplicar el primer principio, el trabajo puede expresarse:

En general se define potencia (P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las maquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo.

RENDIMIENTO: El objetivo de una maquina es aumentar la relacin entre el trabajo dado y el calor absorbido, y se define como rendimiento al cociente de ambos.Si tenemos en cuenta la limitacin impuesta por el enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido con lo que el rendimiento siempre ser menor que uno.

Habitualmente se expresa en porcentaje. Multiplicando el calor por 100. Para las maquinas mas comunes este rendimiento se encuentra entorno al 20%.El rendimiento tambin se puede calcular como:

3.1. CLASIFICACION: 3.1.1. SEGN EL SENTIDO DE TRNASFERENCIA DE ENERGIA: A) MAQUINAS TERMICAS MOTORAS:En las cuales la energa del fluido disminuye al atravesar la mquina, obtenindoseenerga mecnicaen el eje.B) MAQUINAS TERMICAS GENERADORAS:En las cuales la energa del fluido aumenta al atravesar la mquina, precisndose energa mecnica en el eje.3.1.2. SEGN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:A) MAQINAS VOLUMETRICAS:Se basa en principios mecnicos e hidrostticos, de manera que el fluido en algn instante est contenido en un volumen limitado por los elementos de la maquina.Su flujo es pulsatorio, se divide en dos:Alternativas: movimiento rectilneoRotativas: movimiento circular

B) TURBOMAQUINAS:Se basa en el intercambio de cantidad de movimientos entre el fluido y un rodeteSu flujo es continuo.

TABLA 1:

3.2. TERMODINAMICA APLICADA A MAQUINAS TERMICAS:La termodinmica se sustenta en dos principios de los cuatro.3.2.1. PRINCIPIOS TERMODINAMICOSA) PRIMER PRINCIP0:``Conservacin de la energa``, la energa no se crea ni se destruye, nicamente se trasforma por lo tanto, el calor Q es transformable en trabajo W y viceversa.

B) SEGUNDO PRINCIPIO:En el enunciado de Kelvin confirmo que no existe ningn dispositivo que operando por ciclos, absorba calor de una nica fuente y lo convierta ntegramente en trabajo.De este principio se saca como conclusin que todas las maquinas van a tener un rendimiento ``no perfecto``, es decir menor que 1; y que puede ser un proceso reversible o teorico y irreversible o real.

3.2.2. CONCEPTOS TERMODINAMICOS BASICOS:Energa: es la capacidad para realizar trabajo. Se clasifica en:Energa potencial: cuando est contenida en un cuerpo o sistema debido a un campo de fuerzas.Energa cintica: debido al movimiento de cuerpos.

Las formas de energa que interesan en este tema son la mecnica y la trmica es decir las que tienen capacidad para producir trabajo mecnico y calor.

Trabajo mecnico: es la fuerza por el desplazamiento en julios.

Potencia: es el trabajo realizado por unidad de tiempo en vatios.Calor: es la energa trmica de transicin a travs de las superficies que limitan al sistema, es el trabajo trmico. Se miden en caloras siendo la kcal la energa necesaria para incrementar en 1C un kilogramo de agua.

Calor especfico: es la cantidad de calor para elevar 1C, 1Kg de fluido, existe el calor especifico a volumen constante (Cv) y el calor especifico a presin constante (Cp), siendo: Cp=Cv +R.

Energa interna (U): es la energa trmica almacenada en el fluido, es la energa potencial trmica. En un gas depende dolo de su temperatura.

Entropa (S): es la variacin de calor ``dQ`` respecto de la temperatura ``T`` absoluta

Rendimiento energtico: es la relacin que existe entre el calor intercambiado y la suma de este y las prdidas al entorno.

3.2.3. CICLOS TERMODINAMICOS TEORICOS:Los ciclos trmicos son el conjunto de transformaciones que termodinmicas que ocurren de forma peridica a la vez que cclica. Desde el punto de vista terico ideal se resaltarn los ciclos de: Carnot, Otto, Disel y Sabath, Brayton y Rankine.

3.2.3.1Ciclo de Carnot:El ciclo de Carnot tiene un rendimiento mximo para una mquina trmica si bien no realizable de forma prctica. Por ello se estudian otros ciclos. No realizable con mquinas de vapor porque hay momentos en los que coexisten estados lquido y vapor.

IV.MAQUINAS TERMICAS (Funcionamiento y Aplicaciones)4.1 MOTOR WANKEL4.1.1 .INTRODUCCINEstaexposicinque los integrantes delgrupoa continuacin presentamos trata de desarrollar unanlisisde los aspectos termodinmicos y tecnolgicos fundamentales delmotorWankel, Stirling,hidrgenoy las celdas de combustible. Estas constituyen actualmente las principales alternativas al motor reciprocante de pistones.La primera seccin de estetrabajose ocupa del anlisis del motor Wankel o rotativo, en el anlisis que se presentar en las pginas siguientes se tratarn de manera general algunos aspectos mecnicos del motor, pero no se dejarn de mencionar ya que en ellos se basan los principales beneficios que ofrece este tipo de motor. Nos enfocaremos principalmente en un anlisis de tipo termodinmico para este equipo.Este motor resulta particularmente atractivo por su funcionamiento suave y silencioso, su menorvelocidaden el rotor, debida a sugeometra, adems de su menor nmero de piezas mviles y por consiguiente menor vibracin. Esto parece bastante bueno, sin embargo, este motor tambin tiene algunos inconvenientes. Elcontrolde sus emisiones es ms complicado que el de un motor alternativo, aunque se puede controlar y suscostosdemantenimientoson tambin ms elevados.Eldesarrollode este motor comenz en 1957 cuando el Dr. Flix Wankel, trabajando en conjunto con el fabricante alemn NSU, puso a prueba el primer motor rotativo del mundo que fue el resultado de estudios que comenzaron en 1924. En 1958 se termin un motor que superaba algunas fallas detectadas en el primero y que llegara a ser la base de losmotores rotativos actuales.El nico fabricante que ha mantenido unintersen el desarrollo sostenido del motor Wankel ha sido la japonesa Mazda. En 1961 Mazda mostr su inters en este tipo de motor y firm uncontratocon la NSU, para 1963 ya se encontraba fabricando su propiodiseoy en 1967 apareci su primer vehculo, el Cosmo Sport 110S. Para 1968 Mazda introdujo elmodeloR-100, hacindose por primera vez de unmercadomasivo para este tipo de vehculos.En 1979 introdujeron el RX-7, un modelo de auto deportivo con el motor rotativo. Este modelo se sigui perfeccionando y en junio de 1991 ganaron las 24 horas de Le Mans con un RX-7 equipado con cuatro rotores. A partir del 2000 Mazda comenz el desarrollo del RX-8 que es el modelo con motor rotativo que actualmente Mazda ofrece.

4.1.2. PRINCIPIOS TERMODINMICOS DE FUNCIONAMIENTOI.Procesosinvolucrados:El ciclo que sigue el portador de energa en el motor rotativo es bastante parecido al ciclo Otto para motores alternativos de cilindro-pistn a gasolina. Este puede ser un anlisis general, pero bsicamente el motor rotativo que ocupa el anlisis en este trabajo es el motor RENESIS del Mazda RX-8 (gasolina sin plomo 95 octanos - encendido mediante 2 bujas).Dada lageometradel motor, se realizan tres ciclos por cada vuelta del rotor, lo que equivaldra a decir que se realiza un ciclo por cada vuelta del eje (cigeal).La mezclaaire-combustible pasa entonces por los cuatro procesos ya conocidos: admisin, compresin, ignicin y expulsin; que como ya se explic se modelan para efectos de anlisis como los cuatro procesos que componen al ciclo Otto:- Adiabtico de compresin: La mezcla aire-combustible se comprime sin transmisin decalor. El rotor gira comprimiendo losgasesadmitidos durante aproximadamente 120 en su recorrido.- Isocrico con transmisin de calor: Se idealiza elprocesodecombustinpor una transmisin de calor al portador de energa avolumenconstante (PMS). El lado del rotor queda frente a las dos bujas.- Adiabtico de expansin: El portador de energa a altatemperaturase expande sin transmisin de calor. Se ejerce lapresincontra el rotor, generandoel trabajotil, desde el PMS al PMI.- Isocrico con transmisin de calor: El proceso se realiza a volumen constante y se libera calor, aqu se completa el ciclo y el flujo de calor al foco de baja temperatura. El rotor queda frente a la lumbrera de escape y se expulsan los gases de combustin.

II. Anlisis energtico:Una vuelta completa del rotor es equivalente a 3 ciclos, y dado que el eje gira tres veces ms rpido que el rotor; tenemos un ciclo cada vuelta de cigeal. Este anlisis previo nos permite establecer la equivalencia y decir que un motor rotativo de un rotor es equivalente a tener un motor de cuatro tiempos con dos cilindros, en trminos de ciclos completados por vuelta de cigeal.

Segn el ciclo modelado de Otto, la energa que se suministra es igual a la cantidad decalorque aporta el combustible. Lapotenciaque se registra delmotora un rgimen dado es la potencia til que se obtiene. La diferencia entre estosvaloreses el calor que se disipa en el motor hacia elambiente, por los refrigerantes y los que se llevan losgasesde combustin:

Para el clculo de la potencia til simplemente se multiplica el par producido por las rpm para el rgimen del motor:

El clculo del calor suministrado se realiza multiplicando el flujo msico de mezcla que ingresa a la cmara por elpodercalorfico del combustible.

En este punto debemos hallar el flujo msico de combustible o de lo contrario se usa la segundaigualdad, donde el calor especfico para elairese toma de las tablas, la variacin de temperaturas se halla asumiendo una combustin estequiometrica completa (TMAX= TLLAMA ADIABTICA), adems se tiene la presin del PMS de las especificaciones tcnicas (850 kPa).El flujo msico del aire para el motor se halla como sigue, para un ciclo:

Donde:- La cilindrada obtenida de las especificaciones se divide entre tres, ya que un giro completo del rotor equivale a tres ciclos completos.N: nmero de revoluciones de cigeal (rev/s)A: nmero de ciclos por giro de cigeal, para este caso se especifican 2 ya que el motor es de doble rotor.

III. Anlisis energtico:Se determinan las corrientes de energa mediante las siguientes frmulas:Energa que acompaa a los flujos de calor:

Energa De la potencia obtenida:

IV. Irreversibilidades:Este motor presenta un inconveniente, que es la prdida de potencia por friccin en los segmentos de sellado, sin embargo, sta es menor que la que se genera al vencer la inercia durante la transmisin delmovimiento(de lineal a rotatorio) en un motor alternativo mediante el mecanismo de biela-manivela.Tambin hay otros factores de diseo que definen elprocesocomo irreversible. La diferencia de presiones entre la cmara adelantada y retrasada al momento que avanza el frente de llama puede generar una combustin deficiente en la segunda cmara, este problema se da slo a velocidades lentas, y por ende fugas de combustible y prdidas deeficiencia.Estos son las dos principalesfuentesde prdida de potencia en el motor, la fraccin de prdida de potencia que generan stas y en general todas las irreversibilidades existentes se puede calcular mediante:I= -T0*Donde:T0:Temperaturadel ambiente: factor de irreversibilidad (obtenido por la segundaley)

4.1.3.ASPECTOS TECNOLGICOSI.-Esquemas tcnicos:Los principales elementos del motor se encuentran abajo mostrados.

- Semuestrala relacin de losprocesosentre un motor alternativo y el motor Wankel.

- Se muestra el gradiente de temperaturas al que est sometido el estator, factor importante a tomar en cuenta en su diseo.

II.Descripcindel equipo:El motor Wankel es un motor trmico de combustin interna. El motor est compuesto bsicamente por los rotores, estatores y el eje excntrico. En el caso de un motor de dos rotores como el RENESIS, se tiene dos rotores que giran acoplados al eje excntrico mediante unos engranajes, Estos rotores se encuentran en los cilindros, carcazas que se unen mediante una placa comn intermedia entre los dos rotores.Los rotores tienen una forma aproximada de tringulo equiltero con los lados ligeramente convexos. Los vrtices del rotor siempre estn en contacto con el cilindro y es as como se delimitan las tres cmaras que posee cada cilindro.Sin embargo, el motor Wankel es tambin un motor de cuatro tiempos; pero los procesos de admisin, compresin, ignicin y expulsin se realizan en zonas fijas del cilindro de ste motor, los procesos se van realizando de acuerdo al giro del rotor. Cada una de las tres cmaras definidas por el rotor pasa por las zonas del cilindro y procesos indicados.Los procesos que tienen lugar en las cmaras, espacio variable entre los rotores y los cilindros, ya se han explicado; y basndose en los esquemas mostrados en el punto anterior, se logra tener una idea clara del funcionamiento de este tipo de motor rotativo.A continuacin se pasar a detallar cada uno de los componentes principales del motor.

III. Descripcin de elementos principales:- Rotor: El rotor es lo que transmite la presin de los gases y adems el rotor trabaja como vlvulas de escape y admisin al comunicarse con las lumbreras. Tiene los elementos de sellado en sus vrtices, para lograr el aislamiento entre las diferentes cmaras. El rotor transmite el giro al eje y es por esto que posee un engranaje y cojinete en el agujero interior. Tambin poseesistemasde aislamiento con el estator en sus caras anterior y posterior.Una parte importante en el rotor son las hendiduras que posee en sus caras laterales, ya que estas influyen notablemente en el rendimiento del motor, ya que determinan la relacin de compresin. El rotor del RENESIS es dehierrofundido.- Estator: Se forma de: estator perifrico y estator lateral, en conjunto cumplen la funcin del cilindro y la culata en un motor convencional. Debe ser de un material bastante resistente ya que est expuesto a presiones localizadas, adems de gradientes de temperatura muy marcados. En general se fabrica dealeacionesdealuminiorecubiertas deaceroy cromo.Debe estar dimensionalmente muy bien fabricado para que encaje con el rotor a la perfeccin y conseguir el sellado de las cmaras.En el RENESIS, los estatores perifricos estn hechos de hierro fundido y en su unin con los laterales se hallan un sello decaucho.- Eje (cigeal): El eje excntrico se soporta en los rodamientos del rotor y unido a el mediante los engranajes. Los excntricos para los dos rotores, en el caso del RENESIS, estn desfasados 180. El eje tiene tambin volantes para distribuir bien el giro.- Engranajes de transmisin: El mecanismo se forma de un pin fijo a la tapa lateral del estator y uno de dientes interiores unido al rotor. La relacin entre el nmero de dientes es lo que proporciona la relacin de transmisin 3:1 entre el rotor y el eje de transmisin. Generalmente se trata de engranajes de dientes rectos.- Mecanismo de sellado: Son segmentos unidos al rotor que garantizan la hermeticidad entre una cmara y otra, y entre el rotor y el estator perifrico. Se tienen los segmentos perifricos que se encuentran en cada vrtice del rotor y aseguran la estanqueidad entre cmaras adyacentes y los laterales, que son lminas de las que depende el sellado axial del motor. A esto se suman los pernos de anclaje que mantienen unidos los segmentos perifricos y los laterales.

4.1.4.ASPECTOS AMBIENTALESI.Impacto ambientaldel equipo:El motor rotativo al igual que losmotoresalternativos de cilindro-pistn trabaja bsicamente con combustibles dehidrocarburos(gasolina y disel). En cierta medida este tipo de motor es ms contaminante que el motor alternativo, dado que elcontrolde sus emisiones es ms caro.En esta presentacin tomamos como representante del motor Wankel al Mazda RX-8. En este vehculo se ha logrado ya controlar su nivel contaminante y se encuentra ya dentro de los estndares permitidos.Esto nos lleva a concluir que este tipo de motor no representa " la solucin" a losproblemasde polucin actuales, ya que lo que actualmente se busca es una alternativa motora menos contaminante o no contaminante.II.Ciclo de vida:El motor Wankel (RENESIS) emite gases de combustin por debajo se los rangos mximos permitidos, es por esto que puede ser usado sin inconveniente de polucin alarmante, aunque esto no lo hace del todo bueno.En comparacin con vehculos hbridos mucho menos contaminantes, los vehculos que poseen un motor rotativo no se asoman como una solucin a este tema tan tocado en los tiempos actuales.Es en general ms contaminante que un vehculo de igual potencia con motor alternativo.Es por esto que no se propone al motor Wankel como una alternativa " ecolgica" . Fuera de esto, es un motor que cuando entra en desuso no supone mayor problema pues sus partes pueden ser reutilizables con diversos fines, no utiliza ningn refrigerante en exceso contaminante. Eltiempodetrabajoen un buenestadoes en promedio 6 aos.

4.1.5. DESCRIPCIN TERMODINMICA Y TECNOLGICA DE UN CASO ESPECFICOII. Parmetros de operacin:Se analizar, como se ha venido haciendo, el motor rotativo de dos rotores RENESIS del Mazda RX-8. Se muestra un cuadro obtenido de las especificaciones del proveedor en Espaa para la versin estndar.La cilindrada del motor se calcula como la diferencia entre elvolumenmximo de la cmara y el volumen mnimo. Estevalordepende de la geometra del rotor que es bastante complicada y entonces la cilindrada unitaria (por cmara) es:

Donde:los valoresde R, a. b y B dependen de la geometra del rotor. De acuerdo a la equivalencia ya mencionada con el motor alternativo, la cilindrada total por rotor es:VT (cilindrada total) = 2*VLa relacin de compresin para el motor Wankel segn la definicin de volumen mximo entre volumen mnimo, queda definida como sigue:

II. Balance de masa:Para el motor se toma como volumen de control un cilindro con el rotor y la masa de mezcla que entra por la lumbrera de admisin debe ser igual a la que sale por la lumbrera de escape. El anlisis se reduce a un volumen de control (Proceso FEES de una entrada y una salida).

III. Balance de energa:El combustible que recibe el RENESIS es gasolina de 95 octanos, pero como se dijo se va a hallar el calor que recibe la mezcla como se indic:-El flujo msico de mezcla se calcula a continuacin:

Por lo tanto la masa de mezcla que acompaa a un ciclo es:

La relacin de compresin (10/1) y la presin del PMS (850 kPa) se obtienen de las especificaciones tcnicas del proveedor.850 kPa*645/3cm3 = 0,000517* 0,287* T2T2= 1248,8 KAhora para hallar la temperatura mxima del ciclo se encontrar la temperatura de flama adiabtica para la gasolina, asumiendo combustin estequiometrica.C8H18 + 12,5(O2 + 3,76N2) 8CO2 + 9H2O + 47N2Hr = -249,91 kJ/kmolHpEntonces en el clculo de la temperatura de flama se tiene:T = 2000 K Hp = -1300,19 kJ/kmol D = -1050,28 kJ/kmolT = 3000 K Hp = 1394,12 kJ/kmol D = 1644,03 kJ/kmolSi asumimos una dependencia lineal entre la temperatura y la diferencia entre las entalpas de reactantes yproductos, podemos hallar la temperatura de flama adiabtica:Tf = 2398,8 KYa con todos estos clculos previos realizados, podemos determinar el calor suministrado a la mezcla en todo el motor, dado que el motor posee seis cmaras trabajando simultneamente:

La potencia til obtenida es:

De aqu se desprende que el calor disipado es:

IV. Eficiencia energtica:La eficiencia trmica se define como la potencia obtenida dividida por el calor total suministrado, entonces:

V. Eficiencia energtica:La eficiencia energtica se define en base a las corrientes de energa que acompaan a las transmisiones energticas.La energa del trabajo tcnico:

La energa que acompaa al calor suministrado:

La energa que acompaa al calor disipado:

Donde:T4 = 570,3 se obtuvo como sigue:

Ahora el valor de flujo msico que necesitamos es el valor para todo el motor, es decir para la cilindrada completa, en consecuencia:

Por lo tanto, la eficiencia energtica queda definida como:

VI. Emisiones ambientales:Ya se mencion anteriormente que el ndice contaminante en motores rotativos puede ser muy bien controlado. A continuacin se mostrarn argumentos que sustentan con exactitud el nivel de emisiones que presenta elmodeloRX-8 de Mazda.La economa de combustible se mejora en el motor rotatorio RENESIS, siendo sta un 40% mejor en baja carga. Para cargas mayores este motor no necesita una mezcla aire-combustible ms rica, por lo que se demuestra su menorconsumo.El motor rotatorio RENESIS satisface los estndares de emisiones del California LEV con menos de 19 gramos de monxido decarbono, 22 gramos de hidrocarburos y 14 gramos de xidos del nitrgeno.

Adems el motor rotatorio RENESIS est configurado con unsistemamediante el cual puede reabsorber parte de los hidrocarburos no consumidos, pasando a la cmara siguiente en el proceso de admisin.El cuadro abajo mostrado fue extrado de las especificaciones tcnicas del vehculo presentadas en la pginawebdel proveedor en Espaa.

Consumo* (l/100km) Urbano Extraurbano Combinado14,98,110,6

Emisiones de CO2* (g/km)267

Nivel de emisiones CEEC Stage IV

*Valores de consumo y emisin de co2 conforme a 80/1268 EWG (1999/100/EC)

VII.Precioycostos:Tenemos ya definido el consumo de combustible (en L) por cada 100 km recorridos para un vehculo con el motor RENESIS, basndonos en el precio local del combustible se podra estimar losgastosen combustible para este vehculo.El precio deventade la gasolina 95 octanos en grifos (en promedio) en Lima, precio consultado en la pgina web de Osinerg es de s/.16.46 el galn.Costo de combustible: (10,6 L/100km)*(1 galn/ 3.7854 L)*(16,46 soles/galn) = s/. 0,46 por kmEl precio del vehculo Mazda RX-8 Sport en elmercadoamericano es de $27,030 sin incluirimpuestos. Este posee un motor Wankel de dos rotores.

4.2. MOTOR STIRLING4.2.1INTRODUCCINEl primer motor Stirling fue creado en el ao 1816 por el reverendo Robert Stirling debido a que la nica opcin de la poca para generar potencia (las mquinas de vapor) tenan muchas desventajas como el granruidoque producan y la alta peligrosidad de su manejo por la explosiones frecuentes que se producan por exceso de presin en las paredes de las calderas.El principio del motor Stirling es generar el movimiento de un pistn en un cilindro a travs de ungascontenido en el interior que cambia su volumen cclicamente. Elcambiode volumen es posible debido a que existen dos zonas de transferencia de calor en el cilindro, una caliente y una fra: en la zona caliente se aumenta el volumen de la sustancia provocando que esta fluya hacia la zona fra y produciendo el primer movimiento del pistn hacia la zona caliente; una vez en la zona fra el volumen del gas comienza a descender y la presin tambin disminuye " jalando" al pistn y regresndolo hacia la zona fra mientras que por ese movimiento el fluido es desplazado hacia la zona caliente nuevamente cerrando el ciclo.En la actualidad los motores Stirling han sido objeto frecuente de investigacin por lo que podemos encontrar muchos diseos y muy ingeniosos de este principio. Entre los ms conocidos tenemos a los siguientesMotor de pistn simple libre:Es el modelo clsico de motor, con un pistn y un desplazador de gas.Motor de cilindro libre: En este tipo de motor el cilindro tambin se mueve y esto es en reaccin al movimiento del pistn (por el flujo del gas) que est dentro de este.Motor alternador de pistn libre: En este tipo de motor el pistn no est conectado aun eje giratorio sino que transmite la potencia a generadores lineales. Son factibles de usarse encompresores,bombaso generadores elctricos.Motores Stirling alfa y gamma:Variaciones del motor original que utilizan dos cilindros en vez de uno para realizar el ciclo. El motor alfa utiliza 2 pistones con bielas unidas en el mismo punto y girando alrededor de un disco, que a su vez esta unid al eje transmisor de potencia. Mientras que el motor gamma utiliza 2 discos para unir individualmente las bielas al eje principal que sincroniza sus movimientos para realizar adecuadamente el ciclo.

4.2.2PRINCIPIOS TERMODINMICOS DE FUNCIONAMIENTOI.Procesos involucradosBajo ciertas condiciones de idealizacin el ciclo Stirling se puede modelar en los siguientes procesos:Compresin a temperatura constante (El pistn en la zona fra comprime la sustancia)Aumento de presin a volumen constante en la zona caliente (Punto muerto inferior del pistn) Expansin isotrmica (El pistn en la zona caliente baja y baja la presin en la sustancia)Disminucin de presin a volumen constante en la zona fra (Punto muerto superior)El modelo de ciclo terico Stirling est sujeto a la utilizacin de un regenerador que absorbe o cede calor segn sea el caso, mejorando el rendimiento del ciclo.

II. Anlisis energticoEl ciclo Stirling terico slo desarrollar trabajo en los procesos isotrmicos. Sin embargo, viendo ms detenidamente en undiagramaT-s el mismo ciclo podemos darnos cuenta que el calor se transfiere en los cuatro procesos, segn el diagrama. Es aqu donde el regenerador es til ya que este absorber el calor que ingresa en el proceso 4-1 y lo entregar en el proceso 2-3 logrando una eficiencia comparada a la de Carnot en teora.

Calor entregado o absorbido por el regenerador en los procesos Isocrico:Q = m h = 1 - (Qs / Qe)

III.Anlisis energticoObservaremos la variacin de energa en los procesos que involucran la transferencia de calor efectiva (procesos isotrmicos).La variacin de energa en un proceso viene dada por la ecuacin:

Aqu se puede observar todos los elementos involucrados en los procesos que analizaremos, la variacin de energa, la transferencia de energa en el proceso (por transferencia de calor y por trabajo desarrollado) y la destruccin de energa debido a irreversibilidades.Tericamente este ciclo alcanzar la eficiencia de Carnot lo cual querr decir que estar libre de irreversibilidad en ese caso as que:

Como ya se explic los procesos Isocrico se han dejado de lado ya que bajo las condiciones mencionadas antes no es necesario y ahora es posible verlo.

No hay trabajo en estos ciclos y adems los otros trminos sern iguales y designoscontrarios por lo que en balance la suma de variacin de energa en estos procesos es cero.En cuanto a los procesos isotermos se explicar mejor los resultados obtenidos cuando se toque un caso explcito de ciclo Stirling.La eficiencia del ciclo Stirling estar dada por la siguiente ecuacin:

IV. IrreversibilidadesPara poder modelar un motor Stirling al ciclo correspondiente necesitamos introducir las irreversibilidades del sistema a nuestros clculos. Las irreversibilidades ms frecuentes son las siguientes: Regeneracin incompleta en los procesos iscoricos (los regeneradores usados en estos motores no restituyen ni absorben el total del calor por lo cual en estos procesos se deber considerar las transferencias de calor. Volmenes distintos a los tericos ya que el regenerador ocupa cierto volumen y dentro de l habr una cantidad de gas por lo que los volmenes del ciclo real son menores reduciendo la eficiencia. Los procesos en realidad no son isotrmicos pues la temperatura es difcil de mantener durante la operacin.

4.2.3. ASPECTOS TECNOLGICOSi.Esquemas tcnicos y descripcin del equipo

Etapa 1: El gas cede calor a la zona fra externa desde el punto muerto inferior.Etapa 2: El volumen se mantiene constante y la temperatura sube por absorcin de calor en el regenerador.Etapa 3: Se absorbe calor a temperatura constante mientras el gas se expande en la zona caliente del pistn llevndolo a su punto muerto superior.Etapa 4: Por ltimo, manteniendo su volumen, el gas cede calor al pasar por el regenerador hacia la zona fra.

II. Descripcin de elementos principales Pistn: Elemento que realiza que produceel trabajodel ciclo.Cilindro: Lmite del sistema que aloja a los componentes del motor.Regenerador: Es el elemento que se encarga de absorber o ceder el calor en los procesos indicados, como se puede ver su uso beneficio en gran medida la eficiencia.Transportador de gas: Es el que obliga al gas a pasar por el regenerador, cuando el volumen aumenta por el calor el desplazador empuja el pistn hasta la carrera mxima y luego regresa llevando el gas hacia la zona fra. Cuando la presin en la zona fra ah cado demasiado el desplazador se acerca al pistn empujando al gas de la zona fra a la caliente.Fuentes trmicas (externas): Son las que realizan las transferencias de calor en los procesos isotrmicos.

4.2.4. ASPECTOS AMBIENTALESImpacto ambiental del equipoLos motores Stirling, a diferencia de los motores de combustin interna, tienen su gran ventaja en este aspecto pues la contaminacin que producen es muy reducida, en el caso de que las fuentes trmicas sean de la quema de algn combustible, y algunos casos es nula, en caso de que se usen fuentes de calor con energa renovable como concentradores parablicos deluzsolar o paneles solares.En cuanto a la contaminacin sonora que pueden producir son muy ventajosos porque a diferencia de los motores de combustin interna no producen casi ruidos ni vibraciones que alteren el entorno en que trabaja.Para la determinacin del impacto ambiental de un motor Stirling se deber tomar en cuenta la forma en que se lograr ceder calor (para combustin, controlar la emisin de gases y para energa renovable, el espacio necesario para obtener suficiente calor), el medio en el que se instalar la mquina (que tan viable es la instalacin de equipos y de que tamao es posible realizarla) y los ruidos que produce la mquina.Por ltimo, otra ventaja que tiene este motor es su larga duracin debido a que en los ltimos aos los avances en diseo y construccin han permitido mejorar el funcionamiento llegando a rendir cerca de 100000 horas en motores experimentales.

4.2.5. DESCRIPCIN TERMODINMICA Y TECNOLGICA DE UN CASO ESPECFICOI.parmetros de operacin Gas ideal : Helio Vol. mx. 0,004 m3/ Kg. Vol. mn. 0.002 m3 / Kg. T. mx. 750K ; T. mn. 290K

II.Balance de masaEn un ciclo Stirling no hay flujo de masa por lo que un balance de masa estara de ms

III.Balance de energaUn balance de energa nos mostrara los siguientes resultados:W12 = P * v * ln(v2/v1) = R*Tf * ln(v2/v1)= 2.077*290*ln(0.5) = -417.5 kJ / kgW34 = 2.077*750*ln(2) = 1079.7 kJ / kgW = 662.2 kJ / kgLos calores transferidos estarn dados por la primera ley de la termodinmica:Q = E - WEn nuestro caso se pueden despreciar los efectos de la energa mecnica en los procesos por lo cual la obtencin de calor queda definida por el trabajo y la variacin de entalpaQ12 = h WAs que encontraremos los valores de las propiedades termodinmicas en cada estado:P (kPa)v (m3/kg)Th

1150.580.0042901505.7

2301.160.0022901505.7

3778.870.0027503894

4389.430.0047503894

En los ciclos isotermos la variacin de entalpa es cero ya que h=Cp T. As que todo el calor que ingresa o sale es igual al y trabajo producido o entregado.Q = - WQ12 = 417.5 kJ/kgQ34= - 1079.7 kJ/kgY la variacin de entropa para cada caso ser: S12= Cp*ln (T2/T1) + R*ln(v2/v1) = -1.47 kJ/kg S23= 4.93 kJ/kg

IV. Eficiencia energticaLa eficiencia energtica est dada por la frmula ya mencionada: = W / Q34 = (Q34 - Q12) / Q34 = 1- (Q12 / Q34) = 1- (417.5 / 1079.7) = 0.613

V. Eficiencia exergticaVariacin de la exerga en los procesos isotrmicos del ciclo Stirling:a = (1- (TO/Ti))Q + po (V) - Wa34 = (1- (298/750))*(1079.7) + 100(0.002) - 1079.7a34 = -428.8 kJ/kga12 = -408.75 kJ/kgLa eficiencia energtica del ciclo estar dada por la ecuacin (Tomamos como parmetros de ambiente T0 = 298K, P0 = 1 bar): = ( * (1- To / Tf)) / (1- To / Tc)Los procesos en los que se transfiere calor son isotrmicos (Tc = Tf), por lo tanto la eficiencia energtica es mxima: todo el potencial de trabajo que pueda realizar el calor entregado se transforma en trabajo. = En la realidad debemos tomar en cuenta las irreversibilidades del ciclo que ya han sido comentadas, y obtendremos una eficiencia energtica menor.

VI.Emisiones ambientalesEn cuanto a las emisiones ya se ha especificado que los motores stirling slo producen emisiones en el caso de que se use algn combustible para obtener la fuente de calor por lo cual las emisiones de gases son tolerables, o bien se podra usar energa renovable con lo cual este motor no produce ninguna emisin de gases nocivos.

vii. Precio y costosLos motores Stirling se han desarrollado en una amplia gama depreciospor lo cual podemos encontrar desde los caseros que sirven solo para demostraciones de funcionamiento que pueden ser construidos conmaterialesde casa como varas demadera, latas de acero, eje y discos caseros.Costoaproximado: $20 Potencias fraccionarias.

Por otro lado, en pases europeos ya se desarrollan grandes motores de este tipo para suplir algunas necesidades de energa, estos pueden llegar a suministrar hasta 400 KW-h y los costos estn entre los 2000 y 50000 dlares por kW.

4.3. MOTOR A HIDRGENO4.3.1.INTRODUCCINTodos nosotros somos conscientes que el combustible actual que mueve el planeta es el petrleo adems este combustible no es eterno, es por ello que se debe de estar agotando en aproximadamente 50 aos, siendo este un combustible muy contaminante, cuyos residuos afectan a laatmsfera y a la vida enla tierraen general; pero el problema no es el problema ambiental sino tambin un problema econmico ya que su precio va aumentando ao tras ao. Las razones descritas anteriormente son las que obligan a buscar otras alternativas energticas, las cuales sean ms econmicas y adems no hagan dao o en todo caso no hagan mucho dao a nuestro planeta, y en la bsqueda de estas nuevas fuentes de energa se ha encontrado una muy interesante como es el hidrgeno, un gas liviano el cual se encuentra en grandes cantidades en nuestro planeta y se presume que sera el que reemplace al petrleo y a los combustibles fsiles en general, es por ello que se vienen desarrollando muchas tecnologas con tal de empezar a emplear al hidrgeno como combustible en general, habiendo muchas alegras y tristezas en todo este proceso, pero da a da se vienen mejorando las tecnologas con lo que se presume que en unos 20 aos ya se tendrnautoscon motores de hidrgeno por todo el planeta.

4.3.2. PRINCIPIOS TERMODINMICOS DE FUNCIONAMIENTOI.Procesos involucradosEn primer lugar tenemos que tener la obtencin de hidrgeno, la cual puede hacerse de diversas maneras siendo la ms usada, hoy en da, a partir delMetanou otros combustibles fsiles (alrededor del 95%), siendo un inconveniente la produccin del CO2 o del CO, como se muestra en las siguientes reacciones:CH4 + H2O => CO + 3H2CO + H2O => CO2 + H2Otra manera de obtenerlo es a partir de la hidrlisis, es decir al pasarle corriente elctrica siguiendo la siguiente reaccin:H2O + energa =>H2 + O2Es por ello que lo que se presume hacer es obtener el hidrgeno a partir de hidrlisis para evitar la emisin de CO2.Para conocer que los otros procesos que estn involucrados dentro de los motores de hidrgeno, hay que tener en cuenta que existen tres tipos de motores que utilizan al hidrgeno como fuente de energa es as que el hidrgeno es empleado en motor Wankel, motor de cuatro tiempos (ciclo Otto) y en un motor elctrico el cual es accionado por la corriente elctrica generada en una celda de combustible de hidrgeno. Conociendo ello, los procesos realizados dentro de cada tipo de motor sera:Motor Wankel:Este tipo de motor sigue el mismo proceso que en un motor convencional, solo que ahora emplea hidrgeno, y ello permite que este motor de mejores resultados que antes ya que no suele dar problemas con el autoencendido adems que la cmara de combustin es adecuada para la combustin de hidrgeno.

Motor WankelMotor de cuatro tiempos (ciclo Otto): En el caso de este motor el ciclo que se realiza es el mismo que en un motor convencional que emplea gasolina, lo nico que vara es que ahora el combustible es el hidrgeno es decir est formado por una compresin adiabtica, un aumento de presin isocrica, una expansin adiabtica y una disminucin de presin isocrica.

II. Anlisis EnergticoEn este punto y en el siguiente solo vamos a analizar el caso del motor de cuatro tiempos ya que el anlisis del motor Wankel y de las celdas de combustibles ha sido realizado o sern realizados.Como el ciclo realizado por el hidrgeno es similar al ciclo Otto que sigue la gasolina, entonces se tendra lo siguiente:

Trabajo realizado:Wtotal = W12 + W34 = (P1V1 + P2V2 - P3V3 - P4V4)/(1-k)Qentregado = Cv*(T3 - T2)Qsale = Cv*(T1 - T4)A partir de aqu podemos hallar la eficiencia energtica:n = Wtotal / Qentregado

Estos valores que se obtienen pueden variar ya que dependen como se emplee el combustible, puesto que el hidrgeno puede entrar al cilindro a temperatura ambiente o en todo caso criognica (-253C).

III.Anlisis EnergticoEn este caso se tendra el siguiente esquema:

Entonces, si consideramos al aire como un gas ideal, se tendra lo siguiente:Eentra = 0.5*V22+(h2 - h0) - T0*(S2 - S0) + (1-T0/T3)*QentraEsale= 0.5*V42+(h4 - h0) - T0*(S4 - S0)+ WtotalAhora, el rendimiento energtico sera:nex = Esale / Eentra

IV.IrreversibilidadesSabiendo que se encuentran tres tipos de motores de hidrgeno, la primera reversibilidad y que existe dentro de todo proceso es la prdida de energa por la friccin adems tambin la prdida de energa por parte del mismo proceso mecnico que se genera al combustionar el hidrgeno (en el caso que sea motor Wankel o de cuatro tiempos), y en el caso del motor que funciona con celdas de combustible se perdera en la zona del motor elctrico por parte de los campos magnticos y elctricos los cuales son empleados para hacer mover el eje.

4.3.3.ASPECTOS TECNOLGICOSEl primer aspecto tecnolgico que hay que tomar en cuenta es la obtencin de hidrgeno y como ya se mencion antes, el 95% del hidrgeno obtenido es a partir de los hidrocarburos como el metano, siendo las emisiones de CO2 un problema es por ello que se estn desarrollando nano-cristales para que de ese modo se pueda aprovechar eficientemente la energa solar.Los tanques dealmacenamientodel hidrgeno tiene que ser especiales, ya que hay que mantener de la mejor manera el combustible para que se encuentre en las condiciones ptimas para ser empleado, es por ello que existen tres maneras para almacenar el hidrgeno, los cuales son: tanques criognicos y hidruros metlicos.Los tanques criognicos son los que dan mejores resultados, aqu el hidrgeno se mantiene a 253 C bajo cero de esa manera mantendremos el combustible en estado lquido, para que de esa manera se tenga casi la misma cantidad como si se tuviera gasolina en vez de hidrgeno, pero ello implica que hay que tener una buenacalidadde aislamiento por ella se emplea fibra devidriocon lminas de aluminioLos hidruros metlicos son empleados por que sonmetalesque tienen una elevada afinidad a formar compuestos con el hidrgeno siendo los enlaces que los unen dbiles y por tanto fciles de romper. El principal problema de esta tecnologa es su elevado peso del tanque y eso surge al emplear aleaciones de hierro y titanio, pero parece ser solucionado al emplear aleaciones de magnesio y nquel.I. Descripcin del equipoEn un carro con celda de combustible, podemos ver los siguientes esquemas:Para el caso de unmotor a hidrgenopodemos observar como es el recorrido para llegar alproductofinal, que es la potencia mecnica en el eje, empezando por la generacin de energa en la celda de combustible para que luego pase a ser almacenada en la batera o en todo caso pase directamente al motor elctrico el cual se encargar de generar la potencia en el eje que se deseaba.En el caso el caso de un motorWankel, es idntico al de los automviles que poseen dichos motores.Para el caso del motor decuatro tiemposes similar al ciclo que sigue un motor que funciona con gasolina, es decir posee bujas, pistones, cilindros, cigeal, vlvulas y biela.

Motor de cuatro tiempos, diseado por BMV, que emplea hidrgeno.

II. Descripcin de los elementos principalesPara este caso, los elementos a describir sern los relacionados con el motor de cuatro tiempos ya que el motor Wankel y el de celdas de combustibles van a ser descritos o ya fueron descritos.En el caso de un motor de cuatro tiempos podemos encontrar lo siguiente:-Cilindro: Es el lugar donde se va a llevar a cabo la combustin, es ah donde se mezclar el aire con el combustible y se dar la explosin.-Pistn: Es el elemento que se desplaza dentro del cilindro.-Biela: Es el elemento que se encarga de transmitir el movimiento del pistn hasta el cigeal.-Cigeal: Es el elemento, que junto a la biela y al pistn, se encarga de transformar el movimiento rectilneo en circunferencial.- Buja: Se encarga de proporcionar la energa necesaria, en forma de chispa elctrica, para que empiece la combustin.-Vlvulas: Son las que permiten la entrada del combustible y aire para la combustin, adems que permiten la salida de los residuos de la misma.

4.3.4.ASPECTOS AMBIENTALESI. Impacto ambiental de equipoDebido a que la emisin de contaminantes es prcticamente nula y teniendo en cuenta que se estara emitiendoaguaen forma de vapor al ambiente, esto contribuira a mejorar la calidad del aire ya que no se estara emitiendo los gases tradicionales que causan efectos negativos sobre latierracomo son los NOx, SOx, CO, CO2 entre otros, ayudando de esa manera a mejorar lacalidad de vidade los seres vivientes, disminuyendo de esa manera el nmero de personas conenfermedadesrespiratorias y en todo el planeta se disminuira elefecto invernadero, causado por el CO2, y la lluvia cida.

Ciclo que sigue el hidrgeno en un motor

II. Anlisis del ciclo de vidaCon respecto al ciclo de vida de un motor de hidrgeno, aun no se han hecho estudios minuciosos pero se presume que duraran mucho ms que un motor disel o uno de gasolina.

4.3.5.DESCRIPCIN TERMODINMICA Y TECNOLOGA DE UN CASO ESPECFICOI.Parmetros de operacinSe analizar el caso del BMW Hydrogen 7 que fue lanzado en marzo de este ao, el cual presenta las siguientes caractersticas:

BMW Hydrogen 7

Dimensiones

Alto1.48m

Largo5.17m

Ancho1.9m

Mecnica

Combustiblegasolina e hidrgeno

Cilindrada5.792cc.

Potencia260hp.

Cambiosautomtico de 6 marchas

Prestaciones

De 0 a 100km.9.5seg.

Consumo de gasolina13.3litros/100Km.

Consumo de hidrgeno13.9litros/100km.

Autonoma total640km.

Autonoma con hidrgeno200km.

II.Balance de masaLa reaccin que se lleva a cabo dentro del motor de cuatro tiempos es la siguiente:2H2 + [O2 +3.76N2] 2H2O +3.76N2 4 137.28 36 105.28 [Kg/Kmol]

III.Balance de energa.De losdatosdel BMW Hydrogen 7, se sabe que la cilindrada es 5,972cc., y posee 12 cilindros, de los cual cada cilindro posee un volumen de 0.498cc. y considerando ladensidaddel aire, a 25C, igual a 1.184kg/m3, entonces si consideramos que el ingreso se realiza a 100kPa, 25C y con la densidad anteriormente y con una relacin de compresin de 20, entonces se tendra:

Nota: Lo que se encuentra en negrita son datos asumidos.

IV. Eficiencia energticaCalculando el trabajo desarrollado por el ciclo:Wtotal = W12 + W34 = (P2V2 - P1V1 - P3V3 + P4V4)/(1-k), reemplazando se tieneWtotal = 549kJ/kg.Entregado = Cv*(T3 - T2) = 787KJ/kg.Entonces, el rendimiento es: n= Wtotal / Qentregado = 69%.

V.Eficiencia energticaSiguiendo el siguiente esquema:

Sabemos que se cumple la siguiente relacin:Eentra = 0.5*V22+(h2 - h0) - T0*(S2 - S0) + (1-T0/T3)*QentraEsale= 0.5*V42+(h4 - h0) - T0*(S4 - S0)+ WtotalAhora, reemplazando datos, se tiene:Eentra = 871kJ/kgEsale= 839kJ/kgEntonces, el rendimiento energtico: nex= Esale/ Eentra = 96%Como se puede apreciar en los clculos realizados los rendimientos tanto energtico y exergtico son elevados, y esto es debido a la elevada relacin de compresin que haber en el hidrgeno y adems porque se estn despreciando muchos efectos, es por ello que en la realidad el motor de hidrgeno se ha conseguido que el rendimiento aumente entre un 25 a 30% con respecto a los motores equivalentes de gasolina.

VI. Emisiones ambientalesPara este caso, como sabemos que posee un sistema dual, en el caso de la gasolina ya sabemos que lo q emitira, en teora, solo es CO2, N2 y O2, pero como se sabe que siempre ocurren anormalidades siempre botan algunos productos como CO, hidrocarburos no quemados, SOx, NOx entre otros, en el caso de los autos BMW como posee autos de elevada eficiencia, estos productos son lo menos posible.En el caso que se empiece a utilizar el motor de hidrgeno, se tendra la siguiente reaccin.2H2 + [O2 +3.76N2] 2H2O +3.76N2 +EnergaSiendo agua, hidrgeno y energa lo nico que se liberara, evitndose de esa manera las emisiones de sulfuros, hidrocarburos no quemados, ozono, entre otros contaminantes; pero lo que no se podra evitar seran los NOx debido a la alta temperatura de combustin de hidrgeno, aunque esta cantidad es pequea en comparacin a la de los motores actuales.En el caso del Hydrogen 7 cuando funciona con gasolina con gasolina la emisin de CO2 es 332g/km., y cuando emplea hidrgeno es 5g/km.

VII.Precios y costosLos costos para estos tipos de motores son aun elevados, debido a que la produccin de todos los elementos empleados no es en serie, por tanto eso hace elevar el costo de un vehculo que emplea el hidrgeno como combustible. Por ejemplo, lamarcaBMW lanz un modelo de automvil que emplea hidrgeno, el BMW Hydrogen 7, que ya se mencion anteriormente, se basa en un motor de cuatro tiempos, el cual tiene un precio de $118,900. Adems hay que tener en cuenta que el litro de hidrgeno cuesta $0.73 y para recorrer 100 kilmetros con unavelocidadconfortable se gasta $38.

BMW Hydrogen 7

4.4. CELDAS DE COMBUSTIBLE4.4.1.INTRODUCCINUna celda de combustible es un dispositivo en el cual se convierte la energa qumica directamente en energa elctrica, obteniendo en muchas de ellas agua como residuo.El mecanismo para la generacin de energa es hacer que la transferencia de electrones entre los reactivos (para el proceso redox) pase por un conductor.Las celdas de combustible funcionan comotransformadoresde la energa qumica (no se almacena energa como es el caso de las bateras). Por lo tanto, para la generacin de la energa elctrica necesitan siempre ser provistos de combustible y comburente. La potencia generada por el sistema depender de la cantidad de celdas o el tamao de las celdas y la capacidad del depsito que contiene al combustible.La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove. Sin embargo, lasprestacionesde la pila eran limitadas y no fue hasta el ao 1952 cuando se logr un verdadero avance: Francis Bacon present una pila que otorgaba 5kW. No obstante, la granutilidadde las celdas de combustible lleg a comienzos de los aos 60"s cuando se desarrollaron para elprogramaespacial de losEstados Unidosdebido a suseguridady confiabilidad. Los reactivos de la celda utilizada eranhidrogenoyoxgenoy el producto era agua. Fueron estas celdas las que proporcionaronelectricidady agua a la nave espacial Apolo.Actualmente la compaa United Technologies Company (UTC) ha desarrollado vehculos detransportecuya fuente de energa son las celdas de combustible, alcanzando de esta manera elobjetivode producir vehculos de cero emisiones.A esto se suman compaas prestigiosas de automviles tales como Honda, General Motors y Toyota que se encuentran desarrollandomodelos propulsados por celdas de combustible.

4.4.2. PRINCIPIOS TERMODINMICOS DE FUNCIONAMIENTO I. Procesos involucradosEl proceso en una celda de combustible de hidrogeno es un proceso redox: oxidacin y reduccin.En el nodo el combustible, H2, se oxida (pierde electrones) y en el ctodo el oxidante, O2, se reduce (gana electrones).II. Anlisis energticoEl rendimiento de las celdas de combustible de hidrgeno no esta limitada por el ciclo Carnot. Sin embargo, la eficiencia esta limitada por la aplicacin de la segunda ley de la termodinmica. En condiciones estndar y reversibles la oxidacin del combustible se desarrolla obteniendo el mximo trabajo. (1)Donde:

P: productosR: reactantesEl rendimiento ideal que puede alcanzarse en una pila de combustible es (2)Se ve entonces que el trabajo obtenido se encuentra limitado por el cambio de entropa y la temperatura del proceso, es decir el trmino.Por otro lado hay factores que limitan esta eficiencia, los cuales son la temperatura y presin. Si bien ambos incrementan el rendimiento de la celda al aumentar su valor tambin causan problemas tecnolgicos tales como degradacin en el electrolito, corrosin en el nodo,resistenciade los materiales y fugas .Todos estos parmetros deben considerarse para disear una celda.

III.Anlisis energticoLa Energa qumica es una forma de energa parcialmente transformable en energa til. Observando la ecuacin 1 el trabajo obtenido es el mximo disponible de la energa qumica y as se tendra una eficiencia energtica de 100%. Sin embargo, hay una serie de fenmenos que tienden a disminuir esta eficiencia, mas propiamente el voltaje de la celda y por ende la potencia de salida.Si bien no vamos a considerar los efectos de los fenmenos para los clculos cabe mencionar de qu tratan.La polarizacin por activacin.-este fenmeno se produce cuando el ndice de reaccin electroqumica en la superficie del electrodo est controlado por la cintica de este. Influye en la cada de voltaje de la celda.La polarizacin hmica.-cadas de voltaje debido a la resistencia de los electrodos y el electrolito. Al ser materiales hmicos el descenso de voltaje es proporcional a la corriente.

IV. IrreversibilidadesEl proceso es irreversible porque hay un calor otorgado a los alrededores que no se puede recuperar. Otro factor a considerar es la irreversibilidad del proceso, es decir, el producto espontneamente no puede volver a formar los reactantes; por ejemploel aguaespontneamente no va formar hidrgeno y oxgeno.

4.4.3ASPECTOS TECNOLGICOS I.Esquema tcnico general

Esquema del PEMFC (celda de combustible con membrana intercambiador de protn)

Hidrgeno,colorrojo, y Oxgeno, color azul, antes de entrar al nodo y ctodo, respectivamente.

Ionizacin del Hidrogeno y liberacin del electrn.

4.4.4. Uso de la corrienteII.Descripcin del equipoEl dispositivo cuenta con dos electrodos (nodo y ctodo) en el nodo se inyecta el combustible, hidrgeno, y en el ctodo se introduce el agente oxidante, oxgeno.Los reactivos una vez inyectados se encuentran con los electrodos, en estas superficies se encuentran con los catalizadores y se ionizan. El hidrgeno cede electrones al electrodo (nodo); estos son transportados por un conductor (energa elctrica) al otro electrodo (ctodo). Aqu el oxgeno gana electrones y se reduce.En simultneo, los cationes H+ tambin son conducidos hacia el ctodo pero lo hacen a travs de un electrolito (membrana intercambiador de electrn). De esta manera se cierra el circuito.Se transforma entonces la energa qumica, almacenada en el enlace H-H de la molcula H2, en energa elctrica y se consigue como residuo vapor de agua.

De forma genrica esto lo que ocurre en la pila de combustible.

III. Descripcin de elementos principalesnodo.-lugar por donde ingresa al equipo hidrgeno gaseoso. Aqu el hidrgeno se oxida, es decir, pierde electrones.La semirreacin es la siguiente

Ctodo.-lugar por donde ingresa al equipo oxgeno gaseoso. Aqu el oxigeno se reduce, es decir, gana electrones.La semirreacin es la siguiente

Electrolito.-es aquel que permite el transporte de los cationes del nodo hacia el ctodo. De esta manera se cierra el circuito de electrones ininterrumpidamente, siempre y cuando el ctodo y el nodo sean abastecidos de reactivos. Como electrolito solo pueden emplearse conductores inicos tales como bases, cidos y sales.En automviles se hace uso de la PEM, membrana intercambiador de protn, la cual esta hecha de un polmero cido orgnico poli-perflourosulfnico, que tiene la ventaja de reducir la corrosin. La membrana est cubierta en ambos lados por nanopartculas de aleacin altamente dispersa (principalmente platino revestido sobre papel carbn) que funcionan como catalizadoras, el cual es un material especial que facilita la ionizacin del oxgeno y el hidrgeno. Por otro lado, la membrana se debe hidratar para funcionar y seguir siendo estable.Electrodo.-son del tipo poroso de difusin gaseosa. Sus principalesfuncionesson:Suministrar una superficie donde se lleve a cabo la oxidacin y reduccin, permitir descomposicin inicial de las molculas en tomos antes de que se transfieran los electrones.Permitir la interaccin de las tres fases electrolito, el gas y catalizador. Suministrar una barrera fsica que separe el gas y el electrolito.Para que la reaccin suceda en el poro del electrodo se debe alcanzar elequilibrioentre la capilaridad del electrolito y la presin del gas. En un poro ancho el gas pasa libre hacia el electrolito sin reaccionar y un poro demasiado estrecho se llena totalmente de electrolito por efecto de la presin capilar por tanto al gas no se le permite el paso y tampoco hay reaccin.

Electrodo poroso con un poro en equilibrio, uno demasiado estrecho y otro demasiado anchoPara lograr voltajes y corrientes ptimos para el funcionamiento de carros y en general en cualquier aplicacin las celdas de combustible deben conectarse en serie y paralelo, respectivamente, tal como est representado en las siguientes figuras.

Conexin en serieConexin en paraleloE: Electrolito

E: Electrolito

4.4.5. ASPECTOS AMBIENTALESI. Impacto ambiental del equipoLa celda combustible de hidrgeno est totalmente libre de impacto ambiental debido a que el hidrogeno y el oxgeno son elementos cuya disponibilidad en el ambiente se podra considerar ilimitada, mientras que el primero se puede conseguir a partir de hidrocarburos y agua el segundo se hace a partir del aire. Por otro lado el producto de esta celda es agua, la cual de ninguna manera resulta nociva para el ambiente.Es necesario saber que si bien la celda de combustible no contamina el ambiente la obtencin del hidrgeno s ya que esto se logra mediante la oxidacin de hidrocarburos.II. Anlisis del ciclo de vidaEl efecto que tiene el equipo sobre el ciclo de vida es que el agua producida se puede consumir.

4.4.6. DESCRIPCIN TERMODINMICA Y TECNOLOGA DE UN CASO ESPECFICOI. Parmetros de operacin

Honda FCX 2006 V-FLOWNumbers of Passengers4

MotorMx. Output95kW (129PS, 127 horsepower)

Mx. Torque256N-m (26.1kg-m, 188.8 lb.-ft.)

TypeAC synchronous motor (Honda mfg)

Fuel Cell StackTypePEMFC (proton exchange membrane fuelcell, Honda Mfg.)

output100kW

FuelTypecompressed hydrogen

StorageHigh-pressure hydrogen tank (350atm)

Tank capacity171 liters (4.4 Kg. hydrogen)

Mx. speed160km/h (100 mph)

Energy storageLithium Ion Battery

Vehicle Range570 Km.

Para los clculos siguientes vamos suponer que el auto recorri 570km a 160km/h de velocidad, demorndose 3 horas y media.

II. Balance de masaDebido a que el oxgeno se toma del aire en la reaccin se incluye el nitrgeno

Relacin molar

Relacin de masa

Puesto que el automvil ha recorrido 570km a su mxima velocidad asumimos que se ha consumido todo el hidrgeno disponible.Masa de hidrogeno

Masa de aire

III. Balance de energa Valores por cada kmol de hidrgenoValores de entalpa de formacin (Hf), de la funcin de Gibbs de formacin (Gf) y de la entropa absoluta (S) para 25C y 1 atm.SustanciaFrmulaHf (kJ/kmol)Gf (kJ/mol)S (kJ/kmol*K)

HidrogenoH2(g)00130,57

OxigenoO2(g)00205,04

AguaH20(g)-241820-228590188,72

AguaH20(l)-285830-23718069,95

= 13228,2 kJ= -241820 kJ=228592 kJCon estos datos se esperara una eficiencia energtica de 95% y eficiencia energtica de 100%. Sin embargo, la temperatura de trabajo para estas celdas es de aproximadamente90 Cy el hidrgeno se encuentra a una presin de35MPaestas condiciones cambia sustancialmente la eficiencia energtica y energtica.

IV.Eficiencia energticaCondiciones de trabajo: T =90C, Phidrgeno=35MPa, Paire=0,1MPaH = h*Mhidrgeno*4.4kg = 1.995*10^6 kJ.Wsalida = 95kW*3.5h = 1.197*10^6 kJ. (95kW, mxima potencia de salida del FCX)= 60%

V. Eficiencia energticaWsalida= 1.197*10^6 kJWideal= w* Mhidrgeno*4.4kg=1.49*10^6 kJ

VI.Emisiones ambientalesSolo AguaV. Precio y costosEs el mayor de los problemas, muchos de los componentes de una celda de combustible son costosos. Para los sistemas de PEMFC, los catalizadores de metal precioso (generalmente platino), las capas de la difusin del gas, y las placas bipolares hacen subir 70 % del coste de un sistema. Para ser competitivo (comparado a los vehculos de motor con gasolina) los sistemas de celda de combustible deben costar $35 por kilovatio. Actualmente, el precio en grandes cantidades es $110 por el kilovatio. En detalle, los investigadores deben disminuir la cantidad de platino necesitado para actuar como catalizador o encontrar una alternativa.

V.CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIARaymond, Chang. Qumica.Colombia: Mcgraw- Hill Companies, Inc., 2002.Weidlich, Erhard. Constitucin Y Funcionamiento De LasPilasDe Combustible. Barcelona: Marcombo Boixareu, 1987.Prez Bello, Miguel Angel. Tecnologa De Los Motores.lvarez Flores, Jess Andrs. Mquinas Trmicas Motoras.Petit, E. El Motor De Explosin.Ferguson, Colin R.Internal Combustion Engines.Heywood, John B.InternalCombustion Engine Fundamentals.Jvaj, M. S.Motores De Automvil.Hadzich, Miguel. Termodinmica: Problemas Y Aplicaciones En Ingeniera.Postigo, Jaime. Termodinmica AplicadaBeale, William. Understanding stirling Engineshttp://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_enginehttp://elmundomotor.elmundo.es/elmundomotor/http://www.edicionsupc.es/ftppublic/pdfmostra/EM03900C.pdfhttp://www.mazda-es.comhttp://www.mazdausa.comhttp://www.mazdastate.comhttp://www.osinerg.gob.pehttp://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_PEM.shtmlhttp://www.claudio-otero.cl/fuel_cells/http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_de_combustiblehttp://www.bigs.de/en/shop/htm/bz01.htmlhttp://www.geocities.com/pato_donald_2000/fuel_cell/?200725#Tipos_de_Celdas_dehttp://www.bigs.de/recherch/englisch/W800/recherch.swf?v=1&f=bz01http://www.nait.ca/fuelcell/fun.htmhttp://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/aplicaciones.htm

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