jesús andrés Álvarez flórez, ed. ismael callejón agramunt, ed
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POLITEXT
Jesús Andrés Álvarez Flórez, ed.Ismael Callejón Agramunt, ed.
Máquinas térmicas motoras - 1
EDICIONS UPC
POLITEXT 134
Máquinas térmicas motoras - 1
POLITEXT
EDICIONS UPC
Máquinas térmicas motoras - 1
Jesús Andrés Álvarez Flórez, ed.Ismael Callejón Agramunt, ed.Sergi Forns FarrúsPere Roca CarlesDavid Balsells GrandeJuan Casanova Rossell
Tomás Navarro OdriozolaCarles Forcadell FreixaAngelita González FontalAntoni Márquez LuqueFrancisco J. Pérez Llopis
La presente obra fue galardonada en el octavo concurso"Ajut a l'elaboració de material docent" convocado por la UPC.
Colaboradores:Mònica Álvarez, Francesc Batalla, Gabriela Benveniste, Òscar Bonet, Xavier Carrera, Juan Manuel Castro, Òscar Civit, Jordi Escura, Irene Espada,Xavier Flores, David González, Ricard Ibáñez, Andreu Iglesias, Luis Isidro,Josep Antón Jiménez, Oscar Jiménez, Francisco Liesa, Ana Mª Marimón, Salvador Miret, Eduard Moreno, Josep Mª Piguillem, Julio Pérez, Lluc Puig, Eloi Robert, Joan Rovira, Bartolomé Salom, David Sánchez, Álvaro Serrano,Xavier Soldevila, Agustí Vilella, Joaquin Villa, Jordi Yubero
Primera edición: septiembre de 2002
Diseño de la cubierta: Manuel Andreu
© Los autores, 2002
© Edicions UPC, 2002Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SLJordi Girona Salgado 31, 08034 BarcelonaTel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885Edicions Virtuals: www.edicionsupc.esE-mail: [email protected]
Producción: Copistería Miracle, SLRector Ubach 6-10, 08021 Barcelona
Depósito legal: B-27729-2002ISBN: 84-8301-644-3ISBN Obra completa: 84-8301-646-X
Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las san-ciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro-cedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares deella mediante alquiler o préstamo públicos.
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Indice 9
Indice
1 Transferencia de energía
1.1 Introducción .............................................................................................................................. 171.2 Análisis de la transformación de energía ................................................................................... 19
1.2.1 Tipos de acumulador ......................................................................................................... 201.2.2 Tipos de flujo de energía ................................................................................................... 211.2.3 Proceso de transformación ................................................................................................ 22
1.3 Fuentes de energía ..................................................................................................................... 241.3.1 Energía solar ....................................................................................................................... 241.3.2 Energía nuclear ................................................................................................................... 251.3.3 Interacción gravitatoria ...................................................................................................... 251.3.4 Energía geotérmica ............................................................................................................. 27
1.4 Transformadores de acumulador a flujo de energía (A/F) .......................................................... 271.4.1 Transformación de energía térmica a calor ........................................................................ 271.4.2 Transformación de energía química a calor ........................................................................ 301.4.3 Transformación de energía nuclear a calor ........................................................................ 331.4.4 Transformación de energía química a trabajo eléctrico ...................................................... 371.4.5 Transformación de energía dinámica a trabajo mecánico .................................................. 38
1.5 Transformadores de flujo ........................................................................................................... 401.5.1 Transformación de trabajo eléctrico a trabajo mecánico por máquina rotativa ................. 411.5.2 Transformación de trabajo eléctrico a trabajo mecánico por piezoelectricidad ................. 451.5.3 Transformación de radiación a calor .................................................................................. 461.5.4 Transformación de radiación a trabajo eléctrico ................................................................ 491.5.5 Transformación de calor a trabajo eléctrico ....................................................................... 501.5.6 Transformación de calor a trabajo mecánico ..................................................................... 56
1.6 El motor térmico. Integración de transformadores A/F y F/F ..................................................... 591.6.1 Motores endotérmicos frente a motores exotérmicos ........................................................ 591.6.2 Motores térmicos para generación con cogeneración ...................................................... 611.6.3 Motores térmicos para tracción con y sin eje de salida ..................................................... 62
2 Ciclos termodinámicos
2.1 Introducción .............................................................................................................................. 652.2 Análisis y caracterización de un ciclo termodinámico de trabajo .............................................. 67
2.2.1 Procesos de evolución ....................................................................................................... 67
10 Máquinas térmicas motoras
2.2.2Diagramas P/V y T/S ........................................................................................................... 702.2.3 Presión media teórica ......................................................................................................... 72
2.3 Ciclos de referencia .................................................................................................................... 742.3.1 Ciclo de Carnot ................................................................................................................... 752.3.2 Ciclo de Lenoir ................................................................................................................... 782.3.3 Ciclo Otto ........................................................................................................................... 792.3.4 Ciclo Diesel ........................................................................................................................ 822.3.5 Ciclo mixto de Sabathé ....................................................................................................... 852.3.6 Ciclo Atkinson .................................................................................................................... 882.3.7 Ciclo Brayton ..................................................................................................................... 922.3.8 Ciclo Ericsson ..................................................................................................................... 952.3.9 Ciclo Stirling ....................................................................................................................... 97
2.4 Caracterización del ciclo teórico asociado a un mecanismo. Modelización numérica. ............... 99
3 El motor alternativo de combustión interna
3.1 Introducción ............................................................................................................................. 1073.2 Principios de funcionamiento ................................................................................................... 112
3.2.1 Concepción de la fase cerrada ......................................................................................... 1203.2.2 Concepción de la fase abierta .......................................................................................... 1223.2.3 Tipología de refrigeración ................................................................................................ 1243.2.4 Arquitecturas policilíndricas ............................................................................................ 126
3.3 Parámetros característicos ........................................................................................................ 1313.3.1 Parámetros dimensionales ................................................................................................ 1313.3.2 Relaciones entre parámetros dimensionales .................................................................... 1333.3.3 Parámetros termodinámicos ............................................................................................. 1353.3.4 Características operativas del motor ................................................................................ 137
3.4 Fase Cerrada ............................................................................................................................. 1403.4.1 La combustión en los MEP .............................................................................................. 1413.4.2 Aportación de combustible en los MEP .......................................................................... 1483.4.3 Sistema de encendido en los MEP ................................................................................... 1553.4.4 La combustión de los MEC .............................................................................................. 1613.4.5 Aportación de combustible de los MEC .......................................................................... 1683.4.6 Comparación entre los MEP y los MEC ........................................................................... 177
3.5 Fase Abierta .............................................................................................................................. 1793.5.1 Renovación de la carga en motores de 4 tiempos ............................................................ 1843.5.2 Sobrealimentación ............................................................................................................ 1923.5.3 Renovación de la carga en motores de 2 tiempos ............................................................ 1993.5.4 Comparación entre motores de 4 y 2 tiempos .................................................................. 208
3.6 Sistemas auxiliares .................................................................................................................... 2093.6.1 Sistema de refrigeración ................................................................................................... 2103.6.2 Sistema de lubricación ..................................................................................................... 213
3.7 Prestaciones .............................................................................................................................. 2153.7.1 Curvas características ...................................................................................................... 2153.7.2 Regulación del par motor ................................................................................................. 219
3.8. Emisiones contaminantes ......................................................................................................... 220
Indice 11
3.8.1 Generación de contaminantes .......................................................................................... 2203.8.2 Sistemas de reducción de contaminantes ........................................................................ 223
3.9 Combustibles para motores alternativos .................................................................................. 226
4 El motor Wankel
4.1 Introducción ............................................................................................................................. 2334.2 Principios de funcionamiento ................................................................................................... 2354.3 Geometría del motor .................................................................................................................. 239
4.3.1 Descripción del estátor .................................................................................................... 2414.3.2 Descripción del rotor ....................................................................................................... 2434.3.3 Cilindrada ......................................................................................................................... 2454.3.4 Relación de compresión ................................................................................................... 2474.3.5 Velocidad tangencial y aceleración del rotor ................................................................... 247
4.4 Elementos del motor ................................................................................................................. 2494.4.1 Rotor ................................................................................................................................ 2494.4.2 Estátor .............................................................................................................................. 2504.4.3 Engranajes de transmisión ............................................................................................... 2534.4.4 Mecanismo de sellado ..................................................................................................... 255
4.5 Procesos y sistemas ................................................................................................................. 2574.5.1 Características de la combustión ..................................................................................... 2574.5.2 Equilibrado del rotor ........................................................................................................ 2594.5.3 Refrigeración del estátor .................................................................................................. 2604.5.4 Refrigeración del rotor ..................................................................................................... 2614.5.5 Sistema de distribución .................................................................................................... 2624.5.6 Sistema de lubricación ..................................................................................................... 2634.5.7 Encendido doble .............................................................................................................. 2644.5.8 Inyección de gasolina ...................................................................................................... 266
5 Motores de autopropulsión
5.1 Introducción ............................................................................................................................. 2675.2 Principios de funcionamiento ................................................................................................... 270
5.2.1 Propulsión a reacción ....................................................................................................... 2715.2.2 Ecuación fundamental de la astronáutica ........................................................................ 273
5.3 Cámara de combustión ............................................................................................................. 2745.3.1 Concepción de la combustión .......................................................................................... 2755.3.2 Sistema de refrigeración ................................................................................................... 2765.3.3 Estudio termodinámico de la cámara ................................................................................ 277
5.4 Tobera ....................................................................................................................................... 2795.4.1 Perfil de la tobera ............................................................................................................. 2795.4.2 Tipos de toberas .............................................................................................................. 2815.4.3 Caracterización termodinámica de la tobera ..................................................................... 281
5.5 Motor químico .......................................................................................................................... 2855.5.1 Motor químico de combustible sólido ............................................................................. 2855.5.2 Motor químico de combustible líquido ............................................................................ 291
12 Máquinas térmicas motoras
5.5.3 Comparación entre propelentes sólidos y líquidos .......................................................... 2945.5.4 Motor químico híbrido ..................................................................................................... 294
5.6 Propulsión nuclear .................................................................................................................... 2955.7 Propulsión eléctrica .................................................................................................................. 295
5.7.1 Motores eléctricos ........................................................................................................... 2955.7.2 Cohetes con sistema de aceleración eléctrico .................................................................. 295
5.8 El efecto Pogo ........................................................................................................................... 296
6 Turbina de gas
6.1 Introducción ............................................................................................................................. 2996.2 Tipos de turbinas de gas ........................................................................................................... 301
6.2.1 Tipo de ciclo termodinámico ............................................................................................ 3016.2.2 Aportación de energía al ciclo .......................................................................................... 3036.2.3 Disposiciones mecánicas ................................................................................................. 303
6.3 Ciclos para la obtención de potencia en una turbina de gas ..................................................... 3056.3.1 Ciclo de Brayton ............................................................................................................... 3056.3.2 Ciclo de Brayton regenerativo ......................................................................................... 3086.3.3 Ciclo con recalentamiento ................................................................................................ 3086.3.4 Ciclo con enfriamiento intermedio en la compresión ....................................................... 309
6.4 Compresor ................................................................................................................................. 3096.4.1 Compresor centrífugo ...................................................................................................... 3126.4.2 Compresor axial ................................................................................................................ 314
6.5 Cámara de combustión ............................................................................................................. 3206.5.1 Tipologías de cámaras de combustión ............................................................................ 3236.5.2 Estabilidad de llama en la cámara de combustión ............................................................ 3256.5.3 Intensidad de la combustión ............................................................................................ 3266.5.4 Aportación de combustible .............................................................................................. 3276.5.5 Sistemas de ignición ........................................................................................................ 3296.5.6 Arranque de la turbina de gas .......................................................................................... 329
6.6 Turbina ...................................................................................................................................... 3306.6.1 Turbinas de flujo radial .................................................................................................... 3316.6.2 Turbinas de flujo axial ...................................................................................................... 331
6.7 Turbinas de gas para la propulsión de aviones ........................................................................ 3366.7.1 El turborreactor ................................................................................................................ 3376.7.2 El turboventilador ............................................................................................................. 3386.7.3 El turbohélice o turboeje .................................................................................................. 3406.7.4 Influencia de la velocidad del avión ................................................................................ 3416.7.5 Inversores de empuje ....................................................................................................... 3446.7.6 Contaminación acústica ................................................................................................... 346
6.8 Regulación de la potencia ......................................................................................................... 3476.8.1 Unidades de un solo eje reguladas por la temperatura, a velocidad constante ............... 3476.8.2 Unidades de un solo eje reguladas por la variación de la velocidad, a temperatura cons ....
tante .................................................................................................................................. 3486.8.3 Unidades de un solo eje reguladas por la variación de la velocidad y la temperatura .... 3496.8.4 Regulación de unidades de dos ejes o eje partido ........................................................... 350
Indice 13
7 Instalación de turbinas de vapor
7.1 Introducción ............................................................................................................................. 3537.2 Ciclos para la obtención de potencia en una instalación de turbinas de vapor ........................ 355
7.2.1 Propiedades del vapor ..................................................................................................... 3557.2.2 Ciclo de Rankine ideal ...................................................................................................... 3587.2.3 Ciclo de Rankine real, rendimiento isoentrópico .............................................................. 3597.2.4 Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento ....................................................................... 3607.2.5 Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio ........................................................... 3627.2.6 Ciclo de Rankine con regeneración .................................................................................. 3637.2.7 Ciclo de Rankine supercrítico ........................................................................................... 364
7.3 Turbinas de vapor ..................................................................................................................... 3657.3.1 Descripción ...................................................................................................................... 3657.3.2 Tipologías de turbinas de vapor ...................................................................................... 3677.3.3 Principio de funcionamiento ............................................................................................ 3707.3.4 Materiales ......................................................................................................................... 382
7.4. Calderas .................................................................................................................................... 3827.4.1 Descripción ...................................................................................................................... 3827.4.2 Tipologías de calderas ..................................................................................................... 3847.4.3 Combustibles para calderas de vapor .............................................................................. 389
7.5 Condensador y bomba de presión ............................................................................................. 389
8 Motor Stirling
8.1 Introducción ............................................................................................................................. 3918.2 Funcionamiento del motor Stirling ........................................................................................... 3928.3 Ciclos termodinámicos ideales .................................................................................................. 395
8.3.1 Importancia de la evolución isotérmica respecto a la adiabática ..................................... 3968.3.2 Ciclo de Rallis ................................................................................................................... 3998.3.3 Ciclo Stirling ..................................................................................................................... 4058.3.4 Ciclo Ericsson ................................................................................................................... 4108.3.5 Ciclo mixto Stirling-Rallis ................................................................................................. 411
8.4 Análisis comparativo entre ciclos ............................................................................................. 4158.4.1 Análisis de la relación de compresión .............................................................................. 4158.4.2 Análisis del salto térmico ................................................................................................. 4188.4.3 Correlación entre variables .............................................................................................. 421
8.5 Influencias del mecanismo en el ciclo termodinámico .............................................................. 4218.6 Regenerador .............................................................................................................................. 423
8.6.1 Análisis de la regeneración .............................................................................................. 4238.6.2 Regenerador único ........................................................................................................... 4248.6.3 Regeneradores en serie .................................................................................................... 427
8.7 Elementos mecánicos ............................................................................................................... 4288.7.1 Tipologías de motores ..................................................................................................... 4288.7.2 Tipologías de arquitecturas ............................................................................................. 4298.7.3 Acoplamiento de los émbolos y extracción de potencia .................................................. 4338.7.4 Elementos de estanqueidad y lubricación ....................................................................... 436
14 Máquinas térmicas motoras
8.7.5 Características de los elementos mecánicos .................................................................... 4378.8 Elementos térmicos ................................................................................................................... 437
8.8.1 Calentadores .................................................................................................................... 4418.8.2 Refrigeradores .................................................................................................................. 443
8.9 Fluidos de trabajo ..................................................................................................................... 4448.9.1 Fluidos de trabajo gaseosos ............................................................................................ 4448.9.2 Fluidos de trabajo líquidos .............................................................................................. 4518.9.3 Fluidos de trabajo con cambio de fase ............................................................................ 4528.9.4 Fluidos de trabajo químicamente reactivos ...................................................................... 454
8.10 Características de funcionamiento ........................................................................................... 4548.10.1 Curvas características .................................................................................................... 4548.10.2 Contaminación y ruido ................................................................................................... 460
8.11 Sistemas de control .................................................................................................................. 4618.11.1 Variación de la temperatura ............................................................................................ 4638.11.2 Variación de la presión media del fluido de trabajo ........................................................ 4638.11.3 Variación de la amplitud de la presión ............................................................................ 4658.11.4 Variación del ángulo de fase ........................................................................................... 4658.11.5 Variación de la carrera .................................................................................................... 465
9 Cogeneración
9.1 Introducción ............................................................................................................................. 4679.2 Tipologías de cogeneración ..................................................................................................... 469
9.2.1 Cogeneración con turbinas de gas .................................................................................. 4719.2.2 Cogeneración con turbinas de vapor ............................................................................... 4729.2.3 Cogeneración con motores alternativos de combustión interna ..................................... 4739.2.4 Cogeneración mediante ciclos combinados ..................................................................... 4749.2.5 Otras tecnologías de cogeneración .................................................................................. 4759.2.6 Campos de aplicación ...................................................................................................... 475
9.3 Caracterización y evaluación de instalaciones de cogeneración ............................................. 4769.3.1 Rendimientos ................................................................................................................... 4769.3.2 Coeficientes para caracterizar las instalaciones de cogeneración ................................... 4789.3.3 Ahorro de combustible .................................................................................................... 479
9.4 Instalaciones de generación de potencia mediante ciclos combinados ................................... 4809.4.1 Caracterización del ciclo combinado ................................................................................ 4809.4.2 Análisis termodinámico .................................................................................................... 482
9.5 Aspectos económicos de la cogeneración ............................................................................... 4859.5.1 Asignación de costes ....................................................................................................... 4859.5.2 Ahorro económico ............................................................................................................ 4869.5.3 Estudios de viabilidad ...................................................................................................... 486
9.6 Evaluación de las distintas posibilidades de cogeneración en un caso real ............................ 4879.6.1 Características de la instalación sin cogeneración .......................................................... 4879.6.2 Aspectos previos a considerar ........................................................................................ 4909.6.3 Alternativa 1: Ciclo combinado con turbina de vapor ..................................................... 4919.6.4 Alternativa 2: Ciclo combinado con turbina de vapor y turbina de gas .......................... 4979.6.5 Alternativa 3: Ciclo combinado con turbina de gas ......................................................... 500
Indice 15
9.6.6 Alternativa 4: Ciclo combinado con turbina de gas y turbina de vapor y generación de frío por absorción (trigeneración) ........................................................................................... 502
9.6.7 Comparación de las diferentes alternativas ..................................................................... 507
10 Pilas de combustible
10.1 Introducción ............................................................................................................................. 50910.2 Principios de funcionamiento ................................................................................................... 510
10.2.1 Electrodos ...................................................................................................................... 51210.2.2 Membrana-Electrolito ..................................................................................................... 51210.2.3 Capa de apoyo ................................................................................................................ 512
10.3 Prestaciones ............................................................................................................................. 51210.3.1 Cálculo de prestaciones ideales ..................................................................................... 51310.3.2 Cálculo de las pérdidas .................................................................................................. 51410.3.3 Variables en el comportamiento de una pila de combustible .......................................... 51610.3.4 Rendimiento ................................................................................................................... 517
10.4 Tipos de pilas de combustibles ................................................................................................ 51810.4.1 Pilas alcalinas (AFC) ...................................................................................................... 51910.4.2 Pilas de membrana polimérica (PEM) ............................................................................. 52110.4.3 Pilas de ácido fosfórico (PAFC) ..................................................................................... 52310.4.4 Pilas de carbonato fundido (MCFC) .............................................................................. 52610.4.5 Pilas de óxido sólido (SOFC) .......................................................................................... 52710.4.6 Comparación de los tipos de pilas de combustible ........................................................ 528
10.5 Combustibles ............................................................................................................................ 529
Bibliografía ........................................................................................................................... 531
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TransformadorFlujo A / Flujo B
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Baja Temperatura
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PérdidasGlobales
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Pérdidas
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Acumulador
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Transf. F/A
Movimientosde aire
Transf. F/A
Lluvia
Flujo
Q
Acumulador
E. NuclearSOL
Acumulador
E. TèrmicaSOL
Acumulador
E. TèrmicaTierra
Acumulador
E. QuímicaBiomasa
Acumulador
E.Dinámica CinéticaE. Eólica
Acumulador
E.Estática potencialE.Hidráulica
Transf. A/F
Fusión
Sol
Transf. A/F
Radiación
Transf. F/A
Fotosíntesi
Transf. A/F
Fosilización
Transf. A/F
Presión yTemperatura
Acondicionador
Hornos solares,...
Transf. F/F
PlacasFotovoltaicas
Transf. F/A
Transf.calorSol-Tierra
Transf. F/A
Transferencia de calor
Flujo
Q
Flujo
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E. Térmica
Acumulador
E.Estática potencial
Acumulador
E. Dinámica
Flujo
W eléctrico
Flujo
W mecánico
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Bronce 111 Hidrógeno (H2) 0.138
Latón 109 Madera 0.126
Acero dulce 64 PVC 0.092
Plomo 35 C orcho 0.043
Acero inoxidable 15 Fibra de vidrio 0.038
M ercurio 8.4 Poliestireno 0.028
Ladrillo refracta rio 1.05 Aire 0.024
Vidrio 0.84 O xígeno (O 2) 0.023
Agua 0.611 Argón 0.016
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Condensació de vapor - 5.000-50.000
Ebullición agua - 3.000-100.000
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Acero inoxidable 0.30
Asfalto 0.88
Tierra 0.94
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Rayos gamma de los productos de fisión 6
Neutrinos 10
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Reflector
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Generadoreléctrico
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Flujo
W mecánico
Flujo
W mecánico
Motor endotérmico
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Acumulador
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Combustióninterna
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Flujo
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Flujo
W mecánico
Motor endotérmico
Flujo
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Acumulador
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Acumulador
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Acumulador
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Transf. A/F
Combustióninterna
Flujo
Q
Flujo
W mecánico
Motor endotérmico
Acondicionador
Cambio demarchas
Flujo
W mecánico
Acumulador
E. QuímicaCombustible
Transf. F/F
Ciclo termodinámicoQ W
Transf. A/F
Combustióninterna
Flujo
Q
Flujo
W mecánicoGases
Motor endotérmico
Transf. F/A
Tobera
Acumulador
E.Dinámica CinéticaNave
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Incoloro e inodoro. Más pesado que el aire. Generado por las combustiones incompletas.
Tóxico: Aminora la oxigenación de la sangre y agrava la insuficiencia cardiaca. En grandes dosis puede provocar problemas sensoriales. En un 0,3% de volumen en el aire, es mortal tras inhalación durante 30 minutos.
Conjunto de productos emitidos por la combustión incompleta. Podemos distinguir entre los PAH (HC presentes sobretodo en la gasolina sin plomo) y los NPAH (derivados de nitratos presentes en los gases de escape de los motores Diesel).
Algunos pueden contribuir a la formación de ozono. Algunos son sospechosos de ser cancerígenos.
Incoloro e inodoro. Generados por la reacción del oxigeno y del nitrógeno del aire del motor bajo el efecto de la temperatura.
Tóxico: En particular el NO2.Produce problemas respiratorios, tos y dolores de cabeza.
Constituidos por partículas de carbono e hidrocarburos.
Sospechosos de ser cancerígenos.
Emitidos en la combustión de combustibles sólidos y fuel-óleos.
Problemas respiratorios. Olores. Participan en la formación del smog (smoke+fog) y de la lluvia ácida.
Presente en la gasolina normal y en la super (tetraetil de plomo), retirada del mercado
Ataca al sistema nervioso. Particularmente peligroso para los niños pequeños (puede perturbar su desarrollo intelectual).
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Química Líquido Minutos Mísiles y aviones
Química Híbrido Minutos
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interplanetarios
Nuclear Fisión Minutos Superficie
Nuclear Fusión Especulativas
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interplanetarios
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