2.3: Motores a reacción
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2.3 Motores a reacción
El primer avión utilizó motores similares al ciclo de cuatro tiempos Otto, motores de pistón alternativo. El volante Wright era un avión con este tipo de motor. Durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron potentes motores alternativos de 16 cilindros y alta relación de compresión. No obstante, los militares estaban interesados en desarrollar motores que hicieran que los aviones fueran más rápidos, más altos y más lejanos; esto era para reducir la duración de los vuelos y brindar una mejor comunicación internacional. Para lograr un vuelo de alta velocidad, se produjo un dilema: 1) la atmósfera se adelgaza a grandes altitudes, ofreciendo menos resistencia al aire a un avión lo que podría conducir a velocidades más altas, pero 2) en aire “más delgado”, es más difícil introducir aire de combustión en el motor de pistón convencional. El moderno motor a reacción fue desarrollado como parte de un documento de término de Frank Whittle mientras estaba en el British Royal Air Force College, cubriendo los principios fundamentales de los aviones de propulsión a chorro.
El motor a reacción comienza con una “lata de quemador”, donde se inyecta combustible para aviones y se quema en aire a alta presión. La combustión produce una corriente de gases de alta temperatura y alta presión (ver Figura 2.10a). Si se requiere más energía, se pueden incluir latas de dos a cuatro quemadores, y los gases de combustión a alta temperatura y alta presión operan una turbina (más sobre turbinas para la generación de electricidad en la lección sobre electricidad). La Figura 2.10b representa estas adiciones. En la Figura 2.10c, se coloca un recipiente de contención alrededor de las latas del quemador; los gases que salen de la turbina pasan a través de una boquilla. Los gases que salen de la boquilla proporcionan empuje para el avión. La Figura 2.10d muestra el motor terminado: el aire de alta presión proviene del compresor de aire, el cual es operado por la turbina.
Crédito: Dra. Caroline B. Clifford
Crédito: Dra. Caroline B. Clifford
Crédito: Dra. Caroline B. Clifford
Crédito: Dra. Caroline B. Clifford
Hay variaciones en un motor a reacción simplista: 1) el jet de ventilador (turboventilador), 2) el propulsor (turbohélice) y 3) el turboeje. El jet del ventilador tiene un ventilador grande delante del motor para ayudar a proporcionar aire al compresor de aire. Es un poco más lento que un turborreactor pero más eficiente en combustible. Este es el tipo favorecido para los aviones de transporte civil. El propulsor utiliza el trabajo mecánico de la turbina para operar una hélice. Estos tipos de motores se utilizan típicamente para aviones de cercanías. El turboeje es un motor de turbina de gas que utiliza toda la salida de la turbina para girar las palas, sin escape de chorro. Helicópteros, tanques y aerodeslizadores utilizan este tipo de motores. Entonces, ¿cuál es el combustible para los jets?
Combustible para aviones
El combustible convencional para aviones está compuesto principalmente por queroseno de funcionamiento directo (carbonos de cadena recta e hidrógeno acompañante, moléculas más grandes que la gasolina). No obstante, hay algunos pasos de purificación que son necesarios para asegurar que el combustible se comporte en los motores a reacción.
El primer paso es la eliminación del azufre. Cuando se quema azufre, forma compuestos de óxido de azufre, como el dióxido de azufre (SO2) y el trióxido de azufre (SO3). Debido a que hay múltiples compuestos de óxido de azufre, se abrevian en una fórmula química de SOx. Estos compuestos, cuando se combinan con el agua, forman lluvia ácida (más sobre esto en la siguiente lección sobre carbón para la generación de electricidad). Los compuestos de azufre son corrosivos para los sistemas de combustible y tienen olores nocivos. El azufre se elimina haciéndolo reaccionar con hidrógeno y un catalizador metálico; los procesos se conocen como procesos de desulfuración de hidrógeno (HDS) y producen H2S (sulfuro de hidrógeno), que luego se hace reaccionar a azufre sólido.
Otro problema que puede ocurrir con el combustible para aviones es si contiene demasiado contenido de compuestos aromáticos. Una pequeña cantidad es realmente necesaria para lubricar juntas y juntas tóricas. Sin embargo, los aromáticos son sospechosos de carcinógenos, y en la combustión, los aromáticos son precursores del humo y el hollín. Demasiado contenido aromático puede causar problemas como 1) mala estética, 2) carcinógenos y 3) rastreo de aviones militares. La manera de eliminar compuestos aromáticos es la misma que para eliminar azufre; el compuesto aromático se hace reaccionar con hidrógeno y un catalizador metálico para agregar hidrógeno al anillo aromático. Los compuestos resultantes son heteroaromáticos y cicloalcanos.
Otro problema que puede ocurrir en las fracciones del destilado medio puede ocurrir si el combustible contiene ceras. Las ceras son hidrocarburos alcanos de mayor peso molecular que pueden disolverse en queroseno. A temperaturas muy frías a altas altitudes, la cera puede separarse como una fase sólida o hacer que el combustible se congele y provocar el taponamiento en las líneas de combustible. Esto también puede causar un problema llamado viscosidad a baja temperatura. La viscosidad es una medida del flujo de un fluido; cuanto más grueso se vuelve el fluido (y se reduce el flujo), mayor es la viscosidad. Si bien el combustible no está congelado, fluye más lento y podría causar problemas al motor. Nuevamente, la razón del aumento de la viscosidad es similar a tener ceras en el queroseno; la alta viscosidad es causada por moléculas más grandes dentro del combustible. La forma de mejorar las propiedades del combustible para aviones es eliminar las moléculas más grandes. Esto se llama desdepilación.
El último problema que discutiremos tiene que ver con el nitrógeno. Los combustibles para aviones no suelen contener nitrógeno, pero cuando se quema combustible usando aire (que contiene principalmente nitrógeno), se pueden formar compuestos de óxido de nitrógeno, mostrados como una fórmula NOx. Debido a que los motores a reacción queman combustibles a altas temperaturas, el NOx térmico es un problema. El NOx contribuirá a la lluvia ácida. Si hay algún nitrógeno en el combustible, se eliminaría durante la remoción del azufre.
Una refinería fabricará ~ 10% de su producto como combustible para aviones. La Fuerza Aérea utiliza el 10% de ese combustible, por lo que alrededor del 1% de la producción de la refinería es para combustible para aviones militares. La Figura 2.11 muestra los procesos adicionales que se acaban de discutir en nuestro esquema.
- Haga clic para ver una alternativa de texto para la figura 2.11
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Este es un diagrama de flujo simple de la refinería de petróleo crudo.
El petróleo crudo entra y va a la destilación.
De la destilación:
El GLP (gases) pasa por alquilación para convertirse en O.N. 100 Alquilato de Combustible de Motor que puede ir uno para convertirse en gasolina
La gasolina de funcionamiento directo pasa por un reformado catalítico para convertirse en el reformado O.N. 95 que puede pasar a convertirse en gasolina
Nafta, Queroseno y Diesel pasan por Hidrotratamiento y luego desparafinado para convertirse en queroseno tratado, Diesel (bajo contenido de azufre) o aceites lubricantes.
Fuel Oil pasa por un craqueador catalítico para convertirse en O/N 90-95 Gasolina
Resid pasa por Cracking Térmico para convertirse en Carbono, Asfalto o O.N. 75 Gasolina.
Crédito: Dra. Caroline B. Clifford