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Termodinámica II – ciclos de potencia del gas




Enviado por lavin77



    Termodinámica II

    INTRODUCCION

    Los ciclos de potencia de
    gas o
    dispositivos cíclicos generadores de potencia revisten
    de gran importancia en el estudio de la termodinámica ya que varios sistemas y
    maquinas se
    basan en su funcionamiento.

    Los modernos motores
    automotrices, camiones, barcos, turbinas de gas son ejemplo
    de aplicaciones extremadamente útiles de estos procesos.

    Los motores
    endotérmicos son maquinas motrices
    cíclicas en las que la energía interna que posee un
    fluido (vapor, gas) se
    transforma parcialmente en energía mecánica, dicho fluido es el medio al que
    se le proporciona o sustrae en adecuados puntos del ciclo
    operativo.

    En este trabajo se hará un breve análisis de los ciclos que rigen a los
    motores
    endotérmicos o de combustión interna, así como los que
    rigen a las turbinas de gas. Se analizara
    el ciclo de Otto, ciclo Diesel, Stirling y Ericsson y por
    último al ciclo Brayton.

    CICLO DE OTTO.

    Este también es llamado ciclo de encendido por
    chispa, en este el proceso se
    realiza a volumen
    constante.

    Este ciclo es de interés ya
    que da el análisis del comportamiento
    de los motores por
    ignición de chispa. El ciclo Otto puede ser de 2 o de 4
    tiempos.

    Un ciclo de Otto de 4 tiempos se compone de 4 procesos
    internamente reversibles, además de una carrera de
    alimentación y una de expulsión en
    el ciclo.

    El ciclo teórico consta de una
    transformación adiabática (1-2)
    (compresión), una isocórica (2-3)(combustión), una segunda
    transformación adiabática(3-4)(expansión) y
    finalmente una segunda transformación isocórica
    (4-1)(enfriamiento).

    El trabajo requerido para expulsar la carga del cilindro
    tiene la misma magnitud, pero de signo contrario, que el
    requerido para absorber la nueva carga por tanto estas dos partes
    del ciclo teórico no afectan el trabajo
    neto desarrollado.

    Los parámetros principales que gobiernan la
    eficiencia
    térmica de un ciclo Otto son la relación de
    compresión y la relación de capacidades
    térmicas específicas. El valor de la
    eficiencia
    térmica aumenta al aumentar la relación de
    compresión, desde el punto de vista practico est 
    limitado por la ocurrencia de la preignición cuando la
    relación se eleva por encima de 10, para los hidrocarburos
    comunes la eficiencia
    térmica aumenta al incrementar el cociente de las
    capacidades térmicas específicas. , Para tener en
    cuenta que las capacidades térmicas específicas son
    variables la
    eficiencia se
    debe determinar mediante la relación

    n = 1- ( u4 – u1 )/( u3 – u2 )

    Las temperaturas de los estados 2 y 4 se calculan con
    las relaciones isoentropicas

    vr2 = vr1*(v2/v1) = vr1/r y vr4 = (v4/v3) =
    r*vr3

    vr es función solo de la temperatura

    CICLO DIESEL.

    Este se le conoce como ciclo de encendido por
    compresión y se realiza a presión
    constante.

    El método
    utilizado aquí es en elevar la temperatura de
    la mezcla de combustible y aire por encima
    de su temperatura de
    ignición utilizando relaciones de compresión en el
    intervalo 14:1 a 24:1 y presiones de compresión de 400 a
    700 lb/in2.

    El ciclo que describe el comportamiento
    de este proceso es el
    ciclo Diesel, como el ciclo teórico es limitado solo se
    describirán sus características básicas.

    Este ciclo se compone de 4 procesos
    internamente reversibles, este solo difiere del ciclo de Otto en
    la fase de combustión (2-3), prevista a presión
    constante. Mediante un ciclo de aire
    estándar basado en capacidades térmicas
    específicas constantes se puede hacer un análisis útil del ciclo Diesel. En
    esas condiciones, los calores de entrada y salida del ciclo
    est n dados por

    q.ent = cp(t3 – t2) y q.sal = cv(t4 – t1)

    en consecuencia

    h .Diesel =
    cp(t3 – t2) – cv(t4 – t1)/ cp(t3 – t2)

    = 1 – t4 – t1/k(t3 – t2)

    El ciclo Diesel teórico es fundamentalmente
    función de la relación de compresión r, la
    relación de combustión rc y la relación de
    capacidades térmicas específicas k. La eficiencia de
    este es siempre menor a la de un ciclo Otto para la misma
    relación de compresión, si rc es mayor que la
    unidad.

    En caso de tener que considerar las capacidades
    térmicas específicas variables, la
    ecuación de la eficiencia se convierte en

    h .Diesel = 1-
    u4-u1/h3-h2

    Donde u y h se evalúan de tablas, las
    temperaturas de los estados 2 y 4 se calculan mediante las
    relaciones isoentropicas

    vr2 = vr1* V2/V1 =vr1/r y vr4 = vr3*V4/V3 =
    r*vr3/rc

    LOS CICLOS DE ERICSSON Y ESTIRLING

    Se ha demostrado que el efecto combinado de
    interenfriamiento, recalentamiento y regeneración es un
    aumento en la eficiencia térmica de un ciclo de potencia de
    turbina de gas. Es interesante examinar que pasa cuando el
    número de etapas tanto de interenfriameiento y de
    recalentamiento se hace infinitamente grande. En tal
    situación los procesos
    isoentropicos de compresión y expansión pasan a ser
    isotérmicos, el ciclo se puede representar mediante dos
    etapas a temperaturas constantes y dos procesos a
    presión constante con regeneración. A un proceso
    así se le llama ciclo de Ericsson.

    En este el fluido se expande isotérmicamente del
    estado 1 al 2
    a través de una turbina se produce trabajo y el calor se
    absorbe reversiblemente desde un deposito a Ta, luego el fluido
    se enfría a presión constante en un regenerador,
    del estado 3 al 4
    el fluido se comprime isotérmicamente. Esto requiere una
    entrada de trabajo y una expulsión reversible de calor hacia un
    deposito a Tb, por ultimo el fluido se calienta a presión
    constante hasta el estado
    inicial haciéndolo pasar a contracorriente a través
    del regenerador.

    como la única transferencia de calor externa
    actúa sobre los depósitos y como todos los procesos
    son reversibles, la eficiencia es igual a la del ciclo de
    Carnot.

    No obstante el ciclo de Ericsson es impractico, sirve
    para mostrar como podría colocarse un regenerador para
    aumentar la eficiencia térmica.

    Otro ciclo de mas importancia pr critica y que
    incorpora un regenerador en su esquema es el ciclo Stirling, este
    se compone de 2 procesos isotérmicos reversibles y dos
    procesos a volumen constante
    también reversibles.

    El gas se expande isotérmicamente a partir del
    estado inicial
    1 al 2 añadiendose calor desde un
    deposito a temp. Ta, del estado 2 al 3
    se elimina energía a volúmenes constante hasta que
    la temperatura
    del fluido es igual a Tb, luego el volumen se reduce
    de manera isotérmica hasta su valor
    original, extrayéndose calor
    reversiblemente hasta un segundo deposito a Tb, finalmente se
    añade calor a volumen constante
    desde un estado 4 al 1.
    Aplicando un balance de energía para estos dos procesos se
    ve que son de la misma magnitud.

    El único efecto externo al sistema durante
    cada ciclo es el intercambio de calor con los 2 depósitos
    de temperaturas fijas.

    Aunque el ciclo trabaje igual al de Carnot es
    difícil construir una maquina sin introducir desventajas
    inherentes, por ejemplo este opera a presiones elevadas y los
    fluidos mas adecuados son el helio e hidrogeno, la
    relación entre peso y potencia no es
    muy favorable, a excepción cuando se trata de
    vehículos muy grandes como camiones, también las
    elevadas temperaturas presentan un problema, no obstante una de
    las m s grandes ventajas es su alta calidad de
    emisión ya que este es un motor de combustión externa, el proceso de
    combustión es mas completo que en uno de combustión
    interna en términos de contenido de bióxido de
    carbono, otras
    ventajas es su operación relativamente silenciosa su
    confiabilidad y larga vida y su capacidad
    multicombustible.

    CICLO DE BRAYTON

    Este ciclo se considera el básico en el análisis de turbinas.

    Este es un ciclo simple para una turbina de gas se
    emplea equipo separado para los diversos tipos de procesos del
    ciclo. A continuación se define primero lo que es un ciclo
    abierto, al inicio el aire se comprime
    en forma adiabatica en compresor rotatorio axial o centrifugo, el
    aire entra a una
    cámara de combustión donde se inyecta y quema
    combustible a presión constante, los productos de
    esta combustión luego se expanden en una turbina hasta
    alcanza la presión ambiente de
    los alrededores.

    Los ciclos de las turbinas de gas reales son abiertos ya
    que debe introducirse aire
    continuamente.

    En el ciclo de Brayton idealizado en comparación
    al de Otto y Diesel opera en un intervalo menor de presiones y
    temperatura
    espera en un intervalo de volumen m s
    amplio, esto hace que no sea adecuado para el uso en maquinas
    alternativas.

    Este ciclo consta de compresión adiabatica,
    calentamiento a presión constante y expansión
    adiabática. Debido a que los gases que se
    expanden están más calientes el trabajo que
    puede obtenerse del proceso de
    expansión es mayor que el de compresión; el trabajo
    neto del ciclo es la diferencia entre los dos. Si se agrega un
    regenerador para recobrar el calor de escape de la turbina se
    mejora la eficiencia. Añadiendo además de
    interenfriameiento en el compresor y recalentamiento del fluido
    de trabajo, durante la expansión se incrementa la salida
    de potencia para un tamaño dado de turbina de
    gas.

    La eficiencia térmica del ciclo de Brayton
    depende principalmente de la relación de presiones, la
    temperatura de
    admisión a la turbina y las perdidas parásitas (en
    especial las eficiencias del compresor y de la turbina). En el
    caso teórico de un aire estándar ideal sin perdidas
    internas se puede demostrar que la eficiencia térmica
    depende solo de la relación de presiones en el compresor
    (p2/p1).

    n. Br = 1 – 1/(p2/p1)^(k-1)/k

    Para un ciclo real con perdidas, la eficiencia
    térmica depende también de la entrada de
    temperatura a la turbina ya que una temperatura mayor significa
    un incremento de trabajo útil y una reducción
    proporcionada en el efecto de las pérdidas
    internas.

    El ciclo real queda corto respecto al ciclo ideal debido
    a que las propiedades reales del aire(k, cp) no son constantes
    sobre este intervalo de temperaturas, y de manera importante por
    las perdidas internas, estas empiezan a ser significativas arriba
    de 1367 K y llegan a ser serias a 1922 K.

    BIBLIOGRAFIA

    Termodinámica. Kenneth Wark Jr. (Mc.
    Graw-Hill).

    Manual del ingeniero Mecánico. Eugene A. Avallone
    Theodore Baumeister (Mc Graw-Hill)

    Enciclopedia de la Ciencia y
    tecnología. (DENAE).(tomo 6)

     

     

    Autor:

    Lavín Maldonado Alberto.

    INSTITUTO TECNOLOGICO DE CELAYA

    Ingeniería mecánica

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