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