CICLOS TERMODINÁMICOS

Yolver Julian Rodriguez Torres

Dehiby Fernandez

Abstract: Changes or transformation of energy always occur due to processes of physical relationships , any process that takes place there will always be an energy shift for either a human right, or a natural physical change.

Resumen: Los cambios o trasformación de energía siempre ocurren debido a procesos de relaciones físicas, en todo proceso que se realice siempre habrá un cambio de energía ya sea para un bien humano, o un cambio físico natural.

INTRODUCCION

Este papper contiene cuatro ciclos termodinámicos que son: Ciclo de otto, ciclo diesel, ciclo Raine, Ciclo de Refrigeración por compresión de vapor, los cuales serán explicados con profundidad y se realizaran un ejemplo numérico de cada uno.

Estos ciclos son los más utilizados en la industria un ejemplo de ellos es el ciclo diesel que está en los carros, motos, yates, y un sin número de vehículos de combustión interna.

. CICLOS

CICLO DE OTTO

El ciclo de Otto consiste en el encendido por chispa,el émbolo ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecánicos) dentro del cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. Estas máquinas son llamadas máquinas de combustión interna de cuatro tiempos. Un diagrama esquemático de cada tiempo, así como el diagrama P-v para una máquina real de encendido por chispa de cuatro tiempos se presenta en la figura .Inicialmente, tanto la válvula de admisión

como la de escape están cerradas y el émbolo se encuentra en su posición más baja.

Ciclos real e ideal en motores de encendido por chispa y sus diagramas P-v.

Motor real de encendido por chispa de cuatro tiempos

CICLO DE OTTO IDEAL

En compresión, hacia el émbolo se mueve arriba y comprime la mezcla de aire y combustible. Un poco antes de que el émbolo alcance su posición más alta (PMS), la bujía produce una chispa y la mezcla se enciende, con lo cual aumenta la presión y la temperatura del sistema. Los gases de alta presión impulsan al émbolo hacia abajo, el cual a su vez obliga a rotar al cigüeñal, lo que produce una salida de trabajo útil durante la carrera de expansión o carrera de potencia. Al final de esta carrera, el émbolo se encuentra en su posición más baja (la terminación del primer ciclo mecánico) y el cilindro se llena con los productos de la combustión. Después el émbolo se mueve hacia arriba una vez más y evacua los gases de escape por la válvula de escape (carrera de escape), para

descender por segunda vez extrayendo una mezcla fresca de aire y combustible a través de la válvula de admisión (carrera de admision). Observe que la presión en el cilindro está un poco arriba del valor atmosférico durante la carrera de escape y un poco abajo durante la carrera de admisión.

En las máquinas de dos tiempos, las cuatro funciones descritas anteriormente se ejecutan sólo en dos tiempos: el de potencia y el de compresión. En estas máquinas el cárter se sella y el movimiento hacia fuera del émbolo se emplea para presurizar ligeramente la mezcla de aire y combustible en el cárter, como se muestra en la figura 9-14. Además, las válvulas de admisión y de escape se sustituyen por aberturas en la porción inferior de la pared del cilindro. Durante la última parte de la carrera de potencia, el émbolo descubre primero el puerto de escape permitiendo que los gases de escape sean parcialmente expelidos, entonces se abre el puerto de admisión permitiendo que la mezcla fresca de aire y combustible se precipite en el interior e impulse la mayor parte de los gases de escape restantes hacia fuera del cilindro. Esta mezcla es entonces comprimida cuando el émbolo se mueve hacia arriba durante la carrera de compresión y se enciende subsecuentemente mediante una bujía. Las máquinas de dos tiempos son generalmente menos eficientes que sus contrapartes de cuatro tiempos, debido a la expulsión incompleta de los gases de escape y la expulsión parcial de la mezcla fresca de aire y combustible con los gases de escape. Sin embargo, son más sencillas y económicas y tienen altas relaciones entre potencia y peso así como de entre potencia y volumen, lo cual las hace más adecuadas en aplicaciones que requieren tamaño y pesopequeños como motocicletas, sierras de cadena y podadoras de pasto.

Motor reciprocante de dos tiempos.

AnálisisEl ciclo de Otto se ejecuta en un sistema cerrado, y sin tomar en cuenta los cambios en las energías cinética y

potencial, el balance de energía para cualquiera de los procesos se expresa, por unidad de masa, como

No hay trabajo involucrado durante los dos procesos de transferencia de calor porque ambos toman lugar a volumen constante. Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo puede expresarse como.

Entonces, la eficiencia térmica del ciclo de Otto ideal supuesto para el aire estándar frío es.

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrópicos, y v2 =v3 y v4 =v1. Por lo tanto

Sustituyendo estas ecuaciones en la relación de la eficiencia térmica y simplificando, se obtiene

Donde

Que es la relación de compresión, yKes la relación de calores específicoscp/cv.

En la última ecuación dela eficiencia se muestra que bajo las suposiciones de aire estándar frío, la eficiencia térmica de un ciclo de Otto ideal depende de la relación de compresiónde la máquina y de la relación de calores específicos del fluido de trabajo.La eficiencia térmica del ciclo de Otto ideal aumenta tanto con la relación de compresión como con la relación de calores específicos. Esto también es cierto

para las máquinas de combustión interna reales de encendido por chispa.

EjercicioUn ciclo de Otto ideal tiene una relación de compresión de 8. Al inicio delproceso de compresión el aire está a 100 kPay 17°C, y 800 kJ/kg de calor se transfieren a volumen constante hacia el aire durante el proceso de adición de calor. Tome en cuenta la variación de los calores específicos del aire con la temperatura y determine a) la temperatura y presión máximas que ocurren durante el ciclo, b) la salida de trabajo neto, c) la eficiencia térmica y d) la presión media efectiva en el ciclo.

Grafica relación presión volumen

Solución Se considera un ciclo de Otto ideal. Se determinarán la temperatura y presión máximas, la salida de trabajo neto, la eficiencia térmica y la presión media efectiva en el ciclo.

Suposiciones

1 Las suposiciones de aire estándar son aplicables. 2 Los cambios de energías cinéticas y potencial son insignificantes. 3 Será considerada la variación de los calores específicos debido a la temperatura.

Análisis

El diagrama P-v para el ciclo de Otto ideal descrito se muestra en la figura, Se observa que el aire contenido en el cilindro forma un sistema cerrado.

a) La temperatura y presión máximas en un ciclo de Otto ocurren al final del proceso de adición primero necesitamos determinar la temperatura y presión del aire al final del proceso isentrópico de compresión (estado 2), usando los datos de la tabla A.17:

Proceso 1-2 (compresión isentrópica de un gas ideal):

Proceso 2-3 (adición de calor a volumen constante):

b) La salida de trabajo neto para el ciclo se determina al encontrar mediante integración cada trabajo de frontera (P dV) implicado en cada proceso y sumándolos, o al encontrar la transferencia neta de calor que es equivalente al trabajo neto realizado durante el ciclo. Aquí se considera el último planteamiento.De cualquier modo, primero se necesita encontrar la energía interna del aire en el estado 4:Proceso 3-4 (expansión isentrópica de un gas ideal):

Proceso 4-1 (rechazo de calor a volumen constante):

Por lo tanto,

c) La eficiencia térmica del ciclo es determinada a partir de su definición:

Bajo las suposiciones de aire estándar frío (valores de calores específicos constantes a temperatura ambiente), la eficiencia térmica sería.

La cual es considerablemente diferente del valor obtenido antes. Por lo tanto, debe tenerse cuidado al utilizar las suposiciones de aire estándar frío.d) La presión media efectiva se determina por su definición, a partir de la ecuación

Donde

Por lo tanto

CICLO RANKINE

ciclo ideal para ciclos de potencia de vapor

Es posible eliminar muchos de los aspectos imprácticos asociados con el ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y condensado por completo en el condensador, como se muestra de manera esquemática en un diagrama T-s en la figura 10-2. Lo que resulta es el ciclo Rankine, el cual es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. El ciclo Rankine ideal, no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos:

1-2 Compresión isentrópica en una bomba

2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera

3-4 Expansión isentrópica en una turbina

4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador

El ciclo Rankine ideal simple.

Esquema y diagrama temperatura-s(entropía)

El agua entra a la bomba en el estado 1 como líquido saturado y se condensaisentrópicamente hasta la presión de operación de la caldera. La temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresión isentrópica debido a una ligera disminución en el volumen específico del agua.La distancia vertical entre los estados 1 y 2 en el diagrama T-s se exagera de manera considerable para mayor claridad. (Si el agua fuera realmente incompresible,¿Habría un cambio de temperatura durante este proceso?)El agua entra a la caldera como líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3. La caldera es básicamente un gran intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de combustión, reactores nucleares u otras fuentes, se transfiere al agua esencialmente a presión constante. La caldera, junto con la sección (sobrecalentado) donde el vapor se sobrecalienta, recibe el nombre de generador de vapor.Él va por sobrecalentado en él estado 3 entra a la turbina donde se expandeisentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conecta do a un generador eléctrico. La presión y la

temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta los va lo res en el estado 4, dondeél va por entra al condensador. En este estado el vapor es por lo general un vapor húmedo con una altacalidad. El vapor se condensa a presión constan te en el condensador, el cuales básicamente un gran intercambiador de calor, rechazando el calor hacia unmedio de enfriamiento como un lago, un río o la atmósfera. El vapor sale delcondensador como líquido satura doy entra a la bomba, completan do el ciclo.En áreas donde el agua es muy va liosa, las centra les eléctricas son enfriadas con aire en lugar de agua. Este método de enfriamiento, que también se emplea en motores de auto móvil, es conocido como enfriamiento seco. Varias centra les eléctricas en el mundo, incluidas algunas en Esta dos Unidos, utilizan enfriamiento se copara conservar el agua.Recuerde que el área bajo la curva del proceso en un diagrama T-s representa la transferencia de calor para procesos internamente reversibles; y observe que el área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor transferido hacia el agua en la caldera y que el área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia entre estas dos(El área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido durante el ciclo.

Análisis

Los cuatro componentes asociados con el ciclo Rankine (la bomba, la caldera, la turbina y el condensador) son dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto los cuatro procesos que conforman el ciclo Rankine pueden ser analizados como procesos de flujo estacionario. Por lo general, los cambios en la energía cinética y potencial del vapor son pequeños en relación con los términos de trabajo y de transferencia de calor, de manera que son insignificantes. Entonces, la ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa de vapor se reduce a

La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo y se supone que la bomba y la turbina son isentrópicas, entonces la relación de conservación de la energía para cada dispositivo puede expresarse como:

Donde

La eficiencia térmicadel ciclo Rankine se determina a partir de

Donde

La eficiencia de conversión de las centrales eléctricas estadounidenses se expresa a menudo en términos de la tasa térmica, que es la cantidad en Btude calor suministrada para generar 1 kWh de electricidad. Cuanto menor es la tasa térmica, más grande será la eficiencia. Si se considera que 1 kWh =3 412 Btu, y sin tomar en cuenta las pérdidas asociadas con la conversión de potencia en el eje a potencia eléctrica, la relación entre la tasa térmica y la eficiencia térmica puede expresarse como

Ejerciciouna tasa térmica de 11 363 Btu/kWhes equivalente a una eficiencia térmica de 30 por ciento.La eficiencia térmica también puede interpretarse como la relación entre el área encerrada por el ciclo en un diagrama T-s y el área bajo el proceso de adición de calor. El uso de estas relaciones se ilustra en el siguiente ejemplo.

El ciclo Rankine ideal simpleConsidere una central eléctrica de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal simple. El vapor de agua entra a la turbina a 3 MPa y 350 °C y es condensado en el condensador a una presión de 75 kPa. Determine la eficiencia térmica de este ciclo.

Solución Se tiene una central eléctrica de vapor que opera en el ciclo Rankineideal simple. Se determinará la eficiencia térmica del ciclo suposiciones

1 Existen condiciones estacionarias de operación.

2 Los cambios en las energías cinéticos y potenciales son insignificantes.

Análisis

Él es quema de la central y el diagrama T-S del ciclo se muestra en la figura Observe que la central pera en el ciclo Rankine ideal, por lo tanto la turbina y la bomba son isentrópicas, no hay caí das de presión en la caldera ni en el condensador y el vapor sale de es te último para entrar a la bomba como líquido satura do a la presión del condensador.

Esquema y diagrama temperatura-s(entropía)

Primero se determinan las entalpías en varios puntos del ciclo, utilizando los datos de las tablas de vapor (tablas A-4, A-5 y A-6):

Estado 1

Estado 2

Estado 3

Estado 4

Por lo tanto,

Y

La eficiencia térmica también podría determinarse a partir de

O

Y

Es decir, esta central eléctrica convierte en trabajo neto 26 por ciento del calor que recibe de la caldera. Una central eléctrica real que opera entre los mismos límites

de temperatura y presión tendrá una eficiencia menor debido a irreversibilidades como la fricción.Note que la relación de trabajo de retroceso (rbw = wentrada/wsalida) de esta central eléctrica es 0.004, por lo tanto sólo se requiere 0.4 por ciento de la salida de trabajo de la turbina para operar la bomba. Tener relaciones de trabajo de retroceso bajas es característico de los ciclos de potencia de vapor, lo cual contrasta con los de potencia de gas que por lo general incluyen relaciones de trabajo de retroceso muy altas (entre 40 y 80 por ciento).También es interesante observar la eficiencia térmica de un ciclo de Carnot que opera entre los mismos límites de temperatura

La diferencia entre las dos eficiencias se debe a la gran irreversibilidad externa en el ciclo Rankine causada por la mayor diferencia de temperatura entre el vapor y los gases de combustión en la caldera.

CICLO DIESEL

Rudolph Diesel desarrolló el motor que lleva su nombre y obtuvo la patente alemana en 1892.

Este motor de cuatro tiempos utiliza como combustible diesel y a diferencia del motor de gasolina, sólo succiona aire, lo comprime y entonces le inyecta el combustible. El calor del aire comprimido enciende el combustible espontáneamente.

Combustible: diesel (menos refinado y menos costoso que la gasolina).•Se comprime aire únicamente hasta una temperatura mayor que la temperatura de autoencendido del combustible.•La combustión se inicia cuando entra en contacto el combustible inyectado con el aire comprimido a alta temperatura.•Se reemplaza el sistema de encendido del motor Otto por el sistema de inyección del combustible diésel.•Las relaciones de compresión normales oscilan entre 12-24.

En estos motores el proceso de combustión sucede durante un periodo más largo. Debido a esta mayor duración, el proceso de combustión en el ciclo Diesel

ideal se obtiene como un proceso de adición de calor a presión constante.

Los tres procesos restantes son los mismos para ambos ciclos ideales. Es decir, el proceso 1-2 es una compresión isentrópica, el 2-3 adición de calor a presión constante, el 3-4 una expansión isentrópica y el 4-1 un rechazo de calor a volumen constante. La similitud entre los dos ciclos es también evidente en los diagramas P-v y T-s del ciclo Diesel.

Si se observa que el ciclo Diesel se ejecuta en un dispositivo de émbolo y cilindro, que forma un sistema cerrado, la cantidad de calor añadida al fluido de trabajo a presión constante y rechazada por éste a volumen constante puede expresarse como:

Entonces, la eficiencia térmica de un ciclo Diesel ideal bajo las suposiciones de aire estándar frío se vuelve:

Ahora se define una nueva cantidad, la relación de corte de admisión rc, como la relación de los volúmenes del cilindro antes y después del proceso de combustión:

Al usar esta definición y las relaciones de gas ideal isentrópicas para los procesos1-2 y 3-4, la relación de la eficiencia térmica se reduce a

donde r es la relación de compresión definida por la ecuación, se notará que bajo las suposiciones de aire estándar frío la eficiencia de un ciclo Diesel difiere de la de un ciclo de Otto por la cantidad que está entre paréntesis, la cual siempre es mayor que 1. Por lo tanto, cuando ambos ciclos operan a la misma relación de compresión:

CICLO REAL DE REFRIGERACIÓNPOR COMPRESIÓN DE VAPOR

Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor difiere de uno ideal en varios aspectos, principalmente, debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido (causa caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor.

En el ciclo ideal, el refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Sin embargo, en la práctica, no es posible controlar el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso, es fácil diseñar el sistema de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor. Este ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapore por completo cuando entra al compresor. También, la línea que conecta al evaporador con el compresor suele ser muy larga; por lo tanto, lacaída de presión ocasionada por la fricción del fluido y la transferencia de calor de los alrededores al refrigerante pueden ser muy significativas.

El resultado del sobrecalentamiento, de la ganancia de calor en la línea de conexión y las caídas de presión en el evaporador y la línea de conexión, consiste en un incremento en el volumen específico y, por consiguiente, en un incremento en los requerimientosde entrada de potencia al compresor puesto que el trabajo de flujo estacionario es proporcional al volumen específico.

El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, por ende, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresiónreal incluirá efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. Por consiguiente, la entropía del refrigerante puede incrementarse (proceso 1-2) o disminuir (proceso 1-2_) durante un proceso de compresión real, dependiendo del predominio de los efectos. El proceso de compresión 1-2_ puede ser incluso más deseable que el proceso de compresión isentrópico debido a que el volumen específico del refrigerante y, por consiguiente, el requerimiento de entrada de trabajo son más pequeños en este caso. De ese modo, el refrigerante debe enfriarse durante el proceso de compresión siempre que sea práctico y económico hacerlo.En el caso ideal, se supone que el refrigerante sale del condensador como líquido saturado a la presión de salida del compresor. En realidad, es inevitable tener cierta caída de presión en el condensador, así como en las líneas que lo conectan con el compresor y la válvula

de estrangulamiento. Además, no es fácil ejecutar el proceso de condensación con tal precisión como paraque el refrigerante sea un líquido saturado al final, y es indeseable enviar el refrigerante a la válvula de estrangulamiento antes de que se condense por completo. En consecuencia, el refrigerante se subenfría un poco antes de que entre a la válvula de estrangulamiento. A pesar de todo esto, se debe tener en mente dado que el refrigerante entra al evaporador con una entalpía inferior y por ello puede absorber más calor del espacio refrigerado. La válvula de estrangulamiento y el evaporador se localizan muy cerca el uno del otro, de modo que la caída de presión en la línea de conexión es pequeña.

REFERENCIAS

Pischinger, R.; Klell, M.; Sams, T.: ThermodynamikderVerbrennungskraft-maschine. Berlin: Springer, 2002.

YUNUS A. ÇENGEL University of Nevada, RenoMICHAEL A. BOLES North Carolina State University TERMODINÁMICA.Séptima edición.McGrawhill.