POR ING GELYS GUANIPA ULT MODIF: Junio del 2009

Texto completo

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INTRODUCCION

UNEFM

En termodinámica hay dos importantes areas de aplicación: La generation de Potencia y la refrigeración, ambas se realizan mediante sistemas que operan en ciclos termodinámicos. Estos se dividen en dos categorías generales: ciclos de Potencia y ciclos de Refrigeración.

Los ciclos termodinámicos también se categorizan como ciclos de gas o de vapor, dependiendo de la fase del fluido de trabajo. En los ciclos de gas el fluido de trabajo permanece en la fase gaseosa por todo el ciclo, los modernos motores de a tomó iles camiones t rbinas de gas son ejemplos de aplicaciones modernos motores de automóviles, camiones y turbinas de gas son ejemplos de aplicaciones extremadamente útiles.

(3)

TEORIA DE AIRE ESTANDAR

1. El fluido de trabajo en todo el ciclo es aire, que se modela como gas ideal.

2. El proceso de combustión se sustituye por la transferencia de calor desde una fuente externa.

3. El proceso de transferencia de calor hacia el entorno se utiliza para llevar al fluido a su estado inicial.

4 T d l l id ibl

4. Todos los procesos los vamos a considerar reversibles. 5. Se considera que los calores específicos son constantes

6. Las asunciones de aire frio estándar son aplicables cuando el fluido de trabajo es

aire y tiene calores específicos constantes evaluados a temperatura ambiente (25oC o 77oF).

K

K

KJ

R

lb

Btu

C

P

=

1

,

005

º

24

,

0

4

,

1

.

.

=

=

=

Cte

C

Cte

k

C

P V

K

Kg

KJ

R

lbm

Btu

C

K

Kg

R

lbm

V

=

718

,

0

º

17

,

0

º

Cp: Capacidad especifica a presión constante.

(4)

CAMBIOS DE ENTROPIA DE GASES IDEALES

Al sustituir

du

=

c

VV

dT

yy

P

=

RT

v

, el cambio diferencial de entropía de un gas ideal se vuelve:p g

v

dv

R

T

dT

c

ds

=

V

+

( )

+

=

2

1

1 2 1

2

ln

v

v

R

T

dT

T

c

s

s

V

Una segunda relación para el cambio de entropía de un gas se obtiene de manera similar al sustituir

y obteniendo:

dT

c

dh

=

p

v

=

RT

p

( )

=

2

1

1 2 1

2

ln

p

p

R

T

dT

T

c

s

(5)

CAMBIOS DE ENTROPIA DE GASES IDEALES

Para calores específicos constantes:p

promedio V

c

, 1 2 1 2 , 1

2

ln

ln

v

v

R

T

T

c

s

s

=

v pro

+

promedio p

c

, se tiene: 2 2 , 1 2 1 1

ln

ln

p

p

R

T

T

c

s

s

=

p pro

1

1

p

T

Por unidad de mol:

1

2

1

2

,

1

2

ln

ln

v

v

R

T

T

c

s

s

=

v

pro

+

u

Por unidad de mol:

1

2

1

2

,

1

2

1

1

ln

ln

p

p

R

T

T

c

s

s

=

p

pro

u

1

1

p

(6)

PROCESO ISOENTROPICO DE GASES IDEALES

1 2 1 2 1 2 1 2 , 1

2

ln

ln

ln

ln

v

v

c

R

T

T

v

v

R

T

T

c

s

s

V pro

v

+

=

=

1 / −

R c k

v

T

v

T

V 2 1 1 2 2 1 1 2

ln

ln

=

⎟⎟

⎜⎜

=

⎟⎟

⎜⎜

⎟⎟

⎜⎜

=

const s

v

v

T

T

v

v

T

T

1

=

k

c

R

v V p V

p

c

k

c

c

c

R

=

,

=

v

p

c

(k−1) k

V p V p

Para el caso de constante se tiene:

( ) const s pro p

p

p

T

T

p

p

R

T

T

c

s

s

1 2 1 2 1 2 1 2 , 1

2

ln

ln

=

⎟⎟

⎜⎜

=

⎟⎟

⎜⎜

=

Una tercera relación isoentrópica se obtiene al sustituir las relaciones precedentes: Una tercera relación isoentrópica se obtiene al sustituir las relaciones precedentes:

k

v

p

⎟⎟

⎜⎜

⎟⎟

⎜⎜

2 1

const

s

v

p

⎟⎟

=

⎜⎜

⎟⎟

⎜⎜

(7)

RESUMEN DE LAS RELACIONES ISOENTRÓPICAS

Se puede resumir que para capacidades térmicas especificas constantes, en procesos ideales de compresión y expansión isoentrópicos, se pueden utilizar las siguientes relaciones:

1

2 1 1

2

=

⎟⎟

⎜⎜

=

⎟⎟

⎜⎜

k

const

s

v

v

T

T

(

k

)

k

p

T

2 2 −1

⎟⎟

⎜⎜

=

⎟⎟

⎜⎜

const

s

p

T

1

⎟⎟

=

⎜⎜

1

⎟⎟

⎜⎜

k

k

const

s

v

v

p

p

⎟⎟

⎜⎜

=

⎟⎟

⎜⎜

= 2

1

(8)

CICLO DE CARNOT

Comprende cuatro procesos totalmente reversibles: adición de calor isotérmica, expansión isoentrópica, rechazo de calor isotérmico y compresión isotérmica. Es el ciclo más eficiente que puede ejecutarse entre una fuente de energía térmica y un sumidero.

K K K K K K

V

V

P

P

T

T

T

− −

− −

1 1 1 1

A B Carnot

V

V

V

V

P

P

P

P

T

T

T

T

T

T

⎟⎟

⎜⎜

=

⎟⎟

⎜⎜

⎟⎟

⎜⎜

=

⎟⎟

⎜⎜

⎟⎟

⎜⎜

=

=

=

2 3 1 4 3 2 4 1 2 3 3

4

1

1

1

1

1

1

1

(9)

DISPOSITIVOS ALTERNATIVOS

DISPOSITIVOS ALTERNATIVOS

Un dispositivo alternativo, es una máquina reciprocante (arreglo cilindro-pistón) capaz de producir potencia que se

NOMENCLATURA BASICA DE LOS DISPOSITIVOS ALTERNATIVOS:

aprovecha en muchas aplicaciones, tales como: automóviles, camiones, pequeños aviones, barcos y generadores de energía eléctrica, entre otros.

Punto Muerto Superior (PMS): Posición más alta que ocupa el pistón.

Punto Muerto Inferior (PMS):Posición mas baja que ocupa el pistón.

Volumen mínimo: Es el que ocupa cuando el embolo está en el punto

muerto superior.

Volumen Máximo:Es el que ocupa cuando el embolo está en el punto

muerto inferior.

Carrera o cilindrada:Distancia entre el PMS y el PMI.

Relación de compresión (r): Relación que existe ente el volumen

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DISPOSITIVOS ALTERNATIVOS

DISPOSITIVOS ALTERNATIVOS

¿QUE ES LA PRESION MEDIA EFECTIVA? ¿COMO CALCULARLA?

PME: La presión media efectiva se define como la presión media

que actuaría sobre el embolo durante la carrera de potencia o hacia el exterior produciendo el mismo trabajo de salida que el t b j t d lid d l í li l

trabajo neto de salida del proceso cíclico real.

v

w

PME

=

neto

Esta puede determinarse con la siguiente ecuación:

q

q

w

Donde

v

sal ent

neto

d

=

2 1

v

(11)

CICLO OTTO

CICLO OTTO

El ciclo Ottoes uno de los Ciclos termodinámicos ideal que se aplica en los motores de combustión interna. Se

utiliza en las máquinas reciprocantes de encendido de chispa y son tradicionalmente conocidas como Motores de dos y cuatro tiempos. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. Los procesos que se

l l i i t

1-2 Compresión Isoentrópica.

2-3 Suministro de calor a volumen constante. 3-4 Expansión Isoentrópica.

cumplen son los siguientes:

4-1 Cesión de calor a volumen constante.

(12)

CICLO OTTO

CICLO OTTO

MOTOR DE DOS TIEMPOS

Se denomina de dos tiempos debido a que ejecuta las cuatro funciones en solo dos tiempos: El tiempo de potencia y el de compresión. En estas máquinas el carter se sella y el movimiento hacia fuera del émbolo se emplea para presurizar ligeramente la mezcla de aire combustible en el carter.

1 Admisión Compresión) Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior)

Los dos tiempos ocurren de la siguiente manera:

1. Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior)

empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión. Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido el pistón la comprime

2 (Expansión Escape de Gases) Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la 2. (Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la

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CICLO OTTO

CICLO OTTO

COMENTARIO-DISCUSION: MOTOR DE DOS TIEMPOS

El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un rendimiento volumétrico menor y el escape de gases es menos eficaz; también son más contaminantes, sin embargo son más sencillos y económicos. Por otro lado, suelen dar más potencia para la misma cilindrada, ya que este hace una explosión en cada revolución,

i t l t d 4 ti h l ió d 2 l i t á t ó il

mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles.

Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poca cilindrada (Motocicletas, cortacésped,

PRINCIPAL APLICACION

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CICLO OTTO

CICLO OTTO

MOTOR DE CUATRO TIEMPOS

Fase¨1: El pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece

Funciona de la siguiente manera:

abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro.

Fase 2: Las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS Fase 2: Las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS,

comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.

Fase 3:Se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la

expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. El la trasmite a la biela, y la biela la energía mecánica trasmitida al pistón. El la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigueñal, de donde se toma para su utilización.

Fase 4: Se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS,

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CICLO OTTO

CICLO OTTO

ECUACIONES A UTILIZAR

Para aire estándar frío

(

)

(

4 1

)

1 4 2 3 2 3

T

T

c

u

u

q

T

T

c

u

u

q

v ced v sum

=

=

=

=

(

)

(

)

(

)

/ 1

1 / 1 1 2 3 1 4 2 1 2 3 1 4 2 3 1 4 2 3 , − − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = − − − = − − − − = = T T T T T T T T T T T T C T T C T T C q w V V V sum sal net t η

(

3 2

)

3 2 ⎝ 2 ⎠ 3 2

q sum V

Isoentrópicamente se tiene que

V

1

=

V

4 y

V

2

=

V

3 entonces:

1 1

1 − −

K K K

V

V

T

V

T

2 1 3 4 4 3 2 1 1 2

⎟⎟

⎜⎜

=

⎟⎟

⎜⎜

=

⎟⎟

⎜⎜

=

V

V

V

V

T

T

V

V

T

T

Al sustituir estas relaciones, obtenemos una ecuación mas sencilla para conseguir la eficiencia del motor:

(16)

EFICIENCIA DE UN CICLO OTTO EFICIENCIA DE UN CICLO OTTO

En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende de la relación En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano. Una relación de compresión baja requiere un octanaje bajo para evitar los efectos de detonación del combustible, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía. De la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de octanaje alto para evitar el mismo problema. La

fi i i di d b t Ott d 20 25% ól l

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CICLO OTTO

CICLO OTTO

AUTOEVALUACION

¿Cuáles son los cuatro procesos que integran el ciclo Otto Ideal? ¿Qué tipo de motores trabajan bajo el ciclo Otto?

¿En que tiempo se produce la carrera de Potencia del ciclo?

¿Quién es más eficiente el motor de dos tiempos o el de cuatro tiempos? ¿De que depende la eficiencia del ciclo Otto?

C ál l d l ió d ió i ibl

¿Cuál es el rango de relación de compresión permisible en un motor que funciona bajo el ciclo Otto?

¿ Cual es la causa de la Detonación del combustible?

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CICLO DIESEL

CICLO DIESEL

Los motores que operan bajo este ciclo se conocen como Motores de Encendido por Compresión. Este difiere del ciclo Los motores que operan bajo este ciclo se conocen como Motores de Encendido por Compresión. Este difiere del ciclo Otto en que la combustión ocurre a presión constante. La mayoría de los motores diésel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina. Sólo el aire se comprime durante el proceso de compresión, con lo cual se elimina la posibilidad de autoencendido, por tanto, son diseñados para trabajar a relaciones de compresión mucho más altas , por lo común entre 12 y 24. Se sustituye la bujía por un inyector.

Comprende los siguientes Procesos: Los diagramas muestran claramente los cambios que ocurren:

1-2 Compresión adiabática.

2-3 Suministro de calor a presión constante.

Comprende los siguientes Procesos: Los diagramas muestran claramente los cambios que ocurren:

2 3 Suministro de calor a presión constante. 3-4 Expansión adiabática.

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CICLO DIESEL

CICLO DIESEL

FASES QUE COMPRENDE:

Fase 1: Se absorbe aire hacia la cámara de combustión.

Fase 2: El aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 ºC. Al

final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire.

Fase 3:La fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. Fase 4:Se expulsa los gases al ambientep g

La eficiencia de los motores Diésel depende, en general, de

EFICIENCIA

p , g ,

los mismos factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresión de 14 a 1, siendo

i b t l t dié l

(20)

CICLO DIESEL

CICLO DIESEL

COMENTARIO-DISCUSION:

Los motores Diésel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (RPM o REV/MIN), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 RPM. No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores Diésel trabajan a velocidades similares que los motores de gasolina, pero por lo general con mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gas oil respecto al Diésel.

La combustión ocurre sin necesidad de recibir la chispa de una bujía, debido a que el aire se comprime hasta una temperatura superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión empieza al contacto cuando el combustible se inyecta dentro de esta aire caliente

(21)

CICLO DIESEL

CICLO DIESEL

ECUACIONES A UTILIZAR

(

T

3

T

2

)

C

q

Sum

=

P

q

Ced

=

C

V

(

T

4

T

1

)

(

)

(

)

(

)

(

3 2

)

1 4 2 3 1 4 2 3 ,

1

T

T

K

T

T

T

T

C

T

T

C

T

T

C

q

q

q

P V P sum Ced sum Diesel t

=

=

=

η

(

)

=

1

1

1

1

1 , c k c k Diesel t

r

k

r

r

η

2 3 2 3

v

v

V

V

r

C

=

Donde: rc( relación de corte de admisión): Es la relación entre el volumen que ocupa el embolo posterior al suministro de calor y el volumen antes del mismo, es decir:

2 2

v

V

D d v w PME d neto =

La presión Media efectiva se determina de igual manera que en el ciclo Otto:

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CICLO DIESEL

CICLO DIESEL

AUTOEVALUACION

¿Cuáles son los Procesos que conforman el ciclo Diesel? ¿Cuáles son los Procesos que conforman el ciclo Diesel? ¿De que difiere el ciclo Diesel al ciclo Otto?

¿Por qué en este motor se evita la detonación?

¿Cómo se produce la combustión, aun sin emitir la chispa de una bujía? ¿De que depende la eficiencia del motor Diesel?

¿Cuál es el valor promedio de eficiencia que supera este motor? ¿Cuantas RPM produce un motor diesel y un motor Otto?

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CICLO

CICLO DUAL

DUAL

Aproximando el proceso de combustión en motores de combustión interna como un proceso de adición de calor a volumen constante o a presión constante es demasiado simple y nada realista. Un enfoque probablemente mejor, pero más complejo sería modelar el proceso de combustión tanto en motores de gasolina como diesel, como una

bi ió d d d t f i d l t t l t t t ió

combinación de dos procesos de transferencia de calor, esto es, una parte a volumen constante y otra a presión constante. El ciclo ideal basado en este concepto recibe el nombre de ciclo dual; es un ciclo teórico que se acerca

más al funcionamiento real de los motores modernos de ignición por compresión, debido a que . y su diagrama P-v se presenta en la siguiente figura:

(24)

CICLO

CICLO DUAL

DUAL

La eficiencia térmica de un ciclo Dual estándar de aire es función de las cantidades de calor de entrada y de salida; La eficiencia térmica de un ciclo Dual estándar de aire es función de las cantidades de calor de entrada y de salida; suponiendo capacidades térmicas específicas constantes nos queda:

qent= Cv(Tx – T2)

qent= Cp(T3- Tx )

qsal = Cv(T4–T1)

ηt, dual = ( qent-qsal)/ qent

qent, total = Cv(Tx – T2) + Cp(T3- Tx )

C

(

)

(

)

(

x

)

(

x

)

(

x

)

(

x

)

Dual t

T

T

k

T

T

T

T

T

T

Cp

T

T

Cv

T

T

Cv

+

=

+

=

3 2 1 4 3 2 1 4 ,

)

(

1

)

(

1

η

Sea:

r= V11 / V22 = relación de compresiónp

rc = V3 / Vx= V3 / V2 = relación de combustión rp,v= PX / P2 = P3 / P2 = relación de presión

Sustituyendo estas relaciones en la ec uación de la eficiencia nos queda:

1

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BIBLIOGRAFIA

BIBLIOGRAFIA

9TEXTOS:

YUNUS CENGEL; MICHAEL A BOLES. TERMODINAMICA. CUARTA EDICION. MC GRAW HILL. 2003

9TEXTOS:

YUNUS CENGEL; MICHAEL A BOLES. TERMODINAMICA. CUARTA EDICION. MC GRAW HILL. 2003YUNUS CENGEL; MICHAEL A BOLES. TERMODINAMICA. CUARTA EDICION. MC GRAW HILL. 2003

KENNETH WARK, JR- TERMODINAMICA. SEGUNDA EDICION. MC GRAW HILL.1991

9ELECTONICA:

YUNUS CENGEL; MICHAEL A BOLES. TERMODINAMICA. CUARTA EDICION. MC GRAW HILL. 2003

KENNETH WARK, JR- TERMODINAMICA. SEGUNDA EDICION. MC GRAW HILL.1991

9ELECTONICA:

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