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Se hace una breve explicación para cada ciclo termodinámico, incluye gráficas.
Tipo: Resúmenes
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Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de auto ignición del gasóleo y el combustible es inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla.
Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diésel de seis pasos:
E→A Admisión:
El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante.
A→B Compresión:
El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático.
B→C Combustión:
El inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diésel se diferencia del Otto.
C→D Expansión:
La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso rápido es adiabático.
D→A y A→E Escape:
Se abre la válvula de escape y el gas sale, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y cede calor, donde, tenemos el proceso isocórico D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos el proceso isobárico A→E, cerrando el ciclo.
En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de gasolina.
Como en cualquier maquina térmica la eficiencia se calcula:
𝑛 = (^) 𝑄𝑊𝑇 𝑎𝑏𝑠
𝑎𝑏𝑠
𝑎𝑏𝑠
𝛾− = 𝑇𝐴𝑟𝑐𝑟𝛾−1^ (𝑟 𝑟 𝑐)
𝛾− = 𝑇𝐴𝑟𝑐^1 𝑟𝑐𝛾−1^ = 𝑻𝑨𝒓𝒄𝜸
Sustituyendo esto en la expresión del rendimiento obtenemos finalmente Obtenemos que:
𝑛 = 1 − 𝛾(𝑇(𝑇𝐷𝐶^ − 𝑇− 𝑇𝐴𝐵)) = 1 − [(𝑇𝐴𝑟𝑐
Muchas de las máquinas térmicas que se construyen en la actualidad (motores de camiones, coches, maquinaria, etc.) están provistas de un motor denominado motor de cuatro tiempos. El ciclo que describe el fluido de trabajo de dichas máquinas se denomina ciclo de Otto, inventado a finales del siglo XIX por el ingeniero alemán del mismo nombre. Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un
motor de explosión, el fluido de trabajo es una mezcla de aire y gasolina.
Las fases de operación de este motor son las siguientes:
0-1 Admisión: La válvula de admisión se abre, permitiendo la entrada en el cilindro de la mezcla de aire y gasolina. Al finalizar esta primera etapa, la válvula de admisión se cierra. El pistón se desplaza hasta el denominado punto muerto inferior (PMI).
3-4 Expansión adiabática: Durante este proceso, la energía química liberada durante la combustión se transforma en energía mecánica, ya que el trabajo durante esta transformación es positivo.
4-1 Enfriamiento isocórico: Durante esta etapa la presión disminuye y la mezcla se enfría liberándose calor al exterior.
1-0 Escape: La válvula de escape se abre, expulsando al exterior los productos de la combustión. Al finalizar esta etapa el proceso vuelve a comenzar.
En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos. En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.
Como en cualquier maquina térmica la eficiencia se calcula:
𝑛 = (^) 𝑄𝑊𝑇 𝑎𝑏𝑠
𝑎𝑏𝑠
𝒂𝒃𝒔
Dado que la absorción de calor tiene lugar en la etapa 2-3 y la cesión en la 4-1 , la ecuación se transforma a:
𝑛 = 1 − |𝑄𝑄4−12−3|
Suponiendo que la mezcla de fluidos se comporta como un gas ideal, los calores que aparecen en la ecuación anterior, ya que ambas etapas son isocóricas, vienen dados por:
𝑄2−3 = 𝑛𝐶𝑉(𝑇 3 − 𝑇 2 ) 𝑄4−1 = 𝑛𝐶𝑉(𝑇 1 − 𝑇 4 )
Como se ha visto, el ciclo de Carnot es difícilmente realizable y conlleva una serie de inconvenientes. Por eso se desarrolló otro ciclo que pudiera operar en condiciones similares, eliminando los aspectos imprácticos asociados al ciclo de Carnot.
El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera.
Ciclo de Rankine de vapor de agua
El ciclo de Rankine con vapor sobrecalentado a la entrada de la turbina es el más utilizado y el de mayor rendimiento, por lo que será el que estudiaremos.
Los procesos que intervienen son los siguientes:
1- El proceso 4-5 de expansión isentrópica del vapor en la turbina, es también reversible y adiabático, luego 𝑄 = 0. Según el primer principio de la termodinámica.
2- El proceso 5-1 de condensación isobárica del vapor en el condensador. A diferencia del ciclo de Carnot, se condensará hasta el estado de líquido saturado. De esta manera la compresión podrá ser en fase líquida, que como se ha visto, tiene la ventaja de reducir el trabajo de compresión.
3- El proceso 1-2 de compresión adiabática e isentrópica. Este proceso se realiza por completo en fase líquida, a diferencia del ciclo de Carnot que se realizaba con mezcla de líquido-vapor.
4- El proceso 2-3-4 de adición isobárica de calor en la caldera y sobrecalentador, evoluciona de la siguiente manera:
De 2-3 el agua solamente se calienta. En el ciclo ideal este proceso debe ser completamente reversible, lo que exigiría infinitas fuentes de calor a temperaturas crecientes. En la práctica real este proceso es fuertemente irreversible, ya que el agua de la caldera a 𝑇3 se mezcla con el agua impulsada por la bomba a 𝑇2. De 3-4 el agua se evapora y sobrecalienta, pero el proceso solamente es isotérmico en 3-4’. En los cuatro procesos descritos se ha supuesto que las energías cinéticas del vapor antes y después de la expansión no varían mucho, por lo tanto, se
han supuesto ∆ (𝑐 22 ) = 0. Si no fuera despreciable el incremento de energía
cinética, se deberían emplear entalpías totales.
Rendimiento térmico del ciclo Rankine
Para calcular el rendimiento térmico del ciclo de Rankine, usamos:
El calor total aportado 𝑄𝑎 será:
𝑄𝑎 = 𝑄 24 = ℎ 4 − ℎ 2
Ciclo Rankine es el proceso ideal que sirve como funcionamiento de las centrales térmicas con turbina de vapor, que actualmente producen la mayor parte de las energía eléctrica que se consume en el mundo.
La turbina es el equipo encargado de transformar energía potencial en forma de presión de vapor en energía cinética de rotación. El funcionamiento es muy sencillo: se introduce vapor a una temperatura y presión determinadas y la expansión de este vapor en el interior de la carcasa hace girar los álabes unidos a un eje rotor; a la salida de la turbina, el vapor que se introdujo tiene una presión y una temperatura inferior.
La mayor parte de la energía perdida por el vapor entre la entrada y la salida se emplea en mover el rotor, y una pequeña parte se pierde en forma de roces del vapor con partes fijas, rozamiento del eje en los cojinetes, pérdidas de calor por la carcasa en forma de radiación, conducción o convección, y fugas de vapor, internas o externas.
El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:
Admisión El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
Compresor El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.
Cámara de combustión En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isobárico B→C.
Turbina El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.
Sustituyendo la igualdad de presiones
y dividiendo la segunda por la primera, obtenemos la igualdad de proporciones
Restando la unidad a cada miembro
Intercambiando el denominador del primer miembro, con el numerador del último llegamos a
y obtenemos finalmente el rendimiento:
Aplicando de nuevo la relación de Poisson
podemos expresar el rendimiento como
con r = PB / PA la relación de presión entre la presión final y la inicial.
Se denomina Sistema termodinámico a un volumen lleno de materias cuyas magnitudes termodinámicas se desean observar, en el caso de la máquina Stirling, es el volumen de gas en un cilindro limitado por el pistón. Es un ciclo termodinámico reversible de potencia que busca obtener el máximo rendimiento. El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento de Carnot, por lo que es la mejor opción. El motor Stirling es un motor de los llamados de combustión externa o motor de aire caliente. En el proceso Stirling observamos cambios de energía en un medio gaseoso. El contenido energético de un gas está determinado por las magnitudes físicas mesurables de volumen V, presión p y temperatura T.
Funcionamiento Existen en el motor dos zonas: una fría y otra caliente. El motor cuenta con un mecanismo (desplazador) que hace que el gas (aire) pase de la zona fría a la zona caliente y luego a la zona fría nuevamente, produciéndose consecuentemente su tendencia a la expansión y su posterior contracción. Pero como estas variaciones de volumen no son posibles porque el ciclo se produce a volumen constante, se traducen en un aumento de la presión, y una posterior disminución de esta.
El ciclo Stirling está formado por: Cilindro Pistón de trabajo Pistón de desplazamiento Dividiendo el sistema en dos zonas, una zona caliente Tc y una zona fría Tf.
