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Ciclos ideales de las maquinas que usan gas.
Ciclo Otto: En las máquinas con émbolo el ciclo se desarrolla íntegramente en el cilindro de
la máquina. Primero es necesario hacer una descripción de los elementos que conforman un motor de cuatro tiempos:
- Cilindro
- Las válvulas que van a ser 2: una de admisión y otra de escape.
-La bujía: un elemento que al recibir una descarga eléctrica genera una chispa.
-El pistón que va unido a la biela. El pistón se sitúa dentro del cilindro con la biela sujeta a su parte inferior. El funcionamiento conjunto de pistón y biela permite transformar el movimiento rectilíneo en movimiento circular. Dando así vueltas al cigüeñal representado por el circulo.
El pistón (o émbolo) limita en su punto muerto interior (o superior) un volumen mínimo V 2 el cual constituye la cámara de combustión. Este es el punto más bajo que alcanza el pistón.
El punto muerto exterior (o inferior), es el punto más alto que alcanza el pistón llegando a un volumen V 1 máximo o volumen total del cilindro.
Se denomina carrera al recorrido que realiza el pistón entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior. Se denomina grado de compresión del
ciclo a la relación la cual varía normalmente entre 6,50 y 8,50.
Explicación de los cuatro tiempos del ciclo Otto.
1) Primer tiempo: Admisión o aspiración de la carga. La carga consiste en una mezcla de combustible y de aire, dicha operación se realiza mediante la abertura de la válvula de aspiración. 2) Segundo tiempo: Compresión. El pistón (con las válvulas cerradas) sube de nuevo recibiendo la mezcla un trabajo que le permite realizar una compresión adiabática AB, al final de la cual el volumen de la mezcla de aire combustible se redujo al de la cámara de combustión y la presión aumentó de 14 a 20 kg/cm^2. 3) Tercer Tiempo: Explosión y expansión: una vez llegado el pistón al punto muerto superior, la bujía hace saltar una chispa que inflama la mezcla con lo que se empuja de nuevo el pistón hacia abajo, realizándose una expansión adiabática CD hasta alcanzar el volumen máximo V 1. Aunque se denomina explosión es en realidad una inflamación a
muy alta velocidad. En esta explosión la temperatura y la presión aumentan a volumen constante. En este proceso puede considerarse que el fluido recibe Q 1 kilocalorías de la fuente caliente, por la liberación de la energía química durante el proceso de la combustión. 4) Cuarto tiempo: expulsión o escape de los productos de la combustión. Cuando el pistón vuelve a subir la válvula de escape se abre (se produce un descenso de la presión DA y se produce un enfriamiento a volumen constante en el cual se ceden Q 2 kilocalorías a la fuente fría), dejando sitio para que salgan los gases quemados de la denominada cámara de combustión.
Al final de la misma se introduce nuevamente (punto M) una mezcla de aire y combustible en condiciones similares a las iniciales lo cual permite realizar el ciclo.
Cálculo del rendimiento térmico ideal de este ciclo:
Debemos establecer primero la cantidad de calor suministrada por la fuente caliente(Q 1 ) y la cedida por la fuente fría (Q 2 ), o sea: Q 1 =cv(T 3 -T 2 ) y Q 2 =cv(T 4 -T 1 ). Entonces
La fórmula final nos expresa el valor del rendimiento térmico teórico del ciclo Otto, el que será tanto mayor cuanto mayor sea Ɛ, el valor del coeficiente k variará según el combustible usado. Este valor varía entre el 43% y el 57,5%.
Ciclo diesel: El ciclo diesel se diferencia del Otto (acá el libro habla en chino, quiso decir el
otro) en que permite obtener relaciones de compresión más elevadas (14 a 17) por cuanto la inyección del combustible se realiza con posterioridad a la compresión del aire que puede alcanzar presiones de hasta 40 kg’/cm^2 lo cual produce un aumento del rendimiento térmico.
En el primer tiempo por la válvula de aspiración se produce la admisión de una carga de aire solamente, que luego con las válvulas cerradas se comprime adiabáticamente en un segundo tiempo (compresión AB) alcanzando el aire unos 800°C. Cuando el embolo está en la posición del punto muerto superior comienza la inyección de combustible líquido, la mezcla de combustible y aire alcanza una enorme temperatura debido a que la relación de compresión es elevada y es por esta temperatura que la mezcla se autoenciende sin necesidad de recurrir a una bujía. Al generarse dicha combustión, el pistón es empujado hacia abajo realizándose una expansión adiabática CD realizando el sistema trabajo a expensas de su energía interna hasta llegar el embolo al punto muerto exterior. Se abren las válvulas de escape
3 2
2 4 1 1
T T
T T
Q
Q
nt
1-2 Compresión adiabática del aire compresor
2-3 Combustión del sistema aire – combustible en la cámara de combustión
3-4 Expansión adiabática de los productos de combustión en la turbina que produce trabajo
4-1 Transformación a presión contante es el enfriamiento de los productos de la combustión hasta reiniciar el ciclo.
Ciclo regenerativo de la turbina de gas
Como podemos ver en la figura se indica la instalación de una turbina de gas para mejorar el ciclo de Joule. En el regenerador de calor o economizador se aprovecha la temperatura de los gases para calentar el aire ya comprimido que ingresa a la cámara de combustión, siempre que T 4 >T 3. Con este dispositivo se disminuye la cantidad de calor que debe entregar la fuente caliente para realizar un ciclo de igual trabajo, y entonces aumenta el rendimiento.
Capítulo IX- Vaporizacion
Si a un líquido sometido a cierta presión “p”, se le cede calor, su temperatura aumenta hasta un valor determinado, a partir del cual comienza a vaporizarse, formándose un vapor en presencia del líquido que se llama vapor saturado.
A esta temperatura le llamamos temperatura de saturación ts la cual sólo depende de la presión
a la que esté sometido el fluido pudiendo expresarse como ts=f(p) variando la misma según la
naturaleza del líquido y pudiendo ser representada por una curva de tensión del vapor, dicha curva es ascendente por lo que si el líquido está sometido a mayor presión, mayor será la temperatura de saturación.
Si una vez alcanzada la temperatura de saturación, el fluido sigue recibiendo calor sin modificación de la presión exterior, comienza la vaporización, proceso que se realiza a temperatura constante Ts.
El vapor va perdiendo la cantidad de líquido en el presente, dándose así dos fases: Vapor saturado húmedo: aún hay líquido en presencia de su vapor. Vapor saturado seco: la última gota de líquido se transforma en vapor, perdiendo este toda su humedad.
Si llegando al estado de vapor saturado seco se le sigue aportando calor, la temperatura se eleva y se produce vapor sobrecalentado (aumentando también el volumen del vapor)
Gráficamente:
OA: calentamiento del líquido de 0°C a ts°C
AB: Proceso de vaporización a ts constante pasando del estado líquido A a vapor saturado seco en B.
BC: proceso de sobrecalentamiento del vapor, aumentando su temperatura de ts a tr.
CALORES EN LA VAPORIZACIÓN:
El calor líquido (q) es la cantidad de calor necesaria suministrar a una masa de líquido para pasar de 0 a ts°C y la misma valdrá:
Expresado en Kcal/kg. Siendo Cm el calor especifico medio del líquido entre 0 y ts°C, y el C específico verdadero
El calor latente de vaporización (r) cantidad de calor que es necesario suministrar a la unidad de masa del líquido, que está a ts°C, para transformarlo íntegramente en vapor saturado seco a la temperatura ts. La unidad de r es kcal/kg y se lo denomina latente porque en la transformación no se observa variación en la temperatura del cuerpo.
Calor de sobrecalentamiento σ cantidad de calor que es necesario suministrar a la unidad de masa del fluido para elevar la temperatura del vapor de ts a tr suponiendo la transformación a
presión constante. σ=Cp (tr - ts) en kcal/kg
Se denomina calor total de vaporización (λ) es la cantidad de calor necesario suministrar a la unidad de masa del líquido supuesto a 0°C, para transformarlo en vapor saturado seco a presión
constante. λ=q + r.
Entonces la cantidad de calor a suministrar para transformar a presión constante el líquido, partiendo de 0°C en vapor sobrecalentado a la temperatura tr es
λr=q + r + σ= λ+ Cp (tr - ts).
VOLUMEN DEL VAPOR SATURADO SECO
Designamos: “Vo” el volumen específico del líquido a 0°C. “ΔVo” el incremento del volumen del líquido al pasar de 0 a Ts °C. y “u” el incremento de volumen durante la vaporización AB. Por lo tanto el
volumen del vapor saturado seco es: V= Vo + Δ Vo + u
Curvas de Título: Se obtienen dividiendo las rectas AiBi para cada presión en partes iguales Un vapor de título 0 representa el estado líquido, mientras que un título 1 el estado de vapor saturado seco Título de un vapor : Relación existente entre el aumento de volumen durante la vaporización y el aumento que correspondería al vapor saturado seco a la misma presión.
Entalpía del líquido y del vapor
Recordando un poco… Entalpía: expresa la medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno.
Su función es y es una función de estado ya que depende de U, p y v.
Ahora bien, observando el grafico a continuación podemos saber que el volumen del líquido es: y el del vapor saturado seco vale: v +u U 0 y i’=q y i=λ.
i=i’+r es decir que la entalpía del vapor saturado seco es igual a la entalpía del líquido más el calor de vaporización r.
Vapor húmedo: Está formado por dos fases: una es el líquido y otra el vapor saturado.
Conocidos p y ts y recordando el título de un vapor que era representa el
aumento de volumen durante la vaporización parcial. (Δv 0 ) entonces el volumen específico
será: Vx = V’ + u.x Vx = v’ + (V-V’).X (la diferencia de V - V¨ de tablas) Vx = V’ + X.V – X.V’=
Vx=X.V + (1-X).V’ entonces podemos decir por esta formula que el titulo de un vapor nos indica que en un kilogramo de vapor húmedo hay x kilogramos de vapor saturado seco y 1-x kg de liquido. Con este criterio la entalpía de vapor húmedo será: ix= i.x + i’(1-X) = i’+ (i – i’). X y teniendo el cuenta que i=i’+r r=i-i’ ix=i’+x.r. Por lo que la entalpia del vapor húmedo es igual a la entalpía del líquido más el producto del título del vapor por el calor latente de vaporización.
Vapor sobrecalentado: Es un vapor cuya temperatura
es mayor que la de saturación que correspondería a la de presión en que se encuentra.
BC: sobrecalentamiento de vapor entre Ts y Tr. La cantidad de calor que debe suministrarse para producir el calentamiento BC a presión constante es σ = Cp (tr-ts). Por tratarse de una transformación a presión constante, la entalpía de vapor sobrecalentado será ir=i+ Cp (tr-ts). Ó
λr=q + r + σ= λ+ Cp (tr - ts). El vapor sobrecalentado se comporta como un fluído real, por ello, para relacionar la presión con el volumen y la temperatura deben emplearse ecuaciones de estado.
Determinación de la humedad de un vapor. Calorímetro de estrangulación.
La estrangulación o laminado de un fluido es una transformación que se produce cuando se realiza una brusca reducción de la sección de la vena de fluido. Como consecuencia hay una caída de presión de p1 a p efectuando el fluido un trabajo contra la menor presión sin cambios de calor con el medio exterior. Este proceso se realiza mediante la fórmula i1=i2 que establece que la entalpia final e inicial son iguales.
Con la ayuda de un calorímetro de estrangulación. se puede determinar el titulo de un vapor húmedo de la siguiente manera: conectamos el calorímetro al conducto de vapor mediante un trozo de tubería, permitiendo el paso del fluído mediante la llave R. Antes de entrar al calorímetro el vapor se estrangula pasando por un orificio de pequeño espesor y entonces en el calorímetro podemos leer la pr y tr del vapor estrangulado el cual generalmente a disminuir su presión y aumentar su volumen pasa a un estado sobrecalentado.
Como conocemos la presión existente en el conducto de vapor, podemos calcular el titulo x considerando que las entalpias eran iguales.
A una presión p la entalpia antes de estrangulación es: ix=i 1 ’+x.r 1 siendo nuestra incógnita la x. Sabemos que para luego de la estrangulación ir=i 2 + Cp (tr-ts2). Siendo todos los valores del
