OBJETIVOS: Presentar la nomenclatura y la capacidad de resolucin de los ciclos gaseosos de potencia ms importantes. Analizar el ciclo de refrigeracin con gas.

En este captulo se incluyen las turbinas de gas y los motores de combustin interna de encendido por chispa y encendido por compresin. Aunque la mayora de las turbinas son tambin motores de combustin interna, este nombre se aplica generalmente a los motores de combustin interna alternativos del tipo comnmente usado en automviles, camiones y autobuses. Estos sistemas difieren de las centrales trmicas consideradas hasta ahora por que los procesos ocurren dentro de un cilindro-pistn alternativo y no en una serie de componentes diferentes interconectados.

La figura 8.1 representa un motor de combustin interna alternativo constituido por un pistn que se mueve dentro de un cilindro provisto de dos vlvulas.El calibre del cilindro es el dimetro. La carrera es la distancia que recorre el pistn en una direccin. Se dice que el pistn est en el punto muerto superior (PMS) cuando se ha desplazado hasta una posicin en la que el volumen del cilindro es mnimo, est en el punto muerto inferior (PMI). El volumen desplazado por el pistn cuando se mueve desde el PMS hasta el PMI se llama cilindrada.

Las idealizaciones y simplificaciones empleadas comnmente en el anlisis de los ciclos de potencia, pueden resumirse del siguiente modo:El ciclo no implica ninguna friccin. Por lo tanto el fluido de trabajo no experimenta ninguna cada de presin cuando fluye en tuberas o dispositivos como los intercambiadores de calor.Todos los procesos de expansin y compresin ocurren en la forma de cuasiequilibrio.Las tuberas que conectan a los diferentes componentes de un sistema estn muy bien aisladas y la transferencia de calor a travs de ellas es insignificante.

Los ciclos de potencia de gases reales son bastante complejos. Para reducir el anlisis a un nivel manejable, se utilizan las siguientes aproximaciones, conocidas comnmente como suposiciones de aire estndar:El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y siempre se comporta como un gas ideal.Todos los proceso que integran el ciclo son internamente reversibles.El proceso de combustin es sustituido por un proceso de adicin de calor desde una fuente externa.El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial.

El ciclo de Otto es el ciclo ideal para las mquinas reciprocantes de encendido por chispa. Recibe ese nombre en honor a Nikolaus A. Otto, quien en 1876, en Alemania, construy una exitosa mquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo propuesto por Frenchman Beau de Rochas en 1862.

El ciclo Otto consta de cuatro procesos internamente reversibles y en serie.Proceso 1-2 es una compresin isoentrpica del aire, cuando el pistn evoluciona desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior.Proceso 2-3, el aire absorbe calor a volumen constante, desde una fuente externa, mientras el pistn est en el punto muerto superior. Este proceso representa la ignicin de la mezcla aire combustible y la combustin rpida consiguiente.Proceso 3-4, es una expansin isentrpica (carrera de trabajo) Proceso 4-1, a volumen constante, en el cual el aire cede calor mientras el pistn est en el PMI.

El ciclo Diesel de aire-estndar es un ciclo ideal que supone que la absorcin de calor ocurre durante un proceso a presin constante que empieza cuando el pistn est en el punto muerto superior. El ciclo Diesel consta de cuatro procesos internamente reversibles en serie.1-2 proceso de compresin isentrpica.2-3 proceso a presin constante, primera parte de la carrera de trabajo.3-4 proceso de expansin isentrpica, es la carrera de trabajo.4-1 proceso a vol. Constante en el que se cede el calor desde el aire cuando el pistn esta en el punto muerto inferior.

Expresiones del ciclo Diesel:W12=m(u2-u1)W23=m*p(v3-v2)Q1=m(h3-h2)

W34=m(u4-u3)

Q2=m(u1-u4)

El ciclo de aire-estndar que mas se aproxima a las variaciones de presin reales es el ciclo Dual de aire-estndar.Proceso 1-2, es una compresin isentrpica.Proceso 2-3, es una absorcin de calor a volumen constante Proceso 3-4 es una absorcin de calora presin constante.Proceso 4-5, es la expansin isentrpica y el final de carrera de trabajo.Proceso 5-1, se completa el ciclo con una cesin de calor a volumen constante.

Las expresiones adecuadas para el ciclo Dual son:W12=m(u2-u1)Q23=m(u3-u2)W34=m*p(v4-v3)Q34=m(h4-h3)W45=m(u4-u5)Q51=m(u5-u1)El rendimiento trmico es:

Las turbinas de gas pueden operar como sistemas abiertos o cerrados.Una idealizacin, utilizada a veces en el estudio de centrales trmicas de turbinas de gas de tipo abierto, es el anlisis aire-estndar. En el anlisis aire-estndar se realiza dos suposiciones: (1) el fluido de trabajo es aire, que se comporta como gas ideal, y (2) La elevacin de temperatura que debe conseguirse por la combustin interna se produce una transferencia de calor de una fuente externa.

Una representacin simplificada de los estados por los que pasa el aire en dicho ciclo, se consigue al suponer que los gases que salen de la turbina vuelven al compresor pasando a travs de un intercambiador de calor donde se realiza la cesin de calor al medio ambiente.Si se ignoran las irreversibilidades que ocurren cuando el aire circula a travs de los componentes del ciclo Brayton, no habr prdidas de presin por rozamiento y el aire fluir a presin constante a travs de los intercambiadores de calor, si se desprecian tambin las transferencias de calor al ambiente, los procesos alo largo de la turbina y compresor sern isentrpicos.

El gas que abandona la turbina tiene una temperatura bastante mayor que la temperatura ambiente. Consecuentemente, este gas caliente que escapa de la turbina tiene una utilidad potencial que se pierde cuando se descarga directamente al ambiente. Un modo de utilizar este potencial es por medio de in intercambiador de calor llamado regenerador.

Otro ciclo que emplea un regenerador, es el ciclo Stirling mostrado en los diagramas p-v y T-S de la figura-9. El ciclo consta de cuatro procesos internamente reversibles en serie: compresin isoterma desde el estado 1 a 2 a temperatura Tf, calentamiento a volumen constante desde el estado 2 a 3, expansin isoterma desde el estado 3 al 4 a temperatura Tc y enfriamiento a volumen constante desde el estado 4 al 1 para completar el ciclo.

Si la circulacin del gas se invierte en el ciclo Brayton, el gas experimenta un proceso de expansin isentrpica cuando pasa por la turbina, resultando en una reduccin importante de temperatura. El gas con baja temperatura de salida de la turbina se puede usar para refrigerar un espacio a una temperatura menor.