ciclos de potencia otto y bryton

7/25/2019 Ciclos de Potencia Otto y Bryton

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CICLOS DE POTENCIA DE GAS OTTO Y BRAYTON

1.- Ciclos de aire estndar

Para empezar a estudiar los dos ciclos de potencia de gas Otto y Brayton, debemos dar un vistazoa lo que son los ciclos de aire estndar, ya que la idealizacin de los dos ciclos a investigar, usan el

aire como un luido de traba!o en todo el ciclo "ciclos ideales#.

$os ciclos de aire estndar, son aquellos ciclos en los que el luido de traba!o, permanece enestado gaseoso durante todo el ciclo. %n ciclos reales de potencia de gas, el luido esencialmentees aire ms los productos de combustin como CO& y vapor de agua.

'ado que el gas es en su mayor(a solo aire, el ciclo se idealiza usando un ciclo de aire estndar.$as apro)imaciones de este ciclo son las siguientes*

- +luido de traba!o es el aire en todo el ciclo.- %l proceso de combustin se sustituye por la transerencia de calor desde una uente

e)terna.

- %l proceso de transerencia de calor acia el entrono se usa para llevar al luido en suestado inicial.

no de los ciclos ms comunes de aire estndar es el CC$O '% C/0O2 que contiene lassiguientes caracter(sticas.

Fig. 1.- Diagramas del Ciclo de Carnot para aire estndar.

Para un ciclo de potencia con aire estndar, estos son los equipos necesarios*

Fig. 2.- Equipos del ciclo de aire estndar


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&.- %$ CC$O O22O CO /0% %324'/0

/ntes de comenzar con la e)plicacin de este ciclo, veremos primeramente el dispositivo que esaplicable en este ciclo que es el Cilindro 5 6mbolo.

Fig. 3.- Dispositivo Cilindro - mbolo

%n un cilindro, el calibre del 7mbolo es el dimetro y la distancia que recorre el 7mbolo, es lacarrera.

Cuando el 7mbolo se a desplazado asta quedar en una posicin, tal que queda un volumenm(nimo, se llama punto de volumen muerto superior "P83# y cuando ocupa el m)imo volumen sedenomina, punto muerto inerior "P8#.

%l volumen desplazado por el 7mbolo al recorrer una carrera, se denomina una cilindrada.

$a relacin de compresin de 7ste dispositivo est dada por*

0 9 :pms ; :pmi o 0 9 ":muerto < Cilindrada# ; :muerto

Otro t7rmino importante en este dispositivo, es la Presin 8edia %ectiva "P8%#, que se deinecomo la presin media que actuar(a sobre el 7mbolo durante la carrera de potencia, o acia el

e)terior produciendo el mismo traba!o de salida que el traba!o neto de salida del proceso de cicloreal.

P8% 9 = neto ; ":ma) - :min#

na vez conocido el dispositivo que act>a en este ciclo, pasaremos a la deinicin del ciclo Otto.

&.1.- %$ CC$O O22O

%l ciclo de Otto es el ciclo ideal para las mquinas reciprocantes de encendido por cispa. %n lasmquinas de encendido por cispa el 7mbolo e!ecuta cuatro tiempos completos "dos ciclosmecnicos# dentro del cilindro, y el cig?e@al completa dos revoluciones por cada ciclotermodinmico.

6ste ciclo representa a las mquinas de combustin interna de cuatro tiempos.


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Fig. 4.- Diagrama termodinmico esquema de dispositivo para un Ciclo !tto "eal.

&.&.- CC$O O22O 0%/$

%l uncionamiento del ciclo empieza cuando tanto la vlvula de admisin como la de escape, estncerradas y el 7mbolo est en su posicin ms ba!a. 'urante la carrera de compresin el 7mbolo semueve acia arriba y comprime la mezcla de aire y combustible. n poco antes de que el 7mbolollegue a su posicin ms ba!a "P83#, la bu!(a produce una cispa y la mezcla se enciende, con locual aumenta la presin y la temperatura del sistema. $os gases de alta presin impulsan al7mbolo acia aba!o, el cual a su vez, obliga a rotar al cig?e@al, lo cual produce una salida detraba!o >til durante la carrera de e)pansin o de potencia. /l inal de 7sta carrera, el 7mbolo seencuentra en su posicin ms ba!a "P8# donde termina el primer ciclo mecnico y el cilindro sellena con los productos de la combustin. 'espu7s el 7mbolo se mueve acia arriba una vez ms yevac>a los gases de escape por la vlvula de escape. 'esciende una vez ms, e)trayendo unamezcla resca de aire y combustible a trav7s de la vlvula de admisin y realiza un segundo ciclomecnico. 'ebemos notar, que la presin de escape est un poco ms elevada a la Patm durante

el escape y un poco ms aba!o durante la carrera de admisin.

&.A.- CC$O O22O '%/$

Para poder estudiar con ms acilidad el ciclo real de cuatro tiempos, se usa el Ciclo deOtto deal. 6ste ciclo se descompone en cuatro procesos reversibles internamente.

1 5 & Compresin isoentrpica

& 5 A /dicin de calor a volumen constante

A 5 %)pansin isoentrpica

5 1 0ecazo de calor a volumen constante

%ste ciclo se e!ecuta en un sistema cerrado y sin tomar en cuentaenerg(a cin7tica ni potencial.

Fig. #.- Diagrama Ciclo otto ideal


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%l balance de energ(as de 7ste ciclo va de la siguiente manera*

"q entrada 5 q salida# < " entrada 5 salida# 9 Du

Como no ay traba!o en los procesos de transerencia de calor, por lo tanto*

q entrada 9 uA 5 u& 9 Cv "2A 5 2

q salida 9 u 5 u1 9 Cv "2 5 21#

donde*

termico Otto= Wneto

qentrada=1

qsalida

q entrada=1

T4 T1

T3T2=1

T1(T4

T11)

T2(T3

T21)

$os procesos 1 5 & y A 5 son isoentrpicos y :&9:A y :9:1 por lo tanto

T1

T2=(

V2

V1)k1

=(V3

V4)k1

=T4

T3 3ustituyendo en la ecuacin de rendimiento t7rmico

obtenemos*

termicoOtto=1 1

rk1

'onde res la relacin de compresin r=vmax

vmin=

v 1

v 2

E $es la relacin de calores espec(icos $9 cp%cv

A.- %$ CC$O B0/E2O* CC$O '%/$ P/0/ 8O2O0%3 '% 20B/ '% F/3.

$as turbinas de gas generalmente operan en un ciclo abierto. 3e introduce aire resco en lascondiciones ambiente dentro del compresor donde su P y 2 se eleva. %l aire a alta presin sigueacia la cmara de combustin, donde el combustible se quema a una presin constante. $osgases a alta presin entran a la turbina donde se e)panden asta la presin atmos7rica, donde se

e)pulsa acia auera.


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Fig. &.- Esquema Ciclo 'raton ideal abierto

%l ciclo de Brayton, tambi7n puede modelarse como un ciclo cerrado empleando suposiciones deaire estndar

Fig. (.- Esquema Ciclo 'raton ideal cerrado

%l ciclo Brayton ideal est integrado por cuatro procesos internamente reversibles.

1 5 & Compresin soentrpica "en un compresor#

& 5 A /dicin de Calor a presin constante

A 5 %)pansin isoentrpica "%n una 2urbina#

5 1 0ecazo de calor a presin constante.

'ebemos observar que 7stos cuatro procesos del ciclode Brayton deal, se e!ecutan en dispositivos de lu!oestable, por lo tanto deben analizarse como procesos de

lu!o estable. Cuando los cambios de energ(a cin7tica ypotencial son insigniicantes, el balance de energ(as quedacomo*

"q entrada 5 q salida# < " entrada 5 salida# 9 D

Por lo tanto, las transerencias de calor acia y desde elFig. ).- Diagramas Ciclo 'raton luido de traba!o son*


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q entrada 9 A 5 & 9 Cp "2A 5 2

q salida 9 5 1 9 Cp "2 5 21#

%ntonces la eiciencia t7rmica de ciclo de Brayton, se analiza de la siguiente manera.

termicoBrayton= Wneto

qentrada=1

qsalida

q entrada=1

cp(T4 T1)cp(T3T2)

=1T1(T

4

T11)

T2(T3

T21)

$os procesos 1 5 & y A 5 son isoentrpicos, por lo que P& 9 PA y P 9 P1. Por lo tanto*

T2

T1=(

P2

P1)(k1)/k

=(P 3

P4)(k1)/k

=T3

T4

/l sustituir 7stas ecuaciones en la relacin de eiciencia t7rmica, tenemos que*

termicoBrayton=1 1

rp(k1)/ k

'onde rpes la relacin de presiones rp=P2

P1

E $ es la relacin de calores espec(icos $9 cp%cv.

$as dos principales aplicaciones de las turbinas de gas, son la propulsin de aviones y lageneracin de energ(a el7ctrica. Cuando se emplea en propulsin de aviones, la turbina de gasproduce la potencia suiciente para accionar tanto al compresor como a un peque@o generador quea su vez, acciona al equipo au)iliar. $os gases de escape de alta velocidad son los responsablesde producir el empu!e necesario para impulsar la aeronave.

Fig. *.- Esquema +urbina de motor ,et eemplo de aplicaci/n de Ciclo 'raton en 0eronutica


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.- 2/B$/3 CO8P/0/2:/3

CC$O O22O CC$O B0/E2O

+luido de traba!o /ire /ire

Principio deuncionamiento

Ciclos mecnicos a trav7s dedispositivo cilindro 7mbolo.

1 5 & Compresin isoentrpica

& 5 A /dicin de calor a volumenconstante

A 5 %)pansin isoentrpica

5 1 0ecazo de calor a volumenconstante

Ciclo abierto de aire* entrada,compresin, combustin y escape.

1 5 & Compresin soentrpica "enun compresor#

& 5 A /dicin de Calor a presinconstante

A 5 %)pansin isoentrpica "%nuna 2urbina#

5 1 0ecazo de calor a presinconstante.

+rmulas deanlisis

q entrada 9 uA 5 u& 9 Cv "2A 5 2

q salida 9 u 5 u1 9 Cv "2 5 21#

T1

T2=(

V2

V1)k1

=(V3

V4)k1

=T4

T3

termicoOtto=1 1

rk1

r=vmax

vmin=

v 1

v 2

q entrada 9 A 5 & 9 Cp "2A 5 2

q salida 9 5 1 9 Cp "2 5 21#

T2

T1=(P 2P1 )

k1k =(P 3P4 )

k1k =

T3

T4

termico Brayton=1 1

rp(k1)/ k

rp=P2

P1

'iagramas decomportamiento


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Consideracionesespeciales

Puede introducirse me!oras comoregeneraciones, interenriamientos y

recalentamientos para me!orar elrendimiento de la turbina

Campos deaplicacin

8otores a cuatro tiempos deencendido por cispa

2urbinas de gas, para aeronutica,nutica y para la generacin el7ctrica.

G.- BB$OF0/+H/

o Yungus y Cengel. TERMODINMICA Editorial McGraw Hill 5 Edicin, USA !!"o #ic$ads y %ar&s. TERMODINMICA Editorial McGraw Hill " Edicin, USA !!'o %ylen, ()an.Fundamentals of Classical Thermodynamics Editorial *i+usa Edicin '-!

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