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UNEFM

POR ING GELYS GUANIPA

ULT MODIF: Junio del 2009

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 aplicacionesmodernos motores de automóviles, camiones y turbinas de gas son ejemplos de aplicaciones

extremadamente útiles.

Los dispositivos o sistemas empleados en producir una salida de potencia neta reciben el nombre de

máquinas, las cuales se clasifican en máquinas de combustión interna y externa, dependiendo de cómo se

suministre el calor al fluido de trabajo. El presente tema se enfocará la atención sobre los motores de

combustión interna, específicamente aquellos que funcionan bajo el ciclo Otto , Diesel y Dual.p q q j y

Diseñado por: Ing Gelys Guanipa R

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 ibl4. 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).

KKKJ

RlbBtuCP ∗

⇒∗

= 005,1º

24,0

4,1.. === kCteCCteC VP•

KKgKJ

RlbmBtuC

KKgRlbm

V ∗⇒

∗=

∗∗

718,0º

17,0

º

Cp: Capacidad especifica a presión constante.

Cv: Capacidad especifica a volumen constante.


Cv: Capac dad espec ca a vo u e co s a e.

CAMBIOS DE ENTROPIA DE GASES IDEALESAl sustituir y , el cambio diferencial de entropía de un gas ideal se vuelve:dTcdu V= vRTP =y p gV

vdvR

TdTcds V +=

( )∫ +=−2

11

212 ln

vvR

TdTTcss V

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

y obteniendo:dTcdh p= pRTv =

( )∫ −=−2

11

212 ln

ppR

TdTTcss p


CAMBIOS DE ENTROPIA DE GASES IDEALESPara calores específicos constantes:p

promedioVc ,1

2

1

2,12 lnln

vvR

TTcss prov +=−

promediopc ,

se tiene:

22,12

11

lnlnppR

TTcss prop −=−

11 pT

Por unidad de mol:

1

2

1

2,12 lnln

vvR

TTcss uprov +=−

Por unidad de mol:

1

2

1

2,12

11

lnlnppR

TTcss uprop −=−


11 pT

PROCESO ISOENTROPICO DE GASES IDEALES

1

2

1

2

1

2

1

2,12 lnlnlnln

vv

cR

TT

vvR

TTcss

Vprov −=⇒+=−

1/ −

⎟⎞

⎜⎛

⎟⎞

⎜⎛

⎟⎞

⎜⎛

kcRvTvT V

2

1

1

2

2

1

1

2 lnln=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⇒⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

consts vv

TT

vv

TT

1−= kcR vVpVp cckccR =−= , v

pc

( ) kk 1−⎞⎛⎞⎛

VpVp

Para el caso de constante se tiene:

( )

constsprop p

pTT

ppR

TTcss

1

2

1

2

1

2

1

2,12 lnln

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⇒−=−

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

kvp

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ 12


consts vp ⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ = 21

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

consts vv

TT

( ) kkpT

1

22

−

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

consts pT 11 =⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

k⎞⎛⎞⎛

k

consts vv

pp

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

= 2

1

1

2


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.

KKK

KK

K

VVPPTTT−−

−−

⎟⎞

⎜⎛

⎟⎞

⎜⎛

⎟⎞

⎜⎛

⎟⎞

⎜⎛

⎟⎞

⎜⎛

1111


A

BCarnot V

VVV

PP

PP

TT

TT

TT

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⇒⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⇒⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=−=−=

2

3

1

4

3

2

4

1

2

3

3

4 1111111η

DISPOSITIVOS ALTERNATIVOSDISPOSITIVOS 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

máximo sobre el volumen mínimomáximo sobre el volumen mínimo.


DISPOSITIVOS ALTERNATIVOSDISPOSITIVOS 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 ltrabajo neto de salida del proceso cíclico real.

vwPME neto=

Esta puede determinarse con la siguiente ecuación:

qqwDonde

v

salentneto

d

−=

21 vvvd −=


CICLO OTTOCICLO OTTO

El ciclo Otto es 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.

La variación de presión con respecto al volumen se muestra en el siguiente diagrama:



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 la2. (Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la

mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la

bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El

pistón se desplaza hacia abajo, realizando la carrera de Potencia, hasta que se

descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen

por ese orificio.Diseñado por: Ing Gelys Guanipa R


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 ilmientras 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

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

motosierras), ya que es más barato y sencillo de construir.



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 PMSFase 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 laenergía 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,

expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando

preparado para empezar un nuevo ciclo.


CICLO OTTOCICLO OTTOECUACIONES A UTILIZAR

Para aire estándar frío( )

( )1414

2323

TTcuuq

TTcuuq

vced

vsum

−=−=

−=−=

( ) ( )( ) 1/

1/11

23

14

2

1

23

14

23

1423,

−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−

−=−

−−−==

TTTT

TT

TTTT

TTCTTCTTC

qw

V

VV

sum

salnettη ( ) 2322323 ⎠⎝q Vsum

Isoentrópicamente se tiene que y entonces:32 VV =41 VV =111 −−−

⎞⎛⎞⎛⎞⎛KKK

VVTVT

2

1

3

4

4

3

2

1

1

2⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VV

VV

TT

VV

TT

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

1

1

1

2

2

1,

1111 −

−

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=−= K

K

OttoT rVV

TT

η

2

1

2

1

vv

VVr =≡


EFICIENCIA DE UN CICLO OTTOEFICIENCIA DE UN CICLO OTTO

En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende de la relaciónEn 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 leficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la

cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.



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?

¿Cuál es el rango medio de eficiencia de un buen motor Otto ?

CICLO DIESELCICLO DIESEL

Los motores que operan bajo este ciclo se conocen como Motores de Encendido por Compresión. Este difiere del cicloLos 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.

4-1 Cesión de calor a volumen constante.



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 lnecesaria una mayor robustez, y los motores diésel son, por

lo general, más pesados que los motores Otto. Esta

desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho

de utilizar combustibles más baratos.



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 calientecontacto, cuando el combustible se inyecta dentro de esta aire caliente.



ECUACIONES A UTILIZAR

( )23 TTCq PSum −= ( )14 TTCq VCed −=

( ) ( )( ) ( )23

14

23

1423, 1

TTKTT

TTCTTCTTC

qqq

P

VP

sum

CedsumDieselt −

−−=

−−−−

=−

=η

( )⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡−−

−= − 1111 1,

c

kc

kDieselt rkr

rη

2

3

2

3

vv

VV

rC =≡

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:

22 vV

D dv

wPMEd

neto=

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

21 vvvqqw

Donde

d

salentneto

−=−=



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?

¿Quien tiene mayor eficiencia el motor Diesel o el motor Otto?


CICLO CICLO DUALDUAL

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 iócombinación 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:

Procesos que difieren de los demás ciclos:

2-X: Adición de calor a volumen constante.


2 X: Adición de calor a volumen constante.X-3: Adición de calor a presión constante.

CICLO CICLO DUALDUAL

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 )()(( ) ( ) ( ) ( )xxxx

Dualt TTkTTTT

TTCpTTCvTTCv

−+−−

−=−+−

−−=

32

14

32

14,

)(1)(1η

Sea:r= V1 / V2 = relación de compresión1 2 prc = V3 / Vx = V3 / V2 = relación de combustiónrp,v = PX / P2 = P3 / P2 = relación de presiónSustituyendo estas relaciones en la ec uación de la eficiencia nos queda:

⎥⎤

⎢⎡ − 111

kcvp rr


⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ −+−

−= − 1)1.(.1

,,

.,1,

vpcvp

cvpkDualt rrrkr

η

BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIA

TEXTOS:

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

TEXTOS:

•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

ELECTONICA:

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

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

ELECTONICA:

www.motoresdecombustioninterna/wikipedia.orgwww.motoresdecombustioninterna/wikipedia.org

No hay nada más práctico que una buena teoría

L. BoltzmannDiseñado por: Ing Gelys Guanipa R

guia ciclo cerrados - termoaplicadaunefm's blog · pdf fileambas se realizan mediante...

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