UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICOFACULTAD DE INGENIERA

LABORATORIO DE MAQUINAS TRMICAS

Resumen: Captulo 9 Ciclos de potencia de gas

NOMBRE DEL PROFESORING. Sonia Luisa Lpez MaldonadoALUMNOVenegas de la Rosa Miguel EduardoGRUPO 24

9.1 Consideraciones bsicas para el anlisis de los ciclos de potencia.Los ciclos que se llevan a cabo en los dispositivos reales son difciles de analizar debido a la presencia de efectos complicados, como la friccin y la falta de tiempo suficiente para establecer las condiciones de equilibrio durante el ciclo. Cuando al ciclo real se le eliminan todas las irreversibilidades y complejidades internas, se consigue finalmente un ciclo que se parece en gran medida al real pero que est formado en su totalidad de procesos internamente reversibles. Tal ciclo es llamado un ciclo ideal.Las mquinas trmicas se disean con el propsito de convertir energa trmica en trabajo y su desempeo se expresa en trminos de la eficiencia trmica que es la relacin entre el trabajo neto producido por la mquina y la entrada de calor total:

Las mquinas trmicas operadas en un ciclo totalmente reversible, como el ciclo de Carnot, tienen la eficiencia trmica ms alta de todas las mquinas trmicas que operan entre los mismos niveles de temperatura. Es decir, nadie puede desarrollar un ciclo ms eficiente que el ciclo de Carnot.Los ciclos ideales son internamente reversibles, pero, a diferencia del ciclo de Carnot, no son de manera necesaria externamente reversibles. Esto es, pueden incluir irreversibilidades externas al sistema como la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura. Entonces, la eficiencia trmica de un ciclo ideal, en general, es menor que la de un ciclo totalmente reversible que opera entre los mismos lmites de temperatura.Las idealizaciones y simplificaciones empleadas comnmente en el anlisis de los ciclos de potencia, pueden resumirse del siguiente modo: 1. 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. 2. Todos los procesos de expansin y compresin ocurren en la forma de cuasiequilibrio. 3. 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.

9-2 EL CICLO DE CARNOT Y SU VALOR EN INGENIERAEl ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos totalmente reversibles: adicin de calor isotrmica, expansin isentrpica, rechazo de calor isotrmico y compresin isentrpica.

Su eficiencia trmica se expresa como:

La transferencia de calor isotrmica reversible es muy difcil de lograr en la prctica porque requerira intercambiadores de calor muy grandes y necesitara mucho tiempo. Por lo tanto, no es prctico construir una mquina que opere en un ciclo que se aproxima en gran medida al de Carnot.La eficiencia trmica aumenta con un incremento en la temperatura promedio a la cual se suministra calor hacia el sistema o con una disminucin en la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza del sistema.9-3 SUPOSICIONES DE AIRE ESTNDARLos motores de encendido por chispa, los motores diesel y las turbinas de gas convencionales son ejemplos comunes de dispositivos que operan en un ciclo de gas. En todas estas mquinas la energa se suministra al quemar un combustible dentro de las fronteras del sistema, es decir, son mquinas de combustin interna. Debido a este proceso de combustin la composicin del fluido de trabajo cambia durante el curso del ciclo de aire y combustible a productos de la combustin.Para reducir el anlisis a un nivel manejable, se utilizan las siguientes aproximaciones, conocidas comnmente como suposiciones de aire estndar: 1. El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y siempre se comporta como un gas ideal. 2. Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles. 3. El proceso de combustin es sustituido por un proceso de adicin de calor desde una fuente externa (Fig. 9-9). 4. El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial.9-4 BREVE PANORAMA DE LAS MQUINAS RECIPROCANTESEl mbolo reciprocante en el cilindro se alterna entre dos posiciones fijas llamadas punto muerto superior (PMS) la posicin del mbolo cuando se forma el menor volumen en el cilindro y punto muerto inferior (PMI) la posicin del mbolo cuando se forma el volumen ms grande en el cilindro. La distancia entre el PMS y el PMI es la ms larga que el mbolo puede recorrer en una direccin y recibe el nombre de carrera del motor. El dimetro del pistn se llama calibre. El aire o una mezcla de aire y combustible se introducen al cilindro por la vlvula de admisin, y los productos de combustin se expelen del cilindro por la vlvula de escape. El volumen mnimo formado en el cilindro cuando el mbolo est en el PMS se denomina volumen de espacio libre (Fig. 9-11). El volumen desplazado por el mbolo cuando se mueve entre el PMS y el PMI se llama volumen de desplazamiento. La relacin entre el mximo volumen formado en el cilindro y el volumen mnimo (espacio libre) recibe el nombre de relacin de compresin r del motor:

Otro trmino empleado en las mquinas reciprocantes es la presin media efectiva (PME), una presin ficticia que, si actuara sobre el mbolo durante toda la carrera de potencia, producira la misma cantidad de trabajo neto que el producido durante el ciclo real. Es decir: Wneto = PME rea del mbolo carrera = PME volumen de desplazamiento

La presin media efectiva puede ser usada como parmetro para comparar el desempeo de mquinas reciprocantes de igual tamao. La mquina que tiene un valor mayor de PME entregar ms trabajo neto por ciclo y por lo tanto se desempear mejor.Las mquinas reciprocantes se clasifican como mquinas de encendido (ignicin) por chispa (ECH) o mquinas de encendido (ignicin) por compresin (ECOM), segn como se inicie el proceso de combustin en el cilindro. En las mquinas ECH, la combustin de la mezcla de aire y combustible se inicia con una chispa en la buja, mientras que en las ECOM la mezcla de aire y combustible se autoenciende como resultado de comprimirla arriba de su temperatura de autoencendido.9-5 CICLO DE OTTO: EL CICLO IDEAL PARA LAS MQUINAS DE ENCENDIDO POR CHISPAEl 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 el francs Beau de Rochas en 1862. En la mayora de las mquinas de encendido por chispa el mbolo ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecnicos) dentro del cilindro, y el cigeal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinmico. Estas mquinas son llamadas mquinas de combustin interna de cuatro tiempos.Inicialmente, tanto la vlvula de admisin como la de escape estn cerradas y el mbolo se encuentra en su posicin ms baja (PMI). Durante la carrera de compresin, el mbolo se mueve hacia arriba y comprime la mezcla de aire y combustible. Un poco antes de que el mbolo alcance su posicin ms alta (PMS), la buja produce una chispa y la mezcla se enciende, con lo cual aumenta la presin y la temperatura del sistema. Los gases de alta presin impulsan al mbolo hacia abajo, el cual a su vez obliga a rotar al cigeal, lo que produce una salida de trabajo til durante la carrera de expansin o carrera de potencia. Al final de esta carrera, el mbolo se encuentra en su posicin ms baja (la terminacin del primer ciclo mecnico) y el cilindro se llena con los productos de la combustin. Despus el mbolo se mueve hacia arriba una vez ms y evacua los gases de escape por la vlvula de escape (carrera de escape), para descender por segunda vez extrayendo una mezcla fresca de aire y combustible a travs de la vlvula de admisin (carrera de admisin). Observe que la presin en el cilindro est un poco arriba del valor atmosfrico durante la carrera de escape y un poco abajo durante la carrera de admisin.En las mquinas de dos tiempos, las cuatro funciones descritas anteriormente se ejecutan slo en dos tiempos: el de potencia y el de compresin. En estas mquinas el crter se sella y el movimiento hacia fuera del mbolo se emplea para presurizar ligeramente la mezcla de aire y combustible en el crter.Las mquinas de dos tiempos son generalmente menos eficientes que sus contrapartes de cuatro tiempos, debido a la expulsin incompleta de los gases de escape y la expulsin parcial de la mezcla fresca de aire y combustible con los gases de escape. Sin embargo, son ms sencillas y econmicas y tienen altas relaciones entre potencia y peso as como entre potencia y volumen, lo cual las hace ms adecuadas en aplicaciones que requieren tamao y peso pequeos como motocicletas, sierras de cadena y podadoras de pasto

1Funcionamiento de motor de 4 tiempos

2Diagrama esquemtico de un motor reciprocante de dos tiempos.El anlisis termodinmico de los ciclos reales de cuatro y dos tiempos antes descritos no es una tarea simple. Sin embargo, el anlisis puede simplificarse de manera significativa si se utilizan las suposiciones de aire estndar, ya que el ciclo que resulta y que es parecido a las condiciones de operacin reales es el ciclo de Otto ideal, el cual se compone de cuatro procesos reversibles internamente: 1-2 Compresin isentrpica 2-3 Adicin de calor a volumen constante 3-4 Expansin isentrpica 4-1 Rechazo de calor a volumen constante

3Diagrama T-S del ciclo ottoEl ciclo de Otto se ejecuta en un sistema cerrado, y sin tomar en cuenta los cambios en las energas cintica y potencial, el balance de energa para cualquiera de los procesos se expresa, por unidad de masa, como:(qentrada qsalida) = (wentrada wsalida) = u (kJ/kg)No hay trabajo involucrado durante los dos procesos de transferencia de calor porque ambos toman lugar a volumen constante. Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo puede expresarse como:

Entonces, la eficiencia trmica del ciclo de Otto ideal supuesto para el aire estndar fro es:

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrpicos, y v2 = v3 y v4 = v1. Por lo tanto,

Sustituyendo estas ecuaciones en la relacin de la eficiencia trmica y simplificando, se obtiene

Donde:

que es la relacin de compresin, y k es la relacin de calores especficos cp /cv.Para k ! 1.4, el cual es el valor de la relacin de calores espec- ficos del aire a temperatura ambiente. Para una relacin de compresin dada, la eficiencia trmica de una mquina real de encendido por chispa ser menor que la de un ciclo de Otto ideal debido a irreversibilidades como la friccin y a otros factores, como la combustin incompleta.En la figura es posible ver que la curva de la eficiencia trmica est ms inclinada a relaciones de compresin bajas, pero se nivela a partir de un valor de relacin de compresin aproximadamente de 8. Por consiguiente, el aumento en la eficiencia trmica con la relacin de compresin no es tan pronunciado en relaciones de compresin elevadas. Asimismo, cuando se emplean altas relaciones de compresin, la temperatura de la mezcla de aire y combustible se eleva por encima de la temperatura de autoencendido del combustible (temperatura a la que el combustible se enciende sin la ayuda de una chispa) durante el proceso de combustin, con lo que causa un temprano y rpido quemado del combustible en algn punto o puntos delanteros de la frente de la flama, seguido por una combustin casi instantnea del gas remanente. Este encendido prematuro del combustible, denominado autoencendido, produce un ruido audible que recibe el nombre de golpeteo del motor o cascabeleo.

4eficiencia trmica de un ciclo de otto ideal como una funcin de la relacin de compresin (k=1.4)Las mejoras en la eficiencia trmica de mquinas de gasolina mediante el uso de relaciones de compresin ms altas (hasta aproximadamente 12) sin que se enfrenten problemas de autoencendido.