Termodinámica II Ciclos de aire normal Juan Esteban Tibaquirá G. Facultad de Ingeniería Mecánica Universidad Tecnológica de Pereira Ciclos de Potencia de gas • • • • • • Otto Diesel Dual Stirling Ericsson Brayton • Estos ciclos son los modelos idealizados de los ciclos reales, usados en motores de vehículos, barcos, plantas de generación eléctrica o mecánica y muchas otras aplicaciones Ciclos real e ideal • Ciclo real: • Ciclo ideal: aquí se hacen una serie de suposiciones Fricción que hacen que el análisis Transferencia de calor sea mas simple. Los hacia los alrededores resultados obtenidos son de Proceso de gran utilidad para conocer el combustión comportamiento de una máquina real desde el punto de vista cualitativo. Suposiciones de aire normal • El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y se modela como un gas ideal • Todos los procesos son internamente reversibles • El proceso de combustión se sustituye por la transferencia de calor desde una fuente externa • El proceso de escape de gases es sustituido por un rechazo de calor que regresa el fluido de trabajo a su estado inicial Suposiciones de aire frio normal • Los calores específicos Cp y Cv se suponen constantes a temperatura ambiente • Los resultados obtenidos pueden resultar considerablemente diferentes de los obtenidos con calores específicos variables con la temperatura • Las suposiciones de aire frio normal se usan fundamentalmente para para indicar las tendencias. Máquinas reciprocantes Máquinas reciprocantes 2 • Algunas definiciones: Carrera: distancia entre el PMS y el PMI. Calibre: diámetro del pistón. Volumen de espacio libre: volumen formado en el cilindro cuando el pistón esta en el PMS. Volumen de desplazamiento: volumen desplazado por el cilindro cuando se mueve entre el PMI y el PMS. Relación de compresión (r) • Es la relación entre el máximo volumen formado en el cilindro y el volumen mínimo (Espacio libre). max r min Vmin Vmax Presión media efectiva (PME) • Es una presión ficticia que si actuará sobre el émbolo durante la carrera de potencia completa, produciría la misma cantidad de trabajo neto que el producido durante el ciclo real. Se usa como parámetro de comparación wneto Wneto PME max min vmax vmin Clasificación de las máquinas reciprocantes • Máquinas de encendido por chispa (ECH): como el motor a gasolina. • Máquinas de encendido por compresión (EC):como el motor diesel. Ciclo Otto: ciclo ideal para las máquinas de encendido por chispa Procesos ciclo Otto Admisión Compresión Expansión Escape Máquina de cuatro tiempos Máquina de dos tiempos Máquina de dos tiempos (2) Comparación entre motores de 2 y 4 tiempos • Four Stroke vs. Two Stroke Cost Factors: Purchase costs: In general, four stroke motors cost about 25% more upfront to purchase than two stroke engines. Operating costs: Four stroke motors are more fuel efficient than two stroke engines, so fuel costs are lower. Over time, the savings in fuel expenses may compensate for the higher purchase cost of the four stroke engines. Maintenance costs: For basic maintenance, four stroke engines use fewer spark plugs than two strokes but need periodic checking of crankcase oil level, and regular oil and filter changes. For larger repair issues, four stroke repairs are generally more expensive and involved than for two stroke engines, simply because there are more components in a four stroke engine. Four Stroke vs. Two Stroke Performance: * Four stroke engines are quieter and smoother running. * Four stroke engine exhaust is cleaner and basically smokeless, because unlike two stroke engines, no oil is mixed with gas. * Two stroke engines generally weigh less than four stroke engines of comparable horsepower. * Power is not an issue because horsepower ratings are standard regardless of the technology being used. Ciclo Otto • Cuatro procesos internamente reversibles: 1-2: Compresión isentrópica 2-3: Adición de calor a volumen constante 3-4: Expansión isentrópica 4-1: Rechazo de calor a volumen constante Eficiencia térmica del ciclo Otto Eficiencia térmica Eficiencia térmica del ciclo Otto vs. relación de compresión, con k=1.4 (aire) 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 Relación de compresión 12 14 Eficiencia térmica del ciclo Otto Eficiencia térm ica Eficiencia térm ica de un ciclo Otto vs. r (Diferentes valores de k) 1 k=1.4 0.5 k=1.3 k=1.667 0 0 2 4 6 8 10 12 Relacion de com presión 14