Ciclos Termodinamicos-quimica Ii

 TRABAJO SOBRE: Ciclos termodinámicos

 CICLO: CICLO REGULAR 2014 – I (III CICLO)

 DOCENTE: ING. Hugo Mosqueira Estraber

 ALUMNOS: CASTILLO MORENO, Keylor HUARIPATA SANGAY, Robert INFANTE ZAMBRANO, Max Vladimir TRIGOSO LEON,Jafet MUJICA CABRERA, Juan VARGAS ACENCIO,Eros

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INTRODUCCION

En el periodo de la revolución industrial, nace en el mundo un fuerte interés por la ciencia y las nuevas tecnologías; se desea conocer y entender el mundo, pero no solo por una cuestión de curiosidad, más bien para satisfacer las necesidades de los mismos humanos. El surgimiento de las máquinas revoluciona el mundo, las personas comienzan a ver en ellas mayor eficiencia, productividad y comodidad, por lo que cada vez desean más y más poder construir nuevas y mejores máquinas. Bajo este contexto aparece en 1824 el francés Sadi Carnot, un ingeniero conocido en el mundo por su aporte al principio de “la segunda ley de la termodinámica” y por diseñar la máquina térmica actualmente más eficiente, caracterizada por trabajar en base al ciclo termodinámico reversible que lleva su nombre.

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1) MAQUINAS TERMICAS. Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una máquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual 1) se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, 2) la máquina realiza un trabajo y 3) libera calor a una fuente a temperatura más baja. Por ejemplo, en un motor de gasolina, 1) el combustible que se quema en la Cámara de combustión es el depósito de alta temperatura, 2) se realiza trabajo mecánico sobre el pistón y 3) la energía de desecho sale por el tubo de escape. O en un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo de combustible se queman y el calor generado se usa para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Posteriormente, la energía asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico. Como se mencionó antes, una máquina térmica transporta alguna sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico, definido como aquel en el que la sustancia regresa a su estado inicial. Como ejemplo de un proceso cíclico, considérese la operación de una máquina de vapor en la cual la sustancia de trabajo es el agua. El agua se lleva a través de un ciclo en el que primero se convierte a vapor en una caldera y después de expande contra un pistón. Después que el vapor se condensa con agua fría, se regresa a la caldera y el proceso se repite. En la operación de cualquier máquina térmica, se extrae una cierta cantidad de calor de una fuente a alta temperatura, se hace algún trabajo mecánico y se libera otra cantidad de calor a una fuente a temperatura más baja. Resulta útil representar en forma esquemática una máquina térmica como se muestra en la figura 15.1. La máquina, representada por el círculo en el centro del diagrama, absorbe cierta cantidad de calor QC (el subíndice C se refiere a caliente) tomado de la fuente a temperatura más alta. Hace un trabajo W y libera calor QF (el subíndice F se refiere a frío) a la fuente de temperatura más baja. Debido a que la sustancia de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía interna inicial y final es la misma, por lo que la variación de energía interna es cero, es decir ΔU = 0. Entonces, de la primera ley de la termodinámica se tiene que “el trabajo neto W realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma”.

El calor neto es Qneto = QC - QF, por lo tanto el trabajo es: W = QC - QF Donde QC y QF se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que representa a tal proceso en el diagrama PV.

1.1) SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Es una de las leyes más importantes de la física; aún pudiéndose formular de muchas maneras todas llevan a la explicación del concepto de irreversibilidad y al de entropía. Este último concepto, cuando es tratado por otras ramas de la física, sobre todo por la mecánica estadística y la teoría de la información, queda ligado al grado de desorden de la materia y la energía de un sistema. La termodinámica, por su parte, no ofrece una explicación física de la entropía, que queda asociada a la cantidad de energía no utilizable de un sistema. Sin embargo, esta INGENIERIA DE MINAS-UNC

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interpretación meramente fenomenológica de la entropía es totalmente consistente con sus interpretaciones estadísticas. Así, tendrá más entropía el agua en estado gaseoso con sus moléculas dispersas y alejadas unas de las otras que la misma en estado líquido con sus moléculas más juntas y más ordenadas. El segundo principio de la termodinámica dictamina que si bien la materia y la energía no se pueden crear ni destruir, sí que se transforman, y establece el sentido en el que se produce dicha transformación. Sin embargo, el punto capital del segundo principio es que, como ocurre con toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a estados de equilibrio. Toda definición, corolario o concepto que de él se extraiga sólo podrá aplicarse a estados de equilibrio, por lo que, formalmente, parámetros tales como latemperatura o la propia entropía quedarán definidos únicamente para estados de equilibrio. Así, según el segundo principio, cuando se tiene un sistema que pasa de un estado de equilibrio A a otro B, la cantidad de entropía en el estado de equilibrio B será la máxima posible, e inevitablemente mayor a la del estado de equilibrio A. Evidentemente, el sistema sólo hará trabajo cuando esté en el tránsito del estado de equilibrio A al B y no cuando se encuentre en uno de estos estados. Sin embargo, si el sistema era cerrado, su energía y cantidad de materia no han podido variar; si la entropía debe de maximizarse en cada transición de un estado de equilibrio a otro, y el desorden interno del sistema debe aumentar, se ve claramente un límite natural: cada vez costará más extraer la misma cantidad de trabajo, pues según la mecánica estadística el desorden equivalente debe aumentar exponencialmente. Aplicado este concepto a un fenómeno de la naturaleza como por ejemplo la vida de las estrellas, las mismas, al convertir el hidrógeno, su combustible principal, en helio generan luz y calor. Al fusionar los núcleos de hidrógeno en su interior la estrella libera la energía suficiente para producirlos a esa intensidad; sin embargo, cuando intenta fusionar los núcleos de Helio no consigue liberar la misma cantidad de energía que obtenía cuando fusionaba los núcleos de hidrógeno. Cada vez que la estrella fusiona los núcleos de un elemento obtiene otro que le es más inútil para obtener energía y por ende la estrella muere, y en ese orden de ideas la materia que deja atrás ya no servirá para generar otra estrella. Es así como el segundo principio de la termodinámica se ha utilizado para explicar el fin del universo.

2) CICLO DE CARNOT El ciclo de Carnot (Sadi Carnot, francés, 1796 – 1832), es de gran importancia desde el punto de vista práctico como teórico. Carnot demostró que una máquina térmica que operara en un ciclo ideal reversible entre dos fuentes de calor, sería la máquina más eficiente posible. Una máquina ideal de este tipo,llamada máquina de Carnot, establece un límite superior en la eficiencia de todas las máquinas. Esto significa que el trabajo neto realizado por una sustancia de trabajo llevada a través de un ciclo de Carnot, es el máximo posible para una cantidad dada de calor suministrado a la sustancia de trabajo. El teorema de Carnot se enuncia de la siguiente forma:“ninguna máquina térmica real que opera entre dos fuentes de calor, puede ser más eficiente que una máquina de Carnot, operando entre las dos mismas fuentes”. Para describir el ciclo de Carnot, se debe suponer que la sustancia que trabaja entre las temperaturas TC y TF es un gas ideal contenido en un cilindro con un émbolo móvil en un INGENIERIA DE MINAS-UNC

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extremo. Las paredes del cilindro y del émbolo no son conductores térmicos, por lo que no hay pérdida de calor al ambiente. El ciclo de Carnot es un proceso cíclico reversible que utiliza un gas ideal, que consta de dos procesos isotérmicos y de dos procesos adiabáticos, como se muestra en la figura, donde se indican los cuatro pasos del ciclo.

1. El proceso A-B es una expansión isotérmica a la temperatura TC, donde el gas se pone en contacto térmico con una fuente de calor a esa TC. Durante el proceso, el gas absorbe calor QC de la fuente desde la base del cilindro y realiza trabajo WAB al subir el émbolo. 2. En el proceso B-C, la base del cilindro se reemplaza por una pared térmicamente no conductora y el gas se expande adiabáticamente. Durante el proceso la temperatura baja de TC a TF y el gas realiza trabajo WBC al elevar el émbolo. 3. En el proceso C-D el gas se coloca en contacto térmico con una fuente de calor a temperatura TF y se comprime isotérmicamente a una temperatura TF. Durante el proceso, el gas libera calor QF a la fuente y el trabajo realizado sobre el gas por un agente externo es WCD. 4. En el proceso final D-A, la base del cilindro se reemplaza por una pared térmicamente no conductora y el gas se comprime adiabáticamente. La temperatura del gas aumenta de TF a TC y el trabajo realizado sobre el gas por un agente externo es WDA.

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3) CICLO DE RANKINE El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

PROCESO El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera. Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional. Diagrama T-s del ciclo

El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isóbaricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de INGENIERIA DE MINAS-UNC

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carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles): 

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.



Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.



Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.



Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).

En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo. En las centrales térmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene en estado de gas durante todo el ciclo (no hay condensación). Además utiliza un compresor en lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina de gas en un eje común); por otro lado, el equipo donde se produce la combustión no se denomina caldera sino cámara de combustión o combustor. Los equipos utilizados en estas instalaciones son más compactos que los de las centrales térmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se integran en las centrales térmicas de ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton (en su configuración más simple, aportado por los gases calientes de la combustión que abandonan la turbina de gas) es utilizado para alimentar el ciclo Rankine (sustituyendo a la caldera).

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variables

Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo) Caudal másico (masa por unidad de tiempo) Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo) Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la potencia generada por el ciclo y la potencia térmica suministrada en la caldera, adimensional) ,

,

Entalpías específicas de los estados principales del ciclo

,

ECUACIONES Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energía y del balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuación describe la eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define como la relación entre la potencia de salida con respecto a la potencia térmica de entrada.

Se puede hacer un balance energético en el condensador y la caldera, lo que nos permite conocer los flujos masicos de refrigerante y gasto de combustible respectivamente, así como el balance entrópico para poder sacar la irreversibilidad del ciclo y energía perdida.

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4) CICLO DE BAYTRON El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir energía en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica. Las dos principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica. Cuando se emplean en propulsión de aviones, la turbina de gas produce la potencia suficiente para accionar el compresor y a un pequeño generador que alimenta el equipo auxiliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de producir el empuje necesario para accionar la aeronave. Las turbinas de gas también se utilizan como centrales estacionarias que producen energía eléctrica. Ésta se genera mediante centrales eléctricas de vapor. Las centrales eléctricas de turbina de gas son empleadas por la industria de generación eléctrica en emergencias y durante períodos picos gracias a su bajo costo y rápido tiempo de respuesta. Las turbinas de gas también se utilizan con las centrales eléctricas de vapor en el lado de alta temperatura, formando un ciclo dual. En estas plantas, los gases de escape de las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas también puede ejecutarse como un ciclo cerrado para ser utilizado en centrales nucleoeléctricas. Esta vez el fluido de trabajo no se limita al aire., y puede emplearse un gas con características más convenientes (como el helio). La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental ya utilizan motores de turbinas de gas para propulsión y para la regeneración de energía eléctrica. Comparadas con la turbina de vapor y los sistemas de propulsión disel, la turbina de gas ofrece mayor potencia para un tamaño y peso determinados, alta confiabilidad, larga vida y operación mas conveniente. El tiempo de arranque de la máquina ha sido reducido de las 4 horas requeridas de un sistema de propulsión típico a menos de 2 minutos para una turbina de gas. Muchos sistemas de propulsión marina modernos, utilizan turbinas de gas junto a motores disel, debido al alto consumo de combustible de los motores de turbina de gas de ciclo simple. En sistemas combinados, el quipo disel se utiliza para dar de manera eficiente baja potencia y operación de crucero, y la turbina de gas se utiliza cuando se necesitan altas velocidades. También han sido aplicadas a vehículos pero en la actualidad solo existe algún proyecto, como el Volvo ECC (híbrido eléctrico-turbina de gas). Los problemas que dificultan su aplicación en automoción son que aceptan mal los arranques y las paradas y les cuesta mucho cambiar de régimen (son muy lentas acelerando). De hecho el funcionamiento habitual de las turbinas de gas es siempre al mismo régimen y las variaciones de demanda de potencia se hacen manteniendo el régimen y variando el par (fuerza de giro) generado.

Ciclo en su de ciclo

Brayton modalidad abierto

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El funcionamiento de esté se explica a continuación: Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura 1. aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presión se eleva. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión donde el combustible se quema a presión constante. Luego los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), lo que provoca que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto. El ciclo de turbina de gas abierto recién escrito para modelarse como un ciclo cerrado, del modo que se muestra en la figura siguiente, mediante las suposiciones de aire estándar. En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una fuente externa, y el proceso de escape se reemplaza pro uno de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente.

Ciclo Brayton en su modalidad de ciclo Cerrado Es el ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, que esta integrado por cuatro proceso internamente reversibles:

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El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor de temperatura elevada en el estado1, donde se le agrega energía a un proceso de presión constante, hasta que alcanza la temperatura elevada del estado 2. Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansión isentrópica, produciendo cierta potencia. El fluido sale de la turbina al estado 3 y pasa a ser enfriado, en un proceso a presión constante, en el intercambiador de calor de temperatura baja, de donde sale al estado 4, listo para entrar al compresor. Ahí el fluido es comprimido isentrópicamente al estado 1 y el ciclo se repite.

DIAGRAMAS P-v Y T-s 1-2 compresión isentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a P=constante 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a P=constante

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En estos diagramas se pueden observar los procesos y estados descritos en el ciclo Brayton.

CICLO BRAYTON CON REGENERACION En los motores de las turbinas de gas, la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suelen ser bastante mayor que la temperatura del aire que abandona el compresor. Por consiguiente, el aire de alta presión que sale del compresor puede calentarse transfiriéndole calor de los gases de escape calientes en un intercambiador de calor a contraflujo, el cual se conoce también como un regenerador o recuperador.

DIAGRAMA DE LA MÁQUINA DE TURBINA DE GAS CON REGENERADOR

La eficiencia térmica del ciclo Brayton aumenta debido a la regeneración, en virtud de que la porción de energía de los gases de escape que normalmente se libera en los alrededores ahora se usa para precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Esto, a su vez, disminuye los requerimientos de entrada de calor (y en consecuencia, de combustible) para la misma salida de trabajo neta. Observe, sin embargo que el empleo de un regenerador se recomienda solo cuando la temperatura de escape de la turbina es mas alta que la temperatura de salida del compresor. De otro modo, el calor fluirá en la dirección inversa (hacia los gases de escape), y reducirá eficiencia. Ésta relación se encuentra en las máquinas de turbina de gas que operan a relaciones de presión muy altas.

Es evidente que un regenerador con una eficacia mas alta ahorrará una gran cantidad de combustible puesto, que precalentará el aire a una temperatura más elevada, antes de la combustión. Sin embargo, lograr una eficacia mayor requiere el empleo de un regenerador más grande, el cual implica un precio superior y provoca una caída de presión más grande. En consecuencia, el uso de un regenerador con eficacia muy alta no puede justificarse económicamente a menos que los ahorros de combustible superen los gastos adicionales involucrados. La mayoría de los regeneradores utilizados en la práctica tienen eficacias por debajo de 0.85. Por consiguiente la eficiencia térmica de un ciclo Brayton con regeneración depende de la relación entre la mínima y la máxima temperaturas, así como la relación de presión.

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EFICIENCIA DEL CICLO

Se encuentra que la eficiencia de las máquinas de Brayton en ciclo cerrado dependen únicamente de la relación de presiones isentrópicas. Si se aumenta la presión de entrada a la turbina, también se incrementa la temperatura en dicha entrada. La temperatura de entrada a la turbina, con frecuencia, está limitada por la propiedades de los álabes, lo que corresponde a un limite superior práctico en la eficiencia del ciclo. La máquina de Brayton con ciclo cerrado (adición externa de calor) ha recibido una atención considerable para emplearla en sistemas nucleares y, mas recientemente, en sistemas de energía solar a temperatura elevadas Efecto de las eficiencias reales de la turbina y el compresor Naturalmente las turbinas y los compresores reales no son isentrópicos. Para los ciclos de aire estándar, la eficiencia de cada componente se incluye fácilmente en los análisis. El compresor y la turbina reales tienen misma presión de salida que los aparatos isentrópicos correspondientes (las eficiencias de la turbina y el compresor de Brayton generalmente se dan con respecto a los aparatos isentrópicos y no a los isotérmicos).

CONCLUSION DE EL CICLO BRAYTON El ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas. Tiene como función transformar energía que se encuentra en forma de calor a potencia para realizar un trabajo, tiene varias aplicaciones, principalmente en propulsión de aviones, y la generación de energía eléctrica, aunque se ha utilizado también en otras aplicaciones. Este puede ser operado de varias maneras, ya sea abierto o cerrado, existen formas de optimizar su rendimiento, pero hay que tener mucho cuidado en examinar si vale la pena hacer cambios. Una manera de mejorar un ciclo cerrado es la regeneración empleando parte de la energía desechada para calentar los gases que dejan el compresor y, por ende, reducir la transferencia de calor requerida por el ciclo Para el mejor estudio de los ciclos de potencia se utiliza una manera idealizada de los mismos en la que se eliminan ciertos puntos para no complicar su razonamiento, en estas formas de análisis todos los procesos, son reversibles.

5) CICLO DE OTTO El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de cuatro procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo:    

E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga). A-B: comprensión de los gases e isoentrópica. B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil. C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo. INGENIERIA DE MINAS-UNC

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 

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D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante. A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga).

Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.

Motor de cuatro tiempos Durante la primera fase, el pistón se desplaza hasta el PMI (Punto Muerto Inferior) y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de forma gaseosa). 1. Durante la segunda fase 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, una chispa en la bujía enciende la mezcla. 2. Durante la tercera fase, 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, que la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización. 3. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS (Punto Muerto Superior), expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga).

Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación, ya sea mediante empleo del turbocompresor o mediante compresores volumétricos o también llamados compresores de desplazamiento positivo.

1. Eficiencia La eficiencia o rendimiento térmico 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 hasta 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 octanos para evitar la detonación. Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto número de octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos de la detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía. INGENIERIA DE MINAS-UNC

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El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de compresión.

2. Proporción de aire y combustible Esta proporción ha de permanecer lo más uniforme posible, dentro de unos estrechos márgenes de variación, se denomina factor lambda y se sitúa alrededor de 14-15 partes de aire en peso por cada parte de gasolina en peso, estando la mezcla estequiométrica aire/gasolina en 14,7:1

3. Control del par motor Se efectúa controlando la cantidad de aire o mezcla carburada que entra al motor, mediante el acelerador. De esta manera ajusta el conductor el par motor a la carga motor. La eficiencia o rendimiento de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, la pérdida de llenado en el proceso de renovación de la carga energía por la fricción y la refrigeración. En el ciclo Otto los motores trabajan en un rango de presiones de combustión de 25 a 30 bares, partiendo de una relación de compresión de 9 a 10, y en los que la relación de aire/combustible (factor lambda), toma valores de 0,9 a 1,1.

4. Invención del motor de combustión interna

El primer inventor, hacia 1862, fue el francés Alphonse Beau de Rochas. El segundo, hacia 1875, fue el alemán doctor Nikolaus August Otto. Como ninguno de ellos sabía de la patente del otro hasta que se fabricaron motores en ambos países, hubo un pleito. De Rochas ganó cierta suma de dinero, pero Otto se quedó con la fama: el principio termodinámico del motor de cuatro tiempos se llama aún ciclo de Otto. Otto construyó su motor en 1866 junto con su compatriota Eugen Langen. Se trataba de un motor de gas que poco después dio origen al motor de combustión interna de cuatro tiempos. Otto desarrolló esta máquina, que después llevaría su nombre (motor cíclico Otto), en versiones de cuatro y dos tiempos. 5. Límites prácticos El cálculo anterior establece un límite máximo para la eficiencia de un motor de explosión. De acuerdo con esta expresión la forma de aumentar el rendimiento es incrementar la razón de compresión r. Sin embargo, esta razón no se puede incrementar indefinidamente. Uno de los motivos es que al comprimir el gas este se calienta, siendo su temperatura al final de la compresión INGENIERIA DE MINAS-UNC

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TB = TArγ − 1 si esta temperatura es lo suficientemente alta, puede producirse la autoignición, en la cual la gasolina se quema espontáneamente (como el gasóleo en un ciclo Diesel) antes de que salte la chispa de la bujía. Esto tiene efectos destructivos para el motor, por lo que debe ser evitado. Para evitar la autoignición puede usarse gasolina de mayor octanaje, o emplear aditivos, como algunos derivados del plomo, hoy prohibidos. Una segunda fuente de limitación lo da el que el ciclo Otto ideal es solo una aproximación al ciclo real. En el ciclo real los procesos son curvas más suaves, correspondientes además a procesos irreversibles

6) CICLO DE ATKINSON

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El motor de ciclo Atkinson es un tipo de motor de combustión interna, inventado por James Atkinson en 1882. El ciclo Atkinson se diseñó para ofrecer mayor eficiencia a expensas de la potencia, se están empezando a aplicar en las aplicaciones híbridas modernas. Los motores de ciclo Atkinsón son motores de combustión interna con ciclos de cuatro tiempos prácticamente iguales a los de ciclo Otto, aunque tienen como desventaja la consecución de una potencia inferior. En el aspecto positivo aprovechan mejor el combustible, pudiendo con ello obtener mejores cifras de consumo. En un motor de ciclo Atkinson se dispone igualmente de los cuatro tiempos de un motor de gasolina, con la admisión, compresión, explosión y escape, no obstante en este tipo de motores se cierra tarde la válvula de admisión durante el proceso de compresión, con lo que disminuye entonces la compresión real, pues la compresión real no comienza de manera efectiva hasta que la válvula de admisión se haya cerrado, provocando con ello que la relación de compresión pueda ser de incluso la mitad que si la válvula se cerrara antes, tal y como ocurre en un ciclo Otto de cuatro tiempos tradicional.

Ciclo termodinámico de un motor Atkinson.

CICLO ROTATIVO ATKINSON

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El ciclo Atkinson puede usarse en una máquina rotativa. Este tipo de máquina retiene una fase de potencia por revolución, junto con los diferentes volúmenes de compresión y de expansión, del ciclo original Atkinson. Los gases de escape se expelen de la máquina por aire comprimido. Esta modificación del ciclo Atkinson permite el uso alternativo de combustible tipo Diesel e hidrógeno.

Máquina de ciclo rotativo Atkinson.

FUNCIONAMIENTO

En un motor de combustión interna alternativo MCIA convencional las válvulas de admisión,que llevan la mezcla de aire y combustible, se cierran cuando el pistón comienza la compresión. En el ciclo Atkinson se retrasa el cierre de las válvulas de admisión, volviendo así, parte de la mezcla al conducto de admisión. Con este procedimiento se consigue un considerable ahorro de combustible,una menor temperatura y presión en el cilindro restando vibraciones al motor y aumentando la eficiencia global del ciclo teórico de Otto. El Prius deToyota equipa este sistema en los motores de sus autos híbridos.

Un motor de ciclo Atkinson funciona, en general, igual que un motor de ciclo Otto de cuatro tiempos salvo en la fase de compresión. Veámoslo. 1.1.

Ciclo de admisión:

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Igual en ambos motores. Una vez abiertas las válvulas de admisión el pistón desciende y el cilindro se llena de mezcla de aire y combustible.

1.2.

Ciclo de compresión:

Único ciclo en el que el motor Atkinson tiene un comportamiento distinto al motor Otto. En este ciclo el pistón pasa desde el punto más bajo, o punto muerto inferior (PMI) hasta el punto más alto o punto muerto superior (PMS) pero, mientras en el ciclo Otto las válvulas están cerradas durante todo el proceso, en el ciclo Atkinson la válvula de admisión queda abierta durante buena parte de la carrera ascendente del pistón. El trabajo requerido para elevar el pistón es menor que si la válvula estuviera cerrada todo el tiempo. En el ciclo Otto la relación de compresión se establece como la relación entre el volumen que existe en la cámara cuando el pistón está en el punto muerto inferior y el que encontramos cuando éste se encuentra en el punto muerto superior En el caso del Atkinson el volumen máximo de la cámara comienza a medirse en el momento en el que se cierra la válvula de admisión, que ocurre cuando ya se ha realizado una parte de la carrera ascendente del pistón. Dado que el volumen máximo es menor en el ciclo Atkinson, la relación de compresión es menor, pues en ambos casos el volumen mínimo alcanzado es el mismo.

1.3.

Ciclo de explosión:

Igual en ambos motores El pistón desciende desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior mientras las válvulas de admisión y escape permanecen ambas cerradas. Dada la menor compresión llevada a cabo en el ciclo Atkinson la potencia generada es menor pues, debido a la diferente relación de compresión, tenemos que los gases comprimidos, a igualdad del resto de componentes, tendrán mucha menor temperatura en el motor de ciclo Atkinson, motivo por el cual el trabajo realizado (par motor) también es menor, pues los motores térmicos lo que hacen en definitiva es transformar calor en trabajo (par motor), de ahí que la potencia alcanzada por un motor de ciclo Atkinson sea inferior a la de un motor de ciclo Otto. Aun así, y dado que el trabajo requerido en el ciclo de compresión del motor Atkinson también es menor, el aprovechamiento energético del combustible es mayor.

1.4.

Ciclo de escape:

Igual en ambos motores Cuando el pistón llega al punto muerto inferior se abre la válvula de escape y el pistón vuelve a ascender para expulsar el total de los gases quemados. INGENIERIA DE MINAS-UNC

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En las mecánicas de ciclo Atkinson el número de revoluciones máximo no alcanza cifras demasiado elevadas (5.300 en el Toyota Prius) pero, al combinarlo con un motor eléctrico, permite que lapotencia máxima final sea suficiente mientras que los componentes de la mecánica no requieren estar sobredimensionados debido a lo limitado de su potencia.

2.

DISEÑO

El motor de ciclo Atkinson original, está basado en el de ciclo Otto. La relación de expansión difiere del de compresión, eso provoca que pueda alcanzar mayor eficiencia que un motor de ciclo Otto. Mientras que el motor que diseñó Atkinson no es más que una anécdota histórica, el ciclo Atkinson está siendo implantado en nuevos motores gracias a que ofrece una importante reducción del consumo de combustible con respecto al ciclo Otto. La desventaja de un motor con ciclo Atkinson sobre el tradicional de ciclo Otto es que ofrece menos potencia. Actualmente existen varios modelos de coches que montan un motor de ciclo Atkinson, todos ellos en combinación con motores eléctricos, dando lugar a los llamados coches híbridos. Entre estos vehículos destacan el Toyota Prius y el Auris HSD (las siglas de Hybrid Synergy Drive), el Ford Escape, el Lexus RX 450h , el Hyundai Sonata Hybrid y el futuro Ford Evos Concept

7) CICLO DE DIESEL

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Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolinala combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de autoignición del gasóleo y el combustible es inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla. Puesto que sólo se comprime aire, la relación de compresión (cociente entre el volumen en el punto más bajo y el más alto del pistón) puede ser mucho más alta que la de un motor de gasolina (que tiene un límite, por ser indeseable la autoignición de la mezcla). La relación de compresión de un motor diésel puede oscilar entre 12 y 24, mientras que el de gasolina puede rondar un valor de 8. Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diesel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente: Admisión E→A El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal. Compresión A→B El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. Combustión B→C Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto. Expansión C→D La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible. Escape D→A y A→E Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

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En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de gasolina. 3 Rendimiento en función de las temperaturas Un ciclo diésel contiene dos proceso adiabáticos, A→B y C→D, en los que no se intercambia calor. De los otros dos, en el calentamiento a presión constante B→C, el gas recibe una cantidad de calor | Qc | del exterior igual a

En el enfriamiento a volumen constante D→A el sistema cede una cantidad de calor al ambiente

El rendimiento del ciclo será entonces

con γ = cp / cV la proporción entre las capacidades caloríficas. 4 Rendimiento en función de los volúmenes La expresión anterior requiere conocer las cuatro temperaturas de los vértices del ciclo. Puede simplificarse teniendo en cuenta las características de cada uno de los procesos que lo componen. Así tenemos, para la compresión adiabática A→B

que, teniendo en cuenta la relación de compresión, podemos reescribir como

Para la expansión a presión constante, aplicando la ecuación de estado de los gases ideales

Introduciendo ahora la relación rc = VC / VB obtenemos

Por último, para la temperatura en D aplicamos de nuevo la ley de Poisson y el que el enfriamiento es a volumen constante:

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Multiplicando y dividiendo por VB y aplicando el valor de la temperatura en C

Combinado estos resultados nos queda

Sustituyendo esto en la expresión del rendimiento obtenemos finalmente

Caso práctico

Vamos a considerar un ciclo Diesel en la que el aire a la entrada está a una presión de 1 atm y una temperatura de 17°C; la razón de compresión es 18 y la de combustión vale 2. El volumen máximo de la cámara es de 1900 cm³. Vamos a determinar los volúmenes, presiones y temperaturas de cada vértice del ciclo, así como su rendimiento y el calor y el trabajo intercambiados por el motor.

Estado inicial Como punto de partida del ciclo de cuatro pasos tenemos que el gas a temperatura y presión ambientes llena el cilindro

El número de moles contenidos en el cilindro es INGENIERIA DE MINAS-UNC

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5.2 Compresión adiabática Tras la compresión, el volumen del cilindro se reduce según la razón de compresión

La temperatura al final la compresión la obtenemos de la ley de Poisson

y la presión en este punto la hallamos mediante la ley de los gases ideales

5.3 Expansión isóbara En el proceso de calentamiento, la presión se mantiene constante, por lo que

mientras que el volumen lo da la relación de combustión

y la temperatura la ley de los gases ideales (o la ley de Charles, en este caso)

5.4 Expansión adiabática Durante la bajada del pistón el gas se enfría adiabáticamente. La temperatura al final del proceso la da la ley de Poisson, combinada con el que sabemos que el volumen al final es el mismo que antes de empezar la compresión

La presión en este estado es

Enfriamiento a V constante En un motor diésel real el aire quemado y caliente es expulsado por el tubo de escape, liberando calor al ambiente y siendo sustituido por nuevo aire frío. En el ciclo Diesel ideal nos

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imaginamos que el aire recircula, volviendo al estado A, intercambiando sólo el calor con el ambiente.

Calor absorbido El calor procedente del foco caliente es absorbido en la expansión a presión constante y es igual a

donde hemos usado que

que para γ = 1.4 da el resultado conocido cp = 3.5R. Un resultado más exacto para un proceso a presión constante, sin hacer uso de la hipótesis de gas ideal, consistiría en igualar el calor a la variación en la entalpía

y aplicar valores tabulados de la entalpía del aire para las presiones y temperaturas de los estados B y C. 5.6.2 Calor cedido El calor que se intercambia con el foco frío se cede en el enfriamiento a volumen constante

donde, como antes, hemos empleado la relación

que para γ = 1.4 da cV = 2.5R. Si se quisiera hacer exactamente, habría que aplicar que para un proceso a volumen constante el calor equivale a la variación en la energía interna

5.6.3 Trabajo realizado El trabajo realizado por el sistema durante un ciclo es la diferencia entre el calor absorbido y el cedido (en valores absolutos)

Rendimiento

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El rendimiento de este ciclo Diesel lo podemos hallar como el trabajo realizado dividido por el calor absorbido

Vemos que el rendimiento es mucho mayor que para un ciclo Otto que, para valores típicos de motores de explosión, rondaba el 50%. La causa principal de la diferencia es la mucho mayor relación de compresión en el motor diésel. El rendimiento de este ciclo Diesel es, por supuesto, inferior al de un ciclo de Carnot que operara entre las temperaturas TA y TC:

6 Representación en un diagrama T-S El ciclo Otto, además de en un diagrama pV, puede reprensentarse en uno T-S, en el que el eje de abscisas corresponde a la entropía del sistema y el de ordenadas a su temperatura. En este diagrama, los dos procesos adiabáticos corresponden a sendos segmentos verticales, pues la entropía permanece constante en un proceso adiabático reversible. Para los procesos a volumen constante recurrimos a la expresión para la entropía de un gas ideal

siendo T0 y V0 la temperatura y el volumen de un cierto estado de referencia. Despejando de aquí la temperatura

que nos dice que cuando V es constante, la temperatura varía exponencialmente con la entropía. El ciclo Otto corresponderá por tanto a dos curvas exponenciales conectados por dos segmentos rectilíneos.

8) CONCLUSIONES INGENIERIA DE MINAS-UNC

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 Las tecnologías desempeñan un papel fundamental en la seguridad del abastecimiento, la eficiencia energética y la protección del medio ambiente. Son un factor de desarrollo y de posicionamiento de las industrias energéticas en el mercado mundial. Tanto en las técnicas de producción como en las de utilización y consumo de energía. Además fomentan el desarrollo de tecnologías conexas en otros campos tales como protección medioambiental, y tecnologías de control y de información.  Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regresa a su estado inicial; es decir , que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.  Los ciclos de potencia de gas o dispositivos cíclicos generadores de potencia r e v i s t e n d e g r a n i m p o r t a n c i a e n e l e s t u d i o d e l a termodinámica y a q u e varios sistemas y maquinas se basan en su funcionamiento

9) BIBLIOGRAFIA  www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r81708.PDF  http://es.vbook.pub.com/doc/15905540/Ciclos-termodinamicos  http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap07_ciclos_termicos.php  http://www.slideshare.net/kikelola/ciclos-termodinmicos-19725655  http://termodinamica.us.es/termica/transparencias/Leccion8.pdf  http://www.ambientum.com/enciclopedia_medioambiental/energia/Ciclos_termodinami cos.asp  http://eribera_bo.tripod.com/ciclos_termodinamicos.html

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