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UNIVERSIDAD DE PIURA CICLOS DE POTENCIA A GAS: MOTORES TÉRMICOS 1ENERGÍA 2 UNIVERSIDAD DE PIURA 2 Suposiciones de Aire Estándar Como los ciclos de potencia a gas son complejos, nos basaremos en las siguientes aproximaciones denominadas suposiciones de aire estándar para reducir el análisis: •El fluido de trabajo es aire, el cual circulará en un circuito cerrado y es un gas ideal. •Todos los procesos del ciclo son internamente reversibles. •La combustión es sustituida por un proceso de adición de calor desde una fuente externa. •El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor regresando al fluido a su estado inicial. Además se supone que el aire tiene calores específicos constantes determinados a temperatura ambiente, esto se denomina suposiciones de aire frio estándar. Un ciclo para el cual las suposiciones de aire estándar son aplicables se conocen como un ciclo de aire estándar. ENERGÍA 2 UNIVERSIDAD DE PIURA 3 Máquinas Reciprocantes La máquina reciprocante (dispositivo cilindro-émbolo) es la fuente de poder de la gran mayoría de los automóviles, camiones, pequeños aviones, barcos y generadores de energía eléctrica. ENERGÍA 2 •El émbolo reciprocante se alterna entre dos posiciones fijas llamadas punto muerto superior e inferior, respectivamente. La distancias entre estas dos posiciones recibe el nombre de carrera del motor. •El diámetro del pistón se llama calibre. •Por medio de la válvula de admisión una mezcla de aire y combustible entran al cilindro y los productos de combustión son rechazados por la válvula de escape. •La relación entre el volumen máximo y el volumen mínimo recibe el nombre de relación de compresión “r”. UNIVERSIDAD DE PIURA 4ENERGÍA 2 Otro término empleado en dichas máquinas es la presión media efectiva (PME), que es una presión ficticia que, si actuara sobre el émbolo produciría la misma cantidad de trabajo neto que el producido durante el ciclo real. netoW PME x área del émbolo x carrera PME x volumen de desplazamiento min min neto neto máx máx W w PME kPa V V v v La máquina que tenga un mayor PME entregará más trabajo neto por ciclo y por lo tanto se desempeñará mejor. Ahora, las máquinas reciprocantes se clasifican como: •Máquinas de encendido por chispa (ECH), donde la combustión de la mezcla se inicia con una chispa en la bujía. •Máquinas de encendido por compresión (ECOM), en la cual la combustión de la mezcla se autoenciende como resultado de comprimirla arriba de su temperatura de autoencendido. UNIVERSIDAD DE PIURA 5ENERGÍA 2 Ciclo de Otto Es el ciclo ideal de las máquinas reciprocantes de encendido por chispa. El procedimiento de máquinas de 4 tiempos es el siguiente: •Al inicio tanto la válvula como de admisión como de escape están cerradas y el émbolo se encuentra en su posición más baja. •En la carrera de compresión, el émbolo se mueve hacia arriba y comprime la mezcla, justo antes de llegar la bujía produce una chispa, encendiendo la mezcla y trae como consecuencia el aumento de presión y temperatura. •Estos gases a alta presión impulsan el émbolo hacia abajo y a su vez el cigüeñal rota, produciendo una salida de trabajo útil en la carrera de potencia. •Al final el émbolo está en su posición más baja y el cilindro se llena con los productos de combustión. •Finalmente el émbolo se mueve hacia arriba una vez más y evacua los gases de escape por la válvula de escape. UNIVERSIDAD DE PIURA 6ENERGÍA 2 UNIVERSIDAD DE PIURA 7ENERGÍA 2 En las máquinas de dos tiempos, las cuatro funciones ejecutan solo dos tiempos: el de potencia y el de compresión. Estas máquinas son generalmente menos eficientes que sus contrapartes de cuatro tiempos, debido a la expulsión incompleta de los gases de escape y la expulsión parcial de la mezcla fresca de aire y combustible con los gases de escape. Sin embargo son más sencillas y económicas y tiene altas relaciones entre potencia y peso así como de entre potencia y volumen, lo cual las hace más adecuadas en aplicaciones que requieren tamaño y peso pequeños como motocicletas, sierras de cadena y podadoras de pasto. Los avances tecnológicos como la inyección directa de combustible, la combustión de carga estratificada y los controles electrónicos han renovado el interés en las máquinas de dos tiempos porque ofrecen un mayor rendimiento y mayor economía de combustible. En los nuevos motores de dos tiempos, el rocío de combustible altamente atomizado que se inyecta dentro de la cámara de combustión al final de la carrera de compresión permite que el combustible se queme de manera mucho más completa. Así mismo el avance en la electrónica hace posible asegurar la operación óptima bajo condiciones variables de carga y velocidad del motor. UNIVERSIDAD DE PIURA 8ENERGÍA 2 UNIVERSIDAD DE PIURA 9ENERGÍA 2 Ahora pasaremos al análisis de los ciclos reales de cuatro y dos tiempos. Nos basaremos en las suposiciones de aire estándar y el ciclo que es parecido a las condiciones de operaciones reales es el ciclo de Otto Ideal, el cual consta de 4 procesos internamente reversibles: •Compresión Isentrópica •Adición de calor a volumen constante •Expansión Isentrópica •Rechazo de calor a volumen constante Aquí planteamos los siguientes balances: /entrada salida entrada salidaq q w w u kJ kg 3 2 3 2 4 1 4 1 ( ) ( ) entrada v salida v q u u c T T q u u c T T UNIVERSIDAD DE PIURA 10ENERGÍA 2 m x 1 1 , 1 min 2 2 1 1 relación de compresiónater otto k V V v r r V V v 1 4 14 1 , 3 2 2 3 2 1 1 31 2 4 2 1 4 3 / 1 1 1 1 / 1 Los dos primeros procesos son isentrópicos, por lo tanto: neto salida ter otto entrada entrada k k T T Tw q T T q q T T T T T vT v T T v v T Sabemos que la eficiencia térmica de un ciclo de Otto ideal depende de la relación de compresión de la máquina y de la relación de calores específicos del fluido de trabajo. La eficiencia del ciclo de Otto ideal aumenta tanto con la relación de compresión como con la relación de calores específicos. UNIVERSIDAD DE PIURA 11ENERGÍA 2 De la figura podemos concluir: •La curva de eficiencia térmica está más inclinada a relaciones de compresión bajas, pero se nivela a partir de un valor de relación de compresión aproximadamente de 8. •A altas relaciones de compresión, la temperatura de la mezcla de aire y combustible se eleva por encima de la temperatura de autoencendido del combustible. Este autoencendido en las máquinas no puede permitirse ya que perjudica el desempeño y puede dañar la máquina. Con respecto a la relación de calores específicos, para una razón de compresión dada, un ciclo de Otto ideal que emplea un gas monoatómico como fluido de trabajo tendrá la eficiencia térmica más alta. Por lo tanto la eficiencia térmica de un ciclo Otto ideal, disminuye cuando las moléculas del fluido de trabajo son más grandes. UNIVERSIDAD DE PIURA 12ENERGÍA 2 Ejemplo 2.1 Un ciclo de Otto ideal tiene un relación de compresión de 8. Al inicio del proceso de compresión el aire está a 100kPa y 17°C, y 800 kJ/kg de calor se transfieren a volumen constante hacia el aire durante el proceso de adición de calor. Tome en cuenta la variación de los calores específicos del aire con la temperatura y determine: La temperatura y presión máximas que ocurren durante el ciclo, la salida de trabajo neto, la eficiencia térmica, y la presión media efectiva en el ciclo. Rpta: 1575.1 K – 4.345 MPa, 418.17 kJ/kg, 52.3%, 574 kPa Tabla A -17 UNIVERSIDAD DE PIURA 13ENERGÍA 2 Ciclo Diesel. •Es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes ECOM. En los motores ECOM el aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente. Es decir la bujía y el carburador son sustituidospor un inyector de combustible. •Los motores Diesel pueden ser diseñados para operar a relaciones de compresión mucho más altas ya que solamente el aire se comprime durante la carrera de compresión. •Esto nos lleva a concluir que muchos de los combustible menos refinados pueden utilizarse en los motores diesel. UNIVERSIDAD DE PIURA 14ENERGÍA 2 Proceso del Ciclo Diesel Compresión Isentrópica: proceso 1-2 Adición de calor a presión constante: proceso 2-3 Expansión Isentrópica: proceso 3-4 Rechazo de calor a volumen constante: proceso 4-1 UNIVERSIDAD DE PIURA 15ENERGÍA 2 La cantidad de calor añadida y rechazada puede expresarse como: La eficiencia térmica de un ciclo Diesel ideal bajo las suposiciones de aire estándar frio se vuelve: La relación de corte de admisión sería: Concluimos que la eficiencia térmica será: , 3 2 2 3 2 3 2 3 2 3 2 1 4 4 1 4 1 = - - entrada b salida entrada p salida salida v q w u u q P v v u u h h c T T q u u q u u c T T 1 4 14 1 , 3 2 2 3 2 / 1 1 1 1 / 1 neto salida ter Diesel entrada entrada T T Tw q T T q q k T T kT T T 3 3 2 2 c V v r V v , 1 11 1 ( 1) k c ter Diesel k c r r k r UNIVERSIDAD DE PIURA 16ENERGÍA 2 Ejemplo 2.2 Un motor ideal Diesel tiene una relación de compresión de 20 y usa aire como fluido de trabajo. El estado del aire al principio del proceso de compresión es 95 kPa y 20°C. Si la temperatura máxima en el ciclo no ha de exceder 2200 K. Determine la eficiencia termica y la presión efectiva media. Suponga calores específicos constantes para el aire a temperatura ambiente. Rpta:63.5% - 933 kPa Tabla A -2
