Ciclos de Aire Standard

Transcripción

1 Ciclos Termodinámicos p. 1/2 Ciclos de Aire Standard máquinas reciprocantes modelo de aire standard ciclo Otto ciclo Diesel ciclo Brayton

2 Ciclos Termodinámicos p. 2/2 máquinas de combustión interna el calor q H proviene de la combustión de la mezcla (combustible + aire) en el cilindro la composición del fluido de trabajo varía: aire + combustible productos de combustión operan en ciclos abiertos y no cerrados: 2 3 combustion ciclo abierto 1 4 mezcla (aire+combustible) productos de combustion

3 Ciclos Termodinámicos p. 3/2 máquinas de combustión interna el calor q H proviene de la combustión de la mezcla (combustible + aire) en el cilindro la composición del fluido de trabajo varía: aire + combustible productos de combustión operan en ciclos abiertos y no cerrados: 2 qh 3 ciclo cerrado 1 4 ql

4 Ciclos Termodinámicos p. 4/2 máquinas de combustión interna encendido por chispa por compresión PMS = Punto muerto superior PMI = Punto muerto inferior

5 Ciclos Termodinámicos p. 5/2 máquinas de combustión interna V min = volumen libre V max = volumen de desplazamiento relación de compresión: r V max V min

6 Ciclos Termodinámicos p. 6/2 presión media efectiva P es la presión que produciría el mismo trabajo neto (en una carrera de potencia del pistón) que el ciclo real. P P w w = P (v max v min ) v min w v max v P es útil para comparar máquinas de igual tamaño (cilindrada). A mayor P, mayor trabajo neto en cada carrera de potencia.

7 Ciclos Termodinámicos p. 7/2 modelo de aire standard ciclo cerrado aire se modela como gas ideal sólo procesos internamente reversibles sustituye la combustión por adición de calor q H desde una fuente externa sustituye el escape de productos por la eliminación de calor q L al ambiente aire frío standard: además, supone calores específicos c p y c v constantes para el aire.

8 aire frío standard propiedades del aire frío como gas ideal diátomico peso molecular: w = 29, 0 kg/kmol constante del gas: R = 0, 2870 kj/kgk calor específico a P=cte, calor específico a v=cte, c p = 7 R = 1, 004 kj/kgk 2 c v = 5 R = 0, 717 kj/kgk 2 cociente de calores específicos, k = c P c v = 7 5 = 1, 40 Ciclos Termodinámicos p. 8/2

9 Ciclos Termodinámicos p. 9/2 ciclo Otto modelo ideal para un motor de 4 tiempos encedido por chispa

10 Ciclos Termodinámicos p. 10/2 ciclo Otto q H q H q L q L etapas: 1-2: compresión isentrópica 2-3: calentamiento isócoro 3-4: expansión isentrópica 4-1: enfriamiento isócoro relación de compresión r = v 1 v 2

11 Ciclos Termodinámicos p. 11/2 relaciones isentrópicas (gas ideal) para un gas ideal Pv = RT, con k = c p /c v, en condiciones isentrópicas Pv k = cte P 1 P 2 = ( ) k v2 v 1 Tv k 1 = cte T 1 T 2 = ( ) k 1 v2 v 1 T k P 1 k = cte T 1 T 2 = ( ) 1 1/k P1 P 2

12 Ciclos Termodinámicos p. 12/2 ciclo Otto - eficiencia eficiencia térmica, η t = w q H = 1 q L q H qh ql qh ql el calor se intercambia en etapas isócoras (w = 0), q H = u 3 u 2 = c v (T 3 T 2 ) q L = u 4 u 1 = c v (T 4 T 1 ) de modo que η t = 1 T 1 T 2 ( ) T4 /T 1 1 T 3 /T 2 1 = 1 T 1 T 2 = 1 1 r k 1 (usando relaciones adiabáticas: T 4 /T 3 = T 1 /T 2 = 1/r k 1 )

13 Ciclos Termodinámicos p. 13/2 ciclo Otto - eficiencia para el aire, k = 1, 40 relación de compresión típica para motores a nafta r [7, 10]

14 Ciclos Termodinámicos p. 14/2 ciclo Otto - eficiencia en motores a nafta la relación de compresión r esta limitada por el problema de knocking... Si r es demasiado grande, la mezcla explota espontáneamente antes de que se produzca la chispa (knocking), se desincroniza y sufre el motor. solución: mejorar el combustible para que tolere r mas alto sin explotar solución vieja: agregar plomo Pb es VENENO! ahora: MTV...

15 Ciclos Termodinámicos p. 15/2 ciclo Otto: ejemplo ciclo Otto de aire standard con relación de compresión r = 8. Al comienzo de la carrera de compresión P 1 =100 kpa, T 1 =15 o C y en un ciclo se transfieren q H =1800 kj/kg al aire a) determinar la eficiencia b) presiones y temperaturas al final de cada etapa c) presión media efectiva

16 ciclo Otto: ejemplo ciclo Otto de aire standard con relación de compresión r = 8. Al comienzo de la carrera de compresión P 1 =100 kpa, T 1 =15 o C y en un ciclo se transfieren q H =1800 kj/kg al aire a) determinar la eficiencia b) presiones y temperaturas al final de cada etapa c) presión media efectiva η t = 1 1 = 0,565 rk 1 usando las relaciones adiabáticas... trabajo neto estado P(MPa) T(K) v(m3/kg) 1 0, , , , , , , ,827 w = η t q H = kj/kg = 1017 kj/kg presión efectiva media, P w v 1 v 2 = ,724 = 1406 kpa Ciclos Termodinámicos p. 15/2

17 Ciclos Termodinámicos p. 16/2 ciclo Diesel ciclo ideal modelar para motores encendidos por compresión P q H 2 3 s=cte s=cte 4 1 q L T 2 1 q H P=cte v=cte 3 4 q L v s etapas: 1-2: compresión isentrópica 2-3: calentamiento isóbaro (simula inyección de gasoil) 3-4: expansión isentrópica 4-1: enfriamiento isócoro (simula escape)

18 Ciclos Termodinámicos p. 17/2 motor Diesel 1-2: se comprime el aire (no el combustible!) por encima de la temperatura de autoencendido del combustible. 2-3: se inyecta gasoil (pulverizado) y se produce la explosión espontánea. La inyección dura cierto tiempo en el cual se inicia la expansión modelada P=cte 3-4: resto de la carrera generadora de potencia 4-1: escape de los gases no hay riesgo de knocking, dado que no hay combustible (solo aire) en el cilindro antes de la inyección puede operar con relaciones de compresión mas altas (entre 12 y 24) que Otto y con combustible menos refinado

19 Ciclos Termodinámicos p. 18/2 eficiencia del ciclo Diesel el calor se suministra en proceso isóbaro P q H 2 3 q H = c P (T 3 T 2 ) y se elimina en proceso isócoro s=cte s=cte 4 q L q L = c V (T 4 T 1 ) 1 v eficiencia térmica η Diesel = 1 q L q H = 1 1 k T 1 T 2 ( ) T4 /T 1 1 T 3 /T 2 1

20 Ciclos Termodinámicos p. 19/2 relación de admisión r c = vol despues de la inyección vol antes de la inyección) v 3 v 2 (para un ciclo Otto: r c = 1) entonces η Diesel = 1 1 k T 1 T 2 ( ) T4 /T 1 1 T 3 /T 2 1 = 1 1 r k 1 [ r k ] c 1 k(r c 1) 1 eficiencia termica ciclo Diesel siempre rk c 1 k(r c 1) > 1; 0,8 r c =1 (Otto) r c =2 r c =3 r c =5 para igual r, η 0,6 0,4 η Otto > η Diesel 0, r

21 Ciclos Termodinámicos p. 20/2 eficiencia: comparación gráfica ciclos Otto y Diesel con: igual estado previo a compresión (P 1,v 1 ), igual recorrido v 1 v 2 tienen igual relación de compresión r = v 1 /v 2 P Otto Diesel T v=cte p=cte v=cte 1 v 1 s η Otto > η Diesel

22 Ciclos Termodinámicos p. 21/2 eficiencia: comparación gráfica comparación falseada: Diesel admite mayor r que Otto!! Otra forma: comparo ciclos Otto y Diesel con iguales presión y temperaturas máximas (punto 3) P 2 Diesel 3 Otto T Diesel p=cte Otto v=cte v s ahora η Diesel > η Otto

23 Ciclos Termodinámicos p. 22/2 ciclo Diesel: un ejemplo un ciclo Diesel de aire standard con relación de compresión r = 16. Al comienzo de la carrera de compresión P 1 =100 kpa, T 1 =15 o C y en un ciclo se transfieren q H =1800 kj/kg al aire a) presiones y temperaturas al final de cada etapa b) determinar la eficiencia c) presión media efectiva

24 Ciclos Termodinámicos p. 22/2 ciclo Diesel: un ejemplo un ciclo Diesel de aire standard con relación de compresión r = 16. Al comienzo de la carrera de compresión P 1 =100 kpa, T 1 =15 o C y en un ciclo se transfieren q H =1800 kj/kg al aire a) presiones y temperaturas al final de cada etapa b) determinar la eficiencia c) presión media efectiva usando las relaciones adiabáticas y otros recursos... eficiencia, estado P(kPa) T(K) v(m3/kg) ,2 0, ,3 873,7 0, ,3 2666,6 0, ,8 0,827 q L = c v (T 4 T 1 ) = 782,5 kj/kg η = 1 q L q H = 0,565 trabajo neto y presión efectiva media, w = q H q L = 1017, 5 kj/kg P = w v 1 v 2 = 1312, 4 kpa