UNIVERSIDAD TECNICA NACIONAL. Ingeniería en Producción Industrial. Termodinámica IPRI Profesor. Luis Alberto Rojas Montealegre

Transcripción

1 UNIVERSIDAD TECNICA NACIONAL Ingeniería en Producción Industrial Termodinámica IPRI-1112 Profesor Luis Alberto Rojas Montealegre Investigación sobre Ciclo Dual o Seiliger Estudiantes Dayana Lostalo León Emanuel Chavarría Mora I Cuatrimestre 2018

2 Introducción A lo largo de esta investigación se brindará una serie de información necesaria para facilitar la comprensión de este tema, en donde abarcará principalmente lo que es el ciclo dual o también conocido como ciclo semi-diesel, el cual es un ciclo que sobreviene del ciclo Otto con una fase de combustión a volumen constante en la cual se introduce la cantidad de calor, por otra parte del ciclo Diésel una fase de combustión a presión constante. En este trabajo se presenta un modelo para el ciclo Dual considerando su funcionamiento a tiempo finito. Dicho modelo predice valores de eficiencia, potencia y relación de compresión que concuerdan más razonablemente con los correspondientes valores para motores reales, esto en comparación con un análisis de la Primera Ley de la Termodinámica. Además, este modelo conduce a gráficas con máximos absolutos y ofrece curvas tipo rizo para la potencia en términos de la eficiencia, como es característico de máquinas térmicas reales. En los siguientes apartados se desarrollará un poco más sobre cada tema en donde se dará a conocer los conceptos fundamentales de cada tema, los principios del ciclo dual, todos los procesos necesarios para llevar a cabo un ejercicio sobre dicho tema, además de una serie de simbología y fórmulas qué explican el funcionamiento de estas mismas.

3 Ciclo Dual El ciclo de Sabathé, también llamado combustión dual o presión limitada o mezclado o Seiliger, es un ciclo termodinámico de referencia para motores de combustión interna en el que la combustión se produce en parte a presión constante y en parte a volumen constante. Con frecuencia, el ciclo diesel simple no representa bien el funcionamiento del motor de combustión interna e ignición por compresión, o Diesel. Un método para modelar mejor el motor Diesel real es con el Ciclo Dual, que tiene una adición de calor a volumen constante (como el ciclo Otto) más una adición de calor a presión constante. El porcentaje de calor agregado durante cada uno de estos dos procesos es la única propiedad del Ciclo Dual que le permite acomodarse mejor al motor Diesel real. Definiremos al Ciclo Dual como formado por los procesos siguientes: Figura 1: Diagramas de propiedades para el motor de combustión interna con ciclo dual ideal Fuente: Libro Termodinámica Sexta Edición, Kurt C. Rolle Diagrama p-v: presión p en función del volumen específico v, apropiado para representar la potencia mecánica. Se utiliza en compresores alternativos y motores de combustión interna con un fluido de trabajo puramente gaseoso. En él pueden observarse procesos cíclicos, ya que el cambio de volumen y el tiempo están fuertemente relacionados. El área comprendida es una medida para el trabajo mecánico realizado, que se denomina trabajo útil técnico.

4 Diagrama T-s: temperatura T en función de la entropía s. Apropiado para representar las relaciones termodinámicas. El sentido de rotación del ciclo indica si se trata de una máquina motriz o una máquina generatriz. El ciclo hacia la derecha (en el sentido de las agujas del reloj) indica que se trata de una máquina motriz y el ciclo hacia la izquierda (en sentido contrario a las agujas del reloj) señala que se trata de una máquina generatriz. En el ciclo hacia la derecha se absorbe calor a un alto nivel de temperatura y se emite a baja temperatura. En el ciclo hacia la izquierda, por el contrario, se absorbe calor a baja temperatura y se emite a alta temperatura. El ciclo hacia la izquierda accionado es apropiado como bomba de calor o máquina frigorífica. El área comprendida es una medida para el trabajo útil técnico, como en el diagrama p-v. 1. Admisión de aire (0 1) El motor aspira solo aire, que penetra en el cilindro a través de la válvula de admisión. 2. Comprensión adiabática del aire (1 2) El aire se comprime adiabáticamente en el cilindro llegándose a alcanzar temperaturas elevadas que posibilitan la combustión. 3. Inicio de la combustión. Comprensión isocora (2 3) Al haber alcanzado el aire una temperatura elevada en la cámara y al estar esta en comunicación directa con la antecámara, que contiene una cierta cantidad de combustible, se producirá la combustión aumentando la presión. En este proceso no se ha producido ninguna chispa ni inyección del combustible. 4. Combustión isobárica (3 4) Debido a la combustión se produce una elevación instantánea de la presión en la antecámara que hace que el combustible que aún no se ha consumido y los gases de la combustión parcial, sean impulsados a la cámara, donde prosiguen la combustión hasta finalizar a presión constante debido al movimiento del embolo. 5. Expansión adiabática (4 5) En esta etapa tiene lugar la expansión adiabática de los gases de combustión. 6. Enfriamiento a volumen constante (5 1)

5 Al finalizar la expansión, se abre la válvula de escape o descarga, con lo cual se igualan la temperatura y la presión a exteriores, teniendo lugar la cesión de calor en un proceso considerado isócoro. La figura 1 muestra el diagrama p-v de un ciclo dual, y además muestra que hay cinco procesos distintos. Si todo el calo se agrega a volumen constante (isométrico), el ciclo dual no es más que el mismo ciclo Otto ideal y si todo el calor se agrega a presión constante (isobárico), el ciclo dual equivale al ciclo Diesel. Con frecuencia el motor Diesel funciona en un ciclo Dual en el que la fracción de calor agregado a volumen constante va de 40 a 60% del total agregado. En general el proceso de cesión de calor al sistema (la combustión) se produce en parte a volumen constante y en parte a presión constante. Esto originó un nuevo ciclo teórico ideal, denominado de Sabathé, cuyo desarrollo corresponde al diagrama anterior. El rendimiento del ciclo mixto resulta intermedio entre el del ciclo Otto y el del ciclo Diesel. Si se aumenta el calor suministrado a volumen constante y se reduce el suministrado a presión constante, el rendimiento térmico se aproxima al del ciclo Otto. Si, por el contrario, se reduce el calor suministrado a volumen constante y se aumenta el correspondiente a presión constante, el rendimiento del ciclo mixto se aproxima al del ciclo Diesel. Ciclo teórico mixto en el cual la combustión (es decir, la fase durante la cual se suministra energía en forma de calor al fluido activo). El ciclo mixto de Sabathé se presta, en la práctica, a la descripción y al análisis de todos los ciclos de funcionamiento de los motores volumétricos, considerando los ciclos teóricos de Otto y Diesel como casos particulares en los que la combustión se realiza totalmente a volumen constante o totalmente a presión constante. El motor se aproxima al ciclo Diesel puro cuanto más lento es, porque cuanto más lenta es la carrera del pistón, más se puede retener la combustión isobárica: convencionalmente acepta la aproximación por debajo de 2 Hz que se produce principalmente en el entorno marino (ambos en la versión con cuatro que en la

6 versión de dos tiempos). Por otro lado, los ciclos "Diesel Fast" para el sector de la automoción están a 40 Hz : el ciclo ideal debe considerarse como Sabathé. El ciclo de Sabathé, realiza la aspiración y la compresión del aire en sus dos primeros tiempos, lo mismo que el diesel, pero la relación de compresión no es tan alta como para realizar la combustión por simple contacto del combustible con el aire comburente caliente. Cuando el motor está en marcha se mantiene caliente una superficie de la pared de la cámara de combustión no refrigerada por agua y se puede obtener la temperatura de ignición (proceso que ocurre cuando el calor que emite una reacción llega a ser suficiente como para sostener la reacción química) por una compresión baja, del orden de 20 a 25 kg/cm2. Es un ciclo de cuatro tiempos, siendo su funcionamiento el siguiente: En el primer tiempo se abre la válvula de admisión y se produce la aspiración de aire según (0-1). En el segundo tiempo se comprime el aire adiabáticamente según (1-2) alcanzándose al final de esta compresión una temperatura T2 menor de 800 C

7 por lo que para obtener la combustión por simple contacto del combustible pulverizado con el aire comprimido, se necesita aportar calor. La temperatura de ignición se puede conseguir de varias formas, mediante un calentamiento de la cámara de combustión o introduciendo el combustible a mayor temperatura, o haciendo incidir por choque, el combustible contra las paredes de la cámara de combustión, o haciendo saltar en dos una chispa mediante una bujía, entre otros. En el tercer tiempo se produce la combustión de la mezcla (aire-combustible) a volumen constante (2-3) y a presión constante (3-4), de forma que al comienzo se produzca una combustión violenta (2-3), siendo más suave al final de la misma. Donde: Q1*: Cantidad de calor en el proceso 2-3, (KJ/kg) Cv: Calor específico a volumen constante, (KJ/kg K). T3: Temperatura en el punto 3, (ok) T2: Temperatura en el punto 2, (ok) Q1**: Cantidad de calor en el proceso 3-4, (KJ/kg) Cp: Calor específico a presión constante, (KJ/kg K). T4: Temperatura en el punto 4, (ok) Los gases producidos en la combustión se expansionan en el cilindro de trabajo generando un trabajo según la transformación adiabática (4-5). En el cuarto tiempo se abre en 5 la válvula de escape y se produce una caída brusca de presión hasta 1, eliminándose Q2 calorías al exterior a lo largo de (5-1): Q 2 = Cv (T 5 - T 1 )

8 A continuación, los gases de la combustión se expulsan al exterior según (5-1), renovándose la carga de aire en 0, reiniciándose el ciclo. Teniendo en cuenta que: Se tiene: Compresión adiabática (1-2): Combustión a volumen constante (2-3): Combustión a presión constante (3-4): Expansión adiabática (4-5): Por lo que el rendimiento teórico del ciclo semi-diesel es:

9 Donde: Rendimiento teórico ciclo diesel. Relación de compresión. Relación de cierre de admisión. Relación de calor específico. Factor multiplicador de la presión p2. La presión media del ciclo es la relación entre el trabajo y el volumen barrido por el pistón. Presión media = Trabajo ciclo V barrido El trabajo del ciclo se determina por: Trabajo ciclo = Q1 - Q2 Donde: El volumen del barrido se determina por: Remplazando las ecuaciones se tiene:

10 Simplificando la ecuación: Donde: Relación de compresión. Relación de cierre de admisión. Relación de calor específico. Factor multiplicador de la presión p2. La presión máxima del ciclo se puede expresar en función de la relación de presiones Que a su vez, depende de los diferentes parámetros y del calor Q1: Finalmente:

11 Conclusión Este ciclo es el más utilizado en cuanto a tema de motores se refiere ya que es considerado el ciclo más real, es decir que basados en estudios lo consideran el ciclo más eficiente o exacto que el ciclo Otto y el de Diesel; ya que éste se presta, en la práctica, a la descripción y al análisis de todos los ciclos de funcionamiento de los motores volumétricos, considerando los ciclos teóricos de Otto y Diesel como casos particulares en los que la combustión se realiza totalmente a volumen o presión constante. Es decir, en la práctica, los ciclos Otto y Diesel se aproximan mucho en la forma, hasta el punto de considerarlos como un caso particular del ciclo Dual, en el cual, parte de la combustión se verifica a volumen constante y otra, a presión constante.

12 Bibliografía DeMotor. (2016). Ciclo mixto de Sabathé. 10 de abril de 2018, de demotor.net Sitio web: Documento anexo, Trabajo de investigación Ciclo Dual o semi-diesel, recuperado el 10 de abril de Kurt C. Rolle. (2006). Termodinámica..: Pearson Educación.