ERMODINÁMICA AANZADA Unidad I: ropiedades y Leyes de la ermodinámica! Ciclos de potencia! Ciclo de refrigeración 8/7/0 Ctenido! Ciclos termodinámicos!! Ciclo Rankine! ariantes del Ciclo Rankine! Ciclos estándar de aire! Ciclo Brayt y variantes! Ciclos de combustión interna! Ciclo Otto! Ciclo Diesel! Ciclos de refrigeración 8/7/0 Ciclos ermodinámicos Los ciclos termodinámicos s una sucesión de procesos que cumplen un ciclo en la cual una sustancia sufre una serie de cambios de estado c la finalidad de hacer dispible ciertos efectos energéticos útiles. Los ciclos termodinámicos se clasifican como: Ciclos de potencia Ciclos de refrigeración Ciclos de vapor (Rankine) Ciclos estándar de aire urbina de gas De combustión interna 8/7/0 Ciclo Rankine simple Caldera urbina Cdensador Bomba 8/7/0
Ciclo Rankine simple Ciclo Rankine c recalentamiento " = área # # '# # # área a # # '# # b # a Eficiencia del ciclo Rankine: " = N 8/7/0 5 a b c Caldera urbina 6 5 Cdensador Bomba 8/7/0 6 Ciclo Rankine c recalentamiento Ciclo Rankine ideal regenerativo Nótese la posici del punto!! 5 Caldera urbina 5 6 6 a b c 8/7/0 7 Cdensador Bomba 8/7/0 8
Ciclo Rankine ideal regenerativo Ciclo Rankine regenerativo c calentador abierto 5 La forma del área del trabajo denota una equivalencia de eficiencia de Carnot. 8/7/0 9 5 5 a b c d Caldera urbina 6 7 Bomba Bomba Cdensador 8/7/0 0 Ciclo Rankine regenerativo c calentador abierto Ciclos de potencia estándar de aire 5 6 7 Csideracies teóricas: Flujo de masa cstante en el ciclo. Funciamiento c gases como gase ideales. El calor se transfiere desde fuentes externas. El ciclo se completa c la transferencia de calor a los alrededores ( o una fuente de baja temperatura). odos los procesos s reversibles. Las capacidades caloríficas se csideran cstantes. a b c 8/7/0 8/7/0
Ciclo Brayt Ciclo cerrado Ciclo Brayt Ciclo abierto Combustible Intercambiador de calor Cámara de combustión Compresor Intercambiador de calor urbina Compresor urbina Aire Gases Q B 8/7/0 8/7/0 Q B Ciclo Brayt Ciclo Brayt Diagramas - y - del Ciclo Brayt Eficiencia del Ciclo Brayt = cte " = N " =# Q B C =# ˆ # C ˆ # = cte " =# / # / # " =# $ =# ' & ) % ( * # * 8/7/0 5 8/7/0 6
Ciclo Brayt Ciclo Brayt Cstituye el principio de vuelo de los avies de turbinas (Boing, Airbus). urbina jet 8/7/0 urbina jet 7 8/7/0 =cst =cst ns t "= N = # B QA A co = Dde: t s! =cst 8/7/0 b c d Compresor = cte B = = ' = cte A = = ' a QA QB El suministro y desprendimiento de calor ocurren a temperatura cstante. La eficiencia se aproxima a la de Carnot. c = Cstituye la mejora de la eficiencia del Ciclo Braytr. Eficiencia: ' ' 8 Ciclo Ericss Ciclo Ericss =cst Airbus A80 urbina Regenerador 9 8/7/0 0
Ciclo Ericss Ciclo Ericss Las turbinas de gas múltiples se aproximan al Ciclo Ericss. H=cst H 8/7/0 st t s L =c H st L =c L =c =c H El ciclo Brayt regenerativo. 8/7/0 st L=cst (a) (b) Ciclo tirling Ciclos de combustión interna Es equivalente al Ciclo Ericss para un sistema cilindro-pistón. El calor se transfiere a volumen cstante. La máquina de tirling csiste un sistema cilindro-pistón c combustión externa. ciclos que ocurren en sistemas cilindro-pistón, en los cuales tienen lugar reaccies de combustión. Los ciclos más importantes s: Ciclo Otto: Ciclo ideal en el cual se basa el ciclo de combustión interna c gasolina. Ciclo Diesel: Ciclo ideal en el cual se basa el ciclo de combustión interna c diesel. = st c st =c =c H s t H=cst L=cst L=c st 8/7/0 (a) (b) 8/7/0
Ciclo Otto Etapas del Ciclo Otto Las etapas de este ciclo s: Inyección: Entrada de mezcla de aire y gasolina. El cilindro se mueve hacia abajo. Compresión: El cilindro se mueve hacia arriba comprimiendo la mezcla. otencia: En el tope superior, el pistón experimenta la chispa de la bujía, el combustible comprimido se enciende provocando la expansión súbita. Escape: En la parte baja del cilindro se abre la válvula mediante un mecanismo. Los gases de combustión salen del cilindro. Inyección Compresión 8/7/0 5 8/7/0 6 Etapas del Ciclo Otto Etapas del Ciclo Otto = cte Chispa otencia Escape = cte 8/7/0 7 8/7/0 8
Ciclo Otto Diagramas - y - del Ciclo Otto Ciclo Otto Eficiencia del Ciclo Otto Relación de compresión = cte = cte = cte = cte " = N " =# / # / # " =# Q B C =# ˆ # C ˆ # " =# $ =# ' & ) % ( = = r v * # 8/7/0 9 8/7/0 0 Ciclo Otto Ciclo Diesel Las etapas de este ciclo s: 8/7/0 Inyección: La válvula de inyección se abre. Aire de la atmósfera sin combustible entra al cilindro. Compresión: C el ascenso del pistón, el aire se comprime provocando un aumento de su temperatura. Esa temperatura iniciará la combustión del diesel. Inyección del diesel: Cuando el pistón está cerca del tope del cilindro, se inyecta el combustible, el cual se enciende debido a la alta temperatura del aire. otencia: Al quemarse el combustible, los gases se expanden empujando el pistón. Escape: En la parte baja del cilindro se abre la válvula mediante un mecanismo. Los gases de combustión salen del cilindro. 8/7/0
Etapas del Ciclo Diesel Etapas del Ciclo Diesel Inyección Compresión Compresi otencia Escape 8/7/0 8/7/0 Etapas del Ciclo Diesel Ciclo Diesel Diagramas - y - del Ciclo Diesel = cte = cte = cte = cte = cte 8/7/0 5 8/7/0 6
Ciclo Diesel Ciclo Diesel Eficiencia del Ciclo Diesel " = N " =# Q B C =# ˆ # C ˆ # " =# # $ # " =# / # $ / # 8/7/0 7 8/7/0 8 imilaridades estre los ciclos de turbinas de gas y los de combustión interna No hay cambio de fases. ólo la fase gaseosa está presente. Los modelos s csiderados reversibles, dado que cada proceso individual es reversible. anto las expansies como las compresies s adiabáticas, por lo tanto isentrópicas. odos los procesos cumplen un ciclo desde el punto de vista mecánico, c etapas repetidas de expansión, compresión y transferencia de calor. Las capacidades caloríficas s csideradas cstantes, salvo que se requiera una precisión más estricta. 8/7/0 9 Ciclo de Refrigeración Ciclo de refrigeración cvencial Es el dispositivo capaz de transferir calor desde una región fría a una caliente. En esa operación se csume trabajo para la compresión del gas, de acuerdo al enunciado de Clausius y recíproco a la máquina térmica del enunciado de Kelvin-lank. Incluye una etapa decompresión irreversible: álvula de estrangulamiento (proceso isentálpico). i el objetivo es enfriar una región: Refrigeradores, cuartos fríos, acdiciadores de aire. i el objetivo es calentar una región: Bomba de calor. 8/7/0 0
Ciclo de Refrigeración Ciclo de refrigeración cvencial Ciclo de Refrigeración Ciclo de refrigeración cvencial Compresor Q = 0 Cdensador H= cte álvula de estrangulamiento!: Coeficiente de funciamiento Enfriar una región Calentar una región Evaporador 8/7/0 " = Q B N Q B 8/7/0 " = N