Ciclos Termodinámicos

M del Carmen Maldonado Susano

ObjetivoEl alumno conocerá los ciclos termodinámicosfundamentales empleados en latransformación de la energía.

Contenido

4.1 Ciclos de generación de potenciamecánica. Ciclos de Brayton, de Diesely de Otto.

4.2 Ciclo de Rankine.

4.3 Ciclo de refrigeración por lacompresión de un vapor.

4.1.0 Ciclos de generación de potencia mecánica

Ciclos de generación de potencia mecánica

Los ciclos de potencia de gas odispositivos cíclicosgeneradores de potencia sonde gran importancia en elestudio de la termodinámicaya que varios sistemas ymáquinas se basan en sufuncionamiento.

Ciclos de generación de potencia mecánica

Los modernos motoresautomotrices, camiones, barcos,turbinas de gas son ejemplo deaplicaciones extremadamente útilesde estos procesos.

Ciclos de generación de potencia mecánica

Los motores endotérmicos sonmáquinas motrices cíclicas enlas que la energía interna queposee un fluido (vapor, gas) setransforma parcialmente enenergía mecánica.

Este fluido es el medio al quese le proporciona o sustrae enadecuados puntos del ciclooperativo.

4.1.1 Ciclo de Brayton

Ciclo de Brayton

Este ciclo se considera el básico enel análisis de turbinas.

Es un ciclo abierto ya que debeintroducirse aire continuamente.

Ciclo de Brayton

El aire se comprime enforma adiabática en uncompresor rotatorio axial ocentrífugo.

Ciclo de Brayton

El aire entra a una cámara decombustión donde se inyecta yquema combustible a presiónconstante.

Luego se expanden en unaturbina hasta que alcanza lapresión ambiente de losalrededores.

1 - 2 Compresión adiabática, el sistema recibe trabajo, se hace trabajo sobre el sistema

2 - 3 Proceso a presión constante en el cual se le suministra calor al sistema

3 - 4 Expansión adiabática en la cual el sistemaentrega trabajo

4 -1 Sistema cede calor al medio ambiente apresión constante.

Eficiencia térmica de Brayton

La eficiencia térmica delciclo de Brayton dependeprincipalmente de larelación de presiones, latemperatura de admisión ala turbina y las perdidasparásitas

)(

)(1

23

14

TT

TT

Ciclo de Brayton

kkpr /)1(

11

1

2

4

3

P

P

P

Prp

v

p

c

ck

r: relación de compresión

rp :relación de presiones

4.1.2 Ciclo de Rankine

Ciclo de Rankine

Este ciclo se usa en lascentrales eléctricas devapor.

Utiliza vapor de agua comomedio de trabajo.

Ciclo de Rankine

El estado de agua saturadohúmedo, estado 1, secomprimeisoentrópicamente(entropía es constante)hasta un líquido saturado,punto 2.

Ciclo de Rankine

A este estado de altapresión se agrega calor apresión constante hasta queel agua se evapora porcompleto y pasa a ser vaporsaturado –punto 3-.

Ciclo de Rankine

De aquí se deja expandirisoentrópicamente a través deuna turbina hasta el punto 4.

El Vapor parcialmente húmedose condensa a temperaturaconstante hasta el punto 1.

1 a 2 Expansión adiabática en laturbina.

2 a 3 Cambio de fase a presión ytemperatura constantes en elcondensador.

3 a 4 Aumento de presión en la bomba,volumen constante

4 a 1 Transmisión de calor a presiónconstante en la caldera

Eficiencia térmica

La eficiencia térmica ideal delciclo Rankine puede escribirsecomo:

caldera

bombaturbina

q

WW

Eficiencia térmica

La eficiencia térmica ideal delciclo Rankine puede escribirsecomo:

istradominsu

neto

q

W

4.1.3 Ciclo de Otto

Ciclo de Otto

Se define como un ciclo teórico deinterés en el análisis de unamáquina reciprocante.

Está integrado por cuatro procesosreversibles, acompañados de unproceso de admisión y uno dedescarga.

1 2 Compresión adiabática.

2 3 Suministro de calor a volumen constante

3 4 Expansión adiabática

4 1 Rechazo de calor a volumen constante

Eficiencia térmica de Otto

La eficiencia térmica ideal delciclo Otto puede escribirsecomo:

sum

neto

Q

W

1

11

kr

v

p

c

ck

4.1.4 Ciclo de Diesel

Ciclo Diesel

En el motor Diesel se suministra aireen lugar de la mezcla aire-combustible.

El motor Diesel no usa bujías,incendiándose el combustible por laelevación de temperatura ocasionadapor una alta compresión.

Ciclo Diesel

El suministro de calor se efectúa a presión constante.

Al igual que en el ciclo de Otto, las carreras de admisióny escape (barrido de los gases producto de lacombustión) son eventos mecánicos y no procesostermodinámicos, ya que el gas en la cámara decombustión no sufre alteraciones e sus propiedadestermodinámicas.

Ciclo de Diesel

(0-1) Carrera de aspiración. Se abre la válvula deaspiración y permite la entrada de aire dentro delcilindro.

(1-2) Compresión adiabática (entropía constante)se proporciona trabajo al sistema. Se cierra la válvulade aspiración, y comprime el aire contenido dentro delcilindro.

Ciclo de Diesel

(2-3) Transmisión de calor alsistema a presión constante (eneste proceso varía el volumen delsistema, ya que se inyecta elcombustible).

1 2 Compresión adiabática.

2 3 Suministro de calor a presión constante

3 4 Expansión adiabática

4 1 Rechazo de calor a volumen constante

Eficiencia térmica Diesel

La eficiencia térmica ideal delciclo Diesel puede escribirsecomo:

4 1

3 2

( )1

( )

T T

k T T

v

p

c

ck