Informe Ciclo de Otto Diesel Rankine

7/26/2019 Informe Ciclo de Otto Diesel Rankine

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CICLO DE OTTO

Muchas de las máquinas térmicas que se construyen en la actualidad (motores de camiones,

coches, maquinaria, etc.) están provistas de un motor denominado motor de cuatro tiempos.

El ciclo que describe el fluido de trabajo de dichas máquinas se denomina ciclo de Otto,

inventado a finales del silo !"! por el ineniero alemán del mismo nombre.En el ciclo de Otto, el fluido de trabajo es una me#cla de aire y asolina que e$perimenta una

serie de transformaciones (seis etapas, aunque el trabajo reali#ado en dos de ellas se cancela)

en el interior de un cilindro provisto de un pist%n (ver siuiente animaci%n&).

1. Admisión' la válvula de admisi%n se abre, permitiendo la entrada en el cilindro de la

me#cla de aire y asolina. l finali#ar esta primera etapa, la válvula de admisi%n se

cierra. El pist%n se despla#a hasta el denominado punto muerto inferior (PMI).1. Compresión adia!"tica' la me#cla de aire y asolina se comprime sin intercambiar

calor con el e$terior. a transformaci%n es por tanto isentrópica. a posici%n que

alcan#a el pist%n se denomina punto muerto superior (PM#). El trabajo reali#ado por

la me#cla en esta etapa es neativo, ya que ésta se comprime.$. E%plosión' la buj*a se activa, salta una chispa y la me#cla se enciende. +urante esta

transformaci%n la presi%n aumenta a volumen constante.$&. E%pansión adia!"tica' la me#cla se e$pande adiabáticamente. +urante este proceso,

la ener*a qu*mica liberada durante la combusti%n se transforma en ener*a mecánica,

ya que el trabajo durante esta transformaci%n es positivo.&1. Enfriamiento isócoro' durante esta etapa la presi%n disminuye y la me#cla se enfr*a

liberándose calor al e$terior.1'. Escape' la válvula de escape se abre, e$pulsando al e$terior los productos de la

combusti%n. l finali#ar esta etapa el proceso vuelve a comen#ar.

endimiento del ciclo de Otto ideal

El rendimiento del ciclo de Otto, como el de cualquier otra máquina térmica, viene dado por la

relaci%n entre el trabajo total reali#ado durante el ciclo y el calor suministrado al fluido de

trabajo'

a absorci%n de calor tiene luar en la etapa y la cesi%n en la -, por lo que'

http://es.wikipedia.org/wiki/Nikolaus_August_Otto

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/maquinas.html#rendimiento

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/maquinas.html#rendimiento

http://es.wikipedia.org/wiki/Nikolaus_August_Otto



uponiendo que la me#cla de aire y asolina se comporta como un as ideal, los calores que

aparecen el ecuaci%n anterior vienen dados por'

/a que ambas transformaciones son isoc%ricas.

ustituyendo en la e$presi%n del rendimiento'

as transformaciones 01 y 2 son adiabáticas, por lo que'

3uesto que V 1 4 V y V 2 4 V 0.

5estando,

a relaci%n entre vol6menes V 1V se denomina relaci%n de compresi%n (r ).

ustituyendo en la e$presi%n del rendimiento se obtiene'

El rendimiento e$presado en funci%n de la relaci%n de compresi%n es'

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/estado.html#gasideal



http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/primerpisoc.html


http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/primerpadiab.html



http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/primerpadiab.html



7n ciclo Otto ideal tiene una relaci%n de compresi%n de 8. l inicio del proceso de compresi%n

el aire esta a 1'' *Pa y 1+ oC, y ,''*-* de calor se transfieren a volumen constante hacia

el aire durante el proceso de adici%n de calor. +etermine' a) 9emperatura y presi%n má$ima

durante el ciclo, !) 9rabajo neto de salida, c) Eficiencia térmica del ciclo y d) 3resi%n media

efectiva en el ciclo.

:raficas del ciclo'



a) 9emperatura y presi%n má$ima durante el ciclo'

Estado 0'

90 4 0; o< 4 0; = 1; 4 1>? @A 30 4 0?? @3a

En proceso isentr%pico de un as ideal se cumple que1

2

1

2

r

r

v

v

V

V =

en donde vr0 y vr1 son los

vol6menes espec*ficos relativos del aire a las temperaturas correspondientes. 3ara la

temperatura de 1>? @ vr0 4 B;B,0 y u0 4 1?B,>0 CDC

a relaci%n de compresi%n r 4 Fma$Fmin 4 F0F1 4 8, entonces calculamos vr1.

51,8451,848

1,67612

1

2

1

2 =→===→= r

r

r

r

r v

r

vv

v

v

r

. <on este valor determinamos la

temperatura en el estado 1 usando la tabla de propiedades del aire como podemos observar

este valor no esta reistrado en la tabla por lo tanto interpolamos de acuerdo a los siuientesvalores'

/r T028-,2 B-?82,-0 91

80,8> BB? K T

T

1,652

650)650660(84,8589,81

34,8551,84

2

2

=

+−−−

=

a ecuaci%n de estado de un as ideal es P3 4 T en donde 3 es la presi%n, v es el volumen

especifico del as, 5 es la constante universal de los ases y 9 la temperatura del as, ahora v

4 Fm, en donde F es el volumen del as y m la masa si sustituimos en la ecuaci%n de estado

tenemos que' P/ 4 mT. 3ara dos estados diferentes y una masa fija queda'

2

22

1

11

RT

V P m

RT

V P m =∴=

, iualando nos queda'2

22

1

11

T

V P

T

V P =

despejando 31 nos queda'

kPa K

K kPar

T

T P

V

V

T

T P P 8,1798

290

)8)(1,652)(100(

1

21

2

1

1

212 ==

=

=

3roceso 1 G ' adici%n de calor a volumen constante'

23 uuuqentrada −=∆=

3ara la temperatura de 91 4 B-1,0 @ determinamos u1 en la tabla de propiedades del aire, lo

cual haremos por interpolaci%n'



T02 u0*-*2

B-? 2;,1-

B-1,

0

u1

BB? 280,?0

kg kJ u

u

/9,4742

,473)25,47301,481(650660

6501,6522

=

+−−

−=

kg kJ kg kJ uqu entrada /9,1274/)9,474800(23 =+=+=

3ara determinar 9 buscamos en la tabla de propiedades del aire u, de nuevo tenemos que

interpolar'

u0*-*2

T02

01B?,>> 0-B?

01;2,> 9

01;>,;

-

0-8?

K T

T

9,15743

15)15601580(99,126065,1279

99,12609,12743

=

+−−

−=

a temperatura má$ima alcan#ada por el ciclo es T$ 4 15+&67 .

3ara el cálculo de 3 (presi%n má$ima) usamos la siuiente e$presi%n'

=→=

3

2

2

3

23

3

33

2

22

V

V

T

T P P T

V P

T

V P

, como el proceso es a volumen constante tenemos que' F1 4

F, por lo tanto la ecuaci%n queda'

kPa K

K kPa

T

T P P 31,4344

1,652

9,15748,1798

2

3

23 =

=

=

a presi%n má$ima alcan#ada por el ciclo es P$ 4 &$&&6$1 *Pa.

!) 9rabajo neto de salida'

3ara un ciclo se cumple que Hns 4 qne. hora qne 4 qe G qs, calcularemos qs, la cual es, Iqs 4 u0

G u2, qs 4 u2 G u0, para la temperatura 90 4 1>? @ u0 4 1?B,>0 CDC, requerimos calcular u2.



3roceso G 2 e$pansi%n isentr%pica.

34

3

4

3

4

3

4r r

r

r

r

r rvvv

vr

v

v

V

V =→=→=

+eterminamos vr a la temperatura de 9 4 0-;2,> @, para lo cual de acuerdo con la tabla de

propiedades del aire tenemos que interpolar'

T02 3r

0-B? B,?0

0-;2,> vr

0-8? B,?2B 111,6

30,6)301,6046,6(15601580

15609,1574

3

3

=

+−−

−=

r

r

v

v

888,48)111,6)(8(34 === r r rvv

3ara este volumen espec*fico relativo determinamos la temperatura 92, usamos la misma tabla

y de nuevo interpolamos'

3r T02-0,B2 ;8?28,888 92

28,?8 8?? K T

T

5,795

780)780800(64,5108,48

64,51888,48

4

4

=

+−−−

=

<on esta temperatura determinamos u2.

T02 u0*-*2

;8? -;B,01

;>-,

-

72

8?? ->1,

kg kJ u

u

/7,588

1,576)12,5763,592(780800

7805,795

4

4

=

+−−

−=

<alculamos qs, qs 4 (-88,; G 1?B,>0) CDC 4 80,8 CDC

El trabajo neto será' 8n 4 (8?? G 80,8) CDC 4 &1,61+ *-*



c) Eficiencia térmica del ciclo a partir de su definici%n'

3or definici%n tenemos que'

%3,52523,0/800

/17,418∴===

kg kJ

kg kJ

q

w

e

n

t η

Jajo las condiciones de aire estándar

4,111

1 )8(11

11 −−

− −=−=−= k

k T r

r η

%5,56565,0 ∴=t η

En donde @ 4 0,2 a la temperatura ambiente para calores especifico constantes de c v 4 ?,;08

CDC.@ y cp 4 0,??- CDC.@.

d) 3resi%n media efectiva (3ME)

)1

1(11

121

r v

w

r

vv

w

vv

w PME

nnn

−=

−=

−=

+onde

kg mkPa

K K kg mkPa

P

RT v /832,0

100

)290(./.)287,0( 33

1

11 ===

kPa

kg m

kg kJ PME 574

/)811)(832,0(

/17,418

3

=

−

=

CICLO DE A9I9E

El ciclo 5anCine opera con vapor, y es el utili#ado en las centrales termoeléctricas. <onsiste en

calentar aua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presi%n del vapor, que se hace incidir

sobre los álabes de una turbina, donde pierde presi%n produciendo ener*a cinética. 3rosiue

el ciclo hacia un condensador donde el fluido se lic6a, para posteriormente introducirlo en una

bomba que de nuevo aumentará la presi%n, y ser de nuevo introducido en la caldera.

a representaci%n en diarama pIF de ciclos en los que el fluido se vapori#a, presentan una

diferencia con respecto a los ciclos de as, ya que aparece una campana, llamada de cambio

de fase.



la i#quierda corresponde al estado l*quido, en el que prácticamente no hay modificaciones de

volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presi%n. 3or ello las isotermas son

prácticamente verticales.

la derecha corresponde al estado vapor, aqu* el fluido se comporta como un as, y por ello

las isotermas son muy parecidas a las de los ases ideales.

+entro de la campana, el fluido se está evaporando, y las isotermas son hori#ontales. Esto es

as* porqué dada una presi%n, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la

temperatura, sino en su evaporaci%n.

El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de <arnot, aunque no alcan#a

valores tan elevados.



EL CICLO DE DI:#EL

El ciclo de diésel es un motor de encendido por compresi%n (en luar de encendido por

chispa). El combustible atomi#ado se inyecta en el cilindro en p1(alta presi%n) cuando la

compresi%n se completa, y hay encendido sin una chispa.

7n ciclo +iesel es una apro$imaci%n te%rica al comportamiento de un motor de encendido por

compresi%n. e representa en un diarama pIF como en la fiura adjunta. iendo sus fases las

siuientes'

Admisión E;A. El pist%n desciende mientras la válvula de admisi%n permanece abierta,

absorbiendo aire a presi%n constante de la atm%sfera. e representa como una l*nea hori#ontal.



Compresión A;<. sciende el pist%n estando

cerradas las válvulas de admisi%n y de escape, se

produce la comprensi%n del aire sin intercambio de

calor, es decir es una transformaci%n adiabática.

Com!ustión <;C. 7n instante antes de que el pist%n

alcance el 3M y hasta un poco después de quecomience la carrera descendente, el inyector

introduce asoil en el cilindro produciéndose la

combusti%n a presi%n constante durante un instante

de tiempo mayor que en el motor de encendido por

chispa (es la diferencia más notable con el ciclo de

Otto, estudiado anteriormente). mbas válvulas se

mantienen cerradas.

E%pansión C;D. a reacci%n qu*mica e$otérmica

producida en la combusti%n enera ener*a que

impulsa el pist%n hacia abajo, aportando trabajo al ciclo, correspondiendo esta transformaci%n a

una curva adiabática, las válvulas de admisi%n y de escape permanecen cerradas.

Escape +I y IE. a válvula de escape se abre, el pist%n prosiue su movimiento ascendente

y va barriendo y e$pulsando los ases de la combusti%n, cerrándose el ciclo al producirse una

nueva admisi%n de aire cuando se cierra la válvula de escape, a continuaci%n se abre la de

admisi%n y el pist%n contin6a su carrera descendente.

<omo la cantidad de aire que sale y la que entra en el cilindro es idéntica podemos considerar

que es el mismo que ha sufrido un proceso de enfriamiento que se produce en dos fases,

cuando alcan#a el pist%n el 3M", el volumen se mantiene apro$imadamente constante y se

representa en el diarama como la is%cora +I, para posteriormente ser e$pulsado al e$terior a

presi%n constante (la de la atm%sfera), representándose por la is%bara IE. <on lo que se

cierra el ciclo, tras dos movimientos de subida y bajada del pist%n, tras dos vueltas del ciKeLal,

que corresponden con los cuatro tiempos del motor.

Observando el ciclo +iesel ideal, podemos considerar despreciables los procesos de admisi%n

y de escape a presi%n constante IE y EI, puesto que son idénticos en la ráfica y de sentido

opuesto, por lo que el calor y el trabajo intercambiados entre ellos se anulan mutuamente.



Jiblioraf*a

0. . <allen (0>8-) Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, Niley, /.

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https://es.wikipedia.org/wiki/Especial:FuentesDeLibros/0471677639



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