Termodinámica II

Ciclos de aire normal

Juan Esteban Tibaquirá G.

Facultad de Ingeniería Mecánica

Universidad Tecnológica de Pereira

Ciclos de Potencia de gas

• Otto

• Diesel

• Dual

• Stirling

• Ericsson

• Brayton

• Estos ciclos son los

modelos idealizados de

los ciclos reales, usados

en motores de vehículos,

barcos, plantas de

generación eléctrica o

mecánica y muchas otras

aplicaciones

Ciclos real e ideal

• Ciclo real:

Fricción

Transferencia de calor

hacia los alrededores

Proceso de

combustión

• Ciclo ideal: aquí se hacen

una serie de suposiciones

que hacen que el análisis

sea mas simple. Los

resultados obtenidos son de

gran utilidad para conocer el

comportamiento de una

máquina real desde el punto

de vista cualitativo.

Suposiciones de aire normal

• El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y se modela como un gas ideal

• Todos los procesos son internamente reversibles

• El proceso de combustión se sustituye por la transferencia de calor desde una fuente externa

• El proceso de escape de gases es sustituido por un rechazo de calor que regresa el fluido de trabajo a su estado inicial

• Los calores específicos Cp y Cv se suponen

constantes a temperatura ambiente

• Los resultados obtenidos pueden resultar

considerablemente diferentes de los obtenidos

con calores específicos variables con la

temperatura

• Las suposiciones de aire frio normal se usan

fundamentalmente para para indicar las

tendencias.

Suposiciones de aire frio normal

Máquinas reciprocantes

• Algunas definiciones:

Carrera: distancia entre el PMS y el PMI.

Calibre: diámetro del pistón.

Volumen de espacio libre: volumen formado

en el cilindro cuando el pistón esta en el

PMS.

Volumen de desplazamiento: volumen

desplazado por el cilindro cuando se mueve

entre el PMI y el PMS.

Máquinas reciprocantes 2

Relación de compresión (r)

• Es la relación entre el

máximo volumen

formado en el cilindro

y el volumen mínimo

(Espacio libre).

min

max

r

Vmin

Vmax

Presión media efectiva (PME)

• Es una presión ficticia

que si actuará sobre el

émbolo durante la

carrera de potencia

completa, produciría la

misma cantidad de

trabajo neto que el

producido durante el

ciclo real. Se usa como

parámetro de

comparación

minmaxminmax vv

wWnetoPME neto

Clasificación de las máquinas

reciprocantes

• Máquinas de

encendido por chispa

(ECH): como el motor

a gasolina.

• Máquinas de

encendido por

compresión

(EC):como el motor

diesel.

Ciclo Otto: ciclo ideal para las

máquinas de encendido por chispa

Procesos ciclo Otto

Admisión Escape Expansión Compresión

Máquina de cuatro tiempos

Máquina de dos tiempos

Máquina de dos tiempos (2)

Comparación entre motores de 2 y 4 tiempos

• Four Stroke vs. Two Stroke Cost Factors: Purchase costs: In general, four stroke motors cost about 25% more upfront to

purchase than two stroke engines.

Operating costs: Four stroke motors are more fuel efficient than two stroke engines, so fuel costs are lower. Over time, the savings in fuel expenses may compensate for the higher purchase cost of the four stroke engines.

Maintenance costs: For basic maintenance, four stroke engines use fewer spark plugs than two strokes but need periodic checking of crankcase oil level, and regular oil and filter changes. For larger repair issues, four stroke repairs are generally more expensive and involved than for two stroke engines, simply because there are more components in a four stroke engine.

Four Stroke vs. Two Stroke Performance: * Four stroke engines are quieter and smoother running.

* Four stroke engine exhaust is cleaner and basically smokeless, because unlike two stroke engines, no oil is mixed with gas.

* Two stroke engines generally weigh less than four stroke engines of comparable horsepower.

* Power is not an issue because horsepower ratings are standard regardless of the technology being used.

Ciclo Otto

• Cuatro procesos internamente reversibles: 1-2: Compresión

isentrópica

2-3: Adición de calor a volumen constante

3-4: Expansión isentrópica

4-1: Rechazo de calor a volumen constante

Eficiencia térmica del ciclo Otto

Eficiencia térmica del ciclo Otto vs. relación de

compresión, con k=1.4 (aire)

0

0.2

0.4

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14

Relación de compresión

Efi

cie

ncia

té

rmic

a

Eficiencia térmica del ciclo Otto

Eficiencia térmica de un ciclo Otto vs. r (Diferentes

valores de k)

0

0.5

1

0 2 4 6 8 10 12 14

Relacion de compresión

Efi

cie

ncia

térm

ica k=1.4

k=1.3

k=1.667