Ciclos De Potencia

• Ciclos de Potencia

Los ciclos termodinámicos son una sucesión de procesos que cumplen un ciclo en la cual una sustancia sufre una serie de cambios de estado con la finalidad de hacer disponible ciertos efectos energéticos útiles.

Los Ciclos termodinámicos son los siguientes:

• Otto

• Diesel

• Stirling

• Brayton

• Ericsson

• Ciclo Otto

Es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Inventado por Nicolaus Otto en 1872. Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.

Este ciclo es de interés ya que da el análisis del comportamiento de los motores por ignición de chispa. El ciclo Otto puede ser de 2 o de 4 tiempos.

Un ciclo de Otto de 4 tiempos se compone de 4 procesos internamente reversibles, además de una carrera de alimentación y una de expulsión en el ciclo.

Fase de Admisión: Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de forma gaseosa).

Fase de Comprensión: Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.

Fase de Explosión: Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. Él la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.

Fase de Escape: En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga)

Diagrama del Ciclo Otto

Ejemplo

Un ciclo Otto ideal con aire tomado de la atmósfera como fluido de trabajo, tiene una relación de compresión de 8. Las temperaturas mínima y máxima en el ciclo son 310 K y 1600 K. Determine:

a) La cantidad de calor transferido al aire durante el proceso de adición de calor.

b) La eficiencia térmica.

c) La presión media efectiva y la cilindrada.

• Ciclo Diesel

Es el ciclo ideal para motores de encendido por compresión. La bujía es sustituida por un inyector de combustible en los motores diesel. En este motor se asume que la adición de calor se produce durante un proceso a presión constante que se inicia con el pistón en el punto muerto superior.

Está compuesto por 4 fases:

Fase de Admisión: el aire puro entra en el cilindro por el movimiento de retroceso del pistón

Fase de Comprensión: El pistón comprime el aire muy fuerte y éste alcanza una temperatura muy elevada.

Fase de Expansión: Se inyecta el gasoil, y éste se enciende inmediatamente por causa de la alta temperatura.

Fase de Escape: El pistón empuja los gases de combustión hacia el tubo de escape

Diagrama del Ciclo Diesel

• Ciclo Stirling

El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot.

A diferencia de la máquina de Carnot, esta máquina está constituida por dos isotermas, dos isocoras y un sistema de regeneración entre las isocoras. Cabe recordar que la máquina de Carnot ideal logra la mayor eficiencia asociada a los dos focos térmicos de los que normalmente consta una máquina.

Existe también una máquina similar según el ciclo Ericsson, la cual consta de dos isotermas y dos isobaras. También consta de un sistema de regeneración entre las isobaras como en el ciclo Stirling.

El ciclo Stirling ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:

 Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría.

 Absorción de calor a volumen constante (isocórico o isócoro). El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión.

 Expansión isoterma del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente.

 Cesión de una cantidad de calor al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido

Diagrama del Ciclo Stirling

Ejemplo:

Sea n moles de un gas ideal diatómico (cv=5R/2), los focos fío y caliente está a la temperaturas T2=300 K y T1=450 K, la presión y el volumen inicial del gas son respectivamente, p1=15 atm y V1=4 l, el gas se expande hasta duplicar su volumen V2=8 l.

El número de moles de gas es:

p 1 V 1 =nRT 1   nR=15⋅4450 =215  atm⋅l/K

En la tabla se proporcionan los datos de la presión, volumen y temperatura de cada vértice del ciclo

Vértice p (atm) V (l) T (K)

1 15 4 450

2 7.5 8 450

3 5 8 300

4 10 4 300

En la siguiente tabla se proporcionan los resultados del trabajo, calor y variación de energía interna.

Proceso Calor Q(atm•l) Trabajo W(atm•l) V. energía interna, ΔU

1→2 60•ln2 60•ln2 0

2→3 -50 0 -50

3→4 -40•ln2 -40•ln2 0

4→1 50 0 50

Ciclo completo 20•ln2 0

Se absorbe 60•ln2 atm•l de calor del foco caliente durante la expansión isotérmica 1→2

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