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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO “LUIS CABALLERO MEJÍAS” MÁQUINAS DE DESPLAZAMIENTO

CICLO TEÓRICO IDEAL

AUTOR: MARIANT SALAS EXP: 2013103128 C.I.: 24.462.283

CARACAS, AGOSTO DE 2018

INTRODUCCIÓN En un mundo con constantes transformaciones como el nuestro, el hombre ha desarrollado diversas tecnologías que le permiten no solo la obtención de procesos más eficientes, sino también, la conquista de habitas que se consideran inhabitables en siglos pasados. Una de estas teorías científicas y tecnológicas la constituyen los avances en el área de la termodinámica, la cual se encarga de estudiar la energía, la forma de producirla, transferirla y aprovecharla, entre otros. De allí, que nos es de extrañar la importancia que cobra su aplicación en la producción de alimentos y bienes, a través de procesos de producción de potencia o fuerza y de la refrigeración ambiental y puntual. Por esto, se observa la importancia de estudiar dichos ciclos, la forma como se producen y sus principales diagramas, pues todo ingeniero debe hacer uso cotidiano de estos, en su trabajo o su vida común. Los ciclos de potencia de gas o dispositivos cíclicos generadores de potencia revisten de gran importancia en el estudio de la termodinámica ya que varios sistemas y maquinas se basan en su funcionamiento. Los modernos motores automotrices, camiones, barcos, turbinas de gas son ejemplo de aplicaciones extremadamente útiles de estos procesos. La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos. Los ciclos que se llevan a cabo en los dispositivos reales son difíciles de analizar debido a la presencia de efectos complicados, como la fricción y la falta de tiempo suficiente para establecer las condiciones de equilibrio durante el ciclo. Para que sea factible el estudio analítico de un ciclo es necesario mantener estas complejidades en un nivel manejable y utilizar algunas idealizaciones. Cuando el ciclo real se elimina todas las irreversibilidades y complejidades internas, se consigue finalmente un ciclo que se parece en gran medida al real pero que está formado en su totalidad de procesos internamente reversibles, ciclo conocido como Ciclo Ideal. Un modelo idealizado permite realizar un estudio con las características generales de los procesos reales a los cuales representan.

TEORÍA DE LOS CICLOS Para los ciclos teóricos, las aproximaciones más empleadas en orden de aproximación a las condiciones reales son tres:  Ciclo real  Ciclo de aire  Ciclo aire-combustible. A estos ciclos teóricos se comparan en la práctica los ciclos reales. Los ciclos reales se obtienen experimentalmente por medio de los indicadores. El uso de estos indicadores es el motivo por el cual los ciclos reales también son llamados ciclos indicados. Los ciclos teóricos no son idénticos a los ciclos reales, pero son una herramienta muy útil para estudiar termodinámicamente los motores de combustión interna. Especialmente para comprender cuanto influyen sobre su utilización las condiciones de funcionamiento y para comparar entre sí diversos tipos de motores. Suposiciones de los ciclos teóricos Los ciclos teóricos también se pueden llamar ciclos ideales ya que se calcula suponiendo que las condiciones de operación son ideales tal y como se detalla a continuación. En los ciclos teóricos (o ciclos ideales) se supone que el fluido operante está constituido por aire y que éste se comporta como un gas perfecto. Por ello, los valores de los calores específicos se consideran constantes e iguales al del aire a las condiciones tipo 15º de temperatura y 1 atmósfera de presión: Cp = 0.241 Ca/kg ºC Cv = 0.172 Ca/kg ºC Donde resulta:

𝑘=

𝐶𝑝 𝐶𝑣

= 1,40

Suponemos, además, que en el ciclo teórico (o ciclo ideal) las fases de introducción y sustracción de calor tienen una duración bien determinada, dependiente del tipo de ciclo (ciclo otto, ciclo diésel, ciclo de sabathé), y que en las otras fases no hay pérdidas de calor. Es natural, que, con estas hipótesis, los valores máximos de temperatura y presión, así como, en consecuencia, el trabajo y el rendimiento térmico calculados para el ciclo teórico (o ciclo ideal), sean más elevados que los correspondientes a los otros tipos de ciclos. El ciclo teórico (o ciclo ideal) representa, por tanto, el límite máximo que teóricamente puede alcanzar el motor y permite un fácil estudio matemático basado en las leyes de los gases perfectos. A él nos referimos al emplear a lo largo de este tratado, la expresión “ciclo teórico”.

Ciclo de aire En el ciclo de aire, el fluido operante es también aire, pero se supone que los calores específicos son variables a lo largo de la gama de temperaturas en que se opera. Las condiciones de introducción y sustracción del calor son iguales a las del ciclo ideal y tampoco hay pérdidas de calor. Como el cálculo de los calores específicos medios es complicado, se usan tablas que dan directamente los valores del calor y el trabajo, en términos de energía interna y entalpía para los diversos puntos de las transformaciones isentrópicas del aire. Teniendo en cuenta la variaciones de los calores específicos, se obtienen, para la temperaturas y presiones máximas, valores inferiores a los calculados para el ciclo ideal; por consiguiente, el trabajo y el rendimiento térmico asimismo más bajos, pero, así y todo, son aún mayores que los correspondientes a un ciclo real. Ciclo aire combustible El ciclo aire-combustible es, entre todos los que por lo general se calculan, el más próximo al ciclo real. En el motor de encendido por chispa (ciclo otto), el fluido está compuesto, durante la fase de aspiración, por la mezcla y los gases residuales de la combustión anterior; en el motor de encendido por compresión (ciclo diésel) está formado por aire y los gases residuales. Después de la combustión, el fluido está constituido por productos de la misma, esto es, una mezcla de CO2, CO, H2O, N2. Estos gases tienen un calor específico medio todavía más alto que el del aire; pero además, se cuenta con un incremento posterior de los calores específicos, a causa de la disociación o descomposición química de las moléculas más ligeras sometidas a la acción de altas temperaturas. El aumento de los calores específicos, así como la disociación que, por ser reacción endotérmica, absorbe una parte del calor de la combustión, producen un posterior descenso de la temperatura y la presión máxima en comparación con las calculadas para el ciclo de aire. Para el cálculo del ciclo aire-combustible se recurre a tablas que contienen datos obtenidos experimentalmente. Incluso para este ciclo se admite no sólo que el calor es introducido y sustraído de manera instantánea, como en el ciclo ideal, sino que no se producen pérdidas de calor. Ciclo real de los motores endotérmicos El ciclo real se obtiene experimentalmente, como ya hemos indicado, por medio de diversos aparatos indicadores, capaces de registrar el diagrama de presiones en función de los volúmenes, en un cilindro motor en funcionamiento. El diagrama indicada refleja las condiciones reales del ciclo y, por tanto, tiene en cuenta también, además de las variaciones ya enunciadas para el ciclo aire y para el de aire-combustible en la comparación de ciclos ideales, las pérdidas de calor, la duración de combustión, las pérdidas causadas por el

rozamiento del fluido, la duración del tiempo de abertura de las válvulas, el tiempo de encendido, así como de inyección y las pérdidas del escape. CICLOS DE POTENCIA CONOCIDOS Los ciclos de gas y de vapor que se consideran en Termodinámica son modelos sencillos de los procesos (la mayor parte de las veces ni siquiera cíclicos) que tienen lugar en las máquinas térmicas reales, con vistas sobre todo a la comparación entre sí, pues en la comparación con las máquinas reales se obtienen discrepancias típicas superiores al 50%. Aunque todo ciclo puede servir como motor o como frigorífico o bomba según el sentido en que se recorra en un diagrama termodinámico, supondremos que siempre se trata de producir trabajo (motor). La utilización de los ciclos de gas en refrigeración es escasa, reduciéndose a una variante del ciclo Brayton (con expansión isentálpica) en refrigeración de cabinas de vehículos y etapas previas de la licuación de gases, y al uso del ciclo Stirling en refrigeración criogénica. Ciclo de Carnot (1824) (Ciclo de Máxima Eficiencia) Es el ciclo de máxima eficiencia y por eso se utiliza como referencia tanto para los ciclos de gas como para los de vapor. Sus procesos isotermos lo hacen impracticable (el ciclo Stirling y el ciclo Ericson son derivaciones del de Carnot y resultan algo más practicables). El rendimiento energético es ɳ𝑒 = 1 − 𝑇2 /𝑇1 , siendo T1 la temperatura del foco térmico (p.e. la llama de la combustión) y T2 la del sumidero (el ambiente). Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura. El ciclo de Carnot puede ser ejecutado en un sistema cerrado (un dispositivo de cilindro-émbolo) o en un sistema de flujo estacionario (usando dos turbinas y dos compresores), y puede emplearse gas o vapor como el fluido de trabajo.

Carnot describió en 1824, en su artículo "Sur la puissance motrice du feu", cuando tenía 28 años, un motor ideal reversible que funcionaba con el rendimiento máximo en un ciclo muy sencillo, formado por dos tramos isotérmicos y dos adiabáticos, ciclo que hoy día

se conoce como El Ciclo de Carnot. Desde el concepto de Ciclo de Carnot el matemático y físico alemán Rudoff E. Clausius (1822-1888) pudo probar en 1850 un teorema fundamental para el desarrollo posterior de la Termodinámica, que permitió establecer matemáticamente el concepto de Entropia. La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente

Tramo A-B isoterma a la temperatura T1 Tramo B-C adiabática Tramo C-D isoterma a la temperatura T2 Tramo D-A adiabática

Una máquina que funcione según el principio de Carnot y cuyo rendimiento efectivo sea igual al rendimiento máximo constituye una máquina perfecta, que no es realizable, pero cuyos caracteres deben conocerse para poder aproximarse a ellos lo más posible. Las transformaciones a las que se somete un fluido pueden realizarse de dos formas distintas: 1° A temperatura constante se obtiene una compresión o una expansión llamada isotérmica, que tiene lugar cuando la variación del volumen se hace en un recinto, mantenido a temperatura constante, que absorbe todo el calentamiento producido en el gas o en el vapor, o que cede calor, si la temperatura tiende a bajar por causa de la expansión. Si se trata de un gas al que puede aplicarse la ley de Boyle-Mariotte, la curva de presión en función del volumen será una curva equilátera representada por la ecuación pv= constante 2° Cuando el recinto donde se produce la expansión o la compresión está completamente aislado del calor que ninguna de las variaciones de la temperatura del medio que ocupa este recinto puede reducirse por una pérdida de calor a través de las paredes, la transformación se llama adiabática. Ciclo de Otto (1876) El 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 1876. Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. Llamando r a la relación de volúmenes (también llamada relación de compresión), y suponiendo que evoluciona un gas perfecto de relación de capacidades térmicas y, el rendimiento energético es:

ɳ𝑒 = 1 −

1

𝑟 𝑦−1 Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fases de operación de este motor son las siguientes:

1. Admisión: El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A. 2. Compresión: El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. Combustión: Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible. 3. Expansión: La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D. 4. Escape: Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el

mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo. En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos. En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros. Ciclo Diese1 (1893). Sirve para aproximar el funcionamiento de los motores a gasóleo y fuelóleo. La relación de volúmenes extremos (o de compresión), r, suele ser de 12 a 22 y la presión máxima de 3 a 5 MPa. Llamando rv a la relación entre el volumen intermedio y el mínimo, el rendimiento energético es: 𝑟𝑣 𝑦−1 ɳ𝑒 = 1 − 𝑦−1 𝑟 𝑦(𝑟𝑣 − 1) 1

Es el ciclo ideal para las maquinas reciprocas (encendido por compresión). El motor de encendido por compresión, por primera vez propuesto por Rudolph Diesel en el año 1893. En los motores de encendido por compresión, el aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire aliente. Por lo tanto, en los motores diésel la bujía y el carburador son sustituidos por un inyector de combustibles. En los motores diésel, solamente al aire se comprime durante la carrera de compresión, eliminando la posibilidad de autoencendido. El proceso de inyección de combustibles en los motores diésel empieza cuando el embolo se aproxima al punto muerto superior y continua durante la primera parte de la carrera de potencia. Esto quiere decir que en estos motores el proceso de combustión sucede durante un periodo más largo. Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diesel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente:

1. Admisión E→ A: El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal. 2. Compresión A→ B: El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A → B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. 3. Combustión B→ C: Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto. 4. Expansión C → D: La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible. 5. Escape D→ A y A→ E: Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante isocoricamente D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, isobáricamente (presión constante) A→E, cerrando el ciclo.

Ciclo Sabathe Es un híbrido entre el ciclo Otto y el Diese1 y es mejor para aproximar tanto uno como otro tipo de motor. El rendimiento energético es: ɳ𝑒 = 1 −

1

𝑟

[ 𝑦−1

𝑟𝑝 𝑟𝑣 𝑦 − 1 ] 𝑦𝑟𝑝 (𝑟𝑣 − 1) + 𝑟𝑝 − 1

Siendo rp la relación entre la presión máxima y la intermedia. Ciclo teórico mixto en el cual la combustión (es decir, la fase durante la cual se suministra energía en forma de calor al fluido activo) se produce en parte a volumen constante y en parte a presión constante. El ciclo mixto de Sabathé se presta, en la práctica, a la descripción y al análisis de todos los ciclos de funcionamiento de los motores volumétricos, considerando los ciclos teóricos de Otto y Diesel como casos particulares en los que la combustión se realiza totalmente a volumen constante o totalmente a presión constante. En particular, examinando la evolución real de la combustión en un motor Diesel, es posible constatar que la transformación a presión constante sólo se aproxima a la teórica en los grandes motores lentos, mientras que en los Diesel rápidos, por efecto del avance de la inyección, la primera parte de la combustión se aproxima a una transformación a volumen constante. Paralelamente, en los motores de encendido por chispa, la prolongación de la combustión a lo largo del tiempo determina que una parte de ésta pueda asimilarse a una transformación a presión constante. En base a estas consideraciones, se comprende por qué el ciclo teórico de Sabathé se aproxima a los ciclos reales de Otto y, sobre todo, de Diesel mucho más que los ciclos ideales respectivos.

En este ciclo, después de la fase de compresión adiabática 1-2, sobreviene, como en el ciclo Otto, una fase de combustión a volumen constante 2-3, durante la cual se introduce la cantidad de calor Q1’ y luego, como en el ciclo Diesel, una fase de 3-4 de combustión a presión constante, en donde se introduce la cantidad de calor Q1’’. Siguen después dos fases sucesivas, la primera, de expansión adiabática 4-5, y otra, de sustracción, a volumen

constante 5-1, de la cantidad de calor Q2. Por tanto, la cantidad total de calor introducida vale: Q1= Q1’+Q1’’ Ciclo Brayton (1870) Sirve para aproximar el funcionamiento de las turbinas de gas. El punto de mínima temperatura corresponde a la entrada al motor (normalmente aire atmosférico); la relación de presiones, π12, suele ser de 10 a 30, con una temperatura máxima del orden de 1500 K limitada por la resistencia en caliente de los álabes de la turbina (límite metalúrgico). Suponiendo gas perfecto, el rendimiento energético es: ɳ𝑒 = 1 −

1 𝑦−1 𝑦

(𝜋12 )

El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento –caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente–, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.

Admisión: El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina

Compresor: El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B. Cámara de combustión: En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C. Turbina: El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D. Escape: Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A. Ciclos De Ericsson Y Stirling Se ha demostrado que el efecto combinado de interenfriamiento, recalentamiento y regeneración es un aumento en la eficiencia térmica de un ciclo de potencia de turbina de gas. Es interesante examinar que pasa cuando el número de etapas tanto de interenfriameiento y de recalentamiento se hace infinitamente grande. En tal situación los procesos isoentrópicos de compresión y expansión pasan a ser isotérmicos, el ciclo se puede representar mediante dos etapas a temperaturas constantes y dos procesos a presión constante con regeneración. A un proceso así se le llama ciclo de Ericsson. En este el fluido se expande isotérmicamente del estado 1 al 2 a través de una turbina se produce trabajo y el calor se absorbe reversiblemente desde un deposito a Ta, luego el fluido se enfría a presión constante en un regenerador, del estado 3 al 4 el fluido se comprime isotérmicamente. Esto requiere una entrada de trabajo y una expulsión reversible de calor hacia un depósito a Tb, por último el fluido se calienta a presión constante hasta el estado inicial haciéndolo pasar a contracorriente a través del regenerador. Como la única transferencia de calor externa actúa sobre los depósitos y como todos los procesos son reversibles, la eficiencia es igual a la del ciclo de Carnot. No obstante el ciclo de Ericsson es impráctico, sirve para mostrar cómo podría colocarse un regenerador para aumentar la eficiencia térmica. Otro ciclo de más importancia por crítica y que incorpora un regenerador en su esquema es el ciclo Stirling, este se compone de 2 procesos isotérmicos reversibles y dos procesos a volumen constante también reversibles.

El gas se expande isotérmicamente a partir del estado inicial 1 al 2 añadiéndose calor desde un deposito a temperatura Ta, del estado 2 al 3 se elimina energía a volúmenes constante hasta que la temperatura del fluido es igual a Tb, luego el volumen se reduce de manera isotérmica hasta su valor original, extrayéndose calor reversiblemente hasta un segundo deposito a Tb, finalmente se añade calor a volumen constante desde un estado 4 al 1. Aplicando un balance de energía para estos dos procesos se ve que son de la misma magnitud. El único efecto externo al sistema durante cada ciclo es el intercambio de calor con los 2 depósitos de temperaturas fijas. Aunque el ciclo trabaje igual al de Carnot es difícil construir una maquina sin introducir desventajas inherentes, por ejemplo este opera a presiones elevadas y los fluidos más adecuados son el helio e hidrogeno, la relación entre peso y potencia no es muy favorable, a excepción cuando se trata de vehículos muy grandes como camiones, también las elevadas temperaturas presentan un problema, no obstante una de las m s grandes ventajas es su alta calidad de emisión ya que este es un motor de combustión externa, el proceso de combustión es más completo que en uno de combustión interna en términos de contenido de bióxido de carbono, otras ventajas es su operación relativamente silenciosa su confiabilidad y larga vida y su capacidad multicombustible.

Ciclo Rankine El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según

procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido sub-enfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):  Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.  Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.  Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.  Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero esta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).

Ciclo Atkinson El motor de ciclo Atkinson es un tipo de motor de combustión interna alternativo inventado por James Atkinson en 1882. Es prácticamente un motor de ciclo Otto común, pero con una manivela del cigüeñal modificado para obtener una mayor eficiencia a

expensas de una reducción en la potencia. El objetivo era competir con el ciclo de Otto sin infringir ninguna patente. En su versión original, el ciclo de Atkinson requiere una sola rotación del cigüeñal para completar un ciclo de funcionamiento, manteniendo inalteradas las fases del motor de ciclo Otto: admisión, compresión, expansión (fase útil) y descarga. Sin embargo, gracias a una geometría particular del mecanismo del cigüeñal, la carrera de expansión es mayor que la carrera de compresión, lo que permite que el motor tenga una mayor eficiencia en comparación con el ciclo de Otto. En un motor de ciclo Atkinson se dispone igualmente de los cuatro tiempos de un motor de gasolina. No obstante en este tipo de motores la válvula de admisión sufre un retraso en su cierre con lo que disminuye la compresión real, ya que ésta no comenzará hasta que la válvula de admisión no se haya cerrado, provocando con ello que la relación de compresión pueda ser incluso la mitad que si la válvula se cerrara antes, tal y como ocurre en un ciclo Otto. Dicho retraso en el cierre de la válvula de admisión se conseguirá modificando la geometría de las levas de admisión del árbol de levas. Aunque se reduzca la relación de compresión y con ello la potencia y el par entregado, el trabajo necesario para realizar la etapa de compresión es menor, ya que el volumen ha disminuido con respecto al ciclo Otto. Además, al finalizar la etapa de expansión, la presión de los gases es cercana a la atmosférica, cosa que no ocurre en el ciclo Otto, con lo que se ha incrementado la eficiencia del motor. En Con este procedimiento se consigue un considerable ahorro de combustible, una menor temperatura y presión en el cilindro restando vibraciones al motor y aumentando la eficiencia global del ciclo teórico de Otto. Ciclo Miller Una evolución del ciclo Otto en la línea de conseguir una disminución en el consumo es el llamado ciclo Miller. Se trata de un proceso de combustión usado en motores de cuatro tiempos de combustión interna. Fue patentado por el ingeniero norteamericano Ralph Miller en 1957. La eficiencia del ciclo Otto depende de manera fundamental de la relación de compresión. Esto se debe a que un aumento de la relación de compresión geométrica implica un aumento de la presión máxima y de la presión media efectiva, lo cual supone un mayor rendimiento del proceso. Para mejorar este aspecto, el ciclo Miller empleará un cilindro de dimensiones mayores a los usados en el ciclo Otto, un compresor situado en la admisión y un adelanto en el cierre de la válvula de admisión. También es posible la incorporación de un intercooler que rebaje la temperatura de los gases de admisión. Como se ha dicho, la eficiencia se incrementa al elevar la compresión del motor. Un motor de gasolina común tiene una relación de compresión de entre 6:1 a 10:1, limitándose

para evitar el autoencendido de la mezcla. El reducido tiempo de compresión del ciclo Miller evita este riesgo, permitiendo una compresión más elevada y obteniendo más rendimiento. Como inconvenientes destacar el aumento de peso y de precio del conjunto debido a la incorporación del compresor, el aumento del cilindro y el posible uso del intercooler. CICLO DE MÁXIMA POTENCIA Hasta este punto se ha hecho referencia a la manera tradicional en que se ejecutan los análisis de los diferentes tipos de ciclos termodinámicos, partiendo del caso completamente abstracto e idealizado de la máquina de Carnot, el cual se hace independiente de los alrededores y de los fluidos u otros elementos implícitos en el proceso de conversión energética; y desplegando la información hacia los diferentes mecanismos utilizados en la actualidad para la generación de potencia a partir de energía térmica. En todos los casos se ha considerado el funcionamiento idealizado del proceso, identificando las irreversibilidades, pero sin forma alguna de cuantificar las pérdidas energéticas salvo por el criterio de la eficiencia de Carnot. La visión moderna indica que los incrementos en la eficiencia de las máquinas térmicas registrados por la historia son resultados secundarios de esfuerzos ingenieriles cada vez más prácticos para maximizar la producción de trabajo por unidad de tiempo en plantas “generadoras” de potencia cuya bondad está restringida por consideraciones económicas. Esta perspectiva permite suponer que inevitablemente es necesario apegarse a información tangible en la búsqueda de estas mejoras.

La expresión de la eficiencia de Curzon-Ahlborn no representa la eficiencia máxima para la máquina térmica, por lo cual no debe confundirse con la eficiencia de Carnot, la cual está perfectamente definida como la diferencia entre la unidad y el cociente de las temperaturas de los dos reservorios involucrados. A la vez, es una expresión que a pesar de partir de la consideración tácita de los elementos físicos del ciclo, es completamente independiente de las dimensiones de la planta que se esté estudiando. En otras palabras, la eficiencia observada en una máquina térmica dada debe de ser compatible con la ecuación de 𝜂’ independientemente de la infinidad de parámetros que interfieren en el proceso, tales como el combustible, el fluido de trabajo, el medio de refrigeración, las dimensiones de la máquina entre otros.

Gran parte de la pérdida interna de potencia en un motor se debe a la energía requerida para efectuar la compresión de la mezcla de combustible en el tiempo de compresión, por lo que sistemas que puedan reducir este consumo de energía pueden otorgar una mayor eficiencia. En el caso del ciclo Miller, patentado por el ingeniero norteamericano Ralph Miller en 1957 el cual es una variación del ciclo Otto en la que se utiliza un cilindro más grande de lo habitual, aumenta su potencia en la medida en que el compresor volumétrico pueda comprimir la mezcla empleando menos energía que la requerida por el pistón para hacer el mismo trabajo. De la compresión total de la mezcla en la culata cuando el pistón está en punto muerto superior, el compresor volumétrico es más eficiente generando baja compresión de la mezcla en el colector de admisión. (Algo parecido a la pre-compresión en el cárter generada en un motor de dos tiempos).

CONCLUSIÓN Los dispositivos o sistema que se usan para producir una salida neta de potencia se llaman motores o maquinas térmicas, se diseñan con el propósito de convertir energía térmica en trabajo y su desempeño se expresa en términos de la eficiencia térmica, que es la relación entre el trabajo neto producido y la entrada de calor total. Se puede comprobar que a pesar de que el ciclo ideal se acerca lo suficiente al ciclo real como para que se pueda utilizar en el diseño de un sistema, también se tiene en cuenta los cálculos reales en el caso de que se quieran resultados más específicos. También se observó que si se añaden varios dispositivos tanto de compresión o expansión podemos aumentar la eficiencia del ciclo y por consiguiente mejorar el diseño. Los motores de encendido provocado tienen menor relación de compresión que los motores de encendido por compresión. Se hace hincapié que los sistemas se estudian constantemente y que se les presentan cambios que permiten la evolución de los sistemas de potencia, dando así mejoras en los ciclos y otorgando una mayor eficiencia.

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