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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS

´´ESPE´´ UNIDAD DE GESTIÓN DE TECNOLOGÍAS MECÁNICA AERONÁUTICA MENCIÓN AVIONES

CONSULTA: CICLOS TERMODINÁMICOS

NOMBRE: CARLOS EDUARDO CONSTANTE CHICAIZA NIVEL: 4to “A-B” MATERIA: TERMODINÁMICA NRC: 4004 DOCENTE: ING. JAIME EDUARDO LEÓN ALMEIDA FECHA: 02-07-2019

PERIODO ACADÉMICO MARZO 2019-AGOSTO 2019

CICLOS TERMODINÁMICOS Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema. CICLO CARNOT El ciclo de Carnot es un ciclo teórico y reversible, su limitación es la capacidad que posee un sistema para convertir en calor el trabajo, se utiliza en las máquinas que usan vapor o una mezcla de combustible con aire u oxígeno. Representado en un diagrama p-v se obtiene la siguente figura:

Ilustración 1. DIAGRAMA CICLO CARNOT

El ciclo se divide en cuatro etapas, cada una de las cuales se corresponde con una transformación termodinámica básica: 

Etapa A) Expansión isotérmica En el gráfico es el paso del estado 1 al estado 2. Es un proceso isotérmico y por ser un gas perfecto eso hace que la temperatura se mantenga constante T1. El gas se encuentra en un estado de equilibrio inicial representado por p1, V1, T1, en el interior del cilindro. Se produce una expansión isotérmica entre 1 y 2, hasta alcanzar los valores p2, V2, T1, el sistema realiza un trabajo W1 positivo comunicando energía al entorno, por otro lado como la variación de energía interna ha de ser cero, toma un calor del entorno equivalente Q1:

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Etapa B) Expansión adiabática Se parte del punto 2 y se llega al estado 3. Por ser un proceso adiabático no hay transferencia de calor, el gas debe realizar un trabajo, elevando el émbolo, para lo que el cilindro debe estar aislado térmicamente, alcanzándose los valores p3, V3, T2.



Etapa C) Compresión isotérmica Entre los estados 3 y 4, hasta alcanzar los valores p4, V4, T2, siendo el trabajo realizado por el pistón. En este caso es un trabajo de compresión (negativo), se recibe energía del entorno en forma de trabajo y se cede una energía equivalente en forma de calor:

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Etapa D) Compresión adiabática Entre los estados 4 y 1 cerrándose el ciclo. Se alcanzan de nuevo los valores p1, V1, T1 sin transferencia de calor con el exterior. Consideramos ahora el efecto global del ciclo.

 

El trabajo neto W realizado durante el ciclo por el sistema será el representado por la superficie encerrada en el trayecto 1-2-3-4-1. La cantidad neta de energía calorífica recibida por el sistema será la diferencia entre Q2 y Q1. Para calcular el rendimiento de un ciclo de Carnot se emplea la misma expresión mencionada anteriormente:

Y por lo tanto se puede expresar el rendimiento como:

CICLO DE ERICSSON En este ciclo termodinámico, también reversible y por tanto nos da el rendimiento máximo que se puede obtener de la máquina, el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobáricas, tal como se puede observar en la figura adjunta:

Ilustración 2. DIAGRAMA CICLO ERICSSON

CICLO DE STIRLING En este ciclo termodinámico el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones isocóricas (a volumen constante), tal como se puede observar en la figura adjunta:

Ilustración 3. DIAGRAMA CICLO STIRLING

CICLO RANKINE El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.

El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

El ciclo de Rankine es en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente desplazable llamado corredera que dirigía el vapor a un lado u otro del pistón.

Analicemos más despacio las etapas del ciclo:

Ilustración 4. CICLO RANKINE

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En la transformación 1-2 aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor, por medio de un compresor, con aportación de un trabajo mecánico externo. En la transformación 2-3 se aporta calor al fluido a presión constante en una caldera, con lo que se evapora todo el líquido elevándose la temperatura del vapor al máximo. La transformación 3-4 es una expansión adiabática, con lo que el vapor a alta presión realiza un trabajo en la turbina. La transformación 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presión constante en el condensador hasta volver a convertirlo en líquido, y comenzar de nuevo el ciclo.

CICLO DE REFRIGERACIÓN

Ilustración 5. CICLO DE REFRIGERACIÓN

Los sistemas de compresión emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeración: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador. En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio que está enfriando y de su contenido. A continuación, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su presión, lo que aumenta su temperatura (entrega trabajo al sistema). El gas sobrecalentado a alta presión se transforma posteriormente en líquido en un condensador refrigerado por aire o agua. Después del condensador, el líquido pasa por una válvula de expansión, donde su presión y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen en el evaporador. QH = QC - L ⇒L = QC-QH η = - QC /L ⇒ - QC/(QC-QH) CICLO DIESEL El ciclo de diésel es un motor de encendido por compresión (en lugar de encendido por chispa). El combustible atomizado se inyecta en el cilindro en p2(alta presión) cuando la compresión se completa, y hay encendido sin una chispa. En la figura se muestra un ciclo idealizado de motor diésel.

Ilustración 6. DIAGRAMA CICLO DIESEL

El ciclo diésel es el ciclo ideal para motores de encendido por compresión. La bujía es sustituida por un inyector de combustible en los motores diésel. 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. El ciclo de aire estándar diesel consiste de la siguiente secuencia de procesos internos reversibles: 1. Compresión isentrópica 2. Adición de calor a presión constante 3. Expansión isentrópica Rechazo de calor de volumen constante

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

Ilustración 7. DIAGRAMA CICLO OTTO

El ciclo consta de cuatro procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo:      

E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga). A-B: compresión de los gases e isoentrópica. B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil. C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo. D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante. A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga.)(isocónica).

CICLO BRAYTON El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:

Ilustración 8. TURBINA

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. Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto. Bibliografía:

Bibliografía (s.f.). Obtenido de http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4931/html/64_ciclo_de_ranki ne.html (2013). Obtenido de https://dianayazminrojas.wordpress.com/tercer-corte/ciclos-termodinamicos/ Fisicanet. (2012). Obtenido de https://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap07_ciclos_termicos.php TRIPOD. (24 de Agosto de 2015). Obtenido de http://eribera_bo.tripod.com/ciclo_diesel.html