CICLOS TERMICOS y TRABAJO

Ingeniera Química

Godelia Canchari

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• 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.

PROCESOS CICLICOS

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• Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en trabajo mecánico.

• El ciclo de Carnot, es un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, y demuestra que no puede existir ese motor perfecto.

• Cualquier motor térmico pierde parte del calor suministrado.

• El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del 100%.

• La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.

PROCESOS CICLICOS

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Ciclo de Carnot • Una máquina de Carnot es perfecta, •Es decir, convierte la máxima energía térmica posible en trabajo mecánico. •Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y mínima alcanzadas durante un ciclo.

ab y cd: contracciones y expansiones isotérmicas.bc y ad: contracciones y expansiones adiabáticas.

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Ciclo de Carnot •Cuanto mayor es esa diferencia, más eficiente es la máquina. •Por ejemplo, un motor de automóvil sería más eficiente si el combustible se quemara a mayor temperatura o los gases de escape salieran a menor temperatura.

ab y cd: contracciones y expansiones isotérmicas.bc y ad: contracciones y expansiones adiabáticas.

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Ciclo de Carnot

ab y cd: contracciones y expansiones isotérmicas.bc y ad: contracciones y expansiones adiabáticas.

η = Wneto/QH

η = 1 - TC/TH

QC/QH = TC/TH

QC = W cd = n.R.TC.ln Vc/Vd

QH = W ab = n.R.TH.ln Vb/Va

⇒ η = 1 - QC/ QH

⇒ η= (QH - QC)/QH

∆E = Q - W

En un ciclo ∆Ε = 0 ⇒ Q = W

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• 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.

Ciclo de refrigeración

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Ciclo de refrigeración

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Sistemas de absorción• Algunos refrigeradores domésticos funcionan mediante el

principio de absorción. • En ellos, una llama de gas calienta una disolución

concentrada de amoníaco en agua en un recipiente llamado generador, y el amoníaco se desprende en forma de vapor y pasa a un condensador.

• Allí se licúa y fluye hacia el evaporador, igual que en el sistema de compresión.

• Sin embargo, en lugar de pasar a un compresor al salir del evaporador, el amoníaco gaseoso se reabsorbe en la solución diluida y parcialmente enfriada procedente del generador, para formar de nuevo una disolución concentrada de amoníaco.

• Este proceso de reabsorción se produce en un recipiente llamado absorbedor, desde donde el líquido concentrado fluye de vuelta al generador para completar el ciclo.

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CICLO OTTO • El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se

aplica en los motores de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante.

• Este también es llamado ciclo de encendido por chispa, en este el proceso se realiza 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. • El ciclo consta de cuatro procesos.

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Motores Ciclos Otto • El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos, es

decir, que el ciclo completo del pistón tiene cuatro fases, dos hacia el cabezal cerrado del cilindro y dos hacia atrás.

• 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.

• El ciclo teórico consta de:• una transformación adiabática (1-2) (compresión), • Un calentamiento isocórico (2-3)(combustión), • una segunda transformación adiabática(3-4)(expansión)• y finalmente una ultima transformación isocórica (4-1)

(enfriamiento).

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Ciclo Otto

ab: compresión adiabática.

bc: calentamiento isocórico.

cd: expansión adiabática.

da: enfriamiento isocórico.

En el punto a la mezcla de nafta y aire ya está en el cilindro.

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Motores Ciclos Otto

• El trabajo requerido para expulsar la carga del cilindro tiene la misma magnitud, pero de signo contrario, que el requerido para absorber la nueva carga por tanto estas dos partes del ciclo teórico no afectan el trabajo neto desarrollado.

• Los parámetros principales que gobiernan la eficiencia térmica de un ciclo Otto son la relación de compresión y la relación de capacidades térmicas específicas.

• El valor de la eficiencia térmica aumenta al aumentar la relación de compresión, desde el punto de vista practico esta limitado por la ocurrencia de la preignición cuando la relación se eleva por encima de 10, para los hidrocarburos comunes la eficiencia térmica aumenta al incrementar el cociente de las capacidades térmicas específicas.

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Ciclo OttoR: relación de compresión.

Cp: calor específico a presión constante

Cv: calor específico a volumen constante

γ = Cp/Cv (Sears 419 - Tabla 18.1)η = 1 - 1/R(γ - 1)

Para un R = 8, y un γ = 1,4

(aire), η = 0,56

En el punto a la mezcla de nafta y aire ya está en el cilindro.

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Motores Ciclos Otto

• Para tener en cuenta que las capacidades térmicas específicas son variables la eficiencia se debe determinar mediante la relación

• n = 1- ( u4 - u1 )/( u3 - u2 )

• Las temperaturas de los estados 2 y 4 se calculan con las relaciones isoentropicas

• vr2 = vr1*(v2/v1) = vr1/r y vr4 = (v4/v3) = r*vr3

• vr es función solo de la temperatura

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CICLO DIESEL • Este se le conoce como ciclo de encendido por

compresión y se realiza a presión constante. • El método utilizado aquí consiste en elevar la

temperatura de la mezcla de combustible y aire por encima de su temperatura de ignición utilizando relaciones de compresión en el intervalo 14:1 a 24:1 y presiones de compresión de 400 a 700 lb/in2.

• El ciclo que describe el comportamiento de este proceso es el ciclo Diesel, como el ciclo teórico es limitado solo se describirán sus características básicas.

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CICLO DIESEL

• Este ciclo se compone de 4 procesos internamente reversibles, este solo difiere del ciclo de Otto en la fase de combustión (2-3), prevista a presión constante. Mediante un ciclo de aire estándar basado en capacidades térmicas específicas constantes se puede hacer un análisis útil del ciclo Diesel. En esas condiciones, los calores de entrada y salida del ciclo est n dados por

• q.ent = cp(T3 - T2) y q.sal = cv(T4 - T1)

• en consecuencia∀ η .Diesel = cp(T3 - T2) - cv(T4 - T1)/ cp(T3 - T2)

• = 1 - T4 - T1/k(T3 - T2)

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Ciclo diesel El gasoil se inyecta durante la carrera ab.

ab: contracción adiabática.

bc: expansión y calentamiento isobárica

cd: expansión adiabáticas.

da: enfriamiento isocórico..

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CICLO DIESEL

• El ciclo Diesel teórico es fundamentalmente función de la relación de compresión r, la relación de combustión rc y la relación de capacidades térmicas específicas k. La eficiencia de este es siempre menor a la de un ciclo Otto para la misma relación de compresión, si rc es mayor que la unidad.

• En caso de tener que considerar las capacidades térmicas específicas variables, la ecuación de la eficiencia se convierte en

∀ η .Diesel = 1- u4-u1/h3-h2

• Donde u y h se evalúan de tablas, las temperaturas de los estados 2 y 4 se calculan mediante las relaciones isoentropicas

• vr2 = vr1* V2/V1 =vr1/r y vr4 = vr3*V4/V3 = r*vr3/rc

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Ciclo diesel R: relación de compresión.

Cp: calor específico a presión constante

Cv: calor específico a volumen constante

γ = Cp/Cv (Sears 419 - Tabla 18.1)

η = 1 - 1/R( γ - 1)Para un R = 15-20, y un γ = 1,4 (aire),

η = 0,65-0,70

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CICLO BRAYTON

• Se denomina ciclo Brayton a un ciclo termodinámico de compresión, calentamiento y expansión de y su posterior aprovechamiento como energía mecánica o eléctrica.

• En la mayoría de los casos un fluido compresible, generalmente aire, que se emplea para producir trabajo neto el ciclo Brayton opera con fluido atmosférico o aire, en ciclo abierto, lo que significa que toma el fluido directamente de la atmósfera para someterlo primero a un ciclo de compresión, después a un ciclo de calentamiento y, por último, a una expansión.

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CICLO BRAYTON

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CICLO DE BRAYTON• Este ciclo se considera el básico en el análisis de

turbinas.• Este es un ciclo simple para una turbina de gas se

emplea equipo separado para los diversos tipos de procesos del ciclo.

• Al inicio el aire se comprime en forma adiabatica en compresor rotatorio axial o centrifugo, el aire entra a una cámara de combustión donde se inyecta y quema combustible a presión constante.

• Los productos de esta combustión luego se expanden en una turbina hasta alcanza la presión ambiente de los alrededores.

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CICLO DE BRAYTON

• Los ciclos de las turbinas de gas reales son abiertos ya que debe introducirse aire continuamente.

• En el ciclo de Brayton idealizado en comparación al de Otto y Diesel opera en un intervalo menor de presiones y temperatura opera en un intervalo de volumen mas amplio, esto hace que no sea adecuado para el uso en maquinas alternativas.

• Este ciclo consta de: compresión adiabatica, calentamiento a presión constante y expansión adiabática.

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CICLO DE BRAYTON• Debido a que los gases que se expanden están

más calientes el trabajo que puede obtenerse del proceso de expansión es mayor que el de compresión; el trabajo neto del ciclo es la diferencia entre los dos.

• Si se agrega un regenerador para recobrar el calor de escape de la turbina se mejora la eficiencia.

• Añadiendo además de interenfriameiento en el compresor y recalentamiento del fluido de trabajo, durante la expansión se incrementa la salida de potencia para un tamaño dado de turbina de gas.

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CICLO DE BRAYTON• La eficiencia térmica del ciclo de Brayton depende

principalmente de la relación de presiones, la temperatura de admisión a la turbina y las perdidas parásitas (en especial las eficiencias del compresor y de la turbina).

• En el caso teórico de un aire estándar ideal sin perdidas internas se puede demostrar que la eficiencia térmica depende solo de la relación de presiones en el compresor (p2/p1).

• n. Br = 1 - 1/(p2/p1)^(k-1)/k

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CICLO DE BRAYTON

• Para un ciclo real con perdidas, la eficiencia térmica depende también de la entrada de temperatura a la turbina ya que una temperatura mayor significa un incremento de trabajo útil y una reducción proporcionada en el efecto de las pérdidas internas.

• El ciclo real queda corto respecto al ciclo ideal debido a que las propiedades reales del aire (k, cp) no son constantes sobre este intervalo de temperaturas, y de manera importante por las perdidas internas, estas empiezan a ser significativas arriba de 1367 K y llegan a ser serias a 1922 K.

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CICLO RANKINE • El ciclo Rankine es un ciclo de planta de fuerza que opera

con vapor. • Este es producido en una caldera a alta presión para luego

ser llevado a una turbina donde produce energía cinética, donde perderá presión.

• Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder ingresarlo a la caldera.

• Aunque existen algunas mejoras al ciclo, como por ejemplo agregar sobrecalentadores a la salida de la caldera que permitan obtener vapor sobrecalentado para que entre a la turbina y aumentar así el rendimiento del ciclo.

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CICLO RANKINE

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LOS 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 isoentropicos 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.

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LOS CICLOS DE ERICSSON Y ESTIRLING

• 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 deposito a Tb, por ultimo 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.

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LOS CICLOS DE ERICSSON Y ESTIRLING

• No obstante el ciclo de Ericsson es impractico, sirve para mostrar como podría colocarse un regenerador para aumentar la eficiencia térmica.

• Otro ciclo de mas 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.

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LOS CICLOS DE ERICSSON Y ESTIRLING

• El gas se expande isotérmicamente a partir del estado inicial 1 al 2 añadiéndose calor desde un deposito a temp. 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.

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LOS CICLOS DE ERICSSON Y ESTIRLING

• 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 mas 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 mas grandes ventajas es su alta calidad de emisión ya que este es un motor de combustión externa,

• El proceso de combustión es mas 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.

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