tema 4. termodinÁmica aplicada a mÁquinas tÉrmicas tema-4... · el aire se comporta como gas...
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1
TEMA 4.
TERMODINÁMICA APLICADA A
MÁQUINAS TÉRMICAS
2
Índice
4.1. Definición y Clasificación de Máquinas Térmicas
4.5. Ciclos de Motores Alternativos
4.2. Ciclos de Motores Rotativos
4.6. Ciclos de Refrigeración
4.3. Modificaciones del ciclo Rankine
4.4. Modificaciones del ciclo Brayton
3
Índice
4.1. Definición y Clasificación de Máquinas Térmicas
4.5. Ciclos de Motores Alternativos
4.2. Ciclos de Motores Rotativos
4.6. Ciclos de Refrigeración
4.3. Modificaciones del ciclo Rankine
4.4. Modificaciones del ciclo Brayton
4
4.1 Definición de Máquinas Térmicas
FOCO CALIENTE
FOCO FRÍO
Ciclo W
Q1
Q2
T1
T2
FOCO CALIENTE
FOCO FRÍO
Ciclo W
Q1
Q2
T1
T2
Máquina Térmica: aquella capaz de transformar calor en trabajo o viceversa
Motor Térmico Máquina Frigorífica
Rendimiento Térmico del ciclo Coeficiente de Operación
ABSORBIDO
CONSUMIDOPRODUCIDO
APORTADOTOTAL
NETO
Q
WW
Q
W
_
consumido Trabajo
terefrigeran Efecto
C
E
W
Q[4.1] [4.2]
5
4.1 Definición de Máquinas Térmicas
Motores térmicos: TiposEn función del agente de transformación:
a) Máquinas de gas: el agente de transformación (gas) no cambia de estado durante el ciclo.
b) Máquinas de vapor: el agente de transformación (vapor) cambia de estado durante el ciclo.
En función del lugar de obtención del calor:
a) Máquinas de combustión externa.
b) Máquinas de combustión interna.
En función del tipo de movimiento obtenido:
a) Motores rotativos: giro de un eje.
b) Motores alternativos: cilindro-pistón.
TERMOTECNIA:
Turbinas de vapor: motor de combustión
externa, de vapor y rotativo.
Turbinas de gas: motor de combustión
interna, de gas y rotativo
Motores alternativos: motor de
combustión interna, de gas y cilindro-pistón
6
Índice
4.1. Definición y Clasificación de Máquinas Térmicas
4.5. Ciclos de Motores Alternativos
4.2. Ciclos de Motores Rotativos
4.6. Ciclos de Refrigeración
4.3. Modificaciones del ciclo Rankine
4.4. Modificaciones del ciclo Brayton
7
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
Motor Rotativo:
• Generan movimiento de giro de un eje
• Aplicación: industria aeroespacial, plantas de generación de potencia
Turbinas de Vapor Turbinas de gas
• Combustión externa
• AT: agua
• Combustión interna
• AT: gases de combustión
Ciclo Rankine Ciclo Brayton
8
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine ideal
Esquema de una central térmica de vapor
Generadoreléctrico
Turbina
Caldera
AireCombustible
Vapor deagua
Agualíquida
Chimenea
Agua de refrigeración
Torrede
refrigeración
A D
C
B
ZONA A: Ciclo termodinámico del AT.
Transformación de la entalpía del
vapor en energía cinética en del eje
de la turbina (W).
ZONA B: Foco caliente. Generación
de calor.
ZONA C: Foco frío. Condensación del
vapor saliente de la turbina.
ZONA D: Obtención de energía
eléctrica. Transformación del trabajo
mecánico producido en la turbina en
energía eléctrica mediante un
generador.
9
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine idealEsquema de una central térmica de vapor
10
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine ideal
Suposiciones:
• Todos los procesos son reversibles
• Sin pérdidas de presión en la circulación del AT
• Caldera y condensador a P = cte
• Turbina y bomba adiabáticos (+ reversible) isoentrópicos
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
Diagrama de bloques ciclo Rankine
QC
QR
WB
WT
1
2
3 4
11
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine ideal
Rendimiento Térmico de Ciclo:
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
• Etapa 1→2: expansión del vapor en la turbina
Entrada a la turbina: vapor saturado seco
Salida de la turbina: vapor húmedo
Proceso: expansión isoentrópica con generación de trabajo WT
Principio de conservación de energía:
(J/kg) 2
0 21
2
2
2
121
zzg
VVhhWQ
0)( 21 hhWT[4.3]
12
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine ideal
Rendimiento Térmico de Ciclo:
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
• Etapa 2→3: condensador del vapor húmedo en el condensador
Entrada al condensador: vapor húmedo
Salida del condensador: líquido saturado
Proceso: extracción de calor QR a presión constante
Principio de conservación de energía:
(J/kg) 2
0 32
2
3
2
232
zzg
VVhhWQ
0)( 23 hhQR [4.4]
13
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine ideal
Rendimiento Térmico de Ciclo:
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
• Etapa 3→4: compresión del condensado en la bomba
Entrada a la bomba: líquido saturado
Salida de la bomba: líquido subenfriado a la presión de la caldera
Proceso: compresión isoentrópica con generación de trabajo por la
bomba WB
Principio de conservación de energía:
0)( 43 hhWB [4.5]
343
4
3
ppvvdpWB
Considerando la compresión del líquido:
[4.6]
14
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine ideal
Rendimiento Térmico de Ciclo:
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
• Etapa 4→1: calentamiento en la caldera
Entrada a la caldera: líquido subenfriado
Salida de la caldera: vapor saturado seco
Proceso: aporte de calor QC a presión constante
Principio de conservación de energía:
0)( 41 hhQC [4.7]
15
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine ideal
Rendimiento Térmico de Ciclo:
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
41
4321
hh
hhhh
Q
WW
C
BT
RANKINE
[4.8]
Trabajo neto realizado en un ciclo
0 WQERCBT QQWW
41
2311hh
hh
Q
Q
Q
C
R
C
RC
RANKINE
[4.9]
Relación de trabajos
21
43
hh
hh
W
WRT
T
B
[4.11]
CCC
R
RANKINET
T
ssT
ssT
Q
Q2
41
2321
)(
)(11
Aplicando 2º Principio de la Termodinámica
[4.10]
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine ideal
Comparación con el ciclo de Carnot
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
Ciclo de Carnot: 2 procesos isotermos + 2 adiabáticos
3’
aT
TCARNOT '3211
1
2 aT
T
C
RANKINE 43211 2
ηCARNOT > ηRANKINET1 > TC
16
Ciclo de Carnot:
1 - 2 - 3’ - a
Ciclo de Rankine:
1 - 2 – 3 - 4 - a
17
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.1 Ciclo Rankine ideal
Irreversibilidades y Pérdidas:
Desviaciones del ciclo de Rankine ideal:
a) Pérdidas de energía en el condensador y la caldera por cesión de calor al exterior
b) Pérdidas de energía por rozamiento del fluido en el condensador, caldera y tuberías
c) Irreversibilidades en la turbina y en la bomba
o Procesos no adiabáticos
o Pérdidas de energía por rozamiento
1
2'3
4
T
s
a
2
4'
21
'21
hh
hh
W
W
ST
T
TV
'43
43
hh
hh
W
W
B
sB
B
[4.12]
[4.13]
18
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.2 Ciclo Brayton ideal
Turbinas de vapor (550 ºC)
Turbinas de gas (1000-1400 ºC)
Rendimiento máximo Rendimiento real
65 % 40-45 %
83 % 62 %
cámara de
combustión
Aire Productos
combustión
Combustible
Compresor Turbina
WC WT
QC
WN
Intercambiador
de calor
WC WT
QC
QR
Intercambiador
de calor
WN
Ciclo abierto Ciclo cerrado
19
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.2 Ciclo Brayton ideal
20
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.2 Ciclo Brayton ideal
Ciclo abierto
Inconveniente: el agente de transformación cambia de composición
Análisis de aire estándar
El aire se comporta como gas ideal y sin cambio de composición
El calor de la combustión procede de una fuente externa caliente
El aire retorna al estado inicial por cesión de calor al ambiente
21
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.2 Ciclo Brayton ideal
Intercambiador
de calor
WC WT
QC
QR
Intercambiador
de calor
WN
1
2 3
4
Suposiciones:
• Todos los procesos son reversibles
• Sin pérdidas de presión en la circulación del AT
• Cambiadores a P = cte
• Turbina y compresor adiabáticos isoentrópicos
1
2 3
4
s = s1 2
s = s3 4
p = p1 4
p = p2 3
QC
WT
WC
QR
p
v
1
2
3
4s = s1 2
s = s3 4
p = p1 4
p = p2 3
QC WT
WC
QR
T
s
1
2 3
4
s = s1 2
s = s3 4
p = p1 4
p = p2 3
QC
WT
WC
QR
p
v
1
2
3
4s = s1 2
s = s3 4
p = p1 4
p = p2 3
QC WT
WC
QR
T
s
22
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.2 Ciclo Brayton ideal
Rendimiento Térmico de Ciclo:
23
2143
hh
hhhh
Q
WW
C
CT
BRAYTON
Relación de trabajos
(RT)
Turbinas de vapor
Turbinas de gas 40-80 %
1-3 %
43
21
hh
hh
W
WRT
T
C
[4. 15]
Relación de Trabajos:
[4. 14]
23
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.2 Ciclo Brayton ideal
Análisis de Aire Estándar Frío:
[4.16]
Se supone CP y CV= cte = cte
3
4
2
1 11T
T
T
T
1
1
22
1
p
p
11
T
T1
1
1
212
p
pTT
Compresión adiabática y reversible:
[4.17]
24
4.2 Ciclos de Motores Rotativos
4.2.2 Ciclo Brayton ideal
Irreversibilidades y Pérdidas:
Análogo a lo descrito para ciclos de Turbinas de Vapor
Irreversibilidades en turbina y
compresor
Irreversibilidades en turbina y
compresor + pérdidas de presión en
cambiadores de calor
1
2
3
4
T
s
p= cte
p= ctes=ct
e
2'
4'
1
2
3
4
T
s
s=ct
e
2'4'
3'
s=ct
ep= cte
p= cte
43
43
hh
hh
W
W
sT
TTG
'21
21
hh
hh
W
W
C
sC
C
[4.18]
[4.19]
25
Índice
4.1. Definición y Clasificación de Máquinas Térmicas
4.5. Ciclos de Motores Alternativos
4.2. Ciclos de Motores Rotativos
4.6. Ciclos de Refrigeración
4.3. Modificaciones del ciclo Rankine
4.4. Modificaciones del ciclo Brayton
26
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
Modificaciones para aumentar la eficiencia térmica del ciclo:
C
RANKINET
T21 [4.10]
C
BT
RANKINEQ
WW [4.8]
A. Aumento de P CALDERA
1'
2'3
4'
T
s
a'
4
a1
2 2'
3
4'
T
s
4
a 1
2
3’
B. Disminución de PCONDENSADOR
1'
2'3
4'
T
s
a'
4
a1
2 2'
3
4'
T
s
4
a 1
2
3’
Problema:
X 2’ < X2→ problemas de funcionamiento de la turbina
Requisito práctico:
X 2 > 90 %
27
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
Modificaciones para aumentar la potencia y/o eficiencia térmica del ciclo:
C
RANKINET
T21 [4.10]
Requisito práctico:
X 2 > 90 %
Aumento de η limitado mediante los
procedimientos a y b.
C. Sobrecalentamiento (o recalentamiento)
D. Recalentamiento intermedio
E. Regeneración
[4.8]
C
BT
RANKINEQ
WW
28
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
C. Sobrecalentamiento (o
recalentamiento)Obtención de vapor recalentado en la caldera a temperatura superior a la de
saturación.
2'3
T
s
4
a
1'
2
1
x < 0,90 < x2 2’
29
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
D. Recalentamiento intermedio
Vapor sobrecalentado se expande parcialmente en una primera etapa de la turbina, se recalienta
y se vuelve a expandir en una segunda etapa de la turbina.
2'
3
T
s
4
a
3'
2
1
x < 0,90 < x2 4’
4'
Turbina 1
QC1
WT1
Turbina 2WT2
Condensador
QR
Caldera
QC2
BombaWB
1
2’
3’ 2 4
3
5
4
6 5
6
Ventajas
• Aumento del título del vapor a la salida de la turbina
• Mayor diferencia de presiones entre la caldera y el condensador
Limitaciones
• Resistencia térmica y mecánica de los materiales de construcción
21
21
CC
BTT
WWW
[4.20]
30
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
E. Regeneración
Aumento de la temperatura de trabajo de la caldera mediante precalentamiento del agua líquida
que se introduce en la misma con parte del vapor de la turbina.
E.1 Cambiadores abiertos
T
s
a
1 1
34
5
6
7
7'
1
2
34
5
6
7
a
7’
T
s
WB2
QC
QR
WT2
1
3
5
6
WB14
2
7
y 1-y
WT1
T
s
a
1 1
34
5
6
7
7'
1
2
34
5
6
7
a
7’
T
s
WB2
QC
QR
WT2
1
3
5
6
WB14
2
7
y 1-y
WT1
Contacto directo de las corrientes fría y caliente
31
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
E. Regeneración
Aumento de la temperatura de trabajo de la caldera mediante precalentamiento del agua líquida
que se introduce en la misma con parte del vapor de la turbina.
E.1 Cambiadores abiertos
T
s
a
1 1
34
5
6
7
7'
1
2
34
5
6
7
a
7’
T
s
WB2
QC
QR
WT2
1
3
5
6
WB14
2
7
y 1-y
WT1
526 h)y1(mhymhm
211T hhW
)y1()hh(W 322T
)1()( 541 yhhWB
)( 762 hhWB
Balance de energía en calentador
Trabajos del ciclo
71C hhQ
)1()( 34 yhhQR
Intercambios de calor
C
BBTT
Q
WWWW 2121 [4.21]
32
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
OPCIÓN 1. Bombeo a caldera
1
2
3 4
5
6
7 8
9
T
s
QR
1
2
3 4
5
6
7 8
9
T
s
QC
WT2
WB3
WB2
WT1
y
(1-y)
1
2
3
4 5
6
7
8
9
WB1
33
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
OPCIÓN 1. Bombeo a caldera
C
BBBTT
Q
WWWWW 32121
211 hhWT )y1()hh(W 322T
)1()( 541 yhhWB
)1()( 762 yhhWB
)()( 983 yhhWB
yhyhhQC 971 1
[4.22]
QR
1
2
3 4
5
6
7 8
9
T
s
QC
WT2
WB3
WB2
WT1
y
(1-y)
1
2
3
4 5
6
7
8
9
WB1
34
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
OPCIÓN 2. Envío a condensador
1
2
3 4
5
6
7 8’
9’
T
1
2
3 4
5
6
7 8’
9’
T
s
QC
WT2
WB2
WT1
y
(1-y)
1
2
3
4
5 6
7
8’
QR
9’
WB1
35
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
OPCIÓN 2. Envío a condensador
211 hhWT
)1()( 322 yhhWT
)( 541 hhWB
)( 762 hhWB
71 hhQC
[4.23] C
BBTT
Q
WWWW 2121
1
2
3 4
5
6
7 8’
9’
T
s
QC
WT2
WB2
WT1
y
(1-y)
1
2
3
4
5 6
7
8’
QR
9’
WB1
36
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
Balance de energía en calentador
82
566852
hh
hhyhmhymhmhym
[4.24]
37
4.3 Modificaciones del ciclo Rankine
Cambiadores múltiples
QR
QC1
QC2
p1
p2p3 p4
p5
p6
p >p >p >p >p >p >p1 2 3 4 5 6 7
p7
p5
p6
p5
p5
p1
p1 p3
p7
1
2 3
4 5
6 7
8
9
10
1112131415
16
17
18
19
20
21
T
s
1
2
3
4
5
6
7
8
17
910
1112
13
14
15
16
18
19
20
21
p1
p2
p3 p4
p5
p6
p7p5
p1
QR
QC1
QC2
p1
p2p3 p4
p5
p6
p >p >p >p >p >p >p1 2 3 4 5 6 7
p7
p5
p6
p5
p5
p1
p1 p3
p7
1
2 3
4 5
6 7
8
9
10
1112131415
16
17
18
19
20
21
T
s
1
2
3
4
5
6
7
8
17
910
1112
13
1415
16
18
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p1
p2
p3 p4
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p7p5
p1
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Índice
4.1. Definición y Clasificación de Máquinas Térmicas
4.5. Ciclos de Motores Alternativos
4.2. Ciclos de Motores Rotativos
4.6. Ciclos de Refrigeración
4.3. Modificaciones del ciclo Rankine
4.4. Modificaciones del ciclo Brayton
39
4.4 Modificaciones del ciclo Brayton
A. Regeneración
Objetivo: disminuir QC Requisito: T4 > T2
xc hhQ 324
2
hh
hhxreg
REG ~ 75%
T
s
1
2
x
y
3
4
[4.25]
QC
QR
WC WT
12
x
3
4
y
(a)
40
4.4 Modificaciones del ciclo Brayton
B. Recalentamiento
Objetivo: Aumentar WT
11
11
CC
CTT
WWW
• no necesariamente aumenta
• Mayor potencial de regeneración
T
s
1
2
a
b
3
4
[4.26]
QC1
QR
WC WT2
1
2 a 3
4
b
(a)
QC2
WT2
T
s
1
2
a
b
3
4
(b)
41
4.4 Modificaciones del ciclo Brayton
C. Compresión con refrigeración
QR1
QR2
WC1
WT
1
c 2d
4
3
QC
WC2
Objetivo: Disminir WC (aunque aumenta QC)T
1
2
3
4
d
c
W m vdpC z12 1
cd
2'2
W m vdpC 1
2
p
v
1
c
d
22'
s
T
• no necesariamente aumenta
• Mayor potencial de regeneración
C
CCT
TQ
WWW 21 [4.27]
42
Índice
4.1. Definición y Clasificación de Máquinas Térmicas
4.5. Ciclos de Motores Alternativos
4.2. Ciclos de Motores Rotativos
4.6. Ciclos de Refrigeración
4.3. Modificaciones del ciclo Rankine
4.4. Modificaciones del ciclo Brayton
43
4.5 Ciclos de Motores Alternativos
Motor Alternativo:
• Generan movimiento cilindro-pistón
• Combustión interna
• Agente de Transformación (AT): gases de combustión
• Aplicación: automoción, plantas de generación de potencia (cogeneración)
4.5.1 Ciclo Otto 4.5.2 Ciclo Diesel
44
4.5 Ciclos de Motores Alternativos
4.5.1 Ciclo Otto
V. Admisión V. Escape
Bujía
Mezcla
Gases de combustión
(A.T.)QQ
V. Admisión V. Escape
Bujía
Mezcla
Gases de combustión
(A.T.)
Gases de combustión
(A.T.)QQ QQQ
P
v
0 1
2
3
4
P
v
0 1
2
3
4
T
s
01
2
3
4
T
s
01
2
3
4
0112 23 34 41 10
01. Carrera de aspiración
12. Carrera de compresión
23. Calentamiento instantáneo
34. Carrera de expansión
41. Disipación de calor residual
10. Carrera de expulsión
45
4.5 Ciclos de Motores Alternativos
4.5.1 Ciclo OttoT
s
01
2
3
4
T
s
01
2
3
4
ABSORBIDO
CONSUMIDOPRODUCIDO
APORTADOTOTAL
NETO
Q
WW
Q
W
_
Rendimiento Térmico del ciclo
Suposiciones:
• AT no cambia de composición en todo el ciclo y es un gas ideal (aire)
• Etapas de aspiración y expulsión: a presión atmosférica y en sentidos opuestos se anulan
• Etapas de compresión y expansión adiabáticas y reversibles isoentrópicas
• Etapas de aporte y eliminación de calor isocoras
[4.28]
ABS
CED
ABS
CEDABS
ABS
COMPEXP
OTTOQ
Q
Q
Q
WW
1
WQWQE 0
[4.29]
46
4.5 Ciclos de Motores Alternativos
4.5.1 Ciclo Otto
Rendimiento Térmico del ciclo
ABS
CED
OTTOQ
Q1 [4.3]
kg) / (J 0)( )( 23 TTCQ VABS
kg) / (J 0)( )( 41 TTCQ VCED
[4.30]
[4.31]
Etapas de compresión y expansión adiabáticas:
1
22
1
11
VTVT1
33
1
44
VTVT
Etapas de calentamiento y disipación de calor isocoras:
23 14 VVVV
23
14
23
4111
TT
TT
TT
TTOTTO
[4.32]
2
11T
TOTTO
11
1
1
2 111
V
VOTTO
2
1 compresión deRelación V
V
[4.33]
[4.34]
[4.35]
47
4.5 Ciclos de Motores Alternativos
4.5.2 Ciclo Diesel
v
0 1
2 3
4
P
Aire
Inyector
Gases de
combustión
(A.T.)
Q
01 12 23 34 41 10
AireAire
InyectorInyector
Gases de
combustión
(A.T.)
Gases de
combustión
(A.T.)
01 12 23 34 41 10
s
01
2
3
4p =
cte
v =
cte
T 01. Carrera de aspiración
12. Carrera de compresión
23. Calentamiento instantáneo
34. Carrera de expansión
41. Disipación de calor residual
10. Carrera de expulsión
48
4.5 Ciclos de Motores Alternativos
4.5.2 Ciclo Diesel
Suposiciones:
• AT no cambia de composición en todo el ciclo y es un gas ideal (aire)
• Etapas de aspiración y expulsión: a presión atmosférica y en sentidos opuestos se anulan
• Etapas de compresión y expansión adiabáticas y reversibles isoentrópicas
• Etapas de aporte y eliminación de calor isobara e isocora, respectivamente
Rendimiento Térmico del ciclo
WQWQE 0
[4.1]
s
01
2
3
4p =
cte
v =
cte
T
ABSORBIDO
CONSUMIDOPRODUCIDO
APORTADOTOTAL
NETO
Q
WW
Q
W
_
ABS
CED
ABS
CEDABS
ABS
COMPEXPDIESEL
Q
Q
Q
Q
WW
1
49
4.5 Ciclos de Motores Alternativos
4.5.2 Ciclo Diesel
Rendimiento Térmico del ciclo
kg) / (J 0)( )( 41 TTCQ VCED
[4.36]
[4.31]
kg) / (J 0)( )( 23 TTCQ PABS
23
14
23
14 11TT
TT
TTC
TTC
P
VDIESEL
[4.37]
1
111
1
DIESEL
2
1
V
V
V
P
C
C
2
3
V
VRelación de combustión:
Relación de compresión:
[4.38]
50
Índice
4.1. Definición y Clasificación de Máquinas Térmicas
4.5. Ciclos de Motores Alternativos
4.2. Ciclos de Motores Rotativos
4.6. Ciclos de Refrigeración
4.3. Modificaciones del ciclo Rankine
4.4. Modificaciones del ciclo Brayton
51
4.6 Ciclos de Refrigeración
4.6.1 Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor
1
2
3
4
T
s
TF
TC
2’QS
WC
4
Evaporador
Condensador
Válvula de
expansión
3 2
1
Ciclo ideal: 1-2-3-4Irreversibilidades en compresor: 1-2’-3-4Ciclo ideal
• Etapa 1 2. Compresión isoentrópica del refrigerante
• Etapa 2 3. Condensación y enfriamiento del refrigerante a presión constante
• Etapa 3 4. Estrangulación o expansión isoentálpica en la válvula
• Etapa 4 1. Evaporación del refrigerante a presión constante
QE
52
4.6 Ciclos de Refrigeración
4.6.1 Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor
1
2
3
4
T
s
TF
TC
2’
Ciclo ideal: 1-2-3-4Irreversibilidades en compresor: 1-2’-3-4
Coeficiente de Operación
12
41
21
41
consumido Trabajo
terefrigeran Efecto
hh
hh
hh
hh
W
Q
C
E
[4.39]
2'1
21
h-h
h-h
C
SC
CW
W
Irreversibilidades en Compresor
[4.40]
Refrigerante: derivados halogenados de hidrocarburos (CFCs, FCs, etc.)
53
4.6 Ciclos de Refrigeración
4.6.2 Ciclo de Refrigeración por Absorción
Refrigerante Disolvente
Amoníaco Agua
Agua Bromuro de litio
QS
Condensador
Bomba WB
Evaporador
QE
Válvula
Válvula
Región refrigerada
Agua de refrigeración
Absorbedor
Fuente de alta
temperatura
QG
Generador
Solución rica
Solución pobre
1
4
3
2
a
b c
54
4.6 Ciclos de Refrigeración
4.6.3 Ciclo de Brayton Invertido
T
s
1
2
3
4
TF TC
4321
41 h-h
hhhhWW
Q
TC
E
Coeficiente de Operación
[4.41]Refrigerante: aire
FOCO FRÍO
TF
FOCO CALIENTE
TC
QS
QE
WC WT
1
2 3
4
T
s
1
2
3
4
TF TC
55
Bibliografía
1.- Fundamentos de termodinámica técnica. M. J. Morán y H. N. Shapiro.
Editorial Reverté, Barcelona, 1998-1999.
2.- Termotecnia básica para ingenieros químicos. A. de Lucas. Ediciones
de la Universidad de Castilla La Mancha, 2004-2007