Diagramas indicadores Instrumento analógico que mide la presión vs. el desplazamiento en una máquina recíproca. La gráfica está en términos de P y V. p.

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1 Diagramas indicadores Instrumento analógico que mide la presión vs. el desplazamiento en una máquina recíproca. La gráfica está en términos de P y V. p V El área es proporcional al trabajo realizado por ciclo

2 Diagramas indicadores El trabajo por ciclo se representa en términos de la presión efectiva media y el desplazamiento. p V MEP = Presión efectiva media X = Desplazamiento

3 Diagramas indicadores Para calcular el trabajo por ciclo utilice el MEP y el desplazamiento. Trabajo = MEP A desplazamiento Trabajo = MEP ´ A ´ desplazamiento MEP = k i Y, donde k i es una constante Y = ordenada promedio en el diagrama indicador. X = desplazamiento A = área del calor del cilindro.

4 El ciclo Otto: Máquina de ignición por chispa Procesos: a-b Entrada b-c Compresión c-d Combustiones (ignición iniciada por chispa) d-e Golpe de potencia e-f Gas exhausto b-a Golpe exhausto ab c d e Desplazamiento Volumen de vacío pV

5 El ciclo Otto: Diagramas sV T 3 4 5 2,6 Este es el diagrama T-s para el sistema de masa fija. p 16 3 4 5 Diagrama P-V para el sistema real de masa variable. 2

6 El ciclo Otto reversible: Análisis termodinámico

7 Suposiciones clave: 1.Procesos internamente reversibles 2.Calores específicos constantes Consecuencias importantes: 1. La eficiencia es independiente del fluido de trabajo. 2. La eficiencia es independiente de las temperaturas. Suposiciones clave: 1.Procesos internamente reversibles 2.Calores específicos constantes Consecuencias importantes: 1. La eficiencia es independiente del fluido de trabajo. 2. La eficiencia es independiente de las temperaturas. El ciclo Otto de aire estándar

8 Máquina de ignición por compresión: Diagrama indicador ideal Procesos: a-b Combustión (P = constante) b-c Expansión (s = constante) c-d Exhausto (V = constante) d-e Exhausto (P = constante) e-d Entrada (P = constante) d-a Compresión (s = constante) Procesos: a-b Combustión (P = constante) b-c Expansión (s = constante) c-d Exhausto (V = constante) d-e Exhausto (P = constante) e-d Entrada (P = constante) d-a Compresión (s = constante) a b c d e Desplazamiento Volumen de vacío p V

9 Ciclo diesel de aire estándar: Eficiencia térmica

10 a b p c d e Desplazamiento Volumen de vacío V Eficiencia térmica Razón de compresión: Razón de expansión: Razón de corte: Ciclo Diesel de aire estándar

11 Comparación de los ciclos Diesel y Otto

12 Comparación No. 1: (a) Mismo estado de admisión (P,V) (b) Misma razón de compresión, r v (c) Mismo Q H Factor clave: adición de calor a volumen constante del ciclo Otto vs. adición de calor a presión constante del ciclo Diesel. Comparación de los ciclos Otto y Diesel

13 Vp b c d a Desplazamiento Ciclo Otto: con una condición de admisión especificada como “a” con razón de compresión dada r v = v a /v b

14 V p b c c* d* d a Desplazamiento Ciclos Otto y Diesel con las mismas condiciones de compresión en la admisión como “a” y la misma razón de compresión, r v.

15 c Ciclo Diesel Ciclo Ottop bc* d* d a V

16 Análisis de la primera ley del proceso de adición de calor Otto: adición de calor con V = 0 en el proceso b  c. dW = 0, y P y T crecientes Otto: adición de calor con V = 0 en el proceso b  c. dW = 0, y P y T crecientes Diesel: adición de calor con P = constante en el proceso b  c*. dW > 0, y P y T menores que en el ciclo Otto.

17 V = const. T s d* d a b TcTcTcTc T c* P = const. c c* Ciclo Otto Ciclo Diesel

18 T s d* d a b TcTc T c* c* c Las áreas bajo las trayectorias de proceso b  c y b  c* son iguales con el supuesto de igual adición de calor, Q H. Q H,Otto = Q H,Diesel QHQHQHQH Diagramas T-s para igual adición de calor

19 Cuando Q H y r v son las mismas para ambos ciclos T s d* d a b TcTcTcTc T c* c* c Q C,Otto < Q C,Diesel Comparaciones de eficiencia

20 La comparación No. 2 es más práctica cuando se considera el efecto de “golpeo”. En el ciclo Otto se necesitan aproximadamente 11 atm para lograr la combustión con el golpe de la máquina. Comparación No. 2: (a) Mismo estado de admisión (P,V) (b) Misma P máxima (c) Misma Q H Comparación de los ciclos Otto y Diesel

21 T s d* d a b b* c* V = Const. P = Const. c Ciclo Diesel Ciclo Otto

22 Emplea las mismas suposiciones que el ciclo de la turbina de aire estándar. T s p1p1p1p1 p2p2p2p2 p3p3p3p3 p4p4p4p4 QHQHQHQH QCQCQCQC Ciclo de Carnot de aire estándar

23 La adición de calor a temperatura constante es difícil y costosa.La adición de calor a temperatura constante es difícil y costosa. –Se requiere trabajo porque el fluido se expande. La adición de calor es limitada pues el gran cambio del volumen implica una presión media baja en el proceso de adición de calor.La adición de calor es limitada pues el gran cambio del volumen implica una presión media baja en el proceso de adición de calor. –Los efectos de la fricción pueden ser demasiado grandes si la presión media es muy baja. Ciclo de Carnot de aire estándar: limitaciones

24 Adición y eliminación de calor a presión constanteAdición y eliminación de calor a presión constante Compresión y expansión a temperatura constanteCompresión y expansión a temperatura constante Q b-c Ciclo de rescisión de aire estándar v p a b c d T = Constante Q d-a Q c-d Q a-b El ciclo Ericsson de aire estándar

25 v p a bc d Q d-a Q c-d Q a-b Q b-c T = Const. s T a b c d Q d-a Q c-d Q a-b Q b-c P = Const P = Const. El ciclo Ericsson de aire estándar

26 Q b-c p a bc d T = Const. Q d-a Q c-d Q a-b W c-d W a-b v El ciclo Ericsson de aire estándar: Eficiencia

27 El ciclo Brayton Las turbinas de gas modernas operan con un ciclo Brayton abiertoLas turbinas de gas modernas operan con un ciclo Brayton abierto –El aire ambiental se lleva a la toma. –Los gases exhaustos se liberan al medio ambiente. El ciclo Brayton de aire estándar es cerradoEl ciclo Brayton de aire estándar es cerrado –Todos los procesos son internamente reversibles. –El fluido de trabajo es aire, que se supone gas ideal.

28 Ciclo real, abierto, de la turbina de gas Ciclo de aire estándar, cerrado, de la turbina de gas. Q entra Q sale W COMP W TURB

29 Compresión isentrópica a T HCompresión isentrópica a T H Adición de calor a presión constante a T HAdición de calor a presión constante a T H Expansión isentrópica a T CExpansión isentrópica a T C Eliminación de calor a presión constante T CEliminación de calor a presión constante T C Los procesos de la turbina de gas

30 1 23 4 Ciclo Brayton de aire estándar Q entr a Q sale W COMP W TURB p Vv 14 32 S = Constante Q entr a Q sale

31 s 1 = s 2 s 3 = s 4 Ciclo Brayton de aire estándar p 2 = p 3 p 1 = p 4 T s 1 4 3 2 VV p Vv 14 32 Q entra Q sale s = Constante Q entra Q sale

32 Eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal p 2 = p 3 p 1 = p 4 T s 1 4 3 2 Q entra Q sale W sale W entra

33 Para un gas ideal, h-h 0 = C p (T - T 0 ). Los procesos de compresión y expansión son politrópicos con constante k. p 2 = p 3 p 1 = p 4 T s 1 4 3 2 Eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal Q entra Q sale W sale W entra

34 Eficiencia del ciclo Se aplican las suposiciones de los gases ideales.Se aplican las suposiciones de los gases ideales. Todos los procesos son internamente reversiblesTodos los procesos son internamente reversibles –La eficiencia del compresor y la turbina es casi el 100%. Supone que el combustible que se agrega en el quemador es un porcentaje pequeño (masa o moles) del flujo total, por lo que las propiedades del aire proporcionan una buena estimación del rendimiento del ciclo.Supone que el combustible que se agrega en el quemador es un porcentaje pequeño (masa o moles) del flujo total, por lo que las propiedades del aire proporcionan una buena estimación del rendimiento del ciclo.

35 El ciclo dual El ciclo dual está diseñado para aprovechar algunas de las ventajas de los ciclos Otto y Diesel. Es la mejor aproximación a la operación real de la máquina de ignición por compresión.

36 p V d e a b c Q H,P Q H,V Q C,V s = Constante El ciclo dual

37 p Q C,V V d e a bc Q H,P Q H,V

38 V d e a bc Q H,P Q H,V