Sistemas de Potencia Termodinámica II

Consideraciones Básicas. Un sistema de potencia es aquel que convierte la energía térmica en potencia. La mayoría de estos sistemas funcionan en ciclos, esto quiere decir que las condiciones iníciales serán igual a los finales. Existe complejidad al analizar Los ciclos reales debido a algunas condiciones como el rozamiento que existe y el poco tiempo con el que se cuenta entre las diferentes faces.

Para un buen análisis de estos ciclos es importante hacer algunas idealizaciones, para ello es necesario eliminar las irreversibilidades de los procesos a esto se le considera un CICLO IDEAL

Un modelo idealizado permite el estudio de los principales parámetros que gobiernan el ciclo, sin detenerse en detalles que influyen muy poco Las conclusiones que se obtienen en un ciclo ideal se aplican al real. El objetivo de analizar los ciclos de manera idealizada es buscar los parámetros que puedan incrementar el rendimiento del sistema.

Idealizaciones Descartar la fricción así el fluido de trabajo no tiene ninguna caída de presión Las faces de expansión y compresión de un ciclo se encuentran en cuasi equilibrio. Las uniones de los sistemas se encuentran bien aislados y la transferencia de calor a través de las mismas es nula

Suposiciones de Aire estándar Cuando utilizarlo. (Sistemas Abiertos) Para motores de combustión interna donde existe un ingreso de gas al ciclo de potencia, las condiciones iniciales del gas tendrán determinadas propiedades y al finalizar el ciclo este gas tendrá otras propiedades Para estos sistemas se utilizara AIRE como como flujo de trabajo, y este circulara de modo continuo en un circuito cerrado, comportándose como un gas ideal. Por lo tanto mantendrá las propiedades al inicio y al fin del ciclo

Todos los procesos serán internamente reversibles. El proceso de combustión será sustituido por un proceso de adición de calor desde una fuente externa. El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial Al aire se lo considerara con calor especifico constante a temperatura ambiente (25oC)

Suposición de Aire Estándar

Máquinas Reciprocantes Nomenclatura:

Relación de Compresión (r): Relación de volumen que se maneja en las máquinas reciprocantes. Presión media efectiva (PME): Presión ficticia que representa la presión promedio sobre el embolo que existiría durante toda la carrera de potencia.

Relación de Compresión: Presión media efectiva: (PME)

Ciclos de Potencia Ciclo Otto Ciclo Diesel Ciclo Stirling Ciclo Ericsson Ciclo Brayton Ciclo Rankine Ciclo Adkinson

Ciclo Stirling El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio de trabajo, ya sea aire, helio, hidrógeno o incluso alguna clase de líquido. Al calentar el medio de trabajo, conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento para desplazar una parte del motor. Posteriormente, enfriaremos de nuevo el medio de trabajo, reduciendo su volumen, y consiguiendo que el motor vuelva a la posición inicial. El motor trabajará siempre con el mismo medio de trabajo, por lo que el motor debe ser hermético.

El ciclo Stirling es el mas aproximado al ciclo de Carnot por su alto rendimiento. Difiere del ciclo de Carnot por que en ves de tener procesos isotrópicos tiene proceso de regeneración a volumen constante. La adición de calor es de tipo isotérmica. En la regeneración, se transfiere calor hacia un dispositivo de almacenamiento de energía térmica durante una parte del ciclo y se transfiere nuevamente hacia el fluido de trabajo en otra.

Ciclo Ericsson El ciclo Ericsson es muy similar al Stirling, a diferencia que en los procesos de volumen constante se sustituye por procesos de presión constante. Los procesos de expansión y compresión isotérmicos se ejecutan en un compresor y una turbina respectivamente. Un intercambiador de calor funge como regenerador

Los ciclos Stirling y Ericsson utilizan la misma formula de rendimiento que el ciclo de Carnot Uno de los usos principales del motor Stirling a sido dentro de los submarinos, actualmente se lo esta utilizando también en la generación con energía solar, debido a su alto rendimiento, de igual manera que el ciclo Ericsson http://www.concursoespacial.com/trabajos2009/proyecto -stirling-2010-ies-leonardo-da-vinci.pdf http://news.soliclima.com/divulgacion/eficiencia- energetica/el-motor-stirling

Ciclo Brayton El ciclo Brayton es el ciclo ideal para los motores de turbina de Gas. Se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresión como expansión suceden en maquinas rotatorias. Generalmente funciona en un ciclo abierto.

Para modelar el ciclo Brayton se lo considera como un ciclo cerrado, empleando la sustitución de aire estándar. El proceso de combustión= adición de calor a presión constante. Proceso de escape = rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. De donde este ciclo estará integrado por cuatro procesos internamente reversibles.

Los cuatro procesos se ejecutan en dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto se analizan como procesos de flujo estacionario 1-2 y 3-4 son isentrópicos por lo que P2=P3 y P4=P1 rp= Relación de presión K= relación de calor especifico

En el ciclo Bryton la eficiencia térmica aumenta si la relación de presión de la turbina de gas y el calor especifico del fluido aumentan Las dos principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica.

Ciclo Rankine El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que opera entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica)

Este se lo utiliza en centrales térmicas de vapor Este se lo utiliza en centrales térmicas de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua. Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje. El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido. Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

Proceso 1-2: Expansión isentrópica 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. Proceso 3-4: Compresión isentrópica 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.

Todos los procesos se consideran como de flujo estacionario Wneto=Wturbina - Wbomba

Ciclo Rankine en energía solar:

Ciclo Otto El ciclo Otto es considerado el ciclo ideal para las maquinas de encendido por chispa. Aquí se ejecutan cuatro tiempos, donde cada ciclo o revolución del cigüeñal representa 2 tiempos

Ciclo Otto Se denominan maquinas de combustión interna de 4 tiempos. Recibe su nombre en honor a Niko A. Otto, quien en 1876, en Alemania construyo un exitoso motor de 4 tiempos basándose en el modelo propuesto por Frenchman Beau de Rocha en 1862

Ciclo Otto Ideal (aire estándar)

K=Cp/Cv relación de calor especifico

Grafica eficiencia vs relación de compresión La eficiencia del motor Otto de combustión interna estará en función principalmente de la relación de compresión (r) y la relación de calor especifico (k). K=1.4 relación del aire a temperatura ambiente

Ciclo Diesel Es considerado como el ciclo ideal para maquinas encendidas por compresión. El motor ECOM fue propuesto por primera vez por Rudolph Diesel.

Ciclo Diesel El principio de este motor es comprimir el aire hasta una temperatura superior al auto encendido y así se inyecta el combustible generar la explosión que producirá el trabajo. Las relaciones de compresión fluctúan entre 12-24

Ciclo ideal El proceso de inyección se da como un proceso de adición de calor a presión constante, que seria en lo único en lo que difiere con el ciclo Otto ya que en ese la adicción es a volumen constante

Qentrada-Wsalida=u3-u2 Qentrada=P2(v3-v2)+(u3-u2) Qentrada=h3-h2 Qentrada=Cp(t3-t2) Qsalida=Cv(t4-t1)

Cuando la relación de corte (rc) disminuye el rendimiento del motor Diesel aumenta