LABORATORIO DE MTALABORATORIO DE MTA

ESCUELA DE INGENIERESCUELA DE INGENIERÍÍA MECA MECÁÁNICANICA

PROFESOR: JORGE LUIS PROFESOR: JORGE LUIS

CHACCHACÓÓN VELASCON VELASCO

MMÁÁQUINAS TQUINAS TÉÉRMICAS RMICAS ALTERNATIVASALTERNATIVAS

CICLOS IDEALES DE MTACICLOS IDEALES DE MTA

CONTENIDOCONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN2. GENERALIDADES3. CICLOS DE LOS MOTORES DE

ÉMBOLO� Ciclo generalizado� Ciclo con suministro de calor a

V=cte� Ciclo con suministro de calor a

P=cte� Ciclo con suministro mixto de

calor

CONTENIDOCONTENIDO

4. INFLUENCIA DE DIVERSOS FACTORES SOBRE EL RENDIMIENTO TÉRMICO Y SOBRE LA PRESIÓN MEDIA DEL CICLO� Ciclo con suministro de calor a V=cte� Ciclo con suministro de calor a P=cte� Ciclo con suministro mixto de calor

5. CICLOS TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS

CONTENIDOCONTENIDO

INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN

� Diferencia entre ciclo ideal y ciclo real� Suposiciones en análisis de ciclos termodinámicos

� Fricción� Cuasiequilibrio� Adiabáticos

INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN

INTRODUCCIONINTRODUCCIONCICLO

DE TRABAJO PARA

UN MOTOR

DIESEL DE

ASPIRACIÓN

NATURAL

GENERALIDADESGENERALIDADES

GENERALIDADESGENERALIDADES

� El fluido operante en el cilindro del motor El fluido operante en el cilindro del motor El fluido operante en el cilindro del motor El fluido operante en el cilindro del motor es constante. es constante. es constante. es constante.

� El calor se suministra desde el exterior El calor se suministra desde el exterior El calor se suministra desde el exterior El calor se suministra desde el exterior durante un determinado periodo del ciclo.durante un determinado periodo del ciclo.durante un determinado periodo del ciclo.durante un determinado periodo del ciclo.

� El calor especifico es constante y no El calor especifico es constante y no El calor especifico es constante y no El calor especifico es constante y no depende de la temperatura.depende de la temperatura.depende de la temperatura.depende de la temperatura.

� Procesos de compresiProcesos de compresiProcesos de compresiProcesos de compresióóóón y expansin y expansin y expansin y expansióóóón n n n adiabadiabadiabadiabááááticos.ticos.ticos.ticos.

Suposiciones:Suposiciones:

GENERALIDADESGENERALIDADES

De la segunda Ley de la termodinámica el rendimiento térmico para un ciclo teórico es:

GENERALIDADESGENERALIDADES

Ciclo de un motor térmico en coordenadas P-V.

GENERALIDADESGENERALIDADESPresión media efectiva asociada a un ciclo P-V de un motor térmico:

CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES DE DE ÉÉMBOLOMBOLO

CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADO

CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADO

• PROCESO DE COMPRESIÓN (a-c) Y EXPANSIÓN (z-b) TRANSCURREN SIN INTERCAMBIO DE CALOR.

• EL CALOR q 1’ SE SUMINISTRA A VOLUMEN CONSTANTE.

• EL CALOR q 1’’ SE SUMINISTRA A PRESIÓN CONSTANTE.

• EL CALOR q 2’ SE EXTRAE A VOLUMEN CONSTANTE.

• EL CALOR q 2’’ SE EXTRAE A PRESIÓN CONSTANTE.

CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADO

Cantidad de calor suministrada en el ciclo:

Cantidad absoluta de calor desprendido:

CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADORELACIONES ADIMENSIONALES

v

p

c

ck =

c

a

V

V=ε

c

z

p

p=λ

c

z

V

V=ρ

z

b

V

V=δ

a

f

a

b

V

V

V

V =='ρ

Exponente adiabático

Relación de compresión

Grado de elevación de

la presión

Grado de expansión preliminar

Grado de expansión posterior

Grado de compresión preliminar

CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADORENDIMIENTO TÉRMICO

[ ][ ])()(

)()(11

''21

2

zzcv

affbv

TTkTTc

TTkTTc

q

q

−+−−+−

−=−=η

Reemplazando las RELACIONES ADIMENSIONALES

)1(1

)1(1)(1

1

''

'

1 −+−

−+

−−= − ρλλ

ρρρλρ

εη

k

kk

kT

CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADO

PRESIÓN MEDIA

TENIENDO EN

CUENTA QUE

OBTENEMOS

cf

cmc

VV

lp

−=

[ ])1(111 −+−= − ρλλε kTcq k

av

)1()1()1( '' −=−=−=− ερε

ερ ac

c

f

ccf

VV

V

VVVV

[ ])1(111 ' −+−

−−= ρλλη

ερε

kk

pp T

k

amc

CASOS PARTICULARES

�CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTE

�CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTE

�CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR

CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTE

� El suministro de calor q1 y la extracción de calor q2 tienen lugar solamente a volumen constante

Consideraciones generales

�El volumen de trabajo del cilindro es:Vh = Va – Vc = Vmax – Vmin

�Este ciclo difiere del generalizado en la ausencia de los procesos z`-z y f-a

CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTEV=CTE

1=ρ 1=̀ρ

1

11 −−=

kt εη

)1(**)1(*)1(

* −−−

= ληε

εt

k

mek

Pap

Para este caso:

Entonces:Rendimiento

térmico

Presión media efectiva

CICLO CON SUMINISTRO DE CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A CALOR A V=CTEV=CTE

Variación del rendimiento térmico frente a diferentes factores

CICLO CON SUMINISTROCICLO CON SUMINISTRODE CALOR A V=CTEDE CALOR A V=CTE

Variación de la presión Pmc frente a diferentes factores

CICLO CON SUMINISTROCICLO CON SUMINISTRODE CALOR A V=CTEDE CALOR A V=CTE

CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTE

1=̀ρPara este caso:

Entonces: Rendimiento térmico

Presión media efectiva

1=λ

)1(*

1*

11 1 −

−−= − ρρ

εη

k

k

kt

)1(***)1(

*)1(

−−−

= ρηεε

kk

Pap t

k

me

CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTE

Variación del rendimiento térmico frente a diferentes factores

CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTE

CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR

Para este caso:

Entonces:Rendimiento

térmico

Presión media efectiva

1=̀ρ

)1(*1

1**

11

1 −+−−−= − ρλλ

ρλε

ηk

k

kt

))1(**1(**)1(*)1(

* −+−−−

= ρλληε

εk

k

Pap t

k

me

CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR

Variación de la eficiencia en función de varios parámetros

CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR

Parámetros de los puntos característicos del ciclo en función del procedimiento de suministro de calor

CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR

Curvas de presión Pmc en función de varios parámetros

CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR

Calor suministradoParámetros V cte. P cte. mixto

Relación de compresión 4 14 7Grado de elevación de

presión5.35 1 2.58

Grado de expansiónpreliminar

1 3.6 1.8

Rendimiento térmico 0.425 0.524 0.460

Parámetros básicos de ciclos que tienen la misma presión Pz

CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR

Ciclos para iguales valores de Pz

CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR

COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES

Los factores que mas afectan las propiedades de los fluidos de trabajo

son el exponente adiabático k y la relación de Compresión rc, afectando así la eficiencia térmica de los ciclos

Relación entre la eficiencia

térmica y relación de compresión

COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES

COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES

Para K= 1.3, y rc=1.2en todos los ciclos

COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES

ηt Pmc/P1 Pmc/P3 Pmax/P1

Volumen

constante

0.525 16.3 0.128 128

Ciclo mixto 0.500 15.5 0.231 67

Presión

Constante

0.380 11.8 0.466 25.3

Características de cada uno de los ciclos

COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES

Eficiencia térmica en comparación con la relación de compresión para un mismo fluido

P3/P1

COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES

Relación de compresión en

comparación con la relación entre la presión media

efectiva y la presión máxima

CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOSSOBREALIMENTADOS

ESQUEMA DE UN TURBOESQUEMA DE UN TURBO

CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOSSOBREALIMENTADOS

En este ciclo el calor se cede solamente a presión constante. Comparado con el ciclo con suministro mi xto de calor, este es mas eficiente, ya que con la mism a cantidad de calor suministrado se obtiene mas traba jo.

El trabajo adicional obtenido esta vinculado con el aumento considerable del volumen en le proceso de expansión. Como consecuencia de esto, la presión me dia efectiva P mc será sustancialmente menor en comparación con los valores que se logran en el ciclo con sumin istro mixto y extracción a Volumen constante.

CICLO PARA

UN MOTOR

DIESEL 2T

SOBREALIMENTADO

CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOSSOBREALIMENTADOS

Ciclo con suministro mixto de calor expansión prolongada y presión variable

CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS

k

a

l

V

V ε=

c

l

c

a

a

lk

V

V

V

V

V

V === **0 εεε

10

1

1 )*(

)*(***

)(* −

−

− ′=

′=′=

k

k

a

k

zlf

TTTT

ρερερλ

δρ

ρρηδ

′==′ *0

z

f

V

V

Relación de compresión en el compresor

Relación de compresión total

En el ciclo analizado:

Donde

CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOSSOBREALIMENTADOS

1)(* =′k

ρρλ

)1(**1

1*1

10 −+−

−′−= − ρλλ

ρε

ηk

kkt

1

1*1

10 −

−′−= − λ

ρε

ηkt

k1

0

11 −−=

kt εη

Obtenemos la eficiencia térmica del proceso

Introduciendo

Si ρ =1 entonces Si λ =1 y ρ = ρ′

CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS

Ciclo con sobrealimenta-ción con turbo compresor

CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS

De la ecuación del rendimiento térmico para cualquier ciclo tenemos: )1(*12 tqq η−=′

Para el ciclo con suministro mixto de calor:

)1(**1

1**

1*

112 −+−

−=′− ρλλ

ρλε k

qqk

k

Entonces el rendimiento térmico de todo el ciclo será:

)1(**1

1**

111

101

2

−+−−−=−= − ρλλ

ρλε

ηkq

q k

kt

CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS

[ ])1(**1**1

*1

)( 0 −+−−−

= ρλληεε

kk

PP t

k

apmc

La presión media del ciclo, referida a la parte del pistón del motor :

THAT`S ALL FOLKS

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Director: Dr. Ing. JORGE LUIS CHACON V.Director: Dr. Ing. JORGE LUIS CHACON V.Telefono: 6344000 Ext 2491 Telefono: 6344000 Ext 2491 -- Telefax: 7Telefax: 7 -- 6346376 6346376

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