LA MEJOR MAQUINA

LA MEJOR MAQUINAT trabajas para una compaa de motores a combustin. La compaa est probando un nuevo combustible cuya temperatura mxima es de 927C y la temperatura mnima es 27C, con un coeficiente adiabtico de 1,4. Como ingeniero a cargo del diseo de motores se te ha pedido evaluar los diferentes ciclos termodinmicos que podra usarse con este combustible y obtener la mxima eficiencia posible.Busca informacin en Internet sobre los diferentes ciclos termodinmicos y la eficiencia de cada uno, luego considerando los datos que creas conveniente evala y selecciona el mejor ciclo termodinmico para conseguir la mxima eficiencia. Elabora una presentacin en Power Point de tu propuesta. Indica los datos que has considerado y enva tu actividad a travs de La mejor mquina.Palabras claves para su bsqueda: Ciclo Otto, Ciclo Brayton, Ciclo Rankine, Ciclo Stirling, Ciclo Diessel

LA MEJOR MQUINAEl ciclo de Carnot se compone de 4 procesos totalmente reversibles: adicin de calor isotrmica, expansin isentrpica, rechazo de calor isotrmico y compresin isentrpica.

6/1/2015 9:18:38 AM3CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot es el ciclo ms eficiente que puede ejecutarse entre una fuente de energa trmica a temperatura alta TH y un sumidero a temperatura baja TL.El ciclo de Carnot puede ser ejecutado en un sistema cerrado, un dispositivo de cilindro-mbolo o en un sistema de flujo estacionario, usando dos turbinas y dos compresores.

6/1/2015 9:18:38 AM4CICLO DE CARNOT

El ciclo de Otto es el ciclo ideal para las mquinas de encendido por chispa. Recibe ese nombre en honor a Nikolaus A. Otto.En la mayora de las mquinas de encendido por chispa el mbolo ejecuta cuatro tiempos completos.

6/1/2015 9:18:38 AM5CICLO OTTO

Una variacin y avance de la mquina de cuatro tiempos es la mquina de dos tiempos, las cuatro funciones se ejecutan slo en dos tiempos: el de potencia y el de compresin. En estas mquinas el crter se sella y el movimiento hacia fuera del mbolo se emplea para presurizar ligeramente la mezcla de aire y combustible en el crter.

Durante la ltima parte de la carrera de potencia, el mbolo descubre primero el puerto de escape permitiendo que los gases de escape sean parcialmente expulsados, entonces se abre el puerto de admisin permitiendo que la mezcla fresca de aire y combustible se precipite en el interior e impulse la mayor parte de los gases de escape restantes hacia fuera del cilindro. Esta mezcla es entonces comprimida cuando el mbolo se mueve hacia arriba durante la carrera de compresin.

6/1/2015 9:18:38 AM6CICLO OTTO7CICLO OTTOLas mquinas de dos tiempos son generalmente menos eficientes que sus contrapartes de cuatro tiempos, debido a la expulsin incompleta de los gases de escape y la expulsin parcial de la mezcla fresca de aire y combustible con los gases de escape. Sin embargo, son ms sencillas y econmicas

El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por vez primera para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por l alrededor de 1870.Actualmente se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresin como de expansin suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas generalmente operan en un ciclo abierto6/1/2015 9:18:38 AM8CICLO BRAYTON6/1/2015 9:18:38 AM9CICLO BRAYTONSe introduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor, donde su temperatura y presin se elevan. El aire de alta presin sigue hacia la cmara de combustin, donde el combustible se quema a presin constante.

Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presin atmosfrica, produciendo potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), causando que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.

6/1/2015 9:18:38 AM10CICLO BRAYTONEl ciclo de turbina de gas abierto puede modelarse como un ciclo cerrado. En este caso los procesos de compresin y expansin permanecen iguales, pero el proceso de combustin se sustituye por uno de adicin de calor a presin constante desde una fuente externa, mientras que el proceso de escape se reemplaza por otro de rechazo de calor a presin constante hacia el aire ambiente.

6/1/2015 9:18:38 AM11CICLO BRAYTONEl ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta est integrado por cuatro procesos internamente reversibles:

1-2 Compresin isentrpica (en un compresor)2-3 Adicin de calor a presin constante3-4 Expansin isentrpica (en una turbina)4-1 Rechazo de calor a presin constante

En las mquinas de turbinas de gas la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suele ser considerablemente mayor que la del aire que sale del compresor. Por lo tanto, el aire de alta presin que sale del compresor puede calentarse transfirindole calor desde los gases de escape calientes mediante un intercambiador de calor a contraflujo, el cual se conoce tambin como regenerador.

6/1/2015 9:18:38 AM12CICLO BRAYTON CON REGENERACIN

6/1/2015 9:18:38 AM13CICLO BRAYTON CON REGENERACINLa eficiencia trmica del ciclo Brayton aumenta como resultado de la regeneracin, ya que la porcin de energa de los gases de escape que normalmente se libera hacia los alrededores ahora se usa para precalentar el aire que entra a la cmara de combustin.

Esta modificacin describe que la salida de trabajo de una turbina que opera entre dos niveles de presin aumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlo entre stas; es decir, si se utiliza expansin en mltiples etapas con recalentamiento.

Este ciclo con recalentamiento se basa en un principio simple: El trabajo de compresin o expansin de flujo estacionario es proporcional al volumen especfico del fluido. Por lo tanto, el volumen especfico del fluido de trabajo debe ser lo ms bajo posible durante un proceso de compresin y lo ms alto posible durante un proceso de expansin. Esto es precisamente lo que logran el recalentamiento.

6/1/2015 9:18:38 AM14CICLO BRAYTON CON RECALENTAMIENTOEl ciclo Stirling, est integrado por cuatro procesos totalmente reversibles:

1-2 expansin a T _ constante (adicin de calor de una fuente externa)2-3 regeneracin a v _ constante (transferencia de calor interna desde el fluido de trabajo hacia el regenerador)3-4 compresin a T _ constante (rechazo de calor a un sumidero externo)4-1 regeneracin a v _ constante (nuevamente, transferencia de calor interna desde un regenerador hacia el fluido de trabajo)

6/1/2015 9:18:39 AM15CICLO STIRLING6/1/2015 9:18:39 AM16CICLO STIRLING

Diagrama P-v, ciclo Stirling

Diagrama T-s, ciclo Stirling

6/1/2015 9:18:39 AM17CICLO ERICSSONEl ciclo Ericsson es muy similar al Stirling, salvo en que los dos procesos a volumen constante se sustituyen por otros dos a presin constante.

6/1/2015 9:30:11 AM18CICLO DISELEl ciclo diese es el ciclo ideal para las mquinas reciprocantes. El motor ECOM, por primera vez propuesto por Rudolph Disel en la dcada de 1890, la diferencia principal est en el mtodo de inicio de la combustin. En los motores de encendido por chispa (conocidos tambin como motores de gasolina), la mezcla de aire y combustible se comprime hasta una temperatura inferior a la temperatura de autoencendido del combustible y el proceso de combustin se inicia al encender una buja.18En los motores ECOM (tambin conocidos como motores disel) el aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustin inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente. Por lo tanto, en los motores disel la buja y el carburador son sustituidos por un inyector de combustible6/1/2015 9:34:53 AM19HISTORIA

6/1/2015 9:18:39 AM20ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO DISEL Para modelar el comportamiento del motor disel se considera un ciclo Disel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente: Admisin E ------> AEl pistn baja con la vlvula de admisin abierta, aumentando la cantidad de aire en la cmara. Esto se modela como una expansin a presin constante (ya que al estar la vlvula abierta la presin es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal.

Compresin A ----->BEl pistn sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabtico. Se modela como la curva adiabtica reversible AB, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la friccin.6/1/2015 9:37:20 AM21ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO DISEL Combustin B----->CUn poco antes de que el pistn llegue a su punto ms alto y continuando hasta un poco despus de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cmara. Al ser de mayor duracin que la combustin en el ciclo Otto, este paso se modela como una adicin de calor a presin constante. ste es el nico paso en el que el ciclo Disel se diferencia del Otto.

Expansin C------>DLa alta temperatura del gas empuja al pistn hacia abajo, realizando trabajo sobre l. De nuevo, por ser un proceso muy rpido se aproxima por una curva adiabtica reversible. 6/1/2015 9:41:04 AM22ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO DISEL ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO DISEL 6/1/2015 9:18:39 AM24ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO DISEL A-->B Compresin Adiabtica. Q = 0

B-->C Expansin Isobara. P = cte.

C-->D Expansin Adiabtica. Q = 0

D-->A Compresin iscora. V = cte.6/1/2015 9:18:39 AM25ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO DISEL Relacin de compresin ------->

Trabajo total --------------->

Rendimiento --------------->

Entropa -------------->

Relacin de corte --------------->

6/1/2015 9:18:39 AM26ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO DISEL Entre los ciclos real y terico Disel existen, igual que en el caso Otto, diferencias en la forma y en los valores de las presiones y temperaturas. Algunas de estas semejanzas corresponden a las del ciclo Otto; por ejemplo, las debidas a la variacin de los calores especficos, a la perdida de calor y al tiempo de abertura de la vlvula de escape.

6/1/2015 9:18:39 AM27CICLO DIESEL REAL a)Combustin a presin constante.

Como se ve en eldiagrama en la prctica la combustin se realiza en tales condiciones, que la presin varia durante el proceso, mientras que en el ciclo terico habamos supuesto que se mantena constante.

b) Disociacin de los productos de la combustin. En el motor de encendido por compresin, la disociacin no tiene un efecto tan importante como en el motor de encendido por chispa, por cuanto el exceso de aire y mezcla de los productos de la combustin son tales, que reducen la temperatura mxima y, en consecuencia, tambin la disociacin de dichos productos.

6/1/2015 9:18:39 AM28CICLO DIESEL REAL

6/1/2015 9:18:39 AM29CICLO DIESEL REAL (DIAGRAMA) VentajasLa principal ventaja de los motores disel, comparados con los motores a gasolina, es su bajo consumo de combustible. Debido a la constante ganancia de mercado de los motores disel en turismos desde la dcada de 1990 (en muchos pases europeos ya supera la mitad), el precio del combustible ha superado a la gasolina debido al aumento de la demanda. Este hecho ha generado quejas de los consumidores de gasleo, como es el caso de transportistas, agricultores o pescadores.6/1/2015 9:18:39 AM30CICLO DIESEL REALCaractersticas del motor disel.

Los motores disel tienden a ser ms costosos que los de gasolina. Debido a su peso y su tasa de compresin, suelen tener un rango de RPM ms bajo. Esto hace que los disel sean ms lentos en trminos de aceleracin.Los motores disel tienen que inyectar el combustible, y en el pasado los inyectores de este tipo eran ms caros y menos confiables. Los motores disel tienen tendencia a producir ms humos y olores.Lo disel son ms difciles de arrancar en temperaturas fras, hacen ms ruido y tienden a vibrar.6/1/2015 9:18:39 AM31CICLO DIESEL REAL Muchos de los motores disel nuevos estn eliminando estas desventajas como por ejemplo, el humo, ruido, vibraciones y costes. Incluso la velocidad y potencia estn llegando a una posicin cercana a la gasolina.

Actualmente se est utilizando el sistema common-rail (sistema de inyeccin de combustible electrnico) en los vehculos automotores pequeos. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejores prestaciones del motor, menor ruido (caracterstico de los motores disel) y una menor emisin de gases contaminantes.

6/1/2015 9:18:39 AM32CICLO DIESEL REAL6/1/2015 9:18:39 AM33MOTOR DIESEL 4 TIEMPOS

6/1/2015 9:18:39 AM34MOTOR DIESEL 4 TIEMPOSEL CICLO DIESEL DE CUATRO TIEMPOS CONSTA DE LAS SIGUIENTES ETAPAS:6/1/2015 9:18:39 AM35

6/1/2015 9:18:39 AM36EL CICLO DIESEL DE CUATRO TIEMPOS CONSTA DE LAS SIGUIENTES ETAPAS:En este primer tiempo el pistn efecta su primera carrera o desplazamiento desde el PMS al PMI, aspirando slo aire de la atmsfera. El aire pasa por el colector y la vlvula de admisin, que se ha abierto instantneamente, permaneciendo abierta a fin de llenar todo el volumen del cilindro. La muequilla del cigeal gira 180. Al llegar al PMI se supone que la vlvula de admisin se cierra instantneamente6/1/2015 9:18:39 AM37ADMISIN

En este segundo tiempo todas las vlvulas estn cerradas y el pistn se mueve hacia arriba en el cilindro comprimiendo el aire. A medida que se que comprimen las molculas de aire, aumenta la temperatura considerablemente por encima de los 600C. La muequilla del cigeal gira otros 180 y completa la primera vuelta del rbol motor.

6/1/2015 9:18:39 AM38COMPRESIN

Al final de la compresin con el pistn en el PMS se inyecta el combustible en el interior del cilindro con la bomba de inyeccin a una presin elevada. El combustible, debido a la alta presin de inyeccin sale pulverizado, se inflama en contacto con el aire caliente, producindose la combustin del mismo. Durante este tiempo el pistn efecta su tercer recorrido y la muequilla del cigeal gira otros 180. Slo en esta carrera se produce trabajo, debido a la fuerza de la combustin que empuja el pistn y la biela hacia abajo, lo que hace girar el cigeal, as la energa trmica se convierte en energa mecnica.6/1/2015 9:18:39 AM39Combustin

Durante este cuarto tiempo, el pistn que se encuentra en el PMI es empujado por el cigeal hacia arriba forzando la salida de los gases quemados a la atmsfera por las vlvulas de escape abiertas.

La muequilla del cigeal efecta otro giro de 180, completando las dos vueltas del rbol motor que corresponde al ciclo completo de trabajo.

6/1/2015 9:18:39 AM40ESCAPE

Segn el teorema de Carnot, el rendimiento de un motor de Carnot esta dado:

Donde:La temperatura mxima es T2 = 927 CLa temperatura mnima es T1 = 27 CCoeficiente adiabtico c = 1.4Remplazamos en la frmula de rendimiento:

Solucin de problema planteado

Para que el rendimiento sea 100% la temperatura mnima del gas debe ser 0C, lo cual no es posible, ya que ningn combustible tiene esa propiedad.El coeficiente adiabtico, no es tomado en cuenta, puesto que el rendimiento de una maquina es independiente de su naturaleza o sustancia.El motor de ciclo Disel, o el de ciclo Otto serian los mas recomendablesEn ellos se admite la entrada de aire y, una vez comprimido y caliente, se le inyecta en el instante adecuado el combustible, que se inflama. En el primer caso, el tiempo de quemado est controlado por la velocidad de la llama turbulenta y el tamao de la cmara, que ha de ser pequea para que la compresin de la mezcla fresca no la haga arder antes de llegar la llama, por lo que las potencias suelen ser menores de 250 kW.

En el segundo caso, tras el tiempo de retardo al inicio de la auto inflamacin, el tiempo de quemado viene controlado por la ley de aporte del combustible, no estando limitado por el tamao, que llega a alcanzar varios metros cbicos y hasta 30 MW en los grandes motores.