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Ciclos Termicos

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Física Térmica

MAQUINAS TÉRMICAS CICLOS TERMODINÁMICOS

CICLOS DE POTENCIA

CICLOS DE REGRIGERACIÓN

Máquina Térmica

Refrigerador, Bomba de calor

Ciclo de gas: La sustancia que lo realiza queda durante el ciclo en estado gas Ciclo de Vapor: Recorre parte del ciclo en estado vapor y otra parte en estado líquido Ciclo cerrado: El fluido de trabajo regresa a su estado inicial al final del ciclo (ej. Vapor en una central Térmica) Ciclo abierto: El fluido de trabajo se renueva en cada ciclo. (ej. automovil)

Máquinas Térmicas

Combustión interna: Se quema el combustible dentro de la frontera del sistema Combustión externa: Uso de calderas, pozo geotérmico, reactor nuclear, sol.. (Centrales eléctricas)

Los ciclos reales se aproximan a ciclos ideales, suponiendo: El ciclo no implica ninguna fricción Procesos de expansión y compresión son cuasiestáticos Tuberías que conectan las diferentes partes del sistema están bien aisladas Se ignoran los cambios de energía cinética y potencial del fluido de trabajo (excepto en toberas)

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica EL CICLO DE CARNOT Y SU VALOR EN INGENIERÍA

W NETO TL η = ---------------------------------- = 1 – -----Q ABSORBIDO TH

El ciclo de carnot es el ciclo reversible que tiene mayor rendimiento. Todos los ciclos reversibles que operen con las mimas dos fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento. Rendimiento aumenta con la diferencia de temperatura entre las dos fuentes Existen límites físicos para TH y TL

El ciclo de Carnot podría llevarse a cabo en un sistema cerrado (cilindro-pintón) o bien en un sistema de flujo permanente (dos turbinas y dos compresores)

INCONVENIENTES PARA SU EXACTA REALIZACIÓN PRÁTICA:

En ciclos de gas: La transferencia de calor isotérma reversible es dificil de llevar a cabo en la realidad ya que requeriría tiempos muy largos En ciclos de vapor: Es difícil de encontrar la composición exacta de líquido que cierre el ciclo.

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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CICLO DE OTTO Máquina de Combustión Interna Ciclo ideal para las máquinas de encendido de chispa. Motor de Ignición

REAL
3

REAL
4 b a 1 5

2

Vmin

Vmax

IDEAL

Física Térmica

IDEAL
Expansión

Vmin

Vmax

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica

CICLO DE OTTO

a - 1 Se abre la válvula de admisión, el pistón baja absorbiendo la mezcla fresca aire-gasolina. P aprox cte= 1atm 1 - 2 El pistón sube y comprime la mezcla adiabáticamente. 2 En Vmin de la mezcla, la chispa produce la combustión instantáneamente. 2 - 3 Aumenta la temperatura y la presión a v=cte 3 - 4 Expansión adiabática con realización de trabajo. Fase de Potencia 4 - 5 Se abre la válvua de escape, la presión cae a 1 atm. V=cte. 5 - b El pistón empuja los gases de combustión fuera a P=cte=1atm a - 1 Se abre la válvula........comienza el ciclo de nuevo 1) Combustible no reutilizable No es exactamente un ciclo 2) 5 - b y a - 1 no totalmente coincidentes

Suposición para considerarlo ideal: Se realiza un ciclo 1 -2- 3- 4. Dos Isócoras y dos adiabáticas. Ciclo cerrado γ → Índice adiabático 1 η = 1 – ----------γ–1 r v max r = ----------v min

Relación de compresión

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica DIAGRAMA TS PARA EL CICLO DE OTTO

Q abs = ∆U 2 → 3 = nc v ( T 3 – T 2 ) Q ced = ∆U 4 → 1 = nc v ( T 4 – T 1 )

Eficiencia Térmica de un ciclo de Otto ideal como función de la relación de compresión (γ=1.4)

La eficiencia térmica aumenta con la relación de compresión Si la relación de compresión es excesivamente grande puede perjudicar la motor ya que se produce el autoencendido. (Durante la compresión se elevaría en exceso la temperatura)

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica

MOTOR DE DOS TIEMPOS

Idealmente sigue el mismo ciclo de Otto que el motor de cuatro tiempos. En el ciclo REAL durante la expansión adiabática (Tiempo de Potencia) se abre primero el puerto de escape y luego el de admisión.

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLO DIESEL Encendido por compresión DIAGRAMA PV Y TS SE USAN MAS ALTAS RELACIONES DE COMPRESIÓN 1 - 2 compresión de aire 2- 3 Se inyecta el combustible manteniendo la P=cte 3- 4 Se cierra el inyector. Expansión adiabática. Tiempo de Potencia γ r0 – 1 1 η = 1 – --------------------- ----------γ ( r0 – 1 ) rγ – 1

η D < η otto Para la misma relación de compresión Para Diesel rD < rotto Al final tiene mayor η

v3 r 0 = ---------v min

En los motores diesel la bujía se reemplaza por un inyector de combustible

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLOS DE STIRLING Y ERICSSON Combustión externa Más similares al de Carnot ya que trabaja entre dos fuentes térmicas Diagramas TS y PV de los ciclos de Carnot, Stirling y Ericsson

No son prácticos: Necesitarían la transferencia ideal de calor a T=cte Esto requeriría superficies muy grandes o un tiempo infinito

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica

LA EJECUCIÓN DEL CICLO STIRLING

1 -2 Expansión Istoterma. Se absorbe calor de la fuente a TH 2 -3 Ambos pistones se mueven a la misma velocidad manteniendo v=cte 3- 4 Compresión Isoterma, se cede calor a la fuente a TL 4-1 Ambos pistones se mueven a la misma velocidad manteniendo v=cte El regenerador se queda con el calor en 2 3 haciendo que el gas se enfríe este calor lo devuelve en 4 1 haciendo que se caliente UN MOTOR ERICSSON DE FLUJO PERMANENTE

3

2

4 4 3 1

1

2

El fluido fluye de manera constante. La compresión y la expansión se produce en el compresor y en la turbina respectivamente El regenerador es ahora un intercambiador de calor a contraflujo

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLO BRAYTON El ciclo ideal para los motores de turbina de gas. Ciclo abierto Motor de turbina de gas de ciclo abierto. REAL 1 -2 Entra aire fresco en el compresor T y P aumentan 2 -3 El combustible se quema a P=cte 3-4 Los gases de alta temperatura entran en la turbina donde se expanden hasta Patm. Producción de potencia

Motor de turbina de gas de ciclo cerrado. Modelado del real. IDEAL

Los procesos de compresión y expansión quedan iguales El proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a P=cte El proceso de escape se sustituye por uno de cesión de calor a presion constante hacia el aire ambiente

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica Diagramas T-s y P-v para el ciclo Brayton ideal

1 - 2 Compresión Isoentrópica 2 - 3 Adición de calor a P=cte 3 - 4 Expansión Isoentrópica 4 - 1 Cesión de calor a P=cte

Q abs = ∆H 2 → 3 = nc p ( T 3 – T 2 ) Q ced = ∆H 4 → 1 = nc p ( T 4 – T 1 )

γ→ 1 η = 1 – --------------------(γ – 1) ⁄ γ rp p2 r p = ----p1

Índice adiabático

Relación de presiones

El rendimiento aumenta con la relación de presiones La temperatura más alta se consigue al final del proceso de combustión (estado 3) que está limitada por la máxima temperatura que los alabes de la turbina pueden soportar, este hecho limita la relación de presiones Las principales áreas de aplicación de las turbinas de gas son: La propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLOS IDEALES DE PROPULSIÓN A CHORRO

En un motor de chorro, los gases de alta temperatura y alta presión que salen de la turbina se aceleran en una tobera para proporcionar el empuje.

Diagrama T-s del ciclo turbochorro ideal

Esencialmente es idéntico al de turbina de gas del ciclo Brayton. Difieren en que el gas en la turbina solo se expande parcialmente produciendo un trabajo que se emplea en accionar el compresor. La expansión final se produce en la tobera hasta la presión ambiente y salen del avión a alta velocidad. Componentes básicos de un motor de turbochorro

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica

Analisis termodinámico en los motores de propulsión a chorro
Estatoreactor

T1,p1,v1 difusor entrada

cámara de combustión

tobera salida

T2,p2,v2 difusor combustible

1 2 2 ( h 2 – h 1 ) + -- ( v 2 – v 1 ) = 0 2 ciclo T1 1 η = 1 – ----------------------- = 1 – ----γ–1 T2 – --------- p 2 γ  -----  p 1

v1 » v2

2c p T 1 – 1  η =  1 + --------------  2   v1

T1/T2 p1/p2

η

v/(kmh-1)

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica Motor de Turbopropulsión

Motor de Estatorreactor

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Combustión externa. Flujo Permanente Diagrama T-s del ciclo de Carnot de vapor VENTAJAS: Isotermas coinciden con isóbaras Tc 1-2 Agua vaporiza a P y T ctes en la caldera 2-3 Expansión isoentrópica en la turbina 3-4 Condensación a P y T ctes en el condensador. Licua parte del vapor 4-1 Compresión isoentrópica en el compresor

Dificultades Prácticas: La Temperatura máxima está limitada por la Tc del agua. Desgaste de la turbina debido a la cantidad del líquido que aparece durante la expansión Dificicultad de controlar durante la compresión el estado final No es práctico diseñar compresores que manejen dos fases

Barato El fluido más usado es el agua Poco contaminante Buenas propiedades Termodinámicas

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Física Térmica EL CICLO IDEAL RANKINE SIMPLE 1-2 Compresión isoetrópica en una bomba 2-3 Adición de calor a p=cte en una caldera 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina 4-1 Cesión de calor a p=cte en un condensador

Basado en el ciclo de Carnot de vapor con las siguientes DIFERENCIAS El vapor saturado se sigue calentando en la caldera a p=cte hasta el estado 3, con ello en la expansión adiabática el vapor tiene mayor calidad (calidad=fracción molar) El vapor se lícua completamente en el proceso 4-1. La bomba sólo comprime ya agua líquida, hasta la presión de entrada en la caldera

A la caldera se le denomina generador de vapor. En la turbina se produce el trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico El condensador es un intercambiador de calor que cede calor a un medio como un lago, un río o la atmósfera

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica ANÁLISIS ENERGÉTICO Ecuaciones de flujo permanente Se desprecian las variaciones de energía cinética y potencial q - w = hf - hi Bomba (q=0) Caldera (w=0) Turbina (q=0) Condensador (w=0) Por unidad de masa de vapor wbomba = h2 - h1 qabsorbido = h3 - h2 wturbina = h3 - h4 qcedido = h4 - h1

wneto = qabs - qced = wturb - wbomba DIAGRAMA MOLLIER h-s En procesos a p=cte Q = ∆h En procesos a s=cte w = ∆h Dentro de la curva de coexistencia coinciden las líneas p=cte y T=cte

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica Desviación del ciclo real de potencia de vapor del ciclo ideal Rankine

Irreversibilidades Fricción del fluido Provoca caidas de presión Pérdidas de calor indeseadas Hay que aumentar el calor suministrado enla caldera

El ciclo ideal de Rankine con recalentamiento

Proceso de expansión sucede en dos etapas, ello mejora la calidad del vapor al final del proceso de expansión sin tener que aumetar la temperatura máxima de la caldera. Hay menos problemas de humedad en la turbina Mejora el rendimiento entre un 4 y un 5%

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica REFRIGERACIÓN En general los estudios realizados sobre máquinas térmicas que absorben calor para obtener trabajo pueden trasladarse a las máquinas frigoríficas que absorben trabajo para extraer calor y enfriar un recinto. Los ciclos frigoríficos pueden trabajar con gases o con una sustancia en equilibrio líquido vapor. La compresión de la sustancia puede ser realizarse de forma alternativa o rotativa.

CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GASES

El aire se comprime adiabáticamente en un compresor (3) que puede ser alternativo o rotativo. W El aire entra en un refrigerador (4) y se enfría. Posteriormente pasa al expansor (1) donde realiza un trabajo sobre el medio externo. Este trabajo se aprovecha en el turbocompresor para reducir su consumo. Finalmente pasa al intercambiador (2) donde se calienta y enfría el volumen (2)

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLOS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Refrigeradores y Bombas de Calor

TH

Medio Caliente QH0 W QL QH > W

TL

Espacio Refrigerado

Ciclo inverso de Carnot Ciclo de refrigeración por compresión de vapor Esquema
TTL

Refrigerador Bomba calor QH QL 1 1 e = --------------------------- = ---------------e = --------------------------- = ---------------QH – QL TH QH – QL TL 1 – ------------- – 1 TL TH Los rendimientos aumentan cuando disminuye la diferencia de T
Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 94

Física Térmica CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

líquido a p alta

vapor a p alta Tamb

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Caso Bmw

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Try-Out

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Doctor

...valorización energética, el tratamiento y la disposición en rellenos sanitarios. Cuando se ha disminuido hasta donde es posible la masa de residuos producidos, y ya no es factible reutilizarlos en su estado original, el reciclaje constituye la mejor opción para su manejo. El reciclaje es la transformación de los residuos a través de distintos procesos, que permiten restituir su valor económico, evitando así su disposición final, siempre y cuando esta restitución favorezca un ahorro de energía y materias primas sin perjuicio para la salud, los ecosistemas o sus elementos [1]. 1 Aunque el reciclaje se considera generalmente como una forma de manejo de residuos, en realidad constituye una actividad que permite modificar todo el ciclo de vida de los productos, pues al reciclar un residuo se disminuye la necesidad de extraer y procesar nuevas materias primas. Con ello, además de evitar el agotamiento de los recursos naturales, se ahorra la gran cantidad de energía y agua requerida para obtenerlos, transportarlos y procesarlos. El reciclaje, además, puede tener importantes beneficios para las economías locales, pues disminuye la dependencia hacia las materias primas que se importan de otros...

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Energías Renovables

...Energías Renovables. Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, unas por la inmensa cantidad de energía que contienen, y otras porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Una energía alternativa, o más precisamente una fuente de energía alternativa es aquella que puede suplir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de renovación. El consumo de energía es uno de los grandes medidores del progreso y bienestar de una sociedad. El concepto de "crisis energética" aparece cuando las fuentes de energía de las que se abastece la sociedad se agotan. Un modelo económico como el actual, cuyo funcionamiento depende de un continuo crecimiento, exige también una demanda igualmente creciente de energía. Puesto que las fuentes de energía fósil y nuclear son finitas, es inevitable que en un determinado momento la demanda no pueda ser abastecida y todo el sistema colapse, salvo que se descubran y desarrollen otros nuevos métodos para obtener energía: éstas serían las energías alternativas. En conjunto con lo anterior se tiene también que el abuso de las energías convencionales actuales hoy día tales como el petróleo la combustión de carbón entre otras acarrean consigo problemas de agravación progresiva como la contaminación, el aumento de los gases invernadero y la perforación de la capa de ozono. La discusión energía alternativa/convencional...

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Direct Injection Diesel Engines

...Università di Roma “Tor Vergata” – Corso di Motori a Combustione Interna MOTORI DIESEL AD INIEZIONE DIRETTA ALIMENTAZIONE DEL COMBUSTIBILE E MOTO DELLA CARICA Dott. Ing. Stefano Ubertini Alimentazione del combustibile e moto della carica nei moderni motori Diesel 1 Università di Roma “Tor Vergata” – Corso di Motori a Combustione Interna SOMMARIO 1. INTRODUZIONE ......................................................................................................... 3 1.1. Regolazione della potenza ...................................................................................... 3 1.2 Classificazione dei sistemi di iniezione................................................................... 3 2. IL SISTEMA COMMON RAIL ................................................................................... 5 2.1 Componenti del sistema .......................................................................................... 6 3. IL SISTEMA CON INIETTORE-POMPA................................................................. 19 4. SVILUPPO E CARATTERISTICHE DELLO SPRAY ............................................. 21 5. MOTO DELL’ARIA ................................................................................................... 27 5.1 Cenni sulla turbolenza ........................................................................................... 28 5.2 Moti secondari: swirl, tumble e squish.................................................................

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