Ciclos de potencia de gas

Ciclos de potencia de gas

1. Un motor de automóvil con la cámara de combustión expuesta.

   •    •1. El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto, el fluido de trabajo no experimenta ninguna caída de presión cuando fluye en tuberías o dispositivos como los intercambiadores de calor. • 2. Todos los procesos de expansión y compresión ocurren en la forma de cuasiequilibrio. • 3. Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema están muy bien aisladas y la transferencia de calor a través de ellas es insignificante   

2. máquina de Carnot de flujo estacionario.

   •    El verdadero valor del ciclo de Carnot reside en que es el estándar contra el cual pueden compararse ciclos reales o ideales. La eficiencia térmica de un ciclo de Carnot es una función de las temperaturas del sumidero y de la fuente, y la relación de la eficiencia térmica para este ciclo.    

3. SUPOSICIONES DE AIRE ESTÁNDAR

   •    •En los ciclos de potencia de gas, el fluido de trabajo permanece como gas durante todo el ciclo. Los motores de encendido por chispa, los motores diesel y las turbinas de gas convencionales son ejemplos comunes de dispositivos que operan en un ciclo de gas. En todas estas máquinas la energía se suministra al quemar un combustible dentro de las fronteras del sistema, es decir, son máquinas de combustión interna. • 1. El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y siempre se comporta como un gas ideal. • 2. Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles. • 3. El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor desde una fuente externa •4. El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial   

4. EPANORAMA DE LAS MÁQUINAS RECIPROCANTES

   •    •Es la fuente de poder de la vasta mayoría de los automóviles, camiones, pequeños aviones, barcos y generadores de energía eléctrica, así como de muchos otros dispositivos. • •El volumen mínimo formado en el cilindro cuando el émbolo está en el PMS se denomina volumen de espacio libre El volumen desplazado por el émbolo cuando se mueve entre el PMS y el PMI se llama volumen de desplazamiento. La relación entre el máximo volumen formado en el cilindro y el volumen mínimo (espacio libre) recibe el nombre de relación de compresión r del motor   
   • reciprocantes
     • Las máquinas reciprocantes se clasifican como máquinas de encendido (ignición) por chispa (ECH) o máquinas de encendido (ignición) por compresión (ECOM), según como se inicie el proceso de combustión en el cilindro. En las máquinas ECH, la combustión de la mezcla de aire y combustible se inicia con una chispa en la bujía, mientras que en las ECOM la mezcla de aire y combustible se autoenciende como resultado de comprimirla arriba de su temperatura de autoencendido. En las siguientes dos secciones se estudian los ciclos de Otto y Diesel, los cuales son los ciclos ideales para las máquinas reciprocantes ECH y ECOM, respectivamente.

5. CICLO DE OTTO: EL CICLO IDEAL PARA LAS MÁQUINAS DE ENCENDIDO POR CHISPA

   •    •es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por chispa. •. En la mayoría de las máquinas de encendido por chispa el émbolo ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecánicos) dentro del cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. Estas máquinas son llamadas máquinas de combustión interna de cuatro tiempos.   
   •    •En las máquinas de dos tiempos, las cuatro funciones descritas anteriormente se ejecutan sólo en dos tiempos: el de potencia y el de compresión. En estas máquinas el cárter se sella y el movimiento hacia fuera del émbolo se emplea para presurizar ligeramente la mezcla de aire y combustible en el cárter, •Las máquinas de dos tiempos son generalmente menos eficientes que sus contrapartes de cuatro tiempos, debido a la expulsión incompleta de los gases de escape y la expulsión parcial de la mezcla fresca de aire y combustible con los gases de escape. Sin embargo, son más sencillas y económicas y tienen altas relaciones entre potencia y peso así como entre potencia y volumen, lo cual las hace más adecuadas en aplicaciones que requieren tamaño y peso pequeños como motocicletas, sierras de cadena y podadoras de pasto   
   • El análisis termodinámico de los ciclos reaembargo, el análisis puede simplificarse de manera significativa si se utilizan las suposiciones de aire estándar, ya que el ciclo que resulta y que es parecido a las condiciones de operación reales es el ciclo de Otto ideal, el cual se compone de cuatro procesos reversibles internamente: les de cuatro y dos tiempos antes descritos no es una tarea simple. 1-2 Compresión isentrópica  2-3 Adición de calor a volumen constante  3-4 Expansión isentrópica 4-1 Rechazo de calor a volumen constante

6. CICLO DIESEL: EL CICLO IDEAL PARA LAS MÁQUINAS DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN

   •    •En los motores diesel la bujía se reemplaza por un inyector de combustible, y sóloo se comprime el aire durante el proceso de compresión. En los mtores de gasolina, una mezcla de aire y combustible se comprime durante la carrera de compresión, mientras que las relaciones de compresión están limitadas por el comienzo del autoencendido o el golpeteo del motor. En los diesel, solamente el aire se comprime durante la carrera de compresión, eliminando la posibilidad de autoencendido   

7. CICLOS STIRLING Y ERICSSON

   •    •Los ciclos ideales de Otto y Diesel ya analizados se componen por completo de procesos internamente reversibles, por lo que son ciclos internamente reversibles. Sin embargo, estos ciclos no son totalmente reversibles, dado que incluyen transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperatura durante los procesos no isotérmicos de adición y rechazo de calor, los cuales son irreversibles. •proceso de rechazo de calor isotérmico a TL: el ciclo Stirling y el ciclo Ericsson. Éstos difieren del ciclo de Carnot en que los dos procesos isentrópicos son sustituidos por dos de regeneración a volumen constante en el ciclo Stirling, y por dos de regeneración a presión constante en el ciclo Ericsson. Ambos ciclos utilizan regeneración, un proceso en el que se transfiere calor hacia un dispositivo de almacenamiento de energía térmica (llamado regenerador) durante una parte del ciclo y se transfiere de nuevo hacia el fluido de trabajo durante otra   

8. CICLO BRAYTON: EL CICLO IDEAL PARA LOS MOTORES DE TURBINA DE GAS

   • El ciclo de turbina de gas abierto descrito anteriormente puede modelarse como un ciclo cerrado, empleando las supo- siciones de aire estándar. En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por uno de adición de calor a presión constante desde una fuente externa, mientras que el proceso de escape se reemplaza por otro de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, el cual está integrado por cuatro procesos internamente reversibles

9. Desviación de los ciclos reales de turbina de gas en comparación con los idealizados

   • Los ciclos reales de turbina de gas difieren del ciclo Brayton ideal por varias razones. Por un lado, alguna disminución de presión durante los procesos de adición y rechazo de calor es inevitable. Más importante aún es que la entrada de trabajo real al compresor será mayor y la salida de trabajo real de la turbina será menor debido a irreversibilidades. La desviación del comportamiento real del compresor y la turbina del comportamiento isentrópico idealizado puede tomarse en cuenta con precisión si se utilizan las eficiencias isentrópicas de la turbina y el compresor

10. CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN

    • La eficiencia térmica del ciclo Brayton aumenta como resultado de la rege- neración, ya que la porción de energía de los gases de escape que normalmente se libera hacia los alrededores ahora se usa para precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Esto a su vez disminuye los requerimientos de entra- da de calor (y por ende de combustible) para la misma salida de trabajo neto. Observe, sin embargo, que el uso de un regenerador sólo se recomienda cuando la temperatura de escape de la turbina es más alta que la temperatura de salida del compresor.

11. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

    • La combustión en las turbinas de gas ocurre comúnmente con cuatro veces la cantidad requerida de aire para la completa combustión, para evitar tempe- raturas excesivas. Por lo tanto, los gases de escape son ricos en oxígeno y el recalentamiento puede lograrse sencillamente rociando combustible adicional en los gases de escape entre dos estados de expansión. El fluido de trabajo sale del compresor a una temperatura menor, mientras que de la turbina lo hace a una temperatura más alta, cuando se usa interenfria- miento y recalentamiento. Esto hace que la regeneración sea más atractiva dado que existe un mayor potencial para realizarla. También, los gases que salen del compresor pueden calentarse a una temperatura más alta antes de que entren a la cámara de combustión debido a la temperatura más elevada del escape de la turbina

12. CICLOS IDEALES DE PROPULSIÓN POR REACCIÓN

    • Los motores de turbinas de gas son muy usados para impulsar aeronaves por- que son ligeros, compactos y tienen una elevada relación entre potencia y peso. Las turbinas de gas para aviones operan en un ciclo abierto llamado ciclo de propulsión por reacción. El ciclo de propulsión por reacción ideal difiere del ciclo Brayton ideal en que los gases no se expanden hasta la pre- sión ambiente en la turbina. En cambio, se expanden hasta una presión tal que la potencia producida por la turbina es suficiente para accionar tanto el com- presor como el equipo auxiliar, por ejemplo un generador pequeño y bombas hidráulicas. Es decir, la salida de trabajo neto de un ciclo de propulsión por reacción es cero. Los gases que salen de la turbina a una presión relativamen- te alta se aceleran en una tobera para proporcionar el empuje que impulsa al avión
    • reaccion
      • La eficiencia de propulsión es una medida de qué tan eficientemente la energía térmica liberada durante el proceso de combustión se convierte en energía de propulsión. La parte remanente de la energía liberada se mostrará como la ener- gía cinética de los gases de escape relativa a un punto fijo sobre el suelo y como un incremento en la entalpía del aire que sale del motor.

13. Modificaciones para motores de turborreactor

    •  El motor de turbofan de un avión puede distinguirse del turborreactor menos eficiente por la gruesa cubierta del gran ventilador. Todo el empuje del turbo- reactor se debe a los gases de escape que salen del motor a aproximadamente dos veces la velocidad del sonido. En un motor de turbofan los gases de escape de alta velocidad se mezclan con el aire que tiene una velocidad inferior, lo cual resulta en una considerable reducción del ruido. Nuevas técnicas de enfriamiento han originado incrementos notables en las eficiencias, permitiendo que las temperaturas del gas a la salida del quemador alcancen valores superiores a 1 500 °C, 100 °C por encima del punto de fusión de los materiales de los álabes de la turbina. Los motores de turbofan merecen la mayor parte del crédito en el éxito de los jumbo jets que pesan casi 400 000 kg y son capaces de transportar más de 400 pasajeros a distancias mayores a los 10 000 km con velocidades superiores a 950 km/h con menos combustible por pasajero y milla de distancia.

14. ANÁLISIS DE CICLOS DE POTENCIA DE GAS CON BASE EN LA SEGUNDA LEY

    •  La destrucción de exergía de un ciclo es la suma de la destrucción de exergía de los procesos que componen ese ciclo. La destrucción de exergía de un ciclo también puede determinarse sin seguir los procesos individuales considerando el ciclo completo como un solo proceso y usando una de las relaciones ante- riores. La entropía es una propiedad y su valor depende únicamente del estado. Para un ciclo, reversible o real, los estados inicial y final son idénticos, por lo que ss se. 
    • Muchos conductores compran el combustible premium de más alto costo, porque piensan que es mejor para el motor. La mayoría de los coches actuales están dise- ñados para operar con combustible regular sin plomo. Si el manual de operación no pide combustible premium, utilizar gasolina que no sea la regular es simple- mente un desperdicio de dinero. El índice de octano no es una medida de la “po- tencia” o “calidad” del combustible, es sencillamente una medida de la resistencia del combustible al cascabeleo (golpeteo) del motor causado por la combustión prematura. A pesar de las implicaciones de nombres ostentosos como “premium”, “súper” o “potencia máxima”, un combustible con un número de o ctanaje más alto no es un mejor combustible, sino solamente uno más caro debido al procesamiento extra requerido para aumentar el índice de octano 
    • No sobrellenar el tanque de gasolina
      • Llenar de más el tanque de combustible puede hacer que el combustible fluya en sentido contrario durante el bombeo. En climas cálidos, un tanque sobrelleno también puede hacer que el nivel de combustible rebose debido a la expansión térmica. Esto desperdicia combustible, contamina el ambiente y puede dañar la pintura del vehículo. Asimismo, los tapones del tanque de combustible que no sellan bien permitirán que se pierda algo de gasolina por evaporación. Comprar combustible en clima fresco, como en las mañanas, minimizará las pérdidas eva- porativas. Cada galón de combustible derramado o evaporado emite tantos hidro- carburos al aire como 7 500 millas de manejo.
    • Estacione en el garaje
      • El motor de un automóvil estacionado en el garaje durante la noche estará más tibio a la mañana siguiente. Esto reducirá los problemas asociados con el pe- riodo de calentamiento, como arranque, consumo excesivo de combustible y contaminación ambiental. En un clima caliente un garaje bloqueará la luz directa del sol y reducirá la necesidad de usar el aire acondicionado.
    • Arranque el automóvil correctamente y evite la marcha en vacío extendida
      • Con los automóviles actuales no es necesario cebar primero el motor bombean- do el pedal del acelerador repetidamente antes de arrancar; esto sólo desperdicia combustible. Calentar el motor tampoco es necesario. Tenga en mente que un motor en marcha en vacío desperdicia combustible y contamina el ambiente. No acelere un motor frío para calentarlo, ya que se calentará más rápidamente en el camino bajo carga ligera, mientras que el convertidor catalítico comenzará a funcionar más pronto. Comience a manejar tan pronto como el motor esté en- cendido, pero evite la aceleración rápida y el manejo en carretera antes de que el motor, y por ende el aceite, se calienten completamente para evitar el desgaste del motor.
    • No lleve peso innecesario en o sobre el vehículo
      • Algunas personas encuentran conveniente utilizar una canastilla o cofre en el techo para tener espacio adicional de carga. Sin embargo, si debe llevar artícu- los extra, colóquelos dentro del vehículo y no en las canastillas del techo, así se reduce el arrastre. La nieve que se acumula en un vehículo y distorsiona su for- ma debe ser retirada por la misma razón. Una canastilla de techo cargada puede incrementar el consumo de combustible por hasta 5 por ciento durante la con- ducción en carretera. Hasta la canastilla vacía más aerodinámica incrementará el arrastre aerodinámico, por lo tanto el consumo de combustible. En consecuencia, la canastilla deberá ser retirada cuando no se necesite.
    • Mantenga las llantas infladas a la presión máxima recomendada
      • Mantener las llantas infladas correctamente es una de las cosas más fáciles y más importantes que uno puede hacer para mejorar la economía de combusti- ble. Si hay un rango recomendado por el fabricante, deberá usarse la presión más alta para maximizar la economía de combustible. La presión de las llantas debe ser revisada cuando éstas estén frías, ya que la presión cambia con la tem- peratura (aumenta 1 psi por cada elevación de 10 °F en la temperatura, ya sea por el ambiente o por la fricción del camino). Las llantas infladas sin la presión necesaria se calientan y ponen en riesgo la seguridad, causan su desgaste pre- maturo, afectan adversamente el manejo del vehículo y dañan la economía de combustible al aumentar la resistencia al rodaje. Las llantas sobreinfladas causan un viaje sobresaltado e incómodo y hacen que se desgasten de manera dispareja. Las llantas pierden alrededor de 1 psi de presión por mes debido a que golpean agujeros, topes y banquetas. 
    • Evitar arranques bruscos y frenados repentinos
      • A pesar de la emoción que puedan producir, los arrancones “de liebre”, abruptos y agresivos, desperdician combustible, desgastan las llantas, ponen en riesgo la seguridad y son más dañinos para los componentes y conectores del vehículo. Los frenados en los que las llantas rechinan desgastan prematuramente las ba- latas de freno y pueden causar que el conductor pierda el control del vehículo. Los arranques y frenados suaves ahorran gasolina, reducen el desgaste y la con- taminación, al tiempo que son más seguros y demuestran más cortesía para con los demás conductores.
    • Anticipe el tránsito y evite acercarse a otros coches
      • Un conductor puede reducir su consumo de combustible hasta en un 10 por ciento si anticipa las condiciones del tránsito y ajustando su velocidad adecua- damente, evitando acercarse mucho a otros coches y por lo tanto el frenado y la aceleración innecesarios
    • Evitar aceleraciones y frenados repentinos (excepto en emergencias)
      • Acelere gradual y suavemente cuando rebase otros vehículos o cuando se incor- pore al tránsito más rápido. Bombear o pisar a fondo el acelerador al manejar hace que el motor cambie al “modo de enriquecimiento de combustible”, opera- ción que desperdicia combustible. Cuando se conduce en la ciudad, casi la mitad de la potencia del motor se emplea para acelerar. Cuando se acelera en vehículos con cambios de velocidad, las revoluciones por minuto (rpm) del motor se deben mantener al mínimo. El frenado desperdicia la energía mecánica producida por el motor y desgasta las balatas.