Apuntes parte 1.pdf

2
Objetivos
• Evaluar el rendimiento de los ciclos de potencia de gas para
los cuales el fluido de trabajo se mantiene como gas a lo largo
de todo el ciclo.
• Desarrollar supuestos simplificados aplicables a los ciclos de
potencia de gas.
• Revisar la operación de las máquinas recíprocas.
• Analizar los ciclos de potencia de gas, abiertos y cerrados.
• Resolver problemas basados en el ciclo Otto, Diesel, Stirling,
y Ericsson.
• Resolver problemas basados en el ciclo Brayton; Brayton con
regeneración; y the Brayton con “intercooling”,
recalentamiento y regeneración.
• Analizar los ciclos de propulsión a chorro.
• Identificar supuestos simplificados para análisis de segunda
ley de los ciclos de potencia de gas.
• Realizar análisis de segunda ley a ciclos de potencia de gas.

3
CONSIDERACIONES BÁSICAS EN EL ANÁLISIS
DE CICLOS DE POTENCIA
El modelado es una
herramienta
poderosa en
ingeniería y provee
profundidad y
simplicidad a
cambio de alguna
pérdida de
exactitud.
El análisis de muchos
procesos complejos puede
reducirse a un nivel
‘manejable’ utilizando
algunas idealizaciones.
La mayoría de los dispositivos de producción de
potencia, operan en ciclos.
Ciclo Ideal: Un ciclo teórico que representa a uno
real pero se construye con procesos internamente
reversibles en su totalidad.
Ciclos Reversible como el de Carnot tienen la
más alta eficiencia térmica de todas las máquinas
térmicas que operan entre los mismos límites de
temperatura. A diferencia de los ciclos ideal, son
totalmente reversibles e inapropiados como
modelos realistas
Eficiencia térmica de mqs. térmicas

4
Idealizaciones y simplificaciones en el
análisis de ciclos de potencia:
1. El ciclo no incluye nada de fricción. Por lo
tanto, el fluido de trabajo no experimenta
caídas de presión en tuberías o equipos
tales como intercambiadores de calor.
2. Todos los procesos de expansión y
compresión ocurren en forma de cuasi-
equilibrio.
3. Las tuberías que conectan los
componentes de un sistema, están bien
aislados, y la transferencia de calor a lo
largo del sistema es despreciable.
Debe tenerse cuidado en
la interpretación de los
resultados de los ciclos
ideales.
En los diagramas P-v y T-s, el área encerrada por
la curva del ciclo representa el trabajo neto del
ciclo.
En un diagrama T-s la relación del
área encerrada por la curva cíclica
sobre el área bajo la curva del
proceso de adición de calor
representa la eficiencia térmica del
ciclo. Cualquier modificación que
aumente la relación entre las dos
áreas aumentará la eficiencia térmica
del ciclo.

5
EL CICLO DE CARNOT Y SU
VALOR EN LA INGENIERÍA
Diagramas P-v y T-s del
ciclo de Carnot.
Máquina de calor de flujo estacionario.
El ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos
totalmente reversibles: adición isotérmica de calor,
expansión isentrópica, rechazo isotérmico de calor, y
compresión isentrópica.
Para los ciclos ideales y reales: la eficiencia
térmica aumenta con la elevación de temperatura a
la que se suministra el calor al sistema o con la
disminución de la temperatura a la que el calor es
rechazado del sistema.

6
SUPUESTOS DE AIRE ESTÁNDAR
La combustión es reemplazada por un
proceso de adición de calor en los
ciclos ideales.
Supuestos de aire estándar:
1. El fluido de trabajo es aire, que circula
continuamente en un ciclo cerrado y
siempre se mantiene como gas ideal.
2. Todos los procesos que componen el
ciclo son internamente reversibles.
3. La combustión es reemplazado por un
proceso de adición de calor desde una
fuente externa.
4. La descarga es reemplazada por un
proceso de rechazo de calor que lleva
al fluido de trabajo a su estado inicial.
Supuesto de aire frío estándar: Cuando el fluido de trabajo se considera
como aire con calores específicos constantes a temperatura ambiente
(25°C).
Ciclo de aire estándar: Un ciclo en que son aplicables los supuestos de
aire estándar.

7
UNA MIRADA A LAS MÁQUINAS RECÍPROCAS
Nomenclatura para máquinas reciprocas
• Motores de encendido por chispa (MECH)
Motores de encendido por compresión (MEC)
Relación de compresión
Presión media
efectiva

8
CICLO OTTO: EL CICLO IDEAL PARA LOS MECH
Ciclo real e ideal de un MECH y sus diagramas P-v

9
Esquema de una máquina
reciproca de dos tiempos.
Los motores de dos tiempos
normalmente son menos
eficientes que sus contrapartes
de cuatro tiempos, pero son
relativamente simples y baratos
y tienen mejores relaciones
peso-potencia y volumen-
potencia.
Diagrama
T-s del
ciclo Otto
ideal.
Ciclo de cuatro tiempos
1 ciclo = 4 carreras = 2 revs.
Ciclo de dos tiempos
1 ciclo = 2 carreras = 1 rev.

10
La eficiencia térmica del ciclo
Otto ideal como función de la
relación de compresión (k =
1.4).
La eficiencia térmica del ciclo
Otto aumenta con la relación de
calores específicos k del fluido
de trabajo.
En los MECJ,
la relación de
compresión
está limitada
por la auto
ignición o
golpeteo de
válvulas.

11
EL CICLO DIESEL: EL CICLO IDEAL PARA
LOS MEC
En los motores diésel, la bujía se reemplaza
por un inyector de combustible, y solo se
comprime aire durante el proceso de
compresión.
En motores Diésel, solo se comprime aire durante la
carrera de compresión, eliminando la posibilidad de auto
ignición (golpeteo de válvulas). Por lo tanto, los motores
diésel pueden diseñarse para relaciones de compresión
mucho más altas que los MECH, típicamente entre 12 y 24.
• 1-2 Compresión
isentrópica
• 2-3 Adición de
calor a volumen
constante
• 3-4 Expansión
isentrópica
• 4-1 Rechazo de
calor a volumen
constante.

12
Eficiencia
térmica del
ciclo ideal
diésel como
función de la
relación de
compresión y
corte (k=1.4).
Rel. de
corte
Para la misma rel. de compresión

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Diagrama P-v de un ciclo ideal dual.
Ciclo Dual: In ciclo ideal
más realista para MEC
modernos, de alta velocidad.
Preguntas
Los motores diésel operan
con relaciones aire-
combustible más altas que
los motores de gasolina.
¿Por qué?
A pesar de mejores
relaciones peso potencia,
los motores de dos
tiempos no se usan en
automóviles ¿Por qué?
Las máquinas diésel
estacionarias están entre
los dispositivos de
producción de potencia
más eficientes (cerca del
50%) ¿por qué?
¿Qué es un turbo
cargador? ¿por qué se
usan mayormente en
motores diésel y no de
gasolina?.

14
CICLOS STIRLING Y ERICSSON
Un regenerador es un dispositivo
que toma prestada energía
desde el fluido de trabajo durante
una parte del ciclo y la devuelve
(sin intereses) durante otra parte.
Ciclo Stirling
• 1-2 T = expansión constante (adición de calor desde fuente externa)
• 2-3 v = regeneración constante (calor interno transferido desde el fluido de trabajo
hacia el regenerador)
• 3-4 T = compresión constante (rechazo de calor hacia sumidero externo)
• 4-1 v = regeneración constante (calor interno transferido desde el regenerador
hacia el fluido de trabajo)

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Ejecución de un ciclo Stirling. Máquina de ciclo Ericsson de flujo estacionario.
El ciclo Ericsson es muy parecido al Stirling,
excepto que los dos procesos de volumen
constante son reemplazados por dos
procesos isobáricos.
Los ciclos Stirling y Ericsson son
totalmente reversibles, tal como el ciclo
de Carnot, por lo tanto:
Mensaje desde los ciclos Stirling
y Ericsson: la regeneración puede
aumentar la eficiencia.

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CICLO BRAYTON: EL CICLO IDEAL PARA LAS
TURBINAS A GAS
Ciclo abierto de una turbina a gas. Ciclo cerrado de una turbina a gas.
El proceso de combustión es reemplazado por una adición de calor a presión
constante desde una fuente externa, y el proceso de descarga es
reemplazado por uno de rechazo de calor a presión constante, a la
atmósfera.
1-2 Compresión isentrópica (en un compresor)
2-3 Adición de calor a presión constante
3-4 Expansión isentrópica (en una turbina)
4-1 Rechazo de calor a presión constante

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Diagramas T-s y P-v
para el ciclo Brayton
ideal.
Relación de
presiones
Eficiencia
térmica del ciclo
ideal de
Brayton como
función de la
relación de
presiones.

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Para valores fijos de Tmin y Tmax, el
trabajo neto del ciclo Brayton primero
aumenta con la relación de presiones,
luego llega a un máximo en rp =
(Tmax/Tmin)k/[2(k - 1)], y finalmente
disminuye.
La fracción del trabajo de la
turbina usada para mover el
compresor se llama relación de
‘back work’.
Las dos mayores áreas de aplicación
de las turbinas a gas son la propulsión
aérea y la generación eléctrica.
La máxima temperatura en el ciclo está
limitada por la máxima temperatura que
pueden resistir los álabes de la turbina.
Esto también limita la relación de
presiones que puede usarse en el ciclo.
El aire en las turbinas a gas suministra el
oxidante necesario para la combustión
del combustible, y sirve como refrigerante
para mantener la temperatura de varios
componentes en límites de seguridad.
Relaciones aire combustible de 50:1 no
son poco comunes.

19
Desarrollo de las turbinas a gas
1. Aumento de las temperaturas de entrada (o encendido)
2. Aumento de las eficiencias de los componentes de la turbomaquinaria
(turbinas, compresores):
3. Agregado de modificaciones al ciclo básico (‘intercooling’, regeneración
o recuperación, y recalentamiento).
Desviación del ciclo real
respecto del idealizado
Desviación del ciclo real de la
turbina, respecto del ciclo
Brayton ideal, debida a las
irreversibilidades.
Razones: Irreversibilidades en la turbina y
compresores, caídas de presión y pérdidas
de calor
Eficiencias isentrópicas del compresor y
turbina

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CICLO BRAYTON CON
REGENERACION
Turbina a gas con regenerador.
Diagrama T-s del ciclo
Brayton con regeneración.
En turbinas a gas, la temperatura de los gases de
descarga es, frecuentemente, mucho mas alta que la
temperatura del aire que sale del compresor.
Por lo anterior, el aire a alta presión que sale del
compresor puede ser calentado por los gases de
descarga calientes, en un intercambiador de calor a
contra flujo (un regenerador o recuperador).
La eficiencia térmica del ciclo Brayton aumenta como
resultado de la regeneración dado que se usa menos
combustible para la misma salida de trabajo.

21
Diagrama T-s de un ciclo
Brayton con regeneración.
Efectividad del
regenerador
Efectividad bajo supuesto
de aire frío
Bajo supuesto de aire
frío estándar
Eficiencia
térmica del
ciclo Brayton
ideal y sin
regeneración.
La eficiencia térmica
depende de la relación de las
temperaturas mínimas y
máximas así como de la
relación de presiones.
La regeneración es más
efectiva a bajas relaciones de
presión y bajas relaciones de
temperaturas máximo-
minimo.
¿Se puede usar la
regeneración a
altas relaciones
de presión?

22
CICLO BRAYTON CON
INTERCOOLING,
RECALENTAMIENTO Y
REGENERACIÓN
Turbina a gas con dos estados de compresión con intercooling, dos etapas de
expansión con recalentamiento y regeneración y su diagrama T-s.
Para minimizar el trabajo del
compresor y maximizar la
salida de potencia de la
turbina:

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Comparación
de entradas
de trabajo a
un compresor
de simple
etapa (1AC) y
uno de dos
etapas con
intercooling
(1ABD).
Compresión multi etapas con intercooling: el trabajo requerido para comprimir un gas
entre dos presiones especificadas puede reducirse llevando a cabo el proceso de
compresión en etapas y enfriando el gas entre ellas. Esto mantiene el volumen específico
lo más bajo posible.
Expansión multi etapas con recalentamiento: mantiene el volumen específico del fluido
de trabajo lo más alto posible durante el proceso de expansión, maximizando el trabajo de
salida.
Intercooling y recalentamiento siempre disminuye la eficiencia térmica a menos que sea
acompañado de regeneración. ¿Por qué?
A medida que crece el numero de etapas de
compresión y expansión, el ciclo de la turbina
a gas con intercooling, recalentamiento, y
regeneración se aproxima al ciclo Ericsson.

24
CICLOS IDEALES DE PROPULSIÓN A CHORRO
En los motores a chorro, los
gases a alta temperatura y
presión que salen de la
turbina son acelerados en
una tobera para proveer el
empuje.
Las turbinas a gas son ampliamente usadas en aviación debido a que son livianas
y compactas y tienen una alta relación Potencia-Peso.
Las turbinas a gas de aviación operan en un ciclo abierto llamado ciclo de
propulsión a chorro
El ciclo ideal de propulsión a chorro difiere del ciclo Brayton ideal en que los gases
no se expanden hasta la presión ambiente en la turbina. En cambio, son
expandidos a una presión en la que la potencia producida por la turbina es justo lo
suficiente para mover el compresor y el equipamiento auxiliar.
El trabajo neto de salida del ciclo de propulsión a chorro es. Los gases que salen
de la turbina a presiones relativamente altas son acelerados en una tobera para
proveer empuje e impulsar al avión.
Los aviones son impulsados por la vía de acelerar un fluido en la dirección opuesta
al movimiento. Esto se logra por acelerar levemente una gran masa de fluido
(hélices) o acelerando mucho una pequeña masa de fluido (motor jet o turbojet)
o ambos (motor turbohélice).

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Componentes básicos de un motor turbojet y diagrama T-s para el ciclo turbojet ideal.
La potencia propulsora
es el empuje actuando
sobre el avión a través
de una distancia por
unidad de tiempo
Eficiencia de la propulsión
Potencia propulsora
Empuje (fuerza propulsora)

26
Modificaciones a motores turbojet
La energía suministrada a un
avión (desde la combustión) se
manifiesta de varias formas.
Motor turbofan.
Los primeros aviones eran todos propulsados
por hélices, con motores básicamente iguales
a los motores automotrices.
Tanto los motores de hélice o de propulsión a
chorro tienen fortalezas y limitaciones, y se
han hecho algunos intentos para combinar las
características deseables de ambos en un solo
motor.
Dos de estas modificaciones son el motor
turbo hélices y el motor turbofan.
El motor más usado en
aviación es el
turbofan, donde hay
un gran ventilador
movido por la turbina,
que mueve una
considerable cantidad
de aire a través de un
ducto (carenado) que
rodea el motor.

27
Un motor moderno de
aviación para mover el
Boeing 777. Este es un
Pratt & Whitney
PW4084 turbofan
capaz de producir 374
kN de empuje. Mide
4.87 m de largo, con
2.84 m de diámetro del
ventilador, y pesa 6800
kg.
Motor turboprop. Motor ramjet.
Varios tipos de motores:
Turbofan, Turboprop, Ramjet, Sacramjet,
Rocket

28
ANÁLISIS DE SEGUNDA LEY DE LOS CICLOS DE
POTENCIA DE GAS
Destrucción de la
exergía para un
Sistema cerrado
Para un sistema
de F.E.
F.E., una entrada y una salida.
Destrucción de la exergía de
un ciclo
Para un ciclo con transferencia de calor solo
con una fuente y un sumidero
Exergía de un sistema
cerrado
Exergía del flujo
El análisis de segunda ley de estos ciclos revela donde ocurren
las mayores irreversibilidades y donde comenzar las mejoras.

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Resumen
• Consideraciones básicas en el análisis de los ciclos de
potencia
• El ciclo de Carnot y su valor en ingeniería
• Supuestos de aire estándar
• Una mirada a las máquinas recíprocas
• Ciclo Otto: El ciclo ideal para los MECH
• Ciclo Diésel : El ciclo ideal para los MEC
• Ciclos Stirling y Ericsson
• Ciclo Brayton: El ciclo ideal para las turbinas a gas
• Ciclo Brayton con regeneración
• Ciclo Brayton con intercooling, recalentamiento y
regeneración
• Ciclos ideales de propulsión a chorro
• Análisis de segunda ley de los ciclos de potencia de gas

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