UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL“FRANCISCO DE MIRANDA”AREA DE TECNOLOGÍAPROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIALASIGNATURA: CONVERSIÓN DE ENERGÍA.

TEMA Nº 3GUÍA Nº 5.

CICLOS DE GASESCICLOS IDEALES - CICLO OTTO

INTRODUCCION.

En esta guía se tratará principalmente los parámetros y criterios de rendimiento para las máquinas de combustión interna, se expondrán las bases o criterios bajo los cuales se supone que funcionará una máquina de este tipo, también se describirán los procesos para el ciclo ideal de Carnot de aire normal, y se estudiará el ciclo Otto.

Las plantas de potencia que se usan para impulsar barcos, autos, etc, se conocen normalmente como máquinas de combustión interna puesto que la liberación de energía se obtiene mediante la combustión dentro de la máquina. En el tema número 1 se centró la atención en los sistemas en los que la liberación de energía mediante combustión ocurría en forma externa al dispositivo o máquina que convertía dicha energía en trabajo útil. Cuando se hace de esa manera ocurren muchas limitaciones (problemas asociados a la resistencia de las superficies en donde se lleva a cabo la transferencia de calor) Muchas de estas limitaciones pueden superarse si se libera la energía del combustible dentro de la máquina.

OBJETIVO GENERAL.

Analizar los Ciclos de Carnot de aire normal y Otto como ciclos de potencia de gas.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Analizar el ciclo estándar de aire como una base para el análisis de los motores de combustión interna.

Utilizar un modelo de ciclo estándar de aire de Carnot para determinar la eficiencia teórica de un ciclo.

Analizar el Ciclo Otto como un ciclo de aire estándar de aire a volumen constante

Determinar la eficiencia de un ciclo Otto.

CONTENIDO.

1.- Ciclos ideales

2.- Ciclo de Carnot de Aire Normal.

3.- El motor de Combustión interna.

4.- Términos importantes para el estudio de los motores de combustión interna.

5.- Ciclo Otto de Aire Normal.

6.- Diagrama real del motor de combustión interna.

Bibliografía Complementaria.

DESARROLLO DEL CONTENIDO.

1.- CICLOS IDEALES.

Es obvio que existe el deseo de construir motores térmicos con rendimientos lo mas alto posibles, para lograr este propósito los procesos que constituyen el ciclo del motor deben estar lo mas cerca posible de la perfección termodinámica. Los motores térmicos primitivos no se construían con estas consideraciones, pero hoy día, gracias a la técnica mecánica y los estudios termodinamicos, se logran rendimientos muy altos. En otras palabras el motor se construye ahora de manera que su ciclo se acerque lo mas posible a algún ciclo teórico desprovisto totalmente de imperfecciones. Estos ciclos se conocen como ciclos ideales. Hemos visto que cuando un motor trabaja entre unos limites fijos de temperatura no puede tener un rendimiento mayor que el de un motor cuyo ciclo este formado por fases interna y externamente reversibles, entre los mismos limites de temperatura. El rendimiento ideal para cualquier ciclo ideal sobre el que se diseñe un motor, parece debería se igual al ciclo de Carnot, para los mismos limites de temperatura. Esto no es así, en la realidad, pues de hecho el rendimiento de la mayoría de los ciclos llamados ideales es menor que el ciclo de Carnot.

El ciclo ideal que se escoge como base para diseñar un motor no debe considerarse solamente desde el punto de vista del rendimiento ideal. Un rendimiento alto es, desde luego, muy importante, pero el ciclo que se escoge debe ser tal que las limitaciones prácticas no impidan al ciclo real aproximarse al ideal, y también tal que los efectos de la irreversibilidad no afecten demasiado al rendimiento.

En la mayoría de los casos el análisis del ciclo real de los sucesivos estados por los que pasa el fluido agente es muy complejo. En el caso del motor de combustión interna, por ejemplo, las propiedades físicas y químicas del fluido se alteran a medida que se desarrolla el ciclo. En los motores alternativos se introduce una carga fresca en el cilindro al principio de cada ciclo, y no puede decirse en rigor que el fluido agente cambia de estado de manera cíclica.

Por tanto, en un motor de combustión interna real, la determinación exacta del estado del fluido agente en un instante determinado es virtualmente imposible y solamente puede determinarse un estado medio para algún punto determinado del ciclo mecánico, considerando el motor a lo largo de un gran

numero de ciclos. Para facilitar el análisis del comportamiento del motor de combustión interna y proporcionar al técnico una base sobre la que pueda establecer el proyecto de un motor se han introducido los ciclos ideales tipo de aire.

Este tipo de ciclo teórico tiene como objetivo encontrar las relaciones entre las variables controlables en cada una y sus posibilidades de utilización para producir trabajo en los motores térmicos.

Los requerimientos básicos para el modelado de cualquier situación termodinámica son que el fluido de trabajo sea una sustancia pura, que permanezca en equilibrio en todo momento y que realice procesos idealizados dentro de un sistema termodinámico. Para asegurar que estos requerimientos se satisfagan, un ciclo estándar de aire se basa en las siguientes suposiciones:

a) El fluido de trabajo es aire, que se considera un gas perfecto.b) El aire funciona en condiciones de equilibrio a lo largo del cicloc) Todos los procesos que conforman el ciclo son reversibles.d) El proceso de combustión interna se modela como un proceso de

adición de calor del entorno al sistema.e) El proceso de escape se modela como un proceso de rechazo de calor

del sistema al entorno.

2.- CICLO DE CARNOT DE AIRE.

Es un ciclo en el que los procesos tanto de adición como de rechazo de calor son a temperatura constante, es decir isotérmicos. El rendimiento de un ciclo de Carnot es independiente del fluido de trabajo. Por tanto, el ciclo de Carnot que funcionara con aire, o cualquier otro gas perfecto tendría la misma eficiencia térmica que el ciclo de Carnot que funcionara con un vapor entre los mismos límites de temperatura.

Este ciclo se tomará como ejemplo típico de cálculo y análisis.

El diagrama de procesos T-S para el ciclo de aire de Carnot se puede ver en la figura, en donde:

12 proceso de expansión isotérmica.

23 Proceso de expansión adiabática.34Proceso de compresión isotérmica.41Proceso de compresión adiabática.

FASE 12 Expansión isotérmica. Aporte de calor a temperatura constante.

Esta forma de calentamiento no incrementa la temperatura del fluido, sino que aumenta el volumen y disminuye la presión

P2*V2 = P1*V1 P*V=CTE.

P2/V1 = P1/V2

El fluido se expande entregando trabajo al exterior, pero sin cambios en su energía interna

Qh = Trabajo relaizado = P*dV = R* T dV = R*T* ln(V2/V1)V

Qh = Calor suministrado = R*T*ln (P1/P2)

FASE 23. Expansión Adiabática.

P3*V3 = R*T3 , P2*V2 = R*T2

K= Expansión adiabática = Cp/Cv = 1.4

Cp = 0.24 Kcal/Kgm*ºK

Cv = 0.1714 Kcal/Kgm*ºK

P3*V3k = P2*V2k

FASE 34 Compresión isotérmica. Sustracción de calor. (Enfriamiento)

P4*V4 = P3*V3

Ql = R*T*lb(P4/P3) = R*T*lb(V3/V4)

FASE 41 Compresión adiabática.

P1*V1 = R* T1 P4*V4 = R*T4

P1*V1k = P4*V4k

3.- EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA.

Es cualquier máquina térmica donde la combustión de la mezcla combustible-fluido de trabajo es el aporte de energía y los productos de la combustión constituyen el fluido de trabajo para el resto del ciclo de la maquina térmica en cuestión.

Tipos:

Los motores de combustión interna se clasifican en varios tipos de acuerdo a:

a.- El ciclo teórico con que opera el motor: ciclo OTTO (Gasolina, aceite ligero), ciclo DIESEL (Aceite pesado, combustible pesado).

b.- Tipo de sistema de encendido: motores de encendido por chispa o explosión, en estos motores se aspira al cilindro una mezcla de combustible y aire y luego se enciende por medio de una chispa, todos estos motores operan con el ciclo OTTO teórico; motores de encendido por compresión, el aire puro se comprime primero a una alta presión y luego se inyecta al cilindro una neblina de combustible, en forma de finas gotas. (Ciclo DIESEL teórico).

c.- Numero de emboladas del pistón por ciclo: el motor de 4 tiempos (2 revoluciones por carrera de potencia), el motor de 2 tiempos (1 revolución una carrera de potencia).

d.- Manera de introducir el combustible en el cilindro: carburador, (motores de encendido por chispa), inyector (motores de encendido por compresión)

4.- TERMINOS IMPORTANTES PARA EL ESTUDIO DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA.

DIAGRAMA INDICADOR:

Cuando se mueve el motor, la presión y el volumen del fluido de trabajo cambia de manera continua en cualquier ciclo. El diagrama de volumen y presión para el ciclo se llama diagrama indicador y se obtiene adaptando un dispositivo llamado indicador del motor sobre cualquier cilindro del mismo. No se debe confundir con una parte del motor, sino que es una pieza esencial del equipo de ensayo. Existen muchos tipos de mecanismos indicadores y un modelo que puede ser conveniente a un tipo determinado de motor puede no serlo para otros tipos. En general, pueden clasificarse en los siguientes tipos: mecánicos, ópticos, eléctricos, electrónicos. En la figura se muestra un indicador mecánico, este tipo de indicadores fue diseñado inicialmente para motores de baja velocidad, pero hoy día pueden obtenerse tipos modificados adecuados para motores de altas velocidades.

Instrumento analógico que mide la presión vs. el desplazamiento en una máquina recíproca. La gráfica está en términos de P y V.

p

V

El área es proporcional altrabajo realizado por ciclo

El indicador del motor consiste en un pequeño conjunto de pistón y cilindros fijados en la parte más alta del cilindro del motor de modo que la presión del cilindro opera sobre el pistón del indicador. El pistón del indicador está gobernado por un resorte calibrado con precisión . La cantidad de movimiento del pistón es directamente proporcional a la presión dentro del cilindro del motor, este movimiento amplifica por medio de un mecanismo de articulación. Este mecanismo hace que el movimiento sea trazado sobre un papel enrollado en el cilindro dando como resultado el diagrama de presión-volumen del ciclo completo de operaciones que tiene lugar dentro del cilindro del motor.

Para calcular el trabajo neto producido por el ciclo, se mide el área neta positiva y se multiplica por el factor de escala correspondiente a la resistencia del resorte empleado en el indicador. El trabajo así calculado se llama trabajo indicado por ciclo. Si este trabajo se divide entre el volumen barrido por la embolada del pistón, se obtiene la presión media efectiva indicada (PMEI). La PMEI es la presión uniforme que daría el mismo trabajo neto indicado según se calculó a partir del diagrama indicador.

VOLUMEN DE CILINDRADA:

Vc= A* Lrecorrida= pi*D ² * Lrecorrida 4

En motores de vario cilindros, se multiplica por el numero de cilindros.

GRADO DE COMPRESIÓN:

GC= Vol. cilindrada + Cámara de compresión. Cámara de compresión

El pistón ascendente presiona toda la cantidad de gas en la cámara superior del cilindro, llamada cámara de compresión o también volumen de espacio muerto. Con alta compresión los motores tienen una mejor potencia y consumen menos combustibles, pero las partículas de gas se calientan con elevada compresión y pueden encenderse por si mismas.

5.- CICLO OTTO.

Desde mediados del siglo XIX se llevaron a cabo intentos para construir un motor de combustión interna. Algunos consideraron el tratar de hacer funcionar con pólvora una maquina. Dicho explosivo al estallar movería un émbolo hacia arriba, y el movimiento de descenso del mismo se transmitiría a una cremallera y haría girar un eje conectado a una carga. Esta máquina no tuvo existo y se exploraron nuevas posibilidades. En 1862, Beau de Rochas estableció los pasos necesarios para obtener una máquina eficaz. Sin embargo, correspondió a Nicholas Otto, quién desarrolló de manera independiente la teoría, el llevar la idea a la práctica y poder construir un motor operable. El primer motor de combustión interna que funcionó con éxito fue pues el motor Otto, construido por este investigador en 1876.

La introducción del combustible (gasolina) en un motor de combustión interna da lugar a una masa variable en el ciclo. Así mismo, al final del ciclo, la carga completa se descarga, y se introduce una nueva carga para que sufra un nuevo ciclo idéntico al primero. Durante los procesos reales, se intercambia calor y trabajo en cada porción del ciclo. La masa, los calores específicos y el estado del fluido son todos variables. Ver figura . Bajo estas circunstancias, el análisis de un ciclo se hace muy difícil.

Para simplificar el análisis se estudia como un ciclo idealizado. El ciclo Otto es prototipo de mayor parte de los motores de combustión interna. A pesar del numero de carreras que se requieren para completarlo, está concebido de forma que se compone de cuatro procesos separados distintos. Como se muestra en la figura, en los diagramas T-S y P-V, el ciclo Otto consiste en una compresión isoentrópica (posterior a la inducción del gas) seguida de una adición de calor reversible a volumen constante, luego una expansión isoentrópica a partir de la que se extrae trabajo y por último una pérdida de calor a volumen constante. A continuación el ciclo se repite. Se observará que cada paso es una idealización de los sucesos que se han descrito previamente para el motor de combustión interna. Con referencia a la figura se tiene que la ecuación de energía para la recepción de calor es

Qentr = Cv*(T3 - T2) Btu/lb

En forma análoga, el calor desechado durante la expansión reversible a volumen constante es

Qrech = Cv*(T4 - T1) Btu/lb

La eficiencia térmica es

N= W/Qent = (Qentr - Qrech) / Qentr

Al sustituir en la ecuación nos queda:

N = 1 - Cv*(T4 - T1) Cv*(T3 - T2)

N = 1 - (T4 - T1) (T3 - T2)

N = 1 - (T1/T1)(T4 - T1) (T2/T2)(T3 - T2)

N = 1 - T1((T4/T1) - 1) T2((T3/T2) - 1)

N = 1 - T1/T2

La relación de compresión es igual a:

(1/k - 1)Rcomp = V1/V2 = (T2/T1) (k - 1)(V1/V2) = T2/T1

N = 1 - 1 (k -1)

Rcomp

(1 - k)N = 1 - Rcomp

6.- DIAGRAMA REAL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA.

Las razones para la diferencia entre la potencia ideal producida y la real son: ver figura.

1. El aumento en el calor específico de los productos de combustión a altas temperaturas, de modo que la temperatura alcanzada después de la combustión es menor que la teórica.

2. Pérdida de energía en las paredes del cilindro que se enfrían con agua o aire. Si no se enfriasen las paredes del cilindro, la temperatura aumentaría demasiado causando ignición, así como el atoramiento del pistón.

3. Ciertos productos de la combustión como el dióxido de carbono y el vapor de agua se disocian en grado considerable si la temperatura se eleva por encima de los 2000 ºC. Como la disociación es una reacción endotérmica, la máxima temperatura que se obtiene en realidad es menor que la obtenible sin disociación, con lo que se reduce la eficiencia del ciclo.

4. El proceso teórico de combustión es instantáneo y ocurre a volumen constante. Esto no puede ocurrir en la práctica, ya que la combustión necesita un intervalo finito de tiempo para completarse. El aumento de presión en el ciclo real, no es, por consiguiente, instantáneo.

5. En el ciclo de cuatro tiempos, los procesos de entrada de la carga y salida de los gases de escape nunca ocurren sin que haya disminución de la presión en las válvulas. Por tanto se traza un lazo negativo. Esto representa que se alimenta trabajo mecánico al pistón durante el proceso de bombeo.

6. La apertura gradual de la válvula de escape y salida de los gases debido a esta apertura, resulta en un proceso que no es del tipo volumen constante. Por tanto, el diagrama indicador está redondeado en las esquinas, durante el proceso de escape.

7. Los procesos supuestos isentrópicos en el ciclo Otto nuca serán ni siquiera estrictamente adibáticos debido a la baja temperatura de las paredes del cilindro. Además la fricción, es causa de más pérdidas, y todos los procesos se vuelven irreversibles.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA.

* Sonntag y Van Wylen. Fundamentos de Termodinámica Clásica.

* Yunus, Cengel, Boles. Termodinámica. Editorial Mac. Graw Hill.

* Keith Sherwin. Introducción a la Termodinámica . Editorial Adison/Wesley iberoamericana.

Kenneth Wark. Termodinámica. Editorial Mc Graw Hill.

Burghardt. Ingeniería Termodinámica. Editorial Harla.

Howell, Buckuis. Principios de termodinámica para ingenieros. Editorial Mac Graw Hill

Octave Levenspiel. Fundamentos de Termodinámica. Editorial Prentice Hall

* Textos principales para este tema.