LABORATORIO DE MTALABORATORIO DE MTA
ESCUELA DE INGENIERESCUELA DE INGENIERÍÍA MECA MECÁÁNICANICA
PROFESOR: JORGE LUIS PROFESOR: JORGE LUIS
CHACCHACÓÓN VELASCON VELASCO
MMÁÁQUINAS TQUINAS TÉÉRMICAS RMICAS ALTERNATIVASALTERNATIVAS
CICLOS IDEALES DE MTACICLOS IDEALES DE MTA
CONTENIDOCONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN2. GENERALIDADES3. CICLOS DE LOS MOTORES DE
ÉMBOLO� Ciclo generalizado� Ciclo con suministro de calor a
V=cte� Ciclo con suministro de calor a
P=cte� Ciclo con suministro mixto de
calor
CONTENIDOCONTENIDO
4. INFLUENCIA DE DIVERSOS FACTORES SOBRE EL RENDIMIENTO TÉRMICO Y SOBRE LA PRESIÓN MEDIA DEL CICLO� Ciclo con suministro de calor a V=cte� Ciclo con suministro de calor a P=cte� Ciclo con suministro mixto de calor
5. CICLOS TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS
CONTENIDOCONTENIDO
INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN
� Diferencia entre ciclo ideal y ciclo real� Suposiciones en análisis de ciclos termodinámicos
� Fricción� Cuasiequilibrio� Adiabáticos
INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN
INTRODUCCIONINTRODUCCIONCICLO
DE TRABAJO PARA
UN MOTOR
DIESEL DE
ASPIRACIÓN
NATURAL
GENERALIDADESGENERALIDADES
GENERALIDADESGENERALIDADES
� El fluido operante en el cilindro del motor El fluido operante en el cilindro del motor El fluido operante en el cilindro del motor El fluido operante en el cilindro del motor es constante. es constante. es constante. es constante.
� El calor se suministra desde el exterior El calor se suministra desde el exterior El calor se suministra desde el exterior El calor se suministra desde el exterior durante un determinado periodo del ciclo.durante un determinado periodo del ciclo.durante un determinado periodo del ciclo.durante un determinado periodo del ciclo.
� El calor especifico es constante y no El calor especifico es constante y no El calor especifico es constante y no El calor especifico es constante y no depende de la temperatura.depende de la temperatura.depende de la temperatura.depende de la temperatura.
� Procesos de compresiProcesos de compresiProcesos de compresiProcesos de compresióóóón y expansin y expansin y expansin y expansióóóón n n n adiabadiabadiabadiabááááticos.ticos.ticos.ticos.
Suposiciones:Suposiciones:
GENERALIDADESGENERALIDADES
De la segunda Ley de la termodinámica el rendimiento térmico para un ciclo teórico es:
GENERALIDADESGENERALIDADES
Ciclo de un motor térmico en coordenadas P-V.
GENERALIDADESGENERALIDADESPresión media efectiva asociada a un ciclo P-V de un motor térmico:
CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES DE DE ÉÉMBOLOMBOLO
CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADO
CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADO
• PROCESO DE COMPRESIÓN (a-c) Y EXPANSIÓN (z-b) TRANSCURREN SIN INTERCAMBIO DE CALOR.
• EL CALOR q 1’ SE SUMINISTRA A VOLUMEN CONSTANTE.
• EL CALOR q 1’’ SE SUMINISTRA A PRESIÓN CONSTANTE.
• EL CALOR q 2’ SE EXTRAE A VOLUMEN CONSTANTE.
• EL CALOR q 2’’ SE EXTRAE A PRESIÓN CONSTANTE.
CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADO
Cantidad de calor suministrada en el ciclo:
Cantidad absoluta de calor desprendido:
CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADORELACIONES ADIMENSIONALES
v
p
c
ck =
c
a
V
V=ε
c
z
p
p=λ
c
z
V
V=ρ
z
b
V
V=δ
a
f
a
b
V
V
V
V =='ρ
Exponente adiabático
Relación de compresión
Grado de elevación de
la presión
Grado de expansión preliminar
Grado de expansión posterior
Grado de compresión preliminar
CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADORENDIMIENTO TÉRMICO
[ ][ ])()(
)()(11
''21
2
zzcv
affbv
TTkTTc
TTkTTc
q
q
−+−−+−
−=−=η
Reemplazando las RELACIONES ADIMENSIONALES
)1(1
)1(1)(1
1
''
'
1 −+−
−+
−−= − ρλλ
ρρρλρ
εη
k
kk
kT
CICLO GENERALIZADOCICLO GENERALIZADO
PRESIÓN MEDIA
TENIENDO EN
CUENTA QUE
OBTENEMOS
cf
cmc
VV
lp
−=
[ ])1(111 −+−= − ρλλε kTcq k
av
)1()1()1( '' −=−=−=− ερε
ερ ac
c
f
ccf
VV
V
VVVV
[ ])1(111 ' −+−
−−= ρλλη
ερε
kk
pp T
k
amc
CASOS PARTICULARES
�CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTE
�CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTE
�CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR
CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTE
� El suministro de calor q1 y la extracción de calor q2 tienen lugar solamente a volumen constante
Consideraciones generales
�El volumen de trabajo del cilindro es:Vh = Va – Vc = Vmax – Vmin
�Este ciclo difiere del generalizado en la ausencia de los procesos z`-z y f-a
CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A V=CTEV=CTE
1=ρ 1=̀ρ
1
11 −−=
kt εη
)1(**)1(*)1(
* −−−
= ληε
εt
k
mek
Pap
Para este caso:
Entonces:Rendimiento
térmico
Presión media efectiva
CICLO CON SUMINISTRO DE CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A CALOR A V=CTEV=CTE
Variación del rendimiento térmico frente a diferentes factores
CICLO CON SUMINISTROCICLO CON SUMINISTRODE CALOR A V=CTEDE CALOR A V=CTE
Variación de la presión Pmc frente a diferentes factores
CICLO CON SUMINISTROCICLO CON SUMINISTRODE CALOR A V=CTEDE CALOR A V=CTE
CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTECICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTE
1=̀ρPara este caso:
Entonces: Rendimiento térmico
Presión media efectiva
1=λ
)1(*
1*
11 1 −
−−= − ρρ
εη
k
k
kt
)1(***)1(
*)1(
−−−
= ρηεε
kk
Pap t
k
me
CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTE
Variación del rendimiento térmico frente a diferentes factores
CICLO CON SUMINISTRO DE CALOR A P=CTE
CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR
Para este caso:
Entonces:Rendimiento
térmico
Presión media efectiva
1=̀ρ
)1(*1
1**
11
1 −+−−−= − ρλλ
ρλε
ηk
k
kt
))1(**1(**)1(*)1(
* −+−−−
= ρλληε
εk
k
Pap t
k
me
CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR
Variación de la eficiencia en función de varios parámetros
CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR
Parámetros de los puntos característicos del ciclo en función del procedimiento de suministro de calor
CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR
Curvas de presión Pmc en función de varios parámetros
CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR
Calor suministradoParámetros V cte. P cte. mixto
Relación de compresión 4 14 7Grado de elevación de
presión5.35 1 2.58
Grado de expansiónpreliminar
1 3.6 1.8
Rendimiento térmico 0.425 0.524 0.460
Parámetros básicos de ciclos que tienen la misma presión Pz
CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR
Ciclos para iguales valores de Pz
CICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALORCICLO CON SUMINISTRO MIXTO DE CALOR
COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES
Los factores que mas afectan las propiedades de los fluidos de trabajo
son el exponente adiabático k y la relación de Compresión rc, afectando así la eficiencia térmica de los ciclos
Relación entre la eficiencia
térmica y relación de compresión
COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES
COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES
Para K= 1.3, y rc=1.2en todos los ciclos
COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES
ηt Pmc/P1 Pmc/P3 Pmax/P1
Volumen
constante
0.525 16.3 0.128 128
Ciclo mixto 0.500 15.5 0.231 67
Presión
Constante
0.380 11.8 0.466 25.3
Características de cada uno de los ciclos
COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES
Eficiencia térmica en comparación con la relación de compresión para un mismo fluido
P3/P1
COMPARACICOMPARACI ÓÓN DE LOS CICLOS IDEALESN DE LOS CICLOS IDEALES
Relación de compresión en
comparación con la relación entre la presión media
efectiva y la presión máxima
CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOSSOBREALIMENTADOS
ESQUEMA DE UN TURBOESQUEMA DE UN TURBO
CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOSSOBREALIMENTADOS
En este ciclo el calor se cede solamente a presión constante. Comparado con el ciclo con suministro mi xto de calor, este es mas eficiente, ya que con la mism a cantidad de calor suministrado se obtiene mas traba jo.
El trabajo adicional obtenido esta vinculado con el aumento considerable del volumen en le proceso de expansión. Como consecuencia de esto, la presión me dia efectiva P mc será sustancialmente menor en comparación con los valores que se logran en el ciclo con sumin istro mixto y extracción a Volumen constante.
CICLO PARA
UN MOTOR
DIESEL 2T
SOBREALIMENTADO
CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOSSOBREALIMENTADOS
Ciclo con suministro mixto de calor expansión prolongada y presión variable
CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS
k
a
l
V
V ε=
c
l
c
a
a
lk
V
V
V
V
V
V === **0 εεε
10
1
1 )*(
)*(***
)(* −
−
− ′=
′=′=
k
k
a
k
zlf
TTTT
ρερερλ
δρ
ρρηδ
′==′ *0
z
f
V
V
Relación de compresión en el compresor
Relación de compresión total
En el ciclo analizado:
Donde
CICLOS DE LOS MOTORES CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOSSOBREALIMENTADOS
1)(* =′k
ρρλ
)1(**1
1*1
10 −+−
−′−= − ρλλ
ρε
ηk
kkt
1
1*1
10 −
−′−= − λ
ρε
ηkt
k1
0
11 −−=
kt εη
Obtenemos la eficiencia térmica del proceso
Introduciendo
Si ρ =1 entonces Si λ =1 y ρ = ρ′
CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS
Ciclo con sobrealimenta-ción con turbo compresor
CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS
De la ecuación del rendimiento térmico para cualquier ciclo tenemos: )1(*12 tqq η−=′
Para el ciclo con suministro mixto de calor:
)1(**1
1**
1*
112 −+−
−=′− ρλλ
ρλε k
qqk
k
Entonces el rendimiento térmico de todo el ciclo será:
)1(**1
1**
111
101
2
−+−−−=−= − ρλλ
ρλε
ηkq
q k
kt
CICLOS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS
[ ])1(**1**1
*1
)( 0 −+−−−
= ρλληεε
kk
PP t
k
apmc
La presión media del ciclo, referida a la parte del pistón del motor :
THAT`S ALL FOLKS
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERUNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERESCUELA DE INGENIER ÍÍA MECA MECÁÁNICA NICA –– OFICINA 201OFICINA 201
Director: Dr. Ing. JORGE LUIS CHACON V.Director: Dr. Ing. JORGE LUIS CHACON V.Telefono: 6344000 Ext 2491 Telefono: 6344000 Ext 2491 -- Telefax: 7Telefax: 7 -- 6346376 6346376
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