Ciclos termodinámicos de gas

Ciclos Termodinámicos: Entenderemos por ciclo termodinámico cualquier proceso en que un sistema partiendo de un estado inicial, sufre una serie de transformaciones termodinámicas tras las cuales llega a un estado final, que es igual al inicial (ciclo reversible), estos se clasifican en:

Ciclos de Potencia:

Ciclo de Carnot: Es el ciclo que se considera que tiene mayor eficiencia, esta conformado por cuatro procesos, dos de ellos isotérmicos y los otros dos adiábaticos, ambos procesos son internamente reversibles.

Ciclo Rankine: Es el ciclo ideal práctico que emplea vapor como fluido de operación. De igual forma, es considerado una modificación del ciclo Carnot, en donde se sustituyen los procesos isotermos de absorción o cesión de calor por procesos isobaros (que serán también isotermos en parte, por tratarse de un vapor). 

Ciclo Brayton. (Joule) Modela el comportamiento de una turbina a gas, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles. Las etapas del proceso son las siguientes:

  Admisión, el aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina.

  Compresor, el aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática 1→2.

  Cámara de combustión, en la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isobaro 2→3.

 Turbina, el aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, se describe como una expansión adiabática 3 →4. 

  Escape, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante 4→1. 

Ciclo Stirling. Es un ciclo termodinámico que busca obtener el máximo rendimiento, por ello es semejante al ciclo de Carnot, sin embargo esta máquina está constituida por dos isotermas, dos isocoras y un sistema de regeneración entre las isocoras. Consta de cuatro etapas

Motores de Combustión Interna: Los motores térmicos son máquinas que transforman la energía calorífica en energía mecánica directamente utilizable. La energía calorífica normalmente es obtenida de la combustión de combustibles líquidos o gaseosos y el trabajo neto es generado por elementos constituyentes de dichas máquinas.

Estos se clasifican en:

Ciclo Otto: Realiza la transformación de energía calorífica en mecánica fácilmente utilizable en cuatro fases, durante las cuales un pistón que se desplaza en el interior de un cilindro efectúa cuatro carreras (a través del sistema biela-manivela). El movimiento lineal del pistón se transforma en un movimiento rotacional del cigüeñal, realizando éste dos vueltas completas en cada ciclo de funcionamiento. 

Fases de funcionamiento de un motor Otto:

Primer tiempo: admisión, durante este tiempo el pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) y efectúa su primera carrera o desplazamiento lineal. Durante este desplazamiento el cigüeñal realiza un giro de 180°. La válvula de admisión se abre instantáneamente, y el fluido que entra por efecto del vacío en el interior del cilindro creado por el pistón, hace un recorrido C (denominado carrera).

Segundo tiempo: compresión, el pistón efectúa su segunda carrera y se desplaza desde el PMI hasta el PMS. El cigüeñal efectúa un giro de 180°, implica que ha girado 360°. En esta fase ambas válvulas están cerradas.

Tercer tiempo: trabajo, cuando el pistón llega al final de la compresión se genera un chispa entre los electrodos de la bujía, lo cual constituye, el punto de ignición de la mezcla y consecutivamente la combustión de la misma. En esta etapa se libera energía calorífica, se eleva la temperatura y el cambio de energía cinética (en las moléculas del combustible) produce una fuerza que empuja al pistón y lo desplaza hasta el PMI. Al aumentar el volumen la presión baja y, disminuye la temperatura interna producto de la expansión. Una vez culminada esta etapa se abre de forma instantánea la válvula de escape. El cigüeñal gira 180°, entonces tiene un recorrido de 540°

Cuarto tiempo: escape, en este tiempo el pistón realiza su cuarta carrera desde el PMI hasta el PMS. El cigüeñal recorre 180°. Durante este proceso la válvula de escape permanece abierta. A través de ella, los gases quemados procedentes de la combustión salen a la atmósfera. Una vez que el pistón haya llegado al PMS se cierra la válvula de escape e instantáneamente se abre la de admisión. Total girado por el cigüeñal 720°. 

Ciclo Diesel: Es el ciclo ideal para las maquinas reciprocantes ECOM (máquinas de encendido por compresión). En los motores ECOM (también conocidos como motores Diesel) el aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente.

Fases de funcionamiento de un motor Diesel:

Primer tiempo: admisión, se abre la válvula de paso y solamente entre aire. El pistón, hace su primera carrera al desplazarse desde el PMS hasta el PMI. En este instante, la válvula de paso se cierra de forma instantánea y el cigüeñal a girado 180°.

Segundo tiempo: compresión, el pistón realiza su segunda carrera. Éste se desplaza desde PMI hasta PMS, aumentando la presión y llevando la temperatura del aire por encima de los 600°C, temperatura que es superior al punto de ignición del combustible, de allí que la relación de compresión deba ser del orden de 22. En esta etapa, sólo hay aire en la cámara de combustión. El cigüeñal ha girado 360°.

Tercer tiempo: trabajo, el combustible es inyectado en la cámara de combustión a través de la bomba de inyección. Como el aire se encuentra a una presión alta, el combustible debe entrar a 150-300 atmósferas. Debido a estas condiciones, se genera la combustión de forma súbita, haciendo que el pistón se desplace (en una tercera carrera) desde el PMS hasta el PMI y produciendo trabajo sobre las piezas mecánicas del sistema. El cigüeñal ha girado 540°.

Cuarto tiempo: escape, se abre instantáneamente la válvula de escape liberándose los gases de combustión. El pistón sube en su cuarta carrera y el cigüeñal gira 180° más, de esta forma completa dos vuelta por cada ciclo de trabajo efectuado. 

Comparación entre motores de ciclo Otto y Diesel:

Ciclo real de funcionamiento:

El ciclo real es el que refleja las condiciones efectivas de funcionamiento de un motor y, cuando se representa en un diagrama P-V, se denomina diagrama indicado.

Las diferencias que surgen entre el ciclo indicado y el ciclo teórico, tanto en los motores de ciclo Otto como en los motores de ciclo Diesel, están causadas por:

• Perdidas por calor.
• Tiempo de apertura y cierre de las válvulas.
• Combustión no instantánea.
• Perdidas por bombeo.

Combustión: La combustión es una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera una gran cantidad de energía.

Combustible + Comburente= Productos de Combustión.

Los combustibles más usados en los motores de combustión interna son los denominados Combustibles Hidrocarburos y se denotan por la formula C_nH_m.

El comburente empleado con mayor frecuencia en los procesos de combustión es el aire, por obvias razones (es gratuito y se consigue fácilmente).

Comparación de algunos combustibles alternativos contra los combustibles tradicionales basados en petróleo usados en la industria el transporte.

*Cantidad de combustible cuyo contenido energético es igual a la energía contenida en un litro de gasolina.

Relación Aire-Combustible: La relación aire-combustible (AC) es la cantidad utilizada en el análisis de procesos de combustión para cuantificar las cantidades de aire y combustible. Suele expresarse en una base de masa y se define como una relación entre la masa del aire y la masa de combustible.

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