2.8 CICLOS TEÓRICOS Y REALES.
El estudio de los ciclos se aborda frecuentemente, considerando primero los ciclos teóricos, los cuales cuentan por entero con procesos internamente reversibles. Por tal motivo, al analizar estos ciclos no se toman en cuenta efectos como el rozamiento y otras fuentes de irreversibilidad internas. Por consiguiente, los aparatos y motores que operan bajo este criterio, son imposibles de construir; debido a que todo motor, aparato o equipo real tienen irreversibilidad. Así que, un ciclo teórico más bien es un ciclo conceptual fácil de analizar.
Los ciclos reales, por otra parte, son aquellos que contienen irreversibilidad, y el análisis de los motores que operan con dichos ciclos, toman en consideración este concepto.
Puesto que el ciclo teórico, evita la irreversibilidad interna, se analiza para determinar la máxima eficiencia que puede lograrse en un ciclo dado.
Sin embargo, dicho ciclo no es internamente reversible del todo, debido a que existe transferencia de calor entre el sistema y sus alrededores a través de una diferencia finita de temperaturas.
Así, una vez que las tendencias en el diseño son establecidas mediante el análisis del ciclo teórico, se pueden establecer modificaciones que permitan mejorar la eficiencia térmica o coeficiente de comportamiento del ciclo real.
COMPARACIÓN ENTRE EL CICLO OTTO TEÓRICO Y EL REAL. La figura 2.8.1 ilustra la comparación entre los procesos del ciclo Otto teórico y el real.
Figura 2.8.1 Comparación entre el ciclo Otto teórico y el real
Las líneas punteadas ilustran los procesos ya conocidos del ciclo Otto teórico. (Ciclo cerrado).
1-2 Compresión (s=c)
2-3 Adición de calor (v=cte)
3-4 Expansión (s=c)
4-1 Escape (v=cte)
Las líneas negritas ilustran los procesos del ciclo Otto real. 1-2 Compresión no adiabática, de manera que la presión real es menor que la teórica. 2-3 Ignición, la cual se produce antes de que el pistón llegue a su PMS y requiere de un cierto intervalo de tiempo para que la combustión se lleve a cabo. No es a volumen constante y se produce una pérdida de energía hacia las paredes del cilindro y la cabeza del émbolo. La presión máxima es menor que la del ciclo teórico. 3-4 El proceso de expansión no es adiabático, y a esto se deben las menores presiones del estado 3 al 4. 4-1 El proceso de escape no es a volumen constante, en la figura, se observa que la apertura de la válvula de escape se realiza antes de que el pistón llegue a su punto muerto inferior (PMI), y lo anterior reduce la potencia desarrollada (área I).
El área II representa el trabajo que el motor tiene que realizar para la expulsión de los gases de escape, del estado 4 al 5, y a la vez admitir una nueva carga de aire de 5 a 1. En la figura 2.7.8 se observa que, si la válvula de escape se abre demasiado pronto, se reduce el área I, es decir la P4 será aproximadamente igual a la P5 y la línea 4-5 se acerca más a la horizontal. Si la válvula de escape se abriera demasiado tarde, el trabajo necesario para expulsar los gases de combustión será mayor debido a la mayor presión en el estado 4, lo cual es indicado por el incremento en el área II. Al diseñar un motor, se busca que las resistencias a los movimientos en los sistemas valvulares de admisión y escape sean lo más pequeñas posibles. El diagrama P-V del ciclo Diesel es muy similar a la figura 2.7.8.
DIFERENCIAS ENTRE EL CICLO OTTO TEÓRICO Y EL REAL. Las diferencias sustanciales entre estos dos ciclos, radican en la forma del diagrama y en los valores de las presiones y temperaturas alcanzados en cada punto del ciclo. Ver la figura 2.8.2.
Figura 2.8.2. Diferencias entre el ciclo Otto teórico y el real.
Estas diferencias están enfocadas a los procesos que se efectúan en cada ciclo y consisten en:
Diferente recorrido o trayectoria.
Curvas de compresión y expansión diferentes.
Sustitución de los tramos rectilíneos por curvos.
Sustitución de ángulos por curvas de enlace.
Forma del diagrama.- En el diagrama pueden observarse ciertas diferencias, y las causas de ellas suelen darse por las siguientes razones:
a) Pérdidas de calor: En el ciclo teórico son nulas; en el ciclo real son en cambio, apreciables; puesto que el cilindro y la culata están refrigeradas y una parte del calor es transmitido por el fluido a las paredes de la máquina. Así, las líneas que representan los procesos de compresión y expansión no son por lo tanto adiabáticos, sino politrópicos con exponente n ≠ k, además, como el fluido sufre pérdidas de calor en el proceso de expansión, se tendrá n > k y para la compresión n < k. Así, en la figura 2.28.1 se observa una pérdida de trabajo útil correspondiente al área A.
b) Combustión no instantánea: En el ciclo teórico se supone que la combustión se realiza a volumen constante, es decir, instantáneamente. En el ciclo real, en cambio, se requiere de un cierto periodo de tiempo. Si el encendido tuviera lugar, cuando el pistón se encuentre exactamente en el PMS, la combustión se realizaría cuando el pistón empiece a descender y se aleje del PMS; y por lo consiguiente el valor de la presión sería menor al previsto, con la consecuente pérdida de trabajo útil. Por este motivo conviene anticipar el encendido, de tal suerte que la combustión se efectúe, cuando el pistón se encuentre en las cercanías del PMS. Esto produce un redondeamiento de la línea teórica de aportación de calor, y por lo tanto una pérdida de trabajo útil representado por las áreas B. Pero ésta pérdida resulta de magnitud mucho menor que la que tendría, sin adelanto del encendido.
c) Tiempo de apertura de la válvula de escape: En el ciclo teórico se ha supuesto, que también la extracción de calor se lleva a cabo instantáneamente; coincidiendo con la posición del pistón en el PMI. En el ciclo real la extracción de calor se produce durante un tiempo relativamente largo; la válvula de escape debe abrirse anticipadamente para dar tiempo a una parte de los gases quemados para salir del cilindro, antes de que el pistón alcance el PMI; de modo que la presión descienda aproximadamente hasta el valor de la presión exterior, al comienzo de la carrera de escape. Este hecho es el que produce la disminución de trabajo, representado por las áreas C.
Presiones y temperaturas alcanzadas.- Las causas de las diferencias en los valores de las presiones y temperaturas máximas alcanzadas en las esquinas del ciclo son: a) Aumento de los calores específicos con la temperatura. En el ciclo teórico estos valores de Cp y Cv, permanecen constantes, tanto en la carrera de compresión como en la de expansión, esto es debido a que dichos procesos se suponen isentrópicos, y no experimentan variación con la temperatura. En el ciclo real, sin embargo, Cp y Cv experimentan variación con la temperatura, y la relación n = Cp / Cv disminuye durante el proceso de compresión y aumenta en el de expansión. De este hecho se desprende que los valores de la presión y la temperatura máxima sean inferiores en el ciclo real en comparación con el indicado. La figura 2.28.1 ilustra lo expuesto anteriormente, mostrando, como tanto el área y el rendimiento térmico del ciclo real, resultan disminuidos. b) Disociación de la combustión.- Puesto que en el ciclo real, los productos de la combustión constituidos esencialmente por CO2 y H2O, se disocian en otros compuestos tales como CO, H2 y O2, mediante una reacción en la cual se absorbe calor, la temperatura máxima obtenible en el proceso se reduce y se pierde una cierta cantidad de trabajo. c) Condiciones de admisión: Otra diferencia importante entre estos dos ciclos, está en la carrera de admisión. Esto es, en el ciclo real la presión de admisión durante la carrera, es menor a la que se tiene en la carrera de escape. Es decir, durante la admisión la presión resulta inferior a la atmosférica debido a la caída de presión en el venturi; mientras que en la carrera de escape, la presión resulta mayor que la atmosférica. En el ciclo teórico tanto en la carrera de admisión como en la de escape, la presión es equivalente a la atmosférica. Por lo tanto, se crea un área negativa D, que corresponde al trabajo perdido. Este trabajo hecho por el motor para llevar a cabo la admisión y el escape, se denomina trabajo de bombeo, y generalmente se evalúa como trabajo perdido por rozamiento.
