Ciclos de Potencia y Análisis Energético 3007812
Notas de clase
- Ricardo Ricardo Quijano Hurtado
La Generación de potencia es un área área importante de aplicación de la Termodinámica. Los dispositivos y sistemas sistemas usados para producir una
salida neta de trabajo son llamados
motores.
Los ciclos termodinámicos en que operan se denominan
ciclos de
potencia Los ciclos se clasifican en : Fluido de Trabajo • Ciclos de Gas: El fluido de trabajo permanece en la fase gaseosa durante todo el ciclo. •
Ciclos de Vapor El fluido de trabajo existe en fase vapor una parte del ciclo y fase liquida durante la otra parte.
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Ciclos cerrados: El fluido de trabajo vuelve a su estado inicial al final del ciclo y se recircula. ( centrales de vapor) renueva al final de cada Ciclos Abiertos: El fluido de trabajo se renueva ciclo en vez de recircularse. ( motores de chispa)
Maquinas térmicas se clasifican: ( como se suministra el fluido de trabajo) Combustión Externa: El calor se suministra al fluido de trabajo desde una fuente externa. ( como un quemador, pozo geotérmico, reactor nuclear o el sol.) Combustión Interna: se quema el combustible dentro de los limites del sistema. Notas de Clase - Ricardo Quijano Hurtado
Clasificación de Ciclos termodinámicos •
Ciclos de Potencia Potencia Ciclo Rankine y Variantes. Variantes. Ciclos estándar de aire Ciclo Brayton y turbinas a Gas Ciclos de combustión interna Maquinas reciprocantes (cilindro-embolo) Ciclo Otto Ciclo Diesel Ciclos Stirling y Ericsson
• • •
Ciclos de Potencia de Vapor. Cogeneración Ciclos de Potencia Combinados Gas y vapor
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Consideraciones básicas en los Ciclos de potencia Los ciclos en los dispositivos reales son difíciles de analizar por : • Presencia de la fricción • Falta de tiempo para establecer condiciones de equilibrio durante el ciclo. Cuando al ciclo real se eliminan todas la irreversibilidades y complejidades internas, denominadas ( idealizaciones) logradas por procesos internamente reversibles. Se denomina Ciclo Ideal
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Ciclo reales y ciclos ideales
Idealizaciones y simplificaciones en los ciclos de potencia Las idealizaciones y simplificaciones empleadas en los análisis de los ciclos de potencia se presenta así: 1. El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto el trabajo no implica caída de presión en y tuberías y dispositivos. 2. Todos lo procesos de expansión y compresión se presentan en forma de cuasiequilibrio. 3. Las conexiones de los diferentes componentes están muy bien aisladas y la Transferencia de calor a través de ellas es insignificante.
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Eficiencia térmica Las maquinas térmicas se diseñan con el propósito de convertir energía térmica en trabajo y su desempeño se expresa en términos de eficiencia térmica.
ɳ ter =
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Ejercicios Sobre ɳ
ter
1. Un Auto productor que hace Cogeneración, consumió 150 000 ton de bagazo de caña en las calderas y generó 20.000 MWh de electricidad. Calcular la parte de combustible para Cogeneración y consumo final. (Asuma el 50% de rendimiento en la cogeneración). 2. Un Auto productor consumió en caldera 40 000 ton de fuel oil, 20 millones de metros cúbicos de gas natural y 30 000 ton de carbón mineral y generó 15 000 MWh de electricidad. Todas las calderas generaron vapor sobrecalentado que pasó por turbogenerador. Calcula las partes de combustibles para autogeneración y para consumo final. (Asuma el 50% de rendimiento en la cogeneración).
ɳ
ter =
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Maquinas Reciprocantes Un maquina reciprocante es la constituida por el dispositivo Cilindro – Embolo. Es la fuente de poder en el transporte y la generación de energía eléctrica. Esta constituida por el desplazamiento del embolo entre el punto muerto Superior PMS ( volumen de espacio libre) y el punto muerto Inferior PMI, denominando este desplazamiento CARRERA, el cual forma un volumen Superior e Inferior. La relación entre el máximo volumen formado en el cilindro y el volumen mínimo (espacio Libre) recibe el nombre de relación de compresión r del motor
r=
=
Máquinas Reciprocantes
Suposición aire estándar
Los Ciclos de potencia de gases reales son bastantes complejos para reducir el análisis a un nivel manejable se utiliza las suposiciones de aire estándar: 1. El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y siempre se comporta como un gas ideal. 2. Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles. 3. El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor desde una fuente externa. 4. El proceso de escape es sustituido por proceso de rechazo de calor que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial. Esto permite estudiar de manera cualitativa el desempeño de las
Suposición aire estándar
Ciclos de combustión interna Son ciclos que ocurren en sistemas cilindro-pistón, en los cuales tienen lugar reacciones de combustión. Los ciclos más importantes son: Ciclo Otto: Ciclo ideal en el cual se basa el ciclo de combustión interna con gasolina. •
•
Ciclo Diesel: Ciclo ideal en el cual se basa el ciclo de combustión interna con diesel.
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Ciclo Otto Real
Nikolaus Otto: Holzhausen, Alemania, 14 de junio de 1832 26 de enero de 1891.
En mayo de 1876, Otto construyó el primer motor de cuatro tiempos del ciclo de pistón de de combustión interna. Esta fue la primera alternativa práctica a la máquina de vapor
En 1862, Aphonse Beau de Rochas, un ingeniero francés, patentó el ciclo de cuatro tiempos. Sin embargo, Otto fue el primero en construir un ciclo de cuatro tiempos del motor. Sin embargo, en 1886, Otto solicito el revocar la patente a Rochas y fue revocada. Alphonse Eugène Beau de Rochas
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Ciclo Otto Real Las condiciones de operación reales es muy parecida al ciclo Otto ideal así: 1-2 Compresión Isentrópica. 2-3 Adición de calor a Volumen constante. 3-4 Expansión Isentrópica. 4-1 Rechazo de calor a volumen constante. El ciclo Otto se ejecuta en un sistema cerrado y sin tomar en cuenta las energías cinética y potencial, el balance de energía se expresa por unidad de masa.
(q entrada – q salida) + (W entrada – W salida) = Δu kJ/kg
ɳ=
−
k-1
r = es la relación de compresión K = es la relación de calores específicos Cp / Cv.
Fases del Ciclo Otto
Admisión. Compresión. Combustión (carrera de Potencia ). Escape.
Admisión
La válvula de admisión se abre y se aspira una carga de aire y combustible a una presión, teóricamente, igual a la atmosférica, provocando el descenso del pistón. La válvula de escape permanece cerrada. En el ciclo real la presión del gas durante la aspiración es inferior a la presión atmosférica, por lo tanto, el cierre de la válvula de admisión se produce después que el pistón llega al extremo inferior de su carrera, es decir, se prolonga el período de admisión y entra en el cilindro la máxima cantidad de mezcla de aire y combustible.
Compresión
No existe intercambio de calor entre el gas y las paredes del cilindro. La válvula de admisión y la de escape están cerradas y el pistón comienza a subir, comprimiendo la mezcla que se vaporiza. En el ciclo real, el gas cede calor al cilindro, por consiguiente el gas se enfría y adquiere menos presión.
Combustión
Ambas válvulas permanecen cerradas. Al llegar el pistón a la parte superior de su carrera, el gas comprimido se inflama por la chispa de la bujía. La combustión de toda la masa gaseosa es instantánea, por lo tanto el volumen no variará, y la presión aumentará rápidamente. En el ciclo real la combustión no es instantánea y el volumen de la mezcla va variando mientras se propaga la inflamación.
Expansión
El gas inflamado empuja al pistón. Durante la expansión, no hay intercambio de calor, al aumentar el volumen, la presión aumenta. El aumento de la temperatura en el interior del cilindro durante la combustión produce, en la expansión, que los gases cedan calor al cilindro y se enfrían, dando como resultado una presión menor.
Escape
Cuando el pistón se encuentra en el extremo inferior de su recorrido, la válvula de admisión permanece cerrada y se abre la de escape, disminuyendo rápidamente la presión, sin variar el volumen interior. Luego manteniéndose la presión igual a la atmosférica, el volumen disminuye. En la realidad el escape no se hace instantáneamente, sino que en este período los gases tienen aún una presión superior a la atmosférica.
Ciclo Otto Real vs Ideal
Ciclo Otto Ideal
Motor de explosión Línea.
Motor de explosión en V.
Motor de explosión Plano.
Ciclo Otto
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Análisis termodinámico
qen u3 u2 C v T 3 T 2
q sal u4 u1 C v T 4 T 1
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otto
wneto qen
1
q sal qen
1
T 4 T 1
T 3 T 2
Los Procesos 1-2 y 3-4 son Isentrópicos. Además los volúmenes V₂ = V₃ y V₄ = V₁ .
T 1 T 2
v v
2
1
k 1
v v
3 4
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k 1
T 4 T 3
otto
otto
1
1
k 1
r
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Eficiencia del ciclo Otto ideal
Altas relaciones de compresión - Aumenta la temperatura del autoencendido del combustible Generando el Autoencendido.
Las mejoras en la eficiencia del ciclo Otto. 1- Relación de compresión altas. 2 -Relación de calores específicos. Argón -
Presión Media Efectiva PME La presión media efectiva PME es una presión ficticia que, si actuara sobre el émbolo durante toda la carrera de potencia, produciría la misma cantidad de trabajo neto que el producido durante el ciclo real así: W = PME * área del embolo * carrera = PME * volumen de desplazamiento
PME =
–
( Kpa )
La PME de mayor valor entregará más trabajo neto por ciclo.
Presión Media Efectiva PME
Ejemplo 1 Un ciclo Otto ideal tiene una relación de compresión de 8. Al inicio del proceso de compresión el aire esta a 100 KPa, 17°C y 800 KJ/kg de calor se transfieren a volumen constante hacia el aire durante el proceso de adición de calor. Tome en cuenta la variación de los calores específicos del aire con la temperatura y determine: a) la temperatura y presión máximas que ocurren durante el ciclo. b) salida de trabajo neto. c) la eficiencia térmica y d) la presión media efectiva del ciclo.
Ejercicio 1 La relación de compresión de un ciclo Otto de aire estándar es 9.5. Antes del proceso de compresión isentrópico el aire está a 100KPa, 35 °C y 600 cm3. La temperatura al final del proceso de expansión isentrópica es 800K. Emplee valores de calores específicos a temperatura ambiente y determine: a) La temperatura y la presión más altas en el ciclo b) La cantidad de calor total que entra al ciclo c) La eficiencia térmica d) La PME
Ejercicio 2 Un ciclo ideal Otto tiene una relación de compresión de 12 Admite aire a 100Kpa y 20 °C y se repite 1000 veces por minuto. Usando calores específicos constantes a temperatura ambiente, determine la eficiencia térmica de este ciclo y la tasa de suministro de calor si el ciclo ha de producir 200 kW de potencia.
