Universidad Nacional Autónoma de de M éxico xico Facultad de Ingeniería
Tarea: Ciclos Diesel, Stirling y Ericsson Semestre: 12-2 Materia: Termodinámica Aplicada Profesor: Dr. Rodolfo Herrera Toledo Fecha de Entrega: Miércoles 25-04-12 Grupo: 4 Brigada 2: Arellano Carrasco Armando Herrera Serrato Erik Martínez Ordaz Mario Oscar Rosales Barbier Pamela Suárez Sánchez José Antonio
INDICE INTRODUCCIÓN
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CICLO DIESEL
4
ETAPAS
4
DIAGRAMAS DEL CICLO DIESEL IDEAL (P-v y T-s)
6
APLICACIONES Y USOS ACTUALES DEL CICLO DIESEL
8
EJEMPLO
8
EJEMPLO EJEMPLO PARA COMPARACI COMPARACI N CON CICLOS CICLOS STIRLING STIRLING Y ERICSSON ERICSSON
10
DIFERENCIAS EN EL CICLO DIESEL REAL
12
CICLO STIRLING
14
ETAPAS
15
DIAGRAMAS DEL CICLO STIRLING IDEAL (P-v y T-s)
16
APLICACIONES Y USOS ACTUALES DEL CICLO STIRLING
17
EJEMPLO
18
CICLO ERICSSON
21
ETAPAS
21
DIAGRAMAS DEL CICLO ERICSSON IDEAL (P-v y T-s)
22
APLICACIONES Y USOS ACTUALES DEL CICLO STIRLING
23
EJEMPLO
23
DIFERENCIAS EN LOS CICLOS REALES STIRLING Y ERICSSON
26
CONCLUSIONES
27
COMPARACIONES
27
CONCLUSIONES FINALES
27
BIBLIOGRAFÍA MESOGRAFÍA
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INDICE INTRODUCCIÓN
3
CICLO DIESEL
4
ETAPAS
4
DIAGRAMAS DEL CICLO DIESEL IDEAL (P-v y T-s)
6
APLICACIONES Y USOS ACTUALES DEL CICLO DIESEL
8
EJEMPLO
8
EJEMPLO EJEMPLO PARA COMPARACI COMPARACI N CON CICLOS CICLOS STIRLING STIRLING Y ERICSSON ERICSSON
10
DIFERENCIAS EN EL CICLO DIESEL REAL
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CICLO STIRLING
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ETAPAS
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DIAGRAMAS DEL CICLO STIRLING IDEAL (P-v y T-s)
16
APLICACIONES Y USOS ACTUALES DEL CICLO STIRLING
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EJEMPLO
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CICLO ERICSSON
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ETAPAS
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DIAGRAMAS DEL CICLO ERICSSON IDEAL (P-v y T-s)
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APLICACIONES Y USOS ACTUALES DEL CICLO STIRLING
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EJEMPLO
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DIFERENCIAS EN LOS CICLOS REALES STIRLING Y ERICSSON
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CONCLUSIONES
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COMPARACIONES
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CONCLUSIONES FINALES
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BIBLIOGRAFÍA MESOGRAFÍA
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Introducción Los ciclos termodinámicos son la aplicación más técnica de la termodinámica, ya que reproducen el comportamiento cíclico del fluido de trabajo de una maquina térmica durante el funcionamiento de este. En el presente trabajo se trataran tres ciclos termodinámicos, los cueles son Diesel, Stirling y Ericsson. Los tres se encuentran dentro de la clasificación de ciclos directos para sistemas cerrados. Los ciclos termodinámicos directos recorren los diagramas típicos de representación (p-v, T-s, h-s) en sentido horario, mientras que los ciclos para sistemas cerrados son de aplicación a máquina de desplazamiento positivo, en las que el volumen de control se modifica a lo largo del propio ciclo. Suele renovar el fluido en una etapa determinada del ciclo, y no de forma continua. En una definición más general podemos decir que en los ciclos directos para sistemas cerrados la presión puede variar de forma continua como consecuencia de los cambios de volumen a los que se somete el gas contenido en un espacio cerrado, y no circulante. Como parámetro característico del ciclo se utiliza la relación de compresión volumétrica, r v, definida como el cociente entre los volúmenes extremos del ciclo. A menudo la variación de volumen se consigue a través de un pistón por un mecanismo manivela-biela. Además, entre las principales características que mencionaremos en el presente trabajo se encuentran las etapas de los ciclos, las aplicaciones actuales, las representaciones respectivas en diagramas p-v y t-s, además de una descripción coherente que nos ayude a comprender el porqué y para que de cada ciclo. También incluiremos ejemplos de los procesos y una comparación entre los mismos, situación que nos aclarara aún más su funcionamiento. Por último se realizará una comparación entre las eficiencias de los ciclos y así podremos decir que ciclo es el más viable en la realidad, pero cabe adelantar que la eficiencia no es el parámetro que decidirá el criterio de selección. Por otra parte se incluirá una pequeña semblanza de los creadores de cada ciclo, pues es necesario saber de dónde sale todo lo investigado y dar honor al que honor merece. Sin más preámbulos podremos comenzar a desarrollar el presente trabajo y comenzar con el ciclo más conocido y utilizado. 3
Ciclo Diesel En 1892, Rudolf Diesel, ingeniero alemán (1858-1913), patentó el motor de combustión interna que recibió su nombre y que utilizaba la combustión espontánea del combustible. El ciclo Diesel es el ciclo ideal para los motores de combustión interna de encendido por compresión, donde el quemado del combustible es accionado por el calor generado en la primera compresión de aire dentro de la cavidad del pistón, lugar en el cual se inyecta el combustible. Un motor Diesel consta de las siguientes partes:
Etapas
Un ciclo Diesel teórico o ideal, de cuatro tiempos, consta de las siguientes fases:
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Admisión
En esta fase, el pistón efectúa su primera carrera desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI). El aire pasa por el colector y la válvula de admisión, la cual se abre instantáneamente y permanece de tal modo, a fin de llenar todo el volumen del cilindro. Lo anterior se puede modelar como una expansión a presión constante (la válvula está abierta, por lo tanto la presión es igual a la presión atmosférica), en el diagrama P-v, se representa como una isobara.
Compresión
Para esta segunda fase, todas las válvulas están cerradas y el pistón se mueve hacia arriba en el cilindro comprimiendo el aire, aumentando, de igual forma, la temperatura considerablemente. Debido a la velocidad del proceso, se supone que el aire no intercambia calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. El proceso antes descrito se modela como la curva adiabática reversible 1-2 (Diagrama 1.1), aunque para el ciclo Diesel real no sea así por la presencia de factores irreversibles como la fricción.
Combustión
Al final de la compresión, con el pistón en el PMS se inyecta el combustible en el interior del cilindro con la bomba de inyección a una presión elevada, éste se inflama en contacto con el aire caliente, produciéndose la combustión del mismo. Durante el tiempo que dura la inyección, el pistón inicia su descenso, pero la presión del interior del cilindro se mantiene constante, debido a que el combustible se quema progresivamente conforme va entrando en el cilindro, compensando el aumento de volumen que genera el desplazamiento del pistón (retraso de combustión). El proceso anterior se modela como una adición de calor a presión constante.
Expansión
Únicamente en esta carrera se produce trabajo, debido a la fuerza de la combustión que empuja al pistón y a la biela hacia abajo, lo que hace girar al cigüeñal, convirtiendo la energía térmica en energía mecánica. Este proceso se modela de forma similar a la compresión, con una curva adiabática reversible en el diagrama P-v de 3 a 4 (Diagrama 1.1), hasta el volumen específico que tenía al inicio de la compresión. La presión interna desciende a medida que el cilindro aumenta de volumen.
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Escape
En esta última fase del ciclo, el pistón que se encuentra en el PMI es empujado, por el cigüeñal, hacia arriba, forzando la salida de los gases quemados a la atmósfera por las válvulas de escape abiertas. Dado que los gases quemados salen rápidamente al exterior, el pistón no se mueve y se considera un proceso a volumen constante. Por otro lado, la presión en el cilindro baja hasta la presión atmosférica y una cantidad de calor no transformado en trabajo es cedido a la atmósfera. Aquí observamos que el sistema es realmente abierto, ya que intercambia masa con el exterior, sin embargo, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma, podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire que se ha enfriado. Dicho enfriamiento ocurre en dos fases, cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante, y la forma de modelarlo en el diagrama P-v (Ver Diagrama 1.1) es con la isocora 4-1. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara 1-0, cerrando de esta forma el ciclo y listo para iniciar uno nuevo. De forma gráfica, los procesos en el motor Diesel se verían así:
Diagramas del Ciclo Diesel Ideal (P-v y T-s)
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Para el proceso 2-3, el suministro de calor a presión constante está dado por:
Para el proceso 4-1, la cesión de calor a volumen constante está dado por:
El trabajo neto está dado por:
Relación de corte o relación de admisión: Tomando como referencia el diagrama P-V, se define como el cociente entre el volumen V3 posterior al suministro de calor y el volumen V2 anterior a ese suministro.
La relación de compresión es:
En este caso las temperaturas de los estados 2 y 4 se obtienen a partir de las relaciones isoentrópicas:
Hay que destacar que los valores de V son función exclusivamente de la temperatura. La eficiencia del ciclo Diesel es:
La eficiencia en el ciclo Diesel de aire estándar frío, planteadas en función de las temperaturas, puede expresarse en función de los volúmenes:
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La ecuación anterior indica que la eficiencia térmica de un ciclo teórico Diesel es fundamentalmente función de la relación de compresión, de la relación de admisión y del cociente de capacidades térmicas específicas como se muestra a continuación:
Aplicaciones y Usos Actuales del Ciclo Diesel
En maquinaria agrícola (tractores y cosechadoras). Propulsión ferroviaria. Propulsión marina. Propulsión aérea. En automóviles y camiones. En vehículos de propulsión a oruga. En generadores de energía eléctrica. En accionamiento industrial (bombas, compresores, etc.), especialmente de emergencia.
Ejemplo 1: Un ciclo diesel cuyo fluido de trabajo es aire, posee una relación de compresión de 18, y una relación de admisión de 2. Las condiciones al inicio del proceso de compresión son: 101352.93 Pa, 299.82 K, y 0.00192 m 3. Asuma las condiciones para ciclos de aire estándar. Considere Cp=1005[J/kg-K] y Cv=718[J/kg-K]. Determine: a) La presión y temperatura del aire al final de cada proceso. b) Eficiencia térmica. c) Presión Media Efectiva.
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Ejemplo Para Comparación con Ciclos Stirling y Ericsson Un gas ideal biatómico confinado en una máquina de Ericsson opera entre las temperaturas de 800K y 300K, presión máxima de 500kPa y mínima de 100kPa. Encuentre: a) Las condiciones de cada estado, b) Las transferencias de calor y trabajo de cada etapa c) La eficiencia del ciclo.
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Diferencias en el Ciclo Diesel Real
Entre los ciclos real y teórico Diesel existen diferencias en la forma y en los valores de las presiones y temperaturas. Algunas de estas diferencias son originadas por la disociación y la pérdida por bombeo, otra es la referente a la combustión, la cual no se verifica a presión constante en el caso del ciclo real. A continuación se detalla cada caso: a) Combustión a presión constante Apoyados en el diagrama 2.1, en la práctica la combustión se realiza en condiciones tales que la presión varia durante el proceso, mientras que en el ciclo teórico habíamos supuesto que se mantenía constante. En realidad, una parte de la combustión se lleva a cabo a volumen constante, y otra parte, a presión constante. Tan solo en el caso de los motores muy lentos se desarrolla de forma aproximada al proceso teórico. b) Disociación de los productos de la combustión. En un motor de encendido por compresión, el exceso de aire y mezcla de los productos de la combustión son tales, que reducen la temperatura máxima y, en consecuencia, también la disociación de dichos productos. c) Perdida por bombeo En los motores de encendido por compresión no existe la válvula mariposa, característica de los motores de encendido por chispa, provistos de carburador, por ello, la superficie negativa del ciclo Diesel real es menor que la de un ciclo 12
Otto. Comprendido en la perdida por bombeo, se debe considerar también el trabajo necesario para realizar el barrido del cilindro, que a menudo se efectúa por un compresor.
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Ciclo Stirling Este ciclo recibe el nombre en honor a Robert Stirling quien nació el 25 de octubre de 1790 en Escocia La vida de Robert Stirling tuvo lugar durante el siglo XIX, con muchos descubrimientos científicos y tecnológicos. Probablemente el fermento de sus ideas fue, su curiosidad natural y su pragmatismo que le incitó a inventar el "motor de aire caliente". La patente fue presentada el 27 de septiembre de 1816 y fue efectiva el 20 de enero de 1817. En este momento las explosiones de máquinas de vapor eran frecuentes, y dieron lugar a muchas muertes. Las causas de estas explosiones fueron los problemas de diseño, mala calidad de materiales, ausencia casi total de las normas de uso y mantenimiento. Probablemente, esto motivó a Robert Stirling a imaginar un ciclo un poco diferente descrito a continuación Un ciclo de Stirling es un proceso que permite la conversión entre energía mecánica y calorífica. Es parecido a los ciclos de Otto y de Diesel ya que permite la obtención de trabajo a partir del intercambio de calor entre un foco caliente y otro frío, es importante mencionar que este ciclo utiliza regeneración, que es un proceso en el que se transfiere calor hacia un dispositivo de almacenamiento de energía térmica durante una parte del ciclo y se transfiere de nuevo hacia el fluido de trabajo durante otra, mediante un dispositivo llamado regenerador. El motor funciona mediante combustión externa, y el fluido térmico que utiliza es aire contenido en un cilindro. La idea del ciclo Stirling es alternar aire caliente y frío en un cilindro usando brazos mecánicos articulados y un volante de inercia para lograr que el motor funcione en un suave y repetido ciclo.
Motor de Stirling
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Diagrama del corte del motor Stirling En la siguiente imagen se muestran las partes del motor Stirling:
Etapas
El ciclo Stirling consta de las siguientes etapas:
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ETAPA A
Expansión constante. (Adición de calor de una fuente externa) Es la expansión isoterma del gas a alta temperatura, T c. Durante este proceso se absorbe una cantidad de calor Qc de la fuente caliente.
ETAPA B
Regeneración constante (Transferencia de calor interna, desde el fluido de trabajo hacia el regenerador) Es la cesión de una cantidad de calor Q rg al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido.
ETAPA C
Compresión constante. (Rechazo de calor en un sumidero externo) Es la compresión isoterma del gas a la temperatura inferior, T f . Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor, Q f, a la fuente fría.
ETAPA D
Regeneración constante (Nuevamente, transferencia de calor interna desde un regenerador hacia el fluído de trabajo) Es la absorción de calor a volumen constante. El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor Q rg y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión.
Diagramas del Ciclo Stirling Ideal (P-v y T-s)
Debido a que el ciclo Stirling es internamente reversible debido al tipo de procesos que involucra, podemos decir que un análisis de primera ley resulta suficiente. 16
En la etapa 1-2 el fluido se expande isotérmicamente, a temperatura constante y el trabajo de salida está dado por:
En la etapa 2-3 el enfriamiento reversible a volumen constante, cuyo calor de salida está dador por:
En la etapa 3-4 la compresión isotérmica cuyo trabajo de entrada requerido es:
En la etapa 4-1 es un calentamiento reversible a volumen constante cuyo calor de entrada esta dado por:
La eficiencia teórica del ciclo Stirling es equivalente a la de Carnot, aunque por irreversibilidades diversas no se consigue tan alta respuesta. Dado que es igual en magnitud que y con signos opuestos, en la práctica se puede hacer una transferencia interna de estos calores (llamado proceso de regeneración), anulándose entonces para el cálculo de la eficiencia del ciclo. Dicha eficiencia está dada por:
Aplicaciones y Usos Actuales del Ciclo Stirling
Ciclos de cogeneración Bombeo de Agua
Bomba de agua, aprox. 50W, Stirling de baja temperatura (LTD), comercial Astronáutica Generación eléctrica de fuentes abundantes de energía ( solar y biomasa de residuos agrícolas y domésticos) que son incompatibles con el motor de combustión interna Como motor de submarinos
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Actualmente se sigue investigando como método de proveer energía para lugares aislados y usando fuentes como la energía solar como fuente de calor Su uso en refrigeración se da con el ciclo Stirling inverso, ya que de hecho es una de las maquinas que permite alcanzar temperaturas criogénicas
Aquí unas fotos de aplicaciones solares actuales: Agregado SOLO (Alemania), aprox. 10kWel (Stirling comercial, aplicación solar experimental)
Agregado EPAS, 400Wel (sistema con concentrador solar, generando 400W de energía eléctrica y 1600W de calor).
Ejemplo Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Stirling opera entre las temperaturas de 800K y 300K, presión máxima de 300 Kpa y mínima de 100 Kpa. Encuentre: a) Las condiciones de cada estado, b) Las transferencias de calor y trabajo de cada etapa c) La eficiencia del ciclo.
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Ciclo Ericsson John Ericsson fue un prolífico ingeniero sueco a mediados del siglo XIX, en 1852 invento el cambiador de calor de tubos y carcasa, utilizándolo para el condensador de las máquinas de vapor marianas. Construyó un motor de aire para propulsar el buque de su mismo nombre, utilizando 4 cilindros en línea. Ericsson diseño una maquina basada en la combinación de varios ciclos termodinámicos. La primera versión fue similar al ciclo Brayton que utiliza una combustión externa. La segunda versión es la conocida actualmente con el nombre de este ciclo. En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobaras.
Etapas
El ciclo se compone de 4 etapas, en las cuales existe intercambio de calor:
Primera etapa
En esta etapa el aire se comprime isotérmicamente. Se requiere entonces de un enfriamiento simultáneo y el aire fluye a un tanque de almacenamiento a presión constante. El trabajo requerido es:
Segunda etapa
Se produce un calentamiento reversible a presión constante y su consecuente expansión. El aire caliente fluye del tanque a presión elevada constante hacia el cilindro de potencia. En este caso el calor requerido es:
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Tercera etapa
El aire se expande en el cilindro isotérmicamente recibiendo calor externo. El trabajo de salida es igual a:
Cuarta etapa
Es un enfriamiento reversible a presión baja constante. El calor liberado es
Diagramas del Ciclo Ericsson Ideal (P-v y T-s)
Teniendo presente que los calores Qent y Qsal son iguales en magnitud, pero de signo opuesto, en la práctica se compensan por medio de un proceso de regeneración. Lo mismo ocurre con los trabajos realizados en las etapas isotérmicas que de igual magnitud pero signo contrario, anulándose como efecto neto. La eficiencia teórica del ciclo equivale a la de Carnot:
Donde:
La inclusión de la regeneración en el funcionamiento del ciclo es fundamental para conseguir una mayor eficiencia de operación. 22
Aplicaciones y Usos Actuales del Ciclo Ericsson
El ciclo no tiene aplicación práctica en motores de combustión con pistones, pero es utilizado en las turbinas de gas con varias etapas que utilizan intercambiadores de calor. Los motores Ericsson son de combustión externa para que el as motriz caliente desde el exterior. Medio de utilizar la energía solar para aplicaciones mecánicas. El factor básico que limita el empleo de estas máquinas en los desarrollos de la energía solar es que no existen en el mercado comercial.
Ejemplo Un gas ideal biatómico confinado en una máquina de Ericsson opera entre las temperaturas de 800K y 300K, presión máxima de 500kPa y mínima de 100kPa. Encuentre: a) Las condiciones de cada estado, b) Las transferencias de calor y trabajo de cada etapa c) La eficiencia del ciclo.
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Diferencias en los Ciclos Reales Stirling y Ericsson
Los ciclos Stirling y Ericsson son difíciles de alcanzar en la práctica puesto que incluyen transferencia de calor debida a una diferencia de temperatura en todos los componentes. Para esto sería necesario proporcionar áreas superficiales demasiado grandes para la transferencia de calor o permitir un tiempo infinitamente largo para el proceso. Ninguno de los dos aspectos es práctico. En el caso ideal la diferencia de temperatura entre las dos corrientes no excede una cantidad diferencial (dT). La corriente del fluido fría sale del intercambiador de calor a la temperatura de entrada de la corriente caliente.
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Conclusiones Comparaciones
Comparando las eficiencias obtenidas para cada ciclo siguiente tabla: Diesel
Ciclo Stirling
podemos construir la
Ericsson
62.499 62.5 17.93 26.49 62.5 62.5 62.5 Se observa la importancia de la regeneración para los ciclos Stirling y Ericsson, ya que de no ser así estos ciclos no tendrían gran relevancia si lo comparamos con un ciclo Diesel, el cual presentó una eficiencia mayor a los otros en el caso de no contar con regeneración, pero se queda muy atrás para el caso regenerativo. Al trabajar bajo el mismo intervalo de temperatura para los tres ciclos, es obvio que su eficiencia de Carnot es la misma pero solo los ciclos Stirling y Ericsson alcanzan una eficiencia térmica muy cercana a la de Carnot; mientras que las irreversibilidades se presentan por transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperatura en el ciclo Diesel, reduciendo su eficiencia. % C/Regeneración S/Regeneración %
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Conclusiones finales
Se sabe que el ciclo Diesel tiene una amplia gama de aplicación en la industria, ya que es muy práctico tanto en su elaboración, como en la relación peso y potencia, estos factores son muy importantes en la ingeniería ya que su buen o mal manejo, nos representa ganancias o pérdidas económicas. Por otro lado es difícil construir una maquina que trabaje con el ciclo Ericsson o Stirling sin introducir desventajas inherentes, ya que operan a presiones elevadas y los fluidos más adecuados para su funcionamiento son el helio y el hidrogeno, la relación entre peso y potencia no es muy favorable, también las elevadas temperaturas presentan un problema; no obstante una de sus más grandes ventajas es su alta calidad de emisión ya que al ser estos motores de combustión externa, donde el proceso de combustión es más completo que en uno de combustión interna en términos de contenido de bióxido de carbono, además de otras ventajas como los son, su operación relativamente silenciosa, su confiabilidad y su larga vida así como su capacidad multi-combustible. Una diferencia importante es que en el motor que funciona según el ciclo Ericsson, las transformaciones isocoras se sustituyen por isobaras en el Stirling.
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En general es muy importante analizar que aunque las eficiencias del ciclo Stirling y Ericsson son muy altas a comparación del ciclo Diesel, esto no significa que sean mejores, ya que los primeros dos resultan mucho más costosos y de condiciones físicas más difíciles de lograr. (Como las mencionadas anteriormente) Es por eso que de momento elegimos el ciclo Diesel como el más apropiado para generar trabajo a partir de un suministro de calor, ya que resulta más práctico. Pero no nos queda duda que los otros ciclos deben seguir siendo estudiados para lograr modificarlos, de tal manera que se vuelvan competitivos económicamente, desarrollando dispositivos que nos permitan alcanzar las condiciones requeridas así como materiales que nos den una ventaja sobre los que actualmente se usan para estos ciclos.
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Bibliografía
Wark y Richards. Termodinámica. 6ta edición. McGraw Hill, 2001.
Çengel y Boles. Termodinámica. 5ta edición. McGraw Hill, 2006.
Meinel A.B. Aplicaciones de la Energía Solar. 3era edición, Editorial Reverte, 1982.
Mesografía:
Motor y Ciclo Diesel http://www.slideshare.net/Flerasgard/ciclo-diesel
Visitada el 12/04/12
Ciclo Diesel http://eribera_bo.tripod.com/ciclo_diesel.html
Visitada el 12/04/12
Ciclos de Potencias de Gas http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/05/tema-iii-ciclos-de potenciade-gas-aire-cerrados2.pdf
Visitada el 12/04/12
Máquinas Térmicas http://www.fglongatt.org.ve/Archivos/Archivos/SistGD/PPTTema2.1.MaqTerm.pdf
Visitada el 12/04/12
Biografía Robert Stirling http://brunomg.blogspot.es/i2011-05/ Visitada el 14/04/2012 Máquinas Térmicas: Ciclo de Stirling http://www.unizar.es/departamentos/fisica_mat_condensada/people/juanjo/t ecnicasI/P1.pdf Visitada el 14/04/2012
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