Ciclos termicos y trabajo

CICLOS TERMICOS y
TRABAJO
Ingeniera Química
Godelia Canchari

CICLOS TERMODINAMICOS ING. CANCHARI2
• Resulta útil tratar los procesos termodinámicos
basándose en ciclos:
• procesos que devuelven un sistema a su estado
original después de una serie de fases, de manera
que todas las variables termodinámicas relevantes
vuelven a tomar sus valores originales.
• En un ciclo completo, la energía interna de un
sistema no puede cambiar, puesto que sólo
depende de dichas variables.
• Por tanto, el calor total neto transferido al sistema
debe ser igual al trabajo total neto realizado por el
sistema.
PROCESOS CICLICOS

• Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un
ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en
trabajo mecánico.
• El ciclo de Carnot, es un ciclo termodinámico que
constituye el ciclo básico de todos los motores
térmicos, y demuestra que no puede existir ese motor
perfecto.
• Cualquier motor térmico pierde parte del calor
suministrado.
• El segundo principio de la termodinámica impone un
límite superior a la eficiencia de un motor, límite que
siempre es menor del 100%.
• La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce
como ciclo de Carnot.
PROCESOS CICLICOS

Ciclo de Carnot • Una máquina de
Carnot es perfecta,
•Es decir, convierte
la máxima energía
térmica posible en
trabajo mecánico.
•Carnot demostró
que la eficiencia
máxima de cualquier
máquina depende de
la diferencia entre las
temperaturas
máxima y mínima
alcanzadas durante
un ciclo.
ab y cd: contracciones y expansiones
isotérmicas.
bc y ad: contracciones y expansiones
adiabáticas.

Ciclo de Carnot •Cuanto mayor es esa
diferencia, más
eficiente es la
máquina.
•Por ejemplo, un
motor de automóvil
sería más eficiente si
el combustible se
quemara a mayor
temperatura o los
gases de escape
salieran a menor
temperatura.
isotérmicas.
adiabáticas.

Ciclo de Carnot
isotérmicas.
adiabáticas.
η = Wneto/QH
η = 1 - TC/TH
QC/QH = TC/TH
QC = W cd = n.R.TC.ln Vc/Vd
QH = W ab = n.R.TH.ln Vb/Va
⇒ η = 1 - QC/ QH
⇒ η= (QH - QC)/QH
∆E = Q - W
En un ciclo ∆Ε = 0 ⇒ Q = W

• Los sistemas de compresión emplean cuatro elementos
en el ciclo de refrigeración: compresor, condensador,
válvula de expansión y evaporador.
• En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe
calor del espacio que está enfriando y de su contenido.
• A continuación, el vapor pasa a un compresor movido
por un motor que incrementa su presión, lo que
aumenta su temperatura (entrega trabajo al sistema).
• El gas sobrecalentado a alta presión se transforma
posteriormente en líquido en un condensador
refrigerado por aire o agua.
• Después del condensador, el líquido pasa por una
válvula de expansión, donde su presión y temperatura
se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen
en el evaporador.
Ciclo de refrigeración

Ciclo de refrigeración

Sistemas de absorción
• Algunos refrigeradores domésticos funcionan mediante el
principio de absorción.
• En ellos, una llama de gas calienta una disolución
concentrada de amoníaco en agua en un recipiente
llamado generador, y el amoníaco se desprende en forma
de vapor y pasa a un condensador.
• Allí se licúa y fluye hacia el evaporador, igual que en el
sistema de compresión.
• Sin embargo, en lugar de pasar a un compresor al salir del
evaporador, el amoníaco gaseoso se reabsorbe en la
solución diluida y parcialmente enfriada procedente del
generador, para formar de nuevo una disolución
concentrada de amoníaco.
• Este proceso de reabsorción se produce en un recipiente
llamado absorbedor, desde donde el líquido concentrado
fluye de vuelta al generador para completar el ciclo.

CICLO OTTO
• El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se
aplica en los motores de combustión interna. Se
caracteriza porque todo el calor se aporta a
volumen constante.
• Este también es llamado ciclo de encendido por
chispa, en este el proceso se realiza a volumen
constante.
• Este ciclo es de interés ya que da el análisis del
comportamiento de los motores por ignición de
chispa.
• El ciclo Otto puede ser de 2 o de 4 tiempos.
• El ciclo consta de cuatro procesos.

Motores Ciclos Otto
• El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos, es
decir, que el ciclo completo del pistón tiene cuatro fases, dos
hacia el cabezal cerrado del cilindro y dos hacia atrás.
• Un ciclo de Otto de 4 tiempos se compone de 4 procesos
internamente reversibles, además de una carrera de
alimentación y una de expulsión en el ciclo.
• El ciclo teórico consta de:
• una transformación adiabática (1-2) (compresión),
• Un calentamiento isocórico (2-3)(combustión),
• una segunda transformación adiabática(3-4)(expansión)
• y finalmente una ultima transformación isocórica (4-1)
(enfriamiento).

Ciclo Otto
ab: compresión adiabática.
bc: calentamiento isocórico.
cd: expansión adiabática.
da: enfriamiento isocórico.
En el punto a la mezcla de nafta y aire ya está en el cilindro.

Motores Ciclos Otto
• El trabajo requerido para expulsar la carga del cilindro
tiene la misma magnitud, pero de signo contrario, que el
requerido para absorber la nueva carga por tanto estas
dos partes del ciclo teórico no afectan el trabajo neto
desarrollado.
• Los parámetros principales que gobiernan la eficiencia
térmica de un ciclo Otto son la relación de compresión y
la relación de capacidades térmicas específicas.
• El valor de la eficiencia térmica aumenta al aumentar la
relación de compresión, desde el punto de vista practico
esta limitado por la ocurrencia de la preignición cuando
la relación se eleva por encima de 10, para los
hidrocarburos comunes la eficiencia térmica aumenta al
incrementar el cociente de las capacidades térmicas
específicas.

Ciclo Otto
R: relación de compresión.
Cp: calor específico a presión
constante
Cv: calor específico a volumen
constante
γ = Cp/Cv (Sears 419 - Tabla
18.1)
η = 1 - 1/R(γ - 1)
Para un R = 8, y un γ = 1,4
(aire), η = 0,56
En el punto a la mezcla de nafta y aire ya está en el cilindro.

Motores Ciclos Otto
• Para tener en cuenta que las capacidades
térmicas específicas son variables la
eficiencia se debe determinar mediante la
relación
• n = 1- ( u4 - u1 )/( u3 - u2 )
• Las temperaturas de los estados 2 y 4 se
calculan con las relaciones isoentropicas
• vr2 = vr1*(v2/v1) = vr1/r y vr4 = (v4/v3) = r*vr3
• vr es función solo de la temperatura

CICLO DIESEL
• Este se le conoce como ciclo de encendido por
compresión y se realiza a presión constante.
• El método utilizado aquí consiste en elevar la
temperatura de la mezcla de combustible y aire
por encima de su temperatura de ignición
utilizando relaciones de compresión en el
intervalo 14:1 a 24:1 y presiones de compresión
de 400 a 700 lb/in2.
• El ciclo que describe el comportamiento de este
proceso es el ciclo Diesel, como el ciclo teórico
es limitado solo se describirán sus caracter
ísticas básicas.

CICLO DIESEL
• Este ciclo se compone de 4 procesos internamente
reversibles, este solo difiere del ciclo de Otto en la fase
de combustión (2-3), prevista a presión constante.
Mediante un ciclo de aire estándar basado en
capacidades térmicas específicas constantes se puede
hacer un análisis útil del ciclo Diesel. En esas
condiciones, los calores de entrada y salida del ciclo
est n dados por
• q.ent = cp(T3 - T2) y q.sal = cv(T4 - T1)
• en consecuencia
∀ η .Diesel = cp(T3 - T2) - cv(T4 - T1)/ cp(T3 - T2)
• = 1 - T4 - T1/k(T3 - T2)

Ciclo diesel El gasoil se inyecta
durante la carrera ab.
ab: contracción
adiabática.
bc: expansión y
calentamiento isobárica
cd: expansión
adiabáticas.
da: enfriamiento
isocórico.
.

CICLO DIESEL
• El ciclo Diesel teórico es fundamentalmente función de
la relación de compresión r, la relación de combustión rc
y la relación de capacidades térmicas específicas k. La
eficiencia de este es siempre menor a la de un ciclo Otto
para la misma relación de compresión, si rc es mayor
que la unidad.
• En caso de tener que considerar las capacidades
térmicas específicas variables, la ecuación de la
eficiencia se convierte en
∀ η .Diesel = 1- u4-u1/h3-h2
• Donde u y h se evalúan de tablas, las temperaturas de
los estados 2 y 4 se calculan mediante las relaciones
isoentropicas
• vr2 = vr1* V2/V1 =vr1/r y vr4 = vr3*V4/V3 = r*vr3/rc

Ciclo diesel R: relación de compresión.
Cp: calor específico a
presión constante
Cv: calor específico a
volumen constante
γ = Cp/Cv (Sears 419 -
Tabla 18.1)
η = 1 - 1/R( γ - 1)
Para un R = 15-20,
y un γ = 1,4 (aire),
η = 0,65-0,70

CICLO BRAYTON
• Se denomina ciclo Brayton a un ciclo
termodinámico de compresión, calentamiento y
expansión de y su posterior aprovechamiento
como energía mecánica o eléctrica.
• En la mayoría de los casos un fluido
compresible, generalmente aire, que se emplea
para producir trabajo neto el ciclo Brayton opera
con fluido atmosférico o aire, en ciclo abierto, lo
que significa que toma el fluido directamente de
la atmósfera para someterlo primero a un ciclo
de compresión, después a un ciclo de
calentamiento y, por último, a una expansión.

CICLO BRAYTON

CICLO DE BRAYTON
• Este ciclo se considera el básico en el análisis de
turbinas.
• Este es un ciclo simple para una turbina de gas se
emplea equipo separado para los diversos tipos de
procesos del ciclo.
• Al inicio el aire se comprime en forma adiabatica en
compresor rotatorio axial o centrifugo, el aire entra
a una cámara de combustión donde se inyecta y
quema combustible a presión constante.
• Los productos de esta combustión luego se
expanden en una turbina hasta alcanza la presión
ambiente de los alrededores.

CICLO DE BRAYTON
• Los ciclos de las turbinas de gas reales son
abiertos ya que debe introducirse aire
continuamente.
• En el ciclo de Brayton idealizado en comparación al
de Otto y Diesel opera en un intervalo menor de
presiones y temperatura opera en un intervalo de
volumen mas amplio, esto hace que no sea
adecuado para el uso en maquinas alternativas.
• Este ciclo consta de: compresión adiabatica,
calentamiento a presión constante y expansión
adiabática.

CICLO DE BRAYTON
• Debido a que los gases que se expanden están
más calientes el trabajo que puede obtenerse del
proceso de expansión es mayor que el de
compresión; el trabajo neto del ciclo es la
diferencia entre los dos.
• Si se agrega un regenerador para recobrar el calor
de escape de la turbina se mejora la eficiencia.
• Añadiendo además de interenfriameiento en el
compresor y recalentamiento del fluido de trabajo,
durante la expansión se incrementa la salida de
potencia para un tamaño dado de turbina de gas.

CICLO DE BRAYTON
• La eficiencia térmica del ciclo de Brayton depende
principalmente de la relación de presiones, la
temperatura de admisión a la turbina y las perdidas
parásitas (en especial las eficiencias del compresor
y de la turbina).
• En el caso teórico de un aire estándar ideal sin
perdidas internas se puede demostrar que la
eficiencia térmica depende solo de la relación de
presiones en el compresor (p2/p1).
• n. Br = 1 - 1/(p2/p1)^(k-1)/k

CICLO DE BRAYTON
• Para un ciclo real con perdidas, la eficiencia
térmica depende también de la entrada de
temperatura a la turbina ya que una temperatura
mayor significa un incremento de trabajo útil y una
reducción proporcionada en el efecto de las
pérdidas internas.
• El ciclo real queda corto respecto al ciclo ideal
debido a que las propiedades reales del aire (k, cp)
no son constantes sobre este intervalo de
temperaturas, y de manera importante por las
perdidas internas, estas empiezan a ser
significativas arriba de 1367 K y llegan a ser serias
a 1922 K.

CICLO RANKINE
• El ciclo Rankine es un ciclo de planta de fuerza que opera
con vapor.
• Este es producido en una caldera a alta presión para luego
ser llevado a una turbina donde produce energía cinética,
donde perderá presión.
• Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde
lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder
entrar a una bomba que le subirá la presión para
nuevamente poder ingresarlo a la caldera.
• Aunque existen algunas mejoras al ciclo, como por ejemplo
agregar sobrecalentadores a la salida de la caldera que
permitan obtener vapor sobrecalentado para que entre a la
turbina y aumentar así el rendimiento del ciclo.

CICLO RANKINE

LOS CICLOS DE ERICSSON Y
STIRLING
• Se ha demostrado que el efecto combinado de
interenfriamiento, recalentamiento y regeneración es un
aumento en la eficiencia térmica de un ciclo de potencia de
turbina de gas.
• Es interesante examinar que pasa cuando el número de
etapas tanto de interenfriameiento y de recalentamiento se
hace infinitamente grande.
• En tal situación los procesos isoentropicos de compresión y
expansión pasan a ser isotérmicos, el ciclo se puede
representar mediante dos etapas a temperaturas constantes
y dos procesos a presión constante con regeneración.
• A un proceso así se le llama ciclo de Ericsson.

ESTIRLING
• En este el fluido se expande isotérmicamente del estado 1
al 2 a través de una turbina se produce trabajo y el calor se
absorbe reversiblemente desde un deposito a Ta, luego el
fluido se enfría a presión constante en un regenerador, del
estado 3 al 4 el fluido se comprime isotérmicamente.
• Esto requiere una entrada de trabajo y una expulsión
reversible de calor hacia un deposito a Tb, por ultimo el
fluido se calienta a presión constante hasta el estado inicial
haciéndolo pasar a contracorriente a través del regenerador.
• Como la única transferencia de calor externa actúa sobre
los depósitos y como todos los procesos son reversibles, la
eficiencia es igual a la del ciclo de Carnot.

ESTIRLING
• No obstante el ciclo de Ericsson es impractico,
sirve para mostrar como podría colocarse un
regenerador para aumentar la eficiencia térmica.
• Otro ciclo de mas importancia por crítica y que
incorpora un regenerador en su esquema es el
ciclo Stirling, este se compone de 2 procesos
isotérmicos reversibles y dos procesos a volumen
constante también reversibles.

ESTIRLING
• El gas se expande isotérmicamente a partir del
estado inicial 1 al 2 añadiéndose calor desde un
deposito a temp. Ta, del estado 2 al 3 se elimina
energía a volúmenes constante hasta que la
temperatura del fluido es igual a Tb, luego el
volumen se reduce de manera isotérmica hasta
su valor original, extrayéndose calor
reversiblemente hasta un segundo deposito a
Tb, finalmente se añade calor a volumen
constante desde un estado 4 al 1. Aplicando un
balance de energía para estos dos procesos se
ve que son de la misma magnitud.

ESTIRLING
• El único efecto externo al sistema durante cada ciclo es el intercambio
de calor con los 2 depósitos de temperaturas fijas.
• Aunque el ciclo trabaje igual al de Carnot es difícil construir una maquina
sin introducir desventajas inherentes, por ejemplo este opera a
presiones elevadas y los fluidos mas adecuados son el helio e hidrogeno
,
• La relación entre peso y potencia no es muy favorable, a excepción
cuando se trata de vehículos muy grandes como camiones, también las
elevadas temperaturas presentan un problema, no obstante una de las
mas grandes ventajas es su alta calidad de emisión ya que este es un
motor de combustión externa,
• El proceso de combustión es mas completo que en uno de combustión
interna en términos de contenido de bióxido de carbono,
• Otras ventajas es su operación relativamente silenciosa su confiabilidad
y larga vida y su capacidad multicombustible.

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