Este documento describe diferentes ciclos termodinámicos como el ciclo de Carnot, ciclo Otto, ciclo Diesel, ciclo de Brayton, ciclo de Rankine y ciclo combinado de gas-vapor. Explica las transformaciones termodinámicas que ocurren en cada ciclo a través de diagramas P-V y T-S. También define conceptos como bomba de calor, refrigeración y las propiedades ideales de un refrigerante.

1. 2019
UNADM
ARMANDO DIAZ CARLOS
[ACTIVIDAD 1. ¿CÓMO ELEGIR
UN SISTEMA?]
UNIDAD 1

2. I
Ciclo de Carnot
Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que
consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas

3. II
Ilustración 1: Diagrama P-V de Carnot: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm
Tramo A-B isoterma a la temperatura T1
Tramo B-C adiabática
Tramo C-D isoterma a la temperatura T2
Tramo D-A adiabática

4. III
Ilustración 2: Diagrama T-S de Carnot: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm
Ciclo de Otto
Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Este ciclo está
formado por seis pasos, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene
dado por la expresión
El ciclo Otto teórico es el ciclo ideal del motor Otto. El motor Otto también se conoce como
motor de encendido por chispa debido a que la ignición del combustible se realiza a través de una
chispa provocada por una bujía. También se conoce como motor de gasolina por el tipo de
combustible que utiliza.

5. IV
Ilustración 3: ciclo de Otto. diagrama P-V: https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Otto#/media/Archivo:Ciclo-otto.png
Las transformaciones termodinámicas que se verifican durante el ciclo Otto son:
1. Transformación adiabática i isentropica (sin intercambio de calor con el exterior).
Compresión del fluido activo y correspondiente al trabajo L1 realizado por el pistón.
2. Transformación a volumen constante. Introducción instantánea del calor suministrado Q1.
3. Transformación adiabática. Expansión a presión constante y correspondiente trabajo L2
producido por el fluido activo.
4. Transformación a volumen constante. Sustracción instantánea del calor Q2.

6. V
Ilustración 4: diagrama T-S ciclo de Otto
Ciclo de Diesel
Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. El motor
de combustión interna diésel se diferencia del motor de ciclo Otto de gasolina, por el uso de una
mayor compresión del combustible para encenderlo, en vez de usar bujías de encendido
(“encendido por compresión” en lugar de “encendido por chispa”).
Un ciclo diésel contiene dos proceso adiabáticos, A→B y C→D, en los que no se intercambia
calor. De los otros dos, en el calentamiento a presión constante B→C, el gas recibe una cantidad
de calor | Qc | del exterior igual a

7. VI
En el enfriamiento a volumen constante D→A el sistema cede una cantidad de calor al ambiente
El rendimiento del ciclo será entonces
con γ = cp / cV la proporción entre las capacidades caloríficas.
Ilustración 5 diagramas P-V y T-S del Ciclo diésel: https://es.slideshare.net/MiguelFernando4/ciclo-diesel-51692279
Ciclo de Brayton
El ciclo de Brayton es un proceso cíclico generalmente asociado con la turbina de gas. Como
otros ciclos de potencia de combustión interna es un sistema abierto, aunque para el análisis
termodinámico es una suposición conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en

8. VII
la aspiración, lo que posibilita el análisis como un sistema cerrado. Fue nombrado por George
Brayton, y es también conocido como ciclo de Joule
La eficiencia del ciclo Brayton ideal la podemos escribir como
Ciclo de Rankine
El ciclo de Carnot es difícilmente realizable y conlleva una serie de inconvenientes. Por eso se
desarrolló otro ciclo que pudiera operar en condiciones similares, eliminando los aspectos
imprácticos asociados al ciclo de Carnot. Este es el ciclo de Rankine

9. VIII
Ilustración 6: Ciclo de Rankine: https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/25938/TFG%20Sergi%20Fuste.pdf
Para calcular el rendimiento térmico del ciclo de Rankine, usamos la 𝐸𝑐. 1.3.
El calor total aportado 𝑄𝑎será según la 𝐸𝑐. 2.2: 𝑄𝑎 = 𝑄24 = ℎ4 − ℎ2
y el calor cedido 𝑄𝑐s erá según la 𝐸𝑐. 2.1: 𝑄𝑐 = −𝑄51 = ℎ5 − ℎ1
Tendremos entonces:
   
   
 
 
4 2 5 1
4 2
4 5 2 1 45 21
4 2 1 1 4 1 21
4 1 4
_ _
´ _
a c
t
a
t b
b
h h h hQ Q
n
Q h h
h h h h W W
h h h h h h W
W W Trabajo turbina Trabajo bomba
h h W h h Trabajo bomba
  
  

   
 
    
 

   
Donde:
45
21
4
1 5
_
_
_ _ _ _ _ _ _ _
´ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
t
b
W W Trabajo turbina
W W Trabajo bomba
h entalpia de vapor a la entrada de la turbina
h h entalpia del líquido saturado a la presión de salida de la turbina P
 
 



10. IX
Ciclo combinado de gas-vapor
Los ciclos combinados son centrales de generación de energía eléctrica en las que se transforma
la energía térmica del gas natural en electricidad mediante dos ciclos consecutivos: el que
corresponde a una turbina de gas convencional y el de una turbina de vapor.
Este tipo de centrales se caracterizan por el uso que se realiza del calor generado en la
combustión de la turbina de gas, que se lleva a un elemento recuperador del calor y se emplea para
mover una o varias turbinas de vapor. Estas dos turbinas, de gas y vapor, están acopladas a un
alternador común que convierte la energía mecánica generada por las turbinas en energía eléctrica.
La combinación de estos dos procesos permite alcanzar rendimientos, en torno a los 60%, muy
superiores a los de una central térmica convencional con un solo ciclo, ya que obtiene la energía
eléctrica en dos etapas, logrando así un mayor aprovechamiento de la energía del combustible.
Determina desde tu perspectiva ¿cuál es el mejor ciclo? y explica con argumentos técnicos
él porque es el mejor.
Se dice que tienen una mayor flexibilidad los ciclos combinados que los demás tipos de ciclos
como tecnología de generación y las menores emisiones de gases de efecto invernadero producidas
por este tipo de centrales son ideales hasta la fecha porque en ellos encontramos una menor
emisión de gases de efecto invernadero.
4. Responde las siguientes preguntas:
¿Qué es un ciclo de refrigeración?
En este ciclo circula un refrigerante cuya función es la de reducir o mantener la temperatura de
un determinado ambiente por debajo de la temperatura del entorno. Para conseguir hacer esto , se
debe extraer calor del lugar que deseamos refrigerar y transferirlo a otro cuerpo que tenga una
temperatura más baja. Para esto se realizan varios “procesos”.

11. X
Expansión
El refrigerante está en estado líquido en la unidad exterior a alta presión. Es necesario enviarlo
a la unidad interior y, para conseguir el efecto de refrigeración, se manda a través de un elemento
de expansión. Con ello se consiguen dos cosas: reducir la presión y la temperatura del líquido,
dejándolo con las condiciones óptimas para la operación.
Evaporación
En el evaporador, el líquido se evapora, cediendo frío al aire del lugar que se desea enfriar a
través de ventiladores Todo el refrigerante se evapora en el evaporador y como resultado se
obtiene ese vapor o gas
Compresión
Este gas vuelve a la unidad exterior para convertirse, de nuevo, en líquido. Se comprime el gas
a alta presión.
Condensación
El vapor a alta presión circula a través del condensador. Se saca el calor y se obtiene el
refrigerante en estado líquido.
¿Qué propiedades debe tener un refrigerante?
Propiedades de un refrigerante ideal
Calor latente de vaporización. Debe ser elevado, a fin de disminuir lo más posible el caudal
másico de refrigerante que ha de circular por la instalación, con la consiguiente reducción en el
tamaño de la misma.
Presión reevaporación. La presión de vapor a la temperatura de evaporación no debe ser
excesivamente baja.

12. XI
Temperatura crítica. Debe ser elevada. Una temperatura crítica baja incrementa la presión de
condensación y conlleva la necesidad utilizar grandes superficies de intercambio en el
condensador.
Volumen especifico. El volumen específico del vapor a la presión de evaporación debe ser
reducido, a fin de disminuir el tamaño preciso en el compresor.
Temperatura de congelación. Debe ser lo suficiente baja como para que el refrigerante no
pueda solidificarse durante el trabajo normal.
Conductividad térmica. Debe ser elevada, para que las superficies de intercambio precisa no
sean grandes.
Resistencia dieléctrica del vapor. En las instalaciones que emplean compresores herméticos
debe ser elevada y estar en contacto con los arrollamientos del motor.
Inactividad y estabilidad. El refrigerante debe ser inerte frete a los materiales que constituyen
el sistema y el aceite de lubricación del compresor y debe ser estable en su constitución química.
Solubilidad con aceite. A ser posible, el refrigerante debe ser insoluble con el aceite y en su
defecto se prefiere que sea totalmente soluble.
Solubilidad con agua. Cuando el agua entra en contacto con el refrigerante puede formar una
disolución lo que permanece como agua libre. El agua libre es la que causa el taponamiento por
congelación de la válvulas de expansión y evaporadores. Por estas razones resulta particularmente
importante el mantener seco un sistema de refrigeración, para lo que suelen emplear filtros
deshidratadores a base de sílica gel, de aluminio activada o de tamices moleculares.
Explica el ciclo de Carnot inverso.
El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que
comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a

13. XII
las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor
que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador o bomba de calor de Carnot.
Explica el ciclo de refrigeración de Brayton.
Al considerar el ciclo de refrigeración de gas de Brayton en la podemos concluir que:
Durante el proceso efectuado el gas se comprime isentropicamente y se aumenta la temperatura.
El gas a presión y temperatura altas, durante el proceso, se enfría a presión constante
rechazando el calor hacia los alrededores.
Durante el proceso se efectúa una expansión isentrópica en la turbina y disminuye la
temperatura del gas hasta T4.
El gas frío absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su temperatura se eleva hasta T1.
Los procesos anteriormente descritos son internamente reversibles.
el ciclo ejecutado es el ciclo ideal de refrigeración de gas o Brayton inverso.
En un diagrama T-s, el área bajo la curva del proceso final representa el calor removido del
espacio refrigerado; el área encerrada durante el ciclo representa la entrada neta de trabajo.

14. XIII
¿Qué es una bomba de calor?
Una bomba de calor es, a grandes rasgos, una máquina que se basa en un ciclo de refrigeración
reversible. Este tipo de equipos tienen dos partes fundamentales, el foco caliente y el foco frío.
Cuando se aplica energía eléctrica al sistema, uno de los focos aumenta su temperatura por lo cual
desprende energía, mientras que el otro la disminuye es decir, absorbe energía.
El funcionamiento de una bomba de calor es el mismo que el de un refrigerador o aire
acondicionado, solamente que cambian el objetivo. Mientras que el aire toma calor de un espacio
caliente y lo lleva a un espacio frío para que se enfríe, la bomba hace todo lo contrario.
REFERENCIAS
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Jaramillo, O. (3 de mayo de 2007). Ciclo de Brayton: El ciclo ideal para las máquinas de turbina de gas.
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15. XIV
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Aplicada: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto