TERMODINAMICA

SEMANA 5

11-07-2022

INGENIERIA INDUSTRIAL
Elabore una tabla comparativa entre los diferentes ciclos de potencia de gas, indicando: sus principales
características, sus componentes (dispositivos) principales, los procesos que los componen, sus ventajas
y desventajas, y un ejemplo de aplicación.

CICLOS DE CARACTERISTICAS COMPONENTES VENTAJAS DESVENTAJAS

POTENCIA DE GAS

CICLO OTTO Maquina Cuerpo Motor Su diseño se

reciprocante de 4
tiempos o 2
tiempos, el cual
Bujías
Pistones
Bielas
domina desde
hace decenios
-Estructuras
- Requiere
carburante
funciona con Cigüeñal económicas sofisticados
gasolina (bencina) Bobinas basadas en este -Mala relación
, El gas es bomba de motor pmax/pme
simplemente una combustibles -Configuración -Baja
mezcla entre inyectores pistón/cilindro eficiencia: solo
bencina y aire, Ejes de levas que favorece las Aproximada me
este es inyectado presiones nte el 30% de
en una cámara de elevadas la energía
combustión y es Fácil mecánica y calorífica
comprimido y mantenimiento contenida en el
explotado. -Mejores carburante se
Los tiempos del potencias que el transforma en
ciclo son los motor Diesel energía
siguientes: Operación mecánica;
Admisión silenciosa -emisiones de
Compresión gases tóxicos
Explosión relativamente
Escape NO,
HC, CO;

Este tipo de ciclo Sistema de -El motor Diesel El motor Diesel

CICLO es alimentado por admisión. genera un genera un
combustible Sistema de escape. mayor torque. mayor ruido.
DIESEL diesel, el cual es Pistones -Tiene alta - Los
enviado a la Cigüeñal durabilidad. componentes
cámara de ejes de levas -Tiene una del ciclo Diesel
combustión por inyectores son más
medio de un bujías costosos.
múltiple de -Este ciclo
admisión, ahí es genera una
donde el menor
combustible es velocidad.
mezclado con aire -Requiere
 y expuesto a una mantenciones
alta presión la cual más complejas
hace que esta y costosas.
mezcla explote y -Altas perdidas
genere un trabajo por roce
en los pistones,
posteriormente el
gas residual es
evacuado por un
sistema de
escape.

El aire ingresa por -Compresor. Excelente -Bajo

CICLO un canal de -Turbina. relación rendimiento
admisión y es -Eje. potencia-peso. térmico.
BRAYTON enviado a un -Aspa - Tiene menores -Gran parte de
compresor, luego perdidas por la potencia
DE este aire roce. generada por la
comprimido es -El proceso de turbina es
TURBINA enviado a la combustión es demandada por
turbina para ser continuo y se el compresor
evacuado. realiza de forma axial
El ciclo brayton constante.
trabaja con aire
normalmente el
cual es
considerado un
gas ideal, además
el proceso de
combustión toma
como
transferencia
térmica de calor
desde un medio
externo. En el
proceso de
escape existe una
transferencia
térmica hacia el
medio externo.

Rankine es un trabajo que energía. de utilizar

RAKINE ciclo alternativamente -Tiene un costo debido a que
termodinámico evapora y relativamente tiene alta
que tiene como condensa, bajo. complejidad y
objetivo la típicamente agua -Se han envergadura.
conversión de Mediante la implementado - Es difícil
calor en trabajo, quema muchas mejoras comprimir de
constituyendo lo de un combustible, las cuales forma
que se denomina el vapor de agua aumentan la isotrópica una
un ciclo de es eficiencia del mezcla de 2
 potencia. Como producido en una ciclo. fases.
cualquier otro caldera a alta -El proceso de
ciclo presión para luego condensación
de potencia, su ser llevado a una requiere un
eficiencia está turbina donde se control de alta
acotada por la expande para precisión.
eficiencia generar trabajo
termodinámica de mecánico en su
un ciclo de Carnot eje.
que operase entre El vapor de baja
los mismos focos presión que sale de
térmicos (límite la turbina se
máximo que introduce en un
impone el condensador,
Segundo Principio equipo donde el
de la vapor condensa y
Termodinámica). cambia al estado.
Posteriormente,
una
bomba se encarga
de aumentar la
presión del fluido
en
fase líquida para
volver a
introducirlo
nuevamente en la
caldera, cerrando
de
esta manera el
ciclo.

Describa la forma de obtención de trabajo y potencia a partir de los ciclos térmicos y haga una
comparación entre los que utilizan gas como fluido de trabajo y aquellos que utilizan vapor.

Fases del gas y el vapor:

Vapor: Se espera un cambio de fase.

Gas: No se espera un cambio de fase.

Tipo de ciclo requerido:

Vapor: Rankine.

Gas: Brayton
Funcionamiento:

Vapor: a turbina: calentamiento y evaporación del agua la cual impusla una turbina

debido a las diferencias térmicas y de densidad del vapor, esta turbina es impulsada por

el vapor y genera un trabajo.

Gas: Son generados en la combustión y en la cámara, básicamente es generada una

mezcla entre aire y combustible, la cual es sometida a una presión y temperatura

determinada, lo que provoca que esta explote y genere un trabajo.

Coincidencias: Existen importantes confidencias en el diseño, construcción y operación

La relación de compresión de un ciclo de Otto de aire estándar es de 9,5. Antes del proceso de
compresión isentrópica, el aire está a 100 kPa, 35 °C y ocupa un volumen de 600 cm3 . La temperatura
al final del proceso de expansión isentrópica es de 800 K.

a) La temperatura más alta y la presión más alta en el ciclo.

Por lo tanto, la temperatura más alta ocurre en el proceso isotópico 3-4 y tiene un

valor de 1968. 69 K

La presión más alta obtenida tiene un valor de 6075 Kpa.

b) La cantidad de calor transferido al fluido de trabajo, en KJ.

La cantidad de trabajo neto transferido al fluido es de 0.2319 Kj.

c) La eficiencia térmica.

La eficiencia térmica alcanza un valor de: 0.59

d) La presión media efectiva (PME)

La presión media efectiva alcanza un valor de 647.94 𝐾𝐽𝑚3

 En un Ciclo de Brayton ideal simple, que usa aire como fluido de trabajo, se tiene una relación de
presiones de 12, una temperatura de entrada al compresor de 300 K y una temperatura de entrada a la
turbina de 1.000 K. Suponiendo calores específicos constantes a temperatura ambiente:
Determine el flujo másico de aire necesario para obtener una producción neta de potencia de 70 MW,
suponiendo que tanto el compresor como la turbina tienen una eficiencia isentrópica de: a) 100% y b)
85%.
a) 100%
R: El flujo másico de aire requerido para una eficiencia isentropica de 100% es
de: 352kg/s
b) 85%.
R: El flujo másico de aire requerido para una eficiencia isentropica de 85% es de:
1037kg/s
Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine ideal con
recalentamiento. La planta mantiene la caldera a 5.000 kPa, la sección de recalentamiento a 1200 kPa, y
el condensador a 20 kPa. La calidad del vapor húmedo a la salida de ambas turbinas es de 96 por ciento.

La temperatura en cada una de las turbinas del ciclo es

T3 = 377.05 °C, T5 = 482.16 °C

El valor de la eficiencia térmica del ciclo Rankine con recalentamiento es

n = 36%

@P1 = 20kPa
h1 = 251.42 kJ/kg
v1 = 0.001017 m³/kg
Calculamos el trabajo especifico de la bomba
W = v1 (P2 - P1)
W = 0.001017 m³/kg ( 5000kPa - 10kPa) (1kJ/1kPam³)
W = 5.07 kJ/kg
h2 = h1 + W
h2 = 251.42 kJ/kg + 5.07 kJ/kg
h2 = 256.49 kJ/kg
La calidad de salida de la caldera es x = 0.96
• Con P4 = 1200kPa nos vamos a tablas

hf = 798.33 kJ/kg
hfg = 1985.4 kJ/kg
sf = 2.2159 kJ/kgK
sfg = 4.3058 kJ/kgK
h4 = hf + xfg
s4 = sf + xsfg sustituimos los valores y obtenemos
h4 = 2704.314 kJ/kg
s4 = 6.3494 kJ/kgK
El proceso 3 - 4 es isoentropico s3 = s4 = 6.3494 kJ/kgK
p3 = 5000kPa
en tabla de vapor sobrecalentado interpolamos y obtenemos
h3 = 3093.91 kJ/kg
T3 = 377.05 °C
En el estado 5 entrada de la segunda turbina tambien se encuentra en estado
sobrecalentado, se efectua el mismo procedimiento desde el estado superior
(Condensador)
Con P6 = 20kPa nos vamos a tablas
hf = 251.42 kJ/kg
hfg = 2357.5 kJ/kg
sf = 0.8320 kJ/kgK
sfg = 7.0752 kJ/kgK
h6 = hf + xfg
s6 = sf + xsfg
h6 = 2514.62 kJ/kg
s6 = 7.6241 kJ/kgK
El proceso 5 - 6 es isoentropico s6 = s5 = 7.6241 kJ/kgK
p5 = 1200kPa
h5 = 3438.52 kJ/kg
T5 = 482.16 °C

Qe = (h3 - h2) + (h5 - h4) = 3535.626 kJ/kg

Qs = h6 -h1 = 2263.2 kJ/kg
n = 1 - Qs/Qe
n = 1 - 2263.2 kJ/kg/3535.626 kJ/kg
n = 0.359
n = 36%

REFERENCIAS
MATERIAL DE ESTUDIO SEMANA 5

MATERIAL COMPLEMENTARIO SEMANA 5

VIDEOS DE REFORZAMIENTOS, Google, YouTube