TERMODINÁMICA

SEMANA 5

Sergio Acuña Avilés

11 de julio 2022
Ingeniería Industrial
DESARROLLO
 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.

Ciclo de Características Componentes Ventajas Desventajas

potencia de
gas
Es el ciclo Árbol de levas. Tamaño La contaminación
termodinámico reducido producida por
Ciclo de Cigüeñal.
que se aplica en estos motores es
Otto Es capaz de
los motores de mayor, por la
Émbolo.
entregar una
combustión presencia de
misma
interna de Varillas. aceite en la
potencia que
encendido y es mezcla.
Válvulas. un motor
provocado por
convencional De menor
una chispa
Biela.
que es el doble eficiencia.
interna.
de grande
Buzos o
Ejemplo: motores
flotadores.
Potencia suave
de gasolina,
etanol, petróleo o Cojinetes de
Bajas
alguna sustancia biela y
vibraciones
inflamable. bancada.
Pocas piezas
móviles
 Los motores Árbol de levas. Mayor Mantenimiento
diésel el aire se durabilidad y especializado ya
Ciclo Diésel Culata.
comprime hasta larga vida. que las piezas del
alcanzar una motor no son tan
Válvulas.
Utiliza menos
temperatura comunes, por lo
componentes
superior a la Bloque del que genera un
para echarlo
temperatura de motor. mayor costo es su
andar.
autoignición del mantenimiento.
Segmentos.
combustible, y al
Mayor
Temperaturas
ponerse en
Pistón. confiabilidad.
frías.
contacto el
combustible con Bielas. Mayor
Ruidoso
el aire caliente, economía de
se inicia Cigüeñal.
marcha. Peso del motor
espontáneamente
Mayor fuerza
la combustión.
de arrastre.
Para estos
motores, el
Menor
carburador y la
contaminación.
bujía son
sustituidos por un
inyector de
combustible.
El motor de Ciclo Ericsson: Mayor ciclo Stirling
Ericsson es potencial requiere equipos
Ciclos Tribuna
parecido al motor de tecnología
stirling y eficiencias
Stirling de doble avanzada,
ericsson Compresor
más elevadas
acción, donde el además son muy
y mejor
pistón Regenerador pesados y
control de
desplazado actúa complicados.
emisiones
como pistón
motor.
Ciclo Stirling: contaminantes Los ciclos Stirling
ambos ciclos y Ericsson son
Cilindros
tienen un difíciles de lleva a
rendimiento ideal. cabo en la
Émbolos
práctica, debido a
ciclo Ericsson
Regenerador que incluyen
son de
transferencia de
combustión
calor causada por
externa por lo
la diferencia
que el gas motor
diferencial de
se calienta desde
temperatura en
el exterior, éste
todos sus
dispone de un
componentes.
regenerador o
recuperador de
calor y funcionar
en ciclo abierto o
cerrado.

Un motor
Stirling está
basado en la
expansión y
contracción de un
gas, el cual
puede ser helio,
hidrógeno,
nitrógeno o aire, y
se desplaza
cíclicamente
entre dos focos
 (frio y caliente)
Ciclo con aire, Compresor Relación Bajo rendimiento
que es positiva entre térmico
Ciclo de Cámara de
ampliamente potencia-peso
Brayton combustión
utilizado en los
Menores
motores de
Turbina
perdidas por
reacción de los
roce
aviones, y en Escape
todas aquellas
Proceso de
centrales
combustión
termoeléctricas
continuo y
que no operan
constante
con vapor de
agua.

Consiste en dar
presión al aire
para luego
calentarlo a base
de quemar
combustible.
  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.

Gas Vapor
El fluido de trabajo permanece como gas La energía eléctrica representa la forma
durante todo el ciclo, que no hay cambios de energía más utilizada en forma directa,
de fase. y la gran mayoría de la producción de
esta energía eléctrica se realiza mediante
Las maquinas trabajan en un ciclo abierto,
el uso de turbinas de vapor.
puesto que el fluido de trabajo no se
somete al ciclo completo, sino que es Dispositivos que se utilizan, tales los
expulsado como gases de escape y una combustibles fósiles (carbón, petróleo y
nueva cantidad de material entra al gas), los combustibles nucleares, fuentes
sistema. geotérmicas o la energía solar se
emplean como fuentes productoras del
Son ciclos complejos de analizar.
vapor de agua.

Ejemplos: turbinas de gas, los motores

Los anteriormente mencionado se emplea
diésel y los motores de encendido con
para accionar la turbina y, a través de ella,
chispa.
el generador eléctrico.

El fluido de trabajo es aire que circula de

modo continuo en un circuito cerrado y
siempre se comporta como un gas ideal.

El proceso de combustión es sustituido

por un proceso de adición de calor desde
una fuente externa.

El proceso de escape es sustituido por un

proceso de rechazo de calor que regresa
al fluido de trabajo a su estado inicial.
  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.

Usando valores de calores específicos a temperatura ambiente, determine:

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

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)

kj
la presión media efectiva alcanza un valor de 647,94
m³

Datos:

r = 9/5

p1 = 100 kPa

t1 = 35°C

t4 = 800°K
 100 kPa(0,0004 m3)
m= KJ = 4,5 x 10−4kg
0,2870 ° K (308 ° K )
Kg

v1 v 1 0,0004 m ³
r= = v2 = = = 4,21 x 10−5 m³
v2 r 9,5

v 1 0,0004 m³ =0,88m3 /kg

v1 =
m 4,5 x 10−4 kg

v 2 4,21 x 10−5 m ³
v2 = = 0,093m³/kg
m 4,5 x 10−4 kg

t1 v 1 1,4 −1
Proceso isotrópico 1-2 =( ¿ ⇒ t2 =t1 ¿ ⇒ t2 = 757,94°K
t2 v2

Conociendo que v1 = v4 y v2 = v3

t3
Proceso isotrópico 3-4 = ¿⇒ t3= t4 (r¿ k−1 ⇒ t3= 1968,69 ° K
t4

La temperatura más alta ocurre en el proceso isotrópico 3-4 con un valor de 1968,69 ° K

Ahora hallamos p3.

0,2870 KJ /kg ° K (1968,69° K )

RT 3
pv= RT⇒P = m³ = 6075 kPa
V3 0,093
Kg

La presión más alta obtenida tiene un valor de 6075 kPa

Calor transferido:

kj
Qsal =mcv (t4 – t1) ⇒4,5 x 10−5 m (0,717 ) ( 800°k – 308°k) ⇒ Qsal= 0,1587kj
kg ° k

kj
Qent= mcv (t3 – t2) ⇒ 4,5 x 10−4kg ( 0,717 (1968,69 – 757,94) °k ⇒Qent= 0,3906Kj
kg ° k
Trabajo neto: W

WNeto = (Qent – Qsal) ⇒ Wneto = (0,390kj – 0,158kj) ⇒ Wneto= 0.2319kj

Eficiencia:

1 1
n=1 - k−1 ⇒ n= 1- = 0,59
r ¿¿

Wneto 0,2319 kj kj
PME = ⇒ = 647,94
v 1−v 2 ( 4 x 10 −4,21 x 10 ) m ³
4 −5
m³

 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% = El flujo másico de aire requerido para una eficiencia isentropica de 100% es
de: 352kg/s

b) 85%= El flujo másico de aire requerido para una eficiencia isentropica de 85% es de:
1037kg/s

a) 100%

k−1
p2 k
t2s =t1 ( ¿
p1

1,4−1
t2s = (300k) (12) =610,2k
1,4
 p 4 (k−1 )k
t4s= t3 ( ¿
p3

1 1,4 −1 ¿
t4s= (1000k) ¿ /1,4 ¿= 491,7k
12

ws entrada =h2s – h1= cp (t2s – t1)

kj kj
ws entrada= (1,005 )(610,2-300)k = 311,75
kgk kgk

ws salida= h3- h4s= cp (t3- t4s)

kj kj
ws salida= (1,005 )(1000-491,7)k = 510,84
kgk kgk

trabajo neto

wneto= wsalida – wentrada

kj
wneto= 510,84 – 311,75= 199,1
kgk

kj kj
ms= wneto/wneto= 70000 / 199,1 = 352 kg/s
s kg

b) 85%

wnet= ws salida – ws entrada

kj
ws entrada= (1,005 ) w net= nt ws salida – ws entrada
kg k

kj
ws entrada= (0,85) (510,84) – 311,74 / 0,85= 67,5
kg
 kj
70000
s kj
ma= = 1037
kj s
67,4
kg

 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.

Determine la temperatura a la entrada de cada turbina y la eficiencia térmica del ciclo.

DATOS:
Recalentamiento = 1200 kPa

Caldera = 5000 kPa

Condensador = 20 kPa

Calidad de salida = 96%

Estado6

P6= 20 kpa = x6 = 0,96

s6= sf + x6 s(fg)= 0,8320 + 0,96 * 7,0752 = 7,6242 kj/(kg*k)

h6= hf + x6 h(fg)= 251,42 + 0,96 * 2357,5 = 2514,6 kj/kg

Estado 5

P5= 1200kpa s6= s5

T5= 482°c

H5= 3438,2 kj/kg

Estado 4

P5=p4 = 1200kpa x6 = x4

s4= sf + x4 s(fg)= 2,2159 + 0,96 * 4,3058 = 6,3495 kj/(kg*k)

h4= hf + x4 s(fg)= 798,33 + 0,96 * 1985,4 = 2704,3 kj/kg

Estado 3

S4 = s3
P3= 5000kpa

t3= 328 °c

h3= 3006,1kj/kg

Se debe calcular la entalpia para sacar la eficiencia térmica

Estado 2

P2 = 5 MPa = 5000kPa

S2 = s1

Estado 1

P1 = 20kpa liquido saturado

h1= hf a 20kpa = 251,42 kj/kg

V1= Vf a 20 kpa = 0,001017 m3/kg

W(bomb,entrada)= V1 (p2 – p1) = 0,001017m3/kg (5000 – 20)kpa (1kj/(kpa*m3)) =

5,065kj/kg

h2= h1 + W(bomb,entrada)= 251,42 +5,065 = 256,49 kj/kg

final

Qentrada= (h3 – h2) + (h5-h4)

Q_entrada= (3006,1 – 256,49) + (3438,2 – 2704,3) = 3483,5 kj/kg

Q_(salida )= (h6 – h1)

Q_(salida )= 2514,6 – 251,42 = 263,2 kj/kg

n(termica )= 1 - Qsalida / Qentrada

n(termica )= 1 - (2263,2)/(3483,5) = 0,35 = 35%

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 IACC (2018). Ciclos de potencia: gas, vapor y combinados. Termodinámica.
Semana 5.