Aire estandar

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    25-Jun-2015

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<p>Ciclos de Aire Standardmquinas reciprocantes modelo de aire standard ciclo Otto ciclo Diesel ciclo Brayton</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 1/2</p> <p>mquinas de combustin internael calor qH proviene de la combustin de la mezcla (combustible + aire) en el cilindro la composicin del uido de trabajo vara: aire + combustible productos de combustin operan en ciclos abiertos y no cerrados:2 combustion 3</p> <p>ciclo abierto 1 mezcla (aire+combustible) 4 productos de combustion</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 2/2</p> <p>mquinas de combustin internael calor qH proviene de la combustin de la mezcla (combustible + aire) en el cilindro la composicin del uido de trabajo vara: aire + combustible productos de combustin operan en ciclos abiertos y no cerrados:2 qH 3</p> <p>ciclo cerrado 1 qL 4</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 3/2</p> <p>mquinas de combustin interna</p> <p>encendido por chispa por compresin</p> <p>PMS = Punto muerto superior PMI = Punto muerto inferior</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 4/2</p> <p>mquinas de combustin internaVmin = volumen libre Vmax = volumen de desplazamiento</p> <p>relacin de compresin:Vmax r Vmin</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 5/2</p> <p> presin media efectiva Pes la presin que producira el mismo trabajo neto (en una carrera de potencia del pistn) que el ciclo real. w = P (vmax vmin )vmin Pw</p> <p> Pw</p> <p>vmax v</p> <p> P es til para comparar mquinas de igual tamao (cilindrada). A mayor P , mayor trabajo neto en cada carrera de potencia.</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 6/2</p> <p>modelo de aire standardciclo cerrado aire se modela como gas ideal slo procesos internamente reversibles sustituye la combustin por adicin de calor qH desde una fuente externa sustituye el escape de productos por la eliminacin de calor qL al ambiente aire fro standard: adems, supone calores especcos cp y cv constantes para el aire.</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 7/2</p> <p>aire fro standardpropiedades del aire fro como gas ideal ditomico peso molecular: w = 29, 0 kg/kmol constante del gas: R = 0, 2870 kJ/kgK calor especco a P=cte,7 cp = R = 1, 004 kJ/kgK 2</p> <p>calor especco a v=cte,5 cv = R = 0, 717 kJ/kgK 2</p> <p>cociente de calores especcos,7 cP = = 1, 40 k= cv 5</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 8/2</p> <p>ciclo Ottomodelo ideal para un motor de 4 tiempos encedido por chispa</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 9/2</p> <p>ciclo Otto</p> <p>qH qL</p> <p>qH</p> <p>qL</p> <p>etapas: 1-2: compresin isentrpica 2-3: calentamiento iscoro 3-4: expansin isentrpica 4-1: enfriamiento iscoro</p> <p>relacin de compresinv1 r= v2</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 10/2</p> <p>relaciones isentrpicas (gas ideal)para un gas ideal P v = RT , con k = cp /cv , en condiciones isentrpicasP1 k = P v = cte P2 T v k1 T1 = cte = T2 T1 = cte = T2 v2 v1 v2 v1 P1 P2k</p> <p>k1</p> <p>11/k</p> <p>T k P 1k</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 11/2</p> <p>ciclo Otto - ecienciaeciencia trmica,w qL =1 t = qH qHqH qL qL qH</p> <p>el calor se intercambia en etapas iscoras (w = 0),qH = u3 u2 = cv (T3 T2 ) qL = u4 u1 = cv (T4 T1 )</p> <p>de modo queT1 t = 1 T2 T4 /T1 1 T3 /T2 1 T1 1 =1 = 1 k1 T2 r</p> <p>(usando relaciones adiabticas: T4 /T3 = T1 /T2 = 1/rk1 )</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 12/2</p> <p>ciclo Otto - ecienciapara el aire, k = 1, 40</p> <p>relacin de compresin tpica para motores a nafta r [7, 10]</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 13/2</p> <p>ciclo Otto - ecienciaen motores a nafta la relacin de compresin r esta limitada por el problema de knocking... Si r es demasiado grande, la mezcla explota espontneamente antes de que se produzca la chispa (knocking), se desincroniza y sufre el motor. solucin: mejorar el combustible para que tolere r mas alto sin explotar solucin vieja: agregar plomo Pb es VENENO! ahora: MTV...</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 14/2</p> <p>ciclo Otto: ejemplociclo Otto de aire standard con relacin de compresin r = 8. Al comienzo de la carrera de compresin P1 =100 kPa, T1 =15 o C y en un ciclo se transeren qH =1800 kJ/kg al aire a) determinar la eciencia b) presiones y temperaturas al nal de cada etapa c) presin media efectiva</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 15/2</p> <p>ciclo Otto: ejemplociclo Otto de aire standard con relacin de compresin r = 8. Al comienzo de la carrera de compresin P1 =100 kPa, T1 =15 o C y en un ciclo se transeren qH =1800 kJ/kg al aire a) determinar la eciencia b) presiones y temperaturas al nal de cada etapa c) presin media efectiva 1 t = 1 k1 = 0, 565 r usando las relaciones adiabticas... estado 1 2 3 4 trabajo neto w = t qH = 0.565 1800 kJ/kg = 1017 kJ/kg presin efectiva media, P 1017 w = = 1406 kP a v1 v2 0, 724 P(MPa) 0,100 1,838 8,813 0,479 T(K) 288 662 3174 1380 v(m3/kg) 0,827 0,1034 0,1034 0,827</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 15/2</p> <p>ciclo Dieselciclo ideal modelar para motores encendidos por compresinP 2 T</p> <p>qH</p> <p>3 s=cte 2 4</p> <p>3</p> <p>qH qL1 v</p> <p>P=cte</p> <p>4</p> <p>qLv=cte</p> <p>s=cte 1</p> <p>s</p> <p>etapas: 1-2: compresin isentrpica 2-3: calentamiento isbaro (simula inyeccin de gasoil) 3-4: expansin isentrpica 4-1: enfriamiento iscoro (simula escape)</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 16/2</p> <p>motor Diesel1-2: se comprime el aire (no el combustible!) por encima de la temperatura de autoencendido del combustible. 2-3: se inyecta gasoil (pulverizado) y se produce la explosin espontnea. La inyeccin dura cierto tiempo en el cual se inicia la expansin modelada P=cte 3-4: resto de la carrera generadora de potencia 4-1: escape de los gases no hay riesgo de knocking, dado que no hay combustible (solo aire) en el cilindro antes de la inyeccin puede operar con relaciones de compresin mas altas (entre 12 y 24) que Otto y con combustible menos renado</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 17/2</p> <p>eciencia del ciclo Dieselel calor se suministra en proceso isbaroqH = cP (T3 T2 )P 2</p> <p>qH</p> <p>3 s=cte 4</p> <p>y se elimina en proceso iscoroqL = cV (T4 T1 )</p> <p>s=cte 1</p> <p>qL</p> <p>v</p> <p>eciencia trmicaDiesel qL 1 T1 =1 =1 qH k T2 T4 /T1 1 T3 /T2 1</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 18/2</p> <p>relacin de admisinvol despues de la inyeccin v3 rc = vol antes de la inyeccin) v2 (para un ciclo Otto: rc = 1) entoncesDiesel 1 T1 =1 k T2 T4 /T1 1 T3 /T2 1 =1 1 rk1k rc 1 k(rc 1)ciclo Dieselrc=1 (Otto) rc=2 rc=3 rc=5</p> <p>eficiencia termica1</p> <p>siempre</p> <p>k(rc 1)</p> <p>k rc 1</p> <p>&gt; 1;</p> <p>0,8 0,6</p> <p>para igual r,Otto &gt; Diesel</p> <p>0,4 0,2 0</p> <p>5</p> <p>10</p> <p>15</p> <p>r</p> <p>20</p> <p>25</p> <p>30</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 19/2</p> <p>eciencia: comparacin grcaciclos Otto y Diesel con: igual estado previo a compresin (P1 , v1 ), igual recorrido v1 v2 tienen igual relacin de compresin r = v1 /v23 P Diesel 2 3 Otto T v=cte 3 4 2 4 1 v 1 s p=cte v=cte 3</p> <p>Otto &gt; Diesel</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 20/2</p> <p>eciencia: comparacin grcacomparacin falseada: Diesel admite mayor r que Otto!! Otra forma: comparo ciclos Otto y Diesel con iguales presin y temperaturas mximas (punto 3)P 2 Diesel 3 Otto 4 2 1 v T 3 Diesel 2 2 Otto 1 s v=cte p=cte 4</p> <p>ahora Diesel &gt; Otto</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 21/2</p> <p>ciclo Diesel: un ejemploun ciclo Diesel de aire standard con relacin de compresin r = 16. Al comienzo de la carrera de compresin P1 =100 kPa, T1 =15 o C y en un ciclo se transeren qH =1800 kJ/kg al aire a) presiones y temperaturas al nal de cada etapa b) determinar la eciencia c) presin media efectiva</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 22/2</p> <p>ciclo Diesel: un ejemploun ciclo Diesel de aire standard con relacin de compresin r = 16. Al comienzo de la carrera de compresin P1 =100 kPa, T1 =15 o C y en un ciclo se transeren qH =1800 kJ/kg al aire a) presiones y temperaturas al nal de cada etapa b) determinar la eciencia c) presin media efectiva usando las relaciones adiabticas y otros recursos... estado 1 2 3 4 eciencia, qL = cv (T4 T1 ) = 782, 5 kJ/kg = 1 trabajo neto y presin efectiva media, w = qH qL = 1017, 5 kJ/kg P = w = 1312, 4 kP a v1 v2 P(kPa) 100 4850,3 4850,3 477 T(K) 288,2 873,7 2666,6 1374,8 v(m3/kg) 0,827 0,0517 0,1578 0,827 qL = 0, 565 qH</p> <p> Ciclos Termodinamicos p. 22/2</p>