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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECACNICA

Y ELECTRICA

“UNIDAD PROFESIONAL TICOMAN”

INGENIERIA EN AERONAUTICA

TERMODINAMICA

PROFESORA LANDEROS MENDEZ MINELIA

Practica 1

MUÑOZ MARTINEZ NOEMI

3AM2

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INTRODUCCIÓN 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. Un ciclo termodinámico es un conjunto de procesos que hacen regresar al sistema al estado original que tenía antes de que se llevara a cabo. Los Ciclos Stirling y Ericsson difieren del ciclo de Carnot en que los procesos isentrópicos son reemplazados por procesos de regeneración. Un proceso durante el cual se transfiere calor a un dispositivo, llamado Regenerador, durante una parte del ciclo y se transfiere de nuevo al fluido de trabajo durante otra parte del ciclo. CICLO STIRLING Es un ciclo termodinámico reversible de potencia que busca obtener el máximo rendimiento. Es semejante al ciclo de Carnot ya que es el único capaz de aproximarse al rendimiento de Carnot, por lo que es la mejor opción. -Funcionamiento del ciclo Stirling En este ciclo termodinámico el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones isocóricas (a volumen constante).

Regeneración

P

1

3

4

2

qen

qsal

TH = constante

TL = constante

3

1-2: Expansión isotérmica. Se absorbe calor de la fuente caliente.

Variación de energía interna, ΔU12=0

El gas realiza un trabajo W12 y por tanto, tiene que absorber una cantidad igual de energía del foco caliente para mantener su temperatura constante.

Q12= W12= ∫V1V2p⋅dV

Q12= nRT1 𝑙𝑛𝑉2

𝑉1

2-3: Compresión Isocorica. Se cede una cantidad de calor al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura.

El trabajo realizado es nulo W23=0

El gas ideal cede calor disminuyendo su energía interna y por tanto, su temperatura

ΔU23=Q23=nCv(T2−T1)

ΔU23=Q23=−nCv(T1−T2)

3-4: Compresión Isotérmica. Se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría.

Como el gas está a baja presión, el trabajo necesario para comprimirlo es menor que el que proporciona durante el proceso de expansión.

Variación de energía interna, ΔU34=0

Se realiza un trabajo W34 sobre el gas y por tanto, tiene que ceder una cantidad igual de calor del foco frío para mantener su temperatura constante.

Q34=W34=∫V2/V1p⋅dV=∫V1/V2nRT2V⋅dV

Q34=nRT2lnV1/V2

Q34=W34=−nRT2 𝑙𝑛𝑉2

𝑉1

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4-1: Expansion Isocorica. Absorción de calor a volumen constante. El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión.

El trabajo realizado es nulo W41=0

El gas ideal absorbe calor aumentando su energía interna y por tanto, su temperatura

ΔU41=Q41=nCv(T1−T2)

Ciclo completo

Variación de energía interna

ΔU= ΔU12+ ΔU23+ ΔU34+ ΔU41=

-nCv(T1-T2)+ nCv(T1-T2)=0

Como cabía esperar de un proceso cíclico reversible de un gas ideal.

El trabajo realizado por el gas es

W=W12+W34=nR(T1−T2)lnV2/V1

W =mMR(T1−T2)lnV2/V1

Donde m es la masa del gas, M es su peso molecular y R es la constante de los gases cuyo valor es 8.3143 J/(K·mol).

El trabajo se puede incrementar de varias maneras:

o Aumentando la diferencia de temperaturas T1-T2 entre el foco caliente y el foco frío

o Aumentando el valor del cociente V2/V1, la razón de comprensión del gas.

o Eligiendo un gas cuya peso molecular M sea pequeño. Una misma masa m de produce mayor trabajo si el gas tienen menor peso molecular M.

La definición para el rendimiento de una máquina térmica es:

𝑛 =𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜

𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜

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Para calcular el 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜 se tendrá en cuenta que el gas solo absorbe calor en dos procesos del ciclo: el calentamiento a temperatura constante y en la expansión isotérmica. Para un gas ideal esto representa que:

𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜 = 𝑛𝐶𝑣(𝑇𝑐 − 𝑇𝑓) + 𝑛𝑅𝑇𝑐𝑙𝑛𝑉2

𝑉1 )

Motor Stirling Se define maquina Stirling como aquel dispositivo que convierte calor en trabajo, o viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con comprensión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas.

Los motores Stirling son máquinas de combustión externa, con lo cual se pueden adaptar a cualquier fuente de energía (combustión convencional o mixta, como biomasa y gas, energía solar...), sin que ello afecte al funcionamiento interno del motor. Como la combustión es externa la contaminación química se reduce al máximo. De hecho los gases generados pueden filtrarse o, incluso, condensarse en un depósito y trasladarse después a un vertedero. En caso de energía solar o geotérmica la contaminación sería nula. Otra ventaja de los motores Stirling es que resultan extremadamente silenciosos, pues no disponen de válvulas ni fases de explosión en su ciclo. De este modo se evitan ruidos y vibraciones. Cuando el aire se calienta éste se expande y aumenta la presión interior al no variar el espacio en el que está cerrado; este calentamiento viene seguido de un enfriamiento. El motor realiza ambas variaciones de calor y frío en cada revolución del volante. - Calentamiento del aire → Aumento de presión. - Enfriamiento del aire → Disminución de presión.

1. Zona de calentamiento. 2. Cilindro desplazado. 3. Volante de inercia. 4. Cigüeñal (Tipo Yugo de Ross). 5. Pistón. 6. Quemador.

La variación de presión actúa en el cilindro del desplazador -zona de enfriamiento- con lo que la energía termal (calor) se convierte en energía mecánica (giro del volante y

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cigüeñal). Tipos de motores de aire caliente Todos los motores Stirling tienen un funcionamiento similar, pero se pueden clasificar en diferentes tipos según la posición del pistón de potencia y el desplazador. Los tres grupos en los que se pueden diferenciar estos motores son: Motores de tipo beta: Este tipo de motor fue el diseño original que hizo Robert Stirling. Consta de un cilindro con dos zonas, una caliente y otra fría. En el interior del cilindro también se encuentra un desplazador que posibilita el movimiento de aire, y concéntrico con este, se encuentra el pistón de potencia, que está desfasado a 90º respecto al desplazador. Este tipo de motor es el más eficaz, pero también el más complejo y voluminoso.

Motores de tipo alfa

Este motor fue diseñado por Rider. Este tipo, a diferencia del tipo beta, tiene dos cilindros, uno donde se sitúa la zona fría, y otro donde se sitúa la caliente. En cada cilindro, hay un pistón que está desfasado a 90º del pistón del otro cilindro. Los cilindros están conectados entre sí por un cigüeñal, que hace que la relación Potencia-volumen sea bastante alta. El mecanismo de este tipo de motor es bastante sencillo, pero es complicado que no se escape el aire, sobretodo en el

cilindro caliente, ya las altas temperaturas deterioran los materiales.

Motores de tipo gamma Este motor es muy parecido al de tipo beta, pero es más sencillo de construir. Lo que diferencia al beta y al gamma es que el gamma tiene el pistón de potencia y el desplazador en diferentes cilindros, que están desfasados a 90º. Los dos cilindros están unidos por un cigüeñal. Este motor es más sencillo, pero su potencia es menor que la de tipo beta Motor Ringbom

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En 1905 Ossian Ringbom inventó un motor derivado del de tipo gamma, con una simplicidad mayor, pues el pistón desplazador no está conectado con el de potencia, sino que oscila libre movido por la diferencia de presiones y la gravedad. Posteriormente se fueron descubriendo pequeñas modificaciones en el motor Ringbom original, que posibilitaba un motor muy simple y tan rápido como cualquiera de los motores clásicos (alfa, beta, gamma).

Motor de pistón líquido: En este tipo de motor se sustituye el pistón y el desplazador por un líquido. Está formado por dos tubos rellenos de unos líquidos; uno de los tubos actúa de desplazador y otro actúa de pistón. Requiere unos cálculos complicados, y en algunos casos es necesario un tercer tubo llamado sintonizador.

Motor Stirling termoacústico Probablemente es la evolución última de este motor en el que se simplifica al máximo la mecánica del mismo. No existe el pistón desplazador y por lo tanto carece del sistema de acoplamiento entre los dos pistones del motor original. Funciona gracias a ondas de presión que se generan en el cilindro de gas, de ahí el nombre de “acústico”, merced al calor suministrado en el foco caliente Implantación en la industria aeronáutica La industria aeronáutica, una de las más innovadoras del mercado, y ha hecho estudios sobre la viabilidad de este tipo de motor para hacer mover los aviones. Algunas compañías han hecho diseños de pequeños aeroplanos con este tipo de motor. Su idea es firme; un avión cuyo motor sea tan silencioso como un planeador, con un par tan suave que no produzca vibraciones en el fuselaje. Se estudia la posibilidad de incorporar motores Stirling aplicados al mundo de la aviación, al menos en teoría sus ventajas serían las siguientes:

Es un motor silencioso lo cual permite un viaje más cómodo para los viajeros y menos contaminación acústica para los alrededores.

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Emite muchas menos vibraciones puesto que no hay explosión en los cilindros. Y también debido a eso el combustible del motor pudría ser mucho menos inflamable y peligroso en caso de accidente

Ya hay estudios que demuestran que a mayor altitud mejora su potencia. A mayor altura la densidad del aire es menor igual que el rozamiento de la nave, pero los motores convencionales pierden potencia por culpa de que no cogen aire suficiente para realizar la combustión, los motores Stirling no tienen ese problema. A esto hay que sumar el hecho de que alturas mayores, menor es la temperatura del aire y por lo tanto, la diferencia de temperatura entre focos del motor se incrementaría, aumentando así su rendimiento y potencia.

CICLO ERICSSON

El ciclo Ericsson fue ideado por el inventor

John Ericsson, que proyectó y construyó

varios motores de aire caliente basados en

diferentes ciclos termodinámicos.

Es considerado el autor de dos ciclos para

motores térmicos de combustión externa y

constructor de motores reales basados en

los ciclos mencionados.

Es interesante examinar que pasa cuando el número de etapas tanto de

enfriamiento y de recalentamiento se hace infinitamente grande, donde los

procesos isentropicos de compresión y expansión pasan a ser isotérmicos, el ciclo

se puede presentar mediante 2 etapas a temperaturas constantes y 2 procesos a

presión constante con regeneración. A un proceso así se le llama ciclo de

Ericsson.

Funcionamiento del ciclo Ericsson.

Etapas

El ciclo se compone de 4 etapas, en las cuales existe intercambio de calor:

Primera etapa

En esta etapa el aire se comprime isotérmicamente. Se requiere entonces de un

enfriamiento simultáneo y el aire fluye a un tanque de almacenamiento a presión

constante. El trabajo requerido es:

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𝑊1 = 𝑅𝑇1𝐿𝑛(𝑃1

𝑃2)

Segunda etapa

Se produce un calentamiento reversible a presión constante y su consecuente

expansión. El aire caliente fluye del tanque a presión elevada constante hacia el

cilindro de potencia. En este caso el calor requerido es:

𝑄2𝐴 = 𝐶𝑝(𝑇3 − 𝑇2)

Tercera etapa

El aire se expande en el cilindro isotérmicamente recibiendo calor externo.

El trabajo de salida es igual a:

𝑊2 = −𝑅𝑇3𝐿𝑛(𝑃3

𝑃4)

Cuarta etapa

Es un enfriamiento reversible a presión baja constante.

El calor liberado es:

𝑄2𝐵 = 𝐶𝑝(𝑇1 − 𝑇4) = −𝐶𝑝(𝑇3 − 𝑇2)

Teniendo presente que los calores Qent y Qsal son iguales en magnitud, pero de

signo opuesto, en la práctica se compensan por medio de un proceso de

regeneración. Lo mismo ocurre con los trabajos realizados en las etapas

isotérmicas que de igual magnitud pero signo contrario, anulándose como efecto

neto.

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La eficiencia teórica del ciclo equivale a la de Carnot:

𝜂 =𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜

𝑄𝐴=

𝑄𝐴 − 𝑄𝐵

𝑄𝐴= 1 −

𝑄𝐵

𝑄𝐴= 1 −

𝑇𝐵

𝑇𝐴

Dónde:

𝑇𝐵 = 𝑇1 𝑄𝐵 = 𝑊1

𝑇𝐴 = 𝑇3 𝑄𝐴 = −𝑊2

Nuevamente obtenemos el rendimiento del ciclo de Carnot, debido a las

simplificaciones e idealizaciones usadas al deducirlo. De hecho, cuando usamos

regeneración en el ciclo de Brayton lo que estamos inten- tando es aproximarnos

al ciclo de Ericsson. La cantidad de etapas de regeneración y de enfriamiento

inter- medio depende de un balance económico entre el costo de capital

incrementado y el costo operativo que disminuye a medida que aumenta la

cantidad de etapas.

Motor Ericsson

Ericsson patentó su primer motor, basado en el ciclo Brayton de combustión

externa, el año 1833 en Inglaterra. Los motores de Brayton eran de pistones, casi

todos de combustión interna y sin recuperador. Actualmente el ciclo Brayton se

conoce como ciclo de la turbina de gas, que utiliza compresores y expansores de

turbina (las turbinas sustituyen a los pistones). El ciclo de turbina de gas es el que

siguen las turbinas de gas y los turborreactores. Algunos tipos de turbinas

disponen de recuperadores de calor. Finalmente, Ericsson abandonó el ciclo

abierto y adoptó el ciclo cerrado del motor Stirling tradicional.

El motor Ericsson puede transformarse fácilmente en un motor de ciclo cerrado

usando un segundo depósito frío a baja presión entre los conductos originales de

entrada y escape. En un ciclo cerrado la "baja presión" puede ser más alta que la

presión atmosférica y el gas motriz puede ser

hidrógeno o helio. Al disponer de válvulas, la

diferencia de presiones de gas (presión motriz y

presión de compresión) de un motor Ericsson la

potencia específica puede ser mayor que la de

un motor Stirling sin válvulas. Está claro que las

válvulas añaden coste y complejidad al motor.

Las pérdidas mecánicas son menores en un

motor Ericsson: la potencia de compresión

requerida es menor, al aplicarse directamente sin tener que pasar por un cigüeñal.

El motor Ericsson de pistones es, potencialmente, el que podría tener el mayor

rendimiento de todos los motores. En la práctica nadie lo ha demostrado todavía.

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Explicación del motor ▪ En la posición actual (el pistón en la posición más baja) el aire de la cámara inferior se calienta mediante calor aportado exteriormente (color rojo oscuro o rojo marrón). El aire de la cámara superior ha sido aspirado al bajar el pistón y está a presión atmosférica (color azul). ▪ El pistón comienza a subir por la presión del aire calentado. Se producen simultáneamente la expansión del aire caliente y la compresión del aire de la cámara superior (aspirado en la fase previa). El aire pasa a la izquierda obligado por la válvula anti retorno de la admisión. Una válvula anti retorno le permite el paso al depósito acumulador de aire frío. ▪ En el punto muerto superior pasa al depósito frío la máxima cantidad de aire aspirado posible. La válvula de paso (dibujada abajo y a la izquierda) se abre y permite el paso del aire frío a través del recuperador hasta la cámara inferior que lo recibe. ▪ Un volante de inercia hace que el pistón doble-función (compresión-expansión) empiece a bajar, empujando el aire precalentado a través del recuperador y aspire aire atmosférico a la cámara superior. ▪ En el cuarto inferior, el aire precalentado se acaba de calentar mientras se comprime. En la fase final el pistón llega a la posición inferior y el proceso se repite. Aplicaciones y Usos Actuales del Ciclo Ericsson

El ciclo no tiene aplicación práctica en motores de combustión con pistones,

pero es utilizado en las turbinas de gas con varias etapas que utilizan

intercambiadores de calor.

Los motores Ericsson son de combustión externa para que el as motriz

caliente desde el exterior.

Medio de utilizar la energía solar para aplicaciones mecánicas. El factor

básico que limita el empleo de estas máquinas en los desarrollos de la

energía solar es que no existen en el mercado comercial.

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Diferencias en los Ciclos Reales Stirling y Ericsson

Los ciclos Stirling y Ericsson son difíciles de alcanzar en la práctica puesto que

incluyen transferencia de calor debida a una diferencia de temperatura en todos

los componentes. Para esto sería necesario proporcionar áreas superficiales

demasiado grandes para la transferencia de calor o permitir un tiempo

infinitamente largo para el proceso. Ninguno de los dos aspectos es práctico.

En el caso ideal la diferencia de temperatura entre las dos corrientes no excede

una cantidad diferencial . La corriente del fluido fría sale del intercambiador de

calor a la temperatura de entrada de la corriente caliente.

Conclusión

Aunque las eficiencias del ciclo Stirlingy Ericsson son muy altas no significa que sean

mejores, ya que son más costosos y de condiciones físicas más difíciles de lograr.

Es difícil construir una máquina que trabaje con el ciclo Ericsson o Stirling sin tener

desventajas ya que operan a presiones elevadas y, la relación entre peso y potencia no

es muy favorable, también las elevadas temperaturas presentan un problema; no obstante

una de sus más grandes ventajas es su alta calidad de emisión ya que al ser estos

motores de combustión externa, donde el proceso de combustión es más completo que

en uno de combustión interna, además de su operación relativamente silenciosa, su

confiabilidad y su larga vida.

Biografía.

http://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria15/motor.pdf

http://www.alpoma.net/tecob/?p=390

http://termodinamica.us.es/termica/transparencias/Leccion8.pdf

https://books.google.com.mx/books?id=lJJcF1oqP5wC&pg=PA484&lpg=PA484&d

q=turbinas+de+gas+ciclo+ericsson&source=bl&ots=ralnVbP80O&sig=KHioC4xrpm

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