Maquinas Termicas Apuntes para estudiantes 2

Apuntes de clases

1. 1.4.5 CICLO BRAYTON.
ElcicloBraytondescribeelcomportamientoidealdeun
motordeturbinadegas,comolosutilizadosenlas
aeronaves.

2. 1.4.5 CICLO BRAYTON.
Losturboreactoresfuncionaningresandoairepormedio
deundifusor,estecomprimeelaireylequitavelocidad,
elairepasaalcompresor(elprimerjuegodeaspasque
vemos),enel compresorelairepuedellegara
comprimirse10vecessutamañooriginal,luegoelairees
brutalmentecalentadoamásde 1500°Cencuestiónde
centésimasdesegundo,comosabemos,el airecaliente
seexpandeyparamantenerla presiónestableestesale
aunagranvelocidadporlatobera.Luegolaterceraley
deNewtonseencargadeterminareltrabajo.

3. 1.4.5 CICLO BRAYTON.
.

4. 1.4.5 CICLO BRAYTON.
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5. 1.4.5 CICLO BRAYTON.
Enesteprocesoseproduceuna admisióndeairefrío
desdeelexteriorEsteaireesconducidohacialacámara
decombustión,dondeseinyectacombustible,que
calientaelairedelacámara.
Alexpandirse,muevelaturbinayfinalmentees
expulsadoalexterior.Dadoquelacompresiónyla
expansiónsonprocesosmuyrápidos,semodelancomo
adiabáticas,yaqueelairenotienetiempode
intercambiarcalor.Lacombustión,comoenelcasodel
cicloDiesel,seproduceporinyeccióndesdeelexterior,
loquesemodelacomounprocesoapresiónconstante.

6. 1.4.5 CICLO BRAYTON.
Enelescape,elaireenfriado(peroaunatemperatura
mayorquelainicial)salealexterior,situadoalapresión
atmosférica,comoeldelaentrada.Técnicamente,este
esuncicloabiertoyaqueelairequeescapanoesel
mismoqueentraporlabocadelaturbina,perodado
quesíentraenlamismacantidadyalamismapresión,
sehacelaaproximacióndesuponerunarecirculación.
Enestemodeloelairedesalidasimplementecedecalor
alambienteyvuelveaentrarporlabocayafrío.Enel
diagramapV estocorrespondeaun enfriamientoa
presiónconstante.
https://www.youtube.com/watch?v=FbvXhafrbMY

7. 1.4.5 CICLO BRAYTON.
Existendehecho
motoresdeturbinade
gasenlosqueelfluido
efectivamente
recirculaysoloel
calorescedidoal
ambiente.Paraestos
motores,elmodelo
delciclodeBrayton
idealesmás
aproximadoquepara
losdecicloabierto.

8. 1.4.6 CICLO DE CARNOT (REVERSIBLE).
Paraconseguirla máximaeficiencialamáquina
térmicareversiblequenecesitamosdebetomarcalor
deunfococaliente,cuyatemperaturaescomo
máximoTcyverterelcalordedesechoenelfocofrío,
situadocomomínimoaunatemperaturaTf.Paraque
elcicloseaóptimo,todoelcalorabsorbidodebería
tomarsealatemperaturamáxima,ytodoelcalorde
desecho,cedersealatemperaturamínima.Porello,el
cicloqueestamosbuscandodebeincluir dosprocesos
isotermos,unodeabsorcióndecaloraTcyunode
cesiónaTf.

9. 1.4.6 CICLO DE CARNOT (REVERSIBLE).
Paraconectaresasdosisotermas(estoes,para
calentarelsistemaantesdelaabsorciónyenfriarlo
antesdelacesión),debemosincluirprocesosqueno
suponganunintercambiodecalorconelexterior(ya
quetodoelintercambioseproduceenlosprocesos
isotermos).Laformamássencilladeconseguirestoes
mediantedosprocesosadiabáticosreversibles (noes
laúnicaforma,elmotordeStirlingutilizaotrométodo,
larecirculación).

10. 1.4.6 CICLO DE CARNOT (REVERSIBLE).
.

11. 1.4.7 CICLO STIRLING (REVERSIBLE).
UnciclodeStirlingesunaversiónidealizadadeloque
ocurreenunmotordeStirling.

12. 1.4.7 CICLO STIRLING (REVERSIBLE).
Ensuversiónmássimple,estecicloestáformadoporcuatropasos:
A→BSecomprimeelgasdeformaisoterma.Estocorrespondeaun
tramodehipérbolacorrespondientealatemperaturaindicada.
B→CSe calientaelgasmanteniendofijadosuvolumen.
Gráficamente,esunalíneaverticalentrelasdosisotermas.
C→DSeexpandeelgasatemperaturaconstantehastaquevuelve
asuvolumeninicial.Otroarcodehipérbolaahorarecorridohacia
volúmenescrecientes.
D→ASeenfríaelgasmanteniendoconstantesuvolumenhastaque
sutemperaturavuelveaserlainicial.Esuntramoverticalhacia
abajo,cerrandoelciclo.
Enesteprocesoseabsorbecalorenelcalentamientoavolumen
constanteyenlaexpansiónisoterma,yseabsorbeenlosotrosdos.

13. 1.4.7 CICLO STIRLING (REVERSIBLE).
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14. 1.4.8 CICLO ERICSSON (REVERSIBLE).
UncicloEricssonessimilaraunodeStirling,conla
diferenciadeque,enlugardedosisocoras,incluyeun
calentamientoyunenfriamientoa presiónconstantes,
queenundiagramapVsonsegmentoshorizontales.
ComoenelciclodeStirling,elcicloEricssonadmite
regeneración,deformaqueelcalorliberadoenel
enfriamientosereutilizaenelcalentamiento,demanera
queelúnicocalorabsorbidoseproducealatemperatura
delfococalienteyelúnicocalorcedidoaladelfocofrío.
Sitieneregeneración,elrendimientodeuncicloEricsson
idealestambiénelmismoqueeldeunamáquinade
Carnot.
.

15. 1.4.8 CICLO ERICSSON (REVERSIBLE).
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16. 1.5.1 DISEÑO Y ANÁLISIS EN INGENIERÍA.
Unaimportantefuncióneningenieríaesdiseñaryanalizar
aquelloquepretendeatendernecesidadesdelser
humano.
Diseño:esunprocesodetomadedecisionesenlasque
seaplican,deformaiterativa,principiostomadosdela
ingenieríayotroscampos,comolaeconomíayla
matemática,paradefinirunsistema,uncomponentedel
mismo,ounproceso.

17. 1.5.1 DISEÑO Y ANÁLISIS EN INGENIERÍA.
Elementos fundamentales:
•Definición de objetivos
•Síntesis
•Análisis
•Construcción
•Verificación
•Evaluación

18. 1.5.1 DISEÑO Y ANÁLISIS EN INGENIERÍA.
Restricciones:
•Economía
•Seguridad
•Impacto ambiental
•Etc.

19. 1.5.1 DISEÑO Y ANÁLISIS EN INGENIERÍA.
Etapas del diseño:
•Definir objetivos del diseño a partir de una necesidad u
oportunidad.
•Concretar especificaciones cuantitativas del
funcionamiento del diseño.
•Identificar alternativas realizables en el diseño para
atender a las especificaciones.
•Determinar restricciones y criterios (costo, eficiencia,
tamaño, peso, fiabilidad, posibilidad de manufactura y
mantenimiento, comercialización, etc.
•Elegir la mejor solución de acuerdo a los criterios.

20. 1.5.1 DISEÑO Y ANÁLISIS EN INGENIERÍA.
Análisis:
Tododiseñorequiere síntesis:selecciónyconexiónde
componentesparaorganizaruntodocoordinado.
Ejemplo: diseño para protección contra incendios.

21. 1.5.1 DISEÑO Y ANÁLISIS EN INGENIERÍA.
Reddetuberíasporeltecho combinadasconun
conjuntodeaspersores.
Unavezdeterminadalaconfiguracióndelconjunto,será
necesariounanálisistécnicoparaespecificarelnúmeroy
tamañodelosaspersores,conexionadodetubos,
diámetrosdelasdiversasramasdelared.
Elanálisisdebeorientarsedemodoqueelconjunto
funcionesindificultad,cumpliendoconlasrestricciones
(costos,estándares,normas,etc)

22. 1.5.2 METODOLOGÍA PARA RESOLVER
PROBLEMAS.
Consejos: Evitar la tentación de atacar los problemas por
«atajos» seleccionando ecuaciones, reemplazando
valores y obteniendo un resultado con la calculadora.
Consecuencias: dificultades cuando los problemas se
vayan complicando.
1.Determinar lo conocido.
Establecer brevemente con nuestras palabras lo que es
conocido. Esto exigerleer el problema cuidadosamente y
las reflexiones sobre el mismo.

23. 1.5.2 METODOLOGÍA PARA RESOLVER
PROBLEMAS.
2.Determinar lo que se debe hallar.
Establecer de modo conciso con las propias palabras lo
que debe calcularse.
3.Determinar los datos conocidos y diagramas.
Dibujar un esquema del sistema considerado. Identificar
la frontera (sistema cerrado o abierto), rotular la
información significativa.
4.Establecer consideraciones e hipótesis.
Para establecer un modelode problema, listar las
consideraciones e idealizaciones simplificadoras hechas
para hacerlo resoluble.

24. 1.5.2 METODOLOGÍA PARA RESOLVER
PROBLEMAS.
5.Realizar el análisis
Utilizandolassimplificacioneseidealizaciones,expresarlas
ecuacionesyrelacionesadecuadasenformaque
produzcanresultadosválidos.Serecomiendatrabajar
conecuacioneseirsimplificandosinreemplazarenellas
datosnúmeroshastaobtenerlasversionessimplificadas.
Recordarutilizarcorrectamentelasunidades.

25. 1.5.3 FÓRMULAS
∆E = Q-W
∆Ec+ ∆Ep+ ∆U = Q-W
Ec= ½.m.C
2
Ep= m.g.h
U = m.h–m.p.v(h:entalpíaespecífica
(kJ/Kg))
h=h
f
+x.(h
g
-h
f
) (x: título=m
vapor
/(m
liq
+m
vapor
))