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“Año de la Promoción de Industria Responsable y del Compromiso Climático”
TEMA: .
CICLO DIESEL
CURSO: TERMODINAMICA
DOCENTE:
INTEGRANTES:
V CICLO
ICA – PERU
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2014
la
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INTRODUCCION En este trabajo se presenta el ciclo Diesel. Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de asolina la combusti!n no se produce produce por la inici!n de una c"ispa en el interior de la c#mara. En su luar, luar, apro$ec"ando las propiedades qu%micas del as!leo, el aire es comprimido "ast "asta a una una temp temper erat atur ura a supe superi rior or a la de auto autoi ini nici ci!n !n del del as! as!le leo o & el combustible es in&ectado a presi!n en este aire caliente, produciéndose la combusti!n de la me'cla. (uesto que s!lo se comprime aire, la relaci!n de compresi!n )cociente entre el $olumen en el punto m#s bajo & el m#s alto del pist!n* puede ser muc"o m#s alta que la de un motor de asolina )que tiene un l%mite, por ser indeseable la autoinici!n de la me'cla*. +a relaci!n de compresi!n de un motor diésel puede oscilar entre - & -, mientras que el de asolina puede rondar un $alor de /.
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CONCE(TO Un motor diésel puede modelarse con el ciclo ideal formado por seis pasos re$ersibles, se0n se indica en la fiura. (ruebe que el rendimiento de este ciclo $iene dado por la e1presi!n2
3iendo 3iendo
= V A / V B la ra' ra'!n de comp compre resi si! !n & r c =V C C / la rela relaci ci!n !n de r = / V B
combusti!n. El método para obtener este resultado es an#loo al empleado para el ciclo Otto.
EN E+ 4OTOR DI DI53 53E+ E+ 3E CON3 N3ID IDER ER6 6 UN CIC+ C+O O DIE3E+ DE 3EI3 (63O3, DO3 DE +O3 CU6+E3 3E 6NU+6N 4UTU64ENTE 4UTU64ENTE 3
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Admisión E→A
El pist!n baja con la $#l$ula de admisi!n abierta, aumentando la cantidad de aire en la c#mara. Esto se modela como una e1pansi!n a presi!n constante )&a que al estar la $#l$ula abierta la presi!n es iual a la e1terior*. En el diarama (7 aparece como una recta "ori'ontal. Cm!"#sión A→$
El pist!n sube comprimiendo el aire. Dada la $elocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiab#tico. 3e modela como la cur$a adiab#tica re$ersible 689, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irre$ersibles como la fricci!n. Cm%&s'ión $→C
Un poco antes de que el pist!n lleue a su punto m#s alto & continuando "asta un poco después de que empiece a bajar, el in&ector introduce el combustible en la c#mara. 6l ser de ma&or duraci!n que la combusti!n en el ciclo Otto, este paso se modela como una adici!n de calor a presi!n constante. 5ste es el 0nico paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto. 4
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E(!)nsión C→D
+a alta temperatura del as empuja al pist!n "acia abajo, reali'ando trabajo sobre él. De nue$o, por ser un proceso mu& r#pido se apro1ima por una cur$a adiab#tica re$ersible. Es*)!# D→A + A→E
3e abre la $#l$ula de escape & el as sale al e1terior, empujado por el pist!n a una temperatura ma&or que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de me'cla fr%a en la siuiente admisi!n. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el e1terior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale & la que entra es la misma podemos, para el balance enerético, suponer que es el mismo aire, que se "a enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pist!n est# en su punto m#s bajo, el $olumen permanece apro1imad apro1imadament amente e constante constante & tenemos la isocora isocora D86. Cuando Cuando el pist!n pist!n empuja el aire "acia el e1terior, con la $#l$ula abierta, empleamos la isobara, 68E cerrando el ciclo. En total, el ciclo se compone de dos subidas & dos bajadas del pist!n, ra'!n por la que es un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reser$ar para los motores de asolina.
RENDI4IENTO EN :UNCI;N DE +63 TE4(ER6TUR63 5
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Un ciclo diésel contiene dos proceso adiab#ticos, 689 & C8D, en los que no se intercambia calor. De los otros dos, en el calentamiento a presi!n constante 98C, el as recibe una cantidad de calor < =c < del e1terior iual a2
En el enfriamiento a $olumen constante D86 el sistema cede una cantidad de calor al ambiente2
El rendimiento del ciclo ser# entonces2
RENDI4IENTO EN :UNCI;N DE +O3 7O+>4ENE3 +a e1presi!n anterior requiere conocer las cuatro temperaturas de los $értices del ciclo. (uede simplificarse teniendo en cuenta las caracter%sticas de cada uno de los procesos que lo componen. 6s% tenemos, para la compresi!n compresi!n adiab#tica 689 689
=ue, teniendo en cuenta la relaci!n de compresi!n, podemos reescribir como
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(ara la e1pansi!n a presi!n constante, aplicando la ecuaci!n de estado de los ases ideales
/ V B obtenemos Introduciendo a"ora la relaci!n r c = V C C /
(or 0ltimo, para la temperatura en D aplicamos de nue$o la le& de (oisson & el que el enfriamiento es a $olumen constante2
4ultiplicando & di$idiendo por V B & aplicando el $alor de la temperatura en C2
Combinado estos resultados nos queda 7
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3ustitu&endo esto en la e1presi!n del rendimiento obtenemos finalmente
C63O (R?CTICO
7amos a considerar un ciclo Diesel en la que el aire a la entrada est# a una presi!n presi!n de atm & una temperatura temperatura de @ACB la ra'!n de compresi compresi!n !n es / & la de combusti!n $ale -. El $olumen m#1imo de la c#mara es de cm. 7amos 7amos a determinar los $ol0menes, presiones & temperaturas de cada $értice del ciclo, as% como su rendimiento & el calor & el trabajo intercambiados por el motor.
Es')d ini*i), 8
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Como Como punt punto o de part partid ida a del del cicl ciclo o de cuat cuatro ro paso pasoss tene tenemo moss que que el as as a temperatura & presi!n ambientes llena el cilindro.
El n0mero de moles contenidos en el cilindro es
Cm!"#sión )di)%-'i*)
Tras Tras la comp compre resi si!n !n,, el $olu $olume men n del del cilin cilindr dro o se redu reduce ce se0 se0n n la ra'! ra'!n n de compresi!n
+a temperatura al final la compresi!n la obtenemos de la le& de (oisson
F la presi!n en este punto la "allamos mediante la le& de los ases ideales
E(!)nsión isó%)")
En el proceso de calentamiento, la presi!n se mantiene constante, por lo que
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4ientras que el $olumen lo da la relaci!n de combusti!n
F la temperatura la le& de los ases ideales )o la le& de C"arles, en este caso*
E(!)nsión )di)%-'i*)
Durante la bajada del pist!n el as se enfr%a adiab#ticamente. +a temperatura al final del proceso la da la le& de (oisson, combinada con el que sabemos que el $olumen al final es el mismo que antes de empe'ar la compresi!n
+a presi!n en este estado es
En"i)mi#n' ) V *ns')n'#
En un motor diésel real el aire quemado & caliente es e1pulsado por el tubo de escape, liberando calor al ambiente & siendo sustituido por nue$o aire fr%o. En el 10
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ciclo Diesel ideal nos imainamos que el aire recircula, $ol$iendo al estado 6, intercambiando s!lo el calor con el ambiente. $),)n*# #n#"/'i*
a* Calo Calorr ab abso sorb rbid ido o El calor procedente del foco caliente es absorbido en la e1pansi!n a presi!n constante & es iual a
Donde "emos usado que
=ue para γ = 1.4 da el resultado conocido c p = 3.5 R. . Un resultado m#s e1acto para un proceso a presi!n constante, sin "acer uso de la "ip!tesis de as ideal, consistir%a en iualar el calor a la $ariaci!n en la entalp%a.
F aplicar $alores tabulados de la entalp%a del aire para las presiones & temperaturas de los estados 9 & C.
b* Calo Calorr ce cedi dido do El calor que se intercambia con el foco fr%o se cede en el enfriamiento a $olumen constante
Donde, como antes, "emos empleado la relaci!n
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= 2.5 R. =ue para γ = 1.4 da cV = 3i se quisiera "acer e1actamente, "abr%a que aplicar que para un proceso
a $olumen constante el calor equi$ale a la $ariaci!n en la ener%a interna.
c* Trab Trabaj ajo o rea realili'a 'ado do El trabajo reali'ado por el sistema durante un ciclo es la diferencia entre el calor absorbido & el cedido )en $alores absolutos*
d* Rend Rendim imie ient nto o El rendimiento de este ciclo Diesel lo podemos "allar como el trabajo reali'ado di$idido por el calor absorbido.
7emos que el rendimiento es muc"o ma&or que para un ciclo Otto que, para $alores t%picos de motores de e1plosi!n, rondaba el GH. +a causa principal de la diferencia es la muc"o ma&or relaci!n de compresi!n en el motor diésel. El rendimiento de este ciclo Diesel es, por supuesto, inferior al de un ciclo de Carnot que operara entre las temperaturas T A y T C C :
RE(RE3ENT6CI;N EN UN DI6R646 TJ3 El ciclo Otto, adem#s de en un diarama pV, puede representarse en uno TJ3, en el que el eje de abscisas corresponde a la entrop%a del sistema & el de ordenadas a su temperatura. En este este dia diara rama ma,, los los dos dos proc proces esos os adia adiab# b#tic ticos os corr corres espo pond nden en a send sendos os sementos $erticales, pues la entrop%a permanece constante en un proceso adiab#tico re$ersible. (ara (ara los los proc proces esos os a $olu $olume men n cons consta tant nte e recu recurri rrimo moss a la e1pr e1pres esi! i!n n para para la entrop%a de un as ideal2 12
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3iendo T 0 y V 0 la temperatura & el $olumen de un cierto estado de referencia. Despejando de aqu% la temperatura.
=ue nos dice que cuando 7 es constante, la temperatura $ar%a e1ponencialmente con la entrop%a. El ciclo Otto corresponder# por tanto a dos cur$as e1ponenciales conectados por dos sementos rectil%neos.
CO4(6R6CI;N CON E+ CIC+O OTTO 3e0n indicamos en la introducci!n, el ciclo Diesel ideal se distinue del Otto ideal en la fase de combusti!n, que en el ciclo Otto se supone a $olumen constante & en el Diesel a presi!n constante. (or ello el rendimiento es diferente. 3i escribimos el rendimiento de un ciclo Diesel en la forma.
7emos que la eficiencia de un ciclo Diesel se diferencia de la de un ciclo Otto por el factor entre paréntesis. Este factor siempre ma&or que la unidad, por ello, para iuales ra'ones de compresi!n r.
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