¿Qué es el ciclo dual? Ciclo de presión limitada: definición

El ciclo dual, o ciclo de presión limitada, es un ciclo termodinámico que combina el ciclo Otto y el ciclo Diesel. Un ciclo dual consiste en cinco procesos termodinámicos. Ingenieria termal

Ciclo Diesel – Motor Diesel

El ciclo dual , o ciclo de presión limitada , es un ciclo termodinámico que combina el ciclo Otto y el ciclo Diesel . En el ciclo dual, la combustión ocurre en parte a volumen constante y en parte a presión constante. Se puede usar para describir motores de combustión interna. Los ciclos Otto y Diesel no describen bien los diagramas presión-volumen de los motores de combustión interna reales. Un ciclo estándar de aire que se puede hacer para aproximar las variaciones de presión más de cerca es el ciclo doble estándar de aire. Un enfoque más capaz sería modelar el proceso de combustión en motores Otto y Diesel como una combinación de dos procesos de transferencia de calor, un proceso isocrórico y otroproceso isobárico .

En comparación con un ciclo Otto, que supone una adición de calor instantánea (adición de calor isocrórico), en un ciclo dual se agrega calor en parte a volumen constante y en parte a presión constante. Por lo tanto, la ventaja es que hay más tiempo disponible para que el combustible se queme por completo. Por otro lado, el uso de un ciclo dual es un poco más complejo . La eficiencia térmica se encuentra entre el ciclo Otto y Diesel.

El ciclo dual combina el ciclo Otto y el ciclo Diesel. . En esta imagen, hay un motor Otto, que se enciende mediante una bujía en lugar de la compresión misma.

Motor de cuatro tiempos - motor Otto
Motor de cuatro tiempos – Motor Otto
Fuente: wikipedia.org, Trabajo propio de Zephyris, CC BY-SA 3.0

Ciclo Dual – Procesos

En un ciclo dual , el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cinco procesos: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isocróricos y uno isobárico:

  • Ciclo dual - Diagrama pV
    Ciclo dual – Diagrama pV

    Compresión isentrópica (carrera de compresión): el gas se comprime adiabáticamente desde el estado 1 al estado 2, a medida que el pistón se mueve desde el punto de cierre de la válvula de admisión (1) hasta el punto muerto superior. Los alrededores trabajan con el gas, aumentando su energía interna (temperatura) y comprimiéndolo. Por otro lado, la entropía permanece sin cambios. Los cambios en los volúmenes y su relación ( 1 / V 2 ) se conocen como la relación de compresión. La relación de compresión es menor que la relación de expansión.

  • Compresión isocórica (fase de encendido): en esta fase (entre el estado 2 y el estado 3) hay una transferencia de calor de volumen constante (el pistón está en reposo) al aire desde una fuente externa mientras el pistón está en reposo en el punto muerto superior . Este proceso es similar al proceso isocrórico en el ciclo de Otto. Su objetivo es representar el encendido de la mezcla de combustible y aire inyectada en la cámara y la posterior combustión rápida. La presión aumenta y la relación ( 3 / P 2 ) se conoce como la “relación de explosión”.
  • Expansión isobárica (golpe de potencia): en esta fase (entre el estado 3 y el estado 4) hay una transferencia de calor a presión constante (modelo idealizado) al aire desde una fuente externa (combustión del combustible) mientras el pistón se mueve hacia el V 4 . Durante el proceso de presión constante, la energía ingresa al sistema a medida que se agrega calor Q , y una parte del trabajo se realiza moviendo el pistón.
  • Expansión isentrópica (golpe de potencia): el gas se expande adiabáticamente desde el estado 4 al estado 5, a medida que el pistón se mueve desde V 3 hasta el punto muerto inferior. El gas funciona en el entorno (pistón) y pierde una cantidad de energía interna igual al trabajo que abandona el sistema. Nuevamente, la entropía permanece sin cambios.
  • Descompresión isocórica (carrera de escape) : en esta fase, el ciclo se completa con un proceso de volumen constante en el que el calor se rechaza del aire mientras el pistón está en el punto muerto inferior. La presión del gas de trabajo cae instantáneamente desde el punto 5 al punto 1. La válvula de escape se abre en el punto 5. La carrera de escape se produce directamente después de esta descompresión. A medida que el pistón se mueve desde el punto muerto inferior (punto 1) al punto muerto superior (punto 0) con la válvula de escape abierta, la mezcla gaseosa se ventila a la atmósfera y el proceso comienza de nuevo.

Durante el ciclo Dual, el pistón realiza el trabajo en el gas entre los estados 1 y 2 ( compresión sentrópica ). El gas en el pistón realiza el trabajo entre las etapas 2 y 3 ( adición de calor sobárico ) y entre las etapas 2 y 3 ( expansión sentrópica ). La diferencia entre el trabajo realizado por el gas y el trabajo realizado sobre el gas es el trabajo neto producido por el ciclo y corresponde al área encerrada por la curva del ciclo. El trabajo producido por el ciclo multiplicado por la velocidad del ciclo (ciclos por segundo) es igual a la potencia producida por el motor Diesel.

Proceso isentrópico

Un proceso isentrópico es un proceso termodinámico , en el cual la entropía del fluido o gas permanece constante. Significa que el proceso isentrópico es un caso especial de un proceso adiabático en el que no hay transferencia de calor o materia. Es un proceso adiabático reversible . La suposición de que no hay transferencia de calor es muy importante, ya que podemos usar la aproximación adiabática solo en procesos muy rápidos .

Proceso isentrópico y la primera ley

Para un sistema cerrado, podemos escribir la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía :

dH = dQ + Vdp

o

dH = TdS + Vdp

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H 2 – H 1     → H 2 – H 1 = p (T 2 – T 1 )     (para gas ideal )

Proceso isentrópico del gas ideal

El proceso isentrópico (un caso especial de proceso adiabático) se puede expresar con la ley de los gases ideales como:

pV κ = constante

o

1 V κ = p 2 V κ

en el que κ = c p / c v es la relación de los calores específicos (o capacidades de calor ) para el gas. Uno para presión constante (c p ) y otro para volumen constante (c v ) . Tenga en cuenta que esta relación κ  = c p / c v es un factor para determinar la velocidad del sonido en un gas y otros procesos adiabáticos.

Proceso isocorico

Un proceso isocrórico es un proceso termodinámico, en el que el volumen del sistema cerrado permanece constante (V = constante). Describe el comportamiento del gas dentro del contenedor, que no puede deformarse. Dado que el volumen permanece constante, la transferencia de calor dentro o fuera del sistema no funciona con el p∆V , sino que solo cambia la energía interna (la temperatura) del sistema.

Proceso isocrórico y la primera ley

La forma clásica de la primera ley de la termodinámica es la siguiente ecuación:

dU = dQ – dW

En esta ecuación, dW es igual a dW = pdV y se conoce como el trabajo límite . Luego:

dU = dQ – pdV

En el proceso isocrórico y el gas ideal , todo el calor agregado al sistema se utilizará para aumentar la energía interna.

Proceso isocórico (pdV = 0):

dU = dQ     (para gas ideal)

dU = 0 = Q – W → W = Q       (para gas ideal)

Proceso isocrórico del gas ideal

El proceso isocrórico se puede expresar con la ley de los gases ideales como:

proceso isocrórico - ecuación 1

o

proceso isocrórico - ecuación 2

En un diagrama pV , el proceso ocurre a lo largo de una línea horizontal que tiene la ecuación V = constante.

Ver también:  Ley de Guy-Lussac

Proceso isobárico

Un proceso isobárico es un proceso termodinámico , en el cual la presión del sistema permanece constante (p = const). La transferencia de calor dentro o fuera del sistema funciona, pero también cambia la energía interna del sistema.

Dado que hay cambios en la energía interna (dU) y cambios en el volumen del sistema (∆V), los ingenieros a menudo usan la entalpía del sistema, que se define como:

H = U + pV

Proceso isobárico y la primera ley

La forma clásica de la primera ley de la termodinámica es la siguiente ecuación:

dU = dQ – dW

En esta ecuación, dW es igual a dW = pdV y se conoce como el trabajo límite . En un proceso isobárico y el gas ideal, parte del calor agregado al sistema se utilizará para hacer el trabajo y parte del calor agregado aumentará la energía interna (aumentará la temperatura). Por lo tanto, es conveniente utilizar la entalpía en lugar de la energía interna.

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H 2 – H 1

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema.

Proceso isobárico del gas ideal

El proceso isobárico se puede expresar con la ley de los gases ideales como:

proceso isobárico - ecuación - 2

o

proceso isobárico - ecuación - 3

En un diagrama pV , el proceso ocurre a lo largo de una línea horizontal (llamada isobar) que tiene la ecuación p = constante.

Ver también: Ley de Charles

Proceso isentrópico - características
Proceso isentrópico – características principales
Proceso isocrórico - características principales
Proceso isocrórico – características principales
Proceso isobárico - características principales
Proceso isobárico – características principales

Eficiencia térmica para doble ciclo

En general, la eficiencia térmica , η º , de cualquier motor de calor se define como la relación de la obra lo hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q H .

fórmula de eficiencia térmica - 1

La eficiencia térmica , η th , representa la fracción de calor , H , que se convierte en trabajo . Dado que la energía se conserva de acuerdo con la primera ley de la termodinámica y la energía no se puede convertir para trabajar por completo, la entrada de calor, Q H , debe ser igual al trabajo realizado, W, más el calor que se debe disipar como calor residual Q C en el ambiente. Por lo tanto, podemos reescribir la fórmula para la eficiencia térmica como:

fórmula de eficiencia térmica - 2

Por lo tanto, el calor agregado y rechazado están dados por:

add-1 = mc v (T 3 – T 2 )

add-2 = mc p (T 4 – T 3 )

out = mc v (T 5 – T 1 )

Por lo tanto, la eficiencia térmica para un ciclo dual es:

Ciclo dual - eficiencia térmica

 

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.