Laboratorio 4 Termodinámica II

 

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LICENCIATURA EN INGENIERÍA AERONÁUTICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA II

LABORATORIO N°4 “COMPORTAMIENTO TERMODINAMICO DEL CICLO DIESEL”

ELABORADO POR: FLORES, AARÓN

6-723-942

HEN RISTON QU EZ, ,GILB A AN NAERTO IS TO HO HOUL ULST ON, GI LBER MUÑOZ, MAICOL ROBLES, THALÍA RODRÍGUEZ, NEYLIN

8-747967-75 4-753 14302 33-74 8-956-2324 8-982-602 8-963-486

GRUPO 1AA-131(T) PROFESORA: EMELINA MACÍAS INSTRUCTOR DE LABORATORIO: STACY SANTAMARIA

FECHA DE ENTREGA: MIÉRCOLES 03 DE NOVIEMBRE DEL DEL 2021

11 SEMESTRE 2021

 

ÍNDICE

 

INTRODUCCIÓN En este laboratorio estudiaremos el ciclo Diesel es uno de los ciclos termodinámicos más comu comune ness que que se pu pued eden en en enco cont ntra rarr en lo loss mo moto tore ress de au auto tomó móvi vile less y de desc scri ribe be el funcionamiento de un motor de pistón de encendido por compresión típico. El motor Diesel es similar en operación al motor de gasolina. el ciclo Diesel no ejecuta ejecuta la adición adición de calor  isocórico. En un ciclo Diesel ideal, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con un  proceso isocórico y un proceso isobárico. Dado que el principio de Carnot establece que ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible (un motor térmico de Carnot) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura, el motor  Diesel debe tener una eficiencia menor que la eficiencia de Carnot. Este ciclo está compuesto por cuatro procesos: 

Proceso 1-2: compresión adiabática



Proceso 2-3: combustión



Proceso 3-4: expansión isentrópica



Proceso 4-1: proceso isocórico

En un motor diésel real el aire quemado y caliente es expulsado por el tubo de escape, liberando calor al ambiente y siendo sustituido por nuevo aire frío. En el ciclo Diesel ideal nos imaginamos que el aire recircula, volviendo al estado A, intercambiando sólo el calor  con el ambiente.

 

MARCO TEORICO:  El ciclo diesel es uno de los ciclos termodi termodinámicos námicos más comunes que se pueden encontra encontrar  r  en los motores de automóviles y describe el funcionamiento de un motor de pistón de encendido por compresión típico. Procesos del ciclo diesel

En un ciclo Diesel ideal, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro  procesos: dos procesos isentrópicos isentróp icos (adiabáticos reversibles) alternados con un proceso isocórico y un proceso isobárico. 

ompri rim me Compre Comp resi sión ón isent isentró rópi pica ca (c (car arrer reraa de comp compre resi sión ón): el aire se comp adiabáticamente desde el estado 1 al estado 2, a medida que el pistón se mueve desde el punto muerto inferior al punto muerto superior. k  k   P ∙ V  = P ∙ V  1

1

2

2

k − 1

k

 Ecuaciones 1 y 2 

Expansión isobárica (fase de ignición): en esta fase (entre el estado 2 y el estado 3) hay una transferencia de calor a presión constante (modelo idealizado) al aire desde una fuente externa (combustión del combustible inyectado) mientras el pistón se mueve hacia el V3.  Pb= Pc Vc

Vb Tb

=

Tc

Qa=mCp ( Tc −Tb )

 

 Ecuaciones 3,4,5 y 6  

Expansión isentrópica (golpe de poder):  el gas se expande adiabáticamente desde el estado 3 al estado 4, a medida que el pistón se mueve desde V 3 hasta el punto muerto inferior. k  d

 Pd ∙ V 

k 

=

 Pc ∙ V c

 Ecuación 7  

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. Qr =mCr ( Td −Ta )  Ecuación 8

Es importante notar cómo, en el ciclo diésel, no se deben confundir nunca los cuatro tiempos tiemp os del motor con el cicl cicloo termodinámico termodinámico que lo idealiz idealiza, a, que solo se refiere a dos de los tiempos: la carrera de compresión y la de expansión. El proceso de renovación de la ca carg rgaa ca caee fuer fueraen a de lo loss pr proc oces esos os del del ci cicl cloo di diés ésel el,, y ni ta tann si siqu quie iera ra es un pr proc oces esoo termodinámico el sentido estricto.

PROCEDIMIENTOS Primero se entra al software EES para la resoluc Primero resolución ión del ciclo de potencia Diesel facilitado facilitado en la guía de la experienc experiencia, ia, en donde se debe elabora elaborarr un código que nos permita estudiar  estudiar  el ciclo para aire, a su vez colocar las unidades de medidas de las propiedades y los  parámetros adecuados otorgados en el problema; ad además, emás, se tiene que identificar los datos relevantes para introducirlo a cada los estados que componen el ciclo la tabla de resultados. Por otro lado, se uno debederealizar la creación del diagrama “T vsys”lanzar y “P vs v” en termograft para evaluar el comportamiento de los diferentes procesos al variar la relación de compresión y lanzar los resultados de la tabla de propiedades del software. Y comparar los resultados de ambos softwares.

MATERIALES Y EQUIPOS: 

Computadora



Programa EES, Excel y tablas termodinámicas

 



Calculadora y hojas milimetradas

RESULTADOS Resolver por medio de TermoGraf y ESS PARTE I DATOS: P1= 95 Kpa T1= 20 ºC= 293.15K  Tmax= 2200 k= T3 r = 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 Asuma calores específicos constantes  

En Termograft:

Ciclo Diesel para r=14: k − T 2 =T 1 ( r )=293.15  K  ( (14 1

1.4 − 1

)=842.44 K 

Ilustración 1 – Grafica P vs v.

 

Ilustración 2 – Grafica T vs s.

Ilustración 3 – Tabla de propiedades del ciclo.

 

Ciclo Diesel para r=15: k − T 2 =T 1 ( r )=293.15  K  ( (15 1

1.4 −1

) =866 K 

Ilustración 4 – Grafica P vs v.

Ilustración 5 – Grafica T vs s.

 

Ilustración 6 – Tabla de propiedades del ciclo.

Ciclo Diesel para r=16: k − 1

T 2 =T 1 ( r

1.4 −1

)=293.15  K  (16

) =888.66 K 

Ilustración 7 – Grafica P vs v.

 

Ilustración 8 – Grafica T vs s.

Ilustración 9 – Tabla de propiedades del ciclo.

 

Ciclo Diesel para r=17: k − T 2 =T 1 ( r )=293.15  K  ( (17 1

1.4 −1

) =910.48 K 

Ilustración 10 – Grafica P vs v.

Ilustración 11 – Grafica T vs s.

 

Ilustración 12 – Tabla de propiedades del ciclo.

Ciclo Diesel para r=18: T 2 =T 1 ( r k − )=293.15  K  (18 1

1.4 −1

) =931.53 K 

Ilustración 13 – Grafica P vs v.

 

Ilustración 14 – Grafica T vs s.

Ilustración 15 – Tabla de propiedades del ciclo.

 

Ciclo Diesel para r=19: k − T 2 =T 1 ( r )=293.15  K  ( (19 1

1.4− 1

) =951.9 K 

Ilustración 16 – Grafica P vs v.

Ilustración 17 – Grafica T vs s.

 

Ilustración 18 – Tabla de propiedades del ciclo.

Ciclo Diesel para r=20: T 2 =T 1 ( r k − )=293.15  K  (20 1

1.4 −1

) =971.63 K 

Ilustración 19 – Grafica P vs v.

 

Ilustración 20 – Grafica T vs s.

Ilustración 21 – Tabla de propiedades del ciclo.

 

Ciclo Diesel para r=21: k − T 2 =T 1 ( r )=293.15  K  ( (21 1

1.4− 1

)= 990.78 K 

Ilustración 22 – Grafica P vs v.

Ilustración 23 – Grafica T vs s.

 

Ilustración 24 – Tabla de propiedades del ciclo.

Ciclo Diesel para r=22: k − T 2 =T 1 ( r )=293.15  K  ( (22 1

1.4− 1

)= 1009.4 K 

Ilustración 25 – Grafica P vs v.

 

Ilustración 26 – Grafica T vs s.

Ilustración 27 – Tabla de propiedades del ciclo.

 

Ciclo Diesel para r=23: k − T 2 =T 1 ( r )=293.15  K  ( (23 1

1.4 −1

) =1027.49 K 

Ilustración 28 – Grafica P vs v.

Ilustración 29 – Grafica T vs s.

 

Ilustración 30 – Tabla de propiedades del ciclo.

Ciclo Diesel para r=24: k − T 2 =T 1 ( r )=293.15  K  ( (24 1

1.4 − 1

)=1045.14 K 

Ilustración 31 – Grafica P vs v.

 

Ilustración 32 – Grafica T vs s.

Ilustración 33 – Tabla de propiedades del ciclo.

 

En EES: Código en EES:  

“Problema Ciclo Diesel EES” “Datos” Cp=1.005 [kJ/kg-K] Cv=0.718 [kJ/kg-K] R=0.2870 [kJ/kg-K] k=1.4 r_comp= 14 “Estado 1” T[1]=293 [K] P[1]=95 [kPa] v[1]=(R*T[1]/P[1]) s[1]=entropy(air,T=T[1],P=P[1]) “Estado 2” T[2]=T[1]*(r_comp)^(k-1) P[2]=P[1]*r_comp*(T[2]/T[1]) v[2]=v[1]/r_comp s[2]=s[1] “Estado 3” T[3]=2200 [K] P[3]=P[2] v[3]=volume(air,T=T[3],P=P[3]) s[3]=entropy(air,T=T[3],P=P[3]) “Estado 4” T[4]=(T[3]/T[2])*T[1] P[4]=Pressure(air,T=T[4],s=s[4]) v[4]=v[1] s[4]=s[3] q_in=cp*(T[3]-T[2]) qsal=cv*(T[4]-T[1]) w_net=q_in-qsal rc_admi= v[3]/v[2] PME=w_net/(v[1]-v[2]) n_th_Diesel=(w_net/q_in)*100 n_th_Carnot=(1-(T[1]/T[3]))*100

 

CUESTIONARIO: 1. ¿C ¿Cuá uále less mo motor tores es oper operan an a re rela laci cione oness de comp compre resi sión ón más alta alta:: los los mo motor tores es diésel o los de gasolina? ¿Por qué? Los motores diésel son más eficientes que los motores gasolina porque permiten una relación de compresión más elevada, que suele encontrarse entre 15:1 y 17:1, pero  puede superar ampliamente la 20:1. Esto es debido a que los motores diésel no prenden una mezcla de aire y combustible a través de la chispa generada por la bujía, sino que comprimen aire para inyectar   posteriormente el gasoil, propiciando una detonación natural y no inducida. También  por ello, los motores de gasóleo necesitan llegar a una relación de compresión mínima  para poder funcionar. 2. ¿Cuál ¿Cuáles es son los cu cuatro atro p procesos rocesos que constituy constituyen en el cicl cicloo de D Diesel iesel ideal ideal?? Proceso 1-2: compresión adiabática Proceso 2-3: combustión Proceso 3-4: expansión isentrópica Proceso 4-1: proceso isocórico    

3. ¿Cómo varia produ producción cción de trabajo, PME y ladel efi eficienci ciencia a térmi térmica de u un n ciclo ideal dellaaDiesel con laneta relación de compresión motor, paracacalores específicos constante? Se puede observar que, a mayor relación de compresión, el trabajo neto y la  presión media efectiva aumenta al igual que la eficiencia térmica del ciclo. Relación Trabajo-Compresión

Relación PME-Compresión

Relación Eficiencia-Compresión Relaciones de Compresión 14

15

16

Efciencia   65.202 65.20244 44 66.149 66.14962 62 67.012 67.0123 3

17

18

19

67. 67.802 80263 63 68.530 68.53042 42 69 69.203 .2037 7

20

21

22

23

24

69. 69.829 82912 12 70.4122 70.41223 3 70. 70.957 95771 71 71.4695 71.46953 3 71.9 71.951 5112 12

 

4. Grafiq Grafique ue la pr producci oducción ón neta de trabajo, la PME y la ef eficien iciencia cia del ciclo D Diesel iesel en función de la relación de compresión. Relación Trabajo-Compresión

Relación PME-Compresión

Relación Eficiencia-Compresión

 

5. Dete Determi rmine ne la presi presione oness y temp tempera eratura tura d dee cad cadaa esta estado do par paraa r = 20

6. Gra Grafiq fique ue los d diag iagram ramas as T vs s y P vs v para el ci ciclo clo Di Diesel esel ccon on una re relac lación ión de compresión de 20.

Gráfica P vs V

Gráfica T vs s

 

CONCLUSIÓN Houlston, Gilberto A través de los años se han elaborado diversas herramientas muy útiles para la resolución de sistemas de ecuaciones o más bien, para ejercicios que estén relacionados con ciclos termodinámicos para centrales térmicas y poder presentar un informe grafico detallado con los resultados de este. A partir de esta nueva experiencia de laboratorio se realizó un estudio del ciclo Diesel para distintos valores de rp (relación de compresión), y para eso con la ayuda del software EES se construyó un código con las diversas propiedades para que el programa lanzara el resultado grafico del ciclo para cada caso. En donde a medida que aumenta la relación de compresión del ciclo como la mezcla de combustible se comprime la eficiencia térmica aumenta. Flores, Aaron Con respecto a la variación de las relaciones de compresión (r) en el ciclo Diesel en donde se utilizó el software termograft para encontrar todas las propiedades de cada estado, la temperatura del estado 2 aumenta debido al incremento de la relación de compresión y por  tal razón la relación de corte de admisión (rc) tiende a disminuir. Como el calor especifico del aire es a presión constante (Cp), se usaron las suposiciones de aire estándar frio en los  procesos que eran isentrópicos. Gracias que el ciclo Diesel trabaja y opera con relaciones de compresión mucho más altas que otros ciclos, la obtención del encendido no se limita  por causa de la chispa de la bujía. El sistema en termograft se colocó en un análisis de masa de control debido a que el ciclo sucede en un cilindro embolo y tiene flujo de energía.  

Muñoz, Maicol Se puede entender que el ciclo Diesel es un proceso de combustión de un motor de combustión interna alternativo. En él, el combustible se enciende por el calor generado durante la compresión del aire en la cámara de combustión, en la que luego se inyecta el combustible. En este el fluido de trabajo no se reutiliza por lo que se considera un ciclo abierto, los motores diésel se utilizan en aviones, automóviles, generación de energía, locomotoras diésel-eléctricas y tanto barcos de superficie como submarinos, dependiendo de cada caso se opta por utilizar este ciclo Diesel debido a que este genera relativamente  buen torque en función del combustible utilizado.

Robles, Thalía En esta nueva experiencia de laboratorio sobre el comportamiento termodinámico del ciclo Diesel, se puede concluir en que el ciclo Diesel no ejecuta la adición de calor isocórico. En un ciclo Diesel ideal, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro  procesos: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con un proceso isocórico y un proceso isobárico. En general, los motores que usan el ciclo Diesel suelen ser  más eficientes que los motores que usan el ciclo Otto. El motor diesel tiene la mayor  eficiencia térmica de cualquier motor de combustión práctico. Motores diesel de baja velocidad (como se usa en los barcos) puede tener una eficiencia térmica que excede el 50%. El motor diésel más grande del mundo alcanza el 51,7%.  

 

 

Henríquez, Anais

El ciclo del motor diésel ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovación de la carga., y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Este ciclo acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, también de que se realizan sobre el mismo fluido. La combustión se produce aprovechando las propiedades del gasóleo, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de auto ignición del gasóleo y el combustible es inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla. En este laboratorio pudimos resolver a través de un código en EES en este ciclo obteniendo a su vez las gráficas correspondientes concluyendo un aumento en la compresión del ciclo y en la eficiencia térmica. Una de las grandes diferencias que tiene el ciclo Diesel ideal del ciclo otto ideal es en cuestión a la fase de combustión, ya que en el ciclo Otto se da en volumen constante y en el Diesel a presión constante. Por ello el rendimiento es diferente.  

Rodríguez, Neylin

El ciclo Diesel describe el funcionamiento de un motor de pistón de encendido por  compresión típico, este es uno de los ciclos termodinámicos más comunes que se pueden encontrar en los motores de automóviles, el ciclo Diesel ideal se sujeta a cuatro fases: Compresión Compres ión (pro (proceso ceso 1-2), Combust Combustión ión (proceso (proceso 2 -3), -3), Expan Expansión sión (proceso 3 – 4) y la última fase (proceso 4 – 1) en los cuales dos de estos procesos son isentrópicos, un proceso isocó isocóri rico co y un pro proce ceso so is isobá obári rico. co. Pa Para ra est estee la labo borat ratori orioo medi median ante te Te Term rmoG oGraf raf V5 V5.7 .7 analizamos gráficamente como se da el comportamiento del ciclo Diesel, variamos la razón de compresión con los distintos valores dados en la guía comprobando así que a medida que esta aumente aumente la eficie eficienci nciaa tér térmic micaa tam tambié biénn aument aumenta, a, y además además determ determina inamos mos las condiciones finales de cada proceso.