Ciclos de Potencia mediante Gas

Los ciclos de potencia de gas son los modelos ideales utilizados para describir el funcionamiento y estimar la eficiencia térmica máxima esperada en los motores de combustión interna.

Las máquinas de combustión interna clásicas son:

• Máquinas encendidas por Chispa (ECH): Se refiere a los motores de gasolina y cuyo modelo ideal es el ciclo de Otto. Luego de explicar este tema en la clase presencial, les comparto este vídeo para que comprendan de mejor manera y puedan describir el funcionamiento de un motor ECH.

Motor ECH

• Máquinas encendidas por Compresión (EC o ECOM): Mientras en los motores ECH la combustión de la mezcla aire-gasolina ocurre por la chispa que le proporciona una bujía, en los EC la combustión ocurre por el autoencendido del combustible inyectado en el cilindro justo en el PMS al culminar la carrera de compresión del aire previamente admitido. A continuación una animación para comprender el funcionamiento básico de un motor diésel.

Motor EC

Para concluir esta primera clase recomiendo ver esta animación que compara precisamente el funcionamiento de un motor de gasolina y un motor diésel.

• Turbina de Gas: La turbina de gas es una máquina que produce energía mecánica rotacional en virtud del impulso proporcionado por los productos de combustión sobre sus álabes; el modelo termodinámico ideal es el Ciclo Brayton. Estas máquinas son utilizadas en las plantas térmicas para la generación de electricidad y también conforman la planta de fuerza de propulsión de los aviones.

En esta clase comprenderemos el funcionamiento de una turbina de gas con sus distintas variantes tales como la recuperación interna de calor, el inter-enfriamiento en las etapas de compresión y el recalentamiento en las etapas de expansión. Se espera que al finalizar esta clase, el alumno pueda hacer una descripción del funcionamiento, representar los procesos en los diagramas termodinámicos y hacer los cálculos requeridos para determinar la eficiencia térmica de los ciclos: Brayton simple, Brayton regenerativo y Brayton en múltiples etapas de compresión y expansión.

Después de atender la clase presencial, presto a su disposición los siguientes videos que muestran el funcionamiento de una turbina de gas:

A continuación la aplicación de las turbinas de gas utilizadas en las aeronaves:

Espero les sea de gran utilidad para comprender y poder explicar posteriormente una descripción de funcionamiento de esta aplicación.


Ciclo combinado de gas y vapor:  Las plantas térmicas mas eficientes en operación actualmente son las que emplean esta tecnología basada en el principio de incremento de la eficiencia térmica por medio del uso de los productos de combustión que salen de una turbina de gas a temperaturas altas y suficientes para producir vapor a partir de agua líquida comprimida o saturada; esta transferencia de calor ocurre en un dispositivo especialmente diseñado para ese propósito y recibe el nombre de generador de vapor por recuperación de calor (HRSG).

Los siguientes videos muestran una interesante animación de la planta de ciclo combinado:

Los siguientes problemas son para resolver en grupo de 5 estudiantes y deben ser entregados a más tardar el lunes 25 del mes en curso; recuerde entregar el enunciado, el esquema, los diagramas termodinámicos y la solución respectiva.

1. Una máquina de 2 tiempos y 4 cilindros que funciona en un ciclo Otto tiene un volumen de 450 litros, presión de 1 bar y temperatura de 30ºC al inicio de la carrera de compresión; si la relación de compresión es de 11:1 y se agregan 210 KJ de calor, utilice el modelo de aire estándar con calor específico variable y determine:

· La presión, temperatura y volumen en cada estado del ciclo.

· La presión media efectiva.
· La eficiencia térmica del ciclo.
· La potencia ideal desarrollada por la máquina en KW si gira a 750 rpm.

2. Un motor con un cilindro con diámetro de 200 mm y carrera de 300 mm trabaja en un ciclo Diesel teórico. La presión y la temperatura inicial del aire empleado son 1 bar y 27ºC, respectivamente; si el corte de la inyección es a 8% de la carrera y la relación de compresión es 15, utilice el modelo de calor específico variable y determine:

· La presión, la temperatura y el volumen en cada estado del ciclo.

· La eficiencia térmica del ciclo.

· La presión media efectiva.

3. En una turbina de gas, el aire entra al compresor de baja presión a 15°C y 1,1 bar para salir de éste y entrar a un interenfriador del cual sale a 22°C; el aire enfriado pasa a través del compresor de alta presión, luego pasa a un regenerador y después pasa a la cámara de combustión de donde sale a 677°C. Estos productos pasan a través de la turbina de alta presión, la cual impulsa a ambos compresores mientras que la turbina de baja presión es la que impulsa al generador eléctrico de la planta. Los gases que salen de la TBP se utilizan para precalentar el aire en el regenerador. Si la relación de presión en cada compresor es 2, la eficiencia isentrópica de cada compresor y cada turbina es 0.85, la eficacia del regenerador es 75% y el flujo de aire es 15 Kg/seg. Asumir calor específico variable y determine la potencia neta generada y la eficiencia térmica de la planta.

4. Una turbina de gas opera en un ciclo Brayton cerrado regenerativo entre las temperaturas de 1540°F y 60°F y entre los límites de presión de 15 psia y 70 psia con eficiencias de 80% y 85% para el compresor y la turbina respectivamente. Esta planta de gas se combina con una planta de vapor que opera en un ciclo Rankine con recuperación interna de calor mediante un calentador de contacto directo; en este ciclo el vapor entra a la turbina, la cual tiene 85% de eficiencia, a 600°F y funciona entre los niveles de presión de 400 psia, 100 psia y 1 psia. Dibuje el esquema de la unidad de ciclo combinado, utilice el modelo de calor específico constante y determine la eficiencia de cada  ciclo: gas, vapor y combinado. 

Hasta la próxima...👍