Motor Otto

Nikolaus August Otto

Ingeniero alemán que perfeccionó el motor de combustión interna (Holzhausen, Nassau, 1832 - Colonia, 1891). En 1861 diseñó un primitivo motor de combustión interna, que consumía gas de alumbrado; para su comercialización se asoció con el industrial Eugen Langen y fundaron juntos una fábrica en Colonia (1864).

         

En 1876 perfeccionó aquel modelo aplicando el ciclo de cuatro tiempos que había patentado Alphonse Beau de Rochas seis años antes; desde entonces se llama ciclo de Otto al ciclo de cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión y escape) que desarrollan los cilindros de estos motores durante dos vueltas completas del cigüeñal, pues fue Otto el primero en ponerlo en práctica construyendo un motor de cuatro tiempos como los que constituyen la base de los motores de los automóviles modernos.

Al hacerlo proporcionó el primer motor eficaz alternativo a la máquina de vapor, abriendo una nueva era en la industria. No obstante, fue uno de sus colaboradores, Daimler, quien dio el paso definitivo -una vez abandonados los talleres de Otto- introduciendo la gasolina como combustible. A pesar del éxito económico inicial de sus motores, Otto perdió la patente en 1886, al descubrirse la anterioridad del invento de Beau de Rochas.

Primer motor Otto 1867

Como funciona

Otto 4 tiempos

Funcionamiento en linea Motor Otto

Diferencias entre Carburación e Inyección

Motor Atkinson

Ciclo Atkinson (retardo en valvula de admisión en aproximadamente 20°)

                                      Comparación de Ciclos  Otto y Atkinson

Motor con inyección de agua para mejorar potencia y rendimiento.

                                  Inyección de agua ¿ Como funciona?

MOTOR ROTATORIO LIQUID PISTON

Motor X2 desarrollado por el ingeniero mecánico Nikolai Shkonik pesa apenas 2 kg desarrolla una potencia de 40 hp a 5020 rpm consume diferentes combustibles y no requiere válvulas, sistemas de refrigeración, radiadores o camisas, pero promete una eficiencia Termodinámica de 75 %, funciona con un ciclo de alta eficiencia y combina las características de Otto, Rankine y Atkinson.

La idea no es nueva. El motor Wankel de 1924 es el motor de tipo rotatorio más conocido que existe, pero tiene mayor costo de mantenimiento y mayores emisiones. En lugar de un rotor triangular, el X2 se basó en un diseño de rotor redondeado tipo lóbulo en una cámara de triangular.

En comparación, el motor X2 es casi un motor Wankel. Un Liquid Piston de 220 hp pesa solo 13 kg y mide 25X25x20 cm.

Motor Audi a4 2.0 turbo

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TURBINA DE VAPOR

Turbina de Vapor

La turbina de vapor es una maquina térmica que transforma la energía calorífica en trabajo mecánico, una de sus aplicaciones es en las plantas termoeléctricas para producir electricidad. En el siguiente video se muestra como se transforma la energía termica del vapor en trabajo mecánico

El siguiente vídeo, muestra como trabaja la turbina de vapor en conjunto con el condensador, bomba de recirculación de alta presión y el generador de vapor en una termoeléctrica para generar energía eléctrica  con vapor de alta presión.

El siguiente video muestra  el funcionamiento típico de una de las plantas Termoeléctricas de las instalaciones de  la Comisión Federal de Electricidad en México.

  

                                                Da un click en la figura para ver el video

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REFRIGERACION

Refrigeración Balance Termodinámico

El arte de la refrigeración basado en el hielo natural es muy antiguo y se practicó mucho antes de construirse cualquier máquina térmica. Hay escritos chinos, anteriores al primer milenio A.C. que describen ceremonias religiosas para llenar en invierno y vaciar en verano sótanos de hielo. Los antiguos romanos utilizaban el hielo de los Apeninos, y según Las mil y una noches, en la Edad Media caravanas de camellos transportaban hielo desde el Líbano a los palacios de los califas en Damasco y Bagdad.

La primera máquina de refrigeración continua realmente operativa fue la construida en 1874 por Carl Ritter von Linde  (Berndorf 1842 - Munic 1934 ). William Hampson y Carl von Linde presentaron de forma independiente la patente del ciclo en 1895, que se comercializó por General Electric hasta 1927. Actualmente los refrigeradores domésticos son modelos más prácticos y amigables con el ambiente, y funcionan a través de un sistema de compresión de gas.

                                             Vídeo Carl Von Linde and Refrigeration

Balance Termodinámico de Ciclo de Refrigeración

Publicada 21/5/16   Academia Térmicas ESIME AZC. Derechos Reservados
Prof: Jesús Reyes Z

El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor. Se compone de cuatro procesos.

Balance de energía en partes principales

1-2    Compresión adiabática isoentrópica en el compresor.

2-3    Rechazo de calor a presión constante en el condensador.

3-4    Estrangulamiento isoentálpico en la válvula termostática de expansión.

4-1    Absorción de calor a presión constante en el evaporador (efecto refrigerante).

Los refrigeradores son máquinas cíclicas y los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes ( se pueden descargar las propiedades termodinámicas de algunos refrigerantes al final en los enlaces correspondientes).

En el ambiente de la refrigeración, El calor que se retira en el evaporador, se conoce como la capacidad de enfriamiento del equipo, y usualmente se emplea la tonelada de refrigeración (TR) como una medida de esta capacidad, cuyo equivalente en  kW es. 

                                                             1TR = 3.517 kW

                                                               1TR = 12000 BTU/hr

                                                               1TR = 3024 kCal/hr

En el siguiente vídeo, se muestra como trabaja el ciclo de refrigeración por compresión de vapor y la función que tiene cada uno de los componentes.

Refrigerador domestico

Mini Split

Los equipos mas usuales que vemos a diario, es el refrigerador domestico y los equipos de acondicionamiento de aire para casas habitación en el siguiente vídeo podemos ver como funcionan estos equipos.

Otra máquina que transfiere calor de un medio de baja temperatura a otro de alta temperatura es la bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas de calor son esencialmente lo mismo; únicamente. difieren en sus objetivos. El objetivo de un refrigerador, es mantener el espacio refrigerado a baja temperatura, en tanto que el de una bomba de calor es mantener un espacio caliente a temperatura alta.

El desempeño de los refrigeradores y las bombas de calor se expresa en términos del coeficiente de operación. (COP), definido como.

  

El funcionamiento de una bomba de calor lo podemos ver en el siguiente vídeo.

Bomba de calor

Downloads de refrigerantes.

Tablas de propiedades termodinámicas de  refrigerantes en pdf, para descargar la tabla, da click en el refrigerante deseado.

R134A
R404A
R410A
R22
R717(NH3 saturado)
R717(NH3 recalentado)

Diagramas presión entalpía de refrigerantes en pdf, para descargar el diagrama P-h, da click en el refrigerante deseado.

R134A
R404A
R410A
R22
R717

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video calentamiento

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Relaciones Tds

Las relaciones Tds para procesos reversibles e irreversibles son:

Como:

así:

Por lo que:

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Escala de Temperaturas

Lord Kelvin (1848) establece a partir del teorema de Carnot una nueva escala de temperaturas que no depende de las propiedades del cuerpo.

                                        LA TEMPERATURA Y LA LEY DE LOS GASES IDEALES

Estableciendo un número cualquiera de máquinas de Carnot, sí el trabajo de todas las máquinas es igual.



Sea Tf = 0°C la temperatura absoluta de fusión del hielo y Te = 100°C la temperatura absoluta de ebullición del agua, dividiendo en cien el intervalo.



Realizando experimentalmente un ciclo de Carnot entre estas dos temperaturas, se obtendrá un rendimiento de η.





Siendo la escala Termodinámica de temperaturas.


 

                                                     BAJAS TEMPERATURAS








 

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Bomba de Calor

Una bomba de calor es un dispositivo mecánico que transporta energía térmica de una región a baja temperatura a una región a temperatura mayor. La figura es una representación esquemática de una bomba de calor. La temperatura exterior es Tf y la energía térmica absorbida por el fluido circulante es Qf. La bomba de calor realiza un trabajo W sobre el fluido, y la energía térmica transferida de la bomba de calor hacia el interior del edificio es Qc.

La eficacia de la bomba de calor, en el modo de calentamiento, se describe en función de un número conocido como el coeficiente de operación, COPbc. Éste se define como la razón entre el calor transferido al depósito y el trabajo que se requiere para transferir el calor.





Una máquina térmica en un ciclo de Carnot que opere a la inversa constituye una bomba de calor; de hecho, es la bomba de calor con el coeficiente de rendimiento más alto posible para las temperaturas entre las cuales opera. El máximo coeficiente de realización es:





En este caso, el coeficiente de realización más alto posible es también el de un refrigerador cuya sustancia de trabajo se lleva por un ciclo de máquina térmica de Carnot a la inversa.

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Refrigerador de Carnot

                                                               SADI CARNOT

En su libro "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance," Sadi Carnot también aborda el funcionamiento del refrigerador, aunque lo llama "máquina inversa". Describe cómo este dispositivo puede extraer calor de un cuerpo frío y transferirlo a uno más cálido mediante un ciclo termodinámico inverso. Carnot destaca que la eficiencia del refrigerador depende de la relación de temperaturas y subraya la importancia de la segunda ley de la termodinámica para comprender su operación. Su trabajo sentó las bases para el desarrollo posterior de sistemas de refrigeración y climatización, permitiendo aplicaciones prácticas y mejoras tecnológicas en este campo.

Se sabe que el calor se transfiere en la dirección de la temperatura más alta a la más baja, este proceso ocurre en la naturaleza sin requerir ningún dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso no puede ocurrir por si mismo, como lo dice el enunciado de Clausius.

La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere de un refrigerador. Al invertir el ciclo de la máquina térmica de Carnot, obtenemos un ciclo de refrigeración de Carnot. Todos los procesos son internamente reversibles.

El refrigerador trabaja de un modo muy similar a una bomba de calor; enfría su interior bombeando energía térmica desde los compartimientos de almacenamiento de los alimentos hacia el exterior más caliente. Durante su operación, un refrigerador elimina una cantidad de energía térmica Qf del interior del refrigerador, y en el proceso (igual que la bomba de calor) su motor realiza trabajo W. El coeficiente de realización de un refrigerador o de una bomba de calor se define en términos de Qf:




En este caso, el coeficiente de realización más alto posible es también el de un refrigerador cuya sustancia de trabajo se lleva por un ciclo de máquina térmica de Carnot a la inversa.

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Maquina Térmica de Carnot

                                                               SADI CARNOT

El libro "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance" (Reflexiones sobre la Potencia Motriz del Fuego y sobre las Máquinas Apropiadas para Desarrollar esta Potencia), escrito por Sadi Carnot y publicado en 1824, es considerado el fundamento de la Termodinámica. Carnot analiza las máquinas térmicas y establece el concepto de "ciclo termodinámico ideal". Introduce la noción de que el rendimiento de una máquina depende de la diferencia de temperatura entre la fuente caliente y la fuente fría. Su trabajo sentó las bases para futuros desarrollos en esta ciencia y es esencial en el estudio de la conversión de energía térmica en trabajo mecánico.

"Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento al menos de dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La máquina funcionará tomando calor de la fuente de mayor temperatura, producirá trabajo y entregará calor a la fuente de menor temperatura".

El esquema representativo de una máquina térmica que funciona de acuerdo con el enunciado de Carnot del segundo principio se indica en la siguiente figura.

Siendo su rendimiento.

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Proceso irreversible

Todos los procesos que no son reversibles son irreversibles. Estos involucran rozamiento, perdidas de calor y otras irreversibilidades.

Un proceso irreversible es aquel que no puede invertirse, a menos que se efectue un cambio de los alrrededores. Ocurren expontaneamente en una dirección determinada con cambios drásticos del sistema y su entorno, lo que hace imposible la irreversibilidad.

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Proceso reversible

Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin dejar ninguna huella en los alrededores, Tanto el sistema como sus alrededores regresan a sus estados iniciales al finalizar el proceso.

 El trabajo del proceso de 1-2 es el mismo de 2-1, por lo que no serán afectados los alrededores, ni el sistema, cuando regresan a su estado original.

 W1-2 = W2-1

 Ejemplos de ´Procesos Reversibles.

1.- Expansión o compresión controlada (muy lenta) de un gas.

2.- Movimiento sin fricción.

3.- Deformación elástica de un sólido

En realidad los procesos reversibles no ocurren en la naturaleza. Son idealizaciones de los procesos reales, que sirven como modelos para ser comparados con los procesos reales.

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