Comparativa de Ciclos Termodinámicos: Carnot, Rankine, Brayton y Otto

Ciclo de Carnot

Carnot fue el primero en abordar el problema del rendimiento de un motor térmico. Obtuvo la expresión del rendimiento máximo de un motor. Según este, un motor térmico tendrá mejor rendimiento cuando el tubo que representa el trabajo obtenido sea lo más ancho posible, y el tubo que representa el calor que sale por el escape sea lo más estrecho posible (proceso reversible).

• T1 (Expansión Isotérmica): Expansión isotérmica de M1 a M2 a la temperatura de Tc = T1 = T2.
• T2 (Expansión Adiabática): Expansión adiabática hasta alcanzar la siguiente isoterma Tf = T3 = T4. No hay intercambio de calor.
• T3 (Compresión Isotérmica): El gas se comprime isotérmicamente a la temperatura Tf del foco frío.
• T4 (Compresión Adiabática): El gas se comprime adiabáticamente y la temperatura pasa de T4 = Tf al valor inicial T1 = Tc.

El rendimiento de Carnot depende de las temperaturas del foco frío y del caliente.

Ciclo de Rankine

El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que se utiliza en motores de combustión externa.

1. Comenzamos con el líquido que sale de la bomba a presión constante para pasar a líquido saturado. Atraviesa dos isotermas. Tarea del precalentador: calentar el agua a la presión existente en la caldera hasta alcanzar la saturación.
2. Se calienta en la caldera, el agua pasa a vapor saturado.
3. En el interior del motor cede energía y el vapor ahora es húmedo.
4. En el condensador, el vapor húmedo condensa hasta la saturación en el intercambiador de calor.
5. El líquido se comprime adiabáticamente hasta la presión de la caldera.

Se suelen realizar modificaciones para mejorar el rendimiento:

• Recalentamiento del vapor de salida de la turbina.
• Precalentamiento del agua a la entrada de la caldera mediante la extracción de una parte del vapor antes de la expansión (ciclo regenerativo).

Ciclo de Brayton

El ciclo de Brayton describe el funcionamiento ideal de un motor de turbina de gas.

1. Entra el aire, en el compresor aumenta su presión y temperatura.
2. A presión constante, el aire entra en contacto con el combustible, subiendo la temperatura y absorbiendo calor.
3. Los gases se expanden adiabáticamente, baja la temperatura y la presión.
4. Los gases ceden calor, la temperatura baja de T4 a T1.

Funcionamiento de Motores Alternativos

Motores de 4 Tiempos

1. Admisión: El pistón crea un vacío aspirando aire a través de la válvula de admisión.
2. Compresión: La válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al punto muerto inferior (PMI). A la vez, el pistón sube comprimiendo la carga.
3. Expansión: Inflamación del combustible, aumenta la presión y la temperatura, el pistón baja.
4. Escape: Se abre la válvula de escape, el pistón sube, los gases salen. Al llegar al punto muerto superior (PMS), el ciclo se repite.

Motores de 2 Tiempos

1. El pistón está en el PMS. Se produce la inflamación, los gases se expanden hasta que el pistón abre la lumbrera de escape. El pistón, al ir bajando, abre la comunicación cilindro-cárter. El fluido entre el cilindro termina de barrer los gases de combustión hacia la lumbrera de escape.
2. El pistón sube desde el PMI y se cierran las lumbreras de admisión y escape. Comienza la compresión. La lumbrera de admisión queda abierta y entra fluido en el cárter.

Tipos de Encendido

• Encendido por Chispa: El combustible se mezcla con aire antes de entrar en el cilindro, en un carburador. Una chispa suministrada por una bujía, un momento antes de que el pistón llegue al PMS, inicia la combustión. El avance del encendido aumenta en función del aumento de las revoluciones.
• Encendido por Compresión: En el tiempo de admisión, solo entra aire. Este es comprimido, elevando su temperatura hasta que, al inyectar el combustible, este se inflama.

Ciclo de Otto

El ciclo de Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina).

Ciclo Otto con Encendido por Chispa

1. Admisión.
2. Compresión adiabática.
3. Explosión y absorción de calor.
4. Expansión adiabática del pistón.
5. Escape de gases.
6. Expulsión de gases.

Ciclo Otto con Encendido por Compresión (Diésel)

1. Admisión.
2. Compresión adiabática.
3. Absorción de calor.
4. Expansión adiabática.
5. Cesión de calor.
6. Expulsión de gases.