Principios de los Ciclos Termodinámicos: Semidiésel, Joule-Brayton y Regenerativo

Ciclo Semidiésel

El ciclo semidiésel es un proceso termodinámico fundamental en motores de combustión interna. A continuación, se describen sus fases principales:

1. Se abre la válvula de admisión y se produce la aspiración (M-A) solamente de aire.
2. Se comprime adiabáticamente el aire (transformación A-B) hasta que el émbolo llega al punto muerto superior.

La relación de compresión no es tan elevada como en el diésel, llegando la presión solo a 20 o 25 kg/cm² y resultando la temperatura inferior a 800 °C. Por lo tanto, para obtener la combustión, es preciso conseguir un aumento de temperatura, lo que se logra por calentamiento de la cámara de combustión o haciendo que el combustible entre a mayor temperatura dentro de la cámara.

Se logra la combustión que, al principio, debido al exceso de calor generado, es más rápida que el movimiento del émbolo, produciéndose a volumen constante (según B-C). Más tarde, la combustión se produce a presión constante (según C-D), tomando las cantidades de calor Q1' y Q1''. El ciclo se completa con la expansión D-E, luego el enfriamiento E-A, cediendo Q2 kilocalorías a la fuente fría, y finaliza con la expulsión o escape de los productos (A-M).

Ciclo Joule o Brayton

Este ciclo termodinámico se produce principalmente en la turbina de gas. Su funcionamiento se basa en las siguientes etapas:

• Se comprime previamente el aire en un compresor.
• El aire comprimido pasa a una cámara de combustión, donde se inyecta el combustible y se produce la combustión a presión constante.
• Los gases de la combustión se expanden luego en la tobera de la turbina, aumentando de forma apreciable su energía cinética, lo cual les permite pasar por los álabes de la rueda móvil, donde entregan trabajo.

Llamando rp a la relación de las presiones p2/p1, lo cual constituye la expresión del rendimiento térmico de este ciclo.

Para mantener la temperatura T3 de entrada a la turbina, existirá una temperatura intermedia T2 que conviene adoptar para obtener el trabajo máximo.

Cuando se cumple esta condición (T4=T2), es decir, la temperatura de salida de los gases de la turbina es igual a la de la entrada del aire a la cámara de combustión.

Ciclo Regenerativo de una Turbina de Gas

Para mejorar el rendimiento del ciclo anterior (Joule o Brayton), se agrega un regenerador de calor o economizador. Este dispositivo aprovecha la temperatura de los gases de escape para calentar el aire ya comprimido que ingresa a la cámara de combustión, siempre que T4 > T2.

Con este dispositivo, se disminuye la cantidad de calor que debe entregar la fuente caliente para realizar un ciclo de igual trabajo, y entonces aumenta el rendimiento, balanceando las cantidades de calor que se intercambian en las transformaciones 2-3 y 5-6.