Ciclos termo: Otto, Diesel, Brayton, Rankine y COP

La página Thermo Cycles analiza ciclos termodinámicos cerrados en dos capas. La pestaña Ideal-gas cycles contiene seis ciclos de aire estándar — Otto, Diesel, Brayton (con regeneración e interenfriamiento), Atkinson, Stirling y Carnot — y devuelve al instante rendimiento, trabajo neto, puntos de estado y diagramas P-v y T-s. La pestaña Real-fluid cycles cubre potencia de vapor Rankine, además de refrigeración por compresión de vapor y bombas de calor con R134a. Cada resultado aparece junto al rendimiento de Carnot para sus propios límites de temperatura, y el motor rechaza cualquier ciclo que cruce ese límite.

更新 2026-10-016 个来源约 5 分钟读完

Cómo ejecutar un ciclo

Elige la capa.La barra de pestañas alterna entre Ideal gas y Real fluid; cada capa tiene su propia ruta, /engineering/cycles/ideal y /engineering/cycles/real.
Fija el estado y los parámetros del ciclo.Los ciclos ideales comparten un fluido de trabajo, la temperatura de entrada T₁ en kelvin y la presión p₁ en kPa; cada pestaña añade sus propios campos — r y q_in para Otto y Atkinson, r y r_c para Diesel, r_p, T₃ y ajustes de pérdidas para Brayton, T_h y T_c para Carnot y Stirling.
Lee las tarjetas antes que las curvas.Rendimiento, límite de Carnot, trabajo neto, calor de entrada/salida y presión media efectiva están encima de la tabla de estados y de los gráficos P-v / T-s; una franja inferior repite Atkinson, Otto y Diesel con el mismo r y el mismo calor aportado.
Maneja los ciclos de fluido real.Rankine abre a 3 MPa / 350 °C → 75 kPa, con recalentamiento opcional o un calentador de agua de alimentación abierto (gana el recalentamiento); refrigeración y bomba de calor comparten un ciclo de R134a. Añade un flujo másico o una carga de refrigeración para kW/MW, o carga CoolProp para propiedades de nivel REFPROP.

Lecturas resueltas

Todas las lecturas son la visualización del propio panel.

Entrada	Lecturas mostradas
Otto: r = 8, T₁ = 300 K, p₁ = 100 kPa, q_in = 1800 kJ/kg	η 56.472%, límite de Carnot 90.619%, w_net 1,016.5 kJ/kg, MEP 1,349.3 kPa, estado 3 3197.91 K
Diesel: r = 18, r_c = 2	η 63.158%, w_net 604.8 kJ/kg
Brayton: r_p = 8, T₃ = 1300 K	η 44.796%; η_c 0.8 / η_t 0.85 → 27.411%; regeneración ε = 0.8 → 54.912%
Atkinson: r = 8, q_in = 1800 kJ/kg	η 66.637%
Rankine: 3 MPa / 350 °C → 75 kPa	η 25.80%, w_turbine 686.2 / w_pump 3.03 kJ/kg, calidad 0.863, 20 kg/s → 13.663 MW
R134a: −20 °C / 40 °C	COP 2.58, COP_hp 3.58, q_evap 130.15 kJ/kg, calidad de estrangulamiento 0.389, carga de 3.5 kW → 1.356 kW

A 15 MPa / 600 °C → 10 kPa, el recalentamiento eleva el rendimiento de 41.59% a 43.47% y la calidad de salida de 0.72 a 0.92.

Qué suponen los números

La capa ideal es un análisis de aire estándar: γ constante, cp y cv constantes, procesos reversibles, así que el rendimiento de Otto y Brayton depende solo de las relaciones, no del calor añadido. La capa de fluido real interpola tablas de saturación integradas (agua, R134a) y un modelo de sobrecalentamiento de gas ideal, marcando el resultado como datos de reserva; CoolProp lo sustituye por ecuaciones de estado de energía libre de Helmholtz. Cada ciclo se comprueba dos veces — el trabajo neto debe igualar el calor de entrada menos el de salida, y el rendimiento debe quedar por debajo de 1 − T_min/T_max.

Límites que conviene recordar

Aire estándar, no una simulación.: Calores específicos constantes y procesos reversibles implican sin química de combustión, sin distribución de válvulas y sin fricción; usa esta capa para comparar formas y comprobar respuestas de libro, no para predecir el consumo de combustible de un motor.
Las propiedades de reserva llevan un error conocido.: Sin CoolProp, los estados de fluido real salen de tablas integradas (agua 5–20,000 kPa, R134a −40 a 90 °C): la entalpía y la entropía se desvían alrededor de 0.5–1% y el rendimiento unos medio punto. Las entradas fuera de las tablas se rechazan, nunca se extrapolan.
Lo que no hace.: No hace transitorios de arranque, dimensionamiento de caldera o intercambiador, modelado de combustión ni refrigerantes distintos de R134a. Convierte las presiones y temperaturas que escribas en el conversor de presión y el conversor de temperatura; la simulación dinámica de sistemas está en el Engineering Lab.

El diésel que parece eficiente no es la forma eficiente

La franja comparativa en r = 8 y q_in = 1800 kJ/kg lee Atkinson 66.64%, Otto 56.47%, Diesel 40.10% — el ciclo diésel queda el último, no el primero. La aportación de calor a presión constante lo convierte en el menos eficiente de los tres con idéntica relación de compresión y calor aportado; el ajuste r = 18 alcanza 63.158% solo por la relación más alta. La otra trampa de nombres es la propia r: r_p = 8 de Brayton es una relación de presiones (η 44.796%), no la relación de compresión de Otto r = 8 (η 56.472%), y las dos no tienen relación entre sí.

Dónde encaja

Comprobaciones de libro y deberes

El ejemplo 10-1 de Cengel es el ajuste de Rankine: 3 MPa / 350 °C → 75 kPa lee η 25.80% frente al 26.0% del libro y calidad 0.863 frente a 0.8861. La diferencia es el modelo declarado de propiedades de reserva; cargar CoolProp la reduce.

Motores, híbridos y bombas de calor

Otto con r = 8 lee 56.472%, y r = 16 dispara el aviso de límite de detonación; la expansión completa de Atkinson alcanza 66.637% con el mismo r, por eso lo usan los híbridos. R134a a −20 / 40 °C da COP 2.58 para enfriar, 3.58 como bomba de calor, y una carga de 3.5 kW consume 1.356 kW.

Referencias

Wikipedia, Otto cycle — η = 1 − r^(1−γ). en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Diesel cycle — la relación de corte y el límite r_c → 1. en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Brayton cycle — relación de presiones, trabajo de retorno y regeneración. en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Rankine cycle — recalentamiento y regeneración con agua de alimentación. en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Vapor-compression refrigeration — COP y la válvula de expansión. en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Bell et al., CoolProp (Ind Eng Chem Res 53:2498–2508, 2014) — el backend opcional de propiedades con EOS de Helmholtz. coolprop.org （访问日期：2026-10-01）