ciclos de vapor
Se analizan
los ciclos de potencia de gas en los que le fluido de trabajo permanece como
gas durante todo el ciclo. Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que
el fluido de trabajo se evapora y se condensa alternadamente. La constante
demanda de eficiencias térmicas más altas han producido algunas modificaciones innovadoras
en el ciclo básico de potencia de vapor, entre estos se estudia ciclos con
recalentamiento y regenerativo así como ciclos combinados de potencia de gas y
vapor. El vapor de agua es el fluido más comúnmente usado en estos ciclos debido a sus muchas y
atractivas características como bajo costo, disponibilidad y alta entalpia de vaporización.
El ciclo
Rankine opera con vapor y se utiliza en las centrales termoeléctricas. Consiste
en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión de vapor,
este será llevado a una turbina donde se produce energía cinetica a costa de
perder presión, su camino continua hasta llegar al condensador donde lo que
queda de vapor es convertido en liquido nuevamente para que entre a una bomba
que le suba la presión e introducirlo nuevamente a la caldera.
ciclo Rankine
Los diagramas
p-v en los que interviene un liquido que se evaporiza tiene una diferencia
respecto a los de gas; aparece la llamada campana de cambio.
A la
izquierda de la campana tenemos estado líquido, que apenas varía su volumen
cuando se calienta o se aumenta su presión. Por eso las líneas isotermas son
casi verticales.
A la
derecha de la campana tenemos vapor, que se comporta como un gas, por lo que
las líneas isotermas son similares a las de los gases ideales.
En
el interior de la campana, el líquido se está evaporando, y las líneas de
temperatura constante son horizontales. Esto es debido a que dada una presión,
el calor que se le aporte al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino
en la evaporación.
-En el proceso 1-2 se aumenta la presión del líquido
sin pérdidas de calor mediante un compresor o bomba, al que se aporta un
pequeño trabajo.
- El proceso 2-3 es una transmisión de calor hacia el
fluido de trabajo a presión constante en la caldera. Con este calor se evapora
todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura máxima.
- La expansión del proceso 3-4 se
realiza de forma adiabática. El vapor realiza un trabajo en la turbina desde la
presión de la caldera hasta un valor bajo de presión al cual se transfiere el
vapor al condensador.
- El proceso 4-1 consiste en refrigerar el vapor de
trabajo a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido, para
iniciar de nuevo el ciclo.
ciclo Hirn
En
el ciclo Hirn, el vapor tiende a salir de la máquina (o expansor) con título
bastante inferior a 1. Esto es notablemente más así cuando se usa condensador.
El tener un título pequeño (típicamente del orden de 0,80 o menos) implica que
del total de fluido que sale del expansor, 20% o más es líquido. Cuando se
trata de máquinas alternativas (cilindro-pistón), este es un inconveniente no
muy grave, pero cuando se trata de máquinas rotativas (turbinas) en que el
vapor fluye a través de los elementos a alta velocidad, esto causa desgaste y
erosión en las piezas fijas y móviles.
El
segundo inconveniente, menos aparente, pero mucho más importante desde el punto
de vista termodinámico, tiene que ver con las irreversibilidades termodinámicas. Estas
siempre existen, pero si yo uso un combustible (llama) como fuente de calor, el
efecto puede ser muy grave.
En
este diagrama T-S vemos que, si utilizamos un combustible en
la caldera, aunque la pérdida de eficiencia con respecto al Carnot
correspondiente es "aceptable" si uno considera la temperatura de la
caldera como fuente caliente, esta es muy elevada si uno
considera la temperatura de llama como la fuente caliente. Además vemos que el
vapor sale de la máquina con título pequeño, por lo tanto el vapor de descarga
es bastante húmedo.
La bomba recolecta
condensado a baja presión y temperatura. Típicamente una presión menor a la
atmosférica, estado (4) y comprime el agua hasta la presión de la caldera
(5). Este condensado a menor temperatura de la temperatura de
saturación en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se
calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia la ebullición del líquido.
En (1) se extrae el vapor de la caldera (con un título muy cercano a 1)
y luego se conduce el vapor al sobrecalentador. Este elemento es un
intercambiador de calor (similar a un serpentín) al que se le entrega calor a
alta temperatura. Por lo tanto el vapor se calienta (aumentando su temperatura)
hasta salir como vapor sobrecalentado en el estado (2).
El vapor que sale del sobrecalentador se lleva al expansor o turbina.
Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada
a la temperatura de condensación (3). El vapor que descarga la máquina
entra al condensador donde se convierte en agua al entrar en
contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior
(típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador,
donde se extrae (4) prácticamente como líquido saturado.
ciclo Carnot
Este
ciclo fue ideado por el francés Sadi Carnot en 1824 para analizar el elevado
rendimiento de las locomotoras británicas. El llamado motor de Carnot trabaja
cuando le damos una cantidad de calor QENTRA desde una fuente a alta
temperatura y le eliminamos un calor QSALE hacia otra fuente a baja
temperatura, produciendo un trabajo W.
El rendimiento viene definido, como en
todo proceso cíclico, por:
|
Las etapas de este motor imaginario son:
elaborado por: Adrian Salvador Gomez Fierro (2017) Instituto Tecnológico Jose Mario Molina Campus el Grullo
Referencias
Averro. M. (2007). Maquinas térmicas.
Recuperado de: http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/simples.html
Yunus A. Cengel Michael A.
Boles. (2010).Termodinámica. Ciclos de vapor. Editorias: MC Graw Hill education.
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