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:
- En el proceso 1-2 le damos calor al aire del cilindro, manteniendo la temperatura constante e igual a la de la fuente a alta temperatura TA. Esto provoca un aumento de volumen y de presión, por lo cual, todo el calor transferido es convertido en trabajo.
- En el proceso 2-3 se permite una expansión adiabática sin intercambio de calor con el exterior, a fin de disminuir la temperatura y a costa de perder presión.
- En el proceso 3-4 se pone en contacto el sistema con la fuente de calor a baja temperatura TB y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema.
- Por último, en el proceso 4-1 se mantiene aislado térmicamente el sistema mientras se comprime, con lo cual aumenta su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema.








elaborado por: Adrian Salvador Gomez Fierro (2017) Instituto Tecnológico Jose Mario Molina Campus el Grullo



Referencias

Yunus A. Cengel Michael A. Boles. (2010).Termodinámica. Ciclos de vapor. Editorias: MC Graw Hill education.

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