CICLO DE HIRN (Actualizado a Mayo de 2002)
Introducción: Ya vimos vimos en el punto anterior que un ciclo de Rankine es Rankine es termodinámicamente muy similar a su ciclo de Carnot correspondiente. Sin embargo tiene algunos defectos de importancia: En primer lugar, el vapor tiende a salir de la máquina (o expansor con t!tulo bastante inferior a ". Esto es notablemente más as! cuando se usa condensador. El tener un t!tulo peque#o (t!picamente del orden de $,%$ o menos implica que del total de fluido que sale del expansor, &$' o más es l!quido. Cuando se trata de máquinas alternativas (cilindropist)n, (cilindropist)n, este es un inconveniente no muy grave, pero cuando se trata de máquinas rotativas (turbinas en que el vapor fluye a trav*s de los elementos a alta velocidad, esto causa desgaste y erosi)n en las pie+as fias y m)viles. El segundo inconveniente, menos aparente, pero muc-o más importante desde el punto de vista termodinámico, tiene que ver con las irreversibilidades irreversibilidades termodinámicas. termodinámicas. Estas Estas siempre existen, pero si yo uso un combustible (llama como fuente de calor, el efecto puede ser muy grave. n tercer inconveniente de los ciclos de /an0ine es que a medida que la presi)n en la caldera sube (lo cual implica mayor temperatura de fuente caliente, el vapor despu*s de la expansi)n sale a un t!tulo a1n menor (es decir con más agua. En las siguientes figuras se ilustran estos inconvenientes o desventaas.
Rankine con T llama como uente caliente En este diagrama con ciclo de Carnot correspondiente se ve que -ay gran p p*rdida *rdida de exerg!a. 2demás 2demás el punto (! (! sale en +ona de vapor -1medo.
En este diagrama T"# T"# vemos que, si utili+amos un combustible en la caldera, aunque la p*rdida de eficiencia con respecto al Carnot correspondiente es 3aceptable3 si uno considera la temperatura de la caldera como fuente caliente, esta es mu$ mu$ elevada elevada si uno considera la temperatura de llama como la fuente caliente. 2demás vemos que el vapor sale de la máquina con t!tulo peque#o, por lo tanto el vapor de descarga es bastante -1medo.
En esta figura vemos el efecto de aumentar la presi)n (y temperatura en la caldera. 2 medida que esta sube, el punto (( se corre -acia arriba y la i+quierda, por lo tanto la descarga de la máquina, punto (! tambi*n se corre a la i+quierda y el vapor sale más -1medo. El nuevo punto de salida del vapor de la caldera es (() y el de descarga de la turbina el (!). Com%aración de dos ciclos Rankine en &ue se sube %resión del se'undo
4a soluci)n a ambos problemas implica introducir un sobrecalentamiento del vapor. Es decir, el vapor se saca de la caldera y se sigue calentando (aumentando su temperatura a presi)n constante. Esto se ilustra en el diagrama T"# adunto. Este ciclo de Rankine con sobrecalentamiento se conoce como ciclo de Hirn. 4a descripci)n detallada del ciclo se da en el pr)ximo párrafo. Ciclo de Hirn o de Rankine con sobrecalentamiento
Ciclo de Hirn: 5al como se indic) en el párrafo precedente, el ciclo de Hirn es básicamente un ciclo de Rankine al que se le agrega un sobrecalentamiento. Esto lo vemos ilustrado en las siguientes figuras que muestran en detalle el proceso en diagrama de bloques, %"* y T"#.
4a bomba recolecta condensado a baa presi)n y temperatura. 5!picamente una presi)n menor a la atmosf*rica, estado (+ y comprime el agua -asta la presi)n de la caldera(,. Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturaci)n en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcan+ando la saturaci)n y luego se inicia la ebullici)n del l!quido. En (( se extrae el vapor de la caldera (con un t!tulo muy cercano a " y luego se conduce
Es&uema blo&ues de ciclo de va%or de Hirn
el vapor al sobrecalentador. Este elemento es un intercambiador de calor (similar a un serpent!n al que se le entrega calor a alta temperatura. 6or lo tanto el vapor se calienta (aumentando su temperatura -asta salir como va%or sobrecalentado en el estado (!. El vapor que sale del sobrecalentador se lleva ale-%ansor o turbina. 2ll! se expande, recuperando trabao, en la turbina, -asta la presi)n asociada a la temperatura de condensaci)n (. 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 (t!picamente por agua. El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae (+ prácticamente como l!quido saturado. 2ll! la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.
Dia'rama %"* de ciclo de va%or de Hirn
En diagrama %"*, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con peque#as cruces, cerca del n1mero correspondiente: En (( la caldera entrega vapor saturado (por lo tanto con t!tulo x7". 4uego se tiene el proceso (((! en que el vapor se sobrecalentado a presi)n constante. Sale en el estado (! y all! entra a la turbina. 2ll! el vapor se expande entre la presi)n de la caldera y la presi)n del condensador 8proceso (!(9, produciendo el trabao /. 4a turbina descarga el vapor en el estado (. Este es vapor con t!tulo x", pero más seco que en el ciclo de /an0ine, es admitido al condensador . 2qu! se condensa a presi)n y temperatura constante, evoluci)n ((+, y del condensador se extrae l0&uido condensado con t!tulo x7$, en el estado (+. 4uego la bombaaumenta la presi)n del condensado de %cond a %cald , evoluci)n (+(, y reinyecta el condensado en la caldera.
En diagrama T"# el ciclo Hirn se describe como sigue: El vapor está inicialmente con t!tulo ", como vapor saturado ((, luego se sobrecalienta en el proceso (((!el vapor se expande en la turbina, generando trabao, evoluci)n (!(. Esta evoluci)n es, en principio, isentr)pica. 2 la salida de la turbina el vapor tendrá t!tulo inferior a ", pero saldrá muc-o más seco que en el ciclo de Rankine. ;ncluso nada impide que el vapor saliera como vapor sobrecalentado.
Dia'rama T"# de ciclo de va%or Hirn
Dia'rama T"# de ciclo de va%or de Hirn1 inclu$endo ciclo de Carnot corres%ondiente
El vapor que descarga la turbina es admitido al condensador , donde condensa totalmente a temperatura y presi)n constantes, evoluci)n ((+. Sale del condensador en el estado (+ como l!quido saturado (t!tulo x7$. 2-ora el condensado es comprimido por labomba, evoluci)n (+(,, aumentando su presi)n -asta la presi)n de la caldera. En el estado (, el l!quido está como l!quido subsaturado. Este se inyecta a la caldera, con un importante aumento de temperatura y entrop!a, -asta alcan+ar la saturaci)n. 2ll! comien+a la ebullici)n. 5odo el proceso (,(( ocurre dentro de la caldera. ;nclu!mos el punto ,) que es cuando se alcan+a la saturaci)n, pero solo para efectos ilustrativos. Comparemos este ciclo de Hirn con su Ciclo de Carnot Corres%ondiente (las dos isot*rmicas y dos isentr)picas que lo inscriben. Este ciclo tendrá como temperatura inferior (de fuente fr!a la tem%eratura del condensador (normalmente ligeramente superior a la ambiente y como superior (de fuente caliente la de la caldera (Tllama. 4as áreas en verde indican la p*rdida que -ay con respecto al potencial. En este caso vemos que existe una importante irreversibilidad con respecto al Ciclo de Carnot correspondiente (más que en el ciclo de Rankine.
Sin embargo, para las mismas presiones de caldera y condensador (lo que significa igual temperatura de ebullici)n y condensaci)n, es meor el rendimiento de un ciclo de Hirn que el de un ciclo Rankine.
En resumen, podemos afirmar: •
Siempre, de ser posible, conviene utili+ar un condensador .
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Si la temperatura de la fuente caliente está limitada (es decir es bastante inferior a la temperatura cr!tica del agua, en general conviene utili+ar un ciclo de Rankine.
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El ciclo de Hirn conviene cuando tenemos fuente caliente de alta temperatura y necesitamos que el vapor salga más seco de la máquina.
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Con las condiciones en caldera y condensador iguales, el rendimiento de un ciclo de Hirn será superior a uno de Rankine.
