UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO - PUNO Facultad ingeniería mecánica elctrica electr!nica " #i#tema#
E#cuela Pr$%e#i$nal de Ing& 'ecánica Elctrica
Trabajo De: FUERZA MOTRIZ TERMICA TE'A ( CICLO CARNOT Y CICLO RANKINE. Pre#entad$ )$r l$# e#tudiante#( OCHOA YUCRA, YUCRA, Ronny Alí.
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E#tudiante# Del( IX SEMESTRE Encargad$ )$r el d$cente .
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( Ing. CAMACHO ASTOQUILCA, Alvaro
CICLO CARNOT: En el siglo XIX el ingeniero francés Nicolas Carnot concibió, estudió y desarrolló un ciclo termodinámico, que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, en el: •
Se suministra al motor energía en forma de calor a temeratura ele!ada"
•
#a acción del calor ermite reali$ar un traba%o mecánico al motor"
•
El motor cede calor al foco de temeratura inferior" El ciclo de Carnot es un ciclo teórico y re!ersible, su limitación es la caacidad que osee un sistema ara con!ertir en calor el traba%o, se utili$a en las máquinas que usan !aor o una me$cla de combustible con aire u o&ígeno" 'eresentado en un diagrama (! se obtiene la siguiente figura:
El ciclo se di!ide en cuatro etaas, cada una de las cuales se corresonde con una transformación termodinámica básica: •
Etaa )* E&ansión isotérmica En el gráfico es el aso del estado + al estado " Es un roceso isotermo y or ser un gas erfecto eso -ace que la temeratura se mantenga constante . +" El gas se encuentra en un estado de equilibrio inicial reresentado or +, /+, .+, en el interior del cilindro" Se roduce una e&ansión isotérmica entre + y , -asta alcan$ar los !alores , /, . +, el sistema reali$a un traba%o 0 + ositi!o 1aumenta el !olumen, luego es un traba%o -ec-o or el sistema, traba%o ositi!o*, comunicando energía al
Entorno, or otro lado como la !ariación de energía interna -a de ser cero, toma un calor del entorno equi!alente 2 +:
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Etaa 3* E&ansión adiabática Se arte del unto y se llega al estado 4" 5or ser un roceso adiabático no -ay transferencia de calor, el gas debe reali$ar un traba%o, ele!ando el émbolo, ara lo que el cilindro debe estar aislado térmicamente, alcan$ándose los !alores 4, /4, ."
•
Etaa C* Comresión isotérmica Entre los estados 4 y 6, -asta alcan$ar los !alores 6, /6, ., siendo el traba%o reali$ado or el istón" En este caso es un traba%o de comresión 1negati!o*, se recibe energía del entorno en forma de traba%o y se cede una energía equi!alente en forma de calor:
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Etaa 7* Comresión adiabática Entre los estados 6 y + cerrándose el ciclo" Se alcan$an de nue!o los !alores +, /+, .+ sin transferencia de calor con el e&terior" Consideramos a-ora el efecto global del ciclo"
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El traba%o neto 0 reali$ado durante el ciclo or el sistema será el reresentado or la suerficie encerrada en el trayecto +((4(6(+"
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#a cantidad neta de energía calorífica recibida or el sistema será la diferencia entre 2 y 2+" 5ara calcular el rendimiento de un ciclo de Carnot se emlea la misma e&resión mencionada anteriormente:
En la ráctica es muc-o más difícil obtener los !alores de los calores trasegados que los !alores de la temeratura 1en grados 8el!in* de los dos focos, que se conocen or la lectura de un termómetro, y se uede considerar que la transmisión de calor es roorcional a las temeraturas de ambos focos sin que se cometa un error areciable 1recuerda que son gases erfectos y que la !ariación de energía interna es fución e&clusi!a de la !ariación de temeratura* or lo que se uede escribir:
9 or lo tanto se uede e&resar el rendimiento como:
El rendimiento de este tio de máquinas será mayor cuanto mayor sea la diferencia entre las temeraturas del foco caliente . + y el foco frío . " E&isten otros ciclos termodinámicos que también oseen el rendimiento má&imo aunque se utili$an muc-o menos que el de Carnot"
CICLO RANKINE:
El ciclo 'anine oera con !aor, y es el utili$ado en las centrales termoeléctricas" Consiste en calentar agua en una caldera -asta e!aorarla y ele!ar la resión del !aor, que se -ace incidir sobre los álabes de una turbina, donde ierde resión roduciendo energía cinética" 5rosigue el ciclo -acia un condensador donde el fluido se lic;a, ara osteriormente introducirlo en una bomba que de nue!o aumentará la resión, y ser de nue!o introducido en la caldera" #a reresentación en diagrama (/ de ciclos en los que el fluido se !aori$a, resentan una diferencia con resecto a los ciclos de gas, ya que aarece una camana, llamada de cambio de fase"
) la i$quierda corresonde al estado líquido, en el que rácticamente no -ay modificaciones de !olumen, cuando se aumenta su temeratura o su resión" 5or ello las isotermas son rácticamente !erticales" ) la derec-a corresonde al estado !aor, aquí el fluido se comorta como un gas, y or ello las isotermas son muy arecidas a las de los gases ideales" 7entro de la camana, el fluido se está e!aorando, y las isotermas son -ori$ontales" Esto es así orqué dada una resión, el calor que se le aorta al fluido no se emlea en ele!ar la temeratura, sino en su e!aoración" El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcan$a !alores tan ele!ados"
El ciclo de 'anine es en el que se basaban las antiguas máquinas de !aor y locomotoras, utili$aban un cilindro de doble efecto con un comonente desla$able llamado corredera que dirigía el !aor a un lado u otro del istón"
)nalicemos más desacio las etaas del ciclo:
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En la transformación +( aumenta la resión del líquido sin érdidas de calor, or medio de un comresor, con aortación de un traba%o mecánico e&terno"
•
En la transformación (4 se aorta calor al fluido a resión constante en una caldera, con lo que se e!aora todo el líquido ele!ándose la temeratura del !aor al má&imo"
•
#a transformación 4(6 es una e&ansión adiabática, con lo que el !aor a alta resión reali$a un traba%o en la turbina"
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#a transformación 6(+consiste en refrigerar el fluido !aori$ado a resión constante en el condensador -asta !ol!er a con!ertirlo en líquido, y comen$ar de nue!o el ciclo" 5ara otimi$ar el aro!ec-amiento del combustible, se somete al fluido a ciertos rocesos, ara tratar de incrementar el área encerrada en el diagrama (/"
•
5recalentamiento del agua comrimida 6(< aro!ec-ando el calor de los gases que salen or la c-imenea de la caldera" Con esto no se aumenta el área del diagrama, ero se reduce el calor que -ay que introducir al ciclo"
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'ecalentamiento del !aor que -a asado or la turbina <(= -aciéndolo asar or la caldera y desués or otra turbina de ba%a resión"
CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO: •
#a eficiencia del ciclo 'anine uede incrementarse también aumentando la resión de oeración en la caldera" Sin embargo, un aumento en la resión de oeración de la caldera origina un mayor grado de -umedad en los ;ltimos asos de la turbina" Este roblema uede solucionarse -aciendo uso de recalentamiento, en donde el !aor a alta resión rocedente de la caldera se e&ande solo arcialmente en una arte de la turbina, ara !ol!er a ser recalentado en la caldera" 5osteriormente, el !aor retorna a la turbina, en donde se e&ande -asta la resión del condensador" >n ciclo ideal con recalentamiento, y su corresondiente diagrama temeratura(entroía aarece en la siguiente figura" ?bsér!ese en esta figura que el ciclo 'anine con sobrecalentamiento solamente, sería más eficiente que el ciclo con recalentamiento, si en el rimero fuera osible
•
calentar el !aor -asta el estado +@ sin incurrir en roblemas de materiales" El ciclo 'anine con recalentamiento uede ayudar a ele!ar mínimamente la eficiencia del ciclo, ero se usa ara alargar el tiemo de !ida de la turbina" Idealmente odríamos usar una cantidad infinita de recalentamientos ara continuar ele!ando la eficiencia ero en la ráctica solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de traba%os es muy equeAa"
5ara una lanta de generación de energía simle de !aor
Ciclo 'anine ideal con recalentamiento
CICLO RANKINE CON REGENERACIÓN:
•
#a eficiencia del ciclo 'anine es menor que un ciclo de Carnot, orque se aAade calor distinto al de la temeratura más alta" Este defecto se uede comensar usando un ciclo regenerati!o" ) continuación se resentan dos métodos, aunque el rimero es muy imráctico" En la figura ) el líquido se bombea -acia unos serentines en la turbina ara lograr una transmisión de calor" )sí, odemos decir que el fluido sufre un incremento de temeratura re!ersible de a -asta b, mientras que se e&ande y enfría re!ersiblemente desde d -asta e" #a eficiencia térmica de este ciclo regenerati!o es igual a la del ciclo de Carnot" #a rueba es que en el
•
ciclo e&isten tres condiciones: El calor es aAadido al El
•
calor
es
rec-a$ado
del
ciclo ciclo
a a
una
temeratura
constante
.)
otra
temeratura
constante
.3"
.odos los rocesos son, o los consideramos, re!ersibles" )-ora, comarando con las condiciones del ciclo de Carnot, !emos que son iguales" )unque una turbina como la descrita anteriormente se udiera construir, seria daAino ara ella ya que aumentaría considerablemente la -umedad or la disminución
de
temeratura"
5odemos sugerir un método alternati!o, el cual consiste en e&traer una equeAa orción del !aor en la turbina, antes de que se e&anda comletamente" Esta e&tracción se me$cla con él líquido ro!eniente de una rimer bomba en un calentador BabiertoB o Bor contactoB" 7e esta forma odemos incrementar la temeratura del fluido sin decrementar la calidad del !aor en la turbina" Si tu!iéramos una cantidad infinita de untos de e&tracción a diferentes temeraturas en el roceso de e&ansión, la diferencia de temeraturas entre el !aor e&traído y él líquido ro!eniente de la bomba seria mínima, lo mismo asaría con la •
irre!ersibilidad que se roduce al me$clar ambos fluidos" 5ara este sistema -iotético, el calor se transfiere solamente en los untos donde la temeratura es má&ima y mínima" Si tenemos un n;mero finito de untos de e&tracción la irre!ersibilidad de las me$clas -ace que e&ista una érdida de energía" )unque estas érdidas se den, la eficiencia térmica de un ciclo regenerati!o irre!ersible uede ser mayor que un ciclo 'anine re!ersible com;n" Esto es osible gracias a que en un ciclo regenerati!o el calor se aAade a una
temeratura romedio más alta, y or eso un mayor orcenta%e de este calor •
uede ser con!ertido en traba%o" 7ado que la mayor érdida de energía de una lanta de otencia se resenta en el condensador, en donde se desec-a calor al medio enfriador, es ertinente considerar métodos de reducir este calor desec-ado y de me%orar la eficiencia del
•
ciclo" El método más deseable de calentamiento del condensador seria uno que fuera re!ersible y continuo" Suoniendo que esto fuera osible el diagrama .(S estaría reresentado or la figura siguiente:
• •
En este diagrama se considera que el !aor está saturado al inicio de la e&ansión" #a cur!a 6(< es aralela a la 4(= uesto que se ostuló que el calentamiento es re!ersible" Se obser!ara que el incremento de Entroía durante el calentamiento es igual a la disminución durante la e&ansión y enfriamiento del
•
!aor, y que el área 6, <, =,4 es igual al área +, , 4, =," En la ráctica, este ciclo ideal se obtiene de forma aro&imada ermitiendo que el condensado de la bomba de alimentación se caliente en un calentador o en calentadores searados or el !aor que se e&trae de la turbina desués que este se -a e&andido en forma arcial y -a reali$ado un traba%o" El !aor e&traído de la turbina uede me$clarse directamente con el condensado 1como en un calentador abierto* o bien intercambiar calor en forma directa y condensar 1como en un calentador cerrado*
